JPH0756176A - 強誘電性液晶素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】強誘電性液晶表示素子を長時間駆動しても、セ
ル厚が所定以上に増加せず、したがって黄色く変色する
ことがない。 【構成】強誘電性液晶表示素子の基板間隙（初期セル
圧）を境界値（０．５μｍ）以下に設定したため、該表
示素子の駆動に伴って液晶分子は所定方向（０３方向）
に移動する。そして、移動した液晶分子はセル端部に集
まり、その結果セル端部におけるセル厚が増加する。し
かし、該セル端部におけるセル厚が増加して前記境界値
（０．５μｍ）を越えると、液晶分子の移動方向は反対
方向（０１方向）となり、セル端部に集まっていた液晶
分子がセル中央部に向けて移動し始める。したがって、
セル端部におけるセル厚は所定以上には増加せず、表示
素子が黄色く変色することもない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶分子の移動を抑え
て耐久性に優れる強誘電性液晶素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、強誘電性液晶分子の屈折率異方性
を利用して、偏光素子と組み合わせることにより透過光
線を制御する型の液晶表示素子がクラーク（Ｃｌａｒ
ｋ）及びラガーウォール（Ｌａｇｅｒｗａｌｌ）により
提案されている（米国特許第４６３９０８９号明細書、
米国特許第４３６７９３４号明細書等）。この液晶表示
素子に用いられるカイラルスメクティック液晶は、双安
定性を有し、一般に特定の温度領域において、非らせん
構造のカイラルスメクティックＣ相（ＳｍＣ^* ）又はカ
イラルスメクティックＨ相（ＳｍＨ^* ）を有している。
そして、この強誘電は液晶に電界が印加されると、該電
界に応答して第１の光学的安定状態及び第２の光学安定
状態のいずれかを取り、かつ電界の印加がないときはそ
の状態を維持する性質、すなわち双安定性を有し、また
電界の変化に対する応答も速やかであり、高速ならびに
記憶型の液晶として広い利用が期待されている。

【０００３】この液晶表示素子は、カイラルスメクティ
ック液晶をマルチプレクシング駆動するための走査電極
と信号電極とで構成したマトリクス電極を備えており、
走査電極には、順次走査信号が印加され、この走査信号
と同期して信号電極には情報信号が印加されるようにな
っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記強
誘電性液晶表示素子を長時間駆動し続けると、セル端部
が黄色に色付いて見えてくるいう問題が認められた。こ
のように変色する理由は、駆動により液晶自身が液晶セ
ル間の特定の方向へ移動することによってセル端部にお
けるセル厚が増加することによるものである。また、液
晶分子が液晶セルの中を移動する力の発生原因は不明だ
が、おそらく駆動パルスによる交流的な電界で、液晶分
子の双極子モーメントが揺らぐことにより発生する電気
力学的効果であろうと推定される。

【０００５】本発明者等の実験によれば、図１(a) に示
すように、液晶の移動の方向０１はラビング方向００と
液晶分子の平均分子軸方向Ｓ₁ ，Ｓ₂ により決まってい
る。液晶分子の移動方向がこのようにラビングの方向に
依存することから、その現象は基板界面でのプレチルト
の状態に依存していることが推測される。平均分子軸方
向Ｓ₁ ，Ｓ₂ は強誘電性液晶分子の双安定状態における
平均的な分子位置を示している。ここで、例えば、平均
分子軸方向がＳ₁ で示した状態で液晶がスイッチングし
ない程度の適当な交流電界を印加すると、矢印０１方向
に液晶分子が移動する。但し、ここでは自発分極の向き
が負である液晶材料を用いた場合について述べている。

【０００６】前述した液晶分子の移動は、実際の液晶セ
ルでは、図１(a) に示すように、例えばセル全体で液晶
分子位置がＳ₁ で示した状態にあったとすると、セル内
部での図の紙面左から右へ液晶の移動が生じる。その結
果、図１(b) に示すように領域０２のセル厚が経時的に
厚くなり、色付きを生じてくることになる。液晶分子が
Ｓ₂ で示した状態にあるときには、交流電界下での移動
方向は逆になるが、いずれにせよ、ラビング方向００に
対して垂直な方向、即ちスメクティック層内において液
晶の移動が生じる。

【０００７】そこで、本発明は、セル厚の増加を抑制し
て上述したような変色の発生を防止した強誘電性液晶素
子を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述事情に鑑
みなされたものであって、一軸配向処理方向が略平行に
なるように対向配置した一対の基板と、これら一対の基
板間に保持されると共に２種の安定なる分子配列状態Ｓ
₁ ，Ｓ₂ を有する強誘電性液晶と、を備えた強誘電性液
晶素子において、Ｓ₁ 又はＳ₂ の安定状態において電界
を印加したときの前記強誘電性液晶の移動方向が、前記
一軸配向処理方向に対して略垂直であり、かつ前記Ｓ₁
又はＳ₂ の方向である、ことを特徴とする。

【０００９】この場合、前記一対の基板の間隙が、前記
強誘電性液晶の移動方向の反転する境界値よりも小さく
設定され、前記強誘電性液晶の移動に伴って前記一対の
基板の間隙が前記境界値よりも大きくなった場合に該移
動方向が反転し、前記一対の基板の間隙が所定範囲内に
保持される、ようにすると好ましい。

【００１０】また、一方の基板の一軸配向処理方向と、
他方の基板の一軸配向処理方向とがなす角度θ_c が、０
°＜θ_c ＜２０°である、ようにすると好ましい。

【００１１】

【作用】以上構成に基づき、前記強誘電性液晶素子を駆
動すると、強誘電性液晶は所定方向に移動して、該強誘
電性液晶素子端部の厚さが増加する。そして、該端部の
厚さが境界値よりも大きくなった場合には、前記強誘電
性液晶の移動方向が反転し、前記端部の厚さは減少す
る。

【００１２】

【実施例】以下、図面に沿って、本発明の実施例につい
て説明する。

【００１３】図３(a) は本発明の一実施例に係る液晶セ
ルを模式的に示す斜視図、図３(b)はその上基板部分の
Ａ−Ａ線断面図である。これらの図に示すように、この
液晶セルは、一対の平行に配置した上基板１１ａ及び下
基板１１ｂと、それぞれの基板１１ａ，１１ｂに配線し
た，例えば厚さが約４００〜２０００Åの透明電極１２
ａ，１２ｂと、を備えている。上記基板１１ａと下基板
１１ｂとの間には、配向制御膜１４ａと１４ｂを介して
強誘電性液晶、好ましくは少なくとも２つの安定状態を
有する非らせん構造の強誘電性スメクティック液晶１５
が配置されてる。また、配向制御膜１４ａと１４ｂに
は、スメクティック液晶１５を配向させるための配向処
理が施してある。この配向処理方向によって、スメクテ
ィック液晶１５の層形成の方向を制御することができ
る。また、配向制御膜１４ａ，１４ｂと透明電極１２
ａ，１２ｂとの間に、例えば、厚さが２００〜３０００
Åの絶縁膜１３ａ，１３ｂを配置しても良く、その材質
としてはＴｉ−Ｓｉ膜、ＳｉＯ₂膜、ＴｉＯ₂ 膜、Ｔａ₂
Ｏ₅ 膜等が挙げられる。さらに、基板間隔（セル厚）
は、液晶層１５内に散布された平均粒径が約０．１〜
３．５μm のシリカビーズ１６により規定される。な
お、符号１７ａ及び１７ｂは偏光板である。

【００１４】本実施例においては、ガラス基板１１ａ，
１１ｂの板厚を１．１mmとし、ＩＴＯの透明電極１２
ａ，１２ｂをスパッタ法で形成した。この透明電極１２
ａ，１２ｂの膜厚は１５００Åとし、幅１７０μm のス
トライプ状のものを３０μm の間隔を開けて多数設け
た。ショート防止用の絶縁膜１３ａ，１３ｂとしてはＴ
ａ₂ Ｏ₅ 膜を用い、９００Åの厚さとなるようにスパッ
タ法で形成した。さらに、表面状態改質のため塗布型絶
縁層（ＴｉＳｉ＝１：１東京応化社製）を塗布し３００
℃で焼成を行った。膜厚は１２００Åである。

【００１５】一方、配向制御膜１４ａ，１４ｂの形成
は、ポリアミド酸（日立化成（株）製；ＬＱ１８０２）
をＮＭＰ／ｎＢＣ＝１／１液で１．５Ｗｔ％に希釈した
溶液をスピナーで２０００ｒｍｐ、２０ｓｅｃの塗布条
件で塗布し、その後２７０℃、１時間焼成して行った。
この膜厚は２００Åとした。なお、この配向制御膜１４
ａ，１４ｂとしては、ポリビニルアルコール、ポリイミ
ド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリパラ
キシリレン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリビ
ニルアセタール、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ポリス
チレン、セルロース樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂や
アクリル樹脂などの有機絶縁物質を用いてもよく、また
膜厚は５０Å〜１０００Åの範囲であればよい。

【００１６】この配向制御膜１４ａ，１４ｂにはラビン
グ処理が施されている。図４は、ラビング処理を説明す
る模式図で、ラビングローラ２０は、円柱状のローラ２
１にナイロン布等のラビング布２２を貼りつけた構造を
有してる。このラビングローラ２０を、Ｃの方向に回転
させながらガラス基板１１ａ（１１ｂ）上の配向制御膜
１４ａ，１４ｂに所定圧で当接させ、そしてガラス基板
１１ａ（１１ｂ）（又はラビングローラ）を矢印Ｂ方向
に移動させて配向制御膜１４ａ，１４ｂを摺接すること
により配向規制力が付与される。なお、この配向規制力
はラビングローラ２０をガラス基板１１ａ（１１ｂ）に
当接させる際の当接力により決定され、通常はラビング
ローラ２０を上下させることにより（押込み量εを変え
る）、ラビング布２２と配向制御膜１４ａ，１４ｂとの
接触量で制御されている。 本実施例では、押込み量ε
を０．３５mm、ローラ回転数を１０００ｒｍｐ、ローラ
送り速度を３０mm／sec のラビング条件で２回行なっ
た。

【００１７】このようにして製作されたガラス基板１１
ａ，１１ｂを、一方のガラス基板１１ａ（１１ｂ）に平
均粒径約０．５〜１．６μm のビーズスペーサ１６（シ
リカビーズ、アルミナビーズ等）を散布し、他方のガラ
ス基板１１ａ，１１ｂにエポキシ樹脂の接着剤であるシ
ール接着剤をスクリーン印刷法で形成し、両ガラス基板
１１ａ，１１ｂを貼り合わせて、図５(a),(b) に示す２
種類の形状のセルを作成した（詳細は後述）。なお、貼
り合わせはガラス基板１１ａ，１１ｂに施したラビング
処理のラビング方向が略平行になるように行った。その
後、下記の相転移温度、及び物性値を示すビリミジン系
強誘電性液晶を減圧下でＩｓｏ相に昇温し毛管現象によ
り注入して、その後徐冷して液晶装置を製造した。な
お、一方の基板１１ａの一軸配向処理方向と、他方の基
板１１ｂの一軸配向処理方向とがなす角度をθ_c とした
場合に、θ_c が ０°＜θ_c ＜２０° なる関係を満たすようにしている。

【００１８】

【外１】 −８．３℃ ６７．３℃ ９１．７℃ １００．１℃ Ｃｒｙｓｔ → ＳｍＣ＊ → ＳｍＡ → Ｃｈ → Ｉｓｏ チルト角 θ＝１５．１°（ａｔ ３０℃） 層の傾斜角 δ＝１０．２°（ａｔ ３０℃） 自発分極 Ｐｓ＝５．５（ｎｃ／ｃｍ² ）（ａ
ｔ ３０℃） 本発明者は、図５(b) に示すセルを用いて液晶の移動量
とセル厚との関係を求めた。このセルは、二方のみがシ
ール接着剤によって接着され、他の二方は開放されて液
晶の移動量及び移動方向を測定できるようになってい
る。図６は、その実験の様子を示したものであり、図６
(a) に示すように、液晶素子に電界を印加し、液晶分子
の平均分子軸をすべてＳ１方向にあらかじめ揃えてお
く。また、基板１１ａ，１１ｂ間に注入する液晶の両端
（セルの開放側の両端）にはマーカーとしてネマチック
液晶を付けており、該ネマチック液晶の侵入長を観察す
ることによって液晶の移動量及び移動方向を確認できる
ようにしている（図６(b),(c)参照）。また、液晶素子
の駆動は、短形交番電界（パルス幅６０μｓｅｃ、±６
Ｖ／μｍ）を一定時間（１４時間）印加することにより
行ない、駆動時の温度は４０℃とした。なお、この短形
交番電界は液晶がスイッチングする閾値電界の１／３で
あり、一定時間（１４時間）印加し続けた後も液晶素子
の平均分子軸はＳ１方向を維持していた。そして、この
ような観察を、初期セル厚の異なる複数のセルについて
行い、その結果を図２(a),(b) に示した。図２(a) に示
すように、初期セル厚０．５μm を境界値として液晶の
移動方向が反転しており、初期セル厚が０．５μm より
大きければ０１方向に、また０．５μm より小さければ
０３方向に移動する。そして、その移動量（侵入長）
は、初期セル厚が０．５μm のものが最小であり、０．
５μm より大きく（あるいは小さく）なる程増加してい
ることが分かる。

【００１９】次に、図５(a) に示す液晶素子を用いて、
強誘電性液晶素子の移動に伴うセル厚の変化を測定し
た。このセルは、図５(b) のものと異なり四方がシール
接着剤によって密封されており、液晶の移動に伴うセル
厚の変化を測定できるようになっている。

【００２０】図５(a) に示す液晶素子に電界を印加し、
液晶分子の平均分子軸をすべて図７(a) のＳ１方向にあ
らかじめ揃えておく。

【００２１】そして、図７(a) に示す液晶素子に前記と
同一の短形交番電界（パルス幅６０μｓｅｃ，±Ｖ／μ
ｍ）を印加し、図７(b),(c) に示すシール近辺のセル厚
増加の位置のセル厚変化量を測定した。図８に示すよう
に、駆動時間が長い程セル厚が増加するが、初期セル厚
が０．５，０．４μｍのものは駆動時間にかかわらずセ
ル厚の変化は見られなかった。これは、セル厚がある値
以上になると液晶の移動方向が反転し、この反転した方
向が液晶の移動を互いに阻止する方向に働くためと考え
られる。

【００２２】また、目視で色付きを観察したが、初期セ
ル厚が０．６μｍ以上のサンプルでは図７(b) のセル厚
増加位置が黄色く色付いているのがはっきり認識できた
のに対し、初期セル厚０．４，０．５μｍのサンプルで
は色付きは認識できなかった。このことから、初期セル
厚が０．５μｍ以下のサンプルではセル厚変化量がある
値以上大きくならず、色付きを防止できていることがわ
かる。

【００２３】以上説明したように、本実施例によれば、
初期セル厚を０．５μｍ以下に設定した場合には、液晶
分子が０３方向に移動してセル端部の厚さが増加する。
そして、該セル端部の厚さが境界値（０．５μｍ）を越
えると、液晶分子の移動方向が０１方向に反転して、セ
ル端部の液晶分子がセル中央部に向かって移動し、該セ
ル端部の厚さが減少する。したがって、セル端部の厚さ
が所定値以上に増加することがなく、従来例において述
べたような変色の恐れもない。また、初期セル厚を０．
５μｍとすれば液晶分子の移動自体が抑制されるが製作
時における寸法管理が困難である。しかし、本実施例に
よれば初期セル厚が０．５μｍ以下であればよく、その
ような正確な寸法管理も必要としない。

【００２４】ついで、本発明の他の実施例について説明
する。

【００２５】本実施例においては、絶縁膜の形成を展色
法によって行った。すなわち、Ｔｉ・Ｓｉ＝１：１の比
率よりなる成分の絶縁膜の６．０重量％の溶液中に、平
均粒径４００Åのシリカよりなる微粒子を予め分散さ
せ、該溶液の印刷を、５μm の粗さの展色板を用いて行
った。その後、１００℃約１０分の仮焼成を行い、さら
にＵＶ照射を行い、またさらに３００℃で約１時間の加
熱焼成処理を施した。この絶縁膜の厚さは２００Åとし
た。なお、この絶縁膜以外の構成は、上述実施例と同様
のものとした。

【００２６】本発明者は、配向膜表面の凹凸の測定を、
ＳＥＭ写真及びＡＦＭによって行った。図１０には、基
板法線方向から８５°の角度からのＳＥＭ写真を示す。
このＳＥＭ写真とＡＦＭの測定から、配向膜表面の凹凸
の幅は５〜１７ｎｍ、密度は約１０８個／mm² 、高低差
は１０〜２５ｎｍであることが分かった。

【００２７】これらのサンプルを用いて上述実施例と全
く同じ実験を行った。結果を図９に示す。この場合、図
９(a) に示すように、初期セル厚１．１μm （境界値）
以下で０３方向へ強誘電性液晶が移動した。図２(a) と
図９(a) とを比較すると、絶縁膜の違いによって境界値
が０．５μm から１．１μm へと大きく変化することが
分かる。本実施例において、上述のようにセル厚の増加
を防止するためには、初期セル厚を１．１μm 以下に設
定すれば良い。すなわち、強誘電性液晶素子の構成に応
じて境界値も変化するため、初期セル厚は該境界値に応
じて設定する必要がある。

【００２８】図９(b) に、セル厚変化量と初期セル厚と
の関係を示す。これから、図９(a)で０３方向に液晶が
移動した初期セル厚値（すなわち、１．１μm 以下）で
は、セル厚変化量が印加時間を長くしてもほとんど増加
せず、セル厚変化量が低減されていることがわかる。ま
た、これらのサンプルを目視で色付きを観察したとこ
ろ、０１方向に液晶が移動した初期セル厚値のサンプル
では著しく黄色付いたのに対し、０３方向に液晶が移動
した初期セル厚値のサンプルではほとんど色付きはなか
った。

【００２９】なお、本発明者は、配向制御膜の膜厚を１
８０Åとして、上述と同様の液晶素子を作成し、同様の
実験を行ったが、上述と同様の結果が得られた。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると液
晶表示素子を長時間駆動した場合でもセル厚の増加を防
止でき、したがって、液晶表示素子の変色を防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) はラビング方向及び液晶分子の平均分子軸
方向と液晶の移動方向との関係を示した図、(b) は液晶
の移動に伴って生じるセル厚の増加領域を示す図。

【図２】第１の実施例の効果を説明するための図であ
り、(a) は液晶の移動量（侵入長）と初期セル厚との関
係を示す図、(b) は液晶の移動量（侵入長）の絶対値と
初期セル厚との関係を示す図。

【図３】(a) は液晶セルの構造を示す斜視図、(b) はそ
のＡ−Ａ断面図。

【図４】(a) はラビング処理を示す斜視図、(b) はその
側面図。

【図５】(a) はセル厚の変化を測定するための液晶セル
を示す図、(b) は液晶の移動方向及び移動量を測定する
ための液晶セルを示す図。

【図６】液晶の移動を測定する模様を示す図であり、
(a) は電圧を印加する前の状態を示す図、(b) は液晶が
０１方向に移動した状態を示す図、(c) は液晶が０３方
向に移動した状態を示す図。

【図７】セル厚の変化を測定する模様を示す図であり、
(a) は電圧を印加する前の状態を示す図、(b) は液晶が
０１方向に移動した状態を示す図、(c) は液晶が０３方
向に移動した状態を示す図。

【図８】第１の実施例における初期セル厚とセル厚の変
化量との関係を示す図。

【図９】第２の実施例の効果を説明するための図であ
り、(a) は液晶の移動量（侵入長）と初期セル厚との関
係を示す図、(b) は初期セル厚とセル厚の変化量との関
係を示す図。

【図１０】第２の実施例における配向膜表面の粒子構造
を示した図面に代わる写真。

【符号の説明】

０１ 液晶分子の移動方向 ０３ 液晶分子の移動方向 １１ａ，１１ｂ 基板（ガラス基板） １２ａ，１２ｂ 透明電極 １４ａ，１４ｂ 配向制御膜 １５ 強誘電性液晶 １６ シリカビーズ

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【手続補正書】

【提出日】平成６年６月１３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

フロントページの続き (72)発明者 小寺 泰人 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一軸配向処理方向が略平行になるように
   対向配置した一対の基板と、これら一対の基板間に保持
   されると共に２種の安定なる分子配列状態Ｓ₁ ，Ｓ₂ を
   有する強誘電性液晶と、を備えた強誘電性液晶素子にお
   いて、 Ｓ₁ 又はＳ₂ の安定状態において電界を印加したときの
   前記強誘電性液晶の移動方向が、前記一軸配向処理方向
   に対して略垂直であり、かつ前記Ｓ₁ 又はＳ₂の方向で
   ある、 ことを特徴とする強誘電性液晶素子。
2. 【請求項２】 前記一対の基板の間隙が、前記強誘電性
   液晶の移動方向の反転する境界値よりも小さく設定さ
   れ、 前記強誘電性液晶の移動に伴って前記一対の基板の間隙
   が前記境界値よりも大きくなった場合に該移動方向が反
   転し、前記一対の基板の間隙が所定範囲内に保持され
   る、 ことを特徴とする請求項１記載の強誘電性液晶素子。
3. 【請求項３】 一方の基板の一軸配向処理方向と、他方
   の基板の一軸配向処理方向とがなす角度θ_c が、 ０°＜θ_c ＜２０° である、 請求項１及び２記載の強誘電性液晶素子。