JPH0792470A

JPH0792470A - 液晶素子

Info

Publication number: JPH0792470A
Application number: JP26295093A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Nito; 敬一仁藤; Akio Yasuda; 章夫安田; Hidehiko Takanashi; 英彦高梨
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-09-27
Filing date: 1993-09-27
Publication date: 1995-04-07

Abstract

(57)【要約】【構成】液晶配向膜13ａ、13ｂが設けられた一対の基
板11ａ、11ｂが前記液晶配向膜の側で所定の間隙を置い
て互いに対向し、前記間隙内に液晶15が配されている液
晶素子において、前記液晶配向膜が与えるプレチルト角
θ_Pをθ_P＝δ＋β（但し、δは前記液晶の層傾斜角
（単位は度）である。）としたとき、０°＜β なる条件を満たすことを特徴とする液晶表示素子。【効果】 δ（更にはチルト角θ）を満足する液晶材料
とプレチルト角θ_P＝δ＋βを与える配向膜との組み合
わせにより、コーン面の上回りに回転するスイッチング
をし、バイアス電圧に対する安定性の高いメモリー性を
得ることができ、特にマルチプレックス駆動で高コント
ラストの表示が達成可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶配向膜が設けられ
た一対の基体が前記液晶配向膜の側で所定の間隙を置い
て互いに対向し、前記間隙内に液晶が配されている液晶
素子、特に強誘電性液晶素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】強誘電性液晶（ＦＬＣ：ferroelectric
liquid crystal) を表示素子に応用しようとする研究開
発は、ここ11年来、活発に進められてきている。ＦＬＣ
ディスプレイは、主として次の（１）〜（３）の特徴を
有する優れたものである。（１）高速応答性（従来のネマチック液晶表示に比較し
て1000倍も高速応答）。（２）視野角依存性が少ない。（３）画像にメモリ性がある。

【０００３】高速化、高コントラスト化を目的として種
々の強誘電性を示す液晶が合成され、更に、混合により
新たなＦＬＣ組成物が検討されてきた。しかしながら、
その材料設計指針として、ＦＬＣの電気光学的応答速度
が、 τ＝η／Ps・Ｅ（但し、ηは液晶材料の粘性、Psは自発分極、Ｅは電
界）で示される条件式で規定されると考えられていたた
め、自発分極Psを大きくすることと、粘性を小さくする
ことだけが、τを小さくする（即ち高速化する）唯一の
手段と考えられていた。

【０００４】ところが、応答速度に関しては、実際、上
記の式に従う場合も多いが、Psを大きくすると粘性も増
し、自発分極を大きくすることによる効果が得られない
ことが多い。しかも、自発分極を大きくすることによ
り、液晶表示素子内に生じる反電界や、分子配向の乱れ
などの問題が生じるため、期待通りに高速化できなかっ
たり、十分なコントラストが得られない等、近年におい
て、自発分極をいたずらに大きくすることに関しては疑
問視する向きが多い。

【０００５】一方、低粘度化に関しては、粘性の高いカ
イラル分子を単独で用いずに、より温度範囲の広い低粘
性の組成物を得る方法として、自発分極を発現可能なカ
イラル分子をドーパントとして用い、ベースとして自発
分極を持たない非カイラル液晶と混合した組成物系を用
いているのが一般的である。ここで、粘性の低減や温度
範囲の拡大の制御のために、ベース液晶で低粘度化を制
御しているのが一般的である（ドーパント法）。

【０００６】しかし、ＦＬＣの電界応答のダイナミクス
を支配するのは、自発分極を発現するカイラル分子であ
り、そこにどのような分子を用いるかということが、Ｆ
ＬＣディスプレイの特性を決定してしまう重要因子であ
ることに疑う余地はない。

【０００７】また、従来は、応答速度に関しては上記の
式を材料選択の指針としてきたが、疑問視されてきたば
かりでなく、表示のコントラストに関してはそのガイド
ラインさえも存在しなかった。

【０００８】

【発明に至る経過】本発明者は、強誘電性液晶（ＦＬ
Ｃ）を用いて、バイアス電圧に対する安定性の高いメモ
リー性を得ることができ、マルチプレックス駆動で高コ
ントラストの表示が達成可能になる液晶素子の実現につ
いて、鋭意検討を重ねた。こうした高速かつ高コントラ
ストを有する表示素子を実現するためには、スイッチン
グ過程での液晶のダイナミクスに着目した。

【０００９】ＦＬＣの動的な特性に着目し、パッシブマ
トリックスドライブで表示素子を実現するためには、マ
ルチプレックス信号が印加された場合のコントラストが
非常に重要であることは明らかである。即ち、ＦＬＣが
書込み（走査）信号によりスイッチングされ、メモリー
状態となり、次の書込み信号が来るまでの間、データ信
号のバイアス電圧が加わるために液晶分子のダイレクタ
が揺動を受け、その結果、コントラストが低下し、表示
素子の品位を低下させる。

【００１０】マルチプレックスドライブ下におけるコン
トラスト比は、従来、強誘電性液晶の誘電率異方性に関
係しているとされてきた（J.P. Le Pesant, J.M. Perbe
t, B. Mourey, M. Hareng, G. Decobert, J.C. Dubois:
Mol. Crys. Liq. Cryst., 129,p.61(1985)）。

【００１１】即ち、負の誘電率異方性（Δε＜０）を有
する強誘電性液晶は、ΔεＥ²に比例した誘電的なトル
クによって液晶分子のダイレクタの位置がメモリー状態
で安定化されるために、黒レベル及び白レベルが安定す
るとされてきた。しかしながら、この考え方で、負の誘
電率異方性を持たせるように設計し、合成あるいはブレ
ンドを数多くの研究者が検討してきたが、得られた組成
物は必ずしも高コントラストを得るには至らなかった。
即ち、黒レベルの安定性が課題であることは言うまでも
ない。

【００１２】そこで、本発明者は、これまでに駆使して
きた時間分解のフーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）
を用い、コーン面上を回る液晶分子の回転方向を規定
し、その回転方向が高コントラストを得る重要な因子で
あることを明確にした。

【００１３】即ち、図２に示すような強誘電性液晶のコ
ーンモデルを考える。ここでは、液晶層の構造として傾
斜ブックシェルフ構造を考える。このモデルは層が傾斜
していることが重要であるが、「く」の字型のシェブロ
ン構造にも適用できることは容易に推測できる。なお、
図２中、Ａ、Ｂは、透明基板上に透明電極及び液晶配向
膜を設けた積層体を示し、φは液晶ダイレクタの方位角
である。

【００１４】液晶分子はスイッチングの過程で仮想的な
コーン面上を回転することが知られている。そして、ス
イッチングの過程及びメモリーの発現の仕方について、
図３を参照して説明すると、電界印加に伴う液晶ダイレ
クタの応答は、図３の（Ｂ）に示すように上回りあるい
は下回りで位置１と位置２の間をスイッチングする（な
お、図中、液晶ダイレクタは黒丸で示し、スイッチング
後の原位置を白丸で示し、ダイレクタが図中に円形に示
すコーン面上を回るものとする：以下同様）。

【００１５】この場合、完全なメモリー性が発現した場
合には、（Ａ）の如く、位置１と位置２に安定化する。
このメモリー状態で電圧の揺動がない場合にはメモリー
はこの位置で安定であるが（Ａ）、データパルス等のバ
イアス電圧の印加によりダイレクタが揺動を受けると、
上回りでは１←→１’又は２←→２’の間で揺動し、下
回りでは１←→１”又は２←→２”の間で揺動する
（Ａ’）。この図では上回りと下回りは等価に見える
（層が傾斜していない場合は等価である）。即ち、ダイ
レクタの自発分極Psの向きが上向きと下向きとで電界方
向で逆であるから、上回りと下回りの確率が等しくなる
ためである。但し、液晶層が傾斜した傾斜ブックシェル
フやシェブロン構造では、上回りと下回りの区別ができ
るようになる（これは、ＦＴ−ＩＲで測定可能）。

【００１６】一方、メモリーが不良の場合は、図３の
（Ｃ）のように、ダイレクタのゆらぎによりそれぞれ１
ａ、２ａの位置にずれる（緩和する）。このメモリー性
が不良となった状態でも、同様に、データパルス等のバ
イアス電圧の印加により、ダイレクタが揺動を受け、こ
のとき、液晶分子の持つ自発分極の双極子モーメントと
の相互作用が大きくなるために、（Ａ’）の揺動よりも
更に大きな揺動を示し（Ｃ’）、コントラストに大きな
影響を与える黒レベル及び白レベルが著しく変動する。
この場合も上回りと下回りは等価に見える（層が傾斜し
ていない場合は等価である。）が、層が傾斜した傾斜ブ
ックシェルフやシェブロン構造では上下の区別ができる
ようになる。

【００１７】ここで、図２に示すような層傾斜を有する
液晶光学素子において、上回りと下回りの場合について
考察を進めた。

【００１８】層傾斜角δにおいて、液晶ダイレクタの方
位角φを変えたときの光透過率は、液晶の各波長での複
屈折率を求めることにより、容易に計算できる。計算は
Ｂerreman の４×４−マトリックス法を用いた〔D.W.Be
rreman：“Ｏptics in Straitified and Anisotropic M
edia：４×４−Matrix Formulation”,J. Ｏptical So
c. of Am., 62, p.502-p.510,(1972)〕。ここでは、 53
0nmの光源を用いた場合のφの変化に伴う透過率変化に
ついて計算した。計算結果を図４に示す。ここで、φ＞
０時は上回り、φ＜０の時は下回りを意味する。

【００１９】その結果、下回りのφ＝０度からの揺動で
は、透過率がφ＝20度から高くなり、黒レベルを劣化さ
せる。しかし、上回りのφ＝０度からの揺動では、透過
率がφ＝50度まで低く、黒レベルを保持し、コントラス
トの低下をきたさない。すなわち、傾斜した層構造にお
いて、コーンの上回り（図２参照）では、バイアスパル
ス印加下でのコントラストの低下が著しく低いことが予
想される。

【００２０】層の傾斜角δが０度の時、自発分極Psと誘
電率異方性Δεの関係から、プレチルト角０度の時は次
の如き状態となることが知られている。Δε＜０の場合
には、ダイレクタは電界に対して直交するようなトルク
が作用し、自発分極により発生した回転トルクと拮抗す
るために回転の初期において安定化され、応答にdelay
(遅延）を生じるため、一般にバイアス安定性は高いと
考えられている。Δε＞０の場合には、ダイレクタは電
界に対して平行になるようなトルクが作用するために、
応答のdelay はなく、一般にバイアス安定性は低いと考
えられている。

【００２１】しかしながら、この時、回転の方向を規定
する因子は存在しない。しかし、プレチルトが存在する
とき、メモリー状態における方位角φはφ≠０°とな
り、上回りか、下回りかが決定される。しかし、この両
回転が伴うと、プレチルトにより、φ＝０°とφ＝180
°とを結ぶ線から外れる側に回転することになるため、
そのままでは予想されるようなコントラストの向上には
寄与しない。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、上記した
検討に基づき、バイアス電圧に対する安定性の高いメモ
リー性を得ることができ、特に、マルチプレックス駆動
で高コントラストの表示が達成可能になる構造を見出
し、本発明に到達した。

【００２３】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、液晶配
向膜が設けられた一対の基体が前記液晶配向膜の側で所
定の間隙を置いて互いに対向し、前記間隙内に液晶が配
されている液晶素子において、前記液晶配向膜が与える
プレチルト角θ_Pをθ_P＝δ＋β（但し、δは前記液晶
の層傾斜角（単位は度）である。）としたとき、０°＜β なる条件を満たすことを特徴とする液晶素子に係るもの
である。

【００２４】本発明者は、図４に示した結果から、方位
角φの選択によって、傾斜した層構造（層傾斜角δ＞０
°）においてはコーンの上回りを実現すれば、コントラ
ストを向上させ得ることに注目し、この上回りの因子は
液晶材料の層傾斜角δとプレチルト角θ_P＝δ＋βとの
関係、さらに自発分極Psと誘電率異方性Δεの関係によ
って支配されると考えた。

【００２５】即ち、図１に例示する如く、プレチルト角
θ_P＝β＋δが層傾斜角δより大きい時、換言すればβ
＞０°の時に、高コントラストを可能にする上回りのス
イッチングを確実に行えることを見出した。

【００２６】このとき、負の誘電率異方性（Δε＜０）
はダイレクタの安定化に寄与する点で望ましいが、それ
は上述したように応答のdelay としてあらわれる。その
delay の効果は下回りでは相殺されていまい、意図して
いたような、黒レベルの安定性には寄与しない（これ
は、下回りの場合はダイレクタの射影成分が大きくなる
ためである）。これに対し、本発明に基づく上回りで
は、相乗効果により黒レベルが安定化する。逆に、誘電
率異方性が正の場合、回転が上回りでないと黒レベルが
著しく浮いてしまい、十分なコントラストが得られな
い。

【００２７】このことから、誘電率異方性よりもコーン
上の上回りの回転が、コントラストの向上のためには重
要であることがわかる。この場合、上回りの回転による
スイッチングは、φ＝０°とφ＝180 °とを結ぶ線から
一部外れることになるが、これはコントラストに対して
与える影響の小さいものである。本発明は、こうした上
回りの回転を確実に達成するために、液晶材料のもつ固
有の層傾斜角δと、配向膜のプレチルト角θ_P＝δ＋β
（β＞０°）とを組み合わせたことに特徴を有するもの
である。従来技術では、コーン角の回転方向を制御して
高コントラスト化を図る対策は何ら存在せず、想定もさ
れていなかったのである。

【００２８】なお、図１に示したように、配向膜による
プレチルト角θ_Pは、「液晶方位角φ＝０°と平行にダ
イレクタの点Ａから引いた直線がφ＝90°の直線と交わ
る交点Ｂと、コーン頂点Ｏとを結ぶ直線が基板面となす
角度」と定義することができる。また、層傾斜角δは、
「コーンの中心線（即ち、中心Ｌと頂点Ｏとを結ぶ線）
が基板面となす角度」と定義することができる。図１中
のＡ’、Ｂ’、Ｏ’、θ’はそれぞれＡ、Ｂ、Ｏ、θの
投影したものである。

【００２９】本発明による上記条件は、更に、液晶分子
のコーン角の１／２をθ（チルト角：単位は度）とした
とき、０°＜β＜ 0.8θ とすることが、コントラストを確実に向上させることが
できるので望ましい。

【００３０】また、ダイレクタのゆらぎによる影響を完
全になくし、またδの測定精度から、0.04θ≦βとする
ことが望ましい。

【００３１】また、本発明による液晶素子は、対向する
配向膜が反平行に組まれる方が、コントラストの点で望
ましい。但し、平行に組まれても、バイアスに対する安
定化は可能である。

【００３２】本発明において、上記条件を満たすプレチ
ルト角θ_Pを与える配向膜としては、ＳｉＯ斜方蒸着膜
やポリイミドのラビング処理膜が挙げられる。蒸着膜の
場合は、蒸着角度の制御、Ｗ．Ｒ．（蒸着の重み比：方
位角90°と 270°での蒸着量の比）の制御を行うことが
でき、また、ラビング処理膜の場合は、ラビングの強さ
等の制御を行うことができる。

【００３３】また、液晶のδ（層傾斜角）やθ（チルト
角）は、液晶の種類、特にカイラル分子と非カイラル分
子の種類、組成比によって制御することができる。

【００３４】本発明に使用可能な液晶は、カイラルスメ
クチック強誘電性液晶分子を含有し、この強誘電性液晶
分子が、芳香族基間が直接結合されている芳香族化合物
（例えば、後述のビフェニル系）と、芳香族基間がエス
テル結合で連結されている芳香族化合物（例えば、後述
のエステル系）との少なくとも一方からなっていること
が望ましい。

【００３５】液晶分子設計パラメータαと、液晶分子の
見かけのコーン角θ_Cとの積：αθ_Cが、 12.5≦αθ_C≦16（好ましくは13≦αθ_C≦15）（但し、α＝（電界によるスイッチング前後での液晶分
子のアルキル鎖部の赤外ピーク強度比）／（電界による
スイッチング前後での液晶分子のコア部の赤外ピーク強
度比）、θ_Cは、電界によるスイッチング時に液晶分子
が仮想的な円錐面上を回るとき、その円錐面を有するコ
ーンのなす見かけの頂角である。）である強誘電性液晶
組成物が、高速応答性と高コントラストとを同時に満た
すものとして望ましい。

【００３６】ここで、パラメータαについて説明する
と、一般に、液晶分子は、コア部分とアルキル鎖の部分
から構成されている。電界応答に対する液晶分子のコア
部とアルキル鎖部は、液晶分子の種類により異なってい
ることが予想される。π電子系を持つコア部とアルキル
鎖部の挙動の違いを明かにする手法として、偏光赤外分
光法が極めて有効である。即ち、まず、赤外用の偏光子
を配向処理方向に対して45度傾けて配置する。偏光赤外
分光法においては、分子の長軸方向に平行な分子振動モ
ードは、偏光子に平行に近いほど強度が強く観測され、
逆に、分子の長軸方向に垂直な分子振動モードは、偏光
子に平行なほど強度が弱く観測される。

【００３７】ここで、電界によるスイッチング前後の偏
光赤外スペクトルを測定することにより、液晶分子のコ
ア部とアルキル鎖部の動きをそれぞれ独立に評価するこ
とができる。ここで、コア部の分子振動（吸収強度）の
変化比率とアルキル鎖部の分子振動（吸収強度）の変化
比率の比をとることにより、系により規格化されたコア
部に対するアルキル鎖の動きを規定することが可能とな
る。

【００３８】即ち、α＝（電界によるスイッチング前後
での液晶分子のアルキル鎖部の赤外ピーク強度比又は赤
外強度変化率）／（電界によるスイッチング前後での液
晶分子のコア部の赤外ピーク強度比又は赤外強度変化
率）、と定義する。

【００３９】本発明に使用可能な液晶分子を説明する
と、まずカイラル分子種としては図５に例示したものが
挙げられる。これらのカイラル分子は、カイラルスメク
チックＦＬＣ分子として、コア部を構成するπ電子系の
芳香族原子団の一方側（図５では右方側）に２個の不斉
炭素原子を有し、かつ、カルボニル基の如き分子内自発
分極を生じる極性基を有している。また、上記芳香族原
子団の他方側には種々のアルコキシ基が結合されてい
る。

【００４０】このＦＬＣ分子は、芳香族基間が直接結合
されている芳香族化合物（C8LPS 、C10LPS、C10F、C12L
PS等のビフェニル系）、又は、芳香族基間がエステル結
合で連結されている芳香族化合物(FPB、FFBB、FNB 等の
エステル系）からなる。本発明では、それらの両芳香族
化合物の一種又は二種（即ち、少なくとも一方）を使用
又は併用することができる。その他、公知のカイラル分
子を種々使用してよい。

【００４１】使用可能なＦＬＣ分子において、特に、コ
ア核にフッ素原子を導入し、スメクチックＡ、スメクチ
ックＣ相以外の高次スメクチック相の出現を抑制し、か
つダイポール（ここではカルボニル基）の位置を考慮し
て自発分極を大きくすることができる。

【００４２】他方、本発明のＦＬＣ組成物において、上
記のＦＬＣ分子と混合されるノンカイラルな液晶分子と
しては、図６に例示するフェニルピリミジン系化合物が
使用可能である。これ以外にも、フェニルピリジン系、
フェニルベンゾエート系等も使用可能である。

【００４３】このノンカイラル分子は不斉炭素原子を有
してはいないが、カイラル分子と混合されることによ
り、目的とする高速応答性等に優れた強誘電性液晶組成
物を提供できるのである。そして、フェニル基及びピリ
ミジン基からなるコア部と、この両側に結合されたアル
キル鎖部とを有している。

【００４４】本発明において、上記のカイラル分子とノ
ンカイラル分子との混合割合としては、カイラル分子の
割合を１〜50重量％の範囲とすることが好ましく、２〜
30重量％の範囲とすることがより好ましい。カイラル分
子の割合が１重量％未満であると、自発分極が小さくな
って応答速度が遅くなり、また逆に50重量％を超える
と、動作温度範囲が狭くなるおそれがある。

【００４５】カイラル分子は分子構造の特徴として、一
般的に、フェニル基等を有する剛直なコア部（リジッド
部）とフレキシブルなアルキル鎖で構成されるアルキル
鎖部（フレキシブル部）とからなる。そして、これらの
コア部とアルキル鎖部（特に、それらの長さ）がＦＬＣ
組成物の特性を左右することがある。ここで、コア部と
アルキル鎖部は、次のように定義される。

【００４６】コア部（リジッド部）：芳香族原子団を主
体とし、その一方側にあるフッ素化された不斉炭素か
ら、その他方側にある酸素原子又はこの酸素原子に結合
されたメチレンカーボンまでの部分（ビフェニル系の場
合）或いはエステル結合部の炭素原子までの部分（エス
テル系の場合）である。

【００４７】アルキル鎖部（フレキシブル部）：脂肪族
基を主体とし、上記コア部に結合した原子団又は基（但
し、ビフェニル系ではアルキル基、エステル系では、エ
ステル結合部の炭素原子からアルキル基末端までの部
分）である。

【００４８】電界に強い相互作用で応答するのは、カイ
ラル分子の持つ自発分極であり、カイラル分子の動きに
追従して、ホスト分子であるノンカイラルな分子が応答
していると考えられる。

【００４９】そこで、カイラル分子がホスト分子を追従
させる力は分子間の相互作用であり、その相互作用の強
弱は最もシンプルには分子軌道における重なり積分の大
きさに比例すると考えられる。その重なり積分は分子同
士の立体的な重なりが大きい程大きくなる。従って、カ
イラル分子のホスト分子との重なりが大きいか小さいか
により、強誘電性液晶の電界応答性に大きな影響を及ぼ
すことは明らかである。

【００５０】そこで、カイラル分子の剛直な部分（リジ
ッド部）の長さはホスト分子の剛直な部分の動きを規定
するであろうし、カイラル分子のフレキシブルな部分
（フレキシブル部）はホスト分子のフレキシブルな部分
の動きを規定すると考えられる。

【００５１】そうした観点に立って検討したところ、上
述した液晶分子設計パラメータαと、カイラル液晶分子
を構成するリジッド部に対するフレキシブル部の長さの
比との積：ｋ＝α・（フレキシブル部の長さｍ／リジッ
ド部の長さｌ）が、ｋ≦0.5 （好ましくはｋ≦0.4) であるときに、ＦＬＣ材料のコントラストと応答速度を
同時に向上させ、最適化できる。ここで、フレキシブル
部の長さは、リジッド部の両側のフレキシブル部のう
ち、長い方の値又は不斉炭素のない方の値を指す。

【００５２】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。

【００５３】強誘電性液晶材料図５に示したカイラル化合物を図６に示した２種類のフ
ェニルピリミジンの１：１（重量比）の混合物に５wt％
添加した組成物を用いた。

【００５４】ここで用いたカイラル化合物は、カイラル
炭素にフッ素を導入し、自発分極の増大を図ったものが
あり、実際、その自発分極は大きい。コア部はビフェニ
ル系、アロマチックエステル系があり、負の誘電率異方
性の効果を見るために、ビフェニルコアにフッ素を置換
したものもある。

【００５５】例えば、Ｃ１０Ｆ系の強誘電性液晶組成物
では、その相系列は、Ｃｒ 14，Ｓｃ^* 53, Ｓ_A59，Ｎ^*66，Ｉｓｏ. であり、その他の系も、同様の相系列であった。

【００５６】ＦＬＣセルの作製法水平配向のセルは、図７に例示するように、ガラス或い
はフッ化カルシウム（ＣａＦ₂）からなる基板11ａ、11
ｂ上に、透明電極（ＩＴＯ：Indium tin oxide）12ａ、
12ｂを 100Ω／□となるように形成し、さらにその上
に、ＳｉＯ13ａ、13ｂを 500Åの厚さに斜方蒸着し、両
積層体Ａ、Ｂを作製した。蒸着角度は基板の法線方向に
対して85度とし、膜厚 500Åになるように水晶膜厚モニ
タを用いてコントロールした。

【００５７】このセルの配向膜13ａ、13ｂ側を対向さ
せ、そのギャップを約 1.8μｍとなるようにスペーサ14
（真し球：触媒化成社製）を用いて制御し、ＵＶ硬化樹
脂を用いてセルを組んだ。

【００５８】これらのセルとして、その対向した配向処
理方向を反平行に組んだものを用いた。液晶15のセルへ
の注入はＩｓｏ＋10℃の温度で行った。

【００５９】時間分解赤外吸収スペクトルの測定法赤外吸収スペクトルは日本電子製ＪＩＲ−６５００Ｆ
Ｔ−ＩＲ分光器に時間分解用の付属装置を追加した（詳
細な方法はYasuda et.al:Liquid Crystal, Vol.14, No.
6, P1725−1734(1993)に記載）。赤外用の偏光子は配向
処理方向（ＳｉＯの流れの方向）にセットした。ＦＬＣ
は、40℃で 600Hz、±15Ｖの矩形波を印加した。

【００６０】電気光学効果測定コントラスト等を測定する電気光学効果測定装置は、偏
光顕微鏡（ニコン Optiphoto-pol)に任意波形発生器、
パワーアンプ、デジタルオシロスコープ、光電子増倍管
を組み合わせ、光源にはハロゲンランプを用いた。ここ
での測定では、偏光子は検光子と直交させ、液晶の片方
のメモリー状態の光軸を偏光子と平行にした。このメモ
リー状態のとき、偏光子を透過した光は偏光面の回転を
受けないために検光子で透過せず、暗い状態（即ち、黒
レベル）が達成される。液晶の光軸がこのメモリー状態
から変位することにより、偏光子を透過した光は液晶の
複屈折により偏光面の回転を受け、検光子で光の漏れを
生ずる（即ち、白レベルが達成される）。

【００６１】メモリー状態でのバイアス電圧印加（デー
タパルスが非選択時間の間にやむを得ず加わる。）に対
する黒レベルの安定性の評価は、図８に示すようなバイ
ポーラパルスとそれに続くバイポーラのデータパルス列
を印加することによって行った。このときのコントラス
トの評価は、白レベルの時間平均を黒レベルの時間平均
で除した値を用い、特に黒レベルの安定性の評価には、
黒レベルの変動幅をバイアスのないメモリー状態の白レ
ベルで除した値を用いた。使用した液晶はＣ１０Ｆ系で
あった。

【００６２】結果１）これらＦＬＣは、電界印加により、 150μｓ〜１ｍ
ｓオーダの応答時間でスイッチングし、良い双安定性を
示した。

【００６３】特にＣ１０Ｆ、Ｃ１０ＬＰＳ、ＦＰＢのメ
モリー性が良く、メモリー時と電界印加時のコーン角の
比：θ_M／θ_Eは、θ_M／θ_E＝１となる。Ｃ８ＬＰＳ
ではθ_M／θ_E＝0.95であり、ＦＮＢ、ＦＦＢＢではθ
_M／θ_E＜0.6 となり、メモリー性が比較的悪く、ツイ
スト状態であることがわかる。

【００６４】これらのセルと同等のセルを、厚みが 100
μｍのガラスを用いて作製し、Ｘ線回折法を用い、各液
晶層構造の周期構造からの散乱を測定するため、計算管
を固定し、セルを配向処理方向に垂直でガラス面に平行
な液晶を貫く軸の回りに回転し、Ｘ線の散乱強度を35℃
で測定した（いわゆる、Locking curve)。この測定から
求めた層傾斜角を下記の表−１に示す。

【００６５】

【００６６】いずれのセルも傾斜したブックシェルフ構
造をとっており、層傾斜角は32〜37度の間に位置してい
た。

【００６７】２）バイアス電圧印加のコントラストへの
影響図８にＣ１０Ｆ系のバイアス電圧に対する安定性を評価
した電気光学応答の結果を示した。データパルスの電圧
が 4.5Ｖまでは黒レベルの変動が少ない。これらをコン
トラストとして見たものを図９に示した。

【００６８】さらに、図10に、各種液晶系についての黒
レベルの安定性を示した。ツイストしているＦＮＢ、Ｆ
ＦＢＢについては予想通り安定性が悪いが、特にここで
着目したいのが、メモリー性の高いＣ１０Ｆ、Ｃ１０Ｌ
ＰＳ、ＦＰＢについての比較である。安定性はＣ１０Ｆ
の方がＣ１０ＬＰＳよりも高く、これはコアに置換した
フッ素による、誘電率異方性の効果によるものと考えら
れる。しかし、ＦＰＢ系では極端に黒レベルの安定性が
低下している。

【００６９】これらのＦＬＣの時間分解ＦＴ−ＩＲの結
果を図11に示す。フェニルピリミジンコアに平行な分子
振動モードの時間変化に着目すると、Ｃ１０Ｆ系では減
少して極小を示し、増大する下に凸の曲線となる。一
方、ＦＰＢ系ではそれとは逆に、上に凸の極大を有する
曲線となる。このことは、偏光赤外の吸収が振動モード
ベクトルの基板面への射影の内積に比例することから、
Ｃ１０Ｆ系では上回り、ＦＰＢ系では下回りであること
が判る。同様に、その他の液晶系を検討した結果、残り
はすべて上回りであった。

【００７０】即ち、黒レベルのバイアス印加に伴う安定
性は、コーンの上回りにより安定化されることがわかっ
た。

【００７１】そこで、上回り、下回りを決定する因子を
検討した。ここでは、層傾斜角とプレチルトについて注
力した。液晶デバイスハンドブック、日本学術振興会第
１４２委員会編日刊工業新聞社ｐ.242〜247 に記述さ
れているＳｉＯの回転斜方蒸着の方法に従い、プレチル
ト角をθ_P＝０〜90度とした配向膜を用いた。プレチル
ト角の測定はメルク社製のＺＬＩ−２００８を用い、磁
場容量法を用いた。

【００７２】ここでは、液晶材料としてＣ１０Ｆ系を用
いて、プレチルト角を制御して検討した。これらの配向
膜の差による層傾斜角の差は34±１度であった。これら
のセルにＣ１０Ｆ系の液晶を注入し、黒レベルの安定性
の効果を検討した。黒レベルの安定性は全て、データパ
ルスの電圧 4.5Ｖで行った。図12にその結果を示す。

【００７３】この結果から、プレチルト角θ_Pが層傾斜
角〜（層傾斜角＋15度）の間、即ちθ_P＝34〜49度で非
常に良い黒レベルが得られていることが判る。ここで用
いたＣ１０Ｆのコーン角は38.6度であり、それゆえチル
ト角θは約19.3度となる。従って、β／θ＝15／19.3≒
0.78であり、βはコーン角２θの半分のチルト角の 0.8
倍以下が好ましいことが判る。即ち、好ましい条件は、０°＜β＜ 0.8θ である。

【００７４】このθ、δを満足する液晶材料とプレチル
ト角θ_P＝δ＋βを与える配向膜との組み合わせによ
り、コーン面の上回りに回転するスイッチングをし、バ
イアス電圧に対する安定性の高いメモリー性を得ること
ができ、マルチプレックス駆動で高コントラストの表示
が達成可能になる。

【００７５】以上、本発明を例示したが、上述の実施例
は本発明の技術的思想に基づいて更に変形が可能であ
る。

【００７６】例えば、上述した液晶素子の各構成部分、
特に液晶、配向膜の種類やその調製又は形成方法は種々
変更してよい。上述したカライル分子として、ビフェニ
ル系とエステル系とは別々に使用するのがよいが、これ
らを併用しても差支えない。また、上述した以外の液晶
として、３環系等も使用可能である。

【００７７】なお、本発明による液晶素子は、高速応答
性、高コントラスト表示が可能な高速光学シャッターや
表示情報量の多いディスプレイ装置に好適である。更
に、例えば強誘電性液晶素子を利用した空間光変調器等
のようなオプトエレクトロニクスデバイスや画像処理用
デバイスにも有望である。

【００７８】

【発明の作用効果】本発明は、上述した如く、液晶配向
膜が設けられた一対の基体が前記液晶配向膜の側で所定
の間隙を置いて互いに対向し、前記間隙内に液晶が配さ
れている液晶素子において、前記液晶配向膜が与えるプ
レチルト角θ_Pをθ_P＝δ＋β（但し、δは前記液晶の
層傾斜角（単位は度）である。）としたとき、０°＜β なる条件を満たすことを特徴とする液晶素子としている
ので、δ（更にはチルト角θ）を満足する液晶材料とプ
レチルト角θ_P＝δ＋βを与える配向膜との組み合わせ
により、コーン面の上回りに回転するスイッチングを
し、バイアス電圧に対する安定性の高いメモリー性を得
ることができ、特にマルチプレックス駆動で高コントラ
ストの表示が達成可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく液晶素子の液晶のコーンモデル
とその層傾斜角及び配向膜のプレチルト角の関係を示す
概略斜視図である。

【図２】液晶分子のダイレクタのスイッチング時の回転
を説明するための、図１と同様の概略斜視図である。

【図３】液晶分子のダイレクタのスイッチング時の回転
を各状態で説明する概略図である。

【図４】液晶分子の方位角による透過率変化を示すグラ
フである。

【図５】本発明に使用可能なカイラル液晶分子の構造式
である。

【図６】本発明に使用可能な非カイラル液晶分子の構造
式である。

【図７】本発明に基づく液晶表示素子の概略断面図であ
る。

【図８】同液晶表示素子のバイアス電圧安定性を評価す
る電気光学応答特性を比較して示す波形及びスペクトル
図である。

【図９】同液晶表示素子のデータパルスによるコントラ
スト比の変化を示すグラフである。

【図10】同液晶表示素子の各種液晶について黒レベルの
安定性を比較するためのグラフである。

【図11】同液晶表示素子の液晶の時間分解ＦＴ−ＩＲス
ペクトル図である。

【図12】同液晶表示素子のプレチルト角による黒レベル
の安定性を評価するためのグラフである。

【符号の説明】

１、１’、１”、１ａ、１ａ’、１ａ”、２、２’、
２”、２ａ、２ａ’、２ａ”・・・液晶ダイレクタの位
置 11ａ、11ｂ・・・基板 12ａ、12ｂ・・・ＩＴＯ電極 13ａ、13ｂ・・・液晶配向膜 15・・・液晶Ａ、Ｂ・・・積層体 δ・・・層傾斜角 θ_P・・・プレチルト角 θ・・・コーン角の１／２（チルト角） φ・・・方位角

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶配向膜が設けられた一対の基体が前
記液晶配向膜の側で所定の間隙を置いて互いに対向し、
前記間隙内に液晶が配されている液晶素子において、前
記液晶配向膜が与えるプレチルト角θ_Pをθ_P＝δ＋β
（但し、δは前記液晶の層傾斜角（単位は度）であ
る。）としたとき、０°＜β なる条件を満たすことを特徴とする液晶素子。
【請求項２】液晶分子のコーン角の１／２をθ（単位
は度）としたとき、０°＜β＜ 0.8θ なる条件を満たす、請求項１に記載した液晶素子。
【請求項３】 0.04θ≦βである、請求項１又は２に記
載した液晶素子。
【請求項４】液晶分子が負の誘電率異方性（Δε＜
０）を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載
した液晶素子。
【請求項５】液晶配向膜が反平行に組まれている、請
求項１〜４のいずれか１項に記載した液晶素子。