JPH0833560B2 - 液晶素子 - Google Patents

液晶素子

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JPH0833560B2 JP61280580A JP28058086A JPH0833560B2 JP H0833560 B2 JPH0833560 B2 JP H0833560B2 JP 61280580 A JP61280580 A JP 61280580A JP 28058086 A JP28058086 A JP 28058086A JP H0833560 B2 JPH0833560 B2 JP H0833560B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は強誘電性液晶素子に関し、更に詳しくは、液
晶層内の体積抵抗値を特定値以下とすることによって表
示特性が改善された強誘電性液晶素子に関する。
(従来の技術) 従来、液晶を一対の対向電極間に挟持させてなる種々
の液晶表示素子が提案されているが、DSM(Dynamic Sca
ttering Mode)型の液晶表示素子以外については、液晶
層中のナトリウムイオン等のプラスイオンや塩素イオン
等のマイナスイオン等の荷電体をコントロールする必要
はあまり認められていない。
その理由は、現在普及しているTN(Twisted Nemati
c)型液晶表示素子〔例えば、M.SchadtとW.Helfrich
著、“Applied Physics Letters"、Vol.18,No.4(1971.
2.15)、P.127〜128の“Voltage Dependent Optical Ac
tivity of a Twisted Nematic Liquid Crystal"参照〕
においては、 (1)過度のイオン流が液晶分子の配列を乱す。
(2)液晶材料の耐久性を低下させる。
(3)液晶層にかかる電圧の時定数が短くなる。
等の影響がイオン等の導電性物質によって引き起される
ことが考えられたが、実際には液晶を適当に精製するこ
とによって液晶の体積抵抗を109Ωcm以上に上げたり、
素子の構成過程で液晶の汚染防止を効果的にする等の手
段により前述の(1)および(2)の問題は十分対応可
能であり、一方駆動方式においては、交流駆動方式、リ
フレッシュ蓄積型駆動方式が基本となるため、前記
(3)の点も深刻な問題とはならなかったことによる。
これに対して、近年世界的に開発が進んでいる強誘電
性液晶素子の場合には、液晶層中のイオン等のイオンの
挙動が、強誘電性液晶素子の特性に重大な影響を与える
ことが明らかにされている。
例えば、クラークとラガヴァル等の提案した強誘電性
液晶素子の構成においては、第2図に示されるように液
晶層内で各液晶分子の双極子の方向が揃い、液晶の自発
分極が生じている。
この自発分極の存在は、強誘電性液晶素子のスイッチ
ング特性の条件であるため、この自発分極による電荷の
片寄りは、SSFLCD(Surface Stabilized Ferroelectric
Liquid Crystal Device)においては不可避なものであ
る。
(発明が解決使用としている問題) 以上の如き強誘電性液晶素子における液晶分子の自発
分極は必然的なものであるが、この分極電荷の影響によ
って、素子の非駆動時(すなわち、メモリー状態)にお
いて液晶層の双安定性を損なうような変化が生じるとい
う問題が生じることが判明した。
すなわち、素子内にはITO電極等の透明電極が存在
し、その上に誘電体を介して液晶層に接する構成が一般
的であるが、その場合にメモリー状態(印加電圧=0)
でも、液晶層内には液晶分子の分極電荷によって生じる
電界が存在して、この電界によって液晶層内に存在して
いるイオン性不純物が泳動して、イオンの不均一な偏在
が生じることが、双安定性の低下の原因と考えられてい
る。
このイオンの偏在によって、逆に液晶分子が拘束を受
けるため、逆向きの電界(スイッチングパルス)が入力
されても、スイッチング特性等が低いという問題が生じ
ている。これは時には閾値が高くなったように見えるこ
ともあり、また完全に単安定化したと見えることもある
が、実際には、強誘電性液晶素子の特性を低下させる大
きな原因となっているものである。
従って、強誘電性液晶素子においては液晶層内に存在
するイオンによる問題を解決することが要望されてい
る。
(問題点を解決するための手段) 本発明者は上記の如き従来技術の問題点を解決すべく
鋭意研究の結果、液晶層内の体積抵抗値を特定の値以下
とすることによって上記の如き従来技術の問題が解決さ
れ、強誘電性液晶素子の表示特性を著しく向上させるこ
とができた。
すなわち、本発明は、2枚の対向した電極基板間にカ
イラルスメクチック液晶層を挟持してなる液晶素子にお
いて、該液晶層内にイオン性物質を添加し、該液晶層内
の体積抵抗値を1×108〜1×1010Ωcmの範囲としたこ
とを特徴とする液晶素子である。
次に本発明を更に詳しく説明する。
本発明の強誘電性液晶素子は、液晶層内の体積抵抗値
を1×108〜1×1010Ωcmの範囲としたことを除けば、
それ以外の構成は公知であり、従来公知のいずれの強誘
電性液晶素子にも本発明を適用できるものである。尚本
発明における体積抵抗(Ωcm)は、ASTM(AMERICAN NAT
IONAL STANDARD)D-257を基準として測定した値であ
る。
すなわち、従来技術で使用される強誘電性液晶は、加
えられる電界に応じて第一の光学的安定状態と第二の光
学的安定状態とのいずれかを取るもの、すなわち、電界
に対して双安定性を有する液晶物質である。
以上の如き双安定性を有する強誘電性液晶としては、
強誘電性を有するカイラルスメクティック液晶が好まし
く、そのうちでは特にカイラルスメクティックC相(Sm
C)またはH相(SmH)の液晶が適している。これら
の強誘電性液晶は、“LE JOURNAL DE PHYSIOUE LETTER
S"36(L-69)1975、「Ferroelectric Liquid Crystal
s」;Applied Physics Letters"36(11)1980、「Submic
ro Second Bistable Electrooptic Switching in Liqui
d Crystals」;“固体物理"16(141)1981「液晶」等に
記載されており、本発明でもこれらに開示された強誘電
性液晶はいずれも好ましく利用することができる。
より具体的には、例えば、 デシロキシベンジリデン−P′−アミノ−2−メチルブ
チルシンナメート(DOBAMBC)、 ヘキシルオキシベンジリデン−P′−アミノ−2−クロ
ロプロピルシンナメート(HOBACPC)および4−o−
(2−メチル)−ブチルレゾルシリデン−4′−オクチ
ルアニリン(MBRA8)等が挙げられる。
第3図示の例は、従来技術の強誘電性液晶素子の1例
を模式的に示すものであり、図中の1と1′はIn2O3、S
nO2あるいはITO(Indium-Tin Oxide)等の透明電極がコ
ートされた基板(例えばガラス板)であり、これらの一
対の基板間に前記の如き液晶からなる液晶層2が、基板
面に垂直になるように配向したSmC相の液晶が封入さ
れている。
太線で示した線3が液晶分子を表わしており、この液
晶分子3はその分子に直交した方向に双極子モーメント
(P⊥)4を有している。
このような強誘電性液晶素子の基板1と1′上の電極
間に一定の閾値以上の電圧を印加すると、液晶分子3の
らせん構造がほどけ、双極子モーメント(P⊥)4がす
べて電界方向に向くように液晶分子3の配向方向を変え
ることができる。
液晶分子3は細長い形状を有しており、その長軸方向
と短軸方向で屈折率の異方性を示し、従って、例えば、
基板面の上下に互いにクロスニコルの位置関係に配置し
た偏光子を置けば、電圧印加極性によって光学特性が変
化する液晶光学変調素子となることは容易に理解され
る。
更に液晶素子の厚さを充分に薄くした場合(例えば1
μm)には、第4図に示すように電界を印加していない
状態でも液晶分子のらせん構造はほどけ(非らせん構
造)、その双極子モーメントPまたはP′は上向き(4
a)または下向き(4b)のいずれかの状態をとる。この
ようなセルに第4図に示す如く一定の閾値以上の極性の
異なる電界EまたはE′を所定時間付与すると、双極子
モーメントは電界EまたはE′の電界ベクトルに対応し
て上向き4aまたは下向き4bと向きを変え、それに応じて
液晶分子は第1の配向状態5かあるいは第二の配向状態
5′の何れか一方に配向する。このような強誘電性液晶
素子を光学変調素子として用いることの利点は2つあ
る。
第1には、応答速度が極めて速いこと、第2に液晶分
子の配向が双安定性状態を有することである。第2の点
を例えば第4図によって説明すると、電界Eを印加する
と液晶分子は第1の配向状態5に配向するが、この状態
では電界を切っても安定である。また、逆向きの電界
E′を印加すると、液晶分子は第2の配向状態5′に配
向してその分子の向きを変えるが、やはり電界を切って
もこの状態に留まっている。また、与える電界Eが一定
の閾値を越えない限り、それぞれの配向状態にやはり維
持されている。このような応答速度の速さと、双安定性
が有効に実現されるには、セルとしてできるだけ薄い方
が好ましく、一般的には0.5〜20μm、特に1〜5μm
が適している。この種の強誘電性液晶を用いるマトリッ
クス電極構造を有する強誘電性液晶素子は、例えば、ク
ラークとラガバルにより、米国特許第4367924号明細書
に提案されている。
以上は従来公知の強誘電性液晶素子の構成の1例であ
るが、これらの従来の強誘電性液晶素子は前述の如く、
液晶層内に存在するイオンによって種々の問題を生じる
ものであった。
本発明者はこのような問題点を解決すべく鋭意研究の
結果、液晶層内に存在するイオンを少なくすることより
も、むしろ積極的に多くして液晶層の体積抵抗値を下げ
ることによって、イオンの偏在がなくなり、従来技術の
問題点が解決されることを知見したものである。
本発明の強誘電性液晶素子の好ましい1例の断面図を
第1図に図解的に示す。図中11はガラス板等の基板であ
り、12は該基板11上に形成されたITO等からなる透明電
極層であり、13は透明電極上に形成された絶縁層および
配向膜層であり、14はプラスイオン、15はマイナスイオ
ンである。18は液晶層を示し、16および17はその中でと
り得る二つの液晶状態を示す。
本発明の強誘電性液晶素子は、第1図に図解的に示す
如く、液晶層中に積極的にプラスイオンやマイナスイオ
ン等のイオンを多くしてその体積抵抗値を1×108〜1
×1010Ωcmの範囲としたことを主たる特徴とするもので
あり、このような特徴故に液晶層中のイオンの偏在はな
くなり、且つ液晶分子の分極による内部電界を緩和する
ことによって、液晶分子の双安定性を高めてスイッチン
グ特性等をより向上させることができた。
液晶層の体積抵抗値を1×108〜1×1010Ωcmの範囲
にする好ましい1方法は、液晶素子の構成に使用する液
晶中にイオン性物質を添加する方法であり、このような
イオン性物質として好ましいものとしては、例えば、テ
トラブチルアンモニウムブロマイド(TBAB)、トリエチ
ルアンモニウムブロマイド、テトラベンジルアンモニウ
ムブロマイド、テトラプロピルアンモニウムブロマイ
ド、テトラブチルアンモニウムブロマイド、トリ(2−
ヒドロキシエチル)アンモニウムブロマイド、その他の
イオン性物質が挙げられる。
上記の如きイオン性物質を液晶中に加えることによっ
て、液晶中のイオンの量は多くなり、液晶の体積抵抗値
が低下して液晶分子の双安定性が向上するが、あまりに
多量のイオン物質を加えると、駆動に必要な電界が液晶
層にかからない等の問題が生じて好ましくない。従っ
て、一般的には約50〜500ppm、好ましくは100〜200ppm
の濃度で添加して、液晶層の体積抵抗値を1×108〜1
×1010Ωcmの範囲とすることが必要である。
(作用・効果) 以上の如き本発明によれば、従来の強誘電性液晶素子
において、その液晶層の体積抵抗値を1×108〜1×10
10Ωcmの範囲とすることによって、液晶層中のイオンの
偏在による液晶分子のバラツキや経時的変化が生じなく
なり、液晶分子の双安定性が向上して、優れた表示特性
の強誘電性液晶素子が提供されるものである。
次の実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。
実施例1 ガラス基板上に誘電体層としてSiO2(スパッタ膜)を
1000Åの厚みに形成し、その上にポリビニルアルコール
膜をスピナーコートし、乾燥硬化後、その表面をアセテ
ート布(毛先長1.5mm)でラビング処理した。この基板
を上下基板として用い、テトラブチルアンモニウムブロ
マイド(TBAB)を100〜200ppm添加したチッソ社製の液
晶CS-1014を用い、セル厚をアルミナビーズでコントロ
ールして、1.0μm〜1.6μmの液晶層厚みを有する本発
明の強誘電性液晶素子とした。
この場合の液晶層の体積抵抗値を、市販の液体電極と
エレクトロメーターにより室温で測定したところ約1.8
×109Ωcmであった。
上記の本発明の素子と、上記のTBABを添加しないこと
を除き他は同様にして形成した比較用の液晶素子との閾
値を比較したところ、第5図の如き著しい差が認められ
た。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の強誘電性液晶素子の断面の1部を図解
的に示す図であり、第2図は強誘電性液晶素子の液晶分
子の分極の二つの状態を図解的に示す図であり、第3図
および第4図は、従来公知の強誘電性液晶素子の例を図
解的に示す図であり、第5図は、実施例における本発明
の素子と比較用の素子との0.5ms.Vvの矩形パルスによる
スイッチング条件の変化を示すものである。 1、1′、11……基板 2、18……液晶層 3、16、17……液晶分子 4……双極子モーメント 5、5′……配向状態 12……電極 13……誘電体層 14、15……イオン 16……本発明の実施例 17……比較例

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2枚の対向した電極基板間にカイラルスメ
    クチック液晶層を挟持してなる液晶素子において、該液
    晶層内にイオン性物質を添加し、該液晶層内の体積抵抗
    値を1×108〜1×1010Ωcmの範囲としたことを特徴と
    する液晶素子。
  2. 【請求項2】前記液晶層が、強誘電性カイラルスメクチ
    ック液晶層である特許請求の範囲第1項に記載の液晶素
    子。
  3. 【請求項3】前記液晶層内においてイオン性物質が濃度
    50〜500ppmで添加されている特許請求の範囲第1項乃至
    2項のいずれかに記載の液晶素子。
  4. 【請求項4】前記液晶層内においてイオン性物質が濃度
    100〜200ppmで添加されている特許請求の範囲第1項乃
    至2項のいずれかに記載の液晶素子。
  5. 【請求項5】前記液晶層内に添加されたイオン性物質が
    アンモニウムイオンである特許請求の範囲第1項乃至4
    項のいずれかに記載の液晶素子。
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