JPH10185850A - 強誘電性液晶素子およびその特性値の測定方法 - Google Patents

強誘電性液晶素子およびその特性値の測定方法

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JPH10185850A
JPH10185850A JP34373196A JP34373196A JPH10185850A JP H10185850 A JPH10185850 A JP H10185850A JP 34373196 A JP34373196 A JP 34373196A JP 34373196 A JP34373196 A JP 34373196A JP H10185850 A JPH10185850 A JP H10185850A
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liquid crystal
ferroelectric liquid
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equation
pulse
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Sadahiro Sako
禎裕 酒匂
Nobuyuki Ito
信行 伊藤
Akira Sakaigawa
亮 境川
Mitsuhiro Mukaidono
充浩 向殿
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Sharp Corp
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UK Government
Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 強誘電性液晶のスイッチング特性を解析し、
スイッチングに影響を与える様々な特性値を決定する。 【解決手段】 （１）印加電場Ｅと自発分極ＰS との相
互作用、（２）誘電的な作用、および（３）基板界面の
規制力を考慮した運動方程式を考え、強誘電性液晶分子
２０がスイッチングするパルス幅と波高値との組合せを
複数測定し、これらの組合せのすべてを概ね満足するよ
うに、上記運動方程式における物性値パラメータを決定
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般のディスプレ
イや光シャッタ、光学フィルタ、光センサ等に適用可能
な強誘電性液晶素子に関するもので、特に、スイッチン
グ特性を特徴づける粘性係数、界面のアンカリングエネ
ルギー、および誘電異方性の最適化に関する。
【０００２】
【従来の技術】旧来、例えば、ネマティック液晶を用い
たＴＮ(Twisted Nematic) 型およびＳＴＮ(Super-Twist
ed Nematic) 型の液晶表示素子が知られている。しかし
これらの液晶表示素子は、電気光学効果の応答速度がｍ
ｓオーダーと遅いため、高速駆動を行おうとすると、画
面に乱れが生じたり、コントラストが低下したりすると
いう欠点がある。このため、これら旧来の液晶表示素子
は、表示可能な容量に限界があり、動画表示に適さない
という問題点があった。また、視野角が狭く、大画面化
に適していない。そこで近年、次世代の液晶表示素子と
して、強誘電性あるいは反強誘電性液晶を用いた液晶表
示素子の実用化が検討されている。
【０００３】１９７５年に、R. B. Meyer らは分子の対
称性の議論から、光学活性な分子が分子長軸に対して垂
直な方向に双極子モーメントを持っていればカイラルス
メクティックＣ相（ＳｍＣ* 相）で強誘電性を示すこと
を予想して、ＤＯＢＡＭＢＣ（2-methylbutyl p-〔p-(d
ecyloxybenzylidene)-amino 〕-cinnamate) を合成し、
液晶において初めて強誘電性を確認することに成功した
（R.B.Meyer, L.Liebert, L.Strzelecki and P.Keller:
J.Phys.(Paris)36(1975)L69. 参照）。
【０００４】図１４（ａ）および（ｂ）は、強誘電性を
示すＳｍＣ* 相のスメクティック層構造と分子配列とを
モデル的に示したものである。ＳｍＣ* 相では、層内に
おける液晶分子の重心位置は無秩序であるが、図１４
（ａ）中にコーン１０１として模式的に示すように、液
晶分子の長軸（ダイレクタ１０２）は、スメクティック
層を区切る層面１０３の法線である層法線ｚに対して一
定の角度θだけ傾いている。なお、ダイレクタ１０２の
傾く方向は層から層へ僅かずつずれ、この結果、液晶の
配向は螺旋構造をなしている。螺旋のピッチは１μｍ程
度であり、約１ｎｍの層間隔よりはるかに大きい。
【０００５】Clark とLagerwall は、セル厚が１μｍ程
度（螺旋のピッチと同程度）以下になると、この螺旋構
造が消滅し、図１４（ｂ）に示すように、各層の分子１
０４が印加される電界に応じて双安定状態のいずれかを
とることを発見し、表面安定化型強誘電性液晶表示素子
（ＳＳＦＬＣ：surface stabilized ferroelectric liq
uid crystal)を提案した。これは、特開昭５６−１０７
２１６号公報、および米国特許第４３６７９２４号明細
書等に開示されている。なお、図１４（ｂ）では、分子
１０４に印加されている電界の向きは、紙面に対して垂
直かつ紙面裏側から表側へ向かう方向である。そして、
分子１０４の電気双極子モーメントは、図１４（ｂ）に
おいて各分子内に示すように、印加電界の向きにすべて
揃う。
【０００６】図１５を参照しながらその動作原理につい
て説明する。上述したように、薄セルとして形成された
ＳＳＦＬＣの分子１０４は、同図に示すとおり、印加さ
れる電界の方向に応じて、状態Ａおよび状態Ｂの２つの
安定状態のいずれかをとる。なお、同図に示す状態Ａで
は、分子１０４に印加されている電界の向きは、同図の
紙面に対して垂直かつ紙面表側から裏側へ向かってお
り、状態Ｂでは、紙面に対して垂直かつ紙面裏側から表
側へ向かう方向である。
【０００７】このため、直交する２枚の偏光子の間に、
例えば状態Ｂのときの分子長軸が偏光子の一方の方向
（同図中に矢印で示す方向１１１）と平行になるよう
に、ＳＳＦＬＣセルを配置することにより、状態Ａの場
合には光が透過されて明状態となり、状態Ｂの場合には
光が遮断されて暗状態となる。すなわち、印加電界の方
向を切り替えることによって、白黒の表示を行うことが
可能となる。
【０００８】このＳＳＦＬＣでは、自発分極と電場とが
直接相互作用して駆動トルクが発生するために、通常の
ネマティック液晶における誘電異方性を用いたスイッチ
ングとは異なって、電界に対してμｓオーダーの高速応
答が可能である。また、ＳＳＦＬＣは、双安定状態のい
ずれかに一旦スイッチすると、電界が消滅してもその状
態を保つ、いわゆるメモリ性を持つことから、常に電圧
を印加し続ける必要はない。
【０００９】このように、ＳＳＦＬＣ型の液晶表示素子
は、高速応答性とメモリ性という特徴を利用することに
より、１走査線ごとに高速で表示内容を書き込んでゆく
ことができ、単純マトリクス駆動で大容量のディスプレ
イを実現することが可能となり、壁掛けテレビへの応用
も期待されている。
【００１０】以上のようなＳＳＦＬＣ型の液晶表示素子
におけるスイッチング特性を解明することは、基礎物理
的な意義のみならず、実際のディスプレイを作製する際
の液晶材料の選定等の応用的見地からも強く求められて
いる。例えば、ブックシェルフ構造のＳＳＦＬＣにおけ
るドメイン形成を伴わない二領域間の一様反転スイッチ
ングの光応答は、Xue Jiu-Zhi らによって計算された(X
ue Jiu-Zhi, M. A. Handschy and N. A. Clark, Liquid
Crystals 2, 707(1987).)。彼らは、電気的な相互作用
として、双極子相互作用および誘電的な相互作用の二項
を運動方程式に取り入れ、解を導き出した。また、J.
C. Jones らはシェブロン構造における二軸誘電異方性
の効果も考慮に入れて、スイッチング特性の解析を行っ
た(J. C. Jones, M. J. Towler and E. P. Raynes, Fer
roelectrics 121, 91(1991).))。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の手法による解に基づく定量的な解析は未だにな
されておらず、これらの解と実験結果との一致も十分な
ものではない。そのため、ＳＳＦＬＣのスイッチング特
性を制御する手法は確立されていなかった。すなわち、
回転粘性係数、配向膜界面におけるアンカリングエネル
ギー、および誘電異方性などの液晶表示素子の種々の物
性値をそれぞれ変化させた場合に、スイッチング特性が
どのように変化するのかは十分に解明されていない。ま
た、所望のスイッチング特性を得るために各物性値を最
適化することも困難であった。
【００１２】本発明は、上記した問題に鑑みなされたも
ので、ＳＳＦＬＣのスイッチング特性を物理的に解析
し、強誘電性液晶の回転粘性係数や基板界面のアンカリ
ングエネルギー等のパラメータを測定する手法を得るこ
とを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の強誘電性液晶素子の特性値の測定方法
は、少なくとも電極を有する一対の電極基板間に強誘電
性液晶層を備えた強誘電性液晶素子の特性値の測定方法
において、上記液晶層にパルス電場を印加し、液晶がス
イッチングするときのパルス幅τおよびパルス波高値Ｅ
の組合せを複数種類測定し、上記パルス幅τおよびパル
ス波高値Ｅの組合せのすべてが、式
【００１４】
【数８】
【００１５】に概ね当てはまるように、パラメータ
φ0 ，ｋ，ｌ，ｍ，およびｎを決定することを特徴とし
ている。
【００１６】上記の測定方法によれば、パラメータ
φ0 ，ｋ，ｌ，ｍ，およびｎで表される種々の特性値を
決定することが可能となる。なお、パラメータφ0 は強
誘電性液晶の分子の初期の方位角、ｋは液晶分子の回転
に誘電異方性が関与するモーメントの電場の２乗の係
数、ｍは自発分極が関与する電場に比例する係数、ｌお
よびｎは界面が液晶分子を束縛するエネルギーに関わる
係数に相当する。
【００１７】また、上記式を用いれば、強誘電性液晶の
スイッチング特性の物理的な解析を従来よりも正確に行
うことが可能となる。例えば、上記パラメータのいずれ
かを変化させた場合に、スイッチングに必要なパルス電
場にどのような影響を与えるかが上記式から導き出せ
る。逆に、所定のパルス幅τおよびパルス波高値Ｅを得
るために、上記パラメータをどのように変化させれば良
いかが分かる。
【００１８】上記の測定方法は、より好ましくは、上記
のパラメータを最適化する際に、（ａ）パラメータに初
期値を設定し、（ｂ）パラメータに設定されている値を
用い、上記複数種類のパルス幅τおよびパルス波高値Ｅ
のすべてが上記式を満たすか否かを判断し、（ｃ）パラ
メータの設定値を変更し、（ｄ）上記ステップ（ｂ）お
よびステップ（ｃ）を繰り返し行い、上記式を最も好適
に満足するパラメータの値を決定することを特徴とす
る。
【００１９】これにより、未知のパラメータ数が多くて
も、これらのパラメータの値をより適切に決定すること
が可能となる。
【００２０】上記の測定方法は、より好ましくは、最適
化されたパラメータｍと、定数ＰSｃｏｓδと、式
【００２１】
【数９】
【００２２】とによって、強誘電性液晶の回転粘性係数
ηの値を決定することを特徴としている。
【００２３】これにより、所望のスイッチング特性を得
るための強誘電性液晶の回転粘性係数ηの値を間接的に
導き出すことが可能となり、液晶材料の開発や選定のた
めの有用な知見を得ることができる。なお、上記定数Ｐ
S ｃｏｓδは、例えば三角波電場印加法により好適に求
めることが可能である。
【００２４】また、上記の測定方法は、より好ましく
は、上述のように決定された強誘電性液晶の回転粘性係
数ηを用い、最適化されたパラメータｌ，ｎ，およびφ
0 と、セル厚ｄと、式
【００２５】
【数１０】
【００２６】とによって、上記電極基板界面のアンカリ
ングエネルギーＷの値を決定することを特徴とする。
【００２７】これにより、電極基板界面のアンカリング
エネルギーＷを決定することが可能となり、所望のスイ
ッチング特性を得るための物性値を間接的に導き出すこ
とが可能となる。この結果、液晶材料の開発や選定のた
めの有用な知見を得ることができる。
【００２８】上記の測定方法は、強誘電性液晶が、上記
のパルス波高値Ｅが、あるパルス幅τに対して極小値を
とる液晶組成物を含むことを特徴とする強誘電性液晶素
子に対して好適に用いられる。
【００２９】すなわち、パルス波高値Ｅがあるパルス幅
τに対して極小値をとる液晶組成物では、誘電異方性の
効果がより顕著に現れているので、パラメータの決定が
容易となり、特性値の測定をより正確に行うことができ
る。
【００３０】上記の課題を解決するために、本発明の強
誘電性液晶素子は、少なくとも電極を有する一対の電極
基板間に強誘電性液晶層を備えた強誘電性液晶素子にお
いて、液晶分子の方位角の初期値をφ0 とすると、上記
液晶層に印加されるパルス電場によって液晶がスイッチ
ングするときのパルス幅τおよびパルス波高値Ｅが、式
【００３１】
【数１１】
【００３２】に概ね当てはまるように、パラメータｋ，
ｌ，ｍ，およびｎが最適化されていることを特徴とす
る。
【００３３】上記の構成によれば、パラメータｋ，ｌ，
ｍ，およびｎが最適化されているので、所望のスイッチ
ング特性を得るために、どの特性値をどのように変えれ
ば良いかの指針を得ることができ、優れた特性をもつ強
誘電性液晶素子を提供することが可能となる。
【００３４】上記強誘電性液晶素子は、より好ましく
は、真空の誘電率をε0 、液晶の回転粘性係数をη、誘
電異方性をΔε、チルト角をθ、二軸誘電異方性を∂
ε、スメクティック層の層傾斜角をδとすると、上記パ
ラメータｋが、式
【００３５】
【数１２】
【００３６】を満たす。
【００３７】また、上記強誘電性液晶素子は、より好ま
しくは、上記電極基板界面のアンカリングエネルギーを
Ｗ、強誘電性液晶の回転粘性係数をη、セル厚をｄとす
ると、上記パラメータｌ，ｎ，およびφ0 が、式
【００３８】
【数１３】
【００３９】を満たす。
【００４０】さらに、上記強誘電性液晶素子は、より好
ましくは、強誘電性液晶の自発分極をＰS 、スメクティ
ック層の層傾斜角をδ、強誘電性液晶の回転粘性係数を
ηとすると、上記パラメータｍが、式
【００４１】
【数１４】
【００４２】を満たす。
【００４３】このように、最適化されたパラメータｋ，
ｌ，ｍ，ｎ，およびφ0 に基づいて、各種の特性値を適
切に見積もり、調整することにより、所望のスイッチン
グ特性をもつ優れた強誘電性液晶素子を提供することが
可能となる。例えば、τ−Ｖmin 特性の極小値を所望の
位置にシフトさせる際に、必要とされる液晶材料の自発
分極や誘電異方性の値を計算から得ることができる。
【００４４】また、一般の強誘電性液晶素子におけるス
イッチング条件の温度特性は大きく温度に依存し、不安
定である。しかし、τ−Ｖmin 曲線が、図１６（ａ）お
よび（ｂ）に示すように、温度が変わってもあるライン
上でシフトする、あるいは、ある定点を通るようにシフ
トするならば、図１６（ａ）および（ｂ）中にそれぞれ
示す領域Ａまたは領域Ｂにおいて、安定した表示が可能
となる。
【００４５】このような材料を得るための各物性の値も
計算によって得ることができる。一例として、降温過程
において、自発分極が、図９に示す温度特性よりも急峻
にその値が大きくなる液晶材料を用いたならば、図１６
（ａ）に近い温度特性をもつことが確認された。
【００４６】このように、上記各種の特性値を適切に調
整することにより、スイッチング特性を制御することが
でき、表示品位の良好な強誘電性液晶素子を提供するこ
とが可能となる。
【００４７】また、より好ましくは、上記の強誘電性液
晶素子は、上記強誘電性液晶層がシェブロン構造を呈
し、シェブロン構造の折れ曲がり方向と電極基板界面に
おける液晶分子のプレチルトの方向とが、電極基板全面
においてほぼ同一である。
【００４８】このような配向状態を一般にＣ２Ｕ配向と
呼ぶが、Ｃ２Ｕ配向はＣ１Ｕ配向に比べてメモリ角が小
さく、液晶分子の初期の方位角の値がπ／２に近い。こ
のため、各パラメータの値をより正確に導出することが
できる。
【００４９】
【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について図
１ないし図１３に基づいて説明すれば、以下のとおりで
ある。
【００５０】まず、本発明の実施の形態に係る強誘電性
液晶セル（強誘電性液晶素子）の基本的な構成につい
て、図１を参照しながら説明する。
【００５１】この強誘電性液晶セルは、互いに対向する
二枚のガラス基板１・２の間に、上記ガラス基板１・２
の各々にストライプ状に形成された膜厚１００ｎｍの透
明なＩＴＯ膜からなる信号電極３および走査電極５、膜
厚１００ｎｍの絶縁膜４・６、膜厚７０ｎｍの配向膜７
・８および強誘電性液晶９（強誘電性液晶層）を備えた
構成である。
【００５２】強誘電性液晶材料としては、例えば、負の
誘電異方性を持つメルク社製の強誘電性液晶ＳＣＥ８を
用いることができる。この強誘電性液晶材料は、τ−Ｖ
min特性を示し、その相系列は、低温側の相から順に、 結晶 − ＳｍＣ* 相 − ＳｍＡ相 − Ｎ* 相 −
Ｉ相 である。また、結晶とＳｍＣ* 相との間の相転移温度は
−２０℃以下であり、ＳｍＣ* 相とＳｍＡ相との間は５
８℃、ＳｍＡ相とＮ* 相との間は７８℃、Ｎ* 相とＩ相
との間は９８℃である。
【００５３】なお、ガラス基板１の外側に偏光板１１が
積層されており、偏光板１１、ガラス基板１、信号電極
３、絶縁膜４、および配向膜７によって、電極基板１３
が形成されている。同様に、偏光板１２、ガラス基板
２、走査電極５、絶縁膜６、および配向膜８によって、
電極基板１４が形成されている。
【００５４】上記の偏光板１１および１２は、その偏光
軸が互いに直交するように配置されている。電極基板１
３および１４は、配向膜７・８が対向するように配置さ
れ、封止剤１０を用いて互いに貼り合わされている。強
誘電性液晶９は、これら電極基板１３および１４の間隙
に導入されている。配向膜７・８の表面にはラビング処
理が施されている。また、電極基板１３・１４の間隔
（セル厚ｄ）は、図示しないスペーサによって、均一に
約１．４μｍに保たれている。
【００５５】上記の強誘電性液晶セルにおいて、強誘電
性液晶９にパルス電場を印加した際のスイッチングに必
要なパルス幅τおよびパルス波高値Ｅ、初期の液晶分子
の方位角φ0 、回転粘性係数η、チルト角θ、スメクテ
ィック層の層傾斜角δ、誘電異方性Δε、二軸誘電異方
性∂ε、配向膜７・８界面のアンカリングエネルギー
Ｗ、自発分極ＰS 、およびセル厚ｄの間には、以下の式
（１）ないし（４）に表される関係が成り立っている。
【００５６】
【数１５】
【００５７】
【数１６】
【００５８】
【数１７】
【００５９】
【数１８】
【００６０】ここで、上記の式（１）ないし（４）の導
出過程について説明する。図２は、ＳＳＦＬＣのシェブ
ロン構造における液晶分子の配向状態を模式的に示す説
明図である。液晶分子２０のダイレクタｎ（ｘ，ｙ，
ｚ）は、図２に示すチルト角θ、スメクティック層２１
の層傾斜角δ、方位角φを用いて、次の式（５）のよう
に表すことができる。
【００６１】
【数１９】
【００６２】パルス電場が印加された場合の液晶分子２
０のスイッチング挙動は、印加電場Ｅと自発分極ＰS と
の間の相互作用と、誘電的な作用と、基板界面の規制力
との３つの要素に主に影響される。
【００６３】印加電場Ｅおよび自発分極ＰS の相互作用
によるエネルギーは、下記の式（６）のように表され、
誘電的な作用によるエネルギーは、下記の式（７）のよ
うに表される。
【００６４】
【数２０】
【００６５】
【数２１】
【００６６】ここで、εは電極基板１３・１４の表面に
垂直な方向の誘電率、ε0 は真空の誘電率である。誘電
率εは、強誘電性液晶９のチルト角θ、層傾斜角δ、方
位角φ、誘電異方性Δε＝ε3 −ε1 、二軸誘電異方性
∂ε＝ε2 −ε1 を用いて、次の式（８）のように表さ
れる。
【００６７】
【数２２】
【００６８】また、配向膜７・８のラビング方向と液晶
分子２０のダイレクタとが異なることから生じる基板界
面のエネルギーｆS は、アンカリングエネルギーＷ、液
晶分子２０の初期の方位角φ0 を用いて、下記の式
（９）のように表される。
【００６９】
【数２３】
【００７０】ここで、液晶分子２０の自発分極ＰS と配
向膜７・８の界面との相互作用に伴うエネルギーは、数
９の値に比べて十分小さいと見なすことができる。
【００７１】以上を用いて、ＳＳＦＬＣにパルス電場を
印加したときの全エネルギーＦは、式（１０）のように
表される。
【００７２】
【数２４】
【００７３】単位体積あたりの自由エネルギーをｆ、回
転粘性係数をηとすると、トルクバランス方程式は、式
（１１）のように表される。
【００７４】
【数２５】
【００７５】この結果、最終的に、液晶分子２０の運動
方程式は、下記の式（１２）のように表される。
【００７６】
【数２６】
【００７７】ＳＳＦＬＣでは、スメクティック層２１の
層傾斜角δはチルト角θとほぼ等しく、方位角φはπ／
２に近い値をとるので、方位角φをπ／２の近傍で展開
して、２次以上の係数を無視すると、前述の式（１）な
いし（４）を得ることができる。
【００７８】次に、式（１）ないし（４）を用いて、強
誘電性液晶セルの諸物性値を測定する方法について説明
する。はじめに、強誘電性液晶セルを、クロスニコル下
で全面黒、すなわち光が透過しない状態にし、これにパ
ルス電場（単パルス）を印加して、液晶がスイッチング
するしきい値（パルス幅τおよび波高値Ｅ）を調べる。
なお、ここでは、単パルスのパルス幅および波高値を様
々に変化させながら、光の透過率が５０％となったとき
のパルス幅およびパルス波高値を、スイッチングのしき
い値として測定したが、スイッチングが生じたと見なす
透過率は、必ずしもこの値に限定されるものではない。
【００７９】図３は、室温（２５℃）において、印加す
るパルス電場のパルス幅を４０μｓから１００μｓの間
で様々に変化させた場合における、パルス波高値と透過
光強度との関係を表したものである。図３に示すグラフ
から、液晶がスイッチングするしきい値（パルス幅τお
よび波高値Ｅ）を求めると、図４中に○記号で示したと
おりとなる。
【００８０】次に、図４に○記号で示すすべてのしきい
値（パルス幅τおよび波高値Ｅ）が式（１）に概ね当て
はまるように、式（１）中の五種類のパラメータφ0 ，
ｋ，ｌ，ｍ，およびｎの値を決定する。具体的には、ま
ず、これら五種類のパラメータの各々に適当な初期値を
与え、それぞれの値を少しずつ変化させながら、上述の
すべてのしきい値が式（１）に最もうまく当てはまると
きの各パラメータの値を求める。
【００８１】なお、上記では、室温（２５℃）における
各種の物性値を決定する方法を説明したが、液晶のスイ
ッチングが生じるしきい値の測定を様々な温度で行え
ば、測定温度に応じた物性値の最適化を行うことができ
る。図５ないし図８は、２０℃、２５℃、３０℃、３５
℃、４０℃、４５℃、および５０℃において上記のしき
い値の測定を行い、各温度で測定されたしきい値が式
（１）にあてはまるようにパラメータφ0 ，ｋ，Ｗ／η
ｄ，およびｍの最適化を行った結果をそれぞれ示すグラ
フである。
【００８２】例えば、図５に示す、初期の方位角φ0 に
関しては、この値が小さいほどメモリ角がチルト角θに
近い、すなわちメモリ角が大きいということを表す。す
なわち、輝度の観点からは、φ0 の値がより小さくなる
ようなセル構造特性（特に配向膜に関する特性）と液晶
材料との組合せが好ましいということになる。すなわ
ち、φ0 の値を評価することにより、輝度の観点からの
液晶材料とセル構造との組合せの選定を行うことが可能
となる。
【００８３】このように、パラメータφ0 ，ｋ，ｌ，
ｍ，およびｎの最適値が決定されれば、決定された最適
値を用い、式（３）または（４）に基づいて、強誘電性
液晶９の回転粘性係数η、界面のアンカリングエネルギ
ーＷなどを決定することができる。
【００８４】例えば、三角波電場印加法(K. Miyasako e
t al.;Jpn. J. Appl. Phys., 22(1983)L661.等参照) に
よってシェブロン構造のＳＳＦＬＣにおける自発分極Ｐ
S ｃｏｓδの値が得られれば、式（４）に基づいて回転
粘性係数ηの値を決定することができる。シェブロン構
造のＳＳＦＬＣにおける自発分極ＰS ｃｏｓδの値は、
三角波電場印加法等により求めることができる。
【００８５】例えば、図９は、本実施形態の強誘電性液
晶セルにおいて、三角波電場印加法を用いて、２０℃〜
５５℃までの範囲で５℃毎に測定された自発分極ＰS ｃ
ｏｓδの値を示すグラフである。ここで求められた自発
分極ＰS ｃｏｓδの値を式（４）に代入することによ
り、図１０に○記号で示すように、各温度における回転
粘性係数ηの最適値を決定することができる。なお、図
１０中に示す●記号で示されているのはメルク社による
カタログ値である。
【００８６】さらに、上述のように回転粘性係数ηの値
が決定されれば、この回転粘性係数ηおよびセル厚ｄ
（本実施形態ではｄ＝１．４μｍ）の値を式（３）に代
入することにより、図１１に示すように、各温度におけ
る界面のアンカリングエネルギーＷの最適値を決定でき
る。また、ｋの値と決定された回転粘性係数ηの値とを
式（２）に代入することにより、図１２に示すように、
誘電異方性の項の電場の２乗の係数の値を決定すること
ができる。
【００８７】これらの値は、他の手法によって求められ
た値とほぼ一致する。例えば、図１０に示す回転粘性係
数ηを例に挙げると、本実施形態で説明した測定方法に
よって求められた値（図中に示す○記号）と、メルク社
のカタログ値（図中に示す●印）とが、ほぼ一致してい
ることが分かる。
【００８８】なお、上記した種々の物性値には、従来の
方法によって求められるものもあるが、非常に複雑な方
法を用いる必要があり、正確な値を求めることは困難で
あった。また、個々の物性値を求める方法は従来からい
くつか知られているが、本実施形態の測定方法では、上
述したように、種々の物性値を同時に求めることができ
る点において有利である。
【００８９】例えば、回転粘性係数ηを例に挙げると、
液晶セルに三角波を印加して、自発分極、自発分極によ
る最大電流、および電場強度を測定し、それらとチルト
角および粘性係数の関係式を用いて、この回転粘性係数
ηを求める方法は知られている。しかし、この方法にお
いては、自発分極のみが考慮されており、誘電異方性お
よび界面のアンカリングエネルギーによる作用は無視さ
れているところが問題である。
【００９０】また、界面のアンカリングエネルギーＷに
ついては、特に、強誘電性相においてこれを測定する一
般的な方法は見い出されていなかった。
【００９１】本実施形態で説明した測定方法によれば、
スイッチングに必要なパルス幅および波高値を測定する
という簡単な方法で、各物性値を決定することができ、
またその逆に、各物性値がスイッチングにどのように作
用しているかを解明できるという効果も奏している。
【００９２】一般に強誘電性液晶は、ベースとなる液晶
にキラル化合物が添加されて成っている。ベースとなる
液晶が、強誘電性液晶の誘電異方性および粘性に直接関
与し、キラル化合物が自発分極を誘起する作用を持つ。
そのため、液晶とキラル化合物との組合せ次第で、様々
な特性を持つ強誘電性液晶材料を提供することができる
が、従来は、どのような比率でこれらを混合すれば、ど
のような特性を持つ液晶材料ができるのかが、定性的に
は分かっていても、定量的には解明されていなかった。
これに対して、本実施形態で説明した測定方法に基づけ
ば、定量的な解析が実現され、液晶材料開発の新しい指
針が得られる。
【００９３】なお、強誘電性液晶９は、τ−Ｖmin 特性
を示す液晶組成物から構成されていることが好ましい。
この場合、誘電異方性の効果がより顕著に現れているこ
とから、スイッチングが生じるすべてのしきい値（パル
ス幅τおよび波高値Ｅ）が式（１）に最もうまく当ては
まるときの各パラメータ（φ0 ，ｋ，ｌ，ｍ，および
ｎ）の値が一意に収束する。これにより、各パラメータ
の値をより正確に求めることが可能となる。
【００９４】なお、上記のτ−Ｖmin 特性とは、すべて
の液晶分子が完全にスイッチするために必要なパルス電
場のパルス幅とパルス波高値との関係を示す曲線が、例
えば図３に示すように、極小値を有する特性である。逆
に、グラフに特徴がない（τ−Ｖmin 特性を示さない）
場合には、各パラメータの値が収束しにくく、その値を
うまく決定できない場合もある。
【００９５】また、強誘電性液晶９は、図１３の右側に
示すように、シェブロン構造のスメクティック層２１の
折れ曲がりの方向と、電極基板１３・１４の界面におけ
る液晶分子２０のプレチルトの方向とが、電極基板１３
・１４の全面でほぼ同一であるＣ２ユニフォーム（Ｃ２
Ｕ）配向であることが好ましい。これに対して、スメク
ティック層２１の折れ曲がり方向と液晶分子２０のプレ
チルトの方向とが逆の状態は、Ｃ１Ｕ配向と呼ばれる。
一般に、Ｃ２Ｕ配向はＣ１Ｕ配向に比べてメモリ角が小
さく、液晶分子の初期の方位角φ0 の値がπ／２により
近いので、各パラメータの値をより正確に導出できると
いう利点がある。なお、Ｃ２Ｕ配向は、Ｃ１Ｕ配向に比
べて応答速度が速いという効果もある。
【００９６】以上のように、本実施形態の測定方法によ
れば、強誘電性液晶表示セルの諸物性の測定を従来より
も正確に行うことができ、スイッチング特性の制御が可
能となるという効果を奏する。これにより、所望のスイ
ッチング特性を有する強誘電性液晶素子を提供すること
が可能となるという効果も併せて奏する。
【００９７】
【発明の効果】以上のように、請求項１記載の強誘電性
液晶素子の特性値の測定方法は、液晶層にパルス電場を
印加し、液晶がスイッチングするときのパルス幅τおよ
びパルス波高値Ｅの組合せを複数種類測定し、上記パル
ス幅τおよびパルス波高値Ｅの組合せのすべてが、式
【００９８】
【数２７】
【００９９】に概ね当てはまるように、パラメータ
φ0 ，ｋ，ｌ，ｍ，およびｎを決定する方法である。
【０１００】上記の測定方法によれば、パラメータ
φ0 ，ｋ，ｌ，ｍ，およびｎで表される種々の特性値を
決定することが可能となる。また、上記式を用いれば、
強誘電性液晶のスイッチング特性の物理的な解析を従来
よりも正確に行うことが可能となる。例えば、上記パラ
メータのいずれかを変化させた場合に、スイッチングに
必要なパルス電場にどのような影響を与えるかが上記式
から導き出せる。逆に、所定のパルス幅τおよびパルス
波高値Ｅを得るために、上記パラメータをどのように変
化させれば良いかが分かるという効果を奏する。
【０１０１】請求項２記載の強誘電性液晶素子の特性値
の測定方法は、上記パラメータを最適化する際に、
（ａ）パラメータに初期値を設定し、（ｂ）パラメータ
に設定されている値を用い、上記複数種類のパルス幅τ
およびパルス波高値Ｅのすべてが上記式を満たすか否か
を判断し、（ｃ）パラメータの設定値を変更し、（ｄ）
上記ステップ（ｂ）およびステップ（ｃ）を繰り返し行
い、上記式を最も好適に満足するパラメータの値を決定
する方法である。
【０１０２】これにより、未知のパラメータ数が多くて
も、これらのパラメータの値をより適切に決定すること
ができるという効果を奏する。
【０１０３】請求項３記載の強誘電性液晶素子の特性値
の測定方法は、最適化されたパラメータｍと、定数ＰS
ｃｏｓδと、式
【０１０４】
【数２８】
【０１０５】とによって、強誘電性液晶の回転粘性係数
ηの値を決定する方法である。
【０１０６】これにより、所望のスイッチング特性を得
るための強誘電性液晶の回転粘性係数ηの値を間接的に
導き出すことが可能となり、液晶材料の開発や選定のた
めの有用な知見を得ることができるという効果を奏す
る。
【０１０７】請求項４記載の強誘電性液晶素子の特性値
の測定方法は、上記定数ＰS ｃｏｓδを三角波電場印加
法により求める方法である。これにより、請求項３記載
の方法による効果にさらに加えて、回転粘性係数ηの値
をより正確に導出できるという効果を奏する。
【０１０８】また、請求項５記載の強誘電性液晶素子の
特性値の測定方法は、最適化されたパラメータｌ，ｎ，
およびφ0 と、強誘電性液晶の回転粘性係数ηと、セル
厚ｄと、式
【０１０９】
【数２９】
【０１１０】とによって、上記電極基板界面のアンカリ
ングエネルギーＷの値を決定する方法である。
【０１１１】これにより、電極基板界面のアンカリング
エネルギーＷ、強誘電性液晶の回転粘性係数η、および
セル厚ｄの値を決定することが可能となり、所望のスイ
ッチング特性を得るためのこれらの物性値を間接的に導
き出すことができる。この結果、液晶材料の開発や選定
のための有用な知見を得ることができるという効果を奏
する。
【０１１２】請求項６記載の強誘電性液晶素子の特性値
の測定方法は、上記強誘電性液晶が、上記のパルス波高
値Ｅがあるパルス幅τに対して極小値をとる液晶組成物
を含むことを特徴とする。
【０１１３】これによれば、パルス波高値Ｅがあるパル
ス幅τに対して極小値をとる液晶組成物では、パラメー
タの値が一意に収束するので、物性値の測定をより容易
に且つ正確に行えるという効果を奏する。
【０１１４】また、請求項７記載の強誘電性液晶素子
は、液晶分子の方位角の初期値をφ0とすると、上記液
晶層に印加されるパルス電場によって液晶がスイッチン
グするときのパルス幅τおよびパルス波高値Ｅが、式
【０１１５】
【数３０】
【０１１６】に概ね当てはまるように、パラメータｋ，
ｌ，ｍ，およびｎが最適化されている構成である。
【０１１７】上記の構成によれば、所望のスイッチング
特性が得られるように、パラメータｋ，ｌ，ｍ，および
ｎが最適化されているので、表示品位の良好な液晶表示
素子を提供することができるという効果を奏する。
【０１１８】請求項８記載の強誘電性液晶素子は、真空
の誘電率をε0 、液晶の回転粘性係数をη、誘電異方性
をΔε、チルト角をθ、二軸誘電異方性を∂ε、スメク
ティック層の層傾斜角をδとすると、上記パラメータｋ
が、式
【０１１９】
【数３１】
【０１２０】を満たす構成である。
【０１２１】このように、上記各種の物性値を適切に調
整することにより、所望のスイッチング特性をもち、表
示品位の良好な液晶表示素子を提供することが可能とな
るという効果を奏する。
【０１２２】請求項９記載の強誘電性液晶素子は、電極
基板界面のアンカリングエネルギーをＷ、強誘電性液晶
の回転粘性係数をη、セル厚をｄとすると、上記パラメ
ータｌ，ｎ，およびφ0 が、式
【０１２３】
【数３２】
【０１２４】を満たす構成である。
【０１２５】このように、上記各種の物性値を適切に調
整することにより、所望のスイッチング特性をもち、表
示品位の良好な液晶表示素子を提供することが可能とな
るという効果を奏する。
【０１２６】請求項１０記載の強誘電性液晶素子は、強
誘電性液晶の自発分極をＰS 、スメクティック層の層傾
斜角をδ、強誘電性液晶の回転粘性係数をηとすると、
上記パラメータｍが、式
【０１２７】
【数３３】
【０１２８】を満たす構成である。
【０１２９】このように、上記各種の物性値を適切に調
整することにより、所望のスイッチング特性をもち、表
示品位の良好な液晶表示素子を提供することが可能とな
るという効果を奏する。
【０１３０】請求項１１記載の強誘電性液晶素子は、強
誘電性液晶層がシェブロン構造を呈し、シェブロン構造
の折れ曲がり方向と電極基板界面における液晶分子のプ
レチルトの方向とが、電極基板全面においてほぼ同一で
ある構成である。
【０１３１】このような配向状態を一般にＣ２Ｕ配向と
呼ぶが、Ｃ２Ｕ配向はＣ１Ｕ配向に比べてメモリ角が小
さく、液晶分子の初期の方位角の値がπ／２に近い。こ
のため、パラメータの値をより正確に導出することがで
きるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る強誘電性液晶セル
の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】ＳＳＦＬＣのシェブロン構造における液晶分子
の配向状態を模式的に示す説明図である。
【図３】上記強誘電性液晶セルに、様々なパルス幅のパ
ルス電場を印加した場合の、パルス波高値と光透過率と
の関係を表すグラフである。
【図４】図３に示すグラフから求めた、液晶がスイッチ
ングするしきい値電場のパルス幅および波高値の関係を
表すグラフである。
【図５】強誘電性液晶の初期の方位角φ0 の温度依存性
を表すグラフである。
【図６】ｋの温度依存性を表すグラフである。
【図７】Ｗ／ηｄの温度依存性を表すグラフである。
【図８】ｍの温度依存性を表すグラフである。
【図９】ＰS ｃｏｓδの温度依存性を表すグラフであ
る。
【図１０】ηの温度依存性を表すグラフである。
【図１１】Ｗの温度依存性を表すグラフである。
【図１２】誘電異方性の項の電場の２乗の係数の温度依
存性を表すグラフである。
【図１３】シェブロン構造のスメクティック層における
Ｃ１Ｕ配向およびＣ２Ｕ配向を模式的に示す説明図であ
る。
【図１４】同図（ａ）は、強誘電性を示すＳｍＣ* 相の
液晶分子の配列を示す模式図、同図（ｂ）は、強誘電性
液晶の螺旋ピッチよりも薄いギャップで対向するセルに
おいて分子の螺旋構造が解けた状態を示す模式図であ
る。
【図１５】ＳＳＦＬＣ型強誘電性液晶表示素子の動作原
理を示す模式図である。
【図１６】同図（ａ）および（ｂ）は、τ−Ｖmin 曲線
が温度変化に伴ってシフトする様子を示すグラフであ
る。
【符号の説明】
１・２ ガラス基板 ３ 信号電極 ４・６ 絶縁膜 ５ 走査電極 ７・８ 配向膜 ９ 強誘電性液晶
フロントページの続き (71)出願人 390040604 イギリス国 ＴＨＥ ＳＥＣＲＥＴＡＲＹ ＯＦ ＳＴ ＡＴＥ ＦＯＲ ＤＥＦＥＮＣＥ ＩＮ ＨＥＲ ＢＲＩＴＡＮＮＩＣ ＭＡＪＥＳ ＴＹ’Ｓ ＧＯＶＥＲＮＭＥＮＴ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＥＴＥＤ ＫＩＮＧＤＯＭ ＯＦ ＧＲＥＡＴ ＢＲＩＴＡＩＮ ＡＮ Ｄ ＮＯＲＴＨＥＲＮ ＩＲＥＬＡＮＤ イギリス国 ハンプシャー ジーユー14 ０エルエックス ファーンボロー アイヴ ェリー ロード（番地なし） ディフェン ス エヴァリュエイション アンド リサ ーチ エージェンシー (72)発明者 酒匂 禎裕 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 伊藤 信行 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 境川 亮 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 向殿 充浩 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも電極を有する一対の電極基板間
    に強誘電性液晶層を備えた強誘電性液晶素子の特性値の
    測定方法において、 上記液晶層にパルス電場を印加し、液晶がスイッチング
    するときのパルス幅τおよびパルス波高値Ｅの組合せを
    複数種類測定し、 上記パルス幅τおよびパルス波高値Ｅの組合せのすべて
    が、式 【数１】 に概ね当てはまるように、パラメータφ0 ，ｋ，ｌ，
    ｍ，およびｎを決定することを特徴とする強誘電性液晶
    素子の特性値の測定方法。
  2. 【請求項２】上記パラメータを最適化する際に、 （ａ）パラメータに初期値を設定し、 （ｂ）パラメータに設定されている値を用い、上記複数
    種類のパルス幅τおよびパルス波高値Ｅのすべてが上記
    式を満たすか否かを判断し、 （ｃ）パラメータの設定値を変更し、 （ｄ）上記ステップ（ｂ）およびステップ（ｃ）を繰り
    返し行い、上記式を最も好適に満足するパラメータの値
    を決定することを特徴とする請求項１記載の強誘電性液
    晶素子の特性値の測定方法。
  3. 【請求項３】最適化されたパラメータｍと、定数ＰS ｃ
    ｏｓδと、式 【数２】 とによって、強誘電性液晶の回転粘性係数ηの値を決定
    することを特徴とする請求項１記載の強誘電性液晶素子
    の特性値の測定方法。
  4. 【請求項４】上記定数ＰS ｃｏｓδを三角波電場印加法
    により求めることを特徴とする請求項３記載の強誘電性
    液晶素子の特性値の測定方法。
  5. 【請求項５】最適化されたパラメータｌ，ｎ，およびφ
    0 と、強誘電性液晶の回転粘性係数ηと、セル厚ｄと、
    式 【数３】 とによって、上記電極基板界面のアンカリングエネルギ
    ーＷの値を決定することを特徴とする請求項３記載の強
    誘電性液晶素子の特性値の測定方法。
  6. 【請求項６】上記強誘電性液晶が、上記のパルス波高値
    Ｅが、あるパルス幅τに対して極小値をとる液晶組成物
    を含むことを特徴とする請求項１記載の強誘電性液晶素
    子の特性値の測定方法。
  7. 【請求項７】少なくとも電極を有する一対の電極基板間
    に強誘電性液晶層を備えた強誘電性液晶素子において、 液晶分子の方位角の初期値をφ0 とすると、上記液晶層
    に印加されるパルス電場によって液晶がスイッチングす
    るときのパルス幅τおよびパルス波高値Ｅが、式 【数４】 に概ね当てはまるように、パラメータｋ，ｌ，ｍ，およ
    びｎが最適化されていることを特徴とする強誘電性液晶
    素子。
  8. 【請求項８】真空の誘電率をε0 、液晶の回転粘性係数
    をη、誘電異方性をΔε、チルト角をθ、二軸誘電異方
    性を∂ε、スメクティック層の層傾斜角をδとすると、
    上記パラメータｋが、式 【数５】 を満たすことを特徴とする請求項７記載の強誘電性液晶
    素子。
  9. 【請求項９】上記電極基板界面のアンカリングエネルギ
    ーをＷ、強誘電性液晶の回転粘性係数をη、セル厚をｄ
    とすると、上記パラメータｌ，ｎ，およびφ0 が、式 【数６】 を満たすことを特徴とする請求項７記載の強誘電性液晶
    素子。
  10. 【請求項１０】強誘電性液晶の自発分極をＰS 、スメク
    ティック層の層傾斜角をδ、強誘電性液晶の回転粘性係
    数をηとすると、上記パラメータｍが、式 【数７】 を満たすことを特徴とする請求項７記載の強誘電性液晶
    素子。
  11. 【請求項１１】上記強誘電性液晶層がシェブロン構造を
    呈し、シェブロン構造の折れ曲がり方向と電極基板界面
    における液晶分子のプレチルトの方向とが、電極基板全
    面においてほぼ同一であることを特徴とする請求項７記
    載の強誘電性液晶素子。
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