JPS6078422A - 液晶素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液晶素子に関し、更に詳しくは熱走査により液
晶に画像を記録する液晶表示素子に関する。

従来より液晶素子は電気画像信号を記録可視化するもの
として知られており、単純な７セグメントの電極により
数字を表示するものから、高密度の電極マトリクスによ
る液晶テレビなどが既に存在し、使われる用途等により
その駆動方法等も様々あり、現在のソフトコピー形成の
分野において大きな地位を占めるようになってきた。

一方、画像信号を液晶に与える方法としては。

上記の電極マトリクスによるものの他に熱走査の形で与
えるものがある。

画像信号を熱走査により与える形式のものは。

前記した高密度の電極マトリクスの形式の様に、必ずし
も分割した電極のそれぞれに対し選択的に電圧を印加す
るものである必要はなく、電極から引き出すリード線の
数がはるかに少なくできるために、高密度の画像を与え
る上では駆動手段の簡略化の面などからも大きな利点を
有する。

従来から知られている熱走査により画像信号を与える液
晶表示素子として、主としてレーザ光を熱源とする第１
図に示すようなものがある。

第１図において、ｌはガラス等の透明基板、２はＩＴＯ
（インジウム−すず−複合酸化物）等の透明導電層、３
はアルミニウム反射膜、４は液晶の配向を制御するため
の配向層であり、有機または無機の薄層あるいは蒸着層
等が使用される。５は、温度によりスメクチック→ネマ
ティック→等方状態と相転移する液晶層であり、この層
の厚みはスペーサー１０により保持されている。また、
液晶層５の液晶分子は配向層４の壁面効果によりセル面
に対し通常一様に垂直、あるいは水平に保たれる。この
液晶素子は、以下のようにして動作する。

すなわち、画像書き込み前においては液晶５はスメクチ
ック−ネマティック相転移の温度近傍のスメクチック側
に保たれる。これに対し、ＹＡＧレーザー等により像状
のレーザー光６を照射することにより、液晶層５のうち
照射された像状部分９のみネマティック相あるいは等方
状態へ相転移する。レーザー光の照射を停止すると相転
移した部分は急冷状態となり、散乱状態のスメクチック
相に転移する。このセルに対し読み出し光７を透明導電
層２側から照射すると照射光７ａ、７ｃはほぼ一定方向
にアルミニウム反射膜により反射するのに対し、散乱部
分９に照射される照射光７ｂは散乱される。したがって
この反射光をスクリーン１１に投影させることにより照
射光７ａ、７ｃのみはスクリーン上に投射され、７ｂは
ほとんど投射されない。したがって液晶に記録された像
がそのままスクリーン上に投影されることになる。

この像の消去は、交流電源８によりセルに電圧を印加す
るか、あるいはセル全体をネマティックあるいは等方状
態に加熱して比較的ゆっくりと冷やすことで可能である
。このような液晶表示素子は、メモリー性のある高密度
、大画面の表示が可能であるという利点はあるが、上述
した書き込みの相転移温度近傍にセル自身を保つ必要が
あり厳しい温度制御が必要である等、欠点も多かった。

本発明の主要な目的は、上述した様な従来の熱走査型の
液晶表示素子の欠点を除き、比較的緩やかな温度制御で
充分であり且つ応答性に優れる等の利点を有する、広義
には熱走査型であるが新規な型の液晶表示素子を提供す
ることにある。

本発明者らは上述の目的で研究した結果、液晶材料と隣
接して焦電材料層をおき、これに加えられる走査熱を、
電界変化に転換して液晶材料に印加することが、上述の
目的の達成に極めて有効であることを見出した。

本発明の液晶素子は、このような知見に基づくものであ
り、より詳しくは、焦電材料層と隣接して液晶材料層を
配置し、両者を一対の電極基板間に挾持させてなり、前
記焦電材料を加熱走査して生ずる電界変化により前記液
晶材料の配向変化を起させるようにしたことを特徴とす
るものである以下、本発明の液晶素子を、その実施例に
ついて図面を参照しつつ更に詳細に説明する。

第２図は、本発明の液晶素子の一実施例の側断面図であ
る。第２図を参照して、ガラス板等からなる一対の対向
する透明基板１２．１３の内面には、それぞれＩＴＯ等
からなる導電膜１４および１５を設け、更にこれら導電
膜の内側には互に隣接して、ポリフッ化ビニリデン等の
焦電材料層１６と液晶層１７とが挿入され、液晶層１７
の厚さはスペーサ１８により保持されている。また、導
電膜１４と１５には画像の書込みあるいは消去用のバイ
アス電源Ｅが接続され、液晶層１７に直流又は交流電界
が印加可能に構成されている。なお、焦電材料層１６お
よび導電膜１５の液晶層１７との接触面側には、必要に
応じて、配向処理あるいは配向処理層が施されるが、そ
の図示は省略する。

焦電材料１６は、その特性として、温度変化により電気
的な分極状態が変化する。本発明の液晶表示素子の最大
の特徴は、この分極変化により液晶層１７に電界を作用
させ、この電界により液晶に配向変化をもたらすことに
ある。焦電材料としては前記ポリ弗化ビニリデン（以下
ＰＶＤＦと記す）、トリグリシンサルフェート（ＴＧｓ
と記す）、チタン酸鉛（Ｐ　ｂ　Ｔ’ｉ　０　ａと記す
）、タンタル酸リチウム（Ｌ　ｉ　ＴａＯ２と記す）等
が知られており、これらは１Ｏ−９〜１ｏ−８ｃ／ｃｍ
２°Ｃ程度の焦電係数を有する。すなわち例えばｌ　’
Ｃの温度変化により、前記のＰＶＤ　Ｆでは４ＸＩＯ−
９Ｃ／Ｃｍ２の分極変化がある。なお、たとえばＰＶＤ
Ｆについて云えば、これをフィルムないしシート化し、
延伸した後に分極処理を施すことにより焦電材料化する
ことができる。分極処理は、第３図（ａ）、（ｂ）に示
す様な一般的な方法で行なわれる。第３図（ａ）に示す
系においては、両面に電極３０ａ、３０ｂを設けた焦電
材料３６を、１２０　’Ｃ前後の高温の恒温槽（図示せ
ず）中に保持し、直流高圧電源３２より、５００−ＩＫ
Ｖ／ｃ’ｍの直流高電圧を印加し１時間程度保持し、室
温に冷却後、電圧を除去することにより行われる、また
、第３図（ｂ）に示す系においては、片面に電極３０ｃ
を設けた焦電材料３６ａに、その電極３０ｃとは逆側か
ら直流高圧電源３２ａに接続された剣状電極３７により
コロナ放電を行なう方法が採られる。（分極処理のより
詳細については、例えば「精密機械」４６巻１号Ｐ２７
〜３３「トランスジューサ材料としての圧電性、焦電性
高分子」を参照。） 本発明の液晶表示素子の基本的動作原理を説明するため
に、まず第４図に示すように、電源Ｅからの電圧印加が
ない状態で、レーザー照射あるいは熱ヘッド等により熱
Ｈを焦電材料層１６に供給する場合を説明する。この場
合、無電材料層１６に生じた温度変化により、焦電材料
の分極状態が変化し焦電材表面に見かけ上電荷が発生し
、これにより、これと隣接する液晶層に図中矢示する様
に右向きあるいは左向きの電圧が発生する。この電圧の
方向は前述した分極処理に際しての電圧印加方向との対
応で決まる。あるいは電圧を発生させるためには、冷却
手段により焦電材の温度を下げても良い。ただしこの場
合加熱した場合と逆の電圧を発生する。

上記の電圧は通常無電材の温度変化がなくなるとともに
消滅する。

焦電材として前記のＰＶＤＦ等は熱拡散が小さいのでほ
ぼ加熱部分あるいは冷却部分のみにおいて電圧を発生す
る。

第４図において、たとえばＰＶＤＦからなる焦電材料層
１６を５〜１０ｐｍ厚、また液晶層１７を同様に５〜ｌ
ｏ＃Ｌｍで構成すると、ＰＶＤＦの無電作用によりｌ”
０の温度変化に対し液晶層１７には１〜３ｖの電圧を印
加することができる。

本発明の素子においては、このような焦電材料の温度変
化に伴なう液晶相１７への印加電圧変化により液晶１７
の配向変化を起し、これを表示に利用する。

ここで使用しうる液晶１７としては、ネマティック液晶
、コレステリック液晶、スメクテイツク液晶、さらにカ
イラルスメクチック液晶等の強誘電性液晶等の電界効果
型液晶が好適に用いられる。

なかでも、強誘電性液晶は、他のたとえばネマティック
液晶等に比べ極めて高インピーダンスで応答が早く表示
状態に記憶性があるなどの理由により最適である。強誘
電性液晶としてカイラルスメクチック液晶があり、その
うちカイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ”　）又はＨ相
（ＳｍＨ”）の液晶が適している。

強誘電性液晶の詳細については、たとえばＬＥ　ＪＯＬ
ＩＲＮＡＬ　ＤＥ　ＰＨＹＳＩＱＵＥ　ＬＥＴＴＥＲ９
’”止Ｊ　（Ｌ−６９）１９７５、ｒＦｅｒｒｏｅｌｅ
ｃｔｒｉｃ　ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓ　Ｊ　；　
”　＾ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ
　”３６　（１１）　１９８０　ｒｓｕｂｍｉｃｒｏ　
５ｅｃｏｎｄ　Ｂ１−５ｔａｂｌｅ　Ｅｌａｃｔｒｏｏ
ｐｔｉｃ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ　ＬｉｑｕｉｄＣ
ｒｙｓｔａｌｓＪ　；　”固体物理上Ｂ　（１４１）１
９８１「液晶」等に記載されており、本発明ではこれら
に開示された強誘電性液晶を用いることができる。

強誘電性液晶化合物の具体例としては、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−クロロプロビルシンナ）−ト（Ｈ
ＯＢＡＣＰＣ）、４−　。

−（２−メチル）−ブチルレゾルシリテン−４２０オク
チルアニリン（ＭＢＲＡ８）が挙げられる。

第５図（ａ）は、強誘電性液晶の動作を説明するために
、セルの例を模式的に描いたものである、１９と、１９
ａは、Ｉ　ｎ２０２．３　ｎ０２あるいはＩ　Ｔ　Ｏ（
Ｉｎｄｉｕｍ　−Ｔｉｎ　０ｘｉｄｅ）等の薄膜からな
る透明電極で被覆された基板（ガラス板）であり、その
間に液晶分子層２０がガラス面に垂直になるよう配向し
たＳｍＣ”相又はＳｍＨ”相の液晶が封入されている。

太線で示した線２１が液晶分子を表わしており、この液
晶分子２１は、その分子に直交した方向に、双極子モー
メン）（Ｐよ）２２を有している。基板１９と１９ａ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２１のらせん構造がほどけ、双極子モーメント（Ｐ
工）２２がすべて電界方向に向くよう、液晶分子２１は
配向方向を変えることができる。液晶分子２１は、細長
い形状を有しており、その長袖方向と短軸方向で屈折率
異方性を示し、従って例えばガラス面の上下に互いにク
ロスニコルの偏光子を置けば、電圧印加極性によって光
学特性が変わ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、液晶セルの厚さを充分に薄く（例え
ば１０ル以下）した場合には、第５図（ｂ）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
がほどけ、その双極子モーメントＰ、は、上向き（２２
ａ）又は下向き（２２ｂ）のどちらかの状態をとる。こ
のようなセルに、第５図（ｂ）に示す如く一定の闇値以
上の極性の異る電界Ｅａ又はＥｂを付与すると、双極子
モーメントは、電界Ｅａ又はＥｂの電界ベクトルに対応
して上向き２２ａ又は下向き２２ｂと向きを変え、それ
に応じて液晶分子は、第１の安定状態２１ａかあるいは
第２の安定状８２　ｌ　ｂの何れか１方に配向する。

このような強誘電性を光学変調素子として用いることの
利点は、先にも述べたが主として２つある。その第１は
、応答速度が極めて速いことであり、第２は液晶分子の
配向が双安定性を有することである。第２の点を、例え
ば第５図（ｂ）によって更に説明すると、電界Ｅａを印
加すると液晶分子は第１の安定状態２１ａに配向するか
、この状態は電界を切っても安定である。また、逆向き
の電界Ｅｂを印加すると、液晶分子は第２の安定状態２
１ｂ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っている。

また、与える電界Ｅａ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、双安定性力く有効に実現されるには
セルとしては出来るだけ薄１．％方が好ましく、一般的
には０．５ｐ〜２０ｐ、特に１ル〜５Ｉｊ、が適してい
る。この種の強誘電性液晶を用いたマトリクス電極構造
を有する液晶−電気光学・装置は、例えばクラークとラ
ガノールにより、米国特許第４３６７９２４号明細書で
提案されている。

上記第４図および第５図（ａ）、（ｂ）に基づく説明を
前提として、木質的に第２図に示すと同様な液晶素子を
組み込み且つ強誘電性液晶を用１．Ｘる場合の反射モー
ドの表示系ならびにその駆動（画像記録）の具体例を第
６図（但し、この例では反射モードとするために焦電材
料層１６と液晶層１７の間に誘電体ミラー６０を挿入し
である）を用いて説明する。　なお、この例では、焦電
材料１６は、その加熱時に液晶層１７側に正電荷６１を
発生する様な無電特性を有するものとする。

画像素示に際しては、まず、電源Ｅにより透明電極１５
側が正となるような電圧（Ｅｂ力方向を印加する。この
電圧は液晶層に実質印加される電圧が配向変化の閾値を
充分に越えているものとする。この時液晶分子は、第６
図（ｂ）に示す方向２１ｂの様に全面配向する。全面配
向後、上記電圧を除去する。次にレーザー光、感熱ヘッ
ドあるいは各画素毎に設けたヒータ等の加熱手段（図示
せず）から供給された走査熱Ｈにより、像状の温度変化
を焦電材料層１６に与える。この時、加熱部に相当する
液晶１７ａには見かけ上発生する電荷６１により、Ｅｂ
力方向は逆のＥａ力方向電圧が作用する。この電圧Ｅａ
が配向変化の閾値を越えるようにすｇと液晶分子は２１
ａで示す様に配向を変える。

画像記録の際に、上記の加熱により発生する電圧を液晶
配向に対し充分有効に作用させるためには、像状の加熱
の際に電源Ｅにより電極１４側が正極性となる様なバイ
アス電圧を印加することができる。この電圧は、液晶層
１７に実質印加される電圧が２１ｂより２１ａに配向す
る閾値以下、閾値付近が適している。この様にバイアス
電圧を印加することにより、与える温度変化が比較的小
さい場合でも充分な高感度で応答させることができる。

焦電材料層１６においての温度変化がなくなるとともに
発生する電圧も次第に消滅するが、本例の様に使用する
液晶が強誘電性液晶の場合、メモリー性を有するため記
録画像は電圧あるいは加熱走査を除去しても保持される
。

上述により液晶層１７に記録された画像は偏光ビームス
プリッタ−６２を介して読み出し光あるいは投射光６３
（６３ａ、６３ｂ、６３ｃ＝・）によって可視化するこ
とができる。たとえば偏光ビームスプリッタ−６２にお
ける透過光の偏光方向を、２１ｂの液晶分子方向と平行
あるいは直角な方向になるように設けることで、１７ａ
部分に対する照射光６３ｂのみが複屈折によりスクリー
ン６４に投射され、６３ａ、６３ｃは複屈折が起こらな
いためにスクリーン６４上に投射されないようにするこ
とができる。

また上記例では反射型として適用した例を挙げたが、た
とえば第２図の系において焦電材Ｍ１６が透光性のもの
であれば、支持体１２．１３および導電層１４．１５を
すべて透明のもので形成し、さらに素子の両側にポララ
イザおよびアナライザを配置することで記録画像を視認
することができる。１例として偏光板をクロスニフルの
配置とし、また１方向の電界に対して液晶分子のなす方
向がポラライザに対して平行あるいは垂直の方向になる
ようにすることにより、この状態では透過光を小さく、
また逆方向の電界に対し透過光を大きく取れるようにす
ることができる。但しこの場合において透光性の焦電材
層はポラライザを通過した直線偏光に対してなるべく偏
光を乱さない様な配置にすることが望ましい。

本発明の液晶表示素子においては前述した従来の熱走査
型液晶表示素子と比較して以下の点で多大なる利点をも
つ。

すなわち本発明および従来例ともに熱書き込みを行なう
ものであるが、従来例は液晶層のおか゛れる温度の絶対
値に対しても微妙な制御が必要であった。すなわち、液
晶自身の特性である相転移温度近傍において厳しい温度
制御が必要であったのに対し、本発明においては、単に
記録時における極めて大きな外的熱刺激を防ぐだけで良
い。また、液晶の駆動は直接的には熱刺激でなく電界効
果であるために、使用する液晶の相範囲（たとえばＳｍ
Ｃ”等）を保つ程度の温度に保ちさえすれば良い。更に
、本発明で利用する熱に対する焦電材料の応答性ならび
に電界変化に対する液晶の配向変化の応答性は、一般に
従来例で利用されている熱に対する液晶の状態変化の応
答性よりも大であるために、本発明の素子においては、
熱走査に対する応答性か従来のものよりも改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の熱走査！（光書き込み型）液晶表示素
子の模式側断面図；第２図は、本発明の液晶表示素子の
一実施例の模式側断面図；第３図（ａ）、（ｂ）は、そ
れぞれ焦電材料を分極処理する系の模式側面図；第４図
は、第２図の素子の焦電材料層に熱を印加したときの挙
動を示す説明図；第５図（ａ）は、強誘電性液晶セルに
おける液晶の分子構造を説明するためのセルの概念的斜
視図、第５図（ｂ）は同セルにおける強誘電性液晶の２
つの安定状態を示す概念的斜視図；第６図（ａ）は、第
２図の素子とほぼ同様な素子を組み込んだ液晶表示系の
模式側断面図、第６図（ｂ）は、同素子における液晶の
配向状態を示す概念的部分平面図である。 １１１２．１３゜ １９ａ、１９ｂ−（透明）基板 ２．１４．１５・・・（透明）導電膜 ３・・・反射板 ４・・・配向層 ５．１７・・・液晶層 （７ａ・・・強誘電性液晶の配向変化状態）６、Ｈ・・
・入射熱 ７．６３・・・読み出し光 （７ａ、７ｂ、７　ｃ　−， ６３ａ、６３ｂ、６３　ｃ　・−その成分〕８・・・交
流電源 Ｅ・・・７ヘイアス電源 ９・・・液晶の加熱部（光散乱部） １０．１８・・・スペーサ １１．６４・・・スクリーン １６・・・焦電材料層（１６ａ・・・その加熱部）２０
・・・・・強誘電性液晶の分子層 ２１　ａ　、　２　ｌ　ｂ・＝ｔｔ　／／　’（１）分
子ＷＢ２２・・＋１１１　／／、／／の双極子モーメン
ト（２２ａ、２２ｂ・・・その双安定状態）６０・・・
誘電体ミラー ６１・・・焦電材料 ６２・・・ビームスプリッタ １１口 で２ｍ　１４刀 １５／ＸＪ（ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　焦電材料層と隣接して液晶材料層を配置し、両者
   を一対の電極基板間に挾持させてなり、前記焦電材料を
   加熱走査して生ずる電界変化により前記液晶材料の配向
   変化を起させるようにしたことを特徴とする液晶素子。 ２、　前記液晶材料が強誘電性液晶であることを特徴と
   する前記第１項記載の液晶素子。