JPS62150221A - 強誘電性液晶素子 - Google Patents

強誘電性液晶素子

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JPS62150221A
JPS62150221A JP60290423A JP29042385A JPS62150221A JP S62150221 A JPS62150221 A JP S62150221A JP 60290423 A JP60290423 A JP 60290423A JP 29042385 A JP29042385 A JP 29042385A JP S62150221 A JPS62150221 A JP S62150221A
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Yasuko Motoi
泰子 元井
Tatsuo Murata
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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】 [産業上の利用分野] 本発明は、液晶表示素子や液晶−光シヤツターアレイ等
の液晶素子に関し、更に詳しくは、液晶分子の初期配向
状態を4苦することにより表示なにらびに駆動特性を改
善した強誘電性液晶素子に関するものである。
[開示の概要] 本明細書及び図面は、液晶表示素子や液晶−光シヤツタ
ーアレイ等に用いられる強誘電性液晶素子において、各
画素のカラーフィルターを色素と透明樹脂、または色素
と透明な無機化合物で形成するとともに、各カラーフィ
ルター間の窪みに絶縁体からなる平坦化層を形成するこ
とにより、配向欠陥のない均一なモノドメインの液晶相
が得られるようにしたものである。
[従来の技術] 従来の液晶素子としては、例えばエム、シャツ) (M
、 5chadt) とダブリュー、ヘルフリッヒ(W
He1frich) !A″アプライド・2イジツクス
・レターズ゛(Applied PhysicsLet
ters″)第18巻、第4号(1971年2月15日
発行)、第127頁〜128頁の°゛ボルテージディペ
ンダント・オプティカル・アクティビティ−・オブ・ア
・ツィステッド・ネマチフク・リキッド・クリスタル゛
じVoltage Dependent 0ptica
l Activity of aTwisted Ne
matic Liquid CryStal″)に示さ
れたツイステンド・ネマチフク(twisted ne
metic)液晶を用いたものか知られている。このT
N液晶は、画素密度を高くしたマトリクス電極構造を用
いた時分割駆動の時、クロストークを発生する問題点が
あるため1画素数が制限されていた。
また、各画素に薄膜トランジスタによるスイッチフグ素
子を接続し、各画素毎をスイッチングする方式の表示素
fが知られているが、基板上に薄膜トランジスタを形成
する工程が極めて煩雑なヒ、大面積の表示素子を作成す
ることが難しい問題点がある。
これらの問題点を解決するものとして、クラークらによ
り米国特許第4387924号公報で強誘電性液晶層f
が提案されている。
第2図は強誘電性液晶の動作説明のために、セルの例を
模式的に描いたものである。21と21’は、In2O
2,S+102あるいはITO(Indium−Tin
−Owide)′¥−の薄膜からなる透明電極で被覆さ
れた基板(カラス板)であり、その間に液晶分子層22
がガラス面に垂直になるよう配向したSmC”相又はS
mH・相の液晶が封入されている。太線で示した線23
が液晶層′fを表わしており、この液晶分子−23はそ
の分子に直交した方向に双極子モーメン)(P□)24
を有している。基板21と2V上の電極間に一定の閾値
以りの電圧を印加すると、液晶分子23のらせん構造が
ほどけ、双極子モーメント(P□)24がすべて電界方
向に向くよう、液晶分子23は配向方向を変えることが
できる。液晶分子23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L′Fに互いにクロスニコルの偏光T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。
本発明の液晶素子で好ましく用いられる液晶セルは、そ
の厚さを充分に薄く(例えば107z以下)することが
できる。このように液晶層が薄くなるにしたがい、第3
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
のらせん構造がほどけ。
非らせん構造となり、その双極子モーメントPまたはP
′はL向き(24)又は下向き(24’)のどちらかの
状態をとる。このようなセルに、第3図に示す如く一定
の閾値以上の極性の異なる電界E又はE′を電圧印加手
段28と26′により付ケーすると。
双極子モーメントは、電界E又はE′の電界ベクトルに
対応してL向き24又は下向き24′と向きを変え、そ
れに応じて液晶分子は、第1の安定状態25か、あるい
は第2の安定状態25′の何れか一方に配向する。
このような強誘電性を液晶層fとして用いることの利点
は、先に述へたが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3図によっ
て更に説明すると、電界Eを印加すると液晶分子は第1
の安定状IE25に配向するが、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E′を印加すると
、液晶分子は第2の安定状態25′に配向してその分子
の向きを変えるが、やはり電界を!/Jっでもこの状y
9に留まっている。また、′j−える電界Eが一定の閑
&i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は出来るだけ薄い方が
好ましい。
[発明が解決しようとする問題点] この強誘電性液晶素子が所定の駆動特性を発揮するため
には、一対の平行基板間に配首される強誘電性液晶が、
電界の印加状態とは無関係に、上記2つの安定状態の間
での変換が効果的に起こるような分子配列状態にあるこ
とが必要である。たとえばカイラルスメクティック相を
有する強誘電性液晶については、カイラルスメクティッ
ク相の液晶分子層が基板面に対して垂直で、したがって
液晶分子軸が基板面にほぼモ行に配列した領域(モノド
メイン)が形成される必要がある。しかしながら、これ
までの強調゛准性液晶素fにおいては、このようなモノ
ドメイン構造を有する液晶の配向状態が、必ずしも満足
に形成されなかったために、充分な特性が得られなかっ
たのが実情である。
第4図は従来の強誘電性液晶素子の断面図を表わし、第
5図は従来の強誘電性液晶素子に現われた配向欠陥の状
態を表わす図である。
すなわち、第4図に示す従来の強誘電性液晶素子40は
、−・対のモ行基板41と42を有しており、基板41
と42にはそれぞれマトリクス電極構造をなすストライ
プ状の電極線43と44が設けられている(電極vi4
3は保護層48を介して設けられている)。カラーフィ
ルターは赤(R)、緑CG) 、 1(B)の色素から
なっているが、各色素の膜厚はその形成法にかかわらず
それぞれ異なるので、200OA −1ル程度の段差A
が形成される。この結果、降温過程を利用して配向制御
を行うと、L述の段差Aが原因となって、その段差Aを
境にして強誘電性液晶47に配向欠陥を生じることにな
る。
また、この段差Aが存在する基板41と42の上にそれ
ぞれ配向制御膜45と46を設けると、この配向制御膜
にも段差Aに応じて形成された段差Bが画素のほぼ膜厚
分で生じ、上述の同様に強誘電性液晶47に配向欠陥を
生じていた。
第5図は、上記強誘電性液晶素子をクロスニコルの偏光
顕微鏡で観察した時のスケッチで、図中の白線51は液
晶素トに使用したスペーサ(図示せず)のラインに対応
し、線52及び53は第4図の基板41−1.の段差B
に、対応して観察されている。また、図中の部分54は
対向電極間にはさまれた強誘電性液晶である。偏光顕微
鏡中に多数現出した刃状線55は、強請゛市性液晶の配
向欠陥を表わしている。
この様に強1誘電性液晶の接する面でIQQOA以Fの
段差が存在すると、その段差から配向欠陥を生じ、強誘
電性液晶のモノドメイン形成は阻害される。
本発明者らは、この様な基板上の段差が強誘電性液晶に
対する配向欠陥を発生させる原因となっていることを実
験により明らかにした。
本発明の目的は、上記配向欠陥の発生を防止し1強誘電
性液晶素子が本来もっている高速応答性とメモリー効果
特性を充分に発揮することのできる強誘電性液晶素子を
提供することにある。
[問題点を解決するための手段] 本発明者らは、とくに液晶が等方相(高温状態)より液
晶相(低温状態)へ移行する降温過程における初期配向
性に着目し、液晶の双安定性に基づく素子の作動特性と
液晶層のモノドメイン性を両立し得る構造を有する液晶
素子を見出したものである。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、液晶層
と接する面に段差がなく、つまり液晶層の膜厚に急激な
変化を生じさせなくすることにより降温過程における初
期配向性を良好な状態とし、配向欠陥のないモノドメイ
ンを形成する点に特徴を有している。
すなわち本発明は、透明電極の形成された一対の平行基
板間に強誘電性液晶を挟持し、少なくとも一方の透明電
極と基板間にカラーフィルターを有する強誘電性液晶層
rにおいて、各画素のカラーフィルターを色素と透明樹
脂、または色素と透明な無機化合物で形成するとともに
、各カラーフィルター間の窪みに絶縁体からなる平坦化
層を形成したことを特徴とする強誘電性液晶素子である
本発明で用いる液晶材料としてとくに適したものは双安
定性を有する液晶であって1強誘電性を有するものであ
り、具体的にはカイラルスメクテ4−/りC相(SII
IC・相)、H相(Sa+H”) 、  I相(Sml
″l)、J相(SIIIJ”相)、に相(SmK・相)
、C相(SmG・相)又はF相(Sa+Fφ相)の液晶
を用いることができる。
この強誘電性液晶については、′ル・ジュールナル・ド
・フィジーク・ルチール(”LE JOURNALDE
  PHYSIQUE  LETTERS ″)  1
975 イF、  3B  (L−69)  号。
「フェロエレクトリック・リキッド・クリスタルスJ 
(rFerroelectricliquid Cry
stals’):  ”アプライド・フィジフクス・レ
ターズ°゛(”Appliedphysics   L
etters’)   1980 年 、  313 
  (11)   +3  、[サブミクロ・セカンド
・7へイスティプル・エレクトロオブチック・スイッチ
ング・イン・リキッド・クリスタルス(rsubmic
ro 5econdBistable Electro
optic Switching in Liquid
CrystalsJ) ;  ”固体物理”1981年
、+6 (+41)号、「液晶」等に記載されており、
本発明においては、これらに開示された強誘電性液晶を
使用することができる。
強誘電液晶化合物の具体例としては、デシロキシヘンジ
リデンーp′−アミ/−2−メチルブチルシンナメー)
  (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:)、4−o−(2−メチル)−ブチル
レゾルシリテ′ンー4′−オクチルアニリン (MB)
?A8)が挙げられる。
これらの材料を用いてJTを構成する場合、液晶化合物
がカイラルスメクティック相となるような温度状態に保
持する為、必要に応して素子をヒーターが埋め込まれた
ブロック等により支持することができる。
本発明に用いられる配向制御膜の材料としては、例えば
、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、ポリカーホネート、ポリビニルアセ
タール、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、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
ャ樹脂、アクリル樹脂などの樹脂類、あるいは感光性ポ
リイミド、感光性ポリアミド、環化ゴム系フォトレジス
ト、フェノールノボチック系フォトレジストあるいは電
子線フォトレジスト(ポリメチルメタクリレート、エポ
キシ化−1,4−ポリブタジェンなど)などから選釈し
て形成することができる。
本発明に用いられる色素材料としては、アゾ系、アント
ラキノン系、フタロシアニン系、キナクリドン系、イソ
インドリノン系、ジオキサジン系、ペリレン系、ペリノ
ン系、チオインジゴ系、ピロコリン系、フルオルビン系
、キノフタロン系等が挙げられる。
本発明に用いられる透明樹脂としては、ポリバラキシリ
レン(商品名;パリレン、ユニオンカーバイド社)、ポ
リエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート等が挙げ
られる。これらの塗布方法としては、スピンナー塗布法
を用いることができる。
本発明に用いられる透明な無機化合物とじては、SiO
2,AI!203. TiO2,ZrO2,MgF2.
 SiO等が挙げられる。
また1本発明に用いられる絶縁体乎坦化層としては、有
機顔料として前記R,G、Hの色素の混合物等、無機顔
料として鉄黒(Fe304又はFe0Fe20:+)等
、あるいは他の無機物としてグラファイトの他にPrM
n0:+等が挙げられる。
[作 用コ モ面性のよい基板に挟持された液晶層は笠吉相より、液
晶相に移行する降温過程において、徐冷することにより
、液晶相領域が次第に広がり均一なモノドメインの液晶
相を形成するようになる。
例えば、液晶として強誘電液晶相を示す前述のDOBA
)180を例にあげて説明するとDOBAMBC:の等
吉相より徐冷していくとき約+15°Cでスメクティッ
クA相(SmA相)に相転移する。このとき、基板にラ
ヒングあるいはS i02斜め蒸着などの配向処理が施
されていると、液晶分子の分−7−4d、が基板にモ行
で、かつ一方向に配向したモノドメインが形成される。
さらに、冷却を進めていくと、液晶層の厚みに依存する
約90〜75℃の間の特定温度でカイラルスメクティッ
クC相(SmC拳相)に相転移する。又、液晶層の厚み
を約2p以下とした場合は、5rrrC”相のらせんが
解け、双安定性を示す。
[実施例] 第1図は本発明による強誘電性液晶素子の基本構成を示
す断面図である。第1図において、強誘電性液晶素子1
はガラス板またはプラスチック板などの透明板を用いた
基板2と3を有し、その間には強誘電性液晶4が挟持さ
れている。各基板2と3にはマトリクス電極構造を形成
するストライプ形状の透明電極5と6が配置され、この
透明電極の上には配向制御膜7及び8が形成されている
。R,G、Hの各カラーフィルターは、はぼ等しい膜厚
となるように色素と透明な樹脂、もしくは色素と透明な
無機化合物で形成されている。一方、各カラーフィルタ
ー1j:1の窪みには、絶縁体平坦化層10が形成され
ている。この絶縁性平坦化層IOは、遮光層としても機
能させることができる。
上記構成による基板では、カラーフィルターの膜厚及び
画素間の窪みによる段差が補正されているため、画素り
に透明電極、配向膜を順に形成しても、基板面をほぼ平
坦に保つことができる。
本発明では、前述の平坦化により、カラーフィルター基
板の段差を100OA以丁とすることができるが、好ま
しくは500A以下とするのが望ましい。この段差が1
00OA以上、特に+200A以上で形成された不用化
層を用いない液晶素子は、前述の第5図で示した刃状線
の配向欠陥を生じることになる。
前記配向制御膜7は、強誘電性液晶の膜厚にも依存する
が、一般的にはl0A−IJL、好適には100A〜3
000Aの範囲に設定する。また、保護膜9の膜厚は、
強誘電性液晶4の膜厚を決定することができるので、従
って液晶材料の種類や要求される応答速度などにより変
化するが、一般的には0.2w〜20JL、好適には0
.5w〜10延の範囲に設定される。
以r、本発明の実施例をさらに具体的に説明する。
第6図(a) 〜(f)は、R,G、’83色の色画L
ysの形成1程を示す図である。まず、コーニング社の
17059ガラス基板61上にポジ型しンスト(商品名
; 0FPR??、東京応化製)をスピナーを用いて1
.0 gtsの層厚に塗布し、レジスト層62を設けた
(第6図C参照)。次に、所定のパターンマスク63を
用いてこれを露光しく第6図す参照)。
0DOR+010シリーズ専用現像液によって現像して
所定のストライプ形状を有するリフトオフ用のパターン
[f2aを形成した(第6図C参照)。
次に、ガラス基板61のパターン形成面の全面を露光し
、更に不要なパターン部以外のレジスト残渣を酸素プラ
ズマ灰化処理によってガラスノ。(板61北から取り除
いた。
このようにして、リフトオフ用のパターン82aが形成
されたガラス基板61を真空蒸着装置内の所定の位置に
配置し、蒸発源としての二つのモリブデンポートの一方
に蒸着州庁色素としてニッケルフタロシアニンを、他の
ポートに樹脂としてパリレン(ユニオンカーバイト社製
)を入れ、前者の蒸発温度を470℃に、後者の温度を
250″Cに調節し、先ずニッケルフタロシアニン全4
500Aヲ次ニハリレンを100OAを基板61のリフ
トオフ用パターン形成面に蒸着することによって着色層
64を形成した(第6図C参照)。蒸着された着色層6
4の層厚は、 5500Aとした。
このリフトオフ用パターン82aと着色層64が形成さ
れている基板61を0FPR77シリーズ専用現像液中
に5分間浸Vi攪拌し、レジストパターンEi2aと共
にこのパターン上に蒸着した着色層64aを基板から除
去し、青色ストライプフィルターを作製した(第6図C
参照)。
一方、緑色と赤色のストライプフィルターは第6図の(
a)〜(e)の工程を繰返すことで得られる。
先ず、緑色の蒸着用色素として、ナマリフタロシアニン
を5000A 1次にパリレンを50OA順に蒸着し緑
層を形成した。この緑色の着色層の層厚は5500Aと
した。
次に、赤色の蒸着用色素として、先ずアントラキノンを
300OA、次にパリレンを250OA順に蒸着し赤色
層を形成した。赤色の着色層の層厚は5500Aとした
以りのようにして第6図U)に示すようにB。
G、R共にほぼ同一膜厚のカラーフィルターを形成する
ことができた。
次に第1図の保護膜9として、ネガレジスト(0DOR
東京応化)を塗布形成した。
次に各色票間に生じた窪みを埋める為に、絶縁体乎坦化
層10を塗布形成した。まず、前記保1;刈膜9の上に
前記のフォトレジストと同じ0FPRを’llz !(
iし、前記の窪み部だけに光が当るように露光し、現像
した。しかる後に絶縁体乎坦化層10として。
グラファイトを塗41形成した。しかる後に前記の不要
なフォトレジストをMIBK溶剤中でリフトオフし、絶
縁体!坦化層lOを残した。従って、この段階ではカラ
ーフィルター基板は全く同=−・モ面に形成される。
次に、第11図、に示すように、rTOを500Aの厚
さにスパッタリング法により成膜し、透明電極5とした
。この上に配向11り7として、ポリイミド形成溶液(
日)7化成[業rPIQJ 、)を300Orpm テ
回転するスピンナーで’llz hし、150℃で30
分間加熱を行って200OAのポリイミド被11!2を
形成した。しかる後、このポリイミド被膜表面をラビン
グ処理した。
このようにして形成したカラーフィルター基板と、対向
する基板3を貼り合せてセ゛ル組し、強誘電性液晶を注
入、月日して液晶素子を得た。この液晶素r−をクロス
ニコルの偏光顕微鏡で観察したところ、内部の液晶分子
は配向欠陥を生じていないことが確認された。
[発明の効果] 以り説明したように1本発明によれば、基板上のカラー
フィルター間の窪みに絶縁体からなる遮光層を形成して
カラーフィルターの膜厚の差をなくすことにより、配向
欠陥の発生を防止することができ、強誘電性液晶の特性
を十分に発揮し得る強誘電性液晶J f−を提供するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による強誘電性液晶素子の基本構成を示
す断面図、第2図及び第3図は本発明で用いる強誘電性
液晶を模式的に表わした斜視図、第4図は従来の強誘電
性液晶素子の断面図、第5図は従来の強誘電性液晶素子
に現われた配向欠陥の状態を表わす図、第6図(a)〜
(f)は本発明の色画素の形成工程を示す図である。 l・・・強誘電性液晶素子、2,3・・・基板。 4・・・強誘電性液晶、5.6・・・透明電極。 7.8・・・配向制御膜、9・・・保護膜、lO・・・
絶縁体平坦化層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)透明電極の形成された一対の平行基板間に強誘電性
    液晶を挟持し、少なくとも一方の透明電極と基板間にカ
    ラーフィルターを有する強誘電性液晶素子において、各
    画素のカラーフィルターを色素と透明樹脂、または色素
    と透明な無機化合物で形成するとともに、各カラーフィ
    ルター間の窪みに絶縁体からなる平坦化層を形成したこ
    とを特徴とする強誘電性液晶素子。
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