JPS6279427A - 液晶装置 - 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】 〔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７レイ等に
適用する液晶素子に関し、詳しくは液晶分子の初期配向
状態を改善することにより、表示ならびに駆動特性を改
善した液晶装置に関する。

〔従来の技術〕

これまで、双安定性を有する液晶素子の使用がクラーク
（Ｃ１ａｒｋ）およびラガウエル（ｌａｇｅ　ｒｗａ　
１１）により提案されている（特開昭５６−１０７２１
６号公報、米国特許第４３６７９２４号明細書等）。こ
の双安定性を有する液晶としては、一般に、カイラルス
メクチイツクＣ相（ＳｍＣ’）又はＨ相（ＳｍＨ″）を
有する強、ｎ、に性液晶が用いられる。この液晶は電界
に対して第１の光学的安定状態と第２の光学安定状態か
らなる双安定状態を有し、従って従来のＴＮ型の液晶で
用いられた光学変調素子とは異なり、例えば一方の電界
ベクトルに対して第１の光学的安定状態に液晶が配向し
、他方の′電界ベクトルに対しては第２の光学的安定状
態に液晶が配向される。またこの型の液晶は、加えられ
る電界に応答して、極めて速やかに上記２つの安定状態
のいずれかを取り、且つ電界の印加のないときはその状
態を維持する性質を有する。このような性質を利用する
ことにより、上述した従来のＴＮ型素子の問題点の多く
に対して、かなり本質的な改善が得られる。

〔発明が解決する問題点〕

前述した強誘電性液晶は、均一な配向性能を得る上で、
基板表面に一軸性の配向処理を施す方法が知られている
。この−軸性の配向処理法としては、基板表面をビーロ
ード、布や紙で一方向にラビングする方法あるいは基板
表面にＳｉＯや５ｉ０２を斜方蒸着する方法などが挙げ
られる。

基板表面に適正な一軸性の配向処理を処することにより
、初期配向においては、ある特定化された双安定状態が
達成された。しかし、その下 初期状態では上述するように、クロスニコルＲの光学変
調実験で、コントラストが悪く２また透過光量が小さく
実用上問題があった。

〔問題点を解決するだめの手段〕及び〔作用〕本発明者
らの実験によれば、前述の問題点が、前述した強誘電性
液晶素子、特に−軸性配向処理を施した強誘電性液晶素
子における基板（こ に対して垂直なスメクチック相の層のねじれへ帰因して
いることを見い出した。すなわち、上下基板に隣接して
いるスメクチック相の液晶分子か０νｍζ差し、かかる
角度鴛をもってスメクチック相の層がねじれているため
であることが判明した。

従って１本発明の目的は、前述の問題点を解消した強１
透′セ性液晶装置を提供することとある。

すなわち１本ｆｆｉ　［ＵＪは走査電極群と信号電極群
を有するマトリクス構造をもつ強誘電性液晶素へ市川（
例えば交流）を印加する全面電界印加回路とを有してい
る液晶装置に特徴を有している。

以下、本発明を実施例に従って、説明する。

〔実施例〕

第１図に本発明に用いた液晶セルの平面図（ａ）および
断面図（ｂ）を示した。ガラスあるいはプラスチック基
板３ａおよび３ｂ上にストライプ状電極群４ａおよび４
ｂをＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　　Ｔｉｎ　　０ｘｉｄｅ）
により１０００久の膜厚で形成し、その上層にポリイミ
ド被膜６ａおよび６ｂを１０００人の膜厚で形成した。

さらにその上層に液晶ＫｊＪゾを保持するために１μの
ドツト状のポリイミドスペーサ一群５を設けた。このス
ペーサーにより液晶層６が広い範囲で一定に保たれる。

二枚の基板をうどング処理した後、セル組し、後述する
ビフェニルエステル系液晶を導入した。

本実施例で使用したビフェニルエステル系化合物は、下
記に示す相転移状態を表わしている。

９０℃　　　　　　　　　７６°Ｃ ｌ５ｏ（’Ｊ：方相吉相　−＋　　Ｃｈ（＋レステリツ
クａ　　→　ＳｍＡ液晶層が充分に厚い場合（〜１ＯＯ
ＩＬ）　、　ＳｍＣ’ではらせん構造をとり、そのピッ
チは約４用である。

三角波法による自発分極の状態から自発分極は約１０　
ｎ　ｃ　／　ｃ　ｍ’であった。まず、前述のビフェニ
ルエステル系液晶が封入されているセル構造体７は、セ
ルフ全体が均一に加熱される様な加熱ケース（図示せず
）にセットされる。

次に、セルフ中の化合物が等吉相となる温度（約７５°
Ｃ）まで加熱する。しかる後に、加熱ケースの温度を降
温させて、セルフ中の等方相となっている化合物を降温
過程に移す。この降温過程で等吉相の化合物は、約７２
°Ｃでグランシュアン組織のコレステリック相に相転移
し、ざらに降温過程を続けると約６０°Ｃでコレステリ
ック相から一軸異吉相であるＳｍＡに相転移を生じるこ
とができる。この時、ＳｍＡの液晶分子軸は、ラビング
方向に揃う。

しかる後に、このＳｍＡより降温過程でＳｍＣ′に相転
移することによって１例えばセル厚第２図は、液晶分子
の初期配向状態を模式的に示すもので、基板面２５より
上方から見た図である。

図中、２０は一軸性配向処理の方向、即ち、本実施例で
はラビング方向に相当している。

ＳｍＡ相では、液晶分子がラビング方向２０と一致する
液晶の平均分子軸方向２１をもって配向する。ＳｍＣ’
相に於ては液晶分子の平均的な分子軸方向は、２２ａの
方向に傾き、ラビング方向２０とＳｍＣ’の平均分子軸
方向２２ａは、角度０をなして第１の安定配向状態とな
る。この状態で上限基板に電圧を印加すると、ＳｍＣ’
の液晶分子の平均的な分子軸方向は。

角度θより大きい角度に変化し、角度０で飽和した第３
の安定配向状態をとる。この時の平均分子軸方向を２３
ａとする。

次に、電圧を零に戻すと、液晶分子は再びもとの第１の
分子軸方向２２ａの状態に戻る。

従って、第１の分子軸方向２２ａの状態で、液晶分子は
メモリー性を有することになる。又、分子軸方向２２ａ
の状態で、逆方向の電圧を印加すると、その電圧が充分
に高い場合には、液晶分子の平均的分子軸方向は、飽和
して角度■をなす第４の安定配向状態の平均的子軸方向
晶２３ｂに転移する。

そして、再び電圧を零に戻すと、液晶分子は、角度θを
なす第２の安定配向状態の平均分子軸方向２２ｂ、の状
態に落つく、角度θは一つの安定状態の分子軸の平均的
な方向を検出している。これが角度０より小さい理由は
ＳｍＣ’層内で液晶が完全に平行な配列をとらないため
と考えられ、その配向の平均的な分子軸方向がθの方向
である。θの角度は原理的に角度０にすることは可能だ
と考えられる。角度θ（チルト角）の値を大きくするこ
とは、透過率を高める意味で大きな効果を持つ。入射光
ＩＱ、透過光Ｉとすると透過率は以下の式で表わされる
Ｉ　／　Ｉ　□　＝　ｓ　ｉ　ｎ　２４θ５ｉｎ２１ｈ
１１工入 ０；チルト角、Δｎ：屈折率異方性、 ｄ：膜厚、λ：波長 下 上式は直交ニコル笈で一方の平均的分子軸方向と１つの
偏光軸を合致させ、もう一方の安定状態の分子軸方向に
転移させた際の透過率である。

上式は基板に対して液晶分子がすべて平行に配列した場
合に適用されるが角度θを持つような分子軸方向が基板
に対して略平行の場合もほぼ適用できることを確認した
。

従って、チルト角はθ＝　２２．５°で透過率は最大と
なる０本発明においてはセル厚ｄは１．１ｇｍと１．８
ｇｍのセルで実験を行ったが、それぞれθ（ａ＝　ｔ　
、　ｔ）＝８．０°、θ（ｃｉ＝　ｔ　、　８）−７，
５°であり、最適値に及ばない。

次に、■を観測するために直流電圧５０Ｖを２つの極性
で印加すると、■Ｑ＝　１　、　ｘ）＝８２３．１　’
、へ＝１．８）＝２４．０゜でほぼ最適値に近い値が得
られた。

本発明者らは、双安定状態のチルト０を最適値に近づけ
るためさらに実験を行った。

双安定状態間の反転は、以下のパルスで行なわれた。

これらのセルに電圧±ＩＯＶ〜１５０Ｖ、周波数２０〜
１００Ｈｚの交流電界を印加した。印加中、３０〜４０
Ｈｚでは反転状態が視認できたが、４０Ｈｚ以上では確
認できなかった。この交姑雷ＦＦを印ｈｎ　ｌ、ｆ−泌
　ブ■ｌ朗１１　　再ｔメ曹′〃定状態のチルト角θ（
交流印加処理後の無′セ界時におけるチルト角）および
双安定状態反転パルスのパルス幅−電圧値特性を調べた
。

交流電圧を１５分間印加した後のセル状態を以下に説明
する。チルト角Ｏを広げるために効果的な周波数は３０
Ｈｚ〜７０Ｈ２でありこの範囲ではｆ劣の差はない。周
波数を４０Ｈｚとした場合の電圧の変化によるセル状態
はＩＯＶ〜５０Ｖでは、チルト角の差はない。しかし５
０Ｖ〜６０Ｖで０’ｃｄ＝ｚ、υ＝　２１．０°、θ′
Ｃｄ＝ｒ、ｓ片１８．８＠のドメインが出現し始める。

６０〜８０Ｖの電圧では、このドメインが全体に広がり
非常によいコントラストが得られた。８０Ｖ以上では多
くの欠陥が多く発生し、モノドメインがくずれた。

６０〜８０Ｖ印加した後のθ′状態の双安定状態間の反
転は以下のパルスで行なわれた。

θ′状態では電圧印加１ｍの双安定状態より反転′を圧
が高くなっている。この原因は明らかではないが、チル
ト角θ′が０に近づくためには、配向膜の界面付近の液
晶分子をも反転させるエネルギーを与えなければならな
いために、反転に必要な駆動電圧が高いことが必要であ
ると考えられる。

交流電圧、印加後のチルト角θ′により、透過光量が印
加前に比較して３倍近くになり透過光量がｄ＝１．１ｇ
ｍで１４％、ｄ＝１．８で１９％になった。

また他の実験例として、ガラス基板上のポリイミド被膜
をポリビニルアルコール被膜にしたのみで他は全く同様
な実験を行った。液晶層厚ｄはｄ＝１．５ｇｍで行った
。はぼ同様の結果が得られた。

実験結果・ 有効な交流電圧＋　３０〜７０Ｈｚ　、４５〜７０Ｖチ
　ル　ト　角　　：交流電圧印加前０＝７．８゜直流電
圧印加間＝２２．８゜ 交流電圧印加後０′＝２１．６６ 反転駆動電圧 二印加後　１８％ また他の実験例として以下のような方法でも０状態′を
実現できる。

先述したように双安定性を有する強誘電液晶相は、通常
高温状態からの降温によって得られるが、この際５０Ｈ
ｚ、１４０Ｖの交流電界を印加しつつ降温したとこる広
い範囲にわたって均質なモノドメインのθ′状態で実現
できる。

以上のようにθ′状態は交流を印加することにより実現
できるが、数日間放置するともとにもどることがある。

従って表示素子として使用する場合の装置、回路構成を
以下の実施例のように設定し本発明が実現された。

実施例１ θ′状態の強：Ａ電液晶を表示素子として利用する際に
は、使用前または使用中にコントラストが低下した時に
低コントラスト状態からθ′状態に移すために交流電界
を印加することが有効である。第３図にそのための回路
例を示す。

３１と３２は液晶を挟む上下のガラス基板上に形成され
た透明電極で互いに直交してマトリクス状の画素群を達
成する。３３と３４は上記電極に電圧を印加するための
駆動回路、３５が本発明の主眼であるところの交流電圧
発生回路である。

スイッチ群３６，３７．３８および３９により画素を駆
動する時と、交流を印加するときの場合に応じてＯＮあ
るいはＯＦＦする。画素群を所望の駆動を行う時にはス
イットチ群３６と３７をＯＮとし、スイッチ群３８と３
９をＯＦＦする。

θ′状態を実現するための交流電界を印加する時には、
スイッチ群３６と３７をＯＦＦ、スイッチ群３８と３９
をＯＮにする。３６と３７をＯＦＦにするのは、駆動回
路系３３と３４を保護するためである。第４図に電極１
ライン３１についての回路例を示した。一般にトランジ
スタの耐圧は駆動電圧値程度の耐圧に設定する。しかし
交流電圧４０は通常の駆動電圧以上の高い電圧を印加す
る必要がある。

従って、トランジスタ４１ａと４１ｂに、耐圧以上の負
荷をかけないため、スイッチ群３６のうちの１つのスイ
ッチ３６ａにより、駆動回路系３３と３４の電源を切る
ことにより、駆動回路系３３と３４を保護できる。

実施例２ 実施例１で用いた液晶装置ではスイッチング機構が複雑
なため、その数を減らすために電極を二層構造にした。

その構成図を第５図に示す。第５図はセルの断面図で５
０ａと５０ｂがガラスなどの透明基板、５１ａと５１ｂ
の電極がマトリクス電極群、５２ａと５２ｂが画面全体
を覆う全面電極である。全面電極５２ａと５２ｂは、そ
れぞれ絶縁膜５３ａと５３ｂで絶縁されている。この二
層電極構造をもつ液晶素子の回路構成を第６図に示す。

マトリクス電極群６８をはさむような形で全面電極５２
ａと５２ｂを設定する。

実施例１と同様駆動時には交流印加電源６２をＯＦＦに
し、６３と６４のスイッチをＯＮにする。交流印加時に
は、スイッチ群６３と６４をＯＦ　Ｆ　ニＬ、交１．ｉ
　ｉｆｆ源６２をＯＮにする。スイッチ機構６３と６４
は電気的な破壊から駆動回路６５と６６を保護するとい
う目的と内側のマトリクス電極群６８を電気的に浮遊状
態にすることにより、マトリクス電極群６８の外側から
全面電極５２ａと５２ｂに印加された交流電界がＳｍＣ
″４の液晶層部に有効に印加されるようにするためのも
のである。

第７図は、本実施例に用いた１ライン分の駆動回路系で
ある。マトリクス電極群６８の外側の全面電極５２ａと
５２ｂに印加された電界が液晶層に有効に印加さされる
ためには、スイッチ６４ａによりマトリクス電極群６８
を浮遊状態にする必要がある。

本実施例ではライン数分の駆動回路系の接地部をスイッ
チ６４ａを１まとめにしてＯＦＦ状態にできるため、ス
イッチ機構が簡便になる。

実施例３ 第８図に示したように駆動回路系８１と８２とマトリク
ス電極群８６とをスイッチ群８３と８４で完全に遮断す
ることを可能にし、全面電極８５に電圧印加時にはマト
リクス電極群８６を電気的に完全に浮遊状態にする。ま
た駆動時には交流回路系８７をＯＦＦにする。このよう
な回路構成にすると、高電圧の交流印加が必要なとき、
駆動回路系を電気的破壊から保護できる。

本発明で用いる液晶材料として、特に適したものは、カ
イラルスメクチック液晶であって。

強誘電性を有するものである。具体的にはカイラルスメ
クチックＣ相（ＳｍＣ”）、カイラルスメクチックＣ相
（ＳｍＧ’　）、カイラルスメ・　クチツクＦ相（Ｓｍ
Ｆ’）、カイラルスメクチックＩ相（ＳｍＩ’）、又は
カイラルスメクチックＨ相（ＳｍＨ’）の液晶を用いる
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
（ＤＯＢＡＭＢＡ）　、ヘキシルオキシベンジリデン−
ｐ′−アミノ−２−クロロプロピルシナメート（ＨＯＢ
ＡＣＰＣ）、４−ｏ−（２−メチル）−ブチルレゾルシ
リチン−４′−オクチルアニリン（ＭＢＲＡ８）が挙げ
られる。特に、好ましい強誘電性液晶としては、これに
より高温側でコレステリック相を示すものを用いること
ができ、例えば上述の実施例に挙げた相転移温度を示す
ビフェニルエステル系液晶を用いることができる。

これらの材料を用いて素子を構成する場合。

液晶化合物が所望の層となるような温度状態に保持する
為、必要に応じて素子をヒーターが埋め込まれた銅ブロ
ック等により支持することができる。

第９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。以下、所望の相としてＳ
ｍＣ’を例にとって説明する。

９１ａと９１ｂはＩ　ｎ２０３、Ｓ　ｎ０２或いはＩＴ
Ｏ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ　　０ｘｉｄｅ）等の薄膜か
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９２がガラス面に垂直になる様配向
したＳｍＣ’相の液晶が封入されている。太線で示した
線９３が液晶分子を表わしており、この液晶分子９３は
基板の面方向に連続的にらせん構造を形成している。こ
のらせん構造の中心軸９５と液晶分子９３の軸方向との
なす角度を■として表わす。

この液晶分子９３は、その分子に直交した方向に双極子
モーメント（Ｐ土）９４を有している。基板９１ａと９
１ｂ上の電極間に一定のは１値以上の電圧を印加すると
、液晶分子９３のらせん構造がほどけ、双極子モーメン
ト（Ｐ上）９４がすべて電界方向に向くよう、液晶分子
９３は配向方向を変えることができる。液晶分子９３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（ｆ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素子となることは、容
易に理解される。

本発明の液晶光学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１０＝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
１０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）Ｐａまたはｐｂは上向き（１０４ａ）
又は下向き（１０４ｂ）（７）どちらかの状態をとる。

この液晶分子軸１０３ａの分子軸と１０３ｂのなす角度
のｌ／２の角度をチルト角（■）と称し、このチルト角
（■）はらせん構造をとる時のコーンのなす頂角に等し
い。このようなセルに、第２図に示す毎〈一定の閾値以
上の極性の異なる電界Ｅａ又はＥｂを電圧印加手段１０
１ａと１０１ｂにより付与すると、′ｐ、様子モーメン
トは、電界Ｅａ又はＥｂの電界ベクトルに対応して上向
き１０４ａ又はド向き１０４ｂと向きを変え、それに応
じて液晶分子は、第１の安定状ｙ７１０３　ａが或いは
第２の安定状態１０３ｂの何れか一方に配向する。

このような強誘電性を液晶光学素子として用いることの
利点は、先にも述べたが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１Ｏ図によって更に説明すると、電界Ｅ
ａを印加すると液晶分子は第１の安定状態１０３ａに配
向するが、この状態は電界を切っても安定である。

又、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１０３ｂ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。

このようなｊ５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か好ましい。

〔発明の効果〕

以上のようにコントラスト及び透過光はを実用的な値に
保つために適宜交流電界を印加する必要があるが、本発
明の液晶素子の駆動回路構成にすることにより、有効に
かる駆動回路を保護し、駆動回路系を破壊することがな
く交流を印加することが可能となり、従って、安定した
高画質のディスプレイあるいはコントラストの高い光シ
ヤツターなどが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明で用いる液晶素子の平面図で、
第１図（ｂ）はそのｘ−ｘ　′断面図である。第２図は
本発明に用いた液晶素子における液晶素子配列を模式的
に表わした平面図である。第３図は本発明の液晶装置を
表わす回路図である。第４図は本発明に用いたスイッチ
群を表わす回路図である。第５図は本発明で用いた別の
液晶素子を表わす断面図である。第６図は本発明の別の
液晶装置を表わす回路図である。第７図は本発明を用い
た別のスイッチ群を表わす回路図である。第８図は本発
明の別の液晶装置を表わす回路図である。第９図及び第
１０図は本発明で用いた強誘電性液晶素子を模式的に表
わす斜視図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）走査電極群と信号電極群を有するマトリクス構造
   を持つ強誘電性液晶素子と、該電極群間の交差部に選択
   的に電圧を印加する駆動回路と、全又は所定の交差部に
   交番電圧を印加する全面電界印加回路とを有することを
   特徴とする液晶装置。
2. （２）前記駆動回路からの電気信号と、全面電界印加回
   路からの電気信号が、同時に電極群に印加されない特許
   請求の範囲第１項の液晶装置。
3. （３）前記マトリクス電極群と絶縁され且つ全交差部を
   おおう一対の全面電極を有する二層電極構造を有した強
   誘電性液晶素子であり、前記駆動回路からの電気信号を
   第一層のマトリクス電極群に全面電界印加回路からの電
   気信号を第二層の全面電極にそれぞれ入力する特許請求
   の範囲第１項の液晶装置。
4. （４）全面電界印加回路からの電気信号が入力されてい
   る期間において前記マトリクス電極群が電気的に浮遊し
   ている特許請求の範囲第３項の液晶装置。