JPS63163425A - 強誘電性液晶素子 - 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】 （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
層に接する配向膜の構成を特定の構成とすることによっ
て表示特性や駆動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配置させてなる種々の
液晶表示素子が提案されているが、ＤＳＭ（Ｄｙｎａｍ
ｉｃ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　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
Ｎｅｍａｔｉｃ）型液晶表示素子（例えば、Ｍ、５ｃｈ
ａｄｔとＷ、Ｈｅ１ｆｒｉｃｈ著、“Ａｐｐｌｉｅｄ　
Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ”、Ｖｏｌ、１８．　
Ｎｏ、４　（１９７１，２，１５）　、Ｐ、１２７〜１
２８の“Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　０ｐｔ
ｉｃａｌ　Ａｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ａＴｗｉｓｔｅｄ
　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特製するこ
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、−弁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荷電体の挙
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、クラークとラガヴア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、この自極分極による電荷の片
寄りは、５ＳＦＬＣＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ　５ｔａｂｉ−
１ｉｚｅｄ　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｉｑｕｉ
ｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）においては不可
避なものである。

（発明が解決しようとしている問題） 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
問題があることが判明した。

すなわち、素子内はＴＴＯ電極等の透明電極が設置され
、その上に誘電体および配向膜を介して液晶層に接する
構成が一最的であるが、こ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おり、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、液晶分子のスイッチ
ング状態での双安定が乱され、更には素子のメモリー性
自体の消滅をも誘引するという重大な問題が生じ、現在
の強誘電性液晶素子をディスプレイとして考えた場合の
大きな障害となっている。

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、基板上に形成され、液晶層に接する配向
膜の構成を特定の構成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
や駆動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、配向膜を有する２枚の対向した電
極基板間に強誘電性液晶層を配置してなる強誘電性液晶
素子において、上記配向膜の極性が互いに異なることを
特徴とする強誘電性液晶素子である。

次に本発明を更に詳しく説明する。

本発明の素子は、基板上に形成した相対する配向膜の極
性を異なるようにした点に特徴を有するものであって、
それ以外の構成は従来技術と同様なものでよいものであ
り、従来技術の強誘電性液晶素子にはいずれも本発明が
適用し得るものである。

本発明の素子に用いる強誘電性液晶は、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（Ｓｍｌ−１”）の液晶が適している
。これらの強誘電性液晶は、“ＬＥＪＯＩＩＲＮ八Ｌ　
　ＤＥ　へＰＨＹＳＩＯＵＥ　　ＬＥＴＴＥＲ５”　　
川（Ｌ−６９）１９７５、’Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉ
ｃ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ」；　Ａｐｐｌｉ
ｅｄ　Ｐｈ−ｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ”　３６（１
１）１９８０、’Ｓｕｂｍｉｃｒｏ　５ｅｃｏｎｄＢｉ
ｓｔａｂｌｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ　Ｓｗ４ｔｃ
ｈｉｎｇ　ｉｎ　ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＳ」；　
”固体物理”＋６（１４１）１９８１　　ｒ液晶」等に
記載されており、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　（ＤＯＢＡＭＩＩＣ）、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　（ＨＯＢＡ（：ＰＣ）および４−ｏ−（２−メチル
）−ブチルレゾルシリダン−４′−オクチルアニリン　
（ＭＢＲＡ８）等が挙げられる。

第３図示の例は、本発明を適用できる強誘電性液晶素子
の１例を模式的に示すものであり、図中の１と１′はＩ
ｎ２Ｏ３，５ｎ０２あるいはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔ
ｉｎ−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上には配
向膜（図示なし）が設けられ、これらの配向膜の間に前
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”相の液晶として封入されている
。

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ｌ′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、その長袖方向と
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１μ
ｍ）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（４ａ）
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、やけ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。

上述の強誘電性液晶素子に使用されている上下基板上に
設けられた一対の配向膜は、通常同一の材料から形成さ
れているものであるが、これらの素子では、既に説明し
たように、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、これらの液晶層が接する一対の配向膜の極性が互い
に異なるように構成することによって、液晶層内に存在
するイオンが原因となって生じていたイオンの不安定な
偏在およびそれによる液晶分子への悪影響がなくなり、
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１１．１１′はガラス板等の
基板であり、１２．１２′は該基板１１．１１′上に形
成されたＩＴＯ等からなる透明電極層であり、１３．１
３′は透明電極上に形成された互いに極性の異なる配向
膜層であり、この例では、１３がマイナスの極性を有す
るポリマーから形成され、一方、１３′はプラスの極性
を有するポリマーから形成されている。１４は液晶層内
に存在するプラスイオン、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、液晶層に接する一対の配向膜の極性が互いに異なる
ように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不安定な偏在とそれに
よる悪影響はなくなり、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。

すなわち、従来技術の如く配向膜１３．１３′が同一材
料から形成され、無極性であったり、同一の電気的性質
を有する場合には、液晶層１８内に存在するプラスイオ
ン１４またはマイナスイオン１５は、液晶分子の分子内
分極によって移動したり、また一方向の信号電界が印加
されたり、また逆方向の電界が印加される毎にこれらの
イオンの移動が生じ、これらのイオンの移動が逆に液晶
分子の分子軸の安定な配向性に悪影響を与えることにな
り、その結果双安定性が低下し、ディスプレイ等として
の表示特性や駆動特性に問題が生じるものであった。

本発明ではこのような問題を液晶層１８を挟持している
一対の配向膜１３．１３′が互いに極性が異なるように
することによって、第１図示の如くマイナスの極性を有
する配向膜１３にプラスイオンを吸着させ、一方プラス
極性を有する配向膜１３′にマイナスイオンを吸着させ
ることによって、液晶層内に存在するイオンを固定し、
イオンの不安定な移動による液晶分子への悪影響を無く
することができ、優れた表示特性および駆動特性を有す
る液晶表示素子が提供されたものである。

本発明に用いられる配向膜の形成用材料としては、従来
公知のもの、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、ポリカーボネー
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、アクリル樹脂等の樹脂類、
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、フェノールノボラック系フォトレ
ジストあるいは電子線フォトレジスト［（メタ）クリレ
ートの千ツマ−またはオリゴマー、エポキシ化−１，４
−ポリブタジェン等］等を夫々任意の方法でカチオン変
性或いはアニオン変性して使用することができる。

すなわち、上記の如き材料は一般に無極性であるので、
本発明の目的のためには、上記の如き材料を用いて配向
膜を形成するに際し、上記の如きポリマー材料をカチオ
ン変性あるいはアニオン変性して用いる。

ポリマーをカチオン変性する方法としては、上記の如き
ポリマー中に０．５〜５０重量％重量％力チオン性ポリ
マー、例えば、ビニルピロリドン、ジアルキルアミノエ
チルアクリレート（またはメタクリレート）、アミノス
チレン等のカチオン性モノマーからなるカチオン性ポリ
マーを添加して使用する方法、これらのカチオン性モノ
マーのホモポリマーあるいは他の千ツマ−とのコポリマ
ーを単独または混合して使用する方法等が有用であり、
またアニオン変性する方法としては、上記方法に代えて
、アクリル酸、メタクリル酸、フマル酸、マレイン酸、
スチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸等のアニオン性
の千ツマ−を同様に使用すればよい。

例えば、ポリビニルアルコール等のビニルポリマーを使
用する場合には、酢酸ビニルと上記アニオン性千ツマ−
とを共重合して得られるコポリマーをケン化してカチオ
ン性ポリマーとすることができ、一方、酢酸ビニルにア
ニオン性千ツマ−を共重合して得られるコポリマーを同
様にケン化することによりポリビニルアルコール系のア
ニオン性千ツマ−とすることができる。

以上の如きカチオン性ポリマーおよびアニオン性ポリマ
ーを用いて対向する配向膜が互いに異なる極性を有する
ように形成することによって本発明の液晶素子が得られ
る。尚、互いに極性が異なる限り、上および下基板のい
ずれにプラス極性の配向膜を形成してもよいし、またマ
イナス極性の配向膜を形成してもよい。

上記の如き配向膜の形成方法、厚み、ラビング処理等の
方法はいずれも従来技術と同様でよいものであり、また
基板、透明電極、絶縁層、偏光子等の光学的検知手段等
、素子の他の構成に関しても従来技術と同様でよいもの
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、その一対の配向膜の極性が互いに異なるように
することによって、液晶層内のイオンの不安定な偏在に
よる液晶分子の配向状態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
特性および駆動特性の強誘電性液晶素子が提供されるも
のである。

次に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 電極層を有するガラス基板（下基板）上に誘電体層とし
て５ｉｏ２（スパッタ）から厚さ１，０００人の膜を形
成し、その上にアクリル酸モノマ一単位を２重量％含有
するポリビニルアルコール膜をスピナーコート方法で塗
工し、乾燥硬化後、その表面をアセテート布（毛先長１
．５ｍｍ　）でラビング処理してアニオン性の配向膜を
形成した。一方、カチオン性ポリマーとしてビニルアミ
ン千ツマ一単位を２重量％含有するポリビニルアルコー
ルを用いて、上記と同様にして下基板上にカチオン性の
配向膜を形成した。

上記の上下基板間にチッソ社製の液晶Ｃ５−】旧４を住
人し、セル厚をアルミナビーズでコントロールして、１
．０μｍ〜１．４μｍの液晶層の厚みを有する本発明の
強誘電性液晶表示素子を形成した。

上記素子の液晶層中のイオン性物質を速やかに配向膜に
吸着させるために、上下基板間に１５゜ＯｖのＤＣ電界
を数秒間印加し、液晶分子を第１図の１６の状態にして
約２４時間放置した。

その結果、第１図にあける液晶分子の１６の方向は非常
に安定化し、一方、１７の方向をより一層不安定にする
ことができ、これらの二種の状態は繰返し安定的に生じ
させることができた。

これに対し、本発明を適用しない強誘電性液晶素子、す
なわち、上下基板の配向膜を同一の無変性ポリビニルア
ルコールで形成した素子の場合には、これら二種の安定
状態が時間の経過によってバラツキが生じるものであっ
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、強誘電性液晶素子の作動を図解的に示
す図である。 １．１′、１１．１１　’　−・・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 １２．１２　′−・・電極 １３．１３　’　−・・配向膜 １４．１５−・・イオン 特許出願人　　　キャノン株式会社 第１図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）配向膜を有する２枚の対向した電極基板間に強誘
   電性液晶層を配置してなる強誘電性液晶素子において、
   上記配向膜の極性が互いに異なることを特徴とする強誘
   電性液晶素子。
2. （２）配向膜の一方がアニオン性ポリマーからなり、他
   方がカチオン性ポリマーからなる特許請求の範囲第（１
   ）項に記載の強誘電性液晶素子。