JPS63163426A - 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
層内にイオン吸着性材料を含有させ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〜＋
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精製するこ
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、一方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０極分極による電荷の片
寄りは、５ＳＦＬＣＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ　５ｔａｂｉ−
Ｉｉｚｅｄ　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ＩＴＯ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
構成が一般的であるが、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、基板間に教示された液晶層内に特定の材
料を存在させ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、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、
上記液晶層内にイオン吸着性材料を含有させたことを特
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、基板間に配置された液晶層内に特定の
材料を存在させ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ツク液晶が好ましく
、そのうちでは特にカイラルスメクティックＣ相（Ｓｏ
ｌｅ”）またはＨ相（ＳｍＨ”）の液晶が適している。

これらの強誘電性液晶は、“ＬＥＪＯＵＲＮＡＬ　ＤＥ
　ＰＨＹＳＩＯＵＥ　ＬＥＴＴＥＲ３″並（Ｌ−６９）
　１９７５、’Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｉｑｕ
ｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ」；　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ−
ｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ″３６（１１）１９８０、
’Ｓｕｂｍｉｃｒｏ　５ｅｃｏｎｄＢｉｓｔａｂｌｅ　
Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ
　ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓ」；　“固体物理”１
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　（ＤＯ
ＢＡＭＢＣ）、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　（ＨＯＢＡＣ
ＰＣ）および４−ｏ−（２−メチル）−ブチルレゾルシ
リデン＝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（Ｉｎｄｉ　ｕｍ−
Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）等の透明電極がコ、−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土）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１′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土）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
偏光子な置けば、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、やは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液晶材料は、
勿論使用前に充分精製され、存在するイオン性物質は可
能な限り除去されるものであるが、完全に除去すること
は困難である。また素子に構成する段階で不純物が混入
したり、素子に構成後であっても、液晶層に接触する配
向膜、誘電体膜、保護膜等からもイオン性物質が混入す
るため、最終的には液晶層へのイオン性物質の混入は避
けられない。従って、従来の素子では液晶材料を如何に
精製しても、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、これらの液晶層内にイオン吸着性材料を存在させる
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誘電体層や配向膜層であ
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、１９はイオン吸
着性材料示し、１６および１７はその中でとり得る二つ
の液晶状態を示す。

すなわち、従来技術の素子では、液晶層内に存在するイ
オン性物質が液晶層内で自由に移動できる状態にあるた
め、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、液晶分子の自発分極によって生じ
る電界の作用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本発明の構成によって、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イオン吸着性材料は、液晶層内に存
在するイオン性物質を吸着でき、且つ液晶材料を汚染し
ない材料であればいずれの材料でも使用可能である。

好ましい例としては、例えば、アルミナ、ゼオラオイト
、イオン交換樹脂、カーボン、金属アルミニウム、金属
ニッケル、鉄−コバルト合金等の金属が挙げられ、特に
液晶材料に対して不活性な無機材料が好ましいものであ
る。

イオン吸着性材料は、その粒径が液晶層の厚み以下であ
ることが必要であり、液晶層内に配置できれば、液晶素
子の構成に使用するスペーサーと同様の経を有するもの
であってもよく、この場合にはスペーサーとしても使用
できる。従って粒径は約５μｍ以下、好ましくは０．１
〜５μｍである。

イオン吸着性材料の使用量は、あまりに多いと液晶層の
機能を低下させ、また液晶層の液晶材料は多くの場合に
事前に精製されているので多量に使用する必要はなく、
また少量すぎると本発明の目的達成が困難になるので、
好ましい使用量は液晶層の約０．５〜０．００５重量％
程度である。

イオン吸着性材料の添加方法は、素子を構成する前また
は構成中に超音波等の分散手段により、液晶中に分散さ
せればよい。

尚、本発明の特徴部分は上記の如き構成であり、その他
基板、透明電極、絶縁層、配向膜、偏光子等の光学的検
知手段等、素子の他の構成に関しては従来技術と同様で
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、その液晶層内にイオン吸着性材料を存在させる
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。

次に実施例および比較例を挙げて本発明を更に具体的に
説明する。

実施例１ 透明電極層を有する一対のガラス基板（上下基板）上に
、誘電体層として５ｉ０２　（スパッタ）から厚さ１，
０００人の膜を形成し、その上に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
面をアセテート布く毛先長１．５ｍｍ　）でラビング処
理して配向膜を形成した。

チッソ社製の液晶Ｃ５−１０１４中に平均粒径５００人
のアルミナ粉末（富士見研磨剤（株）製）を０．１重量
％の濃度になるように添加および分散させ、これを上記
上下基板間にを注入し、セル厚をアルミナビーズでコン
トロールして、１．０μｍ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。

上記本発明の素子についてを常法により駆動実験をした
ところ、長時間放置後であっても、液晶　　。

分子は加えられる電界に応じて第１図の第一の安定状態
１６および第二の安定状態１７を夫々電界に迅速に対応
して取ることができ、優れた双安定性を示し、またメモ
リー効果にも優れていた。

実施例２〜４ 実施例１におけるアルミナに代えて、イオン吸着性材料
として、夫々平均粒径１００人の金属アルミニウム粒子
（真空冶金（株）製）（実施例２）、平均粒径３００人
の金属ニッケル粒子（真空冶金（株）製）（実施例３）
および平均粒径３００人の鉄−コバルト粒子（真空冶金
（株）製）（実施例４）を使用し、他は実施例１と同様
にして本発明の素子を構成し同様に駆動させたところ、
実施例１と同様に優れた結果が得られた。

比較例 実施例１においてイオン吸着性材料を使用しなかったこ
と以外は実施例１と同様にして比較用の素子を構成し、
実施例１と同様に駆動したところ、素子を放置して置く
と、液晶分子の自発分極に起因する内部電界によってイ
オンが偏在するため、印加電界に対する高速応答性が劣
り、また偏在したイオンによって素子のメモリー性が低
下していた。

【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′・軸基板 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 １９−・・イオン吸着性材料 特許出願人　　　キャノン株式会社 第１図 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）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、上記液晶層内に
   イオン吸着性材料を含有させたことを特徴とする強誘電
   性液晶素子。
2. （２）イオン吸着性材料が、液晶に対して不活性な無機
   粒子である特許請求の範囲第（１）項に記載の強誘電性
   液晶素子。
3. （３）イオン吸着性材料の添加量が、液晶層の０．００
   ５〜０．５重量％である特許請求の範囲第（１）項に記
   載の強誘電性液晶素子。