JPS63246723A - 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〕 本発明は液晶を用いた電気光学素子、特に液晶として強
誘電性液晶を用いた液晶素子に関する。

〔従来の技術〕

現在、液晶を用いた電気光学素子、すなわち表示素子や
プリンタヘッド用のシャッタアレイの開発が活発に行わ
れており、表示素子は広く実用化されている。しかしな
がら、従来の液晶素子は応答速度に限界があり１表示素
子として広く用いられているツイストネマティック型の
応答速度は室温において３０ミリ秒程度であり、この応
答速度を１桁短縮することは極めて困難というのが常識
である０表示素子においては、この程度の応答速度で一
応使用に耐えられるが、それでも低温時の動作は不充分
であり、更にプリンタヘッド用のシャッタアレイに用い
るには応答速度を２桁程度短縮する必要がある。このよ
うな状況にあって、近年、強誘電性液晶と呼ばれる種類
のカイラルスメクティック液晶が注目をあびている。こ
れは、この種の強誘電性液晶の応答速度がツイストネマ
ティック型液晶に比べて２桁〜４桁程度短縮され高速の
応答性を有しているからである。

強誘電性液晶が示すこの高速応答性を最初に確認したの
はノーエル・ニー・クラーク（Ｎｏｅｌ　Ａ。

Ｃ１ａｒｋ）とスベン・チー・ラゲルバル（Ｓｖｅｎ　
Ｔ、Ｌａｇ−ｅｒｖａｌｌ）であるとされており、その
内容はアプライド・フィジクス・レターズ（＾ｐｐｌｉ
ｅｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）の第３６巻、第
１１号（１９８０年発行）の８９９頁から９０１頁にか
けて掲載された彼らの論文に記載されている。すなわち
、強誘電性を示すカイラルスメクティック液晶は、第３
図に示すように自発分極２１をもった液晶分子（ダイレ
クタ）２２が層構造をとると同時にらせん配向を有して
いる。このままでは自発分極２１はらせん軸２３のまわ
りに均一に分布して打消しあっているが、第４図に示す
ようにこのような液晶を、そのらせん軸２３と平行な２
枚の基板３１．３２で挟み、かつその間隙、すなわち液
晶の厚さを少なくともらせん構造のピッチ長以下に薄く
すると、液晶分子２２は自発分極２１が基板３１、３２
に対して垂直となるような２つの配向状態、すなわち、
液晶分子長軸の局所的な平均の配向方向を示す単位ベク
トルであるダイレクタの層面への正射影の方向を示すＣ
ダイレクタが平行に配向した２つの状態のいずれかに強
制的に配向させられる。第４図において、領域Ａは自発
分極２１が下側の基板３１に向いた状態、領域Ｂは自発
分極２１が上側の基板３２に向いた状態である。第５図
は基板の上面から見た図であり、領域Ａと領域Ｂとでは
液晶分子が２つの異なる配向状態４１．４２をとってい
ることを示している。第６図は領域Ａ、領領域の２つの
配向状態を、第５図の矢印ａ方向から見たＣダイレクタ
５１の配向状態で表わした図である。

第５図に示したように、この２つの領域Ａ、Ｂを２枚の
互いに偏光方向が直交する偏光板で挟み、かつ１枚の偏
光板の偏光方向４３を配向方向４１の液晶分子に一致さ
せて観察すると、領域Ａは暗くみえ、領域Ｂは明るくみ
える。このように１分子長軸のらせん配向と層構造とを
有するカイラルスメクティック液晶、すなわち強誘電性
液晶を極めて間隙の狭い２枚の電極付き基板で挟むと、
液晶分子はＣダイレクタが平行に配向した光学的に識別
される２つの配向状態をとるようになる。しかも、強誘
電性液晶はその自発分極が外部電界に直接的に応答して
、電界方向に配向する。従って、層に平行で向きが反転
する電界を印加すると、電界の反転に応じて自発分極の
向きが反転する。すなわち。

第５図の領域Ａと領域Ｂとが電気的にスイッチングされ
る。しかも、この電気的スイッチング現象が自発分極と
外部電界の直接的な応答によるものであるため、応答速
度が極めて高速であり、前述の論文によるとマイクロ秒
台の応答速度が確認されている。また、第５図の領域Ａ
、領領域の２つの状態は外部電界の印加されていない状
態においてもエネルギ的に安定であり、従って２つの状
態は電気的にスイッチング可能であると同時に、外部電
界を取り除いた後もそのままの状態で安定に存在する。

すなわち、メモリ性を有する。このように、前述の論文
に記載されている強誘電性液晶素子は高速性とメモリ性
とを有するため、研究開発が進められ、大容量の表示素
子の開発例が報告されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述の強誘電性液晶素子はその特性を生
み出すためにらせん配向を解消させる必要があり、実際
には液晶を極めて薄くすることによって実現している。

具体的には、上述の強誘電性液晶素子の液晶厚（いわゆ
るパネルギャップ）は２ミクロン程度であり、従来のツ
イストネマティック液晶素子の液晶厚が６〜８ミクロン
程度であるのと較べると極めて薄い、このような薄い液
晶厚を実現するためには、パネル製造技術に格別の工夫
が必要であり、歩留りも低く、液晶物質のパネル内への
注入作業にも長時間を要し、またガラス基板に対しても
高精度の平滑性が要求され、高価なガラス基板を用いる
必要がある。このように、上述の強誘電性液晶素子は性
能上は優れているものの、製造コストが高くなり、素子
が高価になる欠点を有していた。

本発明の目的は上述の欠点を克服し、従来のツイストネ
マティック液晶素子と同程度の厚い液晶厚においても上
述の強誘電性液晶素子と同程度の高速・メモリ性を有す
る優れた性能の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〕

本発明は分子長軸のらせん配向と層構造とを有するカイ
ラルスメクティック液晶を、電極を備えた２枚の基板で
挟持した構造の液晶素子において、該基板の内面に、近
傍の液晶分子をその分子長軸が該基板に概略平行になる
ように配向させる配向手段を設け、かつ、該２枚の基板
の間隙長ｄを前記液晶分子のらせん配向のピッチ長ｐに
対してｐ＜ｄ＜５ｐとすることによって液晶分子長軸の
らせん配向のねじれ角度の変化率が概略零である領域を
拡大した構造のらせん配向状態を形成し、さらに前記２
枚の基板の電極間に印加する電界の向きを切換えること
によって形成される２つの配向状態の、それぞれに対す
る透過光を区別する手段を備えたことを特徴とする液晶
素子である。

〔作用・原理〕

以下に図を参照して、本発明の液晶素子の作用・原理を
説明する。

分子長軸のらせん配向と層構造とを有するカイラルスメ
クティック液晶は強誘電性を示し、第３図に示すように
自発分極２１をもつ液晶分子（ダイレクタ）２２が層構
造をなすとともにらせん配向を有している。第３図に示
したらせんピッチをｐとする。この種の分子配向状態を
記述するＣダイレクタ（液晶分子長軸の局所的な平均の
配向方向を表わす単位ベクトル（ダイレクタ）の層面へ
の正射影）を用いて、第３図の配向状態を示すと第１図
ωのようになる。第１図（ａ）に一点鎖線で示すものは
らせん軸２３を示す、前述の論文に記載された従来型の
強誘電性液晶素子においては液晶厚ｄをｄ≦ｐの範囲で
極めて薄くすることにより、第１図（ａ）に示すらせん
配向状態Ａを、第１図（ｂｌ）、　（ｂｌ）に示すよう
なユニフォーム配向状態Ａ１又はＡ２にして用いるわけ
である。第１図（ｂｌ）、　（ｂｌ）に示す配向状態は
それぞれ印加電界を遮断した後にも安定するメモリ状態
でもある。しかし、ｄ　＞　ｐの場合には、電界印加下
においては第１図（ｂｌ）又は（ｂｌ）・の配向状態Ａ
工又はＡ２が得られるが、印加電界遮断後にはいずれも
第１図（ａ）の配向状態Ａに戻ってしまい、メモリ性が
損なわれてしまう０発明者は多くの液晶材料と配向手段
、液晶厚の組合せについて実験を行った結果、ｄ＞ｐの
場合にも、高速応答性は勿論、メモリ性も保持される条
件を見出し、本発明を完成させたのである。すなわち、
基板の内面に液晶分子に対する束縛力の極めて強い配向
手段を設けて、基板近傍の液晶分子が分子長軸を基板に
平行に配向するようにすると、基板近傍においては第１
図（ｂｌ）又は（ｂｌ）の配向状態が得られるが、基板
間の中央部においては第１図（Ｃ１）又は（Ｃ２）の如
く、液晶分子長軸のらせん配向のねじれ角度の変化率が
概略零である領域Ｑ１．Ｉｔ、を拡大した構造のらせん
配向状態が得られる。これはｄ〉ｐの条件のために液晶
がバルク的な性質に基づいて第１図（ａ）の如き配向状
態になろうとする力と、基板内面に設けた束縛力の強い
配向手段の影響で第１図（ｂｌ）又は（ｂｌ）の如き配
向状態になろうとする力が釣り合った結果であると考え
られる。但し、発明者の実験によるとｄ≧５Ｐの場合に
は、配向状態は第１図（ａ）のようになり、メモリ性が
損なわれてしまった。これは液晶厚が厚くなり、基板内
面に設けた配向手段の影響が全体にまで及ばなくなった
結果であると考えられる。さて、本発明の液晶素子にお
ける第１図（Ｃ１）又は（Ｃ２）の配向状態に対して２
紙面に垂直上向き又は下向きの電界を印加すると、第１
図（ｃｌ）の配向状態は第１図（ｂｌ）に示す配向状態
に、また第１図（Ｃ２）に示す配向状態は第１図（ｂｌ
）に示す配向状態にそれぞれ変化する。

これは１強誘電性液晶の基本的な動作原理である自発分
極の電界方向への配向に基づくものである。

従ってこのスイッチング時間は数マイクロル数１００マ
イクロ秒と極めて短い、また、印加電界を遮断すると、
第１図（ｂｌ）又は（ｂｌ）の配向状態はそれぞれ第１
図（ｃｌ）又は（Ｃ２）　（（ｂｌ）→（ｃｌ）、　（
ｂｌ）→（Ｃ２））に変化する。この状態はともにメモ
リ状態である。

第１図（ｂｌ）、　（ｃｌ）の領域ｎＬはともに第５図
の領域Ａに対応し、第１図（ｂｌ）、　（Ｃ２）の領域
れはともに第５図の領域Ｂに対応する。従って、これら
の領域に対応する配向状態の透過光を区別する手段とし
て、例えば第５図に示すような１組の直交する直線偏光
板を用いることにより、第１図（ｂｌ）　、　（ｃｌ）
の領域Ｑ１は暗くみえ、第１図（ｂｌ）　、　（ｃｌ）
の領域Ｑ２は明るくみえる。すなわち、本発明の液晶素
子は印加電界の向きを切換えることによって明暗を数マ
イクロル数１００マイクロ秒の高速でスイッチングする
ことが可能であり、かつ、そのようにしてスイッチング
された明又は暗の状態は電界を遮断した後もメモリ状態
として接続する。第２図は上述の動作を示す偏光顕微鏡
写真である。第２図（ａｌ）。

（ａｌ）は従来構造の強誘電性素子であり、第２図（ａ
ｌ）はｐ＝３ミクロンの液晶を用いたｄ　＝１．５ミク
ロンの素子に＋１０ボルトを印加した場合であり、第２
図（ａｌ）は−１０ボルト印加時であり、電界遮断後も
同状態を接続する。第２図（ｂｌ）、（ｂｌ）は第２図
（ａｌ）、　（ａｌ）と同じ構造で液晶厚だけを５ミク
ロンとした素子であり、第２図（ｂｌ）は＋ＩＯボルト
印加時、第２図（ｂｌ）は−１Ｏボルト印加時である。

メモリ性はない、第２図（ｃｌ）＝　（ｃｌ）　１（ｃ
３）　、　（ｃ４）は本発明の構造の液晶素子で、液晶
のピッチ長はｐ　＝１．５ミクロン、液晶厚はｄ＝５ミ
クロンである。（ｃｌ）は＋ｌＯボルト印加時、（ｃｌ
）は−１Ｏボルト印加時、（ｃ３）は（ｃｌ）において
電界遮断３０分後、（ｃ４）は（ｃｌ）において電界遮
断３０分後の状態である。（ｃｌ）　、　（ｃｌ）にお
いてマルチドメイン状の構造になっているのはらせん軸
方向がわずかに異なるドメインから構成されている結果
と考えられる。第２図（ｃ３）、　（ｃ４）では、第１
図（ｃｌ）　、　（ｅ２）におけるＱｌ、　Ｑ、以外の
ねじれ領域に対応する縞模様がみえる。（ｄｉ）、　（
ｄ２）は液晶厚をｄ＝ｌＯミクロンとした以外は（ｃｌ
）〜（ｃ４）と同じ構造の素子を示すものであり、（ｄ
ｌ）は＋２０ボルト印加時、　（ｄ２）は−２０ボルト
印加時である。

いずれにも、らせん、配向が解消しきれていないことを
示す縞模様がみえる。メモリ性はない。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例について説明する。

本発明の液晶素子の実施例として、第２図（ｃｌ）〜（
ｃ４）で示した素子の構造を詳細に説明する。基板（第
４図の基板３１．３２に相当する）は酸化インジウムの
透明電極を備えたガラス基板であり、２枚の基板の内面
には配向手段として、ポリイミドのｔｏｏｏオングスト
ローム厚の膜をスピナで形成し、その表面にラビングを
施しである。この２枚の基板を配向手段を内側にして対
峠させ、その間隙に直径５ミクロンのガラスファイバを
スペーサとして介在させて、−カ所の欠損部を残して周
囲をエポキシ樹脂で接着・固定した。この欠損部より。

ピッチ長１．５ミクロンのらせん配向と層構造を有する
強誘電性のカイラルスメクティック液晶を注入した。＋
ＩＯボルトの電圧を印加した状態でクロスニコルの偏光
顕微鏡観察を行い、第１図（ｃｌ）のように暗視野とな
る状態で、顕微鏡のクロスニコルの偏光軸に方向を一致
させて液晶素子の外側に２枚の偏光板を貼付けた。この
ようにして完成させた液晶素子に＋１０ボルトの直流電
圧を切換え印加したところ、目視においても明暗変化が
観測された。光を照射して透過光強度変化を測定したと
ころ、明暗のコントラスト比ｌＯ：１、スイッチング時
間は３００マイクロ秒であった。メモリ時間は１００時
間以上ある。

これらの値は、従来例のツイストネマティック素子と較
べてコントラスト比はほぼ同程度、スイッチング時間は
約１００分の１である。本発明になる実施例の液晶素子
は液晶厚が５ミクロンでありツイストネマティック素子
と同様であるので、高歩留り、低コストで製造できるこ
とは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明によれば、ツイストネマティ
ック素子に較べて応答速度を２桁程度短縮させた高速ス
イッチングを行うことができ、かつメモリ性を有する液
晶素子を、ツイストネマティック素子と同じような価格
で供給することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂｌ）、　（ｂｌ）　、　（ｃｌ
）　、　（ｃｌ）は本発明の詳細な説明する液晶分子配
向状態を示す模式図、第２図（ａ、ｌ）　、　（ａｌ）
　、　（ｂｌ）、　（ｂｌ）　、　（ｃｌ）、　（ｃｌ
）　、　（ｃ３）　、　（ｃ４）。 （ｄｉ）、　（ｄ２）は偏光顕微鏡写真、第３図は強誘
電性液晶分子のらせん配向状態を示す図、第４図は従態
を示す図、第５図は第４図の上面図、第６図は断面図で
ある。 ２１・・・自発分極　　　　２２・・・液晶分子（ダイ
レクタ）２３・・・らせん軸　　　　　３１．３２・・
・基板４１．４２・・・液晶分子（ダイレクタ）がとる
２つの配向方向４３・・・直交する２枚の偏光板のうち
の１枚の偏光方向５１・・・Ｃダイレクタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）分子長軸のらせん配向と層構造とを有するカイラ
   ルスメクティック液晶を、電極を備えた２枚の基板で挟
   持した構造の液晶素子において、該基板の内面に、近傍
   の液晶分子をその分子長軸が該基板に概略平行になるよ
   うに配向させる配向手段を設け、かつ、該２枚の基板の
   間隙長ｄを前記液晶分子のらせん配向のピッチ長ｐに対
   してｐ＜ｄ＜５ｐとすることによって液晶分子長軸のら
   せん配向のねじれ角度の変化率が概略零である領域を拡
   大した構造のらせん配向状態を形成し、さらに前記２枚
   の基板の電極間に印加する電界の向きを切換えることに
   よって形成される２つの配向状態の、それぞれに対する
   透過光を区別する手段を備えたことを特徴とする液晶素
   子。