JPS63246725A - 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１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であるというの
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１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。それは、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（Ｓｗａｎ　
Ｔ、Ｌａｇ−ｅｒｗａｌｌ）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（Ａｐｐｌｉ
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、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１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っ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１層に概略平行で向きが反転
する電界を印加する電極を備えた２枚の基板で挟持して
なる液晶素子において、該２枚の基板の液晶と接するそ
れぞれの内面に設けられ、液晶分子長軸の層面への正射
影の方向を示すＣダイレクタが概略平行に配向した第１
の配向状態或いはＣダイレクタが層内で回転配向した第
２の配向状態のいずれかを取らせる第１及び第２の配向
手段と、前記電界の向きを反転することによって形成さ
れる前記第１の配向状態と第２の配向状態とにおいてそ
れぞれの配向状態にある液晶領域の透過光を区別する手
段とを有し、前記第１及び第２の配向手段は該配向手段
の近傍の液晶分子がこれらの配向手段及び前記基板と概
略平行に配向し、前記第１の配向手段は前記電界の印加
によって該配向手段の近傍の液晶分子がほとんど配向に
変化を生じないような強い束縛力を有し、前記第２の配
向手段は前記電界の印加によって該配向手段の近傍の液
晶分子までが容易に配向に変化を生じるような弱い束縛
力を有し、前記第１及び第２の配向手段間の距離は前記
第２の配向状態が安定に存在する程度に長くしたことを
特徴とする液晶素子である。

〔作用・原理〕

第１図及び第２図を用いて本発明の液晶素子の作用・原
理を説明する。

第１図は素子上面から見た液晶分子配向状態を示す模式
図であり、１１，１２．１３は液晶分子長軸（ダイレク
タ）を表わす、　１１は下基板（第２図の基板１７）と
の界面における状態、１２は上基板（第２図の基板１６
）との界面における状態を示し、従って素子内では１１
の方向から１２の方向（その間の角度をθとする）の間
でねじれを生じている。　１３は上下基板との界面及び
素子内において、概略同方向に向いていることを示して
いる。第２図は第１図の矢印ａの方向からみた液晶分子
配向状態を示す模式図であり、１４はＣダイレクタ、１
５は自発分極の方向を表わす、第２図において力イラル
スメクティック液晶が形成する層構造の層面は紙面と概
略平行になっている。第２図により明瞭にわかるように
、領域ＢにおいてはＣダイレクタ１４が概略平行に配向
した第１の配向状態となっており、領域ＡおいてはＣダ
イレクタ１４が層内で回転配向した第２の配向状態とな
っている。第２図において、１６及び１７は上基板、下
基板を表わし、それぞれの内面には電極が形成されてお
り、層に概略平行で向きが反転する電界Ｅ＾、ＥＢを印
加・切換えが可能である。領域Ａは電界Ｅ＾を印加した
場合及び電界Ｅ＾を印加した後にそれを除去した後の液
晶分子配向状態を表わし、領域Ｂは電界Ｅ、を印加した
場合及び電界［８を印加した後にそれを除去した後の液
晶分子配向状態を表わす。基板１６及び１７の液晶と接
する内面には第２図の液晶分子配向状態がエネルギ的に
安定になるような配向処理（配向手段）が施されており
、基板１７の内面に施された第１の配向手段は電界ＥＢ
印加時はもちろん、自発分極と反対方向の電界Ｅ＾が印
加された場合にも、基板１７の近傍の液晶分子の配向が
変化を生じないような強い束縛力を有しており、一方、
基板１６の内面に施された第２の配向手段は、電界ＥＡ
、ＥＢの切換えによって基板１６の近傍の液晶分子まで
が容易に配向に変化を生じるような弱い束縛力を有して
いる。

このような２種類の配向手段は基板内面に高分子膜を形
成し、必要に応じて高分子膜表面にラビングとよばれる
液晶の分野では周知の方法を講じることによって形成さ
れる。発明者による実験によって、強い永久双極子を有
する分子構造の高分子膜を用いると、液晶分子との間の
強い有極性相互作用によって自発分極の向きを強く束縛
する第１の配向手段が形成され、永久双極子が極めて小
さいか皆無で、比較的長いメチレン基を有するような分
子構造の高分子膜を用いると、液晶分子との間の相互作
用は無極性の分散力が主体となって。

自発分極の向きは束縛せずに、液晶分子長軸の向きを配
向手段に概略平行に束縛するだけの第２の配向手段が形
成される。発明者が見出した。第１の配向手段に用いら
れる高分子膜材料にはポリフッ化ビニリデン等の強誘電
性高分子材料やポリイミド材料等があり、第２の配向手
段に用いられる高分子膜材料にはポリビニルアルコール
材料やアルキルシラン材料等がある。また、第１の配向
手段には上述のラビング処理を付加するか、もしくは、
上述の高分子膜を形成する前に、その下地として一酸化
圭素、アルミナ、酸化イツトリウム等を材料とする斜方
蒸着膜を形成しておく等の手段が一層効果的であること
が、発明者の実験により見出されている。更に、本発明
の液晶素子には、上述の第１の配向状態の領域Ｂと第２
の配向状態の領域Ａとの透過光を区別する手段が備わっ
ている。すなわち、第２の基板１６．１７の外側には直
線偏光板が貼付けてあり、それぞれの偏光軸は例えば第
１図の１８及び１９で示した方向に設定されている。こ
のような構成の液晶素子において、素子の下面側、すな
わち第２図の基板１７の下方から入射する光を考えると
、基板１７に設けられた直線偏光板によって、素子内部
の液晶領域に入射した光は第１図の１９で示した方向に
電界成分が振動する直線偏光となっている。領域Ａにお
いては液晶分子配向が１１から１２の方向にねじれを生
じており、そのねじれの周期が光の波長に較べて充分に
小さい、いわゆるモーガンリミット（Ｍａｕｇｕｉｎ　
１１ｍ１ｔ）の条件を満たしているために、直線偏光の
電界成分の振動方向は光が進むにつれて液晶分子長軸の
配向状態に従ってねじれてゆき、基板１６に達するとこ
ろでは１２の方向を向くようになる。１２の方向は基板
１６に設けられた直線偏光板の吸収軸の方向（１８と垂
直、すなわち１９の方向）とずれているために。

光が透過してくる。一方、領域Ｂにおいては、液晶分子
長軸がすべて１３の方向に向いているために。

領域Ａのような直線偏光のねじれは生ぜず、入射した直
線偏光はそのままの偏光状態で基板１６側に達する。し
かしながら、その偏光方向１９は基板１６に設けられた
直線偏光板の吸収軸の方向と一致するために、光は素子
の上面側には通ってこない。

このように領域Ａは光を通過し、領域Ｂは光を遮断する
。そして、領域Ａと領域Ｂとは印加電界の方向をＥＡＧ
ＥＲのように切換えることによって電気的にスイッチン
グが可能である。また、その応答速度は非常に高速であ
る。それは強誘電性液晶特有の、第３図に示した円錐上
を回転するゴールドストーンモードとよばれる高速の分
子回転運動が、本発明の液晶素子においても利用されて
いることによる。なお、第１図では液晶分子長軸のねじ
れ角（前述のθ）が４５″の場合の図を示しているが、
θを９０°として、偏光板の偏光軸１８．１９を共に液
晶分子長軸１１及び１３に一致させることによって、領
域Ａと領域Ｂとの透過光の光量比は最も大きくすること
かできる。また、第１図では２つの液晶領域の透過光を
区別する手段として２枚の直線偏光板を用いる場合につ
いて説明したが、例えばネマティック液晶のゲストホス
トモードとして周知の液晶素子に用いられる２色性色素
を強誘電性液晶に混入することにより、１枚の直線偏光
板で２つの液晶領域の透過光を区別することが可能であ
る。

なお、第１図、第２図に図示した領域Ａの第２の配向状
態は、連続体弾性理論によると比較的液晶厚の厚い場合
にエネルギ的に安定に存在することが導かれるので、第
２図における第１及び第２の配向手段の間の距離、すな
わち、概ね２枚の基板１６、１７の間隙は、第２の配向
状態が安定に存在する程度に長くしておく必要がある。

発明者による実験では、典型的にはこの値は５〜８ミク
ロンであった。

〔実施例〕

以下に、本発明の液晶素子の効果を確認するために行っ
た実施例について説明する。

酸化インジウムの透明電極を備えた２枚のガラス基板（
１６，１７）の表面に、１枚には第１の配向手段として
ポリイミドの１０００人厚の人厚スピナで形成し、その
表面にラビング処理を施し、他の１枚には第２の配向手
段としてポリビニルアルコールの７５０人厚０膜をスピ
ナで形成した。この２枚の鋸板を配向手段を内側にして
対峠させ、その間隙に直径６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
周囲をエポキシ接着剤で固定した。この欠損部より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（強誘電性液晶）Ｃ５−１０１４（チッソ
社製）を注入した。この状態で偏光顕微鏡による観察を
行ったところ、Ｃダイレクタが層内で回転配向をした第
２の配向状態にあることを示す、わずかに着色した明る
い状態が観測された。また。

２枚の基板に設けた透明電極を介して１０ボルトの直流
電圧を印加したところ、クロスニコル（偏光板を直交さ
せた状態）状態での偏光顕微鏡下で暗視野状態となった
。すなわち、この状態はＣダイレクタが概−行に配向し
た第１の配向状態にあることか確認された。この状態で
印加電圧の極性を反転したところ、上述のわずかに着色
した明るい状態にスイッチングした。また、いずれの状
態においても印加電圧を遮断すると、若干の透過光強度
変化は生じるものの、区別のできる上述の２種類の状態
を維持すること、すなわち、メモリ性が確認された。こ
の状態で、２つの配向状態の透過光強度を区別する手段
として、２枚の偏光板をそれぞれの基板の外側に貼付け
た。それらの偏光軸は、上述の偏光顕微鏡における２枚
の偏光板（偏光子）の偏光軸方向にそれぞれ合致させた
。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１０：１．スイッ
チング時間は２５０マイクロ秒であった。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。また、比較のために同じ強誘電性〜液晶Ｃ５
−１０１４を用いて液晶厚２ミクロンの前述の文献に記
載された従来型構造の液晶素子を作成したところ、その
スイッチング時間は約２００マイクロ秒でコントラスト
比は１０：１であった。本発明になる実施例の液晶素子
は液晶厚が６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図及び第２図は本発明の液晶素子における液晶分子
配向状態を示す図、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図は従来構造の強誘電性液晶素
子においてらせんが消滅した配向状態を示す図、第５図
は第４図の上面図、第６図は断面図である。

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、層に概略平行で向きが反転す
   る電界を印加する電極を備えた２枚の基板で挟持してな
   る液晶素子において、該２枚の基板の液晶と接するそれ
   ぞれの内面に設けられ、液晶分子長軸の層面への正射影
   の方向を示すＣダイレクタが概略平行に配向した第１の
   配向状態或いはＣダイレクタが層内で回転配向した第２
   の配向状態のいずれかを取らせる第１及び第２の配向手
   段と、前記電界の向きを反転することによって形成され
   る前記第１の配向状態と第２の配向状態とにおいてそれ
   ぞれの配向状態にある液晶領域の透過光を区別する手段
   とを有し、前記第１及び第２の配向手段は該配向手段の
   近傍の液晶分子がこれらの配向手段及び前記基板と概略
   平行に配向し、前記第１の配向手段は前記電界の印加に
   よって該配向手段の近傍の液晶分子がほとんど配向に変
   化を生じないような強い束縛力を有し、前記第２の配向
   手段は前記電界の印加によって該配向手段の近傍の液晶
   分子までが容易に配向に変化を生じるような弱い束縛力
   を有し、前記第１及び第２の配向手段間の距離は前記第
   ２の配向状態が安定に存在する程度に長くしたことを特
   徴とする液晶素子。