JPS63278030A - 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、液晶−光シャッタやディスプレイ等に応用さ
れる強誘電性液晶素子に関し、更に詳しくは駆動特性や
表示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挟持させてなる種々の
液晶素子が提案されているが、従来より多用されている
ネマチック液晶素子に代わって、近年では強誘電性液晶
素子の開発が重要視されている。

強誘電性液晶素子は、セルの構成方法によって液晶層に
双安定性をもたせることができるので、高時分割の強誘
電性液晶素子の実現が期待されるからである。

（発明が解決しようとしている問題点）しかしながら、
上記の如き強誘電性液晶素子においては、液晶層内の液
晶分子が第３図示の如く平行に配列した状態（以下バラ
状態という）が望まれているが、実際にはこのパラ状態
よりも液晶分子が上基板から下基板に向ってツイストし
た状態（以下ツイスト状態という）が生じ易いという問
題がある。

すなわち、このように液晶層内の液晶分子がツイスト状
態にあると、第１の配向状態と第２の配向状態にある時
の液晶分子軸のなす角度（チルト角）が見かけ上小さく
なり、コントラストや透過光量の低下を招くとともに、
配向状態のスイッチング時における液晶分子の応答にオ
ーバーショートが表われることによって、透過光量のふ
らつきが認められる等、表示素子として種々の不都合が
生じることになる。

従って表示素子としては、液晶層内の液晶分子がパラ状
態にあることが望まれるため、このようなパラ状態の発
現のために適当な交番電圧を印加する方法が知られてい
る。しかしながらこのような交番電圧を印加する方法で
は、電圧印加後ある時間経過すると液晶分子は元のツイ
スト状態に戻る、すなわち双安定性が劣るという問題が
あるため、ある時間間隔で素子の全画素に対して交番電
圧を印加しなければならないという問題がある。

従って、本発明の目的は優れた双安定性を有する強誘電
性液晶素子、特に交番電界によってツイスト状態からパ
ラ状態へ移行させた後に、優れた双安定性を有する強誘
電性液晶素子を提供することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明者は上記の如き本発明の目的を達成すべく、種々
研究の結果、強誘電性液晶素子の構成において構成要素
の１つである配向膜の物性と液晶層の双安定性との関係
において、配向膜を特定の物性とすることによって液晶
層の高い双安定性が得られることを見出して本発明を完
成した。

すなわち、本発明は、電極および配向膜を有する一対の
基板間に、強誘電性液晶層を挟持してなり、上記配向膜
の表面張力の水素結合成分が３０ｄｙｎｅ／ｃ＋ｓ以下
であることを特徴とする強誘電性液晶素子である。

次に本発明を本発明の一実施例を示す添付図面を参照し
て更に詳しく説明する。

第１図は本発明の強誘電性液晶素子の断面を図解的に示
す図であり、本発明の素子１０は第１図示の如く、電極
６．６′と配向膜７．７′とを有する一対の基板１．１
′との間に強誘電性液晶層２を挟持してなり、上記の配
向膜７．７′の構成に主たる特徴を有するものである。

本発明で使用する強誘電性液晶素子の他の構成は、使用
する配向膜７．７′の構成を除き従来公知のいずれの強
誘電性液晶素子でもよく、いずれの素子にも本発明を適
用できるものである。

すなわち、本発明で使用される強誘電性液晶は、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（ＳＩ
ｌｃｓ）マタハＨ相（ＳａＨ’）　（７）液晶が適して
いる。これらの強誘電性液晶は、“ＬＥＪＯＵＲＮＡＬ
　ＤＥ　ＰＨＹＳＩＯＵＥ　ＬＥＴＴＥＲ５″３６　（
Ｌ−６９）　１９７５、’Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
　　Ｌｉｑｕｉｄ　　Ｃｒｙｓｔａｌｓ」　；　　＾ｐ
ｐｌｉｅｄ　　Ｐｈ−ｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ″
　１旦（１１）１９８０、　’Ｓｕｂｍｉｃｒｏ　　５
ｅｃｏｎｄＢｉｓｔａｂｌｅ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔ
ｉｃ　　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　　ｉｎ　　Ｌｉｑｕｉｄ
　　Ｃｒｙｓｔａｌｓ」Ｈ″固体物理″１Ｂ（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　（ＤＯＢＡＭＢＣ）
、ヘキシルオキシベンジリデン−Ｐ′−アミノ−２−ク
ロロブロピルシンナメート　（）ＩＯＩＩＡ（：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　（ＭＢＲ＾８）等が挙げら
れる。

第２図示の例は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Ｉｎ２Ｏ，、、ＳｎＯ，
あるいはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−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の少なくとも一方には絶縁層
および配向膜（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ｌ１１３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上）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上）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
短軸方向と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フ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３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）
、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
うに界面効果により、液晶分子のラセン構造をほどいた
液晶セルは表面安定型セル（ＳＳＦＬ（：セル）と呼ば
れている。

このような素子に第３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３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、素子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。

以上の如き強誘電性液晶素子はその配向膜の構成を除け
ば、従来技術の強誘電性液晶素子と同様であり、そのま
までは既に述べた通り、交番電界印加後の液晶分子のパ
ラ状態が不安定であり、容易にツイスト状態に戻るもの
であったが、本発明においては、上記の如き強誘電性液
晶素子においてその配向膜の表面張力の水素結合成分が
３０ｄｙｎｅ／ｃｍ以下の配向膜を採用することによっ
て、液晶層に交番電圧を印加して液晶分子をツイスト状
態からパラ状態へ移行させた後に、液晶層の好ましい双
安定性状態が実現することができた。

特に本発明においては、素子のセル厚を３μｍ以下にす
ることにより、より好ましくは約１μｍ以下とすること
により、上記の効果が一層顕著となり、約２０〜３０Ｖ
の交番電圧でパラ状態に移行し、好ましい双安定性状態
が実現できた。

以上の如き配向膜は、従来公知の配向膜用材料、例えば
、ポリビニルアルコール、ポリイミド、ポリエステルイ
ミド、セルロース、ポリエチレジ等の如きいずれの材料
からも形成し得るものであるが、その形成に際して成膜
条件を変化させることによって得られる配向膜の表面張
力の水素結合成分を３０ｄｙｎｅ／ｃｍ以下とすること
ができる。

（実施例） 次に第１図示の如き強誘電性液晶素子を形成し、該素子
に使用する配向膜をポリビニルアルコールを使用して形
成する例により、本発明を更に具体的に説明する。

例えば、配向膜形成用材料としてポリビニルアルコール
を使用した場合には、その焼成温度および焼成時間によ
って形成される配向膜の表面張力の水素結合成分が次の
第１表に示す如く変化する。

下記第１表の表面張力の各データーは、６種の液体試薬
を種々の焼成条件で形成した配向膜表面に滴下した時の
接触角から決定したものである。

この方法の詳細は、日本接着協会誌ｖｏ１．８、Ｎ０１
３（１９７２）　、Ｐ１３１〜１４１に詳しく述べられ
ている。

ここでは特にＢ系列の液体としてメチレンヨーダイト、
テトラブロモエタン、α−ブロモナフタレン、トリクレ
ジスホスフェートおよびヘキサクロロブタジェンを用い
て接触角の測定を行った。測定条件は、室温２０℃、湿
度５５％の雰囲気で行い、接触角の測定値からＦｏｗｋ
ｅｓの式に従って分散成分子−とく狭義の）極性成分子
ｂＰを決定し、一方、Ｃ系列の液体としては水を使用し
、Ｂ系列の液体のデーターから求めたγ、ｄとγｂｐの
値と水の配向膜に対する接触角のデーターから表面張力
の水素結合成分子ｃｈを求めた。又、γ１は液体の表面
張力でγ−＋γｂｐ十γｃｈの値である。

（焼成温度および時間と表面エネルギーとの関係） −ａｄ　　　　ｂｐ　　　　ｈ　　　　Ｌ１８０℃、３
ｈｒｓ、：１７．５　　６．２　　３２．７　　７６．
４１８０℃、ｌｈｒ、　　３７．３　　６．８　　２７
．８　　７２．０１８０℃、３０分　３７．７　　２．
９　　２５．６　　６６．２ｔａＯ℃、１５分　３７゜
４　　３．５　　２４．４　　６５．３１２０℃、３ｈ
ｒｓ、３７．：ｌ　　　　３．３　　２１．６　　６２
．２１２０℃、ｌｈｒ、　　　３７．３　　　３．３　
　１４．９　　５５．５１２０℃、３０分　３７．３　
　２．９　　１５．３　　５５．６１２０℃、１５分　
３７．４　　３．０　　１４．４　　５４．８６０℃、
３ｈｒｓ、　　３７．７　　　２．３　　１１．２　　
５１．３６０℃、ｌｈｒ、　　　３７．３　　　２．４
　　　＋０．４　　５０．０６０℃、３０分　３７．３
　　２．４　　１０．４　　５０．１６０℃、１５分　
３７．２　　２．７　　１３．９　　５３．７上記表中
の数値の単位はｄｙｎｅ／ｃｍである。

上記第１表から明らかな通り、ポリビニルアルコールか
ら配向膜を形成するに際しては、その焼成温度と焼成時
間は配向膜の表面張力の水素結合成分（γｃ″″）と密
接な関係があり、焼成温度が高い程また焼成時間が長い
程表面張力の水素結合成分が高くなるものであり、これ
らの表面張力の水素結合成分と強誘電性液晶素子の液晶
層の双安定性は密接な関係を示し、表面張力の水素結合
成分が３０ｄｙｎｅ／ｃｍを越えると、液晶層の双安定
性は低下して単安定化する傾向が大となり好ましいもの
ではなく、表面張力の水素結合成分が３０　ｄｙｎｅ／
ｃｍ以下のときに実用的になる優れた双安定性が達成さ
れることが認められた（但し、第１表の焼成条件が１８
０℃３ｈｒｓの時のγｃｈが３２．７というのは双安定
性を示さなかった。）。

従って本発明においては１８０℃以下、より好ましくは
１２０℃以下の焼成温度で且つ３時間以内、より好まし
く、は２時間以内の焼成時間によって、より優れた双安
定性を与える配向膜が提供される。

また下記第２表に示す如く、配向膜の厚みも表面張力の
水素結合成分と関連性があり、従って膜の厚みも液晶層
の双安定性と密接な関係を有することを見い出した。

γ−Ｊ　　２　　；− （膜厚と表面エネルギーとの関係） 「　　　　入　　　　　　　　　ｄ　　　　　　　　ｐ
　　　　　　　ｈ　　　　　　Ｌ２００　　　３７．８
　　６．１　　２＋、３　　６５．２７００　　　３７
．８　　５．＋　　　２４．３　　６７．１１．２００
　　　３７．３　　６，５　　２４．５　　６８．３＋
、５００　　　３７．９　　４．８　　２８．７　　６
９．３＋、７００　　　３７．８　　５．０　　２５．
６　　　Ｂ８．３２．０００　　　３７．８　　５．１
　　２６．５　　６９．４上記表中の数値の単位はｄｙ
ｎｅ／ｃｍである。

尚、上記第２表の配向膜はポリビニルアルコ−７Ｌ／（
ＰＶＡ　Ｒ２１０５）を１８０℃で１時間焼成して形成
したものであり、各測定値は２１℃、４７％Ｒ）Ｉの条
件で測定した値である。

第２表からも明らかな通り、配向膜の表面張力の水素結
合成分は配向膜の厚みが大となる程、大となり、従って
水素結合成分を３０　ｄｙｎｅ／　ｃｔｔｒ以下とする
には配向膜の膜厚は２，０００Å以下が好ましく、更に
１，５００Å以下がより好ましい。

更に、本発明によれば、配向膜をラビング処理する際の
ラビング条件によっても表面張力の水素結合成分が変化
し、従ってラビング処理条件の選択によっても、好まし
い双安定性が実現できるものであった。

すなわち、配向膜のラビング強度はラビング布の先端の
配向膜中への浸入長さが長くなればなる程大となり、ま
たラビングローラーと配向膜の接点上での互いの相対速
度が大になればなる程大になるか、これらのラビング強
度が大きい程水素結合成分も大となり単安定となってし
まうため、上記の浸入長さが０．５ｎ＋＋ａ以内とし、
且つ相対速度をＯ，１ｍ／ｓｅｃ以下とした時に配向膜
の水素結合成分は３０　ｄｙｎｅ／　ＣＯＩ以下、好ま
しくは２２ｄｙｎｅ／ｃｒａ以下とすることができ、従
って液晶層の双安定性を著しく高めることができる。

（作用・効果） 以上の通り、本発明によれば、配向膜の形成材料はポリ
ビニルアルコールが好ましいが、ポリビニルアルコール
以外の材料であっても同様な傾向を示し、いずれの材料
によっても、また上記の如きいずれの成膜条件によって
も配向膜の表面張力の水素結合成分を３０　ｄｙｎｅ／
　ｃ＋ｓ以下、更に好ましくは２２ｄｙｎｅ／ｃｍ以下
とすることができ、このような配向膜の利用によって、
これらの配向膜の間に挟持される液晶層の交番電界印加
後のバラ状態は安定となり、優れた双安定性が達成でき
るものである。

【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を図解的に示
す図であり、第２図および第３図は従来技術の強誘電性
液晶素子の断面を図解的に示す図である。 １．１′一基板　　　　２・−液晶層 ３・・・液晶分子　　　　　４−双極子モーメント５．
５′−・配向状態　　６．６′−電極７．７′−配向膜 ａ、ａ”−電界印加時の分子軸方向 す、ｂ’−・無電界時の分子軸方向 １０−・液晶素子 第１図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極および配向膜を有する一対の基板間に、強誘
   電性液晶層を挟持してなり、上記配向膜の表面張力の水
   素結合成分が３０ｄｙｎｅ／ｃｍ以下であることを特徴
   とする強誘電性液晶素子。
2. （２）上記配向膜の表面張力の水素結合成分が、２２ｄ
   ｙｎｅ／ｃｍ以下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）配向膜の厚みが、２，０００Å以下である特許請
   求の範囲第（１）項に記載の強誘電性液晶素子。
4. （４）配向膜の焼成条件が、１８０℃以下の焼成温度お
   よび３時間以内の焼成時間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。
5. （５）配向膜がラビングされた膜であり、そのラビング
   条件が、ラビング布の毛先の配向膜への浸入長さが０．
   ５ｍｍ以下であり、ラビング用ローラーと配向膜の接点
   上における互いの相対速度が０．１ｍ／ｓｅｃ以下であ
   る特許請求の範囲第（１）項に記載の強誘電性液晶素子
   。
6. （６）配向膜がポリビニルアルコールから形成されてい
   る特許請求の範囲第（１）〜（５）項に記載の強誘電性
   液晶素子。
7. （７）強誘電性液晶層の厚みが３μｍ以下である特許請
   求の範囲第（１）〜（６）項に記載の強誘電性液晶素子
   。