JPS6352119A - 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】 致術分野 本発明は、強誘電性液晶を用いた表示素子、ライトバル
ブ、光シヤツター、光メモリーなどの液晶素子に関する
。

従来技術 強誘電性液晶を用いた液晶表示素子、液晶シャッター、
液晶ライトバルブ、光情報処理用スイッチング素子、光
メモリーなどの液晶素子では、液晶を一方向に優先的に
配向させる必要がある。この配向処理はこれらの液晶素
子の品質に大きな影響を与えることから多くの研究がな
されている。液晶の基板表面での配向状態には。

基板面に平行に配向するホモジニアス配向と。

基板面に垂直に配向するホメオトロピック配向とに大き
くわけられる。

実際の液晶は、このように配向された強誘電性液晶に電
界などを印加することにより、液晶の配向状態を変化さ
せ、複屈折、２色性等を利用して、光のＯＮ　−ＯＦＦ
を行う。

従来の配向方法としては、無機物の斜方蒸着。

シランカップリング剤塗謀や有機高分子塗膜のラビング
などが知られているが、いずれも満足のいくものではな
い。無機物の斜方蒸着はバッチ処理のため時間がかかり
、生産性が悪い。また、シランカップリング剤の塗膜を
ラビングする方法は、信頼性に乏しい。

有機高分子塗膜をラビングして配向膜とする方法では、
耐熱性の悪いものが多く、耐熱性が良好で広く用いられ
ているポリイミドの場合でも以下のような欠点を有する
。

■　着色しているために画像品質を劣化させる。

■　ラビング時にゴミの付着などの問題が生じる。

■　メモリー性を発現しにくい。

特に１強誘電性液晶を用いた場合には、セルギャップが
薄いため（例えば約３μｍ以下）、ラビングによるゴミ
の付着や塗布した配向膜の厚さムラの影響を受けやすい
という問題がある。

また、強誘電性液晶が具えているメモリー性を利用出来
ないことも大きな欠点である。

発明の目的 本発明は、ゴミの付着などを防止して確実に配向処理が
施され、しかも安定したメモリー性を持った強誘電性液
晶素子を提供することを目的とする。

１泗ｏ　４１　ｒ叉 本発明の液晶素子は、対向する基板間に強誘電性液晶が
挾持され、少なくとも一方の該基板面に強誘電性液晶分
子を基板面に対して水平配向させるための配向膜を有す
る液晶素子において、前記配向膜を構成する分子自体が
略配向していることを特徴とする。

以下、添付図面に沿って本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の液晶素子の構成例を示す断面図であ
る。上基板１１と下基板２１とが対向して配設され、外
周部がシール剤３１でシールされ内部に強誘電性液晶３
３が封入されて液晶セル１０を構成している。液晶とし
て、強誘電性液晶に２色性色素を混入したものも用いる
ことができる。下基板２１の表面には透明電極２３が設
けられ、さらにその上に配向膜２５が形成されている。

また、上基板１１の対向面には透明電極１３が設けられ
、さらにその上に配向膜１５が形成されている。

配向［１５，２５は分子自体が略配向しており、これに
より液晶分子を配向膜１５，２５に対して水平方向に配
向させている。このような配向膜としては、例えば、ラ
ングミュア・プロジェット法を用いた単分子層あるいは
単分子層累積膜または高分子液晶を主体とする股を用い
ることができる。

ラングミュア・プロジェット法では、分子内に親木部分
と疎水部分とを有する分子を水面に展開する。展開され
た分子は親水部分を水面に向け、疎水部分を上方に向け
て配向する。この展開面積を小さくして固体膜としたの
ち、基板に引き上げると、引き上げ方向に分子の主鎖が
略配向した配向膜を得ることができる。

ラングミュア・プロジェット法により形成される配向膜
としては、特にポリイミドの単分子層または単分子層累
積膜が好ましい。

このポリイミド膜は、例えば、以下のようにして形成さ
れる。まず、テトラカルボン酸二無水物（１）とジアミ
ン（２）とから合成されるポリアミックＰ１１（３）の
溶液に長鎖アルキルアミン（４）を加え、ポリアミック
酸アルキルアミン塩（５）を合成する。このポリアミッ
ク酸アルキルアミン塩は、熱または酸無水物によりポリ
イミド（６）に変換される。

Ｃ （３）　　　　　　　　　　　（以下余白）ここで、Ａ
ｒ’、Ａｒ”は、それぞれテトラカルボン酸二無水物、
ジアミンの骨格となる連結基であり、ｎは１以上の整数
であり、Ｒ１，Ｒ”は低級アルキル基または水素原子、
Ｒ３は長鎖アルキル基を表わす。

ポリアミック酸アルキルアミン塩の合成に用いることの
できるテトラカルボン酸としては、ピロメリット酸二無
水物、２，３，６．７−ナフタレンテトラカルボン酸二
無水物、３，４゜３’、４’−ビフェニルテトラカルボ
ン酸二無水物、２，３．２’、３’−ビフェニルテトラ
カルボン酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェ
ニル）メタンニ無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフ
ェニル）エーテルニ無水物、ビス（３，４−ジカルボキ
シフェニル）スルホンニ無水物、２，２−ビス（３，４
−カルボキシフェニル）プロパンニ無水物、３．１１，
３’、４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物
、ブタンテトラカルボン酸二無水物、１，２，５゜６−
ナフタレンテトラカルボン酸無水物、チオフェン−２，
３，４，５−テトラカルボン酸無水物、ペリレン−３，
４，９，１０−テトラカルボン酸無水物、エチレンテト
ラカルボンｖｉ無水物などを例示することができる。

ジアミンとしては、メタフェニレンジアミン、パラフェ
ニレンジアミン、３，３′−ジアミノビフェニル、４，
４′−シアノアミノビフェニル、４，４′−ジアミノビ
フェニル、　３．３’−メチレンジアニリン、４，４′
−メチレンジアニリン、４．４’−エチレンジアニリン
、４゜４′−イソプロピリデンジアニリン、３．３’−
オキシジアニリン、４，４′−オキシジアニリン、３，
４′−オキシジアニリン、３，３′−チオジアニリン、
４，４′−チオジアニリン、３゜３′−カルボニルジア
ニリン、４，４′−カルボニルジアニリン、３．３′−
スルホニルジアニリン、４，４′−スルホンジアニリン
、１，４−ナフタレンジアミン、１，５−ナフタレンジ
アミン、２，２−ビス（４−アミノフェニル）プロパン
、ベンジジン、３，３′−ジメチルベンジジン、３，３
′−ジメトキシベンジジン、２．４−ビス（β−アミノ
−ｔｅｒｔ−ブチル）トルエン、ビス（４−β−アミノ
−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル）エーテル、１，４−ビス
（２−メチル−４−アミンペンチル）ベンゼン、１−イ
ソプロピル−２，４−フェニレンジアミン、ｍ−キシリ
レンジアミン、Ｐ−キシリレンジアミン、ジ（４−７ミ
ノシクロヘキシル）メタン、ヘキサメチレンジアミン、
２，２−ジメチルプロピレンジアミン、１，４−ジアミ
ノシクロヘキサンなどを例示することができる。

テトラカルボン酸およびアミンはそれぞれ単独もしくは
２種以上混合して使用することもできる。

重合度ｎは好ましくは１０〜５００の整数であり、１０
より小さいと、膜の機械的特性や基板に対する密着力が
低下したり、液晶中への溶出などにより液晶分子の配向
を阻害する。ｎが５００を超えるとポリアミック酸の溶
解度が低下する。

長鎖アルキルアミンとしては、Ｎ、Ｎ−ジメチル−ｎ−
オクチルアミン、Ｎ−メチル−〇−オクチルアミン、Ｎ
、Ｎ−ジメチル−ｎ−デシルアミン、Ｎ−メチル−ｎ−
デシルアミン、ｎ−デシルアミン、ｎ−オクチルアミン
、Ｎ、Ｎ−ジメチル−ｎ−ドデシルアミン、Ｎ−メチル
−ｎ−ドデシルアミン、ｎ−ドデシルアミン、Ｎ、Ｎ−
ジメチル−ｎ−テトラデシルアミン、Ｎ−テトラデシル
アミン、Ｎ−メチルテトラデシルアミン、Ｎ、Ｎ−ジメ
チル−ｎ−ヘキサデシルアミン、Ｎ−メチル−〇−ヘキ
サデシルアミン、ｎ−ヘキサデシルアミン、Ｎ、Ｎ−ジ
メチル−ｎ−オクタデシルアミン、Ｎ−メチル−〇−オ
クタデシルアミン、ｎ−オクタデシルアミン、Ｎ、Ｎ−
ジメチルベヘニルアミン、アラキシルアミン、ベヘニル
アミン、Ｎ、Ｎ−ジメチルベへニルアミン等が例示でき
る。良好なラングミュア・プロジェット膵を得、優れた
配向性を実現するためには、長鎖アルキル基の炭素数が
８〜２５であることが好ましく、さらに１２〜２５であ
ることがより好ましい。

水面上への成膜性、液晶に対する配向性から、長鎖アル
キルアミンの使用量は、ポリアミック酸の繰り返し単位
に対して０．５当量〜４当量であることが好ましい。

上記、ポリアミック酸アルキルアミン酸の生成に使用で
きる溶媒としては、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ
、Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリ
ドン、ジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン
、クレゾール、フェノール等を例示することができる。

また、溶解性を改善するために、ベンゼン等を添加する
こともできる。

このようにして作製されたポリアミック酸アルキルアミ
ン塩は疎水性のアルキル基と親水性のカルボン酸アミン
塩を分子内にもつ両親媒性の分子であるので、ラングミ
ュア・プロジェット法による単分子膜を形成することが
できる。

上記ポリアミック酸溶液を水面上に展開すると、ポリイ
ミド主鎖を水面に向けて配向する。水面に仕切り板を設
け、展開面積を小さくしていくと、水面に展開された分
子は、二次元固体である、いわゆる固体膜となる。この
状態での表面圧を保ちながら水槽に液晶セルの基板を垂
直に浸漬して上下させることにより、基板上にポリアミ
ック酸の単分子膜を一層づつ移しとる。なお、単分子膜
を基板に移しとる方法は、上述の方法に限定されず、円
筒型の担体に基板を保持して、水面上を回転させる回転
円筒法等を採用することもできる。また、用いる基板は
漏れを良くするための前処理を行うこともできる。

このようにして得られたポリアミック酸アルキルアミン
塩の単分子膜またはその累積膜は、基板の引き上げ方向
に主鎖が配向した一軸性配向を示す。

次に、基板を無水酢酸、プロピオン酸無水物、酪酸無水
物などの酸無水物中に浸漬するか、加熱により脱水閉環
させるとともに長鎖アルキル基をもつアミンを脱離させ
てポリイミド（６）とする。この際、加熱閉環は２００
℃程度の高温を必要とする上、配向性能が低下するため
、好ましくは酸無水物を用いる方法が適している。この
際、トリエチルアミン、ピリジン等の３級アミンを添加
すると、反応が促進される。また、必要に応じてポリア
ミック酸を溶解しない溶媒を添加することもできる。酸
無水物による閉環では、２０°Ｃ〜６０℃程度の温度で
十分であり、例えば、無水酢酸−ピリジン−ベンゼン （１：　ｌ　：　３）の系では、室温で数時間、４０℃
では１時間程度で反応は完結し、極めて低温で処理する
ことが可能である。

このようにして得られたポリイミドの単分子膜またはそ
の累積膜は電子顕微鏡観察から、極めて均一な膜である
ことが明らかとなった。また、従来公知の長鎖脂肪酸等
の長鎖アルキル基を有する単分子膜や累積膜と異なり、
長鎖アルキル基が膜成形後、脱離するためポリイミド特
有の高い耐熱性を示し、２００℃〜３５０℃まで化学的
、物理変化を示さず、配向膜として用いるのに好適な被
膜である。

このラングミュア・プロジェット法を用いて作製された
ポリイミドの単分子膜や累積膜を強誘電性液晶セルの配
向膜として使用するには、上記のようにして、使用する
基板、例えば透明導電膜の形成されたガラスやプラスチ
ック、カラーフィルターの形成された基板、薄膜トラン
ジスタの形成され夕基板などにポリイミド累積（単分子
）膜を形成し、次いで、従来公知の方法により、スペー
サー等を介して、対向する基板と貼り合わせ、強誘電性
液晶を基板間の空間に注入すれば良い、なおこの場合、
一方の基板は、本発明の配向膜を採用しなくても良い。

このようなポリイミド膜は、液晶分子を基板に対して略
水平（ホモジアス）配向させる能力を有する。さらに、
ラビング等の処理なしに、液晶分子を、ラングミュア・
プロジェット法で作製する際の基板の引き上げ方向に優
先的に一軸配向させる能力を有する。

ポリイミド膜が液晶の配向膜として機能する単分子の累
積回数は、好ましくは１〜５００回であり、より好まし
くは１〜３００回、さらに好ましくは２〜１００回であ
る。これは、ポリイミドの単分子層の厚さが使用する材
料により異なり２．５人〜６人であるため、膜厚にして
２．５人〜６人から７５０人〜１８００人に相当する。

膜厚が厚くなると、ポリイミド特有の黄色の着色が顕著
となるとともに、液晶の配向の一軸性に乱れを生じやす
くなるため好ましくない。

単分子層や数層の累積膜であっても、液晶の配向性は極
めて良好であるため、通常のスピンコードや印刷法によ
るポリイミド膜の膜厚（数百人〜２０００人）に比べ、
極めて薄膜化することが可能である。したがって、ポリ
イミドを用いた場合でも着色がなく、透過型で用いた場
合にはｏｆｆ時の透過率の高く、反射型で用いた場合に
は反射率の高い強誘電性液晶素子を提供することができ
る。また、このように薄膜化した場合、第１図に見られ
るように電極引き出し部２３ａに絶縁膜である配向膜２
５があっても駆動電圧のほとんどが液晶層に印加される
ため、従来行われていた配向膜の部分塗布または電極引
き出し部の配向膜除去工程が省略できるなど極めて生産
性が高い。

ポリイミド膜は高い耐熱性を有し、高温保存、高温高湿
保存等の環墳でも配向性の劣化がない高信頼性の配向膜
を与える。また、外周シール等の作製時の加熱にも十分
耐える特性を有している。

次に配向膜を高分子液晶で構成する場合について説明す
る。透明電極１３．２３のついた基板１１゜２１（以下
基板と略す）に、スピンコードやディッピングにより高
分子液晶膜を形成させた後、液晶相をとる温度に保った
まま、電場または磁場により高分子液晶分子を配向させ
る。高分子液晶がサーモトロピックであれば、この基板
を急冷することにより液晶分子の配向を固相でも保たせ
ることができる。また、高分子液晶がライオトロピック
であれば、溶剤を蒸発させることにより分子の配向を保
たせることができる。

以上の基板間に強誘電性液晶を挟持した後。

強誘電性液晶の流動性が大きくなる温度まで加熱・徐冷
して強誘電性液晶を配向させるので、配向膜として使用
する高分子液晶は、少なくともこの加熱時に固相のまま
である必要がある。

現在入手できる実用的な強誘電性液晶の等六相となる温
度は８０〜１００°Ｃの範囲にあるので、固相となる温
度がこれより高い高分子液晶であれば使用できる。また
、強誘電性液晶を配向させるには、必ずしも等六相まで
加熱する必要はなく、ネマティック相やコレステリツク
相など流動性の大きい相までの加熱で良い場合も多く。

このときには固相になる温度が８０〜１００℃より低い
高分子液晶でも使用できる。但し、強：ＪＩｆｆｉ性液
晶層性液高層るようなものは使用することができない。

本発明で用いられる高分子液晶を具体的に例示すると、
次のような構造を繰り返し単位として持つものを挙げる
ことができる。

＜ｎ＝２＋　６） （ｎ＝１〜５） （ｎ　＝　１〜３　　ｍ　＝　１〜３　）（ｎ＝１〜１
０） （ｎ＝１〜１０） （ｎ＝１〜１０） （ｎ＝１〜１０） （ｎ＝５〜１０） （Ｘ・Ｙ）＝計Ｈ）訓・０１）・（Ｈ・０Ｈ・）・ｔＢ
ｒ）＋　（Ｃ１，Ｃ１） （ｎ＝１〜１０） す （ｎ＝１〜１０） （ｎ＝１〜１０） （ｎ＝１〜１０） （ｎ；１〜１０） （ｎ＝２〜４） （ｎ＝１〜１０） 以上に挙げたもの以外でも、前記の条件を満足するもの
であれば利用できる。

＾匪立幕困 本発明によれば、構成する分子自体が配向した配向膜を
用いることにより、ラビング処理が不要となり、ラビン
グによるゴミの発生を防止することができ、セルギャッ
プが薄いためゴミの影響を受けやすい強誘電性液晶素子
であっても、表示品質の改善、歩留りの向上を実現する
ことができる。また、ラビング時の荷重の均一化が困難
なため大面積化の障害となっていたが、本発明ではラビ
ングが不要なため大面積化が容易である。

また、ポリイミド塗布膜をラビングする強誘電性液晶素
子ではメモリー性を発揮させることが困難であったが、
本発明では、配向膜としてポリイミド膜を用いた場合に
もメモリー性を発現させることができる。

一方、高分子液晶を配向膜として用いると、従来広く用
いられていたポリイミドに比較して着色が少ないので、
高品位の液晶素子が得られる。また、高分子液晶の配向
方向を、印加磁極の配向方向によって自由に変えること
ができる。

実施例１ 少量のポリアミック酸アルキルアミン塩を含むベンゼン
とＮ、Ｎ−ジメチルアセトアミドの１：ｌ混合溶液を用
いて、ラングミュア・プロジェット法によりガラス板上
に２層の単分子層累積膜を形成した。ここでポリアミッ
ク酸アルキルアミン塩としては、３，４．３’　、４’
　−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物とｐ−フ二二
レンジアミンとから合成されたポリアミック酸のＮ、Ｎ
−ジメチル−ｎ−ヘキサデシルアミン塩を用いた。また
ｌＳ板上にはＩＴＯの透明電極をあらかじめ形成させて
おいた。

ついで、累積膜の形成された基板を無水酢酸。

ピリジン、ベンゼンのｌ：１：３混合溶液に室温で６時
間浸漬してイミド化を完了し、ポリイミド配向膜とした
。

ギャップ材として粒径が２．０μ園のプラスチックビー
ズを前記の基板上に散布し、チッソ社製強誘電性液晶Ｃ
３ｌＯＩＩをもう一枚の同様の基板との間に挾持させて
液晶セルとした。このとき、２枚の基板の引上げる方向
が平行または反平行となるようにした。

このセルを９５℃まで加熱し、約１℃／ｗｉｎの速さで
温度を降下させると、セル全体にわたって一様な配向が
得られた。

クロスニコルした２枚の偏光板の間にこのセルを挾んで
回転させると、偏光板の偏光方向と基板の引上げ方向が
平行または９０°の角度をなすときには暗く、４５°の
角度のときは明るくなることから強誘電性液晶の分子が
基板の引上げ方向に略配向していることが判った。

上下基板の電極間に±ＩＯＶの電圧をかけると電極部の
液晶は一様に応答し、室温における応答時間は約１＋ｓ
ｓであった。このとき、最もコントラストの大きくなる
配置は、引上げ方向と偏光板の偏光方向との成す角が１
９°〜２０°のときであった。

また、電極間電圧をＯｖにしても電極部の状態は変化せ
ず、メモリー性を有することが確認された。入力後５０
０時間におけるＯＮ部分とＯＦＦ部分の光透過率の比は
、約４０：１であった。

比較例として、同様の液晶セルをポリイミド塗膜のラビ
ングによって作成したところ、均一な配向が得られ応答
時間もほぼ同じであったが、メモリー性は得られなかっ
た。

実施例２ ギャップ材として粒径２．２μｍのアルミナビーズを、
強誘電性液晶としてチッソ社製Ｃ３１０１４を用いて実
施例１と同様にしてセルを作成した。

但し、降温速度は０．５℃／ｗｉｎとした。この場合も
、良好な特性が得られた。応答は７００μｓ、最も大き
なコントラストを与える偏光板の偏光方向と基板の引き
上げ方向の成す角は２０°から２１＠　ぐらいであった
。

実施例３ Ｃ馬 の構造を持つ高分子液晶のジメチルフォルムアミド溶液
（１％）を、透明電極付き基板上にスピて溶剤を蒸発さ
せるとともに、基板上に残った高分子液晶をネマティッ
ク相にする。これに１４０００ガウスの磁場を印加する
。印加方向は第１図において紙面に垂直な方向である。

液晶分子が配向するのを偏光板により確認してから基板
を急冷する。偏光板によるａ察から、高分子液晶は基板
と磁場印加方向に略平行に配向しているのがわかる。磁
場を印加した方向が平行または反平行となるように基板
を貼りあわせ、実施例１と同様にセルを作成したところ
、良好な配向、安定なメモリー性を具備することが確認
された。

【図面の簡単な説明】

第１図は１強誘電性液晶を用いた本発明の液晶素子の構
成例を示す断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、対向する基板間に強誘電性液晶が挾持され、少なく
   とも一方の該基板面に強誘電性液晶分子を基板面に対し
   て略水平配向させるための配向膜を有する液晶素子にお
   いて、前記配向膜を構成する分子自体が略配向している
   ことを特徴とする液晶素子。