WO1997002510A1

WO1997002510A1 - Dispositif a cristal liquide

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Publication number: WO1997002510A1
Application number: PCT/JP1996/001834
Authority: WO
Inventors: Sachiko Kawada; Yasushi Suzuki; Shinya Kondoh; Rintarou Takahashi
Original assignee: Citizen Watch Co., Ltd.
Priority date: 1995-07-03
Filing date: 1996-07-02
Publication date: 1997-01-23
Also published as: EP0784225A1; EP0784225B1; US5764328A; DE69625889D1; EP0784225A4

Description

明細書液晶装置技術分野

本発明は液晶装置に関し、特に、液晶表示素子や液晶光シャツタ一アレー等を使用した電気光学装置に使用される液晶装置に関するものである。更に詳しく述べれば、層構造及び分子配置に特徴を有する強誘電性液晶又は反強誘電性液晶を用いた液晶装置に関するものである。背景技術

強誘電性液晶を用いた液晶装置は、クラークらによって示されたように液晶分子の持つ自発分極を利用したものである。強誘電性液晶が自発分極を持つのは分子の構造に要因がある。つまり、分子内に不斉炭素を有するラセミ体であり、かつ分子長軸に垂直な双極子モーメントを持っているような構造では、液晶分子の長軸方向が揃い、長軸まわりの回転が阻害されている S m C *相においては双極子モーメントの向きも揃い、そこに自発分極が発現する。強誘電性液晶では、この自発分極の方向を外部からの印加電界の方向によつて制御する事により、 2つの安定な分子配置をとることができる。この 2つの状態は双安定状態と呼ばれ、どちらかの状態で白、もう一方の状態で黒が表示される。また、これらの安定状態は電界を取り去った後も保持されるため、メモリー性も兼ね備えている。また、強誘電性液晶の電圧印加による応答は、電界と 1 次にカップリングした応答のため応答速度が速く、強誘電性液晶は常誘電性液晶に変わるものとして注目され実用化の試みがこれまでに数多くなされてきた。

しかし、強誘電性液晶は不斉炭素を有する系であるため螺旋性を有し、かつ S m C *相では層構造を形成するため、自発分極の向きを制御する事が困難である。このため、クラークらによって示された双安定性とメモリ一性を有する強誘電性液晶を用いて液晶装置を作成することは困難であった。なかでも強誘電性液晶の層構造は複雑で、当初提案されたブックシエルフ構造以外にも、ツイスト構造、シェブロン構造などが知られるようになり、強誘電性液晶を用いた液晶装置の諸特性にも層構造が関与することが明らかになつてきた。

このように層構造を含めた分子配向が検討されるなか、神辺ら（ 1 9 9 2年、 C M C刊、「次世代液晶ディスプレイと液晶材料」）は、両基板近傍で cダイレクターが基板中央に回転中心を持つ回転対称なプレチルトを有し、シヱプロン型層構造とスプレイ配向とを示す強誘電性液晶を使用した液晶装置を発表した（特開昭 6 3 - 1 2 4 0 3 0号参照）。

しかし、シエブ口ン型層構造では駆動時の分子の安定配置とメモリ一時の安定配置が異なるためにメモリ一時のコントラストが低く、駆動時にちらつきが起こるといった欠点があった。さらに強誘電性液晶は元来不斉炭素を持つ鏡像異性な系であるため、シェブロン型の層構造ではエネルギー的には双安定とはいえなかった。このため、強誘電性液晶は安定な側の状態で長く保存しておくと、安定側がより安定となり、もう一方の側へスィッチングできなくなつてしまう現象（以後、この現象を片安定と呼ぶことにする。）が起こり、このため長期的な信頼性に欠ける面も持っていた。

しかも、これらの層構造は結晶のように強固なものではないためストレスに弱く、基板を押されるなどの圧力を外部から受ける事により簡単に破壊されてしまうものであった。このため強誘電性液晶を用いた液晶装置では、一旦層構造が破壊されると、一度等方性温度まで加熱したのち、冷却しながら層を再形成しなければならなかつた。

一方、同様に層構造を有する液晶である反強誘電性液晶においては、その層構造は強誘電性液晶に比べ剛性に富んでいる。この主な原因はそのマルチドメイン構造にあるといわれている。マルチドメィン構造とは波長レベルの微少領域内で細かな層構造が混在している状態であり、観念的には狭い領域に柱が沢山立っているような状態であり、これらの層の拮抗により層構造の剛性が生まれるものと考えられる。

また、反強誘電性液晶では、電界をかけたときに強誘電相へ電界誘起相転移が起こり、この時の電界の極性により強誘電性液晶の場合と同様に 2つの安定な分子配置が得られる。ただし、強誘電性液晶と異なるのは、この 2 つの安定な分子配置でのメモリ一性がない点である。従って、反強誘電性液晶では電界を取り除くと、一層おきにこの 2つの安定な分子配置が繰り返され、自発分極が打ち消された状態、すなわち反強誘電相へと再転移してしまう。さらに反強誘電性液晶は悪魔の階段とも呼ばれるサブフェイズ（フェリ相）を複数有しており、このフェリ相への電界誘起相転移を行う事により階調表示の可能性も検討されている。しかし、この電界誘起相転移はわずかな電圧差に敏感に反応するため、選択的に一部分を相転移させる事は困難であり、満足の行く階調表示は得られていない。再び、強誘電性液晶に戻って考えると、反強誘電性液晶のようなサブフ Xィズを持たないため、部分的にスィツチングすることによる階調表示方法は実現不可能である。また、強誘電性液晶はマルチドメィン構造を取らず広い範囲にわたって一様な層構造で形成されるモノドメイン構造であるために、少ない柱で大きな屋根を支えるようなものであるからストレスにも弱い欠点があった。発明の開示

従って、本発明の目的は、層構造を示す液晶を使用した液晶装置における従来の層構造に起因する欠点をなくすことができる構造を備えた液晶装置を提供することにある。

即ち、強誘電性液晶を使用した場合には、階調表示の実現も可能であり、メモリー時と駆動時のコントラスト差がない高コントラストが実現でき、駆動時にちらつきがなく、かつ、長期的な双安定性の確保できて信頼性の高い液晶装置を提供することを目的としている。また、反強誘電性液晶を使用した場合には、選択的に電界誘起相転移を制御し得る液晶装置を提供することを目的としている。上記目的を達成するため、本発明の第 1 の形態によれば、電極を備えた一対の平行な基板間に、層構造を示す液晶を挟持させ、電極間に画素が形成される液晶装置であって、同一画素内で、どちらか一方の基板における垂線と層構造における層平面とのなす基板界面層傾き角が、少くとも 2種類の角度を持つように層構造が配置され、同一画素内の層構造のうち、少なくとも 1 つの層構造は、基板界面層傾き角が、（1 ) 0度から 3度、（2) 4度から 7度、及び（3 ) 8 度から 2 0度の何れかであり、かつ基板界面における液晶分子の層平面への投影単位べクトルである c ダイレクターと、層平面上の基板と平行な成分とのなす角である c ダイレクタープレチルト力く、 ( 1 ) の時に 3度から 5度、（2) の時に 0度から 3度、（3) の時に 9度から 9 0度であることを特徴とする液晶装置が提供される。

このとき、同一画素内の、一部または全部の層構造は、両基板から等距離にある対称面に対して非対称形、或いは、対称形に形成される。そして、液晶は強誘電性液晶か、反強誘電性液晶の何れか一方である。

上記目的を達成するため、本発明の第 2の形態によれば、電極を備えた一対の平行な基板間に、層構造を示す強誘電性液晶を挟持させ、電極間に画素が形成される液晶装置であって、同一画素内の基板界面で、層構造における層平面への液晶分子の投影単位べクトルである c ダイレクターが、両基板から等距離にある対称面に対して対称に配置され、どちらか一方の基板における垂線と層平面とのなす角である基板界面層傾き角が、（1 ) 0度から 3度、（2) 4度から 7度、及び（3 ) 8度から 2 0度の何れかであり、かつ c ダイレクタ一と、層平面上の基板と平行な成分とのなす角である c ダイレクタ —プレチルトが、（1 ) の時に 3度から 5度、（2) の時に 0度から 3 度、（3) の時に 9度から 9 0度であることを特徴とする液晶装置が提供される。図面の簡単な説明

本発明の上記および他の目的、特徴、利点等を以下に添付図面に示す実施例に従って詳細に説明するが、図中において、

図 1 Aは本発明の液晶装置における層構造及び分子配置の第 1 のモデルの斜視図である。

図 1 Bは一個の液晶分子が可動する範囲を示す斜視図である。図 1 Cは図 1 Bの円錐形の底面を、層平面に垂直な方向から見た図である。

図 1 Dは図 1 Aに示される第 1 のモデルの層構造を、矢印 A方向から見た矢視図である。

図 1 Eは、液晶が反強誘電性液晶である場合に、図 1 Dに示される層に隣接する層の層構造を示す、図 1 Aの矢印 A方向から見た矢視図である。

図 I Fは、図 1 Aに示される第 1 のモデルの両基板に垂直な面における断面図である。

図 1 Gは、実際の液晶装置における少くとも 2種類の角度を持つような層構造の様々な形態を説明する説明図である。

図 1 Hは、液晶装置における画素を、走査電極と信号電極とを用いて説明する説明図である。

図 2 Aは強誘電性液晶を用いた本発明の液晶装置における層構造及び分子配置の第 2 のモデルのモデル図であり、 c ダイレクターを層平面側からみた液晶装置の一部を部分的に拡大した図である。図 2 Bは図 2 Aの B— B線における断面図である。

図 3 A〜図 3 Dは本発明の液晶装置における層構造及び分子配置の構成の第 1 の例を表すものであり、 a ダイレクタ一の y軸成分と、 c ダイレクターの X軸成分、 y軸成分、及び z軸成分の、 y軸方向へのそれぞれの分布を、横軸に両基板の間隔を 1 と規格化して表した線図である。

図 3 Eは、図 3 Aより推定される本発明の液晶装置における層構造の断面図である。

図 4 A〜図 4 Dは本発明の液晶装置における層構造及び分子配置の構成の第 2 の例を表すものであり、 a ダイレクターの y軸成分と、 c ダイレクターの X軸成分、 y軸成分、及び z軸成分の、 y軸方向へのそれぞれの分布を、横軸に両基板の間隔を 1 と規格化して表した線図である。

図 4 Eは、図 4 Aより推定される本発明の液晶装置における層構造の断面図である。

図 5 A〜図 5 Dは本発明の液晶装置における層構造及び分子配置の構成の第 3 の例を表すものであり、 aダイレクターの y軸成分と、 c ダイレクターの x軸成分、 y軸成分、及び z軸成分の、 y軸方向へのそれぞれの分布を、横軸に両基板の間隔を 1 と規格化して表した線図である。

図 5 Eは、図 5 Aより推定される本発明の液晶装置における層構造の断面図である。

図 6 A〜図 6 Dは本発明の液晶装置における層構造及び分子配置の構成の第 4の例を表すものであり、 a ダイレクターの y軸成分と、 c ダイレクターの X軸成分、 y軸成分、及び z軸成分の、 y軸方向へのそれぞれの分布を、横軸に両基板の間隔を 1 と規格化して表した線図である。

図 6 Eは、図 6 Aより推定される本発明の液晶装置における層構造の断面図である。

図 7 A〜図 7 Dは本発明に含まれない液晶装置における層構造及び分子配置の構成の第 4 の例を表すものであり、 a ダイレクターの y軸成分と、 c ダイレクターの X軸成分、 y軸成分、及び z軸成分の、 y軸方向へのそれぞれの分布を、横軸に両基板の間隔を 1 と規格化して表した線図である。

図 7 Eは、図 7 Aより推定される液晶装置における層構造の断面図である。

図 8 は、強誘電性液晶において分極べクトル p と他のべクトルバラメ一ターの関係を示す図面である。

図 9 Aは、本発明の実施例における評価実験波形（白書き込み波形）を示す図面である。

図 9 Bは、本発明の実施例における評価実験波形（白書き込み波形）印加後の透過率を示す図面でである。

図 1 O Aは、本発明の実施例における評価実験波形（黒書き込み波形）を示す図面である。図 1 0 Bは、本発明の実施例における評価実験波形（黒書き込み波形）印加後の透過率を示す図面でである。

図 1 1 は、本発明の実施例における片安定評価結果を示すグラフである。発明を実施するための最良の態様

図 1 A〜 1 Fは強誘電性液晶及び反強誘電性液晶の分子配置（ c ダイレクター）と層構造のモデル図である。図 1 Aに示すように、本発明の液晶装置は、一対の平行な基板 2 1 、 2 2間に液晶分子 1 が挟持されており、液晶分子 1 の重心位置が下側基板から上側基板へと揃う事により層構造 3が形成されている。また、図 1 Aにおける符号 2 3 は、両基板 2 1 、 2 2から等距離にある対称面を示している。図 1 Aに示される第 1 のモデル図では、同一画素内の、一部または全部の層構造 3 は、両基板 2 1 、 2 2 から等距離にある対称面 2 3 に対して非対称形となっている。

なお、今後、図 1 Aに示すように、基板 2 1 ， 2 2 に平行な面内に X軸と z軸があり、基板 2 1， 2 2 に垂直な方向に y軸があるものとして説明する。

一個の液晶分子 1 が可動する範囲は、図 1 Bに示すように、円錐にモデル化することができ、円錐の底面は層平面 3 1 と同位置となる。図 1 Cは図 1 Bの円錐の底面を層平面 3 1 に垂直な方向から見た図である。図 1 B， 1 Cに示されるように、液晶分子 1 の層平面 (円錐の底面） 3 1 への投影単位べクトルが c ダイレクター 4 と呼ばれるものである。また、この c ダイレクタ一 4 と、層平面 3 1 上の基板 2 1 、 2 2 と平行な成分 8 とのなす角 6 を、ここでは、 c ダィレクタープレチルト 6 と呼ぶことにする。

図 1 Dは、図 1 Aに示される第 1 のモデルの層構造 3 を矢印 A方向（ z軸方向）から見たものである。層平面 3 1 はシエブロン型の層構造では傾斜しているために、図 1 Dにおける層平面 3 1 にある円錐の底面は楕円形に見える。図 1 Dには一層分しか描かれていないが、強誘電性液晶では、図 1 Dに示される層構造 3 と同様の層構造 3が連続している。強誘電性液晶では、 c ダイレクタ一 4 の方向が全て同じ方向に揃って配置される構造をとつている。

一方、反強誘電性液晶でも同様の層構造 3 を示すが、反強誘電性液晶の層構造 3 は、奇数番目の層と偶数番目の層とで、 c ダイレクター 4 の方向が交互に揃って配置される構造をとつている。従って、図 1 Dに示される層構造 3が反強誘電性液晶の奇数番目の層構造であるとすると、反強誘電性液晶の偶数番目の層構造 3 は、図 1 E に示されるようになる。

図 1 Fは、図 1 Aに示される第 1 のモデルの X軸に垂直な面における断面図である。また、図 1 Fにおいて、符号 5 は、層平面 3 1 が基板 2 1 、 2 2のどちらか一方における垂線 2 0 とのなす角を示しており、ここではこの角度 5 を、基板界面層傾き角 5 と呼ぶことにする。

次に、図 2 A、 2 Bを用いて、本発明における第 2のモデルについて説明する。なお、第 2 のモデルにおいては、第 1 のモデルと同じ構成部村については同じ符号を付して説明する。

図 2 Aは強誘電性液晶の液晶分子 1 の層平面 3 1 への投影単位べクトルてある c ダイレク夕一 4 のある層平面 3 1 を z軸側からみたモデル図であり、液晶装置の一部を部分的に拡大して示してある。また、図 2 Bは図 2 Aの B— B線における断面図である。

図 2 A , 2 Bに示すように、第 2のモデルの液晶装置では、一対の平行な基板 2 1 、 2 2 間に強誘電性液晶の液晶分子 1 が挟持されており、液晶分子 1 の重心位置が下側基板から上側基板へと揃う事により層構造 3が形成されている。また、符号 2 3 は、両基板 2 1 、 2 2 から等距離にある対称面を示している。図 2 A、 2 Bに示される第 2 のモデルでは、同一画素内の、一部または全部の層構造 3 は、両基板 2 1、 2 2から等距離にある対称面 2 3 に対して対称形となっている。

ここで、前述の第 1 、第 2 のモデルに基づき、層構造 3の構造配置を表すパラメータとして、層平面 3 1 から垂直方向に位置する層法線べクトルである aダイレクター 7 と、分子配置を表すパラメ一夕一である c ダイレクター 4 とをそれぞれ用いて、本発明を詳細に説明する。

なお、前述のモデル図では、層構造 3の層平面 3 1 の傾きは全て同じになっている。一方、実際の液晶装置では、図 1 Gに示すように、同一画素内で、どちらか一方の基板における垂線 2 0 と層構造

3 における層平面 3 1 とのなす基板界面層傾き角 5 力、少くとも 2 種類の角度を持つような層構造は、その傾き方向において様々な形態がある。また、ここで言う画素とは、図 1 Hに示すように、両基板に設けられた走査電極 X n ( n = l 〜 4 8 0 ) と、信号電極 Ym

(m = 1 ~ 6 4 0 ) の交差する部分（ハッチングで示す） A n mのことである。

実際の液晶セルにおいて、 aダイレクター 7及び c ダイレク夕一 4 を確認する手段である A T R法（Attenuated Total Reflection: 減衰全反射法）と、層構造及び分子配置の決定方法等について説明する。

A T R法は Sambles らの論文（ Samb 1 es； L i qu i d Crystals, 1993， Vol. 13， No. 1, 1-11など）に詳述されている力く、概要は以下の通りである。

電極として吸収を示す膜（通常は 3 0〜 5 O n mの厚さの金や銀の蒸着膜）を設けた液晶セルを作成し、この液晶セルに P偏光（入射面内に電場べクトルがある）光を入射させることを考える。ある入射角度までは金属膜により光はほとんど反射されるが、誘電テンソルで規定される全反射角度を越えた範囲で、金属膜と光エネルギ一の授受を起こす現象を誘起し、金属膜、配向膜、液晶で決定される特有の反射強度プロファイルを示すことが知られている。

この反射強度プロファィルは特に金属膜直下の物質の性質（液晶の層構造及び分子配置）に敏感であり、反射強度の絶対値とその強度を与える入射角度の関係（以後、 A T R曲線と呼ぶ）から液晶の層構造及び分子配置を詳細かつ充分に議論できる。

次に、層構造及び分子配置の決定方法について述べる。層構造、及び分子配置を記述するには cダイレクターと aダイレクターを用いる。この cダイレクターと aダイレクタ一の弾性的な変形を考慮した液晶の自由エネルギー密度 Fは以下の式で表される（Nakagawa ； Liquid Crystals 1990， Vol. 8， No. 5, 651-675) 。

F = A/ 2 * ( V · a)² + { ( ▽ · c) ² + (V x c)² ) 一

D * c - V X c + D l * v - V x c - C * (V - a)*(V - c) + L/ 2 * ( / - z O ) ² ……①

ここで、大文字の A、 C、 D、 D 1 および Lは層及び分子配置の変形を表す弾性定数である。また、パラメ一ターには以下の関係式が成り立つている。

= a · V - 1 ②

O = d A/ d c * ③

p = X c ④

a II V ……⑤

ここで、 d Aはスメクティック A相での層厚、 d c * はスメクテイツク C *相での層厚を表す。レは層法線方向の単位ベクトル、 p は分極べクトルであり、 aおよび cベクトルとは図 8 に示すような直交関係にある。

実際の液晶セルにおいては、 ①式で示されるエネルギー密度をバルク全般にわたって積分した値と、界面からの規制を示す表面アン力リングエネルギー F s (下基板側 F s 0、上基板側 F s d ) とがつりあった状態で、エネルギー的に安定な層構造及び分子配置をとるようになる。

F s 0 = - g /2 [exp { - σ *sin((0 - Φ 0)/ 2 ) } +

exp { - σ *cos(( + Φ 0)/ 2 ) } ] ⑥

F s d = - g /2 [exp { - σ *sin(( - Φ ά) / 2 ) } +

exp { - σ *cos((0 + Φ ά) / 2 ) } ] ⑦ gおよびひは係数、 Φ 0 は図 1 Cに示した c ダイレクタープレチルト 6 の下基板側、（D dは同じく c ダイレクタープレチルト 6 の上基板側である。

①式、 ⑥式、及び⑦式をもとに数値計算により求め、この層構造及び分子配置での A T R曲線を計算し、実験により得られた A T R 曲線と一致するように弾性定数、係数、パラメ一ターなどをフイツティングすることにより、液晶セル内のエネルギー的に安定な層構造及び分子配置を確認することができる。

エネルギーレベルは、 A T R曲線のフィッティングにより得られた層構造及び分子配置の構成の c ダイレクターと aダイレクターとを用いて、 ①式、 ⑥式、及び⑦式に基づいて計算することにより得ることができる。

ここで、実際の液晶セルの製作例を実施例として本発明を説明す

(第 1 の実施例）

第 1 の実施例では、一対のガラス基板上に I T 0電極を設け、各々の電極上に配向膜を塗布する。配向膜材料については膜厚などの成膜条件に関して配向膜材料毎に最適値が存在するため、第 1 の実施例ではへキスト社製 P 0 1 i X 0 0 8 を配向膜として用いた場合について記述する。 P o l i X 0 0 8 にピッチの異なるカイラル材を 2種類各 0 . 5 %ずつ混入し、ガラス基板上の I T 0電極上に 6 n m程度の膜厚となるように成膜した後にラビング処理を行う。このときのラビング処理の方向は図 1 A、 1 D、 I E、及び I F に示した z軸とほぼ一致させる。この一対の基板を配向膜面を対向させ、周囲を樹脂で固着して加圧焼成する。ここにへキス卜社製強誘電性液晶材料 F e 1 i x - T 2 5 2 を注入し、樹脂で注入口を封止したのち等方性処理を行い液晶セルを得る。 F e 1 i X — Τ 2 5 2の相系列は次の通りである。

X→(- 8 ) → S m C *→ (54) → S m A→ (76) →N*→(80)→ I ここで、 Xは結晶、 S m C *はスメクティック C *相、 S m Aはスメクティック A相、 N *はコレステリック相、 I は等方相を表し、かっこ内はそれぞれの相への転移温度（°C ) を表している。

こうして得られた液晶セルに、 3 0 ボルト、 3 0 ヘルツの矩形波を 1 分間印加し交流電界処理を行った。この液晶セルについて A T R法による測定を行ったところ、同一画素内に図 3 A〜 3 Dに示したような層構造及び分子配置を示す特性と、図 5 A〜 5 Dに示したような層構造及び分子配置を示す特性を確認することができた。図 3 A〜 3 Dおよび図 5 A〜 5 Dの層構造及び分子配置を示す特性から得られる液晶セルの構成について次に説明する。

図 3 A〜図 3 Dおよび図 5 A〜図 5 Dは、 aダイレクターの y軸成分である a y と、 c ダイレクターの X軸成分 c x、 y軸成分 c y 、及び z軸成分 c zの、 y軸方向へのそれぞれの分布を、横軸に両基板の間隔を 1 と規格化して表したものである。図 3 Aの aダイレクターの y軸成分 a yの横軸 0 . 0 および 1 . 0 における縦軸の値（横軸 0 . 0 における縦軸の値が上基板の値、横軸 1 . 0 における縦軸の値が下基板の値）より、基板界面層傾き角 5が推定され、 a ダイレクターの y軸成分 a yの軌跡より層構造の形状が推定できる。詳しくは、セル内での c ダイレクターの角度は T a n— ¹ ( a y ) で、いたるところで計算できる。

図 3 Aから得られる基板界面層傾き角 5 は 4度であった。この基板界面層傾き角 5が 4度の層構造は図 3 Eのように推定される。

また、図 3 Bの c ダイレクターの X軸成分 c xの横軸 0 . 0 と 1 . 0 における縦軸の値より、基板界面での c ダイレクタープレチルト 6 を算出することができる。図 3 Bから得られる c ダイレクタープレチルト 6 は 1 度であった。 c ダイレクターの X軸成分 c xの符号は図 3 Bでは正で一定であるが、 c ダイレクターの X軸成分 c X が負で一定の場合にも、 ①式より算出されるエネルギーは等価であつた。

同様に、図 5 A、図 5 Bから得られる基板界面層傾き角 5 は 1 0 度、基板界面での c ダイレクタープレチルト 6 は 1 0度であった。この構成においては aダイレクターの y軸成分 a yが両基板から等距離にある対称軸、つまり横軸 0 . 5 に対称軸をとるとすると、 0 . 0から 1 . 0 まで非対称な分布をとりながら連続的に変化している。これは層構造が両基板から等距離にある対称面に対して、非対称であることを示している。この基板界面層傾き角 5 が 1 0度の層構造は、図 5 Eのように推定される。

図 5 Bにおいては、 c ダイレクターの X軸成分 c Xの符号は負で一定である。図 3 Bの例と同様に c ダイレクターの X軸成分 c xが正で一定の場合にもエネルギー的に等価である。

また、第 1 の実施例で作成された液晶セルの配向膜に混入する力イラル材の濃度、種類、数、性質などを調整する事により、同一画素内に、図 4 A〜 4 Dのような層構造及び分子配置を示す特性や、図 6 A〜 6 Dのような層構造及び分子配置を示す特性、またそれらが混在した状態を確認する事が出来た。

図 4 A〜 4 D、及び図 6 A〜 6 Dも、図 3 A〜 3 D、及び図 5 A 〜 5 Dと同様の層構造及び分子配置の構成を示す特性の例である。図 4 A〜図 4 D、図 6 A〜図 6 Dには、 aダイレクターの y軸成分 a y と、 c ダイレクターの X軸成分 c x、 y軸成分 c y、及び z軸成分 c zの、 y軸方向への分布が、横軸に両基板の間隔を 1 と規格化して表されている。

図 4 A，図 4 Bの特性から、基板界面層傾き角 5が 1 度、基板界面での c ダイレクタ一プレチルト 6が 3度と計算できる。この基板界面層傾き角 5が 3度の層構造は、図 4 Eのように推定される。また、図 4 Bにおける c ダイレクターの X軸成分 c Xの符号は正で一定である。図 3 Bの例と同様に c ダイレクターの X軸成分 c Xが負の場合にもエネルギー的に等価である。

図 6 A, 図 6 Bの特性からは、では基板界面層傾き角 5が 1 5度、基板界面での c ダイレクタ一プレチルト 6 の角度が基板平面から 1 5度と計算できる。この特性から得られる液晶セルの構成においては、図 5 A，図 5 Bの例ほど顕著ではないが、 a ダイレクターの y軸成分 a yがー対の基板間で、横軸 0. 5 を対称軸をとるとすると、 0. 0から 1 . 0 まで非対称な分布をとりながら連続的に変化している。この基板界面層傾き角 5が 1 5度の層構造は、図 6 Eのように推定される。また、 c ダイレクターの X軸成分 c Xの符号は負で一定である。この場合も図 3 A，図 3 Bの例と同様に c ダイレクタ一の X軸成分 c Xが正の場合にもエネルギー的に等価である。 (第 2の実施例）第 1 の実施例で使用したへキスト社製 P o l i x 0 0 8 にカイラル材を混入させずに配向膜として用い、その他の条件は第 1 の実施例と同じようにして、第 2 の実施例の液晶セルを作成した。

こうして得られた液晶セルに、 3 0 ボルト、 3 0 ヘルツの矩形波を 1 分間印加し交流電界処理を行った。この液晶セルについて A T R法による測定を行ったところ図 3 A〜 3 Dに示したような層構造及び分子配置を示す特性を確認することができた。

ここで、図 3 Bの c ダイレクターの X軸成分 c Xの横軸 0 . 0 における縦軸の値より、一方の基板界面での c ダイレクタープレチルト 6 を算出することができ、また、横軸 1 . 0 における縦軸の値より、他方の基板界面での c ダイレクタープレチルト 6 を算出することができる。図 3 Bでは横軸 0 . 0 および 1 . 0 での縦軸の値がそれぞれ等しいので、両方の基板界面における c ダイレクタープレチルト 6 は 1 度と計算された。また、 c ダイレクターの X軸成分 c x の符号は図 3 Bでは正で一定であり、よって基板界面にある c ダイレクターは面対称に配置されていることが判つた。

第 1 の実施例は少なくとも 2種類の層構造を持つことを示した実施例であるが、この第 2 の実施例は、 c ダイレクターが対称にあることを示した実施例であり、前述のように、同一画素内で複数の層が存在する。よって、実施例 2では実施例 1 と同一の層構造が存在していることになり、図 3 A〜図 3 Dから推定される層構造は、図 3 Eのようになる。

(第 3 の実施例）

次に、第 2 の実施例の一方の基板に使用した配向膜の材料を変え、他方の基板の配向膜は第 1 の実施例と同材料を使用し、第 3 の実施例の液晶セルを作成した。使用した配向膜は一方の基板の電極上にへキスト社製 P o l i x 0 0 8 を、もう一方の電極上にへキスト社製 P o 1 i x 0 0 4 を成膜しラビング処理を行ったのち、第 2 の実施例と同様の手順で組み立て、同様の実験を行った。その結果、 A T R曲線から図 4 A〜 4 Dに示されるような層構造及び分子配置の構成を示す特性を確認することができた。

図 4 A〜 4 Dの特性によれば、両方の基板界面での c ダイレクタープレチルト 6 はそれぞれ 3度と計算された。 c ダイレクターの X 軸成分 c Xの符号は正で一定であり、よって基板界面にある c ダイレクターは面対称に配置されていることが判った。図 4 A〜図 4 D から推定される層構造は、図 4 Eのようになる。

(第 4 の実施例）

第 2 の実施例の一方の基板に使用した配向膜を変え、他は第 2の実施例および第 3 の実施例と同様の材料を用い、第 4の実施例の液晶セルを作成した。一方の基板の電極上にはへキスト社製 P 0 1 i X 0 0 8 を成膜後ラビングし、他方の基板の電極上に L B膜を成膜し、同様の手順で組み立て、同様の実験を行ったところ、 A T R曲線から図 5 A〜 5 Dに示されるような層構造及び分子配置の構成を示す特性を確認することができた。

図 5 A、図 5 Bにおいては、両方の基板界面での c ダイレク夕一プレチルト 6 は 1 0度であった。 c ダイレクターの X軸成分 c xの符号は負で一定であり、よって基板界面にある c ダイレクタ一は面対称に配置されていることが判つた。図 5 A〜図 5 Dから推定される層構造は、図 5 Eのようになる。

(比較例）

ここで、第 1 の実施例と同様に液晶セルを作成し、第 1 の実施例より低い電圧値の交流電界処理を行って比較例を作成した。この比較例の液晶セルについて A T R法による測定を行ったところ、同一画素内のすべての層構造及び分子配置を示す特性が、図 7 A〜 7 D に示されるようになった。

図 7 A〜 7 Dは本発明に適さない層構造及び分子配置の構成を示す特性の例であり、図 7 A，図 7 Bから、基板界面層傾き角 5が 4 度、一方の基板界面での c ダイレクタープレチルトが 1 0度の場合であることが分かった。この基板界面層傾き角 5が 4度の層構造は、図 7 Eのように推定される。

この構成においては c ダイレクターの X軸成分 c Xの符号が一対の基板間で正から負へと変化しており、いわゆるスプレイ配向となつている。またこの場合では、一方の基板界面での c ダイレクタープレチルト 6 と他方の基板界面での c ダイレクタープレチルト 6 の値が異なっており、面対称に配置されていない。このように本発明で示したような構成の範囲外ではスプレイ配向となり、十分なコントラストを得る事が不可能となる。

図 7 A〜 7 Dに示されるようなスプレイ配向の層構造、つまり c ダイレクターの X軸成分 c Xの符号が一対の基板間で正負の両方を持つような層構造を形成しないためには、 ①式、 ⑥式、及び⑦式から、基板界面層傾き角 5が 0 から 3度（ 0度の時は基板から垂直の状態に層平面が存在する。）かつ液晶分子の層平面への投影べクトルである c ダイレクター 4 と、層平面上の基板と平行な成分とのなす c ダイレクタープレチルト 6 を 3 から 5度、または基板界面層傾き角 5 は 4度から 7度、かつ c ダイレクタープレチルト 6を 0度（つまり、 c ダイレクターが基板と平行な位置にある。）から 3度、または基板界面層傾き角 5 が 8度から 2 0度、かつ c ダイレク夕一プレチルト 6が 9度から 9 0度であると算出される。

これらの層構造のうち、図 3 A〜 3 Dに示されるような層構造及び分子配置は、図 4 A ~ 4 Dに示されるような層構造及び分子配置よりもしきい値電圧が低い。また、図 4 A〜 4 Dに示されるような層構造及び分子配置は、図 5 A〜 5 Dに示されるような層構造及び分子配置よりもしきい値電圧が低かった。また、それぞれの層構造はエネルギー的に安定で、かつ、第 1 の実施例で作成した液晶セルは、同一画素内に複数の層構造を有することから、ストレスに強い液晶装置を得る事ができ、かつ、しきい値電圧の違いにより選択的な部分駆動が可能となり、階調表示を得る事ができた。

また、これら第 2〜第 4 の実施例で作成した液晶セルの長期安定性を確認するために印加した白書き込み波形とこのときの透過光特性を測定した。白書き込み波形および電圧印加後の透過光特性をそれぞれ図 9 Aと図 9 Bに、黒書き込み波形および電圧印加後の透過光特性がそれぞれ図 1 O Aと図 1 0 Bにそれぞれ示される。

片安定を評価するために、図 9 A，図 9 Bに示した白書き込み波形の印加直後の透過光量（TW) から 1 分後の透過光量（TmW) と、図 1 O A, 図 1 0 Bに示した黒書き込み波形の印加直後（T B ) から 1 分後の透過光量（T m B) とを各実施例および比較例について測定した。その結果を表 1 に示す。

〔表 1 〕

白（TmW/TW) 黒（TmB/TB) 第 2 の実施例（図 3A〜3E) 1.0 1.0 第 3 の実施例（図 4A〜4E) 1.0 1.0 第 4 の実施例（図 5A〜5E) 1.0 1.0

比較例（図 7A〜7E) 0.6 1.0 表 1 より、比較例の図 7 A〜 7 Dに示される層構造を有する液晶セルでは、白書き込み波形印加直後の透過光量（TW) と 1 分後の透過光量（T mW) とに差があるのに対し、第 2から第 4の実施例の図 3 A〜 3 D、図 4 A〜 4 D、図 5 A〜 5 Dに示した層構造を有する液晶セルでは変化がない事も確認できた。このことは、駆動時とメモリー時とでコントラス卜に差ができないことを示している。また、図 1 1 に白書き込み波形印加後と黒書き込み波形印加後の透過光量について、経時変化を測定した結果を示す。縦軸の透過光量は白書き込み波形印加直後の透過量（TW) と黒書き込み波形印加直後の透過光量（T B) とを用いて規格化したものを示し、横軸には放置日数を示した。白ぬき丸（ 1 0 1 ) は図 3 A〜 3 Dに示した本発明の液晶セルの白書き込み波形印加時の透過光量変化を表している。白ぬき三角（ 1 0 2 ) は図 7 A〜 7 Dに示した比較例の液晶セルの白書き込み波形印加時の透過光量変化を表している。黒丸 ( 1 0 4 ) は図 3 A〜 3 Dに示した本発明の液晶セルの黒書き込み波形印加時の透過光量変化を表している。黒三角（ 1 0 3 ) は図 7 A〜 7 Dに示した比較例の液晶セルの黒書き込み波形印加時の透過光量変化を表している。図 3 A〜 3 Dに示した本発明の液晶セルにおいては、白書き込み波形印加（ 1 0 1 ) 7 曰後でも双安定性を示したのに対し、比較例の構成の液晶セル（ 1 0 2 ) では、黒の側がより安定な片安定状態へと徐々に変化していることが確認できた。図 4 A〜 4 Dおよび図 5 A〜 5 Dに示したような構成を持つ液晶セルについても同様な片安定評価実験を行ったところ、図 3 A〜 3 Dに示した液晶セルの場合と同様に、比較例の液晶セルに比べ長期的な双安定状態を得られる事が確認できた。

本発明の層構造を形成するためには、つまり、基板界面層傾き角および cダイレクタ一プレチルトを本発明の角度範囲に形成するためには、本実施例の他にも種々の方法が使用できる。例えば、 I T 0電極上に粒子の粗い絶縁膜を薄くスパッタにより成膜した上に力イラル材を混入しない配向膜を塗布しラビング処理を施した液晶セルに強誘電性液晶を注入後、交流電界を印加した場合にも絶縁膜の粒子の分布にともない複数の層構造がエネルギー的に安定な先に示したような層構造を含む形で形成する事ができることも確認されたさらにまた、 I T O電極上に 1 0 n m程度の金属薄膜を設けた上に配向膜を塗布しラビング処理を施した液晶セルに強誘電性液晶を注入した後、交流電界処理を行っても先に示したようなエネルギー的に安定な層構造を含む複数の層構造を形成することができる。このように交流電界処理により先に示したような複数の層構造を得ようとした場合には、この他にもセルギャップ自体が分布を持った構造にしたり、電極膜内に抵抗値の分布を作るなどの手段によっても達成することができる。

交流電界処理を加えなくとも配向膜のキラリティーを利用することによっても層構造を制御する事ができ、例えば側鎖に複数の強誘電性液晶性の管能基を持った液晶高分子を配向膜として使用しても先に示したような層構造を作成することができる。

反強誘電性液晶についてもほぼ同様であるが、この場合は反強誘電相及びフニリ誘電相での層構造ではなく、強誘電相での層構造を制御する事が容易かつ確実である。等方性から室温へ冷却する際に、電場や磁場などで強誘電相を経由させることによりより的確な制御を行うことができる。

また第 2から第 4の実施例では一方の配向膜材料の種類を変えて、図 3 A〜 3 Dより図 5 A〜 5 Dの各構成の液晶セルを作成したが、例えば、同一の配向膜材料を使用しても、成膜条件を変化させることにより、図 3 A ~ 3 D、図 4 A ~ 4 D、図 5 A〜 5 Dに示した構成の液晶セルも得られる事が確認できた。また、その他の配向膜材料の組み合わせにおいても、同様な構成を得られる条件が存在することを確認した。産業上の利用可能性

本発明に示される、基板界面層傾き角を少なくとも 2種類持つ層構造及び分子配置の液晶装置の構成は、剛性に優れている事はもちろんであるが、その特別な層構造のために異なるしきい値特性を示し、駆動時に電圧により異なる挙動を示すため、強誘電性液晶電気光学装置においては画素内でのスィッチング領域を制御する事ができ、反強誘電性液晶電気光学装置では電界誘起相転移の領域を制御する事ができるようになる。このため、耐ストレス性の高いしきい値電圧によるアナログ的な階調表示が可能となる。

また本発明に示される、 c ダイレクタ一プレチルトが両基板において対称に配置されている層構造及び分子配置の液晶装置の構成は、白書き込み時と黒書き込み時の層構造及び分子配置がエネルギー的に等価で、かつ駆動時とメモリー時とでほぼ等しい透過光量を得られる安定な分子配置にあるため、長期的な双安定性をもち、メモリ一時と駆動時のコントラスト差がない。よって長期的信頼性の高い、かつ駆動時のちらつきもない良好な液晶電気光学装置を得るために非常に有効である。

Claims

請求の範囲

1 . 電極を備えた一対の平行な基板間に、層構造を示す液晶を挟持させ、前記電極間に画素が形成される液晶装置であって、

同一画素内で、どちらか一方の基板における垂線と前記層構造における層平面とのなす基板界面層傾き角が、少くとも 2種類の角度を持つように前記層構造が配置され、

同一画素内の前記層構造のうち、少なくとも 1 つの層構造は、前記基板界面層傾き角が 0度から 3度であり、かつ前記基板界面における前記液晶分子の前記層平面への投影単位べクトルである c ダイレクタ一と、前記層平面上の前記基板と平行な成分とのなす角である c ダイレクタープレチルトが 3度から 5度であることを特徴とする液晶装置。

2 . 電極を備えた一対の平行な基板間に、層構造を示す液晶を挟持させ、前記電極間に画素が形成される液晶装置であって、

同一画素内の前記層構造のうち、少なくとも 1 つの層構造は、前記基板界面層傾き角が 4度から 7度であり、かつ前記基板界面における前記液晶分子の前記層平面への投影単位べクトルである c ダイレクタ一と、前記層平面上の前記基板と平行な成分とのなす角である c ダイレクタープレチルト力く 0度力、ら 3度であることを特徴とする液晶装置。

3 . 電極を備えた一対の平行な基板間に、層構造を示す液晶を挟持させ、前記電極間に画素が形成される液晶装置であって、

同一画素内の前記層構造のうち、少なくとも 1 つの層構造は、前記基板界面層傾き角が 8度から 2 0度であり、かつ前記基板界面における前記液晶分子の前記層平面への投影単位べクトルである c ダィレクタ一と、前記層平面上の前記基板と平行な成分とのなす角である c ダイレクタープレチルトが 9度から 9 0度であることを特徴とする液晶装置。

4 . 請求項 1 から 3の何れか 1 項に記載の液晶装置であって、前記同一画素内の、一部または全部の前記層構造が、両基板から等距離にある対称面に対して非対称形に形成されてあるもの。

5 . 請求項 1 から 3 の何れか 1 項に記載の液晶装置であって、前記同一画素内の、一部または全部の前記層構造が、両基板から等距離にある対称面に対して対称形に形成されているもの。

6 . 電極を備えた一対の平行な基板間に、層構造を示す液晶を挟持させ、前記電極間に画素が形成される液晶装置であって、

同一画素内の基板界面で、前記層構造における層平面への液晶分子の投影単位べクトルである c ダイレクターが、両基板から等距離にある対称面に対して対称に配置され、

どちらか一方の基板における垂線と層平面とのなす角である基板界面層傾き角が 0度から 3度であり、かつ前記 c ダイレクタ一と、前記層平面上の前記基板と平行な成分とのなす角である c ダイレクタープレチルトが 3度から 5度であることを特徴とする液晶装置。

7 . 電極を備えた一対の平行な基板間に、層構造を示す液晶を挟持させ、前記電極間に画素が形成される液晶装置であって、

どちらか一方の基板における垂線と層平面とのなす角である基板界面層傾き角が 4度から 7度であり、かつ前記 c ダイレクターと、前記層平面上の前記基板と平行な成分とのなす角である c ダイレクタープレチルトが 0度から 3度であることを特徴とする液晶装置。

8 . 電極を備えた一対の平行な基板間に、層構造を示す液晶を挟持させ、前記電極間に画素が形成される液晶装置であって、

どちらか一方の基板における垂線と層平面とのなす角である基板界面層傾き角が 8度から 2 0度であり、かつ前記 c ダイレクターと、前記層平面上の前記基板と平行な成分とのなす角である c ダイレクタ一プレチルトが 9度から 9 0度であることを特徴とする液晶装

9 . 請求項 1 から 8 の何れか 1 項に記載の液晶装置であって、前記液晶が強誘電性液晶であるもの。

1 0. 請求項 1 から 8 の何れか 1 項に記載の液晶装置であって、前記液晶が反強誘電性液晶であるもの。