JPH0727140B2 - 液晶素子 - Google Patents

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、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。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イ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・エー・クラーク（Noel A.Clark）とスベン
・テー・ラゲルバル（Sven 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（Applied Physics Letters）の第36巻，第11号（198
0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
ラルスメクテイック液晶は、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,領域Ｂ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イック液
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,領域
Ｂ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
わゆるパネルキャップ）は２ミクロン程度であり、従来
のツイストネマテイ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
マテイ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
ラルスメクテイック液晶を、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通過光を区別する手
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,15は自発分極の方向を表わ
す。第２図においてカイラルスメクテイック液晶が形成
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_A，E_Bを印加・切換えが可能である。領域Ａは電界
E_Aを印加した場合及び電界E_A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_Bを
印加した場合及び電界E_B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E_B印
加時はもちろん、自発分極と反対方向の電界E_A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E_A，E_B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，酸化イッ
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（Msugui
n limit）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E_A，E_B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ができる。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
ネマテイ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1000Å厚の膜をスピナで形成し、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750Å厚の膜をスピナで形成
した。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、一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、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イッ
ク液晶（強誘電性液晶）CS-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
が概略平行に配向した第１の配向状態にあることが確認
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イック素子
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CS−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イック素
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、ツイストネマテイ
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イ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。 11,12,13……ダイレクタ、14……Ｃダイレクタ 15……自発分極、16,17……基板 18,19……偏光板の偏光軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】分子長軸のらせん配向と層構造とを有する
   カイラルスメクテイック液晶を、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。