JP2004012543A - Liquid crystal element and liquid crystal device equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カイラルスメクチック液晶を用いた液晶素子、及び該液晶素子を備えた液晶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、薄膜トランジスタ）等のアクティブ素子を用いた表示素子として広範に用いられているネマチック液晶素子の代表的な液晶モードとしては、例えば、Ｍ．シャット（Ｍ．Ｓｃｈａｄｔ）とＷ．ヘルフリッヒ（Ｗ．Ｈｅｌｆｒｉｃｈ）著、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第１８巻、第４号（１９７１年２月１５日発行）第１２７頁〜１２８頁において示されたツイステッドネマチック（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モードが広く用いられている。一方、最近では、横方向電界を利用したインプレインスイッチング（Ｉｎ−Ｐｌａｉｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードや垂直配向（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードを用いた液晶素子が発表されており、従来型の液晶素子の欠点であった視野角特性の改善がなされている。このように、ネマチック液晶を用いたＴＦＴ表示素子に用いるための液晶モードとしていくつかのモードが存在するが、そのいずれのモードの場合にも液晶の応答速度が数十ミリ秒以上と遅く、さらなる応答速度の改善が要求されている。
【０００３】
このような従来型のネマチック液晶素子の応答速度を改善するものとして、近年、カイラルスメクチック相を示す液晶を用いた液晶モードがいくつか提案されている。例えば、「ショートピッチタイプの強誘電性液晶」、「高分子安定型強誘電性液晶」、「無しきい値反強誘電性液晶」などが提案されており、未だ実用化には至っていないものの、いずれもサブミリ秒以下の高速応答性が実現できると報告されている。
【０００４】
一方、本発明者等は先に、高温側より等方性液体相（Ｉｓｏ．）−コレステリック相（Ｃｈ）−カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊）、またはＩｓｏ．−ＳｍＣ＊の相転移系列を示す材料に着目し、仮想コーンのエッジより内側の位置にて単安定化させた液晶素子について提案した。そして、例えばＣｈ−ＳｍＣ＊相転移の際、またはＩｓｏ．−ＳｍＣ＊相転移の際に一対の基板間に正負いずれかのＤＣ電圧を印加する、等の方法によって層方向を一方向に均一化させ、これにより高速応答且つ階調制御が可能であり、動画質に優れた高輝度の液晶素子が、高い量産性と共に実現しうる。この素子は、前述の各種スメクチック液晶モードと比較して自発分極値を小さくすることができることから、ＴＦＴ等のアクティブ素子とのマッチングがよい素子となっている。
【０００５】
以上述べたように、従来ネマチック液晶を用いたＴＦＴ液晶素子が抱えていた応答速度に関する問題点を解決できるという意味において、カイラルスメクチック液晶、特に本発明者等が先に提案した上記単安定液晶素子の実現が期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した単安定液晶素子では、一方の基板側のラビング方向と、他方の基板側のラビング方向とを略同じ方向にしてパネル全面をＣ２配向にすることが望まれる（従来例１）。しかし、本発明者等の実験によると、こうしたＣ２配向を液晶パネル全面にわたって制御することは極めて難しく、ほとんどの場合においてＣ１配向が一部分に出現してしまい、その結果ジグザグ欠陥が発生してしまうことがわかった。
【０００７】
なお、そのような問題を回避する方法としては低プレチルト配向膜を用いる方法があるが、十分な解決を図ることができるものではなく、電圧−透過率特性の表示面内バラツキが発生していた。
【０００８】
このような面内バラツキを防止する方法としては、一方の基板側のラビング方向と、他方の基板側のラビング方向とを逆方向にし、さらにプレチルト角を３°程度とした低プレチルト配向膜を用いる方法（従来例２）がある。そして、ストライプテクスチャーが観測されるような状態であると、上述したようなＣ１とＣ２の違いに基づく上記面内バラツキが発生しないことから、パネル全面にわたり均一なスイッチング特性を容易に得ることができた。
【０００９】
さらにこうした配向状態の場合、層構造として斜めブックシェルフ構造を形成する。
【００１０】
しかしながらこうした低プレチルト配向状態の場合、ノーマリーブラックで黒表示状態（電圧無印加状態）においても若干の光漏れが生じることから、本質的にコントラストとして十分大きい値とならないことが考えられる。上記低プレチルト配向膜を備えた液晶素子のコントラストは１４０程度であり、市販されているＴＦＴ液晶素子と比較するとコントラストは若干低い。
【００１１】
つまり、上述した従来例１，２では、Ｃ１、Ｃ２配向或いはストライプテクスチャーを示す配向が用いられ、そして、従来例１ではパネル面内ムラを回避することが困難であり、従来例２では、パネル面内での特性ムラは観測されず、コントラストに関しては実用上問題ないものの十分高いコントラストを実現することが本質的に困難であった。
【００１２】
そこで、本発明は、面内バラツキを解決して均一な反転挙動と、コントラスト向上を図ることができる液晶素子及び液晶装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記事情を考慮してなされたものであり、所定間隙を開けた状態に配置された一対の基板と、これらの基板の間隙に配置されたカイラルスメクチック液晶と、該カイラルスメクチック液晶を挟み込むように配置された一対の電極と、を備え、前記一対の電極を介して前記液晶に電圧を印加することにより駆動される液晶素子において、
一方の基板に施された一軸配向処理の方向と、他方の基板に施された一軸配向処理の方向とが略同じ方向であり、
一方の基板のプレチルト角α１が、
【式５】
α１＞Θ−δ
ここで、Θ；チルト角、
δ；カイラルスメクチック液晶のスメクチック層の基板法線に対する傾斜角
であり、該プレチルト角α１と、他方の基板のプレチルト角α２との差が、
【式６】
α１−α２＞２０
である、ことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
本発明者等は、上述した従来例２を精査し、プレチルト角に着目した。従来例２では、上下両基板の配向膜の配向処理方向が互いに反平行（つまり、一方の基板側のラビング方向と、他方の基板側のラビング方向とが逆方向）であり、且つ、プレチルト角を３°以下程度にしていたが、高温側からＩｓｏ．−Ｃｈ−ＳｍＣ＊或いはＩｓｏ．−ＳｍＣ＊の相転移系列を有する液晶材料を用いる場合には、より具体的にはＩｓｏ相もしくはＣｈ相からＳｍＣ＊相に相転移する過程でスメクチックＡ相（ＳｍＡ相）に相転移しない液晶材料を用いる場合には、プレチルト角をより好ましい角度に設定することで、従来例２特有の問題点を解決した。
【００１６】
本発明に係る液晶素子は、図７及び図９に示すように、所定間隙を開けた状態に配置された一対の基板１１ａ，１１ｂと、これらの基板の間隙に配置されたカイラルスメクチック液晶１５と、該カイラルスメクチック液晶１５を挟み込むように配置された一対の電極１２ａ，１２ｂと、を備え、前記一対の電極１２ａ，１２ｂを介して前記液晶１５に電圧を印加することにより駆動されるように構成されている。
【００１７】
そして、一対の基板１１ａ，１１ｂに対し、相異なるプレチルト角を付与する。
【００１８】
一軸配向処理の方向が一対の基板で互いに平行（つまり、一方の基板に施される一軸配向処理の方向と、他方の基板に施される一軸配向処理の方向とが略同じ方向）である場合には、一方の基板のプレチルト角α１を、
【式７】
α１＞Θ−δ ………式Ａ
ここで、Θ；チルト角、
δ；カイラルスメクチック液晶のスメクチック層の基板法線に対する傾斜角
とし、両基板のプレチルト角の差（つまり、一方の基板のプレチルト角α１と、他方の基板のプレチルト角α２との差）を、
【式８】
α１−α２＞２０ ………式Ｂ
としている。
【００１９】
また、一軸配向処理の方向が一対の基板で反平行（つまり、一方の基板に施される一軸配向処理の方向と、他方の基板に施される一軸配向処理の方向とが逆方向）である場合には、一方の基板のプレチルト角α１を、
【式９】
α１＞Θ−δ ………式Ｃ
ここで、Θ；チルト角、
δ；カイラルスメクチック液晶のスメクチック層の基板法線に対する傾斜角
とし、他方の基板のプレチルト角α２を、
【式１０】
α２≦Θ−δ ………式Ｄ
にしている。この場合、一方のプレチルト角α１を１５度以上とし、他方のプレチルト角α２を１０度以下にすると良い。
【００２０】
また、この液晶素子は、電圧無印加時に単安定化され、電圧印加時には電圧値（正負は無関係）に応じて透過率Ｔが連続的に変化する連続階調実現可能なＶＴ特性を示すことが出来る。なお、前記α１は、表面段差が大きい方の基板側のプレチルト角であり、前記α２は、表面段差が小さい方の基板側のプレチルト角である、ようにすると良い。
【００２１】
尚、本発明におけるプレチルト角とは、用いる液晶材料がＣｈ相を有する場合には、Ｃｈ相の下限温度におけるプレチルト角であり、Ｃｈ相を有さない場合には、ＳｍＣ＊相の上限温度におけるプレチルト角である。これは、降温過程において初めて層構造が形成される際の層傾斜角に影響を及ぼすプレチルト角の値が最も重要であるからである。また、上記温度でのプレチルト角の測定が困難な場合で、且つプレチルト角の温度依存性がない、或いは極めて少ないことが確認されている場合には、他の任意の温度にて測定してもかまわない。或いは、類似の組成比を有する液晶組成物を用意し、その液晶組成物のＣｈ相或いはＳｍＡ相或いはＳｍＣ＊相におけるプレチルト角にて代用することも可能である。
【００２２】
上記プレチルト角は公知のクリスタルローテーション法（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏ．１１９（１９８０）Ｎｏ．１０．Ｓｈｏｒｔ Ｎｏｔｅｓ ２０１３）によって求められる。尚、測定用のセルは上下基板に界面での液晶の傾きが平行且つ同一の向き（ラビング処理軸が平行且つ逆向き：反平行、アンチパラレル）になるように２枚の基板を貼り合わせて作製される。測定手順は、液晶素子を上下基板に垂直且つ配向処理軸（ラビング軸）を含む面で回転させながら、回転軸と４５°の角度をなす偏光面を持つヘリウム・ネオンレーザー光を回転軸に垂直な方向から照射し、その反対側で入射偏光面と平行な透過軸を持つ偏光板を通してフォトダイオードで透過光強度を測定する。そして、干渉によってできた透過光強度のスペクトルに対し、理論曲線、下式とフィッティングを行うシミュレーションによりプレチルト角αを求めることができる。
【００２３】
【式１１】
このようにして、本発明のような非対称なプレチルト角を付与した場合には、高温側の相から冷却し、ＳｍＣ＊相へと相転移した直後の層構造として、斜めブックシェルフが形成されることが容易に予測される。その後、降温過程を経るに連れ層間隔が減少することにより、層は初期の状態から傾いた構造へと変化する。この時、傾いた方向によって２つの層構造の可能性がある。つまりシェブロン構造となった場合には、一般的にはＣ１或いはＣ２配向として表現されるが（図１参照）、初期に斜めブックシェルフを形成しているときには非対称なシェブロン構造が形成される２通りの場合が存在する。この２通りについて、ＡＣ１（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｃｈｅｖｒｏｎ１）及びＡＣ２（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｃｈｅｖｒｏｎ２）と称することとする（図２参照）。なお、斜めブックシェルフ構造を形成している場合、初期に形成される斜めブックシェルフの層傾斜方向にも基板法線に対して時計回りに傾斜するか反時計回りに傾斜するかという２通りが存在する。したがって上記非対称シェブロン構造もそれに対応してＡＣ３、ＡＣ４と合計４通りが発生する可能性がある。ここでは詳細には触れないがこれらＡＣ１・ＡＣ２領域とＡＣ３・ＡＣ４領域の境界にもループ状の欠陥が形成されることが我々の詳細な観測により確認されている。なお以下では簡単のため、ＡＣ１・ＡＣ２のみが存在する配向状態を考える。
【００２５】
このとき反平行ラビングであり上下のプレチルト角が全く同じである場合、上記ＡＣ１，ＡＣ２は均等な確率で発生するはずである。こうしたＡＣ１とＡＣ２がパネル面内でばらつきを持って発生した場合、ＡＣ１とＡＣ２との境界部分では欠陥となる可能性があり、これによるコントラストの低下も懸念されるばかりか、表示特性が面内で不均一となり適正な表示ができなくなってしまう。一方、我々は、上下のプレチルト角を１０度以上と高プレチルト化する事によって均一配向を得ることに成功している。しかしながら例えば一方の基板にアクティブ素子など基板上の構造物による大きな段差が存在している場合、上下両基板に対して高いプレチルトを与えることはプロセス的には必ずしも容易ではない。特に上下の基板間を隔壁材料によって支持する構成の場合においては、一方の基板に素子のセル厚に相当する構造物を形成した後でラビング処理などの一軸配向処理を施す工程が考えられる。ところが、この場合、隔壁材料のある基板側をラビングすることにより一軸配向性を付与すると同時に、高いプレチルト角を基板面内で均一に付与することは量産性に課題が発生すると考えられる。
【００２６】
これに対して本発明の液晶素子では、一方の基板側を高プレチルト化するとともに、もう一方の基板側が低プレチルトになるような非対称プレチルト構成とすることにより、上述した２通りの非対称シェブロンの一方を選択的に形成することによって均一配向を実現できる。これについて以下に説明する。
【００２７】
まず、Ｉｓｏ相あるいはＣｈ相より降温しＳｍＣ＊相に転移した直後においては非対称なプレチルト角を有している場合、斜めブックシェルフ構造が形成される。その後、ＳｍＣ＊相内において層間隔が減少することによって層構造の折れ曲がりを有する構造に変化するのであるが、その際、図２に示したようなＡＣ１とＡＣ２という２つの層構造の場合が存在する。このとき前記非対称なプレチルト角が存在する場合に次のような制約により層構造が決定されると考えられる。
【００２８】
第一の層構造形成過程はＳｍＣ＊相への相転移直下における初期の層構造形成である。このときラビング方向が平行であっても反平行であってもプレチルトが高い方（式Ａで示したα１を有する基板側）にしたがった傾斜方向の斜めブックシェルフ構造が形成される。このとき形成される斜めブックシェルフの基板法線に対する角度は、セル厚方向におけるセル中央部の分子の起き上がり角にならうと過程すると、平行ラビングの場合（α１―α２）／２、反平行ラビングの場合（α１＋α２）／２という値を取ることがモデル上考えられる。
【００２９】
次いで、第二の層構造形成過程はＳｍＣ＊相内において分子間隔が減少して、非対称シェブロン構造が形成される過程である。このときＡＣ１、ＡＣ２を形成する場合について、まずプレチルトが高い基板側（基板Ａ）に着目して考察する。
【００３０】
ＡＣ１とＡＣ２の基板界面近傍の分子と層傾斜角の関係を考えたとき、図３に示すように、一方の状態はプレチルトの起き上がり方向と層傾斜の方向とが一致する（状態１）のに対し、もう一方の状態はプレチルトの起き上がり方向と層傾斜の方向とが逆方向（状態２）になる。これは例えば特登録０２６１２５０３明細書のｐ．７に記載の表面安定化強誘電性液晶素子における表現を用いると、状態１がＣ１に相当し、状態２がＣ２に相当するような基板近傍の配向状態となっている。したがってプレチルト角の設定によって、いずれか一方の層構造の状態を選択することが可能となる。これにより層傾斜方向が統制された均一な配向状態を得ることが可能となる。
【００３１】
ここでいずれの配向状態が選択されるかは、特登録０２６１２５０３明細書に記載の条件と同様に考察すると、プレチルト角をα、分子チルト角をΘ、層傾斜角をδとしたとき、
α≦Θ−δ ・・・ 式Ｂ
を満たす場合には状態２を取ることが可能になる。（なお特登録０２６１２５０３明細書中ではΘ−δ＞αと記載されているが、幾何学的な考察から等号を含むことも可能である。）なお、この条件の時には状態１も同時に実現することも可能である。
【００３２】
一方、
α＞Θ−δ ・・・ 式Ａ
を満たす場合には、状態２を取ることが不可能になり、この条件の時には状態１のみが実現可能である。したがって一方の基板に対して［式Ａ］を満たすようなプレチルト角設定とする事によって層構造の均一化が可能となる。
【００３３】
次いで、対向するプレチルトが低い側の対向基板側（基板Ｂ）について考察する。この基板Ｂについてはラビング方向がパラレルの場合とアンチパラレルの２通りについて検討する必要がある。
【００３４】
まず第一の形態であるパラレルラビングについて図４を用いて考える。パラレルラビングであった場合、基板Ａのプレチルト角をα１、基板Ｂのプレチルト角をα２とした場合、セル厚方向について中央に存在する分子のチルト角αＭはおよそ、｛（α１−α２）／２｝［度］となる。このときαＭがゼロに近づくほどＳｍＣ＊相への相転移直後に形成される非対称シェブロンが一方向に揃いにくくなるために、上述したループ状の欠陥が発生しやすくなる。したがってα１とα２の差を大きく設定しておいた方がよい。
【００３５】
さらにパラレルラビングであったときに非対称なシェブロン構造を形成し、かつプレチルトが高い基板Ａの有するプレチルト角が前記［式Ａ］を満たす場合には、必然的に特登録０２６１２５０３明細書中の表現におけるＣ１配向状態（基板Ｂ側も上記状態１を示す配向状態）となる。
【００３６】
こうした場合、特開２０００−０１００７６明細書の段落番号［００４２］〜［００４７］に記載されているように駆動電圧が高くなってしまう問題がある。この原因としてＣ１配向におけるシェブロンキンクがセル中央部分に存在することが考えられる。すなわち、本液晶素子は基板界面近傍の分子は一軸配向処理方向に略平行な位置に固定され、バルク部分が印加電圧に応じた分子位置に向かって反転することによって中間調表示可能になっている素子なのであるが、反転しづらいキンク界面が分子反転領域中に存在することによって分子反転のための必要エネルギーが高くなり、駆動電圧の上昇を引き起こしているものと考えられる。
【００３７】
それに対して、本発明で提案する素子のように上下のプレチルト差をおよそ２０度以上と大きく設定することによって、反転しづらいキンク界面を、元々反転することのない基板界面近傍層に押しやることが可能である。これによって駆動電圧の上昇を抑制することが出来る。これについて以下に計算による考察を記載する。
【００３８】
まずセル厚をｔとして、セル厚方向にｓ：ｔ−ｓに内分する点にキンクがあるとする。ＳｍＣ＊相への相転移直後の初期δ形成時に、ある層に着目したときに下基板（例えば基板Ｂ）の層の位置を原点とし、層法線方向にｘ軸をとったとき、その層に対応する上基板（例えば基板Ａ）の層のｘ座標ｘ１は、初期δをδｉｎｉｔとすると
【式１２】
【００３９】
層間隔が減少したとき、キンク位置のｘ座標ｘ２は、（非対称）シェブロンになっており２つの傾斜方向が存在するために２通りの計算方法から求められる。そこで層間隔が減少したあとの層傾斜角δをδｒｔとすると
【式１３】
【式１４】
【００４０】
一方我々が検討に用いている液晶材料では、通常使用温度域において相対層間隔（高温側からスメクチック相に相転移した直後の層間隔を１としたとき、温度減少によって層間隔が変化した後の相対的な層間隔）は少なくとも０．９５以上、多くの場合は０．９６５以上を示す材料であった。したがって、図５より初期δとして１０度以上存在していれば、キンク位置をセル厚方向に２５：７５の位置に押しやることが可能となることがわかる。つまりこのときセル厚方向で中央部から５０％以上の反転層がキンクを有さないことになるために駆動電圧の上昇を抑制することが可能となる。
【００４１】
さて初期δの値に関して、実際の系で厳密に言えば上下基板の表面エネルギー、相転移時の電圧印加、相転移時の上下基板の温度差などがかかわっていると考えられるものの、我々の検討の範囲内では、初期δの値を決める最も大きな要因は、上述したように上下のプレチルト角の差分であった。つまり、例えばＳｍＣ＊相の高温側にＣｈ相が存在する場合に、セル中央部分の傾斜角は上述したように｛（α１−α２）／２｝［度］となり、この角度にほぼしたがって初期δが形成されるものと考えられる。したがって、初期δを１０度以上にするためには上下のプレチルト差を２０度以上に設定すればよいことになる。
【００４２】
以上まとめると、パラレルラビングの場合には一方の基板のプレチルト角を、α＞Θ−δ ・・・ 式Ａ
を満たす値に設定し、もう一方のプレチルト角の値との差を２０度以上に設定することによって、均一配向と駆動電圧の低減を同時に実現することが可能となる。
【００４３】
次いで第二の形態であるアンチパラレルラビングについて考える。アンチパラレルラビングであった場合、基板Ａのプレチルト角をα１、基板Ｂのプレチルト角をα２とした場合、セル厚方向について中央に存在する分子のチルト角αＭはおよそ、｛（α１＋α２）／２｝［度］となる。したがってα１が［式Ａ］を満たすべく大きな値になっているために、ＳｍＣ＊相への相転移直後に形成される非対称シェブロンは容易に一方向に揃うものと考えられる。
【００４４】
一方で、対向する基板Ｂのプレチルト角は［式Ｂ］を満たすべく低めに設定しておくことが好ましい。
【００４５】
すなわち基板Ｂにおいても［式Ａ］を満たす値に設定すると、層間隔が減少し層が折れ曲がった場合に図６に示すように、形成される層構造として２通りの可能性がある。図６（ａ）は両界面の要請を満たすためにバルク層に２つのキンクを持つ場合、図６（ｂ）は一方の界面の要請を満足しない場合である。しかしながら図６（ａ）は反転層に二つのキンク界面を有する結果となり、反転のためのエネルギーが極度に上昇し駆動電圧が極端に上昇すると予測される。一方図６（ｂ）は駆動電圧の上昇はさほど無いと考えられるものの、一方の界面において不安定な状態を強いられることとなるために、例えば耐久性などの信頼性に不安要因が発生する懸念がある。
【００４６】
それに対して、基板Ｂにおいて［式Ｂ］を満たす値に設定すると、基板Ｂ近傍では上記状態２を許容することが可能となる。したがって、上述したような信頼性にも不安のない均一な層構造を実現することが可能となる。
【００４７】
さらに一方を高プレチルト、一方を低プレチルトに設定することによって、例えばＴＦＴ液晶素子のように一方の基板が比較的フラットであり、もう一方の基板がアクティブ素子や金属配線などの影響で比較的段差の大きい構成の場合に、段差が大きくプレチルト制御が困難な基板側を低プレチルト、段差が少なくプレチルト制御が容易な基板側を高プレチルト配向にすることによってプロセス負荷を低減し、歩留まり向上を図ることが可能となる。
【００４８】
以上の作用により、上下基板のプレチルト角設定を上記のように設定する素子では、欠陥がなく駆動電圧の上昇も招かない、高信頼・高歩留まりの素子の実現が可能となっている。
【００４９】
〔第１の実施形態〕
本実施の形態に係る液晶素子においては、前述したように上下基板で一軸配向処理方向を平行（つまり、一方の基板に施される一軸配向処理の方向と、他方の基板に施される一軸配向処理の方向とが略同じ方向）とし、上述の［式Ａ］及び［式Ｂ］を満たすような特定の範囲のプレチルト条件とすることにより、配向性を飛躍的に高めることが可能となった。基板は一軸配向処理されており、基板の配向処理方向に液晶分子の安定位置がそろっている。
【００５０】
本実施形態においては、液晶として、カイラルスメクチックＣ液晶であって、高温側から等方性液体相（Ｉｓｏ．）−コレステリック相（Ｃｈ相）−カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊相）、或いは等方性液体相（Ｉｓｏ．）−カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊）の相転移系列を有するカイラルスメクチック液晶を用いる。すなわち本実施形態の液晶は高温側の相からカイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊）へ相転移する途中で、ＤＳＣ（示差走査熱量測定：ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ）ではスメクチックＡ相（ＳｍＡ）の存在が確認されなかったものである。当該液晶は、ＳｍＣ＊相への相転移の際に、必要に応じて基板間に正負いずれかのＤＣ電圧を印加することで２つの層方向のうち一方の層方向のみにそろえ、即ち、平均一軸配向処理軸とスメクチック層法線方向のズレ方向が一定となるようにし、電圧無印加の状態で液晶分子を仮想コーンエッジの内側に安定化させ、そのメモリ性を消失させたＳｍＣ＊相の配向状態を得ることができ、電圧無印加時にさらなる単安定状態を呈する液晶素子を得ることができる。
【００５１】
本発明で用いられるカイラルスメクチック液晶としては、ビフェニル骨格やフェニルシクロヘキサンエステル骨格、フェニルピリミジン骨格等を有する炭化水素系液晶材料、ナフタレン系液晶材料、ポリフッ素系液晶材料を適宜選択して調整した液晶組成物を用いることができ、例えば以下に示す化合物（１）〜（４）を用いた液晶組成物が好ましく挙げられる。
【００５２】
【化１】
Ｘ１，Ｘ２：単結合、Ｏ、ＣＯＯ、ＯＯＣ
Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４：ＨまたはＦ
ｎ：０または１
【００５３】
【化２】
Ｘ１，Ｘ２：単結合、Ｏ、ＣＯＯ、ＯＯＣ
Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４：ＨまたはＦ
【００５４】
【化３】
Ｘ１，Ｘ２：単結合、Ｏ、ＣＯＯ、ＯＯＣ
Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４：ＨまたはＦ
【００５５】
【化４】
Ｘ１，Ｘ２：単結合、Ｏ、ＣＯＯ、ＯＯＣ
Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４：ＨまたはＦ
【００５６】
本実施の形態に係る液晶素子の構造を、図７に沿って説明する。図中の符号１１ａ，１１ｂは基板を示し、符号１２ａ，１２ｂは電極を示し、符号１３ａ，１３ｂは絶縁膜を示し、符号１４ａ，１４ｂは配向制御膜を示し、符号１５は液晶を示し、符号１６はスペーサーを示す。
【００５７】
図に示す液晶素子では、透明性の高い材料（例えば、ガラス、プラスチック等）からなる一対の基板１１ａ，１１ｂ間に液晶１５を挟持して構成される。各基板１１ａ，１１ｂには、液晶１５に電圧を印加するためのＩｎ２Ｏ３，ＩＴＯ等の材料からなる電極１２ａ，１２ｂを設けているが、一方の電極１２ｂはドット状の画素電極とし、各画素電極にはＴＦＴやＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）等のスイッチング素子を接続すると良い。
【００５８】
電極１２ａ，１２ｂ上には、必要に応じてこれらのショートを防止する等の機能を持つＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５等の材料からなる絶縁膜１３ａ，１３ｂがそれぞれ設けられる。
【００５９】
さらに、絶縁膜１３ａ，１３ｂ上には、液晶１５に接し、その配向状態を制御するべく機能する配向制御膜１４ａ，１４ｂが設けられている。かかる配向制御膜１４ａ，１４ｂには一軸配向処理が施されている。かかる膜としては、例えば、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアミド、ポリビニルアルコール等の有機材料を溶液塗工した膜の表面にラビング処理を施したもの、或いは、ＳｉＯ等の酸化物、窒化物を基板に対し斜め方向から所定の角度で蒸着した無機材料の斜方蒸着膜を用いることができる。
【００６０】
尚、配向制御膜１４ａ，１４ｂについては、その材料の選択、処理（一軸配向処理等）の条件等により、液晶１５の分子のプレチルト角α（液晶分子の配向制御膜界面付近で膜面に対してなす角度）が調整される。
【００６１】
また、本実施形態では配向制御膜１４ａ，１４ｂの一軸配向処理方向（特にラビング方向）を平行とする。尚、一軸配向処理方向をクロスさせる場合は交差角が４５°以下となるようにする。
【００６２】
基板１１ａ及び１１ｂはスペーサー１６を介して対向している。かかるスペーサー１６は、基板１１ａ，１１ｂの間の距離（セルギャップ）を決定するものであり、シリカビーズ等が用いられる。ここで決定されるセルギャップについては、液晶材料の違いによって最適範囲及び上限値が異なるが、均一な一軸配向性、また電圧無印加時に液晶分子の平均分子軸をほぼ配向処理軸の平均方向の軸と実質的に同一にする配向状態を発現させるべく、０．３〜１０μｍの範囲に設定することが好ましい。さらに、このセルギャップの値は、所望のリタデーション量となるように、適宜調整して設定することが好ましい。
【００６３】
スペーサー１６に加えて、基板１１ａ及び１１ｂ間の接着性を向上させ、液晶の耐衝撃性を向上させるべく、エポキシ樹脂等の樹脂材料等からなる接着粒子を分散配置することもできる（図示せず）。
【００６４】
本実施の形態に係る液晶素子では、液晶１５の材料の組成を調整し、さらに液晶材料の処理や素子構成、例えば配向制御膜１４ａ，１４ｂの材料、処理条件等を適宜設定することにより、
・ 電圧無印加時には、液晶の平均分子軸（液晶分子）が単安定化された配向状態（第一の状態）を示し、
・ 第一の極性の電圧印加時には、該液晶の平均分子軸が印加電圧の大きさに応じた角度で連続的に上記第一の状態の位置から一方の側にチルトし、
・ 該第一の極性とは逆極性の第二の極性の電圧印加時には、液晶の平均分子軸が印加電圧の大きさに応じた角度で上記第一の状態の位置から第一の極性の電圧印加時とは逆側にチルトする
特性を示すようにすることが好ましい。つまり、中間調表示が良好に行える液晶素子を提供できる。
【００６５】
ここで、上記第一の極性の電圧印加時における最大チルト角をβ１とし、上記第二の極性の電圧印加時における最大チルト角をβ２とした場合に、β１＞β２となるように、さらに好ましくはβ１≧５×β２となるように調整することが望ましい。
【００６６】
液晶のバルク状態でのらせんピッチがセル厚の２倍より長くすると良い。
【００６７】
本実施形態の液晶素子には、基板１１ａ，１１ｂの一方に少なくともＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の着色部を備えたカラーフィルターを設け、カラー液晶素子とすることもできる。また、光源としてＲ、Ｇ、Ｂの光源を順次切り替えることで時分割による混色を利用してフルカラー表示させる方法（いわゆるフィールドシーケンシャル方法）を用いることもできる。
【００６８】
また、図７に示した液晶素子は光透過型の液晶素子であり、通常は、両基板１１ａ，１１ｂの外側に偏光板（図示しない）を設けて、一方の基板側からの入射光（例えば外部光源による光）を変調した上で他方側に出射させるタイプの素子であるが、反射型としても良い（つまり、基板１１ａ，１１ｂのいずれか一方の側に反射板を設けるか、或いは一方の基板自体または基板上に設ける部材として反射性の材料を用い、他方の基板の外側に偏光板を設けて、入射光及び反射光を変調するようにしても良い）。
【００６９】
階調信号を供給する駆動回路を上述した液晶素子に接続して液晶装置を構成し、電圧の印加により液晶の平均分子軸の単安定位置からの連続的なチルト角度の変化、及び素子からの出射光量が連続的に変化する特性を利用し、階調表示を行う液晶表示装置を構成することができる。例えば、液晶素子の一方の基板として前述したようなＴＦＴ等を備えたアクティブマトリクス基板を用い、駆動回路で振幅変調によるアクティブマトリクス駆動を行うことでアナログ階調表示が可能となる。
【００７０】
図８乃至図１０に示すようなアクティブマトリクス型液晶素子としても良い。ここで、図８は、アクティブマトリクス型液晶素子の構造を示す回路図であり、図９は、アクティブマトリクス型液晶素子の構造を示す断面図であり、図１０は、その等価回路図である。
【００７１】
図８中の符号２０はパネル部を示し、符号２１は走査信号ドライバを示し、符号２２は情報信号ドライバを示す。また、符号Ｓ１〜Ｓ５は情報信号線（ソース線）を示し、符号２４はＴＦＴを示し、符号Ｇ１〜Ｇ５は走査信号線（ゲート線）を示し、符号１２ｂは画素電極を示す。
【００７２】
この液晶素子では、駆動手段である走査信号ドライバ２１に接続された走査信号線（ゲート線）Ｇ１〜Ｇ５と、駆動手段である情報信号ドライバ２２に接続された情報信号線（ソース線）Ｓ１〜Ｓ５とは、互いに絶縁された状態で直交するように設けられており、その各交点の画素に対応してスイッチング素子に相当する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２４及び画素電極１２ｂが設けられている（同図では簡略化のため５×５画素の領域のみを示す）。
【００７３】
走査信号線Ｇ１〜Ｇ５は、ＴＦＴ２４のゲート電極（図９の符号３２参照）に接続され、情報信号線Ｓ１〜Ｓ５はＴＦＴ２４のソース電極（図９の符号３７参照）に接続されており、画素電極１２ｂはＴＦＴ２４のドレイン電極（図９の符号３８参照）に接続されている。
【００７４】
かかる構成において、走査信号ドライバ２１により走査信号線Ｇ１、Ｇ２、…が線順次に走査選択されてゲート電圧が供給され、この走査信号線の走査選択に同期して情報信号ドライバ２２から各画素に書き込む情報に応じた情報信号電圧が情報信号線Ｓ１〜Ｓ５に供給され、ＴＦＴ２４を介して各画素電極１２ｂに印加される。
【００７５】
なお、ＴＦＴ２４は、図９に示すように、ゲート絶縁膜３３やａ−Ｓｉ層３４やｎ＋ａ−Ｓｉ層３５，３６やチャネル保護膜３９等によって構成されている。また、図中の符号４０は保持容量電極を示す。つまり、ＴＦＴ２４はガラス等からなる基板１１ｂ上に形成され、ゲート電極３２上に窒化シリコン（ＳｉＮｘ）等の材料からなる絶縁膜（ゲート絶縁膜）３３を介してａ−Ｓｉ層３４が設けられており、該ａ−Ｓｉ層３４上にそれぞれｎ＋ａ−Ｓｉ層３５，３６を介してソース電極３７、ドレイン電極３８が互いに離間して設けられている。また、ＴＦＴ２４におけるａ−Ｓｉ層３４上をチャネル保護膜３９が被覆している。
【００７６】
図９の構成においては、ＴＦＴ２４及び画素電極１２ｂを備えるアクティブマトリクス基板１１ｂと、共通電極１２ａを備えた対向基板１１ａ間に、液晶１５が挟持され、液晶容量Ｃｌｃが構成されている。また、ゲート絶縁膜３３を挟んで相対向するように画素電極１２ｂと保持容量電極４０とが配置されて保持容量Ｃｓが形成されている。
【００７７】
ＴＦＴ２４及び画素電極１２ｂ上には液晶の配向状態を制御するための配向制御膜１３ｂが設けられている。
【００７８】
一方、対向基板１１ａには、全面同様の厚みで共通電極１２ａ及び液晶の配向状態を制御するための配向制御膜１３ａが積層されている。
【００７９】
尚、図９のセル構造は、互いに偏光軸が直交した関係にある一対の偏光板（図示しない）間に挟持され、透過型液晶素子として用いられる。
【００８０】
また、アクティブマトリクス基板としては、多結晶Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）ＴＦＴを備えた基板を用いることもできる。
【００８１】
次に、図８乃至図９に示すアクティブマトリクス型液晶素子の駆動方法について図１０に沿って説明する。
【００８２】
アクティブマトリクス型液晶素子を駆動する場合、例えば１画素においてある情報を表示するための期間（１フレーム）を複数のフィールド（図１１の１Ｆ及び２Ｆ）に分割し、これら２フィールドにおいて平均的に所定の情報に応じた透過光量を得るようにする。以下では、第一の極性の電圧印加時には十分な透過光強度を示し、逆極性の電圧印加時には小さい透過光強度を示す液晶（第一の極性の電圧印加時における最大チルト角をβ１とし、上記第二の極性の電圧印加時における最大チルト角をβ２とした場合に、β１＞β２となる液晶）を用いた場合について説明する。
【００８３】
図１１（ａ）は、１画素に着目した際に、当該画素に接続された走査信号線Ｇｉに印加される電圧を示す。このタイプの液晶素子では、走査信号線Ｇ１，Ｇ２…が各フィールド毎に線順次で選択され、１走査信号線には選択期間Ｔｏｎにおいて所定のゲート電圧Ｖｇが印加され、ゲート電極３２に電圧Ｖｇが加わり、ＴＦＴ２４がオン状態となる。他の走査信号線が選択されている期間に相当する非選択期間Ｔｏｆｆにはゲート電極３２に電圧が加わらず、ＴＦＴ２４は高抵抗状態（オフ状態）となり、Ｔｏｎ毎に所定の同一の走査信号線が選択されてゲート電極３２にゲート電圧Ｖｇが印加される。
【００８４】
図１１（ｂ）は、当該画素に接続された情報信号線Ｓｊに印加される電圧を示す。この情報信号線Ｓｊには、ゲート電圧Ｖｇの印加に同期するように各フィールドの選択期間Ｔｏｎに所定のソース電圧（情報信号電圧）Ｖｓ（基準電位を共通電極１２ａの電位Ｖｃとする）が印加される。
【００８５】
ここで、１フレームを構成する第一のフィールド（１Ｆ）では、当該画素に書き込まれる情報、例えば用いる液晶に応じた電圧−透過率特性を基に当該画素で得ようとする光学状態または表示情報（透過率）に応じたレベルＶｘの正極性のソース電圧が印加される。この時、ＴＦＴ２４がオン状態であるため、上記ソース電極３７に印加される電圧Ｖｘがドレイン電極３８を介して画素電極１２ｂに印加され、液晶容量Ｃｌｃ及び保持容量Ｃｓに充電がなされ、画素電極１２ｂの電位がソース電圧Ｖｘになる。続いて、当該画素に接続された走査信号線の非選択期間ＴｏｆｆにおいてＴＦＴ２４は高抵抗（オフ状態）となるため、この非選択期間には、では選択期間Ｔｏｎで充電された電荷が蓄積された状態を維持し、電圧Ｖｘが保持される。そして、当該画素の液晶部分ではこの電圧値に応じた光学状態（透過光量）が得られる。この時、液晶の応答速度がＴｏｎより遅い場合、液晶容量Ｃｌｃ及び保持容量Ｃｓに充電が完了し、ゲートがオフされた非選択期間にもスイッチングが行われる。このような場合は、自発分極の反転によって充電された電荷が相殺されて、液晶に印加される電圧が図１１（ｃ）のようにＶｘよりＶｄ小さいＶｘ’という値をとる。
【００８６】
次に、第二のフィールド（２Ｆ）の選択期間Ｔｏｎでは、第一のフィールド１Ｆとは極性が逆で実質的に同様の電圧値Ｖｘを有するソース電圧（−Ｖｘ）がソース電極３７に印加される。この時、ＴＦＴ２４がオン状態であり、画素電極１２ｂに電圧−Ｖｘが印加されて、液晶容量Ｃｌｃ及び保持容量Ｃｓに充電がなされ、画素電極１２ｂの電位がソース電圧−Ｖｘになる。続いて、非選択期間Ｔｏｆｆにおいて、ＴＦＴ２４は高抵抗（オフ状態）となるため、この非選択期間には、液晶容量Ｃｌｃ及び保持容量Ｃｓでは選択期間Ｔｏｎで充電された電荷が蓄積された状態を維持し、電圧−Ｖｘが保持される。そして、当該画素における液晶１５に第二のフィールド２Ｆ期間を通して電圧−Ｖｘが印加され、当該画素ではこの電圧値に応じた光学状態（透過光量）が得られる。この時も同様に液晶の応答速度がＴｏｎよりも遅い場合、液晶容量Ｃｌｃ及び保持容量Ｃｓに充電が完了し、ゲートがオフされた非選択期間にもスイッチングが行われるため、自発分極の反転によって充電された電荷が相殺されて、液晶に印加される電圧が図１１（ｃ）のように−Ｖｘより絶対値がＶｄ小さい−Ｖｘ’という値をとる。
【００８７】
図１１（ｃ）は上述したような当該画素の液晶容量Ｃｌｃ及び保持容量Ｃｓに実際に保持され液晶に印加される電圧値Ｖｐｉｘを、図１１（ｄ）は当該画素での液晶実際の光学応答を透過光量（％）で最暗状態を０％として模式的に示す。図１１（ｃ）に示すように、２フィールド１Ｆ及び２Ｆを通じて印加電圧は互いに極性が反転しただけの同一レベル（絶対値）Ｖｘ’である。一方（ｄ）に示すように、第一フィールド１Ｆでは、Ｖｘ’に応じた階調表示状態（透過光量）が得られ、第二フィールド２Ｆでは、−Ｖｘ’に応じた階調表示状態が得られるが、β１＞β２であるため、実際にはわずかな透過光量の変化しか得られず、透過光量はＴｘより小さく、０レベルに近いＴｙとなる。
【００８８】
上述したようなアクティブマトリクス駆動では、カイラルスメクチック液晶を用いて良好な高速応答性に基づいた階調表示が可能となると同時に、１画素であるレベルの階調表示を、高い透過光量を得る第一フィールドと低い透過光量を得る第二フィールドに分割して連続的に行うため、時間開口率が５０％以下となり、人間の目の感じる動画高速応答特性も良好になる。当該効果を得る上で、先に示したβ１とβ２との関係は、β１≧５×β２であることが好ましい。
【００８９】
また、第二フィールドにおいては液晶分子の若干のスイッチング動作により完全に透過光量が０にはならないので、フレーム期間全体での人間の目に感じる輝度は確保される。さらに、第一及び第二フィールドで同様のレベルの電圧が極性反転して液晶１５に印加され得るため、液晶１５に実際に印加される電圧が交流化され液晶の劣化が防止される。なおこのとき第二フィールドでの透過光量が実質的にゼロであってもよい。
【００９０】
上記のアクティブマトリクス駆動では、２フィールドからなる１フレーム全体では、ＴｘとＴｙを平均した透過光量が得られる。このため、ソース電圧Ｖｓについては、実際に当該フレームで当該画素で得ようとする画像情報（階調情報）に応じて、所定のレベルだけ大きな透過光量を得ることができる電圧値を選択して印加することで、第一フィールド１Ｆにおいて、所望の階調状態より高いレベルの透過光量での階調状態を表示することも好ましい。
【００９１】
尚、上記駆動法を応用し、本実施形態の液晶素子とＲＧＢ各色光源と組み合わせた液晶表示装置も提供できる。そしてそのような液晶表示装置を用い、必要に応じてカラーフィルターを使用せずに時分割による混色を利用してフルカラー表示させる方法を用いることも可能である。
【００９２】
〔第２の実施形態〕
本実施の形態に係る液晶素子においては、前述したように上下基板で一軸配向処理方向を反平行（つまり、一方の基板に施された一軸配向処理の方向と、他方の基板に施された一軸配向処理の方向とが逆方向）とし、上述の［式Ｃ］及び［式Ｄ］を満たすような特定の範囲のプレチルト条件とすることを特徴とする。尚、その他の点については第１の実施形態と同じである。本実施の形態によれば、パネル面内ムラの解消と高コントラスト比とを両立させることが可能となった。
【００９３】
次に、本実施の形態の効果について説明する。
【００９４】
本実施の形態によれば、高速応答性を備えた液晶素子において、配向欠陥が無く（つまり、異なる配向領域が無く）広視野角とムラのない均一なスイッチング特性が実現され、優れた階調表示が可能となる。
【００９５】
そして、電圧無印加時に単安定化され、電圧印加時には電圧値（正負は無関係）に応じて透過率Ｔが連続的に変化（増加）するしきい値のないＶ−Ｔ特性を示すことができる。
【００９６】
【実施例】
以下、実施例に沿って本発明を更に詳細に説明する。
【００９７】
（実施例１）
〔液晶組成物の調整〕
下記液晶性化合物を混合して液晶組成物ＬＣ−１を調整した。構造式に併記した数値は混合の際の重量比率である。
【００９８】
【化５】
上記液晶組成物ＬＣ−１の物性パラメータを以下に示す。
相転移温度（℃）：Ｉｓｏ．→８７．４→Ｃｈ→６４．２→ＳｍＣ＊→−６．７→Ｃｒｙ
自発分極（３０℃）：Ｐｓ＝５．２ｎＣ／ｃｍ２
チルト角（３０℃）：Θ＝２８．１°（１００Ｈｚ、±１２．５Ｖ、セルギャップ＝１．４μｍ）
ＳｍＣ＊相でのらせんピッチ（３０℃）：２０μｍ以上
なお、層間隔の温度依存性について図１２に示す。この図では、相転移時の最初に形成される層間隔を１とした相対値として表している。
【０１００】
尚、液晶組成物の各物性パラメータの測定方法は以下の通りである。
【０１０１】
〔自発分極の測定方法〕
自発分極は、Ｋ．ミヤサト他「三角波による強誘電性液晶の自発分極の直接測定方法」（日本応用物理学会誌、２２，１０号（６６１）１９８３，”Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ Ｗａｖｅｓ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ”，ａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｂｙ Ｋ．Ｍｉｙａｓａｔｏ ｅｔ ａｌ．（Ｊａｐ．Ｊ．ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２２．Ｎｏ．１０，Ｌ６６１（１９８３）））によって測定した。
【０１０２】
〔チルト角Θの測定〕
±１２．５〜±５０Ｖ、１〜１００ＨｚのＡＣ（交流）を液晶素子の上下基板間に電極を介して印加しながら、直交ニコル下、その間に配置された液晶素子を偏光板と平行に回転させると同時に、フォトマル（浜松フォトニクス社製）で光学応答を検知しながら、第１の消光位（透過率が最も低くなる位置）及び第２の消光位を求める。そしてこの時の第１の消光位から第２の消光位までの角度の１／２をチルト角Θとする。
【０１０３】
〔液晶層の層間隔の測定〕
液晶の層間隔は、バルク液晶を試料ガラス上に塗り、通常の粉末Ｘ線回折と同様に２θ／θｓｃａｎを行って求めた。
【０１０４】
〔液晶層の傾斜角δの測定〕
基本的には、クラークやラガーウォルによって行われた方法（Ｊａｐａｎ Ｄｉｓｐｌａｙ’８６，Ｓｅｐ．３０〜Ｏｃｔ．２，１９８６，４５６〜４５８）、或いは、大内らの方法（Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．２７（５）（１９８８）７２５〜７２８）と同様の方法により測定した。測定装置は、回転陰極方式Ｘ線回折装置（ＭＡＣサイセンス社製）を用い、液晶セルのガラス基板へのＸ線の吸収を低減させるため、基板にはコーニング社製のマイクロシート（８０μｍ）を用いた。
【０１０５】
〔液晶パネルの作製〕
本実施例では、下表に示す６種類の液晶パネルを作製した。
【０１０６】
【表１】
・ 市販のＴＦＴ用配向膜（ＪＳＲ社製「ＪＡＬＳ２０２２−Ｒ１」）をスピンコート法により塗布し、
・ ８０℃で５分間の前乾燥を行った後、２００℃で１時間加熱焼成を行う、
ことによって形成した。なお、配向膜の厚さは、スピン回転数や、ＪＳＲ社製ＪＡＬＳ２０２２専用希釈材ＡＣＴ−６５１を使用し固形分濃度を適宜希釈して塗布すること等によって調整した。
【０１０７】
続いて、当該基板上のポリイミド膜に対して、一軸配向処理としてナイロン布によるラビング処理を施した。ラビング処理の条件は、直径１０ｃｍのロールにナイロン布（帝人社製「ＮＦ−７７」）を貼り合わせたラビングロールを用い、押し込み量０．３ｍｍ、送り速度１０ｃｍ／ｓｅｃ、回転数１０００ｒｐｍ、送り回数４回とした。
【０１０８】
続いて、一方の基板上にスペーサーとして、平均粒径１．５μｍのシリカビーズを散布し、各基板のラビング処理方向が互いに平行になるように貼り合わせ、均一なセルギャップのセルを得た（上述したＡ〜Ｆの６種類のセルを得た）。
【０１０９】
次に、液晶組成物ＬＣ−１をＣｈ相の温度で基板間隙に注入し、液晶がカイラルスメクチック液晶相を示す温度まで冷却し（冷却速度１℃／ｍｉｎ）、この冷却の際、Ｃｈ−ＳｍＣ＊相転移前後（Ｃｈ−ＳｍＣ＊相転移温度±２℃の範囲）において、−２Ｖのオフセット電圧（直流電圧）を印加した。これにより、上記Ａ〜Ｆの液晶パネルを得た。
【０１１０】
なお、室温下における層傾斜角δの値はそれぞれ以下の通りとなった。
【０１１１】
【表２】
【０１１２】
【表３】
プレチルト角の測定用として、上記（１）〜（３）のような配向膜厚の３種類の液晶パネルを上述と同様の方法により作製した。なお、シリカビーズの平均粒径は９μｍとし、各基板のラビング処理方向は互いに反平行になるようにした。また、液晶組成物ＬＣ−１を注入し、６２℃（Ｃｈ相）に昇温し、前記したクリスタルローテーション法にてプレチルト角αを測定した。その結果、プレチルト角は以下の通りであった。
【０１１４】
【表４】
【０１１５】
（１）配向状態
パネルＡ〜Ｆの液晶の配向状態について偏光顕微鏡観察を行った。室温（３０℃）での観測結果を以下に記す。
【０１１６】
【表５】
【０１１７】
（２）矩形波印加による光学応答
偏光顕微鏡を用いて、液晶パネルＡ〜Ｆの電圧透過率特性を測定した。具体的には、偏光板を平行ニコルとして液晶パネルを等方相温度に昇温したときの透過光強度を１００％としたとき、６０Ｈｚの矩形波を印加したときに透過率が４０％になる時の電圧値を測定した。その結果を以下に記す。
【０１１８】
【表６】
以上のように、対称なプレチルトを有するパネル（パネルＡ，Ｄ，Ｆ）では駆動電圧がかなり高くなってしまうことがわかる。一方、非対称性を付与することによって駆動電圧が減少するという効果が得られている。さらに上下のプレチルトの非対称性を大きくすることで４０％透過率を得るための駆動電圧を大幅に低減することが可能となった（パネルＣ参照）。なお、４０％透過率以外の他のレベルの透過率を得るための駆動電圧についても同様の傾向であることが確認できた。
【０１２０】
またこのときの分子反転の様子を顕微鏡にて観測した。その観測した結果によると、パネルＡ、Ｄ、Ｆについては０Ｖにおける黒状態から徐々に電圧を上げていき白状態へと分子が反転する際に、ごく低電圧側では全体の輝度が連続的に上昇していくものの、ある中間調電圧以降は非常にはっきりしたドメインが発生し、ドメインの面積が増加することによって全体の輝度が上昇するという反転の様子を示していた。次に、パネルＢ、ＥについてはパネルＡ，Ｄ，Ｆほどは明瞭ではないもののドメイン反転の様子が確認された。最後にパネルＣは、観測した限りにおいてはドメインの発生の形跡は見られず、全電圧域において連続した輝度変化が観測された。なお、このドメインの様子は飽和電圧側から０Ｖに向かって電圧を降下させる降電圧側の測定においても同様の様子が観測された。
【０１２１】
また、本実験で用いた液晶パネルは全て負極性の電圧に対しても同じ絶対値の正極性電圧印加の場合の１／１０程度の光学応答が確認され、正負の電圧に対する光学応答の平均値は前状態には依存せず安定した中間調が得られることが確認できた。
【０１２２】
（実施例２）
〔液晶パネルの作製〕
本実施例では、下表に示す６種類の液晶パネルを作製した。
【０１２３】
【表７】
ガラス基板や透明電極や配向膜の形成方法、並びにシリカビーズの平均粒径は実施例１と同じとしたが、基板貼り合わせに際しては、各基板のラビング処理方向が互いに反平行になるようにした。
【０１２５】
次に、液晶組成物ＬＣ−１をＣｈ相の温度で基板間隙に注入し、液晶がカイラルスメクチック液晶相を示す温度まで冷却し（冷却速度１℃／ｍｉｎ）、この冷却の際、Ｃｈ−ＳｍＣ＊相転移前後（Ｃｈ−ＳｍＣ＊相転移温度±２℃の範囲）において、−２Ｖのオフセット電圧（直流電圧）を印加した。これにより、上記Ｇ〜Ｌの液晶パネルを得た。
【０１２６】
なお、室温下における層傾斜角δの値はそれぞれ以下の通りとなった。
【０１２７】
【表８】
【０１２８】
（１）配向状態
パネルＧ〜Ｌの液晶の配向状態について偏光顕微鏡観察を行った。室温（３０℃）での観測結果を以下に記す。
【０１２９】
【表９】
【０１３０】
（２）矩形波印加による光学応答
偏光顕微鏡を用いて、液晶パネルＧ〜Ｌの電圧透過率特性を測定した。具体的には、偏光板を平行ニコルとして液晶パネルを等方相温度に昇温したときの透過光強度を１００％としたとき、６０Ｈｚの矩形波を印加したときに透過率が４０％になる時の電圧値を測定した。その結果を以下に記す。
【０１３１】
【表１０】
以上のように、ストライプテクスチャーの発生しているパネル（パネルＧ，Ｈ）では駆動電圧は若干高めではあるものの、全てのパネルにおいてほぼ等しく、低電圧駆動が可能であることが確認できた。なお、４０％透過率以外の他のレベルの透過率を得るための駆動電圧についても同様の傾向であることが確認できた。
【０１３３】
またこのときの分子反転の様子を顕微鏡にて観測した。その観測した結果によると、Ｇ，Ｈについては０Ｖにおける黒状態から徐々に電圧を上げていき白状態へと分子が反転する際に、微小ドメインを伴った反転挙動を示していた。次に、パネルＩ〜Ｌについては、観測した限りにおいてはドメインの発生の形跡は見られず、全電圧域において連続した輝度変化が観測された。なお、このドメインの様子は飽和電圧側から０Ｖに向かって電圧を降下させる降電圧側の測定においても同様の様子が観測された。
【０１３４】
また、本実験で用いた液晶パネルは全て負極性の電圧に対しても同じ絶対値の正極性電圧印加の場合の１／１０程度の光学応答が確認され、正負の電圧に対する光学応答の平均値は前状態には依存せず安定した中間調が得られることが確認できた。
【０１３５】
また、本実験で用いた液晶パネルは全て負極性の電圧に対しても同じ絶対値の正極性電圧印加の場合の１／１０程度の光学応答が確認され、正負の電圧に対する光学応答の平均値は前状態には依存せず安定した中間調が得られることが確認できた。
【０１３６】
（３）駆動耐久実験
液晶パネルＧ〜Ｌについて、駆動耐久実験を行った。同じ条件の液晶パネルを２枚用意し、全く同一の特性を示すことを確認した上で一方のパネル（パネル１）を室温下にて５Ｖ、６０Ｈｚの連続駆動（駆動耐久）を１時間行った。また、他方のパネル（パネル２）はそのまま駆動せずに上下電極をショートさせたままにしておいた。そして、パネル１の駆動耐久終了後にパネル１とパネル２に同一条件の電圧を印加して、電圧透過率特性の差があればそのパネルは焼き付いたと判断し、差がなければそのパネルは焼き付かなかったものと判断した。結果を以下に記す。
【０１３７】
【表１１】
【０１３８】
（実施例３）
〔液晶パネルの作製〕
本実施例では、下表に示す９種類の液晶パネルを作製した。
【０１３９】
【表１２】
ガラス基板や透明電極や配向膜の形成方法は実施例２と同じとしたが、一方の基板（アクティブ側基板）の電極には図９に示すようにａ −ＳｉＴＦＴを接続し、他方の基板（カラーフィルター側基板）にはカラーフィルターを配置した。なお、ＴＦＴにおけるストレージキャパシタンス（ＣＳ）は夫々の液晶の容量（ＣＬＣ）と等しくなるように設定した。また、画面サイズは１０．４インチとし、画素数は８００×６００×ＲＧＢとした。さらに、一軸配向処理方向はゲート線と平行になるようにし、反平行ラビングとした。このアクティブ基板側には、ゲート及びソース配線やトランジスタ素子などによる段差がいたるところに存在し、その段差の最大値は８０００Åであった。一方、カラーフィルター側基板における段差の最大値は５００Åであった。
【０１４１】
次に、液晶組成物ＬＣ−１をＣｈ相の温度で基板間隙に注入し、液晶がカイラルスメクチック液晶相を示す温度まで冷却し（冷却速度１℃／ｍｉｎ）、この冷却の際、Ｃｈ−ＳｍＣ＊相転移前後（Ｃｈ−ＳｍＣ＊相転移温度±２℃の範囲）において、−２Ｖのオフセット電圧（直流電圧）を印加した。これにより、上記Ｍ〜Ｕの液晶パネルを得た。
【０１４２】
次に、上述した９種類の液晶パネルＭ〜Ｕについて下記評価を行った。
【０１４３】
（１）配向状態
パネルＭ〜Ｕの液晶の配向状態について偏光顕微鏡観察を行った。室温（３０℃）での観測結果を以下に記す。
【０１４４】
【表１３】
（２）コントラストの測定
パネルＭ〜Ｕについて、トプコン社製ＢＭ７を用いてコントラストを測定した。このとき白を表示させるために、ソース電圧を７Ｖとした。その結果を以下に記す。
【０１４６】
【表１４】
ストライプテクスチャーが発生しない条件でパネルを作製した場合には、いずれの場合もコントラストが２００以上を実現できており、実用上十分高い値が得られることが確認できた。
【０１４８】
またこのときの階調表示の様子を目視にて観測した。その目視観測した結果によると、パネルＭ、Ｐ、Ｓでは全中間調状態において全面均一にスイッチングしていたものの、Ｎ、Ｏ，Ｑ，Ｒ，Ｔ，Ｕは若干パネル面内でしきい値ムラが存在していた。
【０１４９】
つまり、段差の大きいアクティブ基板側における高いプレチルトの制御が厳密にされておらず、それが駆動電圧の微妙な差になってしまい、中間調状態しようとしたときにムラの原因になったことが考えられる。
【０１５０】
次いで、視野角特性について観測した。その結果、パネルＲ，Ｔ，Ｕは相対的に視野角特性が悪かった。一方、それ以外のパネルについては、実用上十分な視野角特性が得られることが確認できた。
【０１５１】
以上、総合特性を満たすパネルとしてパネルＳの条件が適当であるという結果が得られた。
【０１５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、高速応答性を備えた液晶素子において、配向欠陥が無く（つまり、異なる配向領域が無く）広視野角とムラのない均一なスイッチング特性が実現され、優れた階調表示が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブックシェルフ構造から２種類のシェブロン構造ができることを示す模式図。
【図２】斜めブックシェルフ構造から２種類の非対称シェブロン構造ができることを示す模式図。
【図３】基板界面近傍の液晶分子とスメクチック層の関係を表した模式図。
【図４】パラレルラビングの場合の液晶分子の傾斜角の様子と、形成される層構造の様子を表した模式図。
【図５】シェブロンキンクの位置を計算した結果をグラフ化した図。
【図６】両基板が高プレチルトである場合の層傾斜角の様子を表した模式図。
【図７】本発明に係る液晶素子の構造の一例を示す断面図。
【図８】アクティブマトリクス型液晶素子の構造を示す回路図。
【図９】アクティブマトリクス型液晶素子の構造を示す断面図。
【図１０】図８及び図９の等価回路図。
【図１１】液晶素子の駆動方法の一例を示すタイミングチャート図。
【図１２】液晶の層間隔の温度依存性を表す図。
【符号の説明】
１１ａ，１１ｂ 基板
１２ａ，１２ｂ 電極
１３ａ，１３ｂ 絶縁膜
１４ａ，１４ｂ 配向制御膜
１５ 液晶
１６ スペーサー
２０ パネル部
２１ 走査信号ドライバ
２２ 情報信号ドライバ
２４ ＴＦＴ
３２ ゲート電極
３３ ゲート絶縁膜
３４ ａ−Ｓｉ層
３５，３６ ｎ＋ａ−Ｓｉ層
３７ ソース電極
３８ ドレイン電極
３９ チャネル保護膜
４０ 保持容量電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid crystal element using a chiral smectic liquid crystal and a liquid crystal device including the liquid crystal element.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a typical liquid crystal mode of a nematic liquid crystal element widely used as a display element using an active element such as a TFT (Thin Film Transistor) is, for example, M.P. M. Schadt and W.S. The Twisted Nematic mode shown in Applied Physics Letters, Vol. 18, No. 4 (published on Feb. 15, 1971), pages 127-128, written by W. Helfrich, is widely used. I have. On the other hand, recently, a liquid crystal device using an in-plane switching (In-Plane Switching) mode or a vertical alignment (Vertical Alignment) mode using a lateral electric field has been announced, which is a drawback of the conventional liquid crystal device. The viewing angle characteristics have been improved. As described above, several modes exist as liquid crystal modes for use in a TFT display element using a nematic liquid crystal. In any of these modes, the response speed of the liquid crystal is as slow as several tens of milliseconds or more. Improvement in response speed is required.
[0003]
In recent years, several liquid crystal modes using a liquid crystal exhibiting a chiral smectic phase have been proposed to improve the response speed of such a conventional nematic liquid crystal element. For example, "short pitch type ferroelectric liquid crystal", "polymer stable type ferroelectric liquid crystal", "threshold-less antiferroelectric liquid crystal" and the like have been proposed, although not yet commercialized, In any case, it is reported that high-speed response of sub-millisecond or less can be realized.
[0004]
On the other hand, the present inventors have previously described the isotropic liquid phase (Iso.)-Cholesteric phase (Ch) -chiral smectic C phase (SmC*) Or Iso. -SmC*Focusing on a material exhibiting a phase transition series of, a liquid crystal device monostabilized at a position inside the edge of the virtual cone was proposed. And, for example, Ch-SmC*During the phase transition or at Iso. -SmC*The layer direction is made uniform in one direction by applying a positive or negative DC voltage between a pair of substrates at the time of phase transition, whereby high-speed response and gradation control are possible, and moving image quality is improved. An excellent high-brightness liquid crystal element can be realized with high mass productivity. Since this element can reduce the spontaneous polarization value as compared with the above-described various smectic liquid crystal modes, it is an element having good matching with an active element such as a TFT.
[0005]
As described above, a chiral smectic liquid crystal, particularly the above-mentioned monostable liquid crystal element previously proposed by the present inventors, in the sense that the problem relating to the response speed that a TFT liquid crystal element using a conventional nematic liquid crystal has can be solved. The realization of is expected.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-mentioned monostable liquid crystal element, it is desired that the rubbing direction on one substrate side and the rubbing direction on the other substrate side are substantially the same, and the entire panel is C2 aligned (conventional example 1). However, according to experiments by the present inventors, it is extremely difficult to control such C2 alignment over the entire surface of the liquid crystal panel, and in most cases, C1 alignment appears partially, resulting in generation of zigzag defects. I understood.
[0007]
As a method for avoiding such a problem, there is a method using a low pretilt alignment film. However, this method cannot sufficiently solve the problem, and a variation in the voltage-transmittance characteristic in the display surface has occurred. .
[0008]
As a method for preventing such in-plane variation, a rubbing direction on one substrate side and a rubbing direction on the other substrate side are reversed, and a low pretilt alignment film having a pretilt angle of about 3 ° is used. There is a method (conventional example 2). In a state where the stripe texture is observed, since the in-plane variation does not occur due to the difference between C1 and C2 as described above, uniform switching characteristics can be easily obtained over the entire panel. Was.
[0009]
Further, in the case of such an orientation state, an oblique bookshelf structure is formed as a layer structure.
[0010]
However, in the case of such a low pretilt alignment state, slight light leakage occurs even in a normally black and black display state (no voltage is applied), and thus it is considered that the contrast is not essentially large enough. The contrast of the liquid crystal device having the low pretilt alignment film is about 140, which is slightly lower than that of a commercially available TFT liquid crystal device.
[0011]
That is, in the above-described conventional examples 1 and 2, the C1 or C2 orientation or the orientation indicating the stripe texture is used. In the conventional example 1, it is difficult to avoid the in-plane unevenness of the panel. No in-plane characteristic unevenness was observed, and there was no practical problem with contrast, but it was essentially difficult to realize a sufficiently high contrast.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a liquid crystal element and a liquid crystal device that can solve the in-plane variation and achieve a uniform inversion behavior and an improvement in contrast.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has a pair of substrates arranged with a predetermined gap therebetween, a chiral smectic liquid crystal arranged in a gap between these substrates, and sandwiches the chiral smectic liquid crystal. And a liquid crystal element driven by applying a voltage to the liquid crystal through the pair of electrodes,
The direction of the uniaxial orientation treatment applied to one substrate and the direction of the uniaxial orientation treatment applied to the other substrate are substantially the same direction,
The pretilt angle α1 of one substrate is
(Equation 5)
α1> Θ−δ
Where: Θ; tilt angle,
δ: tilt angle of the smectic layer of the chiral smectic liquid crystal with respect to the substrate normal
Where the difference between the pretilt angle α1 and the pretilt angle α2 of the other substrate is
(Equation 6)
α1−α2> 20
It is characterized by the following.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
The present inventors scrutinized Conventional Example 2 described above and focused on the pretilt angle. In Conventional Example 2, the alignment processing directions of the alignment films on the upper and lower substrates are antiparallel to each other (that is, the rubbing direction on one substrate side and the rubbing direction on the other substrate side are opposite directions), and the pretilt angle is Was about 3 ° or less, but Iso. -Ch-SmC*Or Iso. -SmC*More specifically, when a liquid crystal material having a phase transition series of*In the case where a liquid crystal material that does not undergo a phase transition to a smectic A phase (SmA phase) during the phase transition to a phase is used, the problem peculiar to Conventional Example 2 was solved by setting the pretilt angle to a more preferable angle.
[0016]
As shown in FIGS. 7 and 9, a liquid crystal element according to the present invention includes a pair of
[0017]
Then, different pretilt angles are given to the pair of
[0018]
When the directions of the uniaxial orientation treatment are parallel to each other on the pair of substrates (that is, the direction of the uniaxial orientation treatment applied to one substrate and the direction of the uniaxial orientation treatment applied to the other substrate are substantially the same). The pretilt angle α1 of one of the substrates,
[Equation 7]
α1> Θ−δ ... Equation A
Where: Θ; tilt angle,
δ: tilt angle of the smectic layer of the chiral smectic liquid crystal with respect to the substrate normal
And the difference between the pretilt angles of both substrates (that is, the difference between the pretilt angle α1 of one substrate and the pretilt angle α2 of the other substrate) is
(Equation 8)
α1−α2> 20 ° Expression B
And
[0019]
The direction of the uniaxial orientation treatment is antiparallel between the pair of substrates (that is, the direction of the uniaxial orientation treatment applied to one substrate and the direction of the uniaxial orientation treatment applied to the other substrate are opposite). In this case, the pretilt angle α1 of one substrate is
[Equation 9]
α1> Θ−δ ... Equation C
Where: Θ; tilt angle,
δ: tilt angle of the smectic layer of the chiral smectic liquid crystal with respect to the substrate normal
And the pretilt angle α2 of the other substrate is
(Equation 10)
α2 ≦ Θ−δ Equation D
I have to. In this case, one pretilt angle α1 may be set to 15 degrees or more, and the other pretilt angle α2 may be set to 10 degrees or less.
[0020]
Further, this liquid crystal element exhibits monotonic stability when no voltage is applied, and exhibits VT characteristics capable of realizing continuous gradation in which the transmittance T changes continuously according to the voltage value (regardless of positive or negative) when a voltage is applied. I can do it. It is preferable that α1 is a pretilt angle on the substrate side with a larger surface step, and α2 is a pretilt angle on the substrate side with a smaller surface step.
[0021]
Note that the pretilt angle in the present invention is a pretilt angle at the lower limit temperature of the Ch phase when the liquid crystal material used has a Ch phase, and SmC when the liquid crystal material has no Ch phase.*This is the pretilt angle at the maximum temperature of the phase. This is because the value of the pretilt angle, which affects the layer inclination angle when the layer structure is formed for the first time in the temperature lowering process, is the most important. In addition, in the case where the measurement of the pretilt angle at the above temperature is difficult, and there is no temperature dependence of the pretilt angle, or when it is confirmed that the pretilt angle is extremely small, even if the measurement is performed at any other temperature, I don't care. Alternatively, a liquid crystal composition having a similar composition ratio is prepared, and the Ch phase, SmA phase, or SmC phase of the liquid crystal composition is prepared.*It is also possible to substitute the pretilt angle in the phase.
[0022]
The pretilt angle is determined by a known crystal rotation method (Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 119 (1980) No. 10. Short @ Notes @ 2013). The cell for measurement is obtained by bonding two substrates so that the inclination of the liquid crystal at the interface between the upper and lower substrates is parallel and in the same direction (rubbing axes are parallel and opposite directions: antiparallel, antiparallel). It is made. The measurement procedure is as follows. While rotating the liquid crystal element perpendicular to the upper and lower substrates and including the alignment processing axis (rubbing axis), a helium-neon laser beam having a polarization plane forming an angle of 45 ° with the rotation axis is perpendicular to the rotation axis. Irradiation is performed from different directions, and the intensity of transmitted light is measured by a photodiode through a polarizing plate having a transmission axis parallel to the incident polarization plane on the opposite side. Then, a pretilt angle α can be obtained by a simulation that performs fitting with a theoretical curve and the following equation with respect to the spectrum of the transmitted light intensity generated by the interference.
[0023]
[Equation 11]
Thus, when an asymmetric pretilt angle is provided as in the present invention, cooling is performed from the high-temperature side phase and SmC*It is easily predicted that an oblique bookshelf will be formed as the layer structure immediately after the phase transition to the phase. Thereafter, the layers change from an initial state to a tilted structure as the layer interval decreases as the temperature goes down. At this time, there is a possibility of a two-layer structure depending on the inclined direction. That is, in the case of a chevron structure, it is generally expressed as C1 or C2 orientation (see FIG. 1), but when an oblique bookshelf is initially formed, an asymmetric chevron structure is formed. Case exists. These two types are referred to as AC1 (Asymmetric @ Chevron1) and AC2 (Asymmetric @ Chevron2) (see FIG. 2). In the case where the oblique bookshelf structure is formed, there are two types of inclination of the initially formed oblique bookshelf, that is, clockwise inclination or counterclockwise inclination with respect to the substrate normal. Exists. Therefore, the asymmetric chevron structure may have AC3 and AC4 corresponding to the above four types. Although not described in detail here, it has been confirmed by our detailed observation that a loop-like defect is also formed at the boundary between these AC1 and AC2 regions and the AC3 and AC4 regions. In the following, for the sake of simplicity, an alignment state in which only AC1 and AC2 exist will be considered.
[0025]
At this time, if anti-parallel rubbing is performed and the upper and lower pretilt angles are exactly the same, AC1 and AC2 should occur with equal probability. When AC1 and AC2 are generated with a variation in the panel surface, there is a possibility that a defect occurs at a boundary portion between AC1 and AC2. And the display is not uniform. On the other hand, we have succeeded in obtaining uniform orientation by increasing the pre-tilt angle of the upper and lower pre-tilt angles to 10 degrees or more. However, for example, when one substrate has a large step due to a structure on the substrate such as an active element, it is not always easy to provide a high pretilt to both the upper and lower substrates in terms of process. In particular, in the case of a structure in which the upper and lower substrates are supported by a partition wall material, a step of forming a structure corresponding to the cell thickness of the element on one substrate and then performing a uniaxial orientation treatment such as a rubbing treatment may be considered. However, in this case, it is considered that rubbing the substrate side with the partition wall material to impart uniaxial orientation and at the same time uniformly imparting a high pretilt angle in the substrate surface would cause a problem in mass productivity.
[0026]
On the other hand, in the liquid crystal element of the present invention, one of the two types of asymmetric chevron described above is formed by making the one substrate side high pretilt and having the other substrate side low pretilt. Can be uniformly formed by selectively forming. This will be described below.
[0027]
First, an oblique bookshelf structure is formed immediately after the temperature is lowered from the Iso phase or the Ch phase and the phase transitions to the SmC * phase, if the pretilt angle is asymmetric. Thereafter, the structure changes to a structure having a bent layer structure due to a decrease in the layer interval in the SmC * phase. At this time, there are two layer structures, AC1 and AC2, as shown in FIG. I do. At this time, when the asymmetric pretilt angle exists, it is considered that the layer structure is determined by the following restrictions.
[0028]
The first layer structure formation process is an initial layer structure formation immediately below the phase transition to the SmC * phase. At this time, regardless of whether the rubbing direction is parallel or antiparallel, an oblique bookshelf structure is formed in an inclined direction according to the higher pretilt (the side of the substrate having α1 shown in Formula A). The angle of the oblique bookshelf formed at this time with respect to the substrate normal, when following the rising angle of the molecule at the cell center in the cell thickness direction, can be calculated as follows: parallel rubbing (α1−α2) / 2; In this case, it is conceivable in the model that the value of (α1 + α2) / 2 is taken.
[0029]
Next, the second layer structure forming process is a process in which the molecular spacing is reduced in the SmC * phase to form an asymmetric chevron structure. At this time, the case where AC1 and AC2 are formed is first considered by focusing on the substrate side (substrate A) having a high pretilt.
[0030]
Considering the relationship between the molecules near the substrate interface of AC1 and AC2 and the layer tilt angle, as shown in FIG. 3, in one state, the pretilt rising direction and the layer tilt direction match (state 1). On the other hand, in the other state, the rising direction of the pretilt and the direction of the layer inclination are opposite (state 2). This is described in, for example, p. Using the expression in the surface-stabilized ferroelectric liquid crystal element described in 7, the
[0031]
Here, which orientation state is selected is considered in the same manner as the conditions described in the specification of Japanese Patent Application No. 02612503. When the pretilt angle is α, the molecular tilt angle is Θ, and the layer tilt angle is δ,
α ≦ Θ−δ ・ ・ ・ Formula B
When the condition is satisfied, state 2 can be taken. (Although it is described as α−δ> α in the specification of Japanese Patent Application No. 02612503, it is possible to include an equal sign from geometrical considerations.) In this condition, the
[0032]
on the other hand,
α> Θ−δ ・ ・ ・ A
If the condition is satisfied, it is impossible to take the state 2, and only the
[0033]
Next, the opposing substrate side (substrate B) having the lower pretilt is considered. For the substrate B, it is necessary to consider two cases, that is, the case where the rubbing direction is parallel and the case where the rubbing direction is anti-parallel.
[0034]
First, the first embodiment, parallel rubbing, will be described with reference to FIG. In the case of parallel rubbing, when the pretilt angle of the substrate A is α1 and the pretilt angle of the substrate B is α2, the tilt angle αM of the molecule existing at the center in the cell thickness direction is approximately ｛(α1−α2) / 2. ｝ [Degrees]. At this time, as αM approaches zero, the asymmetric chevron formed immediately after the phase transition to the SmC * phase becomes more difficult to be aligned in one direction, so that the above-described loop-shaped defect is more likely to occur. Therefore, it is better to set a large difference between α1 and α2.
[0035]
Furthermore, when parallel rubbing is performed, an asymmetric chevron structure is formed, and when the pretilt angle of the substrate A having a high pretilt satisfies the above [Equation A], inevitably, the expression in the specification of Japanese Patent Application No. The substrate is in the C1 alignment state (the substrate B side also indicates the state 1).
[0036]
In such a case, as described in paragraphs [0042] to [0047] of JP-A-2000-01076, there is a problem that the driving voltage is increased. It is conceivable that this is due to the presence of chevron kinks in the C1 orientation at the center of the cell. That is, in the present liquid crystal element, molecules near the substrate interface are fixed at positions substantially parallel to the uniaxial alignment processing direction, and halftone display is possible by reversing the bulk portion toward the molecular position according to the applied voltage. Although it is an element, it is considered that the presence of a kink interface that is difficult to invert in the molecular inversion region increases the energy required for molecular inversion, causing an increase in driving voltage.
[0037]
On the other hand, by setting the upper and lower pretilt differences as large as about 20 degrees or more as in the element proposed in the present invention, a kink interface that is difficult to invert can be pushed to a layer near the substrate interface that does not originally invert. It is possible. As a result, an increase in driving voltage can be suppressed. This is discussed below by calculation.
[0038]
First, assuming that the cell thickness is t, there is a kink at a point internally divided into s: ts in the cell thickness direction. At the time of initial δ formation immediately after the phase transition to the SmC * phase, when focusing on a certain layer, the position of the layer of the lower substrate (for example, substrate B) is taken as the origin, and when the x-axis is taken in the layer normal direction, the layer The x coordinate x1 of the layer of the upper substrate (for example, substrate A) corresponding toinitThen
(Equation 12)
[0039]
When the layer interval decreases, the x coordinate x2 of the kink position is determined by two calculation methods because it is a (asymmetric) chevron and there are two inclination directions. Therefore, the layer inclination angle δ after the decrease of the layer interval is δrtThen
(Equation 13)
(Equation 14)
[0040]
On the other hand, in the liquid crystal materials used in our study, the relative layer spacing in the normal operating temperature range (where the layer spacing immediately after the phase transition from the high temperature side to the smectic phase is set to 1, and after the layer spacing changes due to temperature decrease). The material showed a relative layer spacing of at least 0.95 or more, and in many cases 0.965 or more. Therefore, it can be seen from FIG. 5 that the kink position can be pushed to a position of 25:75 in the cell thickness direction if the initial δ exists at 10 degrees or more. In other words, at this time, the inversion layer of 50% or more from the center in the cell thickness direction does not have a kink, so that it is possible to suppress an increase in the driving voltage.
[0041]
Well, in terms of the initial δ value, strictly speaking in the actual system, it is thought that the surface energy of the upper and lower substrates, the voltage applied during the phase transition, the temperature difference between the upper and lower substrates during the phase transition, etc. are related, but our examination Within the range, the largest factor that determines the value of the initial δ is the difference between the upper and lower pretilt angles as described above. That is, for example, when the Ch phase exists on the high-temperature side of the SmC * phase, the inclination angle of the central portion of the cell becomes {(α1−α2) / 2} [degree] as described above, and the initial δ almost follows this angle. Is considered to be formed. Therefore, in order to set the initial δ to 10 degrees or more, the upper and lower pretilt differences may be set to 20 degrees or more.
[0042]
In summary, in the case of parallel rubbing, the pretilt angle of one substrate is defined as α> {− δ}.
By setting the value to satisfy the above condition and setting the difference from the value of the other pretilt angle to 20 degrees or more, it is possible to simultaneously realize uniform orientation and reduction of the driving voltage.
[0043]
Next, the second embodiment, antiparallel rubbing, will be considered. In the case of antiparallel rubbing, when the pretilt angle of the substrate A is α1 and the pretilt angle of the substrate B is α2, the tilt angle αM of the molecule existing at the center in the cell thickness direction is approximately {(α1 + α2) / 2}. [Degree]. Therefore, it is considered that the asymmetric chevron formed immediately after the phase transition to the SmC * phase easily aligns in one direction because α1 has a large value to satisfy [Equation A].
[0044]
On the other hand, it is preferable that the pretilt angle of the opposing substrate B is set to be low to satisfy [Equation B].
[0045]
In other words, if the value of the substrate B is set to satisfy the value of [Equation A], there are two possible layer structures to be formed as shown in FIG. 6 when the layer interval is reduced and the layer is bent. FIG. 6A shows a case where the bulk layer has two kinks to satisfy the requirement of both interfaces, and FIG. 6B shows a case where the requirement of one interface is not satisfied. However, FIG. 6A shows a result having two kink interfaces in the inversion layer, and it is predicted that the energy for inversion increases extremely and the driving voltage increases extremely. On the other hand, in FIG. 6B, although it is considered that the driving voltage does not increase so much, since an unstable state is forced at one interface, there is a concern that an unstable factor may occur in reliability such as durability. There is.
[0046]
On the other hand, when the substrate B is set to a value that satisfies [Equation B], the state 2 can be allowed near the substrate B. Therefore, it is possible to realize a uniform layer structure without worrying about reliability as described above.
[0047]
Further, by setting one of the substrates to a high pretilt and the other to a low pretilt, one of the substrates is relatively flat, such as a TFT liquid crystal element, and the other is relatively uneven due to the influence of active elements and metal wiring. In the case of a configuration with a large height, the process load is reduced by increasing the pre-tilt orientation on the substrate side where the pre-tilt control is difficult due to large steps, and the pre-tilt orientation is high on the substrate side where the pre-tilt control is easy with few steps. Becomes possible.
[0048]
By the above operation, in the element in which the pretilt angles of the upper and lower substrates are set as described above, it is possible to realize a highly reliable and high-yield element which has no defect and does not cause an increase in drive voltage.
[0049]
[First Embodiment]
In the liquid crystal device according to the present embodiment, as described above, the uniaxial alignment directions of the upper and lower substrates are parallel (that is, the uniaxial alignment direction applied to one substrate and the uniaxial alignment direction applied to the other substrate). By setting the pre-tilt condition in a specific range that satisfies the above [Equation A] and [Equation B], it is possible to dramatically increase the orientation. . The substrate is uniaxially aligned, and the stable positions of the liquid crystal molecules are aligned in the alignment direction of the substrate.
[0050]
In the present embodiment, the liquid crystal is a chiral smectic C liquid crystal, which is an isotropic liquid phase (Iso.)-Cholesteric phase (Ch phase) -chiral smectic C phase (SmC*Phase) or isotropic liquid phase (Iso.)-Chiral smectic C phase (SmC*A) chiral smectic liquid crystal having a phase transition series is used. That is, during the phase transition of the liquid crystal of this embodiment from the phase on the high temperature side to the chiral smectic C phase (SmC *), the presence of the smectic A phase (SmA) is confirmed by DSC (differential scanning calorimeter). That was not. The liquid crystal is SmC*At the time of phase transition to a phase, if necessary, a positive or negative DC voltage is applied between the substrates to align in only one of the two layer directions, that is, the average uniaxial orientation processing axis and the smectic axis. SmC in which the deviation direction of the layer normal direction is kept constant, and the liquid crystal molecules are stabilized inside the virtual cone edge in the state of no voltage application, and the memory property is lost.*It is possible to obtain a phase alignment state, and to obtain a liquid crystal element which exhibits a further monostable state when no voltage is applied.
[0051]
The chiral smectic liquid crystal used in the present invention is a liquid crystal composition appropriately selected and adjusted from a hydrocarbon-based liquid crystal material having a biphenyl skeleton, a phenylcyclohexane ester skeleton, a phenylpyrimidine skeleton, a naphthalene-based liquid crystal material, and a polyfluoro-based liquid crystal material. A liquid crystal composition using the following compounds (1) to (4) is preferable.
[0052]
Embedded image
X1, X2: Single bond, O, COO, OOC
Y1, Y2, Y3, Y4: H or F
n: 0 or 1
[0053]
Embedded image
X1, X2: Single bond, O, COO, OOC
Y1, Y2, Y3, Y4: H or F
[0054]
Embedded image
X1, X2: Single bond, O, COO, OOC
Y1, Y2, Y3, Y4: H or F
[0055]
Embedded image
X1, X2: Single bond, O, COO, OOC
Y1, Y2, Y3, Y4: H or F
[0056]
The structure of the liquid crystal element according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In the figure,
[0057]
The liquid crystal element shown in the figure is configured by sandwiching a
[0058]
On the
[0059]
Further, on the insulating
[0060]
The
[0061]
In the present embodiment, the uniaxial orientation processing directions (especially, the rubbing direction) of the
[0062]
The
[0063]
In addition to the
[0064]
In the liquid crystal element according to the present embodiment, the composition of the material of the
・ When no voltage is applied, the average molecular axis of the liquid crystal (liquid crystal molecules) shows a mono-stabilized alignment state (first state),
When the voltage of the first polarity is applied, the average molecular axis of the liquid crystal continuously tilts from the position in the first state to one side at an angle corresponding to the magnitude of the applied voltage,
When a voltage having a second polarity opposite to the first polarity is applied, the average molecular axis of the liquid crystal is applied with a voltage having the first polarity from the position in the first state at an angle corresponding to the magnitude of the applied voltage. Tilt to the opposite side from when applying
It is preferable to exhibit characteristics. That is, it is possible to provide a liquid crystal element capable of favorably performing halftone display.
[0065]
Here, the maximum tilt angle when applying the first polarity voltage is β1And the maximum tilt angle when applying the second polarity voltage is β2And β1> Β2And more preferably β1≧ 5 × β2It is desirable to make adjustments such that
[0066]
The helical pitch in the bulk state of the liquid crystal is preferably longer than twice the cell thickness.
[0067]
In the liquid crystal element of the present embodiment, a color filter having at least R (red), G (green), and B (blue) colored portions is provided on one of the
[0068]
The liquid crystal element shown in FIG. 7 is a light transmissive liquid crystal element. Usually, a polarizing plate (not shown) is provided outside both
[0069]
A drive circuit for supplying a gradation signal is connected to the above-described liquid crystal element to constitute a liquid crystal device, and a voltage is applied to continuously change a tilt angle from a monostable position of an average molecular axis of a liquid crystal, and a change from the element. A liquid crystal display device that performs gradation display by utilizing the characteristic that the amount of emitted light changes continuously can be configured. For example, by using an active matrix substrate provided with the above-described TFT or the like as one substrate of a liquid crystal element and performing active matrix driving by amplitude modulation with a driving circuit, analog gray scale display can be performed.
[0070]
An active matrix liquid crystal element as shown in FIGS. 8 to 10 may be used. Here, FIG. 8 is a circuit diagram showing the structure of the active matrix type liquid crystal element, FIG. 9 is a sectional view showing the structure of the active matrix type liquid crystal element, and FIG. 10 is an equivalent circuit diagram thereof.
[0071]
[0072]
In this liquid crystal element, a scanning signal line (gate line) G connected to a
[0073]
Scan signal line G1~ G5Is connected to the gate electrode of the TFT 24 (see
[0074]
In such a configuration, the scanning signal line G is1, G2,... Are line-sequentially selected for scanning, and a gate voltage is supplied. An information signal voltage corresponding to the information to be written to each pixel from the
[0075]
As shown in FIG. 9, the
[0076]
In the configuration of FIG. 9, a
[0077]
An
[0078]
On the other hand, the
[0079]
The cell structure shown in FIG. 9 is sandwiched between a pair of polarizing plates (not shown) whose polarization axes are orthogonal to each other, and is used as a transmissive liquid crystal element.
[0080]
Further, as the active matrix substrate, a substrate provided with a polycrystalline Si (p-Si) TFT can be used.
[0081]
Next, a method for driving the active matrix liquid crystal element shown in FIGS. 8 and 9 will be described with reference to FIG.
[0082]
When driving an active matrix liquid crystal element, for example, a period (one frame) for displaying certain information in one pixel is divided into a plurality of fields (1F and 2F in FIG. 11), and these two fields are averagely predetermined. In order to obtain the amount of transmitted light according to the information. In the following, a liquid crystal exhibiting a sufficient transmitted light intensity when a first polarity voltage is applied and exhibiting a small transmitted light intensity when a reverse polarity voltage is applied (the maximum tilt angle when a first polarity voltage is applied is β1And the maximum tilt angle when applying the second polarity voltage is β2And β1> Β2The following describes a case where a liquid crystal is used.
[0083]
FIG. 11A illustrates a scanning signal line G connected to a pixel when focusing on one pixel.iShows the voltage applied to. In this type of liquid crystal element, the scanning signal line G1, G2Are line-sequentially selected for each field, and one scanning signal line has a selection period TonAt a predetermined gate voltage VgIs applied, and the voltage VgIs added, and the
[0084]
FIG. 11B shows an information signal line S connected to the pixel.jShows the voltage applied to. This information signal line SjHas a gate voltage VgSelection period T of each field so as to synchronize with the application ofonA predetermined source voltage (information signal voltage) Vs(The reference potential is the potential V of the common electrode 12a.cIs applied.
[0085]
Here, in a first field (1F) constituting one frame, information written in the pixel, for example, an optical state or display information to be obtained in the pixel based on a voltage-transmittance characteristic corresponding to a liquid crystal to be used. Level V according to (transmittance)xIs applied. At this time, since the
[0086]
Next, the selection period T of the second field (2F)onIn the
[0087]
FIG. 11C shows the liquid crystal capacitance C of the pixel as described above.lcAnd holding capacity CsVoltage actually held and applied to the liquid crystalpixFIG. 11D schematically shows the actual optical response of the liquid crystal in the pixel with the amount of transmitted light (%) in the darkest state of 0%. As shown in FIG. 11C, the applied voltages through the two
[0088]
In the active matrix driving as described above, gradation display based on good high-speed response using a chiral smectic liquid crystal becomes possible, and at the same time, gradation display at a level of one pixel is achieved by obtaining a high transmission light amount. Since it is divided into a field and a second field that obtains a low transmitted light amount and is continuously performed, the time aperture ratio is 50% or less, and the high-speed moving image response characteristics perceived by human eyes are also improved. To obtain the effect, β shown above1And β2Is related to β1≧ 5 × β2It is preferable that
[0089]
Further, in the second field, the transmitted light amount does not become completely zero due to the slight switching operation of the liquid crystal molecules, so that the luminance perceived by human eyes during the entire frame period is secured. Further, since a voltage of a similar level can be applied to the
[0090]
In the above-described active matrix driving, T is used for one frame including two fields.xAnd TyIs obtained. Therefore, the source voltage VsIs applied by selecting and applying a voltage value at which a large amount of transmitted light can be obtained by a predetermined level according to image information (gradation information) to be actually obtained by the pixel in the frame. In one
[0091]
It should be noted that a liquid crystal display device in which the liquid crystal element of the present embodiment is combined with the RGB light sources by applying the above driving method can also be provided. It is also possible to use such a liquid crystal display device, and to use a method of performing full-color display using color mixture by time division without using a color filter as necessary.
[0092]
[Second embodiment]
In the liquid crystal element according to the present embodiment, as described above, the directions of the uniaxial alignment processing on the upper and lower substrates are antiparallel (that is, the direction of the uniaxial alignment processing performed on one substrate and the direction of the uniaxial alignment processing performed on the other substrate). (The direction of the alignment treatment is the opposite direction), and the pretilt condition is in a specific range that satisfies the above [Equation C] and [Equation D]. The other points are the same as in the first embodiment. According to the present embodiment, it is possible to achieve both the elimination of unevenness in the panel surface and the high contrast ratio.
[0093]
Next, effects of the present embodiment will be described.
[0094]
According to the present embodiment, in a liquid crystal element having a high-speed response, a wide viewing angle and uniform switching characteristics without unevenness are realized without alignment defects (that is, without different alignment regions), and excellent gradation is achieved. Display becomes possible.
[0095]
When no voltage is applied, the voltage is monostable, and when a voltage is applied, a VT characteristic without a threshold value in which the transmittance T continuously changes (increases) according to a voltage value (regardless of positive or negative) can be exhibited. .
[0096]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.
[0097]
(Example 1)
(Adjustment of liquid crystal composition)
The following liquid crystal compound was mixed to prepare a liquid crystal composition LC-1. The numerical values described in the structural formula are weight ratios at the time of mixing.
[0098]
Embedded image
The physical property parameters of the liquid crystal composition LC-1 are shown below.
Phase transition temperature (° C.): Iso. → 87.4 → Ch → 64.2 → SmC * → −6.7 → Cry
Spontaneous polarization (30 ° C.): Ps = 5.2 nC / cm2
Tilt angle (30 ° C.): Θ = 28.1 ° (100 Hz, ± 12.5 V, cell gap = 1.4 μm)
SmC*Spiral pitch in phase (30 ° C): 20 μm or more
FIG. 12 shows the temperature dependency of the layer interval. In this figure, it is represented as a relative value with the layer interval formed first at the time of phase transition as 1.
[0100]
In addition, the measuring method of each physical property parameter of a liquid crystal composition is as follows.
[0101]
[Method of measuring spontaneous polarization]
Spontaneous polarization is described in Miyasato et al., "Method for Direct Measurement of Spontaneous Polarization of Ferroelectric Liquid Crystal by Triangular Waves" (Journal of the Japan Society of Applied Physics, 22, 10, (661) 1983, "Direct Method Method with Triangular Waves for Measuring Spontaneous Licensing, University of California, California, Canada) The measurement was performed by desscribed by K. Miyasato et al. (Jap. J. appl. Phys. 22. No. 10, L661 (1983)).
[0102]
[Measurement of tilt angle Θ]
While applying ± 12.5 to ± 50 V, 1 to 100 Hz AC (alternating current) between the upper and lower substrates of the liquid crystal element via electrodes, the liquid crystal element disposed therebetween is rotated in parallel with the polarizing plate under orthogonal Nicols. At the same time, the first extinction position (the position where the transmittance becomes lowest) and the second extinction position are obtained while detecting the optical response with a photomultiplier (manufactured by Hamamatsu Photonics). Then, a half of the angle from the first extinction position to the second extinction position at this time is defined as a tilt angle Θ.
[0103]
(Measurement of layer spacing of liquid crystal layer)
The layer spacing of the liquid crystal was determined by applying a bulk liquid crystal on a sample glass and performing 2θ / θscan in the same manner as in ordinary powder X-ray diffraction.
[0104]
(Measurement of tilt angle δ of liquid crystal layer)
Basically, the method performed by Clark and Lagerwal (Japan @ Display '86, Sep. 30-Oct. 2, 1986, 456-458) or the method of Ouchi et al. 27 (5) (1988) 725-728). As a measuring device, a rotating cathode X-ray diffractometer (manufactured by MAC Sysense) was used. In order to reduce the absorption of X-rays to the glass substrate of the liquid crystal cell, a microsheet (80 μm) manufactured by Corning was used for the substrate. Was.
[0105]
[Production of liquid crystal panel]
In this example, six types of liquid crystal panels shown in the following table were produced.
[0106]
[Table 1]
・ Apply a commercially available TFT alignment film (“JALS2022-R1” manufactured by JSR) by spin coating.
・ After pre-drying at 80 ° C for 5 minutes, heat and bake at 200 ° C for 1 hour.
Formed. In addition, the thickness of the alignment film was adjusted by, for example, spinning the number of spins, appropriately diluting the solid content concentration using a diluent ACT-651 dedicated to JALS2022 manufactured by JSR Corporation, and applying the diluted solution.
[0107]
Subsequently, the polyimide film on the substrate was subjected to a rubbing treatment with a nylon cloth as a uniaxial orientation treatment. The conditions for the rubbing treatment were as follows: a rubbing roll in which a nylon cloth ("NF-77" manufactured by Teijin Limited) was adhered to a roll having a diameter of 10 cm, a pushing amount of 0.3 mm, a feeding speed of 10 cm / sec, a rotation speed of 1,000 rpm, and a feeding frequency. Four times.
[0108]
Subsequently, silica beads having an average particle size of 1.5 μm were scattered as spacers on one of the substrates, and bonded so that the rubbing directions of the respective substrates were parallel to each other, to obtain cells having a uniform cell gap ( Six types of cells A to F described above were obtained).
[0109]
Next, the liquid crystal composition LC-1 was injected into the gap between the substrates at the temperature of the Ch phase, and cooled to a temperature at which the liquid crystal exhibited a chiral smectic liquid crystal phase (cooling rate: 1 ° C./min).*Before and after the phase transition (Ch-SmC * phase transition temperature ± 2 ° C range), an offset voltage (DC voltage) of -2 V was applied. Thus, the liquid crystal panels A to F were obtained.
[0110]
The values of the layer inclination angle δ at room temperature were as follows.
[0111]
[Table 2]
[0112]
[Table 3]
For measurement of the pretilt angle, three types of liquid crystal panels having the alignment film thicknesses as described in (1) to (3) above were produced by the same method as described above. The average particle size of the silica beads was 9 μm, and the rubbing directions of the substrates were antiparallel to each other. Further, the liquid crystal composition LC-1 was injected, the temperature was raised to 62 ° C. (Ch phase), and the pretilt angle α was measured by the above-described crystal rotation method. As a result, the pretilt angles were as follows.
[0114]
[Table 4]
[0115]
(1) Orientation state
The polarization state of the liquid crystal in panels A to F was observed with a polarizing microscope. The observation results at room temperature (30 ° C.) are described below.
[0116]
[Table 5]
[0117]
(2) Optical response by applying rectangular wave
The voltage transmittance characteristics of the liquid crystal panels A to F were measured using a polarizing microscope. Specifically, assuming that the transmitted light intensity when the liquid crystal panel is heated to the isotropic phase temperature by using a polarizing plate as parallel Nicols is 100%, the transmittance becomes 40% when a rectangular wave of 60 Hz is applied. The voltage value at the time was measured. The results are described below.
[0118]
[Table 6]
As described above, it can be seen that the driving voltage is considerably high in the panels having the symmetric pretilt (panels A, D, and F). On the other hand, the effect of reducing the drive voltage by providing asymmetry is obtained. Further, by increasing the asymmetry of the upper and lower pretilts, the driving voltage for obtaining a 40% transmittance can be greatly reduced (see panel C). It was confirmed that the driving voltage for obtaining a transmittance of a level other than the 40% transmittance had the same tendency.
[0120]
The state of the molecular inversion at this time was observed with a microscope. According to the result of the observation, for the panels A, D and F, when the voltage is gradually increased from the black state at 0 V and the molecules are inverted to the white state, the overall luminance is continuously reduced on the very low voltage side. Although increasing, a very distinct domain was generated after a certain halftone voltage, indicating an inversion in which the overall brightness increased as the domain area increased. Next, the panels B and E were not as clear as the panels A, D and F, but the state of domain inversion was confirmed. Finally, in panel C, no trace of generation of a domain was observed as far as observed, and a continuous luminance change was observed in the entire voltage range. The same state of the domain was observed in the measurement on the voltage drop side where the voltage was dropped from the saturation voltage side to 0 V.
[0121]
In addition, the liquid crystal panels used in this experiment all showed an optical response of about 1/10 of the case of applying the same absolute value of the positive voltage to the negative voltage, and the average value of the optical response to the positive and negative voltages. It was confirmed that a stable halftone was obtained regardless of the previous state.
[0122]
(Example 2)
[Production of liquid crystal panel]
In this example, six types of liquid crystal panels shown in the following table were produced.
[0123]
[Table 7]
The method for forming the glass substrate, the transparent electrode and the alignment film, and the average particle diameter of the silica beads were the same as those in Example 1, but the rubbing directions of the substrates were antiparallel to each other when the substrates were bonded. .
[0125]
Next, the liquid crystal composition LC-1 was injected into the gap between the substrates at the temperature of the Ch phase, and cooled to a temperature at which the liquid crystal exhibited a chiral smectic liquid crystal phase (cooling rate: 1 ° C./min).*Before and after the phase transition (Ch-SmC * phase transition temperature ± 2 ° C range), an offset voltage (DC voltage) of -2 V was applied. As a result, the liquid crystal panels of GL described above were obtained.
[0126]
The values of the layer inclination angle δ at room temperature were as follows.
[0127]
[Table 8]
[0128]
(1) Orientation state
The alignment state of the liquid crystal of the panels G to L was observed with a polarizing microscope. The observation results at room temperature (30 ° C.) are described below.
[0129]
[Table 9]
[0130]
(2) Optical response by applying rectangular wave
The voltage transmittance characteristics of the liquid crystal panels G to L were measured using a polarizing microscope. Specifically, assuming that the transmitted light intensity when the liquid crystal panel is heated to the isotropic phase temperature by using a polarizing plate as parallel Nicols is 100%, the transmittance becomes 40% when a rectangular wave of 60 Hz is applied. The voltage value at the time was measured. The results are described below.
[0131]
[Table 10]
As described above, although the driving voltage was slightly higher in the panels in which the stripe texture was generated (panels G and H), it was confirmed that the driving voltage was almost the same in all the panels, and low voltage driving was possible. It was confirmed that the driving voltage for obtaining a transmittance of a level other than the 40% transmittance had the same tendency.
[0133]
The state of the molecular inversion at this time was observed with a microscope. According to the results of the observation, G and H showed a reversal behavior accompanied by minute domains when the voltage was gradually increased from a black state at 0 V and the molecules were reversed to a white state. Next, as far as the panels I to L were observed, there was no evidence of the occurrence of domains, and a continuous luminance change was observed in the entire voltage range. The same state of the domain was observed in the measurement on the voltage drop side where the voltage was dropped from the saturation voltage side to 0 V.
[0134]
In addition, the liquid crystal panels used in this experiment all showed an optical response of about 1/10 of the case of applying the same absolute value of the positive voltage to the negative voltage, and the average value of the optical response to the positive and negative voltages. It was confirmed that a stable halftone was obtained regardless of the previous state.
[0135]
In addition, the liquid crystal panels used in this experiment all showed an optical response of about 1/10 of the case of applying the same absolute value of the positive voltage to the negative voltage, and the average value of the optical response to the positive and negative voltages. It was confirmed that a stable halftone was obtained regardless of the previous state.
[0136]
(3) Drive endurance experiment
Drive endurance experiments were performed on the liquid crystal panels G to L. Two liquid crystal panels under the same conditions were prepared, and after confirming that they exhibited exactly the same characteristics, one of the panels (panel 1) was continuously driven at 5 V and 60 Hz (drive durability) at room temperature for 1 hour. . The other panel (panel 2) was not driven and the upper and lower electrodes were short-circuited. After the driving durability of the
[0137]
[Table 11]
[0138]
(Example 3)
[Production of liquid crystal panel]
In this example, nine types of liquid crystal panels shown in the following table were produced.
[0139]
[Table 12]
The method of forming the glass substrate, the transparent electrode, and the alignment film was the same as in Example 2, but an a 電極 -Si TFT was connected to the electrode of one substrate (active side substrate) as shown in FIG. A color filter was disposed on the color filter side substrate). Note that the storage capacitance (CS) Is the capacity of each liquid crystal (CLC). The screen size was 10.4 inches, and the number of pixels was 800 × 600 × RGB. Further, the direction of the uniaxial alignment treatment was made parallel to the gate line, and antiparallel rubbing was performed. On the active substrate side, steps due to gate and source wirings, transistor elements, and the like exist everywhere, and the maximum value of the steps was 8000 °. On the other hand, the maximum value of the step on the color filter side substrate was 500 °.
[0141]
Next, the liquid crystal composition LC-1 was injected into the gap between the substrates at the temperature of the Ch phase, and cooled to a temperature at which the liquid crystal exhibited a chiral smectic liquid crystal phase (cooling rate: 1 ° C./min).*Before and after the phase transition (Ch-SmC * phase transition temperature ± 2 ° C range), an offset voltage (DC voltage) of -2 V was applied. Thereby, the liquid crystal panels of the above M to U were obtained.
[0142]
Next, the nine types of liquid crystal panels M to U described above were evaluated as follows.
[0143]
(1) Orientation state
Polarization microscope observation was performed on the alignment state of the liquid crystals of panels MU. The observation results at room temperature (30 ° C.) are described below.
[0144]
[Table 13]
(2) Measurement of contrast
Contrast of the panels M to U was measured using BM7 manufactured by Topcon Corporation. At this time, the source voltage was set to 7 V in order to display white. The results are described below.
[0146]
[Table 14]
When the panel was manufactured under the condition that the stripe texture did not occur, the contrast was 200 or more in each case, and it was confirmed that a practically high value was obtained.
[0148]
Further, the state of the gradation display at this time was visually observed. According to the result of the visual observation, in the panels M, P, and S, the switching was performed uniformly in all the halftone states, but N, O, Q, R, T, and U were slightly uneven in the threshold value in the panel surface. Existed.
[0149]
In other words, the control of the high pretilt on the side of the active substrate having a large step is not strictly controlled, which results in a subtle difference in the drive voltage, which causes unevenness when trying to achieve a halftone state. Conceivable.
[0150]
Next, the viewing angle characteristics were observed. As a result, the panels R, T, and U had relatively poor viewing angle characteristics. On the other hand, for other panels, it was confirmed that practically sufficient viewing angle characteristics were obtained.
[0151]
As described above, the result that the condition of the panel S is appropriate as a panel satisfying the overall characteristics was obtained.
[0152]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a liquid crystal device having a high-speed response, a wide viewing angle and uniform switching characteristics without unevenness are realized without alignment defects (that is, without different alignment regions). Gray scale display becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing that two types of chevron structures can be formed from a bookshelf structure.
FIG. 2 is a schematic view showing that two types of asymmetric chevron structures can be formed from an oblique bookshelf structure.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a relationship between liquid crystal molecules near a substrate interface and a smectic layer.
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a state of a tilt angle of liquid crystal molecules and a state of a formed layer structure in the case of parallel rubbing.
FIG. 5 is a graph showing the result of calculating the position of a chevron kink.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a state of a layer inclination angle when both substrates have a high pretilt.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an example of the structure of a liquid crystal element according to the present invention.
FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a structure of an active matrix liquid crystal element.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of an active matrix liquid crystal element.
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of FIGS. 8 and 9;
FIG. 11 is a timing chart illustrating an example of a method for driving a liquid crystal element.
FIG. 12 is a diagram showing the temperature dependence of a layer interval of a liquid crystal.
[Explanation of symbols]
11a, 11b substrate
12a, 12b electrode
13a, 13b insulating film
14a, 14b orientation control film
15 liquid crystal
16mm spacer
20mm panel
21 ° scanning signal driver
22 Information signal driver
24 TFT
32mm gate electrode
33 gate insulating film
34 a-Si layer
35,36 n+a-Si layer
37 source electrode
38 drain electrode
39 channel protective film
40 storage capacitor electrode
Claims (10)
一方の基板に施された一軸配向処理の方向と、他方の基板に施された一軸配向処理の方向とが略同じ方向であり、
一方の基板のプレチルト角α１が、
【式１】
α１＞Θ−δ
ここで、Θ；チルト角、
δ；カイラルスメクチック液晶のスメクチック層の基板法線に対する傾斜角
であり、該プレチルト角α１と、他方の基板のプレチルト角α２との差が、
【式２】
α１−α２＞２０
である、
ことを特徴とする液晶素子。A pair of substrates arranged with a predetermined gap therebetween, a chiral smectic liquid crystal arranged in a gap between these substrates, and a pair of electrodes arranged so as to sandwich the chiral smectic liquid crystal; A liquid crystal element driven by applying a voltage to the liquid crystal through the electrodes of
The direction of the uniaxial orientation treatment applied to one substrate and the direction of the uniaxial orientation treatment applied to the other substrate are substantially the same direction,
The pretilt angle α1 of one substrate is
(Equation 1)
α1> Θ−δ
Where: Θ; tilt angle,
δ is the tilt angle of the smectic layer of the chiral smectic liquid crystal with respect to the substrate normal, and the difference between the pretilt angle α1 and the pretilt angle α2 of the other substrate is:
[Equation 2]
α1−α2> 20
Is,
A liquid crystal element characterized by the above-mentioned.
一方の基板に施された一軸配向処理の方向と、他方の基板に施された一軸配向処理の方向とが逆方向であり、
一方の基板のプレチルト角α１が、
【式３】
α１＞Θ−δ
ここで、Θ；チルト角、
δ；カイラルスメクチック液晶のスメクチック層の基板法線に対する傾斜角
であり、他方の基板のプレチルト角α２が、
【式４】
α２≦Θ−δ
である、
ことを特徴とする液晶素子。A pair of substrates arranged with a predetermined gap therebetween, a chiral smectic liquid crystal arranged in a gap between these substrates, and a pair of electrodes arranged so as to sandwich the chiral smectic liquid crystal; A liquid crystal element driven by applying a voltage to the liquid crystal through the electrodes of
The direction of the uniaxial orientation treatment applied to one substrate and the direction of the uniaxial orientation treatment applied to the other substrate are opposite directions,
The pretilt angle α1 of one substrate is
[Equation 3]
α1> Θ−δ
Where: Θ; tilt angle,
δ is the tilt angle of the smectic layer of the chiral smectic liquid crystal with respect to the substrate normal, and the pretilt angle α2 of the other substrate is
(Equation 4)
α2 ≦ Θ−δ
Is,
A liquid crystal element characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項２に記載の液晶素子。The pretilt angle α1 is 15 degrees or more, and the pretilt angle α2 is 10 degrees or less;
The liquid crystal device according to claim 2, wherein:
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液晶素子。The chiral smectic liquid crystal is a chiral smectic C liquid crystal having a phase transition series of isotropic liquid phase-cholesteric phase-chiral smectic C phase, or isotropic liquid phase-chiral smectic C phase from a high temperature side.
The liquid crystal device according to claim 1, wherein:
第一の極性の電圧印加時には、該液晶の平均分子軸が印加電圧の大きさに応じた角度で連続的に一方の側にチルトし、
該第一の極性とは逆極性の第二の極性の電圧印加時には、液晶の平均分子軸が印加電圧の大きさに応じた角度で他方の側にチルトし、
前記第一の極性の電圧印加時における最大チルト角をβ１とし、前記第二の極性の電圧印加時における最大チルト角をβ２とした場合に、β１＞β２となる、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液晶素子。When no voltage is applied, the liquid crystal shows an alignment state in which the average molecular axis is monostable,
When a voltage of the first polarity is applied, the average molecular axis of the liquid crystal continuously tilts to one side at an angle corresponding to the magnitude of the applied voltage,
At the time of applying a voltage of a second polarity having a polarity opposite to the first polarity, the average molecular axis of the liquid crystal tilts to the other side at an angle corresponding to the magnitude of the applied voltage,
When the maximum tilt angle at the time of applying the first polarity voltage is β 1 and the maximum tilt angle at the time of applying the second polarity voltage is β 2 , β 1 > β 2 .
The liquid crystal device according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項５に記載の液晶素子。β 1 ≧ 5 × β 2 ,
The liquid crystal device according to claim 5, wherein:
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液晶素子。A helical pitch of the liquid crystal in a bulk state is longer than twice the cell thickness;
The liquid crystal device according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液晶素子。Light transmission type,
The liquid crystal device according to claim 1, wherein:
前記α２は、表面段差が小さい方の基板側のプレチルト角である、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の液晶素子。Α1 is the pretilt angle on the substrate side with the larger surface step,
Α2 is a pretilt angle on the substrate side having a smaller surface step.
The liquid crystal device according to any one of claims 1 to 8, wherein:
ことを特徴とする液晶装置。A liquid crystal device according to any one of claims 1 to 9,
A liquid crystal device characterized by the above-mentioned.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2002162065A JP2004012543A (en) | 2002-06-03 | 2002-06-03 | Liquid crystal element and liquid crystal device equipped with the same |
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ID=30430940
Family Applications (1)
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| Country | Link |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006023730A (en) * | 2004-06-11 | 2006-01-26 | Dainippon Printing Co Ltd | Liquid crystal display element |
| JP2006323222A (en) * | 2005-05-19 | 2006-11-30 | Dainippon Printing Co Ltd | Liquid crystal display element and method for manufacturing liquid crystal display element |
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-
2002
- 2002-06-03 JP JP2002162065A patent/JP2004012543A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006023730A (en) * | 2004-06-11 | 2006-01-26 | Dainippon Printing Co Ltd | Liquid crystal display element |
| JP2006323222A (en) * | 2005-05-19 | 2006-11-30 | Dainippon Printing Co Ltd | Liquid crystal display element and method for manufacturing liquid crystal display element |
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