JP2547974B2 - スメクチック液晶デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示素子や液晶−
光シヤツタ等で用いる強誘電性スメクチック液晶デバイ
ス及びその製造方法に関し、更に詳しくは液晶分子の初
期配向状態を改善することにより、表示特性を改善した
スメクチック液晶デバイスおよびその製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【背景技術】強誘電性液晶分子の屈折率異方性を利用し
て偏光素子との組み合わせにより透過光線を制御する型
の表示素子がクラーク（ＣｌａｒＫ）及びラガーウオル
（Ｌａｇｅｒｗａｌｌ）により提案されている。（特開
昭５６−１０７２１６号公報、米国特許第４３６７９２
４号明細書等）。この強誘電性液晶は、一般的に特定の
温度域において、カイラルスメクチックＣ相（Ｓｍ
Ｃ^*）又はＨ相（ＳｍＨ^*）を有し、この状態において、
加えられる電界に応答して第１の光学的安定状態と第２
の光学的安定状態のいずれかを取り、且つ電界の印加の
ないときはその状態を維持する性質、すなわち双安定性
を有し、また電界の変化に対する応答も速やかであり、
高速ならびに記憶型の表示素子としての広い利用が期待
されている。しかしながら、この双安定性を有する液晶
を用いた光学変調素子が所定の駆動性を発揮するために
は、一対の平行基板間に配置される液晶が、電界の印加
状態とは無関係に、上記２つの安定状態の間での変換が
効果的に起こるような分子配列状態にあることが必要で
ある。たとえばＳｍＣ^*またはＳｍＨ^*相を有する強誘電
性液晶については、ＳｍＣ^*またはＳｍＨ^*相を有する液
晶分子相が基板面に対して垂直で、したがって液晶分子
軸が基板面にほぼ平行に配列した領域（モノドメイン）
が形成される必要がある。

【０００３】このような強誘電性液晶の配向方法として
は、従来のＴＮ型液晶表示装置におけると同様に、ま
ず、ラビング法や斜方蒸着により、液晶セル内の基板面
に、物理的なキズを付した有機薄膜、無機蒸着膜、有機
薄膜を形成して分子の配列方向性を与えたものであっ
た。例えば、ラビング法は、図１（ａ）に示すように、
ガラス基板１１上に透明電極１２を形成した後、有機分
子膜１３を形成してそれをビロードなどの布で一方向へ
こすり、膜表面についた微細なキズによって液晶分子を
整列させる方法である。また斜方蒸着法は、図１（ｂ）
に示されるように有機分子膜の替りにＳｉＯなどの無機
物の膜１４を、基板を傾けて行なう蒸着、すなわち斜方
蒸着により形成するものである。

【０００４】強誘電性液晶独自の配向方式としては、ガ
ラス基板を上下にこすり合わせて、液晶分子を配列させ
る方法や、ポリエチレンテレフタレートシートをスペー
サーとして、セルの間隙を形成し、そのエッジの方向性
を利用するものなどがある。

【０００５】しかしながら、従来の双安定性を有する液
晶を用いる液晶素子においては、このようなモノドメイ
ン構造を有する液晶の配向状態が必ずしも満足に形成さ
れなかったために、充分な特性が得られなかったのが実
情である。

【０００６】〔発明の目的〕本発明の目的は、強誘電性
液晶を用いた液晶素子において、均一なモノドメインの
初期配向状態を実現することによって、表示並びに駆動
特性を改善したスメクチック液晶デバイスおよびその製
造方法を提供することにある。

【０００７】〔発明の要約〕 本発明は、第１に、それぞれが電極構造を担持してお
り、少なくとも一方の壁面が液晶分子を配向させる様に
処理した２つのセル壁の間に収容されているカイラルス
メクチック液晶材料の層と、第１の直線偏光子と第２の
偏光子とを含んで成る液晶デバイスであって、該液晶材
料は、 （ａ）通常のデバイス動作温度における複数の切換え状
態を生じるカイラルスメクチックＣ相並びにそれより高
い周囲温度以上の温度におけるスメクチックＡ相及びコ
レステリック相と、 （ｂ）コレステリック相の温度領域の中間の温度におけ
る層の厚さの０．５倍以上のコレステリックピッチと、 （ｃ）コレステリック相の温度領域において低い温度に
向かって、長くなるコレステリックピッチと、 （ｄ）層の厚さ以上のカイラルスメクチックＣピッチ
と、 （ｅ）強誘電特性係数と、 （ｆ）少なくとも一種の左旋性コレステリック捩じれ方
向を有する材料成分と、 （ｇ）少なくとも一種の右旋性コレステリック捩じれ方
向を有する材料成分と、を有し、ただし、 （ｈ）該左旋性及び右旋性材料成分は、組み合わさって
成るコレステリックピッチを有し、 （ｉ）該左旋性及び右旋性材料成分は、加算されて成る
強誘電性特性を有する、ものである液晶デバイスに、第
１の特徴を有し、本発明は、第２に、液晶デバイスの製
造方法であって、内側表面に電極構造が形成されてお
り、少なくとも一方の壁表面が液晶の配向が得られるよ
うに処理された２つのセル壁を、その中に液晶材料の層
を収容する様に間隔をあけて設ける段階と、カイラルス
メクチックＣ相と等方相との間で、周囲温度以上の高温
においてスメクチックＡ相及びコレステリック相を有
し、コレステリック相の温度領域の中間の温度において
層の厚さの０．５倍以上のコレステリックピッチを有
し、コレステリック相の温度領域において低い温度に向
かって長くなるコレステリックピッチを有し、カイラル
スメクチックＣ相において強誘電性特性係数を有し、カ
イラルスメクチックＣ相におけるピッチが層の厚さ以上
であるカイラルスメクチック液晶材料を用意する段階
と、該壁の間の空間に液晶材料を導入して密封する段階
と、液晶材料をコレステリック相及びスメクチックＡ層
からカイラルスメクチックＣ層へと冷却する段階と、を
含んで成る製造方法に、特徴を有している。

【０００８】

【実施例】前述した配向処理法を用いて、強誘電性液晶
を配向させようとした場合、強誘電性液晶の物性の違い
によって、配向状態が大きく異なっている。このような
物性の違いとしては例えば相系列の違いを挙げることが
できる。強誘電性液晶における相系列としては次の４通
りのパターンが知られている。

【０００９】 （Ｉｓｏ；等方相、Ｃｈ；コレステリック相、ＳｍＡ；
スメクチックＡ相）

【００１０】本発明者等は前述の相系列とＳｍＣ^*の配
向性の良否を研究した結果、前述（ｉ）の相系列をもつ
液晶材料が他の相系列をもつものに比べて比較的配向性
が高いことを見い出した。

【００１１】より具体的には、例えば一軸性配向処理法
としてはラビング法を用いた実験では、（ｉｉ）の相系
列に属するもの、例えばＤＯＢＡＭＢＣ（Ｐ−デシロキ
シベンジリデン−Ｐ′−アミノ−２−メチルブチルシン
ナメート）、（ｉｉｉ）の相系列に属するもの、例えば
下述の８０Ｂ、あるいは（ｉｖ）の相系列に属するも
の、例えばＭＯＲＡ−８は如何にラビングの条件を選定
しても完全な配向状態は得難かったのに対し、（ｉ）の
相系列に属する適当な混合液晶においては、他の系列に
属するものに比べるとはるかに良好な配向状態が得られ
ることが判明した。相系列に対して、この様な条件が付
与される理由としては、等方相からカイラルな層構造を
もつＳｍＣ^*またはＳｍＨ^*相への一連の相転移におい
て、（ｉ）の相系列の如く対称性が逐次的に低下してい
くものでは、比較的無理なスメクチック相の分子配列が
実現されるものと考えることができる。しかしながら、
本発明者らの研究によれば、下記で詳述する様に（ｉ）
の相系列をもつもの全てが配向しやすい訳ではなく、少
なくとも、（ｉ）の相系列をもつことが良好な配向を得
るための十分条件ではないことを見い出した。

【００１２】さらに、本発明者らは（ｉ）の相系列をも
つものと配向性との関係を詳細に研究した結果、同じ
（ｉ）の相系列に属する液晶材料であっても、Ｃｈ相と
ＳｍＡ相の温度範囲が共に広いもの、好ましくはともに
５℃以上の温度範囲を有するものは、特に配向性が向上
することを見い出した。

【００１３】このような知見に基づき、本発明者等は等
方相から層構造、（ＳｍＡ相）への中間状態として、分
子配列の急激な変化を緩和する作用をもつと考えられる
Ｃｈ相に注目し、Ｃｈ相の特性とカイラメスメクチック
相の配向性との関係を詳細に調べた結果、カイラルスメ
クチック相での配向性は、Ｃｈ相のらせんピッチの絶対
値及びＣｈ相のらせんピッチと液晶層の厚さとの関係に
支配されていることを見い出した。さらに詳しくは、Ｃ
ｈ相のらせんピッチが０．８μｍ以上であり、該コレス
テリック相のらせんピッチ（Ｐ；μｍ）と一対の基板の
間隔〔液晶層の厚さ〕（ｄ；μｍ）との比（Ｐ／ｄ）が
０．５〜１０以下である条件においても著しく配向性が
向上することを見い出した。

【００１４】以下、図面に従って、本発明における実施
例を述べる。

【００１５】図１は、本発明を実施する為に用いる液晶
セルの一例の模式斜視図である。このセルは、単純なド
ットマトリクス方式で形成された液晶セルであり、一対
の平行なガラス基板２１ａ、２１ｂのそれぞれに、互い
にほぼ直交する関係にあるストライプ状の透明電極パタ
ーン２２ａ、２２ｂ（例えばインジウム（Ｉｎ）−テイ
ン（Ｓｎ）−オキサイド膜などにより形成）を形成し、
基板面には絶縁物質による被膜、例えばポリイミド、ポ
リビニルアルコールやポリアミド等の有機高分子膜が塗
布され、その表面には、一軸性配向処理として、ラビン
グ処理が施され、基板２１ａと２１ｂの両側にクロスニ
コルの偏光子（図示せず）が配置されている。

【００１６】また、一対の基板の間隔ｄは、この基板面
に配置されたスペーサー（図示せず）により保持させて
いる。このような液晶セルに前記相系列において（ｉ）
の相系列に属す数種類のカイラルスメクチック液晶を封
入し、セル温度を上げて一度等方相とした後、徐冷（例
えば０．５℃／時間の割り合）して順次Ｃｈ相、ＳｍＡ
相およびＳｍＣ^*（又はＳｍＨ^*相）へと相転移させたと
きのカイラルスメクチック層における配向状態を調べ
た。この際のカイラルスメクチック液晶としてはカイラ
ルスメクチックＣ相、Ｈ相、Ｉ相、Ｇ相やＦ相を用いる
ことができる。

【００１７】以下、その結果について詳細に述べる。

【００１８】本実施例において用いた液晶の具体例とし
ては下記の表１に示す。

【００１９】

【表１】 などであり、これらはいずれも前記（ｉ）の相系列に属
するものである。又、表中のＬＣ−１と８０Ｂはそれぞ
れコレステリック相でのらせん方向が互いに相違してお
り、表１から判る様にコレステリック相で右旋のらせん
方向をもつ液晶とコレステリック相で左旋のらせん方向
をもつ液晶を互いに混合することによって、コレステリ
ック相でのらせんピッチ（Ｐ）の値を大きくすることが
できる。

【００２０】表１中の「ＬＣ−１」、「８０Ｂ」及び
「８０ＳＩ^*」は、下記構造式の化合物であり、ＭＩＸ
−１は下記組成の液晶であって、又、表中の添字はそれ
ぞれ重量比を表わしている。

【００２１】

【外１】 ＭＩＸ−１ Ｐ−ｎ−オクチルオキシ安息香酸−Ｐ′−（２−メチル
ブチルオキシ）フェニルエステルとＰ−ｎ−ノニルオキ
シ安息香酸−Ｐ′−（２−メチルブチルオキシ）フェニ
ルエステルを主成分とした液晶組成物。

【００２２】図２は、表１に挙げた各々の液晶のＣｈ相
でのらせんピッチ（Ｐ）の値と、スペーサの厚さを変え
ることによって一対の基板間隔（ｄ）を変化させた時の
配向性の結果を示したものである。図中、○は良好な配
向状態、△はやや不良な配向状態、Ｘは不良な配向状態
を表わしている。

【００２３】Ｃｈ相のらせんピッチは、ピー・ジー・ド
ゥ・ジャンス（Ｐ．Ｇ ｄｅ Ｇｅｎｎｅｓ）著のオッ
クスフォード・ユニバシティー・プレス・エレイ・ハウ
ス，ロンドン（Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｐｒｅｓｓ Ｅｌｙ Ｈｏｕｓｅ，Ｌｏｎｄｏｎ）１９
７４年発行“ザ・フィジィックス・オブ・リキッド・ク
リスタルス”（“Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｌｉ
ｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ”）第２６５頁に記載のグ
ランジヤーンーカノ（Ｇｒａｎｄｊｅａｎ−Ｃａｎｏ）
法に従って測定した。すなわち予め傾斜角φを求めたく
さび形セルを用いて、その時の顕微鏡写真からＣｈ相で
現れるらせんピッチに対応したフリンジの間隔ｌ（μ
ｍ）を測定することによって、ピッチＰ（μｍ）＝ｔａ
ｎθ×ｌ×２の式よりＣｈ相のらせんピッチを測定し
た。

【００２４】この際に用いたくさび形セルの傾斜角は、
何れもｔａｎθ＝（１．３４×±０．０７）×１０^-3で
あり、その傾斜角は単色光（ナトリウムのＤ線）を用い
て、くさび形セルのガラス面における光の干渉を利用し
て測定した。

【００２５】又、Ｃｈ相のらせんピッチは、一般に温度
に依存し、例えば（ＬＣ−１）₆₀／（８０Ｂ）₄₀組成物
では、図３の示した様に温度変化に応じて変化する。本
発明では、それぞれの液晶におけるＣｈ相を示す温度領
域の中間点での温度で測定したらせんピッチの値を意味
している。この方法で測定したＣｈ相のらせんピッチの
値を表１に明らかにする。

【００２６】図２中の２１と２２はそれぞれＰ＝１０ｄ
及びＰ＝０．５ｄで示す直線を表わしており、同図から
判る様に、Ｐ＞０．５ｄの領域、好ましくは直線２１と
２２で挟まれた領域の液晶セルは、スメクチック相のモ
ノドメイン形成性の点で、それ以外の領域の液晶セルと
比較して優れているが、さらにＰ＝４ｄで示す直線２３
と直線２２で挟まれた領域の液晶セルは、より再現性の
良好な配向状態が得られる。具体的には、図２によれば
Ｃｈ相のらせんピッチが４μｍである前述のＭＩＸ−７
では、基板間隔ｄが１μｍ及び２μｍの液晶セルと時に
は良好な双安定性を有するモノドメインのスメクチック
相を形成することができるのに対し、基板間隔ｄを０．
２５μｍとした液晶セルの場合ではスイッチングに必要
な十分な双安定性を示す配向状態が形成されていないこ
とを示している。他の液晶、例えば（ＬＣ−１）₉₀／
（８０Ｂ）₁₀や（ＬＣ−１）₇₀／（８０Ｂ）₃₀を用いた
場合でも同様の傾向をもつことが図２より容易に理解さ
れる。

【００２７】この様に本発明によれば、Ｃｈ相のらせん
ピッチ（Ｐ；μｍ）と基板間隔（ｄ；μｍ）の比（Ｐ／
ｄ）が０．５以上かつ１０以下、さらに好ましくは（Ｐ
／ｄ）が０．５以上かつ４以下の領域に存在する液晶セ
ルとした時に著しく良好な配向状態を得ることができ
る。

【００２８】スメクチック相の配向性について前述した
条件が付与される理由としては、以下のことが考えられ
る。Ｃｈ相でのら旋軸の方向は液晶層の厚み方向とほぼ
平行であると考えられるため、Ｃｈ相のらせんピッチと
基板間隔（液晶層の厚み）との比は、Ｃｈ層のら旋の巻
き数を表わすパラメータとして考えることができる。つ
まり、Ｃｈ相のら旋の巻き数が前述した条件を満たす場
合において、降温下でＣｈ相からＳｍＡ相への相転移が
スムーズに行われ、その結果、カイラルスメクチック相
において良好な配向状態が得られるものと考えている。

【００２９】又、本発明者らの実験から、Ｃｈ相のらせ
んピッチが０．８μｍに達していない様なスメクチック
液晶を用いた時には、極めて良好な配向処理条件のもと
でなければ、スイッチングに必要な十分な配向状態が得
られない場合があることが判った。その原因としては、
Ｃｈ相でのらせんピッチが０．８μｍに達していない様
なスメクチック液晶を用いた液晶セルである場合には、
非常にらせんピッチの短い液晶が本質的にＣｈ相でのら
旋の巻きが極端に強いため、液晶層の厚さを制御するだ
けでは、ＳｍＡ相への相転移の過程において、もはや十
分にＣｈ相でのら旋ピッチを均一にほどくことができな
くなるために、ＳｍＡ相の層構造を均一に形成すること
ができにくくなることによると考えることができる。従
って、Ｃｈ相でのらせんピッチが０．８μｍとなるスメ
クチック液晶を用いること、すなわち図２中のＰ＝０．
８μｍで示される直線２４と直線２１及び２２で囲まれ
た領域の液晶セル、好ましくは直線２４、２３及び２２
で囲まれた領域の液晶セルがスメクチック相の均一のモ
ノドメインの配向状態を得ることができる。

【００３０】又、強誘電性液晶をディスプレイやリニヤ
ーシャッタアレイに代表される光学スイッチング素子と
して適用する上でクラーク（Ｃｌａｒｋ）とラガーウォ
ル（Ｌａｇｅｒｗａｌｌ）が１９８０年６月１日の“ア
プライド・フィジィックス・レターズ”（“Ａｐｐｌｉ
ｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ”）第３６巻、
第１１号、第８９９頁〜第９０１頁の「サブミクロセカ
ンド・バイステイブル・エレクトロオプテイク・スイッ
チング・イン・リキッド・クリスタル」（「Ｓｕｂｍｉ
ｃｒｏｓｅｃｏｎｄ ｂｉｓｔａｂｌｅ ｅｌｅｃｔｒ
ｏｏｐｔｉｃｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ
ｃｒｙｓｔａｌｓ」）で発表している表面安定型メモ
リーセルは、無電界時でもらせん構造がほどけたカイラ
ルスメクチック相の層構造が基板に対して垂直に形成さ
れており、この時の液晶分子の配向が基板面に平行とな
り、双安定性をもつことになるために最も有効なもので
あると考えられる。

【００３１】本発明者らの実験によれば、前述の表面安
定型メモリーセルを作成する上で、基板間隔ｄ（液晶層
の厚さ）を３μｍ以下と設定する必要があることが判明
している。従って、特に前述の表面安定型メモリーセル
を形成する上で、図２における３本の直線２２、２４、
２５（直線２５はｄ＝３μｍを表わしている）で囲まれ
た領域、好ましくは図２における４本の直線２１、２
２、２４及び２５（直線２５はｄ＝３μｍを表わしてい
る）で囲まれた領域（図中斜線部で示した領域）、好ま
しくは４本の直線２３、２２、２４及び２５で囲まれた
領域の液晶セルを用いた場合に極めて配向性が高く、か
つ双安定性を有する液晶素子を得ることができる。

【００３２】

【効果】本発明によれば、液晶セルを作成するに当っ
て、特に好ましくは図２中の傾斜部に示す領域内の液晶
層の厚み（ｄ）とＣｈ層でのらせんピッチ（Ｐ）を選択
することによって、均一なモノドメインの初期配向状態
と双安定性を実現することが可能となり、表示並びに駆
動特性の優れた強誘電性液晶素子を得ることができる利
点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のデバイスの斜視図。

【図２】液晶層の厚み（ｄ）とＣｈ相でのらせんピッチ
（ｐ）と配向性の関係を表わす説明図。

【図３】Ｃｈ相のらせんピッチ（ｐ）と温度の関係を表
わす説明図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神辺 純一郎 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤ ノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−250087（ＪＰ，Ａ)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれが電極構造を担持しており、少
   なくとも一方の壁面が液晶分子を配向させる様に処理し
   た２つのセル壁の間に収容されているカイラルスメクチ
   ック液晶材料の層と、第１の直線偏光子と第２の偏光子
   とを含んで成る液晶デバイスであって、該液晶材料は、 （ａ）通常のデバイス動作温度における複数の切換え状
   態を生じるカイラルスメクチックＣ相並びにそれより高
   い周囲温度以上の温度におけるスメクチックＡ相及びコ
   レステリック相と、 （ｂ）コレステリック相の温度領域の中間の温度におけ
   る層の厚さの０．５倍以上のコレステリックピッチと、 （ｃ）コレステリック相の温度領域において低い温度に
   向かって、長くなるコレステリックピッチと、 （ｄ）層の厚さ以上のカイラルスメクチックＣピッチ
   と、 （ｅ）強誘電特性係数と、 （ｆ）少なくとも一種の左旋性コレステリック捩じれ方
   向を有する材料成分と、 （ｇ）少なくとも一種の右旋性コレステリック捩じれ方
   向を有する材料成分と、を有し、ただし、 （ｈ）該左旋性及び右旋性材料成分は、組み合わさって
   成るコレステリックピッチを有し、 （ｉ）該左旋性及び右旋性材料成分は、加算されて成る
   強誘電性特性を有する、ものである液晶デバイス。
2. 【請求項２】 電極がマトリックス形式に配置されたス
   トリップ電極として形成されている請求項１に記載の液
   晶デバイス。
3. 【請求項３】 液晶層の厚さが３μｍ以下である請求項
   １に記載の液晶デバイス。
4. 【請求項４】 一方の偏光子の光軸が他方の偏光子の光
   軸に対して交差するように配置されている請求項１に記
   載の液晶デバイス。
5. 【請求項５】 電極構造に異なる電界を印加する事によ
   り液晶材料をその２種類の異なった状態に切換えるため
   の手段を更に含む請求項１に記載の液晶デバイス。
6. 【請求項６】 液晶デバイスの製造方法であって、 内側表面に電極構造が形成されており、少なくとも一方
   の壁表面が液晶の配向が得られるように処理された２つ
   のセル壁を、その中に液晶材料の層を収容する様に間隔
   をあけて設ける段階と、 カイラルスメクチックＣ相と等方相との間で、周囲温度
   以上の高温においてスメクチックＡ相及びコレステリッ
   ク相を有し、コレステリック相の温度領域の中間の温度
   において層の厚さの０．５倍以上のコレステリックピッ
   チを有し、コレステリック相の温度領域において低い温
   度に向かって長くなるコレステリックピッチを有し、カ
   イラルスメクチックＣ相において強誘電性特性係数を有
   し、カイラルスメクチックＣ相におけるピッチが層の厚
   さ以上であるカイラルスメクチック液晶材料を用意する
   段階と、 該壁の間の空間に液晶材料を導入して密封する段階と、 液晶材料をコレステリック相及びスメクチックＡ層から
   カイラルスメクチックＣ層へと冷却する段階と、 を含んで成る製造方法。
7. 【請求項７】 前記液晶材料は、少なくとも一種の左旋
   性コレステリック捩じれ方向を有する材料成分と、少な
   くとも一種の右旋性コレステリック捩じれ方向を有する
   材料成分と、を有する材料である請求項６に記載の製造
   方法。
8. 【請求項８】 液晶層の厚さが３μｍ以下である請求項
   ６に記載の製造方法。
9. 【請求項９】 一方の偏光子の光軸が他方の偏光子の光
   軸に対して交差するように配置されている請求項６に記
   載の製造方法。