JP2558447B2 - 強誘電性液晶電気光学素子 - Google Patents
強誘電性液晶電気光学素子Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、強誘電性を有するカイラルスメクティック
液晶を用いた電気光学素子に関する。特に液晶分子の整
列を制御する配向膜の改良に関する。
液晶を用いた電気光学素子に関する。特に液晶分子の整
列を制御する配向膜の改良に関する。
強誘電性を有するカイラルスメクティック液晶を２枚
の基板に挾持してなる電気光学素子において、一方の基
板は一軸配向性を有する配向処理を施し、他方の基板は
撥水性の高い材料を用いて方向性のないランダムな配向
処理を施すことにより明確かつ安定した液晶分子の双安
定状態を造り出し、電圧印加による光通過光遮断コント
ラストを改善した。
の基板に挾持してなる電気光学素子において、一方の基
板は一軸配向性を有する配向処理を施し、他方の基板は
撥水性の高い材料を用いて方向性のないランダムな配向
処理を施すことにより明確かつ安定した液晶分子の双安
定状態を造り出し、電圧印加による光通過光遮断コント
ラストを改善した。
従来から強誘電性を有するカイラルスメクティック液
晶を２枚の基板に挾持してなる電気光学素子が知られて
いた。特に一方の基板は一軸配向性を有する配向処理を
施し、他方の基板は方向性のないランダムな配向処理を
施すことにより液晶分子を双安定状態に整列させる方式
が知られている。すなわち電圧を印加することにより一
方の安定状態に整列している液晶分子を他方の安定状態
に再整列させ、それによる光学的変化を利用するもので
ある。
晶を２枚の基板に挾持してなる電気光学素子が知られて
いた。特に一方の基板は一軸配向性を有する配向処理を
施し、他方の基板は方向性のないランダムな配向処理を
施すことにより液晶分子を双安定状態に整列させる方式
が知られている。すなわち電圧を印加することにより一
方の安定状態に整列している液晶分子を他方の安定状態
に再整列させ、それによる光学的変化を利用するもので
ある。
しかしながら従来のカイラルスメクティック強誘電性
液晶電気光学素子には以下の欠点があった。すなわちラ
ンダムな配向を液晶分子に与えるための材料に適切なも
のが見当たらなかった。好ましい材料が満たすべき物理
的性質が不明であったため、試行錯誤に基づいて選択せ
ざるを得なかった。しかして従来のランダム配向材料で
は、明確かつ安定した液晶分子の双安定状態を実現する
ことができなかった。その結果、電圧印加による双安定
状態の液晶分子整列状態の切り替えに基づく光遮断光通
過のコントラストが悪かった。
液晶電気光学素子には以下の欠点があった。すなわちラ
ンダムな配向を液晶分子に与えるための材料に適切なも
のが見当たらなかった。好ましい材料が満たすべき物理
的性質が不明であったため、試行錯誤に基づいて選択せ
ざるを得なかった。しかして従来のランダム配向材料で
は、明確かつ安定した液晶分子の双安定状態を実現する
ことができなかった。その結果、電圧印加による双安定
状態の液晶分子整列状態の切り替えに基づく光遮断光通
過のコントラストが悪かった。
本発明は上記問題点を解決することを目的とする。そ
のために第１図の構成の強誘電性液晶電気光学素子を発
明した。第１図において１及び２は２枚の平行に配置さ
れた基板であって少なくとも一方は透明である。３は基
板内平面に設けられた電極膜であって液晶分子に電圧を
印加するためのものである。４は２枚の基板１及び２に
挾持された強誘電性のカイラルスメクティック液晶分子
である。ここでカイラルスメクティック液晶の一般的な
分子配列を第２図に示す。液晶分子４は層５を構成して
いる。第２図においては層５が左から右にかけて５層示
されている。一つの層内の液晶分子の長軸方向（以後分
子軸と呼ぶ。）は層の法線方向と角θだけ傾き、この角
度はどの層でも同一である。一方一つの層内において液
晶分子４の頭部は仮想的なコーン６の円周上同一の箇所
に位置している。この位置は各層毎にコーン６の円周上
を回転してずれていく。しかして分子軸は層の法線に対
して層毎に回転し、分子配列はらせん構造となる。
のために第１図の構成の強誘電性液晶電気光学素子を発
明した。第１図において１及び２は２枚の平行に配置さ
れた基板であって少なくとも一方は透明である。３は基
板内平面に設けられた電極膜であって液晶分子に電圧を
印加するためのものである。４は２枚の基板１及び２に
挾持された強誘電性のカイラルスメクティック液晶分子
である。ここでカイラルスメクティック液晶の一般的な
分子配列を第２図に示す。液晶分子４は層５を構成して
いる。第２図においては層５が左から右にかけて５層示
されている。一つの層内の液晶分子の長軸方向（以後分
子軸と呼ぶ。）は層の法線方向と角θだけ傾き、この角
度はどの層でも同一である。一方一つの層内において液
晶分子４の頭部は仮想的なコーン６の円周上同一の箇所
に位置している。この位置は各層毎にコーン６の円周上
を回転してずれていく。しかして分子軸は層の法線に対
して層毎に回転し、分子配列はらせん構造となる。
また、一般にカイラルスメクティック液晶はらせん構
造をとるだけでなく分子軸に垂直な方向に電気双極子７
を持ち強誘電性を示す。
造をとるだけでなく分子軸に垂直な方向に電気双極子７
を持ち強誘電性を示す。
カイラルスメクティック液晶としては、Ｐ−デシロキ
シベンジリデンＰ′−アミノ２ミチルブチル シナメー
ト がある。
シベンジリデンＰ′−アミノ２ミチルブチル シナメー
ト がある。
さて、第１図にもどると、基板１と２の間隔がらせん
の周期よりも小さい例えば１μｍ程度である場合は先に
述べたらせん構造は消失する。
の周期よりも小さい例えば１μｍ程度である場合は先に
述べたらせん構造は消失する。
すなわち、分子軸が基板と平行になり、かつ層の法線
方向からθ傾いて液晶分子が配列する。ここで層の法線
方向は基板と平行になっている。それ故層は基板に対し
て垂直に形成する。
方向からθ傾いて液晶分子が配列する。ここで層の法線
方向は基板と平行になっている。それ故層は基板に対し
て垂直に形成する。
第１図において８は一軸配向性を有する配向膜であ
る。一軸配向処理は液晶分子を一方向で基板に水平に固
定する。第１図は一軸配向方向から見た図である。９は
他方の基板２の内表面に設けられた撥水性の高い材料を
用いた方向性のないランダム配向処理膜である。このラ
ンダム配向は液晶分子の方向を規制せず、単に基板に対
してほぼ平行に配列する機能を有すると思われる。本発
明の場合、一軸配向の影響を受けて成長して来た液晶分
子ドメインとの接触界面をフリーなものとするために役
立っている。フリーとは、界面を境として上下の分子間
の相互作用が少ないという事である。よって、一軸配向
膜から成長してきた液晶分子配列は本来最も安定な位置
に居る事ができる。その位置は第１図において黒丸４と
白丸10で表される２通りである。すなわち双安定状態が
実現される。その位置は、理想的には基板に対して水平
で仮想的コーン６と水平面との交線上に位置する。この
位置は層の法線（第１図において紙面に垂直）に対して
±θ位置である。
る。一軸配向処理は液晶分子を一方向で基板に水平に固
定する。第１図は一軸配向方向から見た図である。９は
他方の基板２の内表面に設けられた撥水性の高い材料を
用いた方向性のないランダム配向処理膜である。このラ
ンダム配向は液晶分子の方向を規制せず、単に基板に対
してほぼ平行に配列する機能を有すると思われる。本発
明の場合、一軸配向の影響を受けて成長して来た液晶分
子ドメインとの接触界面をフリーなものとするために役
立っている。フリーとは、界面を境として上下の分子間
の相互作用が少ないという事である。よって、一軸配向
膜から成長してきた液晶分子配列は本来最も安定な位置
に居る事ができる。その位置は第１図において黒丸４と
白丸10で表される２通りである。すなわち双安定状態が
実現される。その位置は、理想的には基板に対して水平
で仮想的コーン６と水平面との交線上に位置する。この
位置は層の法線（第１図において紙面に垂直）に対して
±θ位置である。
しかしながら、第３図に示すように、従来の配向処理
では分子が基板に対して傾いて配列していた（21、22に
示す分子位置）。この場合、電気光学素子の上部から分
子を観察すると、コーン角は、理想的な位置13、14に液
晶分子が配列された場合の理想コーン角よりも小さくな
る。コントラストは、光学的にはこのみかけのコーン角
により決定されるため、従来の配向ではコントラストが
低かった。
では分子が基板に対して傾いて配列していた（21、22に
示す分子位置）。この場合、電気光学素子の上部から分
子を観察すると、コーン角は、理想的な位置13、14に液
晶分子が配列された場合の理想コーン角よりも小さくな
る。コントラストは、光学的にはこのみかけのコーン角
により決定されるため、従来の配向ではコントラストが
低かった。
さて、本発明のように特に撥水性の高い材料を用いて
ランダム配向処理を行うと、液晶分子を上記に述べた理
想的な双安定状態に整列できる。以下その理由を述べ
る。なお、11及び12は互いに偏光軸が直交する２枚の偏
光板であって、液晶分子の双安定状態間の配列移動を光
学変化に変換するものである。
ランダム配向処理を行うと、液晶分子を上記に述べた理
想的な双安定状態に整列できる。以下その理由を述べ
る。なお、11及び12は互いに偏光軸が直交する２枚の偏
光板であって、液晶分子の双安定状態間の配列移動を光
学変化に変換するものである。
第４図は撥水性の材料を用いてランダムな水平配向処
理を行った場合実現される理想的な双安定状態を表して
いる。すなわち基板面近傍において、液晶分子４は仮想
的コーン６と基板に対して平行な仮想的水平面15の交線
13又は14に配列される。13及び14が双安定位置である。
両安定位置に存する液晶分子の分子軸のなす角は２θで
あり理想的には45°である。
理を行った場合実現される理想的な双安定状態を表して
いる。すなわち基板面近傍において、液晶分子４は仮想
的コーン６と基板に対して平行な仮想的水平面15の交線
13又は14に配列される。13及び14が双安定位置である。
両安定位置に存する液晶分子の分子軸のなす角は２θで
あり理想的には45°である。
第５図は上述した双安定状態間で液晶分子の整列を切
りかえ、電気光学的スイッチングを行うための駆動波形
図である。波形ａは第１の安定状態から第２の安定状態
に移行させるための波形であって液晶分子の有する電気
双極子と平行でかつ反対方向に＋Vapの電圧を印加す
る。電気双極子は反発力を受けて、仮想的コーンの軌跡
上を移動し、第２の安定状態に移動する。このとき電気
双極子７の方向は逆転する（第４図参照）。＋Vapのパ
ルスに続く±1/3 Vapの交流パルスは液晶分子を安定状
態に保持しておくためのものである。
りかえ、電気光学的スイッチングを行うための駆動波形
図である。波形ａは第１の安定状態から第２の安定状態
に移行させるための波形であって液晶分子の有する電気
双極子と平行でかつ反対方向に＋Vapの電圧を印加す
る。電気双極子は反発力を受けて、仮想的コーンの軌跡
上を移動し、第２の安定状態に移動する。このとき電気
双極子７の方向は逆転する（第４図参照）。＋Vapのパ
ルスに続く±1/3 Vapの交流パルスは液晶分子を安定状
態に保持しておくためのものである。
ｂの波形は第２の安定状態から第１の安定状態に移行さ
せるための駆動波形である。電気双極子の方向が先の場
合と逆であるので、−Vapの電圧を有するパルスでスイ
ッチング駆動を行う。
せるための駆動波形である。電気双極子の方向が先の場
合と逆であるので、−Vapの電圧を有するパルスでスイ
ッチング駆動を行う。
第６図は本電気光学素子を上部から観察した駆動原理
図である。入射側の偏光子11の偏光軸を第１の安定位置
13に一致させてある。出射側の偏光子12は偏光軸を90°
入射側の偏光子11の偏光軸から回転させる。液晶分子が
第１の安定位置13にあると入射側の偏光子11によって偏
光された光は偏光方向を変えず出射側偏光子12に達する
が両偏光子が直交しているため出射側には光が出ない。
光遮断状態である。逆に第２の安定位置14に液晶分子が
移動すると、液晶の複屈折性により出射側の直交した偏
光子方向にも光が出るようになる。本発明の場合、理想
的な双安定状態を実現しているため両安定状態にある液
晶分子の分子軸のなす角２θ（以下２θをコーン角とい
う）が２×22.5°＝45°に近くなり、ほとんどの光が出
射側偏光子の偏光方向に向くようになる。これが光通過
状態である。なお上記のような理想的な光スイッチング
を行うためには、セル厚ｄと液晶の屈折率の異方性Δｎ
との間には次のような関係が必要である。
図である。入射側の偏光子11の偏光軸を第１の安定位置
13に一致させてある。出射側の偏光子12は偏光軸を90°
入射側の偏光子11の偏光軸から回転させる。液晶分子が
第１の安定位置13にあると入射側の偏光子11によって偏
光された光は偏光方向を変えず出射側偏光子12に達する
が両偏光子が直交しているため出射側には光が出ない。
光遮断状態である。逆に第２の安定位置14に液晶分子が
移動すると、液晶の複屈折性により出射側の直交した偏
光子方向にも光が出るようになる。本発明の場合、理想
的な双安定状態を実現しているため両安定状態にある液
晶分子の分子軸のなす角２θ（以下２θをコーン角とい
う）が２×22.5°＝45°に近くなり、ほとんどの光が出
射側偏光子の偏光方向に向くようになる。これが光通過
状態である。なお上記のような理想的な光スイッチング
を行うためには、セル厚ｄと液晶の屈折率の異方性Δｎ
との間には次のような関係が必要である。
ｄ＝（2n−１）α／Δｎ n:屈折率 ただしα＝ｃπ／ω c:光速度 ω：光の角 周波数 撥水性の配向剤を用いたとき、理想的な配向状態に近
づくのは、液晶分子がほとんど基板に対して水平とな
り、コーン角が最大に近づくためである。
づくのは、液晶分子がほとんど基板に対して水平とな
り、コーン角が最大に近づくためである。
撥水性を有するランダム水平配向剤としてＡ−Ｂ型ブ
ロックポリマーを用いた。第７図に示すＡ−Ｂ型ブロッ
クポリマーは表面移行性に優れた機能性セグメント16と
樹脂に相溶する相溶性セグメント17とからなる。本実施
例では、機能性セグメントとしてフッ化アルキル基、相
溶性セグメントとしてアクリルポリマーを用いたＡ−Ｂ
型ブロックポリマーを使った。
ロックポリマーを用いた。第７図に示すＡ−Ｂ型ブロッ
クポリマーは表面移行性に優れた機能性セグメント16と
樹脂に相溶する相溶性セグメント17とからなる。本実施
例では、機能性セグメントとしてフッ化アルキル基、相
溶性セグメントとしてアクリルポリマーを用いたＡ−Ｂ
型ブロックポリマーを使った。
第８図が本実施例による撥水性ランダム配向膜の断面
図である。アクリルモノマー溶液に10％のＡ−Ｂ型ブロ
ックポリマーを添加し、基板２の表面に塗布した後200
℃で焼成した。基板２の表面にアクリル樹脂膜18が形成
され、その中にＡ−Ｂ型ブロックポリマー19の相溶性セ
グメント17が固定される。他方機能性セグメントは表面
に移行配向して、撥水性を発揮する。
図である。アクリルモノマー溶液に10％のＡ−Ｂ型ブロ
ックポリマーを添加し、基板２の表面に塗布した後200
℃で焼成した。基板２の表面にアクリル樹脂膜18が形成
され、その中にＡ−Ｂ型ブロックポリマー19の相溶性セ
グメント17が固定される。他方機能性セグメントは表面
に移行配向して、撥水性を発揮する。
なお撥水性の尺度としては第９図に示す接触角を用い
た。接触角とは、水滴20と配向膜９の表面とのなす角で
数値が大きい程撥水性が高い。ちなみに本実施例では接
触角は96.7°であった。このときの見かけのコーン角は
34°であった。
た。接触角とは、水滴20と配向膜９の表面とのなす角で
数値が大きい程撥水性が高い。ちなみに本実施例では接
触角は96.7°であった。このときの見かけのコーン角は
34°であった。
次に比較のため種々の材料について接触角、見かけの
コーン角及び光遮断通過コントラストを測ってみた。結
果を次表に示す。
コーン角及び光遮断通過コントラストを測ってみた。結
果を次表に示す。
上記の表における接触角と見かけのコーン角の対応関
係をグラフにしたのが第10図である。第10図から明らか
なように接触角が大きい程すなわち撥水性が高い程、見
かけのコーン角が理想の45°に近づいて行くことが判
る。従って光遮断通過コントラストも向上していく。こ
れは撥水性が高い程液晶分子が水平状態に近く配列され
るからである。現実的には本実施例のように接触角が90
°以上であれば充分なコントラストが得られる。見かけ
のコーン角が約25°以上であれば、実用上問題のないコ
ントラストが得られ、従って接触角は75°以上が好まし
い。逆にティルトのついて配向では、第４図から明らか
なようにコーン角は理想より小さくなり従ってコントラ
ストも悪くなる。
係をグラフにしたのが第10図である。第10図から明らか
なように接触角が大きい程すなわち撥水性が高い程、見
かけのコーン角が理想の45°に近づいて行くことが判
る。従って光遮断通過コントラストも向上していく。こ
れは撥水性が高い程液晶分子が水平状態に近く配列され
るからである。現実的には本実施例のように接触角が90
°以上であれば充分なコントラストが得られる。見かけ
のコーン角が約25°以上であれば、実用上問題のないコ
ントラストが得られ、従って接触角は75°以上が好まし
い。逆にティルトのついて配向では、第４図から明らか
なようにコーン角は理想より小さくなり従ってコントラ
ストも悪くなる。
なお一軸配向処理の一実施例としては、ポリイミド薄
膜を印刷又はディッピング等により形成し、その後一方
向にラビング処理する方法がある。
膜を印刷又はディッピング等により形成し、その後一方
向にラビング処理する方法がある。
本発明によれば撥水性のある材料をランダム水平配向
材に用いるので、コーン角が理想の数値に近づき、光遮
断通過コントラストを大きく改善できるという効果があ
る。
材に用いるので、コーン角が理想の数値に近づき、光遮
断通過コントラストを大きく改善できるという効果があ
る。
第１図は、強誘電性液晶電気光学素子の断面図、第２図
は、カイラルスメクティック液晶の分子配列図、第３図
は分子の理想的位置および実際の位置を示す図、第４図
は双安定状態を示す図、第５図は駆動波形図、第６図は
駆動原理図、第７図はＡ−Ｂ型ブロックポリマーの模型
図、第８図は撥水性ランダム配向膜の断面図、第９図は
接触角の説明図、第10図は接触角−コーン角特性図であ
る。 １、２……基板 ３……電極 ４……スメクティック液晶分子 ８……一軸配向膜 ９……撥水性ランダム配向膜 11、12……偏光板
は、カイラルスメクティック液晶の分子配列図、第３図
は分子の理想的位置および実際の位置を示す図、第４図
は双安定状態を示す図、第５図は駆動波形図、第６図は
駆動原理図、第７図はＡ−Ｂ型ブロックポリマーの模型
図、第８図は撥水性ランダム配向膜の断面図、第９図は
接触角の説明図、第10図は接触角−コーン角特性図であ
る。 １、２……基板 ３……電極 ４……スメクティック液晶分子 ８……一軸配向膜 ９……撥水性ランダム配向膜 11、12……偏光板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 耕吉 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイ コー電子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−156043（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−214824（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−165730（ＪＰ，Ａ) 特公 平４−43847（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (4)
- 【請求項１】電極を有する少なくとも一方が透明な２枚
の基板間に強誘電性液晶を挟持し、２枚の偏光板で構成
され、安定状態に整列されている液晶分子に電圧を印加
し、液晶分子を他の安定状態に整列させることにより駆
動する強誘電性液晶電気光学素子において、一方の基板
は一軸配向性を有する配向処理を施し、他方の基板は撥
水性の高いＡ−Ｂ型のブロックポリマーを含有する配向
膜を用いて方向性のないランダムな水平配向処理を施し
たことを特徴とする強誘電性液晶電気光学素子。 - 【請求項２】Ａ−Ｂ型のブロックポリマーは撥水性を与
える機能性セグメントと、配向膜を構成する樹脂に相溶
する相溶性セグメントよりなる特許請求の範囲第１項記
載の強誘電性液晶電気光学素子。 - 【請求項３】機能性セグメントはフッ化アルキル基であ
る特許請求の範囲第２項記載の強誘電性液晶電気光学素
子。 - 【請求項４】配向膜を構成する樹脂はアクリルであり、
該樹脂に相溶する相溶性セグメントはアクリルポリマー
である特許請求の範囲第２項記載の強誘電性液晶電気光
学素子。
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