JPH05134255A - 液晶装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 カイラルスメクティック液晶を用いた素子の
階調表示の実現。 【構成】 少なくとも１つの偏光子と、電極を設け、少
なくとも一方を一軸性配向処理した一対の基板及びらせ
ん構造の形成を抑制するのに十分な基板間間隔に配置さ
せた一軸異方相を生じるカイラルスメクティック液晶を
有する液晶セルとを備え、前記偏光子の偏光軸と一軸異
方相の軸とのなす角度を、前記電極間に一方向の電圧を
印加した時のカイラルスメクティック液晶の平均分子軸
方向と一軸異方相の軸とのなす角度より小さい角度に設
定した液晶素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、階調表示に適した液晶
装置に関し、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、階調表示ならびに駆動特性を改善し
た液晶装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、走査電極群と信号電極群をマ
トリクス状に構成し、その電極間に液晶化合物を充填し
多数の画素を形成して、画像或いは情報の表示を行う液
晶表示素子は、よく知られている。この表示素子の駆動
法としては、走査電極群に順次周期的にアドレス信号を
選択印加し、信号電極群には所定の情報信号をアドレス
信号と同期させて並列的に選択印加する時分割駆動が採
用されているが、この表示素子及びその駆動法には以下
に述べる如き致命的とも言える大きな欠点がある。

【０００３】即ち、画素密度を高く、或いは画面を大き
くするのが難しいことである。従来の液晶の中で応答速
度が比較的高く、しかも消費電力が小さいことから、表
示素子として実用に供されているのは殆んどが、例えば
Ｍ．ＳｃｈａｄｔとＷ．Ｈｅｌｆｒｉｃｈ著“Ａｐｐｌ
ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ”Ｖｏ．１
８、Ｎｏ．４（１９７１．２．１５）、Ｐ．１２７〜１
２８の“Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｏｐｔ
ｉｃａｌ Ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ａ Ｔｗｉｓｔｅ
ｄ Ｎｅｍａｔｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ”
に示されたＴＮ（ｔｗｉｓｔｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ）型
の液晶を用いたものであり、この型の液晶は、無電界状
態で正の誘電異方性をもつネマチック液晶の分子が液晶
層厚方向で捩れた構造（ヘリカル構造）を形成し、両電
極面でこの液晶の分子が平行に配列した構造を形成して
いる。一方、電界印加状態では、正の誘電異方性を持つ
ネマチック液晶が電界方向に配列し、この結果光学変調
を起すことができる。この型の液晶を用いてマトリクス
電極構造によって表示素子を構成した場合、走査電極と
信号電極が共に選択される領域（選択点）には、液晶分
子を電極面に垂直に配列させるに要する閾値以上の電圧
が印加され、走査電極と信号電極が共に選択されない領
域（非選択点）には電圧は印加されず、したがって液晶
分子は電極面に対して並行な安定配列を保っている。こ
のような液晶セルの上下に互いにクロスニコル関係にあ
る直線偏光子を配置することにより、選択点では光が透
過せず、非選択点では光が透過するため、画像素子とす
ることが可能となる。然し乍ら、マトリクス電極構造を
構成した場合には、走査電極が選択され、信号電極が選
択されない領域、或いは走査電極が選択されず、信号電
極が選択される領域（所謂“半選択点”）にも有限に電
界がかかってしまう。選択点にかかる電圧と、半選択点
にかかる電圧の差が充分に大きく、液晶分子を電界に垂
直に配列させるのに要する電圧閾値がこの中間の電圧値
に設定されるならば、表示素子は正常に動作するわけで
あるが、走査線数（Ｎ）を増やして行った場合、画面全
体（１フレーム）を走査する間に一つの選択点に有効な
電界がかかっている時間（ｄｕｔｙ比）が１／Ｎの割合
で減少してしまう。このために、くり返し走査を行った
場合の選択点と非選択点にかかる実効値としての電圧差
は、走査線数が増えれば増える程小さくなり、結果的に
は画像コントラストの低下やクロストークが避け難い欠
点となっている。このような現象は、双安定性を有さな
い液晶（電極面に対し、液晶分子が水平に配向している
のが安定状態であり、電界が有効に印加されている間の
み垂直に配向する）を時間的蓄積効果を利用して駆動す
る（即ち、繰り返し走査する）ときに生ずる本質的には
避け難い問題点である。この点を改良するために、電圧
平均化法、２周波駆動法や、多重マトリクス法等が既に
提案されているが、いずれの方法でも不充分であり、表
示素子の大画面化や高密度化は、走査線数が充分に増や
せないことによって頭打ちになっているのが現状であ
る。

【０００４】一方、プリンタ分野を眺めて見るに、電気
信号を入力としてハードコピーを得る手段として、画素
密度の点からもスピードの点からも電気画像信号を光の
形で電子写真感光体に与えるレーザービームプリンタ
（ＬＢＰ）が現在最も優れている。ところがＬＢＰに
は、 １．プリンタとしての装置が大型になる； ２．ポリゴンスキャナの様な高速の駆動部分があり騒音
が発生し、また厳しい機械的精度が要求される；などの
欠点がある。この様な欠点を解消すべく電気信号を光信
号に変換する素子として、液晶シャッターアレイが提案
されている。ところが、液晶シャッターアレイを用いて
画素信号を与える場合、たとえば２１０ｍｍの長さの中
に画素信号を１６ｄｏｔ／ｍｍの割合で書き込むために
は、３０００個以上の信号発生部を有していなければな
らず、それぞれに独立した信号を与えるためには、元来
それぞれの信号発生部全てに信号を送るリード線を配線
しなければならず、製作上困難であった。

【０００５】そのため、１ＬＩＮＥ（ライン）分の画素
信号を数行に分割された信号発生部により、時分割して
与える試みがなされている。この様にすれば、信号を与
える電極を、複数の信号発生部に対して共通にすること
ができ、実質配線を大幅に軽減することができるからで
ある。ところが、この場合通常行われているように双安
定性を有さない液晶を用いて行数（Ｎ）を増して行く
と、信号ＯＮの時間が実質的に１／Ｎとなり感光体上で
得られる光量が減少してしまったり、クロストークの問
題が生ずるという難点がある。

【０００６】この様な従来型の液晶素子の欠点を改善す
るものとして、双安定性を有する液晶素子の使用が、Ｃ
ｌａｒｋおよびＬａｇｅｒｗａｌｌにより提案されてい
る（特開昭５６−１０７２１６号公報、米国特許第４３
６７９２４号明細書等）。双安定性液晶としては、一般
に、カイラルスメクティックＣ相（ＳｍＣ^* ）又はＨ相
（ＳｍＨ^* ）を有する強誘電性液晶が用いられる。この
液晶は電界に対して第１の光学的安定状態と第２の光学
的安定状態からなる双安定状態を有し、従って前述のＴ
Ｎ型の液晶で用いられた光学変調素子とは異なり、例え
ば一方の電界ベクトルに対して第１の光学的安定状態に
液晶が配向し、他方の電界ベクトルに対しては第２の光
学的安定状態に液晶が配向される。またこの型の液晶
は、加えられる電界に応答して、極めて速やかに上記２
つの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を有する。このような性
質を利用することにより、上述した従来のＴＮ型素子の
問題点の多くに対して、かなり本質的な改善が得られ
る。この点は、本発明と関連して、以下に、更に詳細に
説明する。しかしながら、この双安定性を有する液晶を
用いる光学変調素子が所定の駆動特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、上記２つの
安定状態の間での変換が効果的に起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Ｓ
ｍＨ^* 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層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。し
かしながら、従来の双安定性を有する液晶を用いる光学
変調素子においては、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。

【０００７】たとえば、このような配向状態を与えるた
めに、磁界を印加する方法、せん断力を印加する方法、
などが提案されている。しかしながら、これらは、いず
れにしても必ずしも満足すべき結果を与えるものではな
かった。たとえば、磁界を印加する方法は、大規模な装
置を要求するとともに作動特性の良好な薄層セルとは両
立しがたいという難点があり、また、せん断力を印加す
る方法は、セルを作成後に液晶を注入する方法と両立し
ないという難点がある。

【０００８】また、前述の液晶素子は、メモリー性を有
しているため、階調表示には適していないとされてい
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前述
した事情に鑑み、後述するように生産性よく、双安定状
態を達成し、該双安定状態と偏光子を組み合わせること
によって、変速応答性へ変画素密度と大面積を有する表
示素子あるいは高速シャッター素子を実現し、特に、階
調表示を実現した液晶光学装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、 ａ．少なくとも１つの偏光子と、電極を設け、少なくと
も一方を一軸性配向処理した一対の基板及びらせん構造
の形成を抑制するのに十分な基板間間隔に配置させた一
軸異方相を生じるカイラルスメクティック液晶を有する
液晶セルを備え、前記偏光子の偏光軸と一軸異方相の軸
とのなす角度を、前記電極間に一方向の電圧を印加した
時のカイラルスメクティック液晶の平均分子軸方向と一
軸異方相の軸とのなす角度より小さい角度に設定した液
晶素子、並びに、 ｂ．前記電極間に、一方向の電圧を印加することによっ
て、該電極間の領域にカイラルスメクティック液晶の第
１配向状態を形成し、次いで前記電極間の領域がカイラ
ルスメクティック液晶の第１配向状態及び第２配向状態
を階調情報に応じた面積比で形成させる様に、前記電極
間に他方向の電圧を印加する電圧印加手段、を有する液
晶装置である。

【００１１】

【実施例】以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発
明を詳細に説明する。

【００１２】本発明で用いる液晶材料として、特に適し
たものは、カイラルスメクティック液晶であって、強誘
電性を有するものである。具体的にはカイラルスメクテ
ィックＣ相（ＳｍＣ^* ）、カイラルスメクティックＧ相
（ＳｍＧ^* ）、カイラルスメクティックＦ相（ＳｍＦ
^* ）、カイラルスメクティックＩ相（ＳｍＩ^* ）又はカ
イラルスメクティックＨ相（ＳｍＨ^* ）の液晶を用いる
ことができる。

【００１３】強誘電性液晶の詳細については、たとえば
ＬＥＪＯＵＲＮＡＬ ＤＥ ＰＨＹＳＩＱＵＥ ＬＥＴ
ＴＥＲＳ”３６（Ｌ−６９）１９７５、「Ｆｅｒｒｏｅ
ｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌａ」；
“ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ”３
６（１１）１９８０「Ｓｕｂｍｉｃｒｏ Ｓｅｃｏｎｄ
Ｂｉ−ｓｔａｂｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ Ｓ
ｗｉｔｃｈｉｎｇｉｎ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ
ｓ」；“固体物理”１６（１４１）１９８１「液晶」等
に記載されており、本発明ではこれらに開示された強誘
電性液晶を用いることができる。

【００１４】強誘電性液晶化合物の具体例としては、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（ＤＯＢＡＭＢＣ）、ヘキシルオキシ
ベンジリデン−ｐ′−アミノ−２−クロロプロピルシン
ナメート（ＨＯＢＡＣＰＣ）、４−ｏ−（２−メチル）
−ブチルレゾルシリデン−４′−オクチルアニリン（Ｍ
ＢＲＡ８）が挙げられる。特に、好ましい強誘電性液晶
としては、これより高温側でコレステリック相を示すも
のを用いることができ、例えば下述の実施例に挙げた相
転移温度を示すビフェニルエステル系液晶を用いること
ができる。

【００１５】これらの材料を用いて素子を構成する場
合、液晶化合物が所望の相となるような温度状態に保持
する為、必要に応じて素子をヒーターが埋め込まれた銅
ブロック等により支持することができる。

【００１６】図１は、強誘電性液晶の動作説明のため
に、セルの例を模式的に描いたものである。以下、所望
の相としてＳｍＣ^* を例にとって説明する。

【００１７】１１と１１′は、Ｉｎ₂ Ｏ₃ 、ＳｎＯ₂ あ
るいはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等
の薄膜からなる透明電極で被覆された基板（ガラス板）
であり、その間に液晶分子層１２がガラス面に垂直にな
るよう配向したＳｍＣ^* 相の液晶が封入されている。太
線で示した線１３が液晶分子を表しており、この液晶分
子１３は基板の面方向に連続的にらせん構造を形成して
いる。このらせん構造の中心軸１５と液晶分子１３の軸
方向とのなす角度をΘとして表す。この液晶分子１３
は、その分子に直交した方向に双極子モーメント（Ｐ
⊥）１４を有している。基板１１と１１′上の電極間に
一定の閾値以上の電圧を印加すると、液晶分子１３のら
せん構造がほどけ、双極子モーメント（Ｐ⊥）１４がす
べて電界方向に向くよう、液晶分子１３は配向方向を変
えることができる。液晶分子１３は、細長い形状を有し
ており、その長軸方向と短軸方向で屈折率異方性を示
し、従って例えばガラス面の上下に互いにクロスニコル
の偏光子を置けば、電圧印加極性によって光学特性が変
わる液晶光学素子となることは、容易に理解される。

【００１８】本発明の液晶光学素子で好ましく用いられ
る液晶セルは、その厚さを充分に薄く（例えば１０μ以
下）することができる。このように液晶層が薄くなるに
したがい、図２に示すように電界を印加していない状態
でも液晶分子のらせん構造がほどけ、非らせん構造とな
り、その双極子モーメントＰまたはＰ′は上向き（２
４）又は下向き（２４′）のどちらかの状態をとる。こ
の液晶分子軸２３の分子軸と２３′のなす角度の１／２
の角度をチルト角（Θ）と称し、このチルト角（θ）は
らせん構造をとる時のコーンのなす頂角に等しい。この
ようなセルに、図２に示す如く一定の閾値以上の極性の
異なる電界Ｅ又はＥ′を電圧印加手段２１と２１′によ
り付与すると、双極子モーメントは、電界Ｅ又はＥ′の
電界ベクトルに対応して上向き２４又は下向き２４′と
向きを変え、それに応じて液晶分子は、第１の安定状態
２３か或は第２の安定状態２３′の何れか一方に配向す
る。

【００１９】このような強誘電性を液晶光学素子として
用いることの利点は、先にも述べたが２つある。その第
１は応答速度が極めて速いことであり、第２は液晶分子
の配向が双安定性を有することである。第２の点を、例
えば図２によって更に説明すると、電界Ｅを印加すると
液晶分子は第１の安定状態２３に配向するが、この状態
は電界を切っても安定である。又、逆向きの電界Ｅ′を
印加すると、液晶分子は第２の安定状態２３′に配向し
てその分子の向きを変えるが、やはり電界を切ってもこ
の状態に留っている。

【００２０】このような応答速度の速さと、双安定性が
有効に実現されるにはセルとしては出来るだけ薄い方が
好ましい。

【００２１】このような強誘電性を有する液晶で素子を
形成するに当たって最も問題となるのは、先にも述べた
ように、ＳｍＣ^* 相を有する層が基板面に対して垂直に
配列し且つ液晶分子が基板面に略平行に配向したモノド
メイン性の高いセルを形成することが困難なことであ
る。

【００２２】ところで、従来より大面積の液晶セルを製
造する上で、基板表面に一軸性の配向処理を施す方法が
知られている。この一軸性の配向処理法としては基板表
面をビロード、布や紙で一方向にラビングする方法ある
いは基板表面にＳｉＯやＳｉＯ₂ を斜方蒸着する方法な
どが挙げられる。

【００２３】しかしながら、強誘電性液晶に対して、こ
のようなラビング法や斜方蒸着法を適用しても、配向処
理を施すこと自体が、前記した液晶分子の双安定性を阻
害するため、所謂メモリー性を生かした駆動法を採用す
る場合には一軸性配向処理では、不適当なものと考えら
れていた。

【００２４】ところが、本発明者らが鋭意検討した結
果、基板表面に適正な一軸性の配向処理を施すことによ
り、以下に詳述する如く、ある特定化された双安定状態
を達成することが可能であり、偏光子をその特定化され
た軸方向に一致させることにより、メモリー性を生かし
た駆動が達成し得ることが明らかとなった。

【００２５】図３と図４は、本発明の液晶素子の一実施
例を示している。図３は、本発明の液晶素子の平面図
で、図４はそのＡ−Ａ′断面図である。

【００２６】図３と図４で示すセル構造体１００は、ガ
ラス板及びプラスチック板などからなる一対の基板１０
１と１０１′をスペーサ１０４で所定の間隔に保持さ
れ、この一対の基板をシーリングするために接着剤１０
６で接着したセル構造を有しており、さらに基板１０１
の上には複数の透明電極１０２からなる電極群（例え
ば、マトリクス電極構造のうちの走査電圧印加用電極
群）が例えば帯状パターンなどの所定パターンで形成さ
れている。基板１０１′の上には前述の透明電極１０２
と交差させた複数の透明電極１０２′からなる電極群
（例えば、マトリクス電極構造のうちの信号電圧印加用
電極群）が形成されている。

【００２７】このような透明電極１０２′を設けた基板
１０１′には、例えば、一酸化硅素、二酸化硅素、酸化
アルミニウム、ジルコニア、フッ化マグネシウム、酸化
セリウム、フッ化セリウム、シリコン窒化物、シリコン
炭化物、ホウ素窒化物などの無機絶縁物質やポリビニル
アルコール、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエス
テルイミド、ポリパラキシリレン、ポリエステル、ポリ
カーボネート、ポリビニルアセタール、ポリ塩化ビニ
ル、ポリアミド、ポリスチレン、セルロース樹脂、メラ
ミン樹脂、ユリア樹脂やアクリル樹脂などの有機絶縁物
質を用いて被膜形成した配向制御膜１０５を設けること
ができる。

【００２８】この配向制御膜１０５は、前述の如き無機
絶縁物質又は有機絶縁物質を被膜形成した後に、その表
面をビロード、布や紙で一方向に摺擦（ラビング）する
ことによって得られる。

【００２９】本発明の別の好ましい具体例では、ＳｉＯ
やＳｉＯ₂ などの無機絶縁物質を基板１０１′の上に斜
め蒸着法によって被膜形成することによって、配向制御
膜１０５を得ることができる。

【００３０】図９に示された装置に於てベルジャー８０
１は吸出口８０５を有する絶縁基板８０３上に載置さ
れ、前記吸出口８０５から伸びる（図示されていない）
真空ポンプによりベルジャー８０１が真空にされる。タ
ングステン製又はモリブデン製のるつぼ８０７はベルジ
ャー８０１の内部及び底部に配置され、るつぼ８０７に
は数グラムのＳｉＯ、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＦ₂ などの結晶８
０８が載置される。るつぼ８０７は下方の２つのアーム
８０７ａ、８０７ｂを有し、前記アームは夫々導線８０
９、８１０に接続される。電源８０６及びスイッチ８０
４がベルジャー８０１の外部導線８０９、８１０間に直
列に接続される。基板８０２はベルジャー８０１の内部
でるつぼ８０７の真上にベルジャー８０１の垂直軸に対
しＫの角度を成して配置される。

【００３１】スイッチ８０４が開放されると、ベルジャ
ー８０１はまず約１０^-5ｍｍＨｇ圧の真空状態にされ、
次にスイッチ８０４が閉じられて、るつぼ８０７が適温
で白熱して結晶８０８が蒸発されるまで電源８０６を調
節して電力が供給される。適温範囲（７００〜１０００
℃）に対して必要な電流は約１００ａｍｐｓである。結
晶８０８は次に蒸発され 図中Ｓで示された上向きの分
子流を形成し、流体Ｓは、基板８０２に対してＫの角度
を成して基板８０２上に入射され、この結果基板８０２
が被覆される。角度Ｋは上記の“入射角”であり、流体
Ｓの方向は上記の“斜め蒸着方向”である。この被膜の
膜厚は基板８０２をベルジャー８０１に挿入する前に行
われる装置の時間に対する厚みのキャリプレーションに
より決定される。適宜な厚みの被膜が形成されると電源
８０６からの電力を減少させ、スイッチ８０４を開放し
てベルジャー８０１とその内部を冷却する。次に圧力を
大気圧まで上げ基板８０２をベルジャー８０１から取り
外す。

【００３２】また、別の具体例ではガラス又はプラスチ
ックからなる基板１０１′の表面あるいは基板１０１′
の上に前述した無機絶縁物質や有機絶縁物質を被膜形成
した後に、該被膜の表面を斜方エッチング法によりエッ
チングすることにより、その表面に配向制御効果を付与
することができる。

【００３３】前述の配向制御膜１０５は、同時に絶縁膜
としても機能させることが好ましく、このためにこの配
向制御膜１０５の膜厚は一般に１００Å〜１μ、好まし
くは５００Å〜５０００Åの範囲に設定することができ
る。この絶縁膜は、液晶層１０３に微量に含有される不
純物等のために生ずる電流の発生を防止できる利点をも
有しており、従って動作を繰り返し行なっても液晶化合
物を劣化させることがない。

【００３４】また、本発明の液晶素子では前述の配向制
御膜１０５と同様のものをもう一方の基板１０１に設け
ることができる。

【００３５】図３と図４に示すセル構造体１００の中の
液晶層１０３は、ＳｍＣ^* とすることができる。又、液
晶層１０３の厚さは充分に薄く、液晶分子はらせん構造
を有していない。

【００３６】図５は、本発明の液晶素子の別の具体例を
表わしている。図５で示す液晶素子は、一対の基板１０
１と１０１′の間に複数のスペーサ部材２０３が配置さ
れている。このスペーサ部材２０３は、例えば配向制御
膜１０５が設けられていない基板１０１の上にＳｉＯ、
ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ などの無機化合物ある
いはポリビニルアルコール、ポリイミド、ポリアミドイ
ミド、ポリエステルイミド、ポリパラキシリレン、ポリ
エステル、ポリカーボネート、ポリビニルアセタール、
ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリアミド、ポリス
チレン、セルロース樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、
アクリル樹脂やフォトレジスト樹脂などの樹脂類を適当
な方法で被膜形成した後に、所定の位置にスペーサ部材
２０３が配置される様にエッチングすることによって得
ることができる。

【００３７】このようなセル構造体１００は、基板１０
１と１０１′の両側にはクロスニコル状態とした偏光子
１０７と１０８がそれぞれ配置されて、電極１０２と１
０２′の間に電圧を印加した時に光学変調を生じること
になる。

【００３８】次に、本発明の液晶素子の作成法について
液晶材料としてビフェニルエステル系液晶を例にとって
図３、図４と図６に従って説明する。このビフェニルエ
ステル系化合物は、下記に示す相転移状態を表わしてい
る。

【００３９】

【外１】

【００４０】液晶層が充分に厚い場合（〜１００μ）、
ＳｍＣ^* ではらせん構造をとり、そのピッチは約４μで
ある。

【００４１】まず、前述のビフェニルエステル系液晶が
封入されているセル構造体１００は、セル１００全体が
均一に加熱される様な加熱ケース（図示せず）にセット
される。

【００４２】次に、セル１００中の化合物が等方相とな
る温度（約７５℃）まで加熱する。しかる後に、加熱ケ
ースの温度を降温させて、セル１００中の等方相となっ
ている化合物を降温過程に移す。この降温過程で等方相
の化合物は、約７２℃でグランジユアン組織のコレステ
リック相に相転移し、更に降温過程を続けると約６０℃
でコレステリック相から一軸異方相であるＳｍＡに相転
移を生じることができる。この時、ＳｍＡの液晶分子軸
は、ラビング方向に揃う。

【００４３】しかる後に、このＳｍＡより降温過程でＳ
ｍＣ^* に相転移することによって、例えばセル厚を３μ
ｍ程度以下とすると非らせん構造をもつモノドメインの
ＳｍＣ^* が得られる。

【００４４】図６は、液晶分子の配向状態を模式的に示
すもので、基板面５０５より上方から見た図である。

【００４５】図中、５００は一軸性配向処理の方向、即
ち、本実施例ではラビング方向に相当している。ＳｍＡ
相では、液晶分子がラビング方向５００と一致する液晶
の平均分子軸方向５０１をもって配向する。ＳｍＣ^* 相
に於ては液晶分子の平均的な分子軸方向は、５０２の方
向に傾き、ラビング方向５００とＳｍＣ^* の平均分子軸
方向５０２は、角度θをなして第１の安定配向状態とな
る。この状態で上下基板に電圧を印加すると、ＳｍＣ^*
の液晶分子の平均的な分子軸方向は、角度θより大きい
角度に変化し、角度Θで飽和した第３の安定配向状態を
とる。この時の平均分子軸方向を５０３とする。

【００４６】次に、電圧を零に戻すと、液晶分子は再び
もとの第１の分子軸方向５０２の状態に戻る。従って、
第１の分子軸方向５０２の状態で、液晶分子はメモリー
性を有することになる。又、分子軸方向５０２の状態
で、逆方向の電圧を印加すると、その電圧が充分に高い
場合には、液晶分子の平均的分子軸方向は、飽和して角
度Θをなす第４の安定配向状態の平均分子軸方向５０
３′に転移する。そして、再び電圧を零に戻すと、液晶
分子は、角度θをなす第２の安定配向状態の平均分子軸
方向５０２′の状態に落ちつく。従って、図に示すよう
に偏光子の一方の偏光軸方向５０４を角度θをなす分子
軸方向５０２に合致させることによって、下述する如き
電界による第１と第２の安定配向状態との間で生じる配
向転移とこのメモリー性を生じた駆動法を用いた時にオ
ン状態とオフ状態での光学コントラストを向上すること
ができる。

【００４７】図７には前述のビフェニルエステル化合物
液晶のＳｍＣ^*相に於ける一軸性処理方向と平均的分子
軸方向のなす角度（θ）及び分子軸５０２の状態と５０
２′の状態での光学的コントラスト比の液晶層の厚さに
よる依存性の例が示されている。曲線６１によれば液晶
層の厚さが小さくなるに従い、角度θの値は低下してい
くが、曲線６２に従ってコントラストは増大する。尚、
これらの測定は、ＳｍＡ→ＳｍＣ^* の相転移温度より２
０℃だけ低い温度にて行われた。又、充分に電界（例え
ば２０Ｖ〜３０Ｖ程度）を印加したときの平均的分子軸
方向（Θ）の値は、液晶層の厚さが１．２μのときΘ＝
２５°、２．０μのときΘ＝２７°２．６μのときΘ＝
２８°であり、液晶層の厚さが充分に厚いとき（約１０
０μ）にはΘ＝３０°であった。

【００４８】図８は、液晶材料として、アゾメチン化合
物のＳｍＣ^* 相に於ける一軸性処理方向と平均的分子軸
方向のなす角度（θ）及び分子軸５０２の状態と５０
２′の状態でのコントラスト比の液晶層の厚み依存性を
示す測定データである。この液晶は、次のような相転移
を示すものである。

【００４９】

【外２】 らせんピッチは約２μとした。この材料の場合には、液
晶層の厚さが薄くなるに従い角度θは曲線７１で示す様
に増大していくが、光学的コントラストはやはり曲線７
２で示す様に増大する。これらの測定は、ＳｍＡ→Ｓｍ
Ｃ^* の相転移温度より１５℃だけ低い温度で測定したも
のである。

【００５０】又、充分に電界（２０Ｖ〜３０Ｖ程度）を
印加したときの平均的分子軸方向（Θ）の値は、液晶層
の厚みが１μのときΘ＝１４°、２μのときΘ＝１５°
であり、液晶層の厚さが充分に厚い場合（約１００μ）
は、１８°であった。図中×印で示す記号は、参考のた
めに挙げたもので、Ｋ．Ｋｏｎｄｏ ｅｔａｌ．Ｊ．
Ｊ．ＡＰ２２（１９８３）Ｌ２９４記載のデータを書き
直したものである。同誌記載データでは、基板に何ら配
向処理を施していないものであり、基板に配向処理を施
した本発明者等のデータに比較して角度θの値が大き
い。従って、配向処理が液晶分子の配向状態に大きな影
響を与えているのは明らかである。

【００５１】さて、本発明の特徴が基板面の配向処理に
よって液晶分子に角度θをもつ特定の安定状態を与える
ことからも判る様に角度θの値は、基板面の処理の程度
によって、その値が変化し、液晶分子に対する拘束力が
より強い処理方法であれば、角度θは小さくなり、又、
より弱い処理方法であれば角度θは大きくなる。拘束力
の程度が余りに強い場合には角度θが著しく小さくな
り、ＳｍＣ^* のメモリー性を生かした駆動を行うこと
が、事実上不可能となる。このため角度θの値としては
好ましくは

【００５２】

【外３】 となる配向処理条件を設定することが望ましい。

【００５３】本発明の液晶光学素子で用いる駆動法とし
ては下記に示す方法が適している。すなわち、図１０
（ａ）は、中間に強誘電性液晶化合物が挟まれたマトリ
クス電極構造を有するセル９１の模式図である。９２は
走査電極群であり、９３は信号電極群である。図１０
（ｂ）と図１０（ｃ）はそれぞれ選択された走査電極９
２（ｓ）に与えられる電気信号とそれ以外の走査電極
（選択されない走査電極）９２（ｎ）に与えられる電気
信号を示し、図１０（ｄ）と図１０（ｅ）はそれぞれ選
択された（情報有の）信号電極９３（ｓ）に与えられる
電気信号と選択されない（情報無の）信号電極９３
（ｎ）に与えられる電気信号を表わす。図１０（ｂ）〜
図１０（ｅ）それぞれ横軸が時間を、縦軸が電圧を表
す。例えば、動画を表示するような場合には、走査電極
群９２は遂次周期的に選択される。今、双安定性を有す
る液晶セルの第１の安定状態を与えるための閾値電圧を
Ｖｔｈ₁ とし、第２の安定状態を与えるための閾値電圧
を−Ｖｔｈ₂ とすると、選択された走査電極９２（ｓ）
に与えられる電気信号は図１０（ｂ）に示される如く位
相（時間）ｔ₁ では、２Ｖを位相（時間）ｔ₂ では−Ｖ
となるような交番する電圧である。又、それ以外の走査
電極９２（ｎ）は、図１０（ｃ）に示す如くアース状態
となっており電気信号Ｏである。一方、選択された信号
電極９３（ｓ）に与えられる電気信号は図１０（ｄ）に
示される如く位相ｔ₁ においてＯで、位相ｔ₂ において
Ｖであり、又、選択されない信号電極９３（ｎ）に与え
られる電気信号は図１０（ｅ）に示される如くＯであ
る。

【００５４】以上に於て、電圧値ＶはＶ〈Ｖｔｈ₁ 〈２
Ｖと−Ｖ〉−Ｖｔｈ₂ 〉−２Ｖを満足する所望の値に設
定される。このような電気信号が与えられたときの、各
画素に印加される電圧波形を図１１に示す。

【００５５】図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）と（ｄ）は
それぞれ図１０（ａ）中の画素Ａ，Ｂ，ＣとＤは対応し
ている。すなわち、図１１から明らかな如く、選択され
た走査線上にあるすべての画素は、第１の位相ｔ₁ で閾
値電圧−Ｖｔｈ₂ を越える電圧−２Ｖが印加されるため
に、まず一担一方の光学的安定状態（第２の安定状態）
に揃えられる。このうち、情報信号有に対応する画素Ａ
では第２の位相ｔ₂ で、閾値電圧Ｖｔｈ₁ を越える電圧
２Ｖが印加されるために他方の光学的安定状態（第１の
安定状態）に転移する。又、同一走査線上に存在し、情
報信号無に対応する画素Ｂでは第２の位相ｔ₂ に於ける
印加電圧は閾値電圧Ｖｔｈ₁ を越えない電圧Ｖであるた
めに、一方の光学的安定状態に留ったままである。

【００５６】一方、画素ＣとＤに示される如く選択され
ない走査線上では、すべての画素ＣとＤに印加される電
圧は＋Ｖ又はＯであって、いずれも閾値電圧を越えな
い。従って、各画素ＣとＤにおける液晶分子は、配向状
態を変えることなく前回走査されたときの信号状態に対
応した配向をそのまま保持している。即ち、走査電極が
選択されたときに、まず第１の位相ｔ₁ において、一担
一方の光学的安定状態に揃えられ、第２の位相ｔ₂ にお
いて一ライン分の信号の書き込みが行われ、一フレーム
が終了して次回選択されるまでの間は、その信号状態を
保持し得るわけである。

【００５７】従って、走査電極数が増えても、実質的な
デューティ比はかわらず、コントラストの低下とクロス
トーク等は全く生じない。

【００５８】この際、電圧値Ｖの値及び位相（ｔ₁ ＋ｔ
₂ ）＝Ｔの値としては、用いられる液晶材料やセルの厚
さにも依存するが、通常３ボルト〜７０ボルトで、０．
１μｓｅｃ〜２ｍｓｅｃの範囲で用いられる。

【００５９】本発明の駆動方法が有効に達成されるため
には、走査電極或いは信号電極に与えられる電気信号
が、必ずしも図１０、図１１に於て説明されるような単
純な矩形波信号でなくてもよいことは自明である。例え
ば、正弦波や三角波によって駆動することも可能であ
る。

【００６０】図１２、図１３は、別の変形実施例であ
る。図１０、図１１に示した実施例との違いは図１０
（ｂ）に示す走査信号９２（ｓ）の位相ｔ₁ における電
圧は半分のＶとし、その分すべての情報信号に位相ｔ₁
に於て−Ｖを印加している。この方法によるメリット
は、各電極に与える信号の電圧最大値が図１０、図１１
に示した実施例に比べ半分で済む点にある。

【００６１】この際、図１２（ａ）は、選択された走査
電極９２（ｓ）に印加する電圧の波形を示し、一方、選
択されない走査電極９２（ｎ）には図１２（ｂ）に示す
様にアース状態にされ、電気信号はＯボルトである。図
１２（ｃ）は、選択された信号電極９３（ｓ）に印加す
る電圧の波形を示しており、図１２（ｄ）は選択されな
い信号電極９３（ｎ）に印加する電圧波形を示してい
る。図１３は、各画素Ａ，Ｂ，ＣとＤに印加される電圧
の波形を示している。すなわち、図１３（ａ），
（ｂ），（ｃ）と（ｄ）はそれぞれ図１０（ａ）中の画
素Ａ，Ｂ，ＣとＤに対応している。

【００６２】今までに述べた本発明の説明に於ては、一
つの画素に対応する液晶化合物層は一様であり、一画素
全領域に渉ってどちらかの安定状態に配向を揃えている
ものとして来た。しかしながら、強誘電性液晶の配向状
態は、基板の表面との相互作用によって極めて微妙に作
用されるため、印加電圧と閾値電圧Ｖｔｈ₁ 又は−Ｖｔ
ｈ₂ の差が小さい場合には、局所的な基板表面の僅かの
差によって、一画素内で互いに逆方向の安定配向状態が
混在している状況が生じ得る。これを利用して情報信号
の第２の位相に於て階調性を与える信号を付加すること
が可能である。例えば、図１０、図１１に於て述べた駆
動方法と走査信号は全く同一にして図１４（ａ）〜
（ｄ）に示すような階調に応じ、信号電極に印加する情
報信号の位相ｔ₂ に於けるパルス数を変えることによっ
て階調画像を得ることが可能である。

【００６３】以下、本発明を実施例に従って説明する。

【００６４】（実施例１）ピッチ１００μｍで幅６２．
５μｍのストライプ状のＩＴＯ膜を電極として設けた正
方形状のガラス基板を用意し、これの電極となるＩＴＯ
膜が設けられている側を下向きにして図９に示す斜め蒸
着装置にセットし、次いでモリブデン製るつぼ内にＳｉ
Ｏ₂ の結晶をセットした。しかる後に蒸着装置内を１０
^-5Ｔｏｒｒ程度の真空状態としてから、所定の方法でガ
ラス基板上にＳｉＯ₂ を斜め蒸着し、８００Åの斜め蒸
着膜を形成した（Ａ電極板）。

【００６５】一方、同様のストライプ状のＩＴＯ膜が形
成されたガラス基板上にポリイミド形成溶液（日立化成
工業（株）製の「ＰＩＱ」；不揮発分濃度１４．５ｗｔ
％）をスピナー塗布機で塗布し、１２０℃で３０分間加
熱を行なって８００Åの被膜を形成した（Ｂ電極板）。

【００６６】次いで、Ａ電極板の周辺部に注入口となる
個所を除いて熱硬化型エポキシ接着剤をスクリーン印刷
法によって塗布した後に、Ａ電極板とＢ電極板のストラ
イプ状のパターン電極が直交する様に重ね合わせ、２枚
の電極板の間隔が２μとなるよう、ポリイミドスペーサ
で保持した。

【００６７】こうして作成したセル内に等方相となって
いる前述のビフェニルエステル液晶化合物を注入口から
注入し、その注入口を封口した。このセルを徐冷によっ
て降温させ、温度を約３０℃で維持させた状態で、一対
の偏光子をクロスニコル状態で設けてから顕微鏡観察し
たところ、非らせん構造のＳｍＣ^* が形成されており、
角度θ≒１０°であることが判明した。この方向に、ク
ロスニコルの一方の偏光子の軸方向を合致させ２液晶素
子を作成し、この液晶素子を図１０、図１１に示す駆動
法により駆動させたところ、良好なメモリー駆動が可能
であることが判明した。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、高コントラストな階調
表示を実現した点に極めて多大な効果をもたらした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いた液晶素子を模式的に示す斜視
図。

【図２】本発明で用いた別の液晶素子を模式的に示す斜
視図。

【図３】本発明で用いた液晶素子の平面図。

【図４】図３のＡ−Ａ断面図。

【図５】本発明で用いた別の液晶素子の断面図。

【図６】本発明における液晶分子の配向状態を模式的に
示す平面図。

【図７】一軸性処理方向と平均的分子軸方向のなす角度
θ及び光学的コントラストと液晶層の厚さとの関係を表
す説明図。

【図８】一軸性処理方向と平均的分子軸方向のなす角度
θ及び光学的コントラストと液晶層の厚さとの関係を表
す説明図。

【図９】斜方蒸着法で用いる装置の断面図。

【図１０】（ａ）は本発明で用いたマトリクス電極の平
面図。（ｂ）は選択された走査電極の信号を示す説明
図。（ｃ）は選択されない走査電極の信号を示す説明
図。（ｄ）は選択された信号電極の情報信号を示す説明
図。（ｅ）は選択されない信号電極の情報信号を示す説
明図。

【図１１】（ａ）は画素Ａの液晶に印加される電圧の波
形図。（ｂ）は画素Ｂの液晶に印加される電圧の波形
図。（ｃ）は画素Ｃの液晶に印加される電圧の波形図。
（ｄ）は画素Ｄの液晶に印加される電圧の波形図。

【図１２】（ａ）は別の具体例における選択された走査
電極の信号を示す説明図。（ｂ）は別の具体例における
選択されない走査電極の信号を示す説明図。（ｃ）は別
の具体例における選択された信号電極の情報信号を示す
説明図。（ｄ）は別の具体例における選択されない信号
電極の情報信号を示す説明図。

【図１３】（ａ）は別の具体例における画素Ａの液晶に
印加される電圧の波形図。（ｂ）は別の具体例における
画素Ｂの液晶に印加される電圧の波形図。（ｃ）は別の
具体例における画素Ｃの液晶に印加される電圧の波形
図。（ｄ）は別の具体例における画素Ｄの液晶に印加さ
れる電圧の波形図。

【図１４】（ａ）は信号電極に印加する電圧の波形例を
示す説明図。（ｂ）は信号電極に印加する電圧の波形例
を示す説明図。（ｃ）は信号電極に印加する電圧の波形
例を示す説明図。（ｄ）は信号電極に印加する電圧の波
形例を示す説明図。

【符号の説明】

５００ ラビング方向 ５０１ ラビング方向と平行となっているＳｍＡ相での
平均分子軸方向 ５０２ ＳｍＣ^* 相での第１の平均分子軸方向 ５０２′ ＳｍＣ^* 相での第２の平均分子軸方向 ５０３ ＳｍＣ^* 相での電圧印加時の飽和した第３の平
均分子軸方向 ５０３′ ＳｍＣ^* 相での電圧印加時の飽和した第４の
平均分子軸方向 ５０４ クロスニコルの一方の偏光子の偏光軸方向 ５０６ クロスニコルの他方の偏光子の偏光軸方向 ５０５ 基板面 θ 電極間の電圧を零とした時のＳｍＣ^* での第１の平
均分子軸方向５０２とＳｍＡ相での平均分子軸方向５０
１とのなす角度 Θ 電圧印加時のＳｍＣ^* 相での飽和した第３の平均分
子軸方向５０３とＳｍＡ相での平均分子軸方向５０１と
のなす角度

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ａ．少なくとも１つの偏光子と、電極を
   設け、少なくとも一方を一軸性配向処理した一対の基板
   及びらせん構造の形成を抑制するのに十分な基板間間隔
   に配置させた一軸異方相を生じるカイラルスメクティッ
   ク液晶を有する液晶セルとを備え、前記偏光子の偏光軸
   と一軸異方相の軸とのなす角度を、前記電極間に一方向
   の電圧を印加した時のカイラルスメクティック液晶の平
   均分子軸方向と一軸異方相の軸とのなす角度より小さい
   角度に設定した液晶素子、並びに、 ｂ．前記電極間に、一方向の電圧を印加することによっ
   て、該電極間の領域にカイラルスメクティック液晶の第
   １配向状態を形成し、次いで前記電極間の領域がカイラ
   ルスメクティック液晶の第１配向状態及び第２配向状態
   を階調情報に応じた面積比で形成させる様に、前記電極
   間に他方向の電圧を印加する電圧印加手段を有する液晶
   装置。
2. 【請求項２】 前記電圧印加手段が前記他方向の電圧の
   波形を階調情報に応じて変化させる手段を有する請求項
   １の液晶装置。
3. 【請求項３】 前記電圧印加手段が前記他方向の電圧の
   パルス幅を階調情報に応じて変化させる手段を有する請
   求項１の液晶装置。
4. 【請求項４】 前記電圧印加手段が前記他方向の電圧の
   パルス数を階調情報に応じて変化させる手段を有する請
   求項１の液晶装置。
5. 【請求項５】 前記液晶素子が走査電極と信号電極とで
   構成したマトリクス電極を備えている請求項１の液晶装
   置。