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JP2006030584A - Liquid crystal element and liquid crystal device - Google Patents

Liquid crystal element and liquid crystal device Download PDF

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JP2006030584A
JP2006030584A JP2004209220A JP2004209220A JP2006030584A JP 2006030584 A JP2006030584 A JP 2006030584A JP 2004209220 A JP2004209220 A JP 2004209220A JP 2004209220 A JP2004209220 A JP 2004209220A JP 2006030584 A JP2006030584 A JP 2006030584A
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JP
Japan
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liquid crystal
substrate
pore
pores
electric field
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004209220A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuichiro Miki
雄一郎 三木
Takeshi Eguchi
健 江口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2004209220A priority Critical patent/JP2006030584A/en
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Abstract

【課題】 強いコントラストを得ることのできる液晶素子及びこれを備えた液晶装置を提供する。
【解決手段】 第1基板31と第2基板32とにより、液晶35が充填されると共に基板方向に貫通する単一または複数の細孔34を有する液晶保持部材33を挟持する。そして、第1基板31及び第2基板32の液晶保持部材側の面にそれぞれ電極36,37を形成し、この電極間電圧の変化により細孔内の少なくとも2箇所にディスクリネーションを生じさせるようにする。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid crystal element capable of obtaining a strong contrast and a liquid crystal device provided with the same.
A first substrate 31 and a second substrate 32 sandwich a liquid crystal holding member 33 which is filled with liquid crystal 35 and has a single or a plurality of pores 34 penetrating in the substrate direction. Then, electrodes 36 and 37 are respectively formed on the surfaces of the first substrate 31 and the second substrate 32 on the liquid crystal holding member side, and disclination is generated in at least two places in the pores by the change of the voltage between the electrodes. To.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、液晶素子及び液晶装置に関し、特に細孔に液晶を充填するようにしたものに関する。   The present invention relates to a liquid crystal element and a liquid crystal device, and more particularly to a liquid crystal in which pores are filled with liquid crystal.

従来、液晶表示装置や液晶光スイッチング装置等の液晶装置に利用される液晶素子においては、コントラストを高く、かつスイッチングスピードを速くするよう、例えば基板にキャビティ(細孔)を形成すると共にキャビティ内に液晶を充填し、この液晶に対し電圧を印加することによって配向状態を変化させ、透過率の変化を得る方法が知られている(特許文献1参照。)。   2. Description of the Related Art Conventionally, in a liquid crystal element used for a liquid crystal device such as a liquid crystal display device or a liquid crystal optical switching device, for example, a cavity (pore) is formed in a substrate and the cavity is formed so as to increase the contrast and increase the switching speed. There is known a method of filling a liquid crystal and applying a voltage to the liquid crystal to change the alignment state to obtain a change in transmittance (see Patent Document 1).

そして、このような方法によればキャビティ断面内の液晶の配向分布が断面中心に対し点対称となるため、このような基板で構成したディスプレイの視野角は広く、見る方位に関係がないという利点がある。   According to such a method, the orientation distribution of the liquid crystal in the cavity section is point-symmetric with respect to the center of the section, so that the viewing angle of the display configured with such a substrate is wide and has no relation to the viewing direction. There is.

図18は、このような液晶素子の例として、円筒形のキャビティ内に充填された液晶の配向状態を示すものである。なお、この例は、キャビティ34Aの内側面に垂直配向処理を施した場合のものである。   FIG. 18 shows an alignment state of liquid crystal filled in a cylindrical cavity as an example of such a liquid crystal element. In this example, the vertical alignment treatment is performed on the inner surface of the cavity 34A.

そして、このようなキャビティに充填された液晶分子は、図18の(a)に示すように、キャビティ34Aの内側面に近づくほどその半径方向に配向し、キャビティ34Aの中心軸に近づくほどその中心軸に沿うように配向する。そして、この状態において、キャビティ中心軸方向の電界を与えると、図18の(b)に示すように、より多くの液晶分子がキャビティ34Aの中心軸に沿うように配向し、透過率が変化する。   Then, as shown in FIG. 18A, the liquid crystal molecules filled in such a cavity are oriented in the radial direction as it approaches the inner surface of the cavity 34A, and the center thereof as it approaches the central axis of the cavity 34A. Orient along the axis. In this state, when an electric field is applied in the cavity central axis direction, as shown in FIG. 18B, more liquid crystal molecules are aligned along the central axis of the cavity 34A, and the transmittance changes. .

特許第3251519号公報Japanese Patent No. 3251519

ところが、このような従来の液晶素子及びこれを備えた液晶装置において、上記構成によればキャビティ中心軸付近の液晶分子は電界の有無に関わらず常に中心軸方向に配向しているため、得られる配向状態の変化は通常のTwistedNematic液晶で得られるような配向状態の変化に比べて小さく、強いコントラストが得られないという欠点がある。   However, in such a conventional liquid crystal element and a liquid crystal device including the same, the liquid crystal molecules in the vicinity of the cavity central axis are always aligned in the central axis direction regardless of the presence or absence of an electric field. The change in the alignment state is smaller than the change in the alignment state as obtained with a normal Twisted Nematic liquid crystal, and there is a drawback that a strong contrast cannot be obtained.

本発明は、第1基板と第2基板の間に液晶が充填された液晶素子において、前記第1基板と第2基板とにより挟持され、前記液晶が充填されると共に基板方向に貫通する単一または複数の細孔を有する液晶保持部材と、前記第1基板及び前記第2基板の液晶保持部材側の面にそれぞれ形成された電極と、を備え、前記電極間電圧の変化により前記細孔内の少なくとも2箇所にディスクリネーションを生じさせることを特徴とするものである。   According to the present invention, in a liquid crystal element in which liquid crystal is filled between a first substrate and a second substrate, the liquid crystal element is sandwiched between the first substrate and the second substrate and filled with the liquid crystal and penetrates in the substrate direction. Or a liquid crystal holding member having a plurality of pores, and electrodes respectively formed on surfaces of the first substrate and the second substrate on the liquid crystal holding member side, and the inside of the pores is changed by the change of the voltage between the electrodes. Disclinations are generated in at least two places.

本発明のように、第1基板と第2基板とにより、単一または複数の細孔を有する液晶保持部材を挟持すると共に、電極間電圧を変化させて細孔内の少なくとも2箇所にディスクリネーションを生じさせるようにすることにより、強いコントラストを得ることができる。   As in the present invention, a liquid crystal holding member having a single or a plurality of pores is sandwiched between the first substrate and the second substrate, and the voltage between the electrodes is changed to discriminate at least two locations in the pores. A strong contrast can be obtained by generating a nation.

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態に係る液晶素子の構成を説明する図であり、同図において、31は第1基板、32は第2基板、33は第1及び第2基板31,32の間に配された液晶保持部材である第3基板である。34は第3基板33を第1及び第2基板方向に貫通した単一又は複数の、本実施の形態においては複数の細孔であり、この細孔34の内部には液晶35がそれぞれ充填されている。なお、第1基板31及び第2基板32のうち少なくとも1方は光透過性を有するガラス、或いはポリカーボネイト、PMMA等の透明プラスチック基板であり、第3基板33はAl基板である。   FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a liquid crystal element according to an embodiment of the present invention, in which 31 is a first substrate, 32 is a second substrate, and 33 is first and second substrates 31 and 32. It is the 3rd board | substrate which is a liquid-crystal holding member distribute | arranged between. Reference numeral 34 denotes a single or a plurality of, in this embodiment, a plurality of pores penetrating the third substrate 33 in the first and second substrate directions, and the inside of the pores 34 is filled with liquid crystal 35. ing. At least one of the first substrate 31 and the second substrate 32 is a light transmissive glass, or a transparent plastic substrate such as polycarbonate or PMMA, and the third substrate 33 is an Al substrate.

36、37は液晶35が充填された細孔34の中心軸方向に電圧を印加するための電極である。なお、この電極36,37は、第1基板31及び第2基板32の第3基板側の面上に酸化インジウム錫薄膜等を真空蒸着、スパッタリングなどで形成されている。   Reference numerals 36 and 37 denote electrodes for applying a voltage in the direction of the central axis of the pore 34 filled with the liquid crystal 35. The electrodes 36 and 37 are formed by vacuum deposition, sputtering, or the like on an indium tin oxide thin film or the like on the surfaces of the first substrate 31 and the second substrate 32 on the third substrate side.

ここで、本実施の形態において、細孔34の断面形状は、円形及び楕円形、或いは3つ角部を備えた三角形、4つ以上の角部を備えた、即ち対角線を有する正方形状や六角形状を有している。   Here, in the present embodiment, the cross-sectional shape of the pores 34 may be a circle and an ellipse, or a triangle having three corners, a square having four or more corners, that is, a square or hexagon having diagonal lines. It has a shape.

次に、このような構成の液晶素子の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing a liquid crystal element having such a configuration will be described.

まず、第3基板33に上記のような細孔34を形成する。なお、この細孔は、文献(Advanced Materials,200113,No.3,February5,p189−p192)に開示されている技術に基づき、以下のようにして作成する。   First, the pores 34 as described above are formed in the third substrate 33. In addition, this pore is produced as follows based on the technique currently disclosed by literature (Advanced Materials, 200113, No. 3, February 5, p189-p192).

まず、突起を配列させたSiCモールドを電子ビームリソグラフィ技術を用いて作成する。ここで、突起の配列の仕方は、作成する細孔の形状によって決まる。即ち、例えば、六角形の細孔を作成したい場合は、図2の(a)に示すように、突起41を六角格子を作成するように配列させ、正方形の細孔を作成したい場合は、図2の(b)に示すように、突起41を四角格子を形成するように配列させ、三角形の細孔を作成したい場合は、図2の(c)に示すように突起41を三角格子を形成するように配列させる。   First, a SiC mold in which protrusions are arranged is created using an electron beam lithography technique. Here, the way in which the protrusions are arranged depends on the shape of the pores to be created. That is, for example, when creating a hexagonal pore, as shown in FIG. 2A, the projections 41 are arranged to create a hexagonal lattice, and when creating a square pore, As shown in FIG. 2 (b), when the projections 41 are arranged so as to form a square lattice to create triangular pores, the projections 41 are formed in a triangular lattice as shown in FIG. 2 (c). Arrange to do.

なお、最終的に作成される細孔の形状は、図2において、突起41を母点とした符号42で示すVoronoi図とほぼ一致する。ここで、Voronoi図とは複数の母点があった場合に、ある領域に含まれる任意の点に最も近い母点が、その領域に含まれる母点であるという領域を示す図である。さらに、図2において、突起を示す符号41は、細孔の生成の開始点をも示している。   Note that the shape of the finally created pores substantially coincides with the Voronoi diagram indicated by reference numeral 42 with the protrusion 41 as a base point in FIG. Here, the Voronoi diagram is a diagram showing a region in which when there are a plurality of generating points, the generating point closest to an arbitrary point included in a certain region is a generating point included in the region. Furthermore, in FIG. 2, the code | symbol 41 which shows a protrusion has also shown the starting point of the production | generation of a pore.

次に、このような突起41を配列させたSiCモールドを油圧を用いて、Al基板(第3基板)の表面に1600kgcm−2で押し付ける。この操作によって、SiCモールド上の突起41に接するAl基板表面上の点には微小な凹みが形成される。この後、Al基板について定電圧条件で5重量%のシュウ酸または燐酸を用いて陽極酸化処理を行う。そして、このような陽極酸化処理を行うと、最初は凹みにおいて最も陽極酸化の速度が大きいため、即ちAlの溶出速度が大きいため、細孔は凹みを中心に成長する。このため、陽極酸化処理を始めてすぐの段階では、細孔の断面は円形である。 Next, the SiC mold in which such protrusions 41 are arranged is pressed against the surface of the Al substrate (third substrate) at 1600 kgcm −2 using hydraulic pressure. By this operation, a minute dent is formed at a point on the surface of the Al substrate in contact with the protrusion 41 on the SiC mold. Thereafter, the Al substrate is anodized using 5% by weight of oxalic acid or phosphoric acid under a constant voltage condition. When such an anodic oxidation treatment is performed, initially, the anodic oxidation rate is the highest in the dent, that is, the elution rate of Al is high, so that the pores grow around the dent. For this reason, at the stage immediately after the start of the anodizing treatment, the cross section of the pores is circular.

さらに、この後、陽極酸化が進むと、細孔同士が接近し、細孔同士の距離が近い場合にはAlイオンの溶出速度が小さいため、細孔の成長が抑えられることから、細孔の断面は徐々にVoronoi図に近くなってきて、細孔が作成される。   Further, when the anodic oxidation proceeds thereafter, the pores approach each other, and when the distance between the pores is short, the elution rate of the Al ions is small, so that the growth of the pores is suppressed. The cross section gradually approaches the Voronoi diagram, creating pores.

なお、図3は正方形の細孔を形成する場合において、徐々に細孔が大きくなっていく様子を示す図であり、図3において、51はSiCモールドの押し付けによって最初にAl基板に作成された凹み、52は凹み51を母点とするVoronoi図、53は細孔である。そして、細孔53は最初に作成された凹み51から矢印に従って徐々に成長する。この結果、図1に示すように第3基板33には単一または複数の貫通した細孔34が形成される。   FIG. 3 is a diagram showing how the pores are gradually enlarged when forming the square pores. In FIG. 3, 51 is first formed on the Al substrate by pressing the SiC mold. A dent, 52 is a Voronoi diagram with the dent 51 as a generating point, and 53 is a pore. Then, the pore 53 gradually grows according to the arrow from the dent 51 created first. As a result, as shown in FIG. 1, a single or a plurality of penetrating pores 34 are formed in the third substrate 33.

次に、このようにして形成された第3基板33の細孔34に、有機シラン等の垂直配向処理剤もしくはPVA等の水平配向処理剤を充填し、細孔34の内壁面にそれぞれ垂直配向処理もしくは水平配向処理を施す。この後、細孔内に液晶35を充填し、それぞれ表面に電極36,37が作成された第1基板31及び第2基板32により第3基板33を挟持することにより液晶素子が形成される。   Next, the pores 34 of the third substrate 33 formed in this way are filled with a vertical alignment treatment agent such as organosilane or a horizontal alignment treatment agent such as PVA, and the inner wall surfaces of the pores 34 are each vertically aligned. Treatment or horizontal alignment treatment is performed. Thereafter, the liquid crystal 35 is filled in the pores, and the third substrate 33 is sandwiched between the first substrate 31 and the second substrate 32 on which the electrodes 36 and 37 are formed, respectively, thereby forming a liquid crystal element.

ところで、図4は、細孔内側面に垂直配向処理が施された細孔34に充填された誘電異方性が正の液晶の、図18とは異なる安定な配向状態の存在を、連続体理論に基づく数値計算により確認したものである。図4の(a)は、電界を切ったときの液晶の配向状態を円筒状の細孔の上から見たときと、そのA−A' に沿った断面から見たときを示すものである。図4の(b)は電界印加時の状態を示す。   By the way, FIG. 4 shows the existence of a stable alignment state different from that in FIG. 18 of the liquid crystal with positive dielectric anisotropy filled in the pores 34 in which the inner side surfaces of the pores are vertically aligned. This is confirmed by numerical calculation based on theory. FIG. 4A shows the alignment state of the liquid crystal when the electric field is cut when viewed from above the cylindrical pores and when viewed from the cross section along AA ′. . FIG. 4B shows a state when an electric field is applied.

この配向状態では図4の(a)に示すように細孔内の2箇所にディスクリネーション41,42が生じることにより、細孔内の概ね全ての液晶分子が細孔中心軸に対し90°に近い配向角をもっている。   In this orientation state, as shown in FIG. 4A, disclinations 41 and 42 are generated at two locations in the pore, so that almost all liquid crystal molecules in the pore are 90 ° to the pore central axis. It has an orientation angle close to.

ディスクリネーションは、液晶配向の特異点であって、その周りに仮想的に1周の周回路を取ったときに、周回路に沿った液晶の方向(ディレクタ)がπ(=180°)の整数倍だけ変化するものである。図4の(a)では、円筒の軸に垂直な平面内で、上下に2箇所のディスクリネーション41,42が発生している。この場合のディスクリネーション41,42は細孔34の壁面上にあるが、このときも、1部が壁面に沿った仮想周回路43,44を取れば、液晶の方向がπだけ変化している。本発明では、液晶の内部にある特異点と、このように壁面上にある特異点をともにディスクリネーションと呼ぶ。   Disclination is a peculiar point of liquid crystal alignment, and when a virtual circuit of one circumference is taken around it, the direction (director) of the liquid crystal along the circuit is π (= 180 °). It changes by an integer multiple. In FIG. 4A, two disclinations 41 and 42 are generated vertically in a plane perpendicular to the axis of the cylinder. In this case, the disclinations 41 and 42 are on the wall surface of the pore 34. At this time, if one part takes the virtual peripheral circuits 43 and 44 along the wall surface, the direction of the liquid crystal changes by π. Yes. In the present invention, both the singular point inside the liquid crystal and the singular point on the wall surface are called disclination.

この状態の細孔34の中心軸方向に電界を与えると、図4の(b)に示すようにディスクリネーションが消滅し、液晶分子の細孔の中心軸に対する配向角は0°に近づく。図4(a)と(b)を比べると、液晶分子の大部分が水平配向から垂直配向に変化している。これは、これら2つの状態間の屈折率、リタデーションなどの光学特性が大きく異なることを意味し、この結果、図18の配向変化よりも高いコントラストを得ることができる。   When an electric field is applied in the central axis direction of the pores 34 in this state, the disclination disappears as shown in FIG. 4B, and the orientation angle of the liquid crystal molecules with respect to the central axis of the pores approaches 0 °. 4A and 4B, most of the liquid crystal molecules are changed from horizontal alignment to vertical alignment. This means that optical properties such as refractive index and retardation between these two states are greatly different, and as a result, a higher contrast than the orientation change of FIG. 18 can be obtained.

図5は、細孔内側面に水平配向処理が施された細孔34に誘電異方性が負の液晶が充填された液晶の配向状態を示すものである。この場合においては、電界がないとき、図5の(a)に示すように液晶分子がすべて円筒軸に平行になってエネルギーが最小化された配向状態が実現され、円筒軸方向の電界を印加することによって液晶が電界方向に垂直になり、図5の(b)に示すように、壁面にディスクリネーション51,52が生じる。この場合も、図4の(a)、(b)と同様にディスクリネーションの生成と消滅に伴うコントラストの高いスイッチングを得ることが可能である。なお、図5において、53,54は周回線を示している。   FIG. 5 shows an alignment state of a liquid crystal in which a liquid crystal having a negative dielectric anisotropy is filled in a pore 34 whose horizontal inner surface is subjected to a horizontal alignment treatment. In this case, when there is no electric field, as shown in FIG. 5 (a), all liquid crystal molecules are parallel to the cylindrical axis and energy is minimized, and an electric field in the cylindrical axis direction is applied. As a result, the liquid crystal becomes perpendicular to the electric field direction, and disclinations 51 and 52 are generated on the wall surface as shown in FIG. Also in this case, it is possible to obtain switching with high contrast accompanying the generation and disappearance of disclination as in FIGS. 4 (a) and 4 (b). In FIG. 5, reference numerals 53 and 54 denote peripheral lines.

このように、第1基板31と第2基板32とにより、単一または複数の細孔34を有する第3基板33を挟持すると共に、電極間電圧を変化させて細孔内の少なくとも2箇所にディスクリネーションを生じさせるようにすることにより、スイッチングスピードを早くすることができると共に、強いコントラストを得ることができる。さらに、このような液晶素子を備えることにより、不図示の液晶装置は従来にないスイッチングスピードの速さとコントラストの強さを兼ね備えることができる。   As described above, the first substrate 31 and the second substrate 32 sandwich the third substrate 33 having a single or a plurality of pores 34 and change the voltage between the electrodes to at least two locations in the pores. By causing disclination, the switching speed can be increased and a strong contrast can be obtained. Furthermore, by providing such a liquid crystal element, a liquid crystal device (not shown) can have both a switching speed and contrast strength that are not conventionally provided.

次に、このような本実施の形態の実施例として、液晶素子のスイッチング特性について行った、連続体理論に基づいた液晶配向の数値計算シミュレーションによる検討結果について説明する。なお、この検討においては、細孔の断面形状を円形とした。   Next, as an example of this embodiment, the result of examination by numerical calculation simulation of liquid crystal alignment based on the continuum theory performed on the switching characteristics of the liquid crystal element will be described. In this study, the cross-sectional shape of the pores was circular.

まず、細孔内側面に垂直配向処理を施し、誘電異方性が正の7CBネマチック液晶を充填した場合について説明する。   First, a case will be described in which a vertical alignment treatment is performed on the inner side surface of the pore and 7CB nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy is filled.

図6は、異なる細孔径、例えば200nm及び500nmにおける、印加電界と、液晶分子と細孔中心軸のなす配向角θの余弦(cos)の平均値との関係を示すものであり、本実施の形態の液晶素子によれば、電界を印加することによって概ね全ての液晶分子を最大で90°近く回転させることができるため(図4及び図5参照)、非常に強いコントラストが得られることがわかる。   FIG. 6 shows the relationship between the applied electric field and the average cosine (cos) of the orientation angle θ between the liquid crystal molecules and the pore central axis at different pore diameters, for example, 200 nm and 500 nm. According to the liquid crystal element of the embodiment, it can be understood that a very strong contrast can be obtained because almost all liquid crystal molecules can be rotated by nearly 90 ° at maximum by applying an electric field (see FIGS. 4 and 5). .

また、図7の(a)は、電界を与えて配向が定常に至るまでの立ち上がり時間と上記配向角θの余弦(cos)の平均値との関係を、図7の(b)は、その後、電界をゼロに戻してから定常に戻るまでの立下り時間と配向角θの余弦(cos)の平均値との関係をそれぞれ示すものであり、この図(グラフ)から、通常のTN液晶ではスイッチングに数〜数十ms必要なのに対し、本実施の形態の液晶素子の場合は、数十μsと非常に速いスイッチングが行えることがわかる。   FIG. 7A shows the relationship between the rise time until the orientation reaches a steady state by applying an electric field and the average value of the cosine (cos) of the orientation angle θ, and FIG. , And shows the relationship between the fall time from returning the electric field to zero and returning to the steady state, and the average value of the cosine (cos) of the orientation angle θ. From this graph (graph), While it takes several to several tens of ms for switching, it can be seen that the liquid crystal element of this embodiment can perform very fast switching of several tens of μs.

なお、本実施の形態の液晶素子においては、既述した図18のような配向状態(以後、tilt配向という)も安定である。次に、図18に示す配向状態と、図4の配向状態(以後、planar配向という)との自由エネルギーの差ΔU(=Uplanar−Utilt)を様々な細孔径において計算した結果を図8に示す。   Note that in the liquid crystal element of this embodiment, the alignment state shown in FIG. 18 (hereinafter referred to as “tilt alignment”) is also stable. Next, FIG. 8 shows the results of calculating the difference ΔU (= Upplaner−Utilt) of free energy between the orientation state shown in FIG. 18 and the orientation state of FIG. 4 (hereinafter referred to as planar orientation) in various pore diameters. .

ここで、計算した全ての細孔径において両配向状態は共に安定であったが、図8に示すように、細孔径が300nmを下回るとplanar配向がより安定となる。本発明のスイッチングは必ずしもこの細孔径以下でなければ達成できないわけではないが、安定性の面では細孔径は300nm以下が好ましい。   Here, both orientation states were stable in all the calculated pore diameters, but as shown in FIG. 8, the planar orientation becomes more stable when the pore diameter is less than 300 nm. The switching of the present invention is not necessarily achieved unless the pore diameter is less than or equal to this, but in terms of stability, the pore diameter is preferably 300 nm or less.

次に、細孔内側面に水平配向処理を施し、誘電異方性が負のMBBAネマチック液晶を充填した場合について同様に説明する。   Next, the case where a horizontal alignment process is performed on the inner surface of the pores and MBBA nematic liquid crystal having negative dielectric anisotropy is filled will be described in the same manner.

図9は、異なる細孔径、例えば200nm及び500nmにおける、印加電界と、液晶分子と細孔中心軸のなす配向角θの正弦(sin)の平均値との関係を示すものであり、図10の(a)は、電界を与え配向が定常に至るまでの立ち上がり時間と配向角θの正弦(sin)の平均値との関係を、図10の(b)は、その後、電界をゼロに戻してから定常に戻るまでの立下り時間と配向角θの正弦(sin)の平均値との関係をそれぞれ示すものである。   FIG. 9 shows the relationship between the applied electric field and the average value of the sine of the orientation angle θ formed between the liquid crystal molecules and the pore central axis at different pore diameters, for example, 200 nm and 500 nm. (A) shows the relationship between the rise time until the orientation reaches a steady state when an electric field is applied and the average value of the sine of the orientation angle θ, and (b) in FIG. 10 then returns the electric field to zero. 3 shows the relationship between the fall time from the time point until the steady state returns to the steady state and the average value of the sine of the orientation angle θ.

そして、これら図9及び図10によれば、細孔内側面に水平配向処理を施し、誘電異方性が負のMBBAネマチック液晶を充填した場合においても、細孔内側面に垂直配向処理を施し、誘電異方性が正の7CBネマチック液晶を充填した場合と同様に高いコントラストと速いスイッチングスピードが得られることがわかる。   9 and 10, the inner surface of the pore is subjected to a horizontal alignment treatment, and even when MBBA nematic liquid crystal having a negative dielectric anisotropy is filled, the inner surface of the pore is subjected to the vertical alignment treatment. It can be seen that a high contrast and a fast switching speed can be obtained as in the case of filling 7CB nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy.

ところで、図8で示したように、細孔径が小さいほどtilt配向よりplanar配向が安定となるが、両者は双安定の関係にある。そのため、planar配向状態に電界を与えた際、場合によってはtilt配向にトラップされてしまい、電界をゼロにしてもplanar配向に戻らない可能性がある。   By the way, as shown in FIG. 8, the planar orientation is more stable than the tilt orientation as the pore diameter is smaller, but both are in a bistable relationship. Therefore, when an electric field is applied to the planar alignment state, it may be trapped by the tilt alignment in some cases, and even if the electric field is zero, there is a possibility that the planar alignment is not restored.

具体的には、図11の(a)のようにplanar配向状態の液晶分子に電界を与えた際(電界ON)、細孔34の中心軸に対し対称に液晶が立ち上がると、tilt配向にトラップされてしまい、この後、電界をゼロ(OFF)にしてもplanar配向に戻らないが、図11の(b)のように全ての液晶が同一方向に回転すれば、tilt配向に陥ることはない。   Specifically, as shown in FIG. 11A, when an electric field is applied to the planar alignment liquid crystal molecules (electric field ON), when the liquid crystal rises symmetrically with respect to the central axis of the pore 34, it is trapped in the tilt alignment. After that, even if the electric field is zero (OFF), it does not return to the planar alignment, but if all the liquid crystals rotate in the same direction as shown in FIG. 11B, it will not fall into the tilt alignment. .

図18は細孔壁面が垂直配向処理されている場合であるが、細孔壁面が水平配向処理されている場合には、電界を印加したときに図5の(a)から図5の(b)に移行せず、図19に示すようなtilt配向に陥るおそれがある。このときも、図5の(a)から出発した液晶の回転方向が一方向に定まっていれば図19に陥ることなく図5の(b)の配向が実現できる。   FIG. 18 shows the case where the pore wall surface is subjected to the vertical alignment treatment. However, when the pore wall surface is subjected to the horizontal alignment treatment, when an electric field is applied, the pore wall surface of FIG. ), And there is a risk of falling into a tilt orientation as shown in FIG. Also at this time, if the rotation direction of the liquid crystal starting from FIG. 5A is determined in one direction, the orientation of FIG. 5B can be realized without falling into FIG.

そこで、このような立ち上がりを確実に実現するためには以下の処理を施すようにする。   Therefore, in order to reliably realize such a rise, the following processing is performed.

1つは、図1に示した構成において、表面に電極36,37を成膜した第1基板31及び第2基板32の少なくとも一方の表面に、SiOやTiO2等の酸化物を斜方蒸着し、また必要に応じてさらに垂直配向処理剤を塗布することにより任意の配向角をもった傾斜配向処理を施すようにする。これにより図12に示すように、傾斜配向処理面近傍の液晶を起点とした図11の(b)と同様の立ち上がりが実現される。   First, in the structure shown in FIG. 1, an oxide such as SiO or TiO 2 is obliquely deposited on at least one surface of the first substrate 31 and the second substrate 32 on which the electrodes 36 and 37 are formed. Further, if necessary, a vertical alignment treatment agent is further applied to perform an inclined alignment treatment having an arbitrary alignment angle. As a result, as shown in FIG. 12, a rise similar to that shown in FIG. 11B is realized with the liquid crystal in the vicinity of the inclined alignment treatment surface as the starting point.

またもう1つは、図13に示すように第1基板31及び第2基板32上に複数の微小な電極素子36a,37aを作成し、両電極36a,37aにより誘起される電界の方向が細孔34の中心軸に対し一方向に傾きをもつように第1及び第2基板31,32を配置する方法である。   The other is that a plurality of minute electrode elements 36a and 37a are formed on the first substrate 31 and the second substrate 32 as shown in FIG. 13, and the direction of the electric field induced by both the electrodes 36a and 37a is narrow. In this method, the first and second substrates 31 and 32 are arranged so as to be inclined in one direction with respect to the central axis of the hole 34.

図13の(a)は細孔の軸方向から見た配置、図13の(b)はB−B' の断面を取って横方向から見た配置を示す。ここで、電極36aは第1基板上、電極36bは第2基板上にあり、細孔の中心軸に対して180°対称に配置されている。   FIG. 13 (a) shows the arrangement viewed from the axial direction of the pores, and FIG. 13 (b) shows the arrangement taken from the lateral direction by taking the cross section BB ′. Here, the electrode 36a is on the first substrate and the electrode 36b is on the second substrate, and they are arranged 180 ° symmetrically with respect to the central axis of the pore.

これにより図14に示すように、電界を印加したときに細孔の中心軸から傾いた配向が実現され、電界を切ったときに全ての液晶分子がほぼこの傾斜面内で同一方向に回転し、図11の(b)の切り替わりが実現される。   As a result, as shown in FIG. 14, an orientation tilted from the central axis of the pore is realized when an electric field is applied, and when the electric field is turned off, all liquid crystal molecules rotate in the same direction within the inclined plane. 11B is realized.

水平配向処理の場合も、図12または図13と同じ処方で、電界印加時に図19のtilt配向に陥ることなく図5(b)のplanar配向が実現する。   Also in the case of the horizontal alignment process, the planar alignment of FIG. 5B is realized without falling into the tilt alignment of FIG.

ところで、これまでの説明においては、細孔34の断面形状として円形状を例にとって説明したが、本発明は、これに限らず、細孔34の断面形状は図15の(a)、(b)のような楕円形であってもよい。この場合、ディスクリネーションは、楕円の長軸の両端に生じるようになる。   By the way, in the description so far, the circular shape is described as an example of the cross-sectional shape of the pore 34. However, the present invention is not limited to this, and the cross-sectional shape of the pore 34 is shown in FIGS. ) May be oval. In this case, disclination occurs at both ends of the long axis of the ellipse.

図15の(a)は、細孔内側面に垂直配向処理が施されている場合、(b)は細孔内側面に水平配向処理が施されている場合における配向状態の変化を示す。そして、図15の(a)に示すように、表面に垂直配向処理を施し、誘電異方性が正の液晶を充填したセルでは、電界が印加されていないときに楕円の長軸端の2箇所にディスクリネーション41,42が生じ、電界印加によって消滅する。   (A) of FIG. 15 shows the change in the alignment state when the vertical alignment treatment is performed on the inner surface of the pore, and (b) shows the change of the alignment state when the horizontal alignment processing is performed on the inner surface of the pore. Then, as shown in FIG. 15A, in the cell in which the surface is vertically aligned and filled with liquid crystal having positive dielectric anisotropy, the long axis end 2 of the ellipse is obtained when no electric field is applied. Disclinations 41 and 42 are generated at locations, and disappear by application of an electric field.

また、図15の(b)に示すように、水平配向処理を施し、誘電異方性が負の液晶を充填したセルでは、電界が印加されていないときは最小のエネルギーとなる円筒軸方向に配向し、電界を印加することにより液晶が電界方向に垂直になり、楕円の長軸端の2箇所にディスクリネーション51,52が発生する。   Further, as shown in FIG. 15B, in a cell that has been subjected to a horizontal alignment process and filled with liquid crystal having a negative dielectric anisotropy, when the electric field is not applied, the cell is aligned in the direction of the cylinder axis that has the minimum energy. By aligning and applying an electric field, the liquid crystal becomes perpendicular to the direction of the electric field, and disclinations 51 and 52 are generated at two positions on the major axis end of the ellipse.

また細孔34の断面形状は、3つの角部を有する三角形状の細孔であっても良い。この場合、ディスクリネーションは三角形状の3つの角のうち2つの角に生じるようになる。なお、図16の(a)に断面形状が正三角形で、細孔内側面に垂直配向処理が施されている場合と、(b)に断面形状が正三角形で、細孔内側面に水平配向処理が施されている場合における電界による配向状態の変化を示す。   Further, the cross-sectional shape of the pore 34 may be a triangular pore having three corners. In this case, the disclination occurs at two of the three triangular corners. FIG. 16A shows a case where the cross-sectional shape is a regular triangle and the inner surface of the pore is subjected to a vertical alignment treatment, and FIG. 16B shows a case where the cross-sectional shape is a regular triangle and is aligned horizontally on the inner surface of the pore. The change of the orientation state by the electric field in the case where the process is performed is shown.

さらに細孔34の断面形状は、断面形状が少なくとも2つの対角線を有するような多角形であっても、2つの対角部にディスクリネーションが生じるようになる。なお、図17の(a)に断面形状が正方形で、細孔内側面に垂直配向処理が施されている場合と、(b)に断面形状が正方形で、細孔内側面に水平配向処理が施されている場合における電界による配向状態の変化を示す。   Furthermore, even if the cross-sectional shape of the pores 34 is a polygon whose cross-sectional shape has at least two diagonal lines, disclination occurs at two diagonal portions. 17A shows a case where the cross-sectional shape is square and the inner surface of the pore is subjected to the vertical alignment treatment, and FIG. 17B shows a case where the cross-sectional shape is square and the inner surface of the pore is subjected to the horizontal alignment treatment. The change of the alignment state by the electric field in the case where it is given is shown.

本発明の実施の形態に係る液晶素子の構成を説明する図。4A and 4B illustrate a structure of a liquid crystal element according to an embodiment of the present invention. 上記液晶素子の第3基板に細孔を形成するためのSiCモールドの突起配列の例を示す図。The figure which shows the example of the protrusion arrangement | sequence of a SiC mold for forming a pore in the 3rd board | substrate of the said liquid crystal element. 上記細孔の成長過程を示す図。The figure which shows the growth process of the said pore. (a)は上記細孔の内側面が垂直配向処理を施された場合の液晶の配向を示す図、(b)は電界を与えた場合の液晶の配向を示す図。(A) is a figure which shows the orientation of a liquid crystal when the inner surface of the said pore is given the vertical alignment process, (b) is a figure which shows the orientation of the liquid crystal when an electric field is given. (a)は上記細孔の内側面が水平配向処理を施された場合の液晶の配向を示す図、(b)は電界を与えた場合の液晶の配向を示す図。(A) is a figure which shows the orientation of a liquid crystal when the inner surface of the said pore is given the horizontal orientation process, (b) is a figure which shows the orientation of the liquid crystal when an electric field is given. 上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合における印加電界と液晶分子の配向角との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the applied electric field and the orientation angle | corner of a liquid crystal molecule in case the said inner surface of a pore is performed the vertical alignment process. 上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合における液晶分子の配向角とスイッチングスピードの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the orientation angle | corner of a liquid crystal molecule | numerator, and the switching speed in case the said inner surface of a pore is performed the vertical alignment process. 上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合における細孔径と、tilt配向とplanar配向状態間のエネルギー差との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the pore diameter in case the said inner surface of a pore is performing the vertical alignment process, and the energy difference between tilt alignment and planar alignment state. 上記細孔内側面が水平配向処理を施されている場合における印加電界と液晶分子の配向角との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the applied electric field and the orientation angle | corner of a liquid crystal molecule in case the horizontal inner surface is given to the said pore inner surface. 上記細孔内側面が水平配向処理を施されている場合における液晶分子の配向角とスイッチングスピードの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the orientation angle of a liquid crystal molecule | numerator, and switching speed in case the horizontal inner surface is given to the said pore inner surface. 上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合におけるスイッチングの様子を示す図。The figure which shows the mode of switching in the case where the said pore inner surface is given the vertical alignment process. 上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合において第1基板及び第2基板に傾斜配向処理を施した場合のスイッチングの様子を示す図。The figure which shows the mode of switching when the inclination alignment process is performed to the 1st board | substrate and the 2nd board | substrate, when the said pore inner surface is subjected to the vertical alignment process. 上記液晶素子において細孔中心軸に対し斜め電界を与える構成を説明する図。4A and 4B illustrate a configuration in which an oblique electric field is applied to a pore center axis in the liquid crystal element. 上記細孔内側面が垂直配向処理を施されている場合において、電界の方向が細孔の中心軸と有限角をなす場合のスイッチングの様子を示す図。The figure which shows the mode of switching when the direction of an electric field makes a finite angle with the central axis of a pore, when the said pore inner surface is subjected to the vertical alignment process. 上記細孔の断面形状が楕円形の場合のスイッチングの様子を示す図。The figure which shows the mode of switching in case the cross-sectional shape of the said pore is an ellipse. 上記細孔の断面形状が正三角形の場合のスイッチングの様子を示す図。The figure which shows the mode of switching when the cross-sectional shape of the said pore is an equilateral triangle. 上記細孔の断面形状が正方形の場合のスイッチングの様子を示す図。The figure which shows the mode of switching when the cross-sectional shape of the said pore is a square. 従来の円筒形キャビティ内の液晶の配向状態を示す図。The figure which shows the orientation state of the liquid crystal in the conventional cylindrical cavity. 上記細孔壁面が水平配向処理されている場合に、電界を印加したときに生じるtilt配向を示す図。The figure which shows the tilt orientation which arises when an electric field is applied when the said pore wall surface is subjected to horizontal orientation processing.

符号の説明Explanation of symbols

31 第1基板
32 第2基板
33 第3基板
34 細孔
35 液晶
36 第1基板上の電極
36a 第1基板上の電極
37 第2基板上の電極
37a 第2基板上の電極
31 First substrate 32 Second substrate 33 Third substrate 34 Pore 35 Liquid crystal 36 Electrode on first substrate 36a Electrode on first substrate 37 Electrode on second substrate 37a Electrode on second substrate

Claims (7)

第1基板と第2基板の間に液晶が充填された液晶素子において、
前記第1基板と第2基板とにより挟持され、前記液晶が充填されると共に基板方向に貫通する単一または複数の細孔を有する液晶保持部材と、
前記第1基板及び前記第2基板の液晶保持部材側の面にそれぞれ形成された電極と、
を備え、
前記電極間電圧の変化により前記細孔内の少なくとも2箇所にディスクリネーションを生じさせることを特徴とする液晶素子。
In the liquid crystal element in which the liquid crystal is filled between the first substrate and the second substrate,
A liquid crystal holding member sandwiched between the first substrate and the second substrate, filled with the liquid crystal and having a single or a plurality of pores penetrating in the substrate direction;
Electrodes respectively formed on surfaces of the first substrate and the second substrate on the liquid crystal holding member side;
With
A liquid crystal element, wherein disclination is generated in at least two places in the pores by a change in the voltage between the electrodes.
前記細孔の内側側面に垂直配向処理を施すと共に、前記細孔に誘電異方性が正の液晶を充填することにより、前記電極による電圧無印加時に前記細孔内の少なくとも2箇所にディスクリネーションを生じさせることを特徴とする請求項1記載の液晶素子。   By applying vertical alignment treatment to the inner side surface of the pore and filling the pore with a liquid crystal having positive dielectric anisotropy, at least two locations in the pore are discriminated when no voltage is applied by the electrode. The liquid crystal element according to claim 1, wherein a nation is generated. 前記細孔の内側側面に水平配向処理を施すと共に、前記細孔に誘電異方性が負の液晶を充填することにより、前記電極による電圧印加時に前記細孔内の少なくとも2箇所にディスクリネーションを生じさせることを特徴とする請求項1記載の液晶素子。   By applying a horizontal alignment treatment to the inner side surface of the pore and filling the pore with a liquid crystal having a negative dielectric anisotropy, at least two locations in the pore are disclinated when a voltage is applied by the electrode. The liquid crystal element according to claim 1, wherein: 前記第1基板及び前記第2基板の少なくとも一方の、前記液晶保持部材の細孔と面する部分に、傾斜配向処理を施した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。   4. The tilt alignment process is performed on at least one of the first substrate and the second substrate that faces the pores of the liquid crystal holding member. 5. Liquid crystal element. 前記第1基板及び前記第2基板の電極を、前記細孔の中心軸に対し傾きを持った電界を与えるように配置した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。   4. The electrode according to claim 1, wherein the electrodes of the first substrate and the second substrate are arranged so as to give an electric field having an inclination with respect to a central axis of the pore. 5. Liquid crystal element. 前記細孔の断面形状が円形、楕円形、または多角形であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の液晶素子。   6. The liquid crystal device according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the pores is a circle, an ellipse, or a polygon. 前記請求項1乃至6のいずれか1項に記載の液晶素子を備えたことを特徴とする液晶装置。
A liquid crystal device comprising the liquid crystal element according to claim 1.
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JP2008522236A (en) * 2004-12-03 2008-06-26 ユニバーシティ オブ ストラスクライド Bistable liquid crystal device

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