JP2004004301A - 液晶表示素子およびそれを備えた投影型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペーサに起因したコントラスト比の低下が抑制され、且つ、高開口率で明るい表示が可能な液晶表示素子およびそれを備えた投影型画像表示装置を提供する。
【解決手段】一対の基板１０１ａおよび１０１ｂと、一対の基板１０１ａおよび１０１ｂの間に設けられたツイスト配向型の液晶層１２０と、一対の基板１０１ａおよび１０１ｂの間に設けられた柱状スペーサ４０と、液晶層１２０を介して互いに対向し、それぞれの偏光軸が互いに直交するように配置された一対の偏光板１０２ａおよび１０２ｂとを備え、液晶層１２０を介して互いに対向する一対の電極によってそれぞれが規定される複数の画素領域Ｐを有する液晶表示装置である。液晶層１２０のツイスト角は、９０°より大きい。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子およびそれを備えた投影型画像表示装置に関し、特に、一対の基板間に設けられたスペーサを有する液晶表示素子およびそれを備えた投影型画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示素子は、薄型で低消費電力であるという特徴を生かし、パーソナルコンピュータなどのＯＡ機器やビデオカメラなどのＡＶ機器に広く利用されている。
【０００３】
液晶表示素子は、一般的に、電極を備える一対の基板が貼り合わされ、その間隙に液晶材料が封入された構成を有している。このような液晶表示素子において、外圧による基板変形等によって基板間の距離が表示面内でばらつくと、閾値電圧のばらつき、基板間での電極のショート、あるいは液晶分子の配向の乱れなどが発生し、良好な表示が不可能となる。そのため、一対の基板の間隔（セル厚あるいはセルギャップともよぶ）を一定に保つためのスペーサ（支持体）を基板間に配置する手法が提案されている。
【０００４】
スペーサを基板間に配置する手法としては、例えば、基板上に有機系または無機系膜を形成し、その上にレジストを塗布した後にマスク露光、現像およびエッチングすることによってスペーサを形成する方法が挙げられる。また、フォトレジストに代えて、感光性ポリイミドや感光性アクリル樹脂などの感光性有機樹脂を用いることもできる。
【０００５】
この方法によると、スペーサを任意の場所（例えば画素領域外）に形成することができ、また、基板とスペーサとの接触面を任意のパターンに形成することができるので、この方法は、セル厚の均一性、外圧に対する強度および表示品位の点において優れている。この方法においては、スペーサの形成、配向層（配向制御層）の形成および一軸配向処理（例えばラビング処理）の工程が、例えば、以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかのような順序で実行される。
（ａ）まず、基板上に配向層を形成し、次に配向層に一軸配向処理を施し、その後配向層上にスペーサを形成する。
（ｂ）まず、基板上に配向層を形成し、次に配向層上にスペーサを形成し、その後配向層に一軸配向処理を施す。
（ｃ）まず、基板上にスペーサを形成し、次に配向層を形成し、その後配向層に一軸配向処理を施す。
【０００６】
上述した（ａ）〜（ｃ）の順序のうち、配向層上にスペーサを形成する（ａ）および（ｂ）よりも、スペーサを形成後に配向層を形成する（ｃ）が好ましい。この理由は、（ａ）や（ｂ）では、例えば、フォトレジストや感光性有機樹脂を用いてスペーサを形成する場合、これらを塗布する際の希釈溶媒、現像液および剥離液などが配向層の配向規制力を低下させるおそれがあり、良好な表示品位を得ることが難しいからである。
【０００７】
上述した方法によれば、スペーサを任意の形状で任意の位置に形成できるので、ビーズスペーサを散布する場合のように散布むらによる表示むらが発生することもなく、また、スペーサを画素外の遮光層（ブラックマトリクス）に重なるように配置することによって、スペーサ自体が表示されることによる表示品位の低下が防止できるが、スペーサ近傍においては液晶分子の配向乱れが発生するので、スペーサ近傍の配向不良領域に起因する光漏れが発生し、その結果、コントラスト比が低下してしまう。
【０００８】
上述したような表示品位の低下は、液晶表示素子を投影型画像表示装置に用いる場合に特に顕著となる。投影型画像表示装置においては、光源から出射されて液晶表示素子を経た光が投影レンズによりスクリーンに拡大投影されるからである。
【０００９】
上述した問題を解決する方法として、スペーサ自体およびスペーサ近傍の光漏れが発生する領域を覆う遮光層を設ける方法が提案されている。この方法によると、スペーサの光漏れが発生する領域が遮光層で覆われるので、コントラスト比の低下が抑制される。
【００１０】
また、特開２００１−１０９００５号公報には、柱状のスペーサ自身に一軸配向性を持たせることによって、スペーサ近傍の配向乱れを抑制する方法が開示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光漏れが発生する領域を覆うような遮光層を形成すると、開口率が低下するので、明るい表示を行うことが困難であるという問題がある。
【００１２】
また、特開２００１−１０９００５号公報に開示されている方法は、ＴＮモードに代表されるモノドメインの液晶配向では実現が困難である。この方法では、スペーサ近傍の液晶分子の配向がスペーサによって固定されるので、例えばＴＮモードで表示を行う液晶表示装置においては、液晶分子はスペーサの周りに同心円状に配向することになり、偏光板の偏光軸に対して傾斜した液晶分子が存在する。そのため、光漏れが発生してしまう。光漏れの発生を抑制するためには、偏光軸に平行または直交するように液晶分子を配向させなければならず、いわゆる４ドメイン配向としなければならない。
【００１３】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スペーサに起因したコントラスト比の低下が抑制され、且つ、高開口率で明るい表示が可能な液晶表示素子およびそれを備えた投影型画像表示装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明による液晶表示素子は、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられたツイスト配向型の液晶層と、前記一対の基板の間に設けられた柱状スペーサと、前記液晶層を介して互いに対向し、それぞれの偏光軸が互いに略直交するように配置された一対の偏光板と、を備え、前記液晶層を介して互いに対向する一対の電極によってそれぞれが規定される複数の画素領域を有し、前記液晶層のツイスト角は、９０°より大きく、そのことによって上記目的が達成される。
【００１５】
前記液晶層のツイスト角は、１８０°より小さいことが好ましい。
【００１６】
前記液晶層のツイスト角は、９２°以上１２０°以下であることがさらに好ましい。
【００１７】
前記液晶層は、正の誘電異方性を有する液晶分子を含む水平配向型の液晶層であり、ノーマリホワイトモードで表示を行う構成であってもよい。
【００１８】
前記複数の画素領域ごとに設けられたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に電気的に接続された走査配線および信号配線とを備え、前記走査配線および前記信号配線の一方が延びる方向と、前記液晶層の厚さ方向における中央付近の液晶分子の配向方向とが略直交する構成を採用してもよく、前記走査配線が延びる方向と、前記液晶層の厚さ方向における中央付近の液晶分子の配向方向とが略直交する構成を採用してもよい。
【００１９】
前記一対の基板の前記液晶層側の表面に設けられた一対の配向層をさらに備える構成においては、前記一対の配向層の一方は、前記柱状スペーサを覆うように形成されていることが好ましい。
【００２０】
前記柱状スペーサは、前記複数の画素領域外に設けられていることが好ましい。
【００２１】
前記液晶層は光学異性体を含んでもよい。
【００２２】
本発明による投影型画像表示装置は、上記構成を有する液晶表示素子と、前記液晶表示素子に光を照射する光源と、を備え、そのことによって上記目的が達成される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による実施形態を説明する。以下では、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いたアクティブマトリクス型液晶表示素子およびそれを備えた投影型画像表示装置について、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限られず、ＭＩＭを用いたアクティブマトリクス型液晶表示素子や単純マトリクス型液晶表示素子に適用することができる。
【００２４】
なお、本願明細書においては、表示の最小単位である「画素」に対応する液晶表示素子の領域を「画素領域」と呼ぶ。アクティブマトリクス型液晶表示素子においては、画素電極と画素電極に対向する対向電極とが画素領域を規定する。なお、ブラックマトリクスが設けられる構成においては、厳密には、表示すべき状態に応じて電圧が印加される領域のうち、ブラックマトリクスの開口部に対応する領域が画素領域に対応することになる。
【００２５】
本発明による実施形態の液晶表示素子１００の構成を、図１および図２を参照しながら説明する。液晶表示素子１００は、ノーマリホワイトモードで表示を行うＴＮ（ツイストネマチック）型の液晶表示素子である。図１は、本発明による実施形態の液晶表示素子１００を模式的に示す斜視図であり、図２は、液晶表示素子１００の１つの画素領域の構造を模式的に示す上面図である。
【００２６】
液晶表示素子１００は、図１に示すように、アクティブマトリクス基板（以下「ＴＦＴ基板」と呼ぶ。）１０１ａと、対向基板（以下「カラーフィルタ基板」とも呼ぶ。）１０１ｂと、これらの間に設けられた液晶層１２０と、液晶層１２０を介して互いに対向し、それぞれの偏光軸１１２ａおよび１１２ｂが互いに略直交するように配置された一対の偏光板１０２ａおよび１０２ｂとを有する。
【００２７】
ここでは、液晶層１２０は、正の誘電異方性を有する液晶分子を含む水平配向型の液晶層である。水平配向型の液晶層とは、電圧無印加時に、液晶分子がその分子長軸を基板面（典型的には配向膜が設けられている）に対して平行に配向している液晶層を指す。ただし、この液晶層の液晶分子は、厳密には基板に平行ではなく、液晶分子の立ち上がり方向を規定する目的でプレチルトが設けられていることもある。また、ここでは、一対の偏光板１０２ａおよび１０２ｂは、一対の基板１０１ａおよび１０１ｂの外側に設けられている。
【００２８】
また、液晶表示素子１００は、ＴＦＴ基板１０１ａと対向基板１０１ｂとの間に設けられた柱状のスペーサ（支持体）４０を備えている。スペーサ４０は、ＴＦＴ基板１０１ａと対向基板１０１ｂとの間隔を保持する。言い換えると、液晶層１２０の厚さがスペーサ４０によって規定されている。スペーサ４０は、例えばフォトリソグラフィプロセスによって所定の位置に形成されている。
【００２９】
ＴＦＴ基板１０１ａは、図２に示すように、絶縁性を有する透明基板（例えばガラス基板；不図示）と、透明基板の液晶層１２０側の表面に画素領域ごとに設けられたスイッチング素子としてのＴＦＴ１４と、ＴＦＴ１４のゲート電極に電気的に接続された走査配線（ゲートバスライン）１１と、ＴＦＴ１４のソース電極に電気的に接続された信号配線（ソースバスライン）１２と、ＴＦＴ１４のドレイン電極に電気的に接続された画素電極１６とを有している。
【００３０】
走査配線１１と、信号配線１２とは、互いに交差するように（典型的には直交するように）設けられている。画素領域外、より具体的には走査配線１１と信号配線１２との交差部上に、液晶層１２０の厚さを規定するスペーサ４０が形成されている。本実施形態では、スペーサ４０は、図３に示すように、画素領域Ｐ外の遮光領域Ｓに、走査配線１１と信号配線１２との交差部ごとに形成されている。
【００３１】
ＴＦＴ基板１０１ａに対向する対向基板１０１ｂは、透明基板（例えばガラス基板）と、透明基板の液晶層１２０側の表面に設けられた対向電極とを有している。対向電極は、例えば、すべての画素に共通に設けられた単一のべた電極である。
【００３２】
上述したＴＦＴ基板１０１ａおよび対向基板１０１ｂの液晶層１２０側の表面には、配向層として、一対の配向膜（不図示）が設けられている。本実施形態では、これらの配向膜は、水平配向膜であり、図１および図３中に矢印１１１ａおよび１１１ｂで示す方向に一軸配向処理（例えばラビング処理）が施されている。
【００３３】
一般的なＴＮモードの液晶表示素子では、液晶層のツイスト角が９０°となるように一軸配向処理が施されるのに対して、本発明による実施形態の液晶表示素子１００では、液晶層１２０のツイスト角が９０°よりも大きくなるように一軸配向処理が施される。なお、本実施形態では、液晶層１２０は水平配向型の液晶層であるので、図４に示すように、液晶層１２０のツイスト角θは、初期配向状態（電圧無印加時）における液晶分子１２１のねじれ角で規定される。液晶層１２０には、典型的には、カイラル剤（光学異性体）が添加されている。
【００３４】
また、ここでは、図３に示したように、液晶層１２０の配向軸方向１２０ａが、走査配線１１に対して略直交するように一軸配向処理が施される。配向軸方向は、図５に示すように、液晶層１２０の厚さ方向における中央付近の液晶分子１２１の配向方向（長軸方向）で規定される（より厳密には配向方向の方位角方向で規定される）。
【００３５】
本願発明者は、スペーサ近傍における光漏れの発生について詳細な検討を行った結果得た知見に基づき、上述した液晶表示素子１００のように、液晶層１２０のツイスト角が９０°よりも大きいと、スペーサ近傍における液晶層１２０の配向乱れに起因して生じる光漏れが抑制されることを見出した。
【００３６】
本願発明者が得た光漏れの発生に関する知見を、図６を参照しながら説明する。図６は、クロスニコル状態に配置された一対の偏光板を備え、液晶層のツイスト角が９０°に設定された従来のＴＮモードの液晶表示素子６００のスペーサ近傍を模式的に示す上面図である。なお、図６においては、液晶表示素子１００の構成要素とほぼ同じ機能を有する構成要素を同じ参照符号を用いて示している。
【００３７】
液晶表示素子６００の画素領域内では、図６に模式的に示したように、スペーサ４０の近傍に高輝度領域Ｈと低輝度領域Ｌとが発生する。高輝度領域Ｈは、黒表示時および中間調表示時の表示輝度が他の領域よりも高い領域であり、低輝度領域Ｌは、黒表示時および中間調表示時の表示輝度が他の領域よりも低い領域である。なお、図６では、高輝度領域Ｈおよび低輝度領域Ｌを概念的に示しているが、高輝度領域Ｈおよび低輝度領域Ｌは、実際には、必ずしも図６に示したように明瞭な輪郭を有する領域として視認されるわけではない。
【００３８】
正の誘電率異方性を有する液晶分子を含む液晶層を備え、ノーマリホワイトモードで表示を行う液晶表示素子６００では、液晶層に所定の電圧を印加し、液晶分子を基板面に対して垂直に配向させることによって黒表示を行う。黒表示時の液晶層のリタデーションは、ゼロであることが好ましいが、実際には、ゼロにならず、少ないながらもリタデーションが発生する。本願明細書では、これを、「液晶層の残留リタデーション」と呼ぶことにする。残留リタデーションは下記の原因によって発生する。
【００３９】
正の誘電率異方性を有する液晶分子を含む液晶層を用いたノーマリホワイトモードにおいては、液晶層に電圧を印加してリタデーションが十分小さくなった場合でも、基板界面付近の液晶分子は、配向処理された表面との相互作用が大きく、電界の影響を受け難いため、初期配向の状態を維持しようとする。そのため、十分に電圧を印加した状態でも、液晶層にはリタデーションが残留する。
【００４０】
残留リタデーションの方向、すなわち、中間調表示時および黒表示時の液晶層の遅相軸は、水平配向型の液晶層を備える液晶表示素子６００では、液晶層の厚さ方向における中央付近の液晶分子の配向方向（すなわち液晶層の配向軸方向１２０ａ）とほぼ一致する。
【００４１】
一方、スペーサ４０近傍の液晶層では、スペーサ４０の表面の配向規制力によって液晶層の配向乱れが生じている。液晶層に十分大きな電圧を印加すると、画素領域の中央付近の液晶分子は、基板面に対してほぼ垂直に配向するが、スペーサ４０近傍の液晶分子は、スペーサ４０の表面による配向規制力を受けるために、基板面に対して垂直には配向せず、基板面法線方向に対して傾斜している。従って、スペーサ４０の近傍の液晶分子は、十分に大きな電圧を印加されたときにもリタデーションを有している。また、スペーサ４０近傍の液晶分子の配向方向の方位角方向は、スペーサ４０の断面形状に依存し、例えば、スペーサ４０の断面が略円形の場合には、図６に示すように、スペーサ４０近傍の液晶層の液晶分子１２１は、同心円状に配向する。
【００４２】
そのため、黒表示時の液晶層の遅相軸（液晶層の配向軸方向１２０ａとほぼ一致する）にほぼ平行に配向している液晶分子１２１の存在確率が高い領域は、スペーサ４０近傍の液晶分子に起因するリタデーションが残留リタデーションに加算されるので、残留リタデーションよりも大きなリタデーションを有し、その結果、高輝度領域Ｈとなる。これに対して、黒表示時の液晶層の遅相軸にほぼ直交するように配向している液晶分子１２１の存在確率が高い領域は、スペーサ４０近傍の液晶分子に起因するリタデーションによって残留リタデーションの少なくとも一部が相殺されるので、残留リタデーションよりも小さなリタデーションを有し、その結果、低輝度領域Ｌとなる。
【００４３】
より具体的には、液晶表示素子６００では、図６に示したように、スペーサ４０に対して、液晶層の配向軸方向１２０ａに直交する方向の画素領域Ｐ１およびＰ３に高輝度領域Ｈが生じ、スペーサ４０に対して、液晶層の配向軸方向１２０ａに平行な方向の画素領域Ｐ２およびＰ４に低輝度領域Ｌが生じる。
【００４４】
上述したように、液晶表示素子６００では、スペーサ４０近傍に高輝度領域Ｈおよび低輝度領域Ｌが発生し、表示輝度が高い高輝度領域Ｈが光漏れとして観察されるので、コントラスト比が低下してしまう。
【００４５】
これに対して、本実施形態の液晶表示素子１００では、液晶層１２０のツイスト角が９０°よりも大きいので、図７に示すように液晶層のツイスト角が９０°である液晶表示素子６００においてよりも、液晶層の配向軸方向１２０ａに平行に配向している液晶分子１２１の存在確率が低くなり、図８に示すように高輝度領域Ｈの面積が小さくなる。そのため、光漏れの発生が抑制される。
【００４６】
上述したように、本発明による液晶表示素子１００では、液晶層１２０のツイスト角が９０°よりも大きいことによって、光漏れの発生が抑制される。そのため、コントラスト比の低下が抑制・防止される。また、光漏れが発生する領域を遮光する遮光層を設ける必要がないので、開口率が低下することもなく、明るい表示が実現される。
【００４７】
本発明による液晶表示素子１００の製造方法を、図１、図２および図３などを参照しながら説明する。
【００４８】
まず、マトリクス状に配列されたスイッチング素子としてのＴＦＴ１４、このＴＦＴ１４に電気的に接続された走査配線１１、信号配線１２および画素電極１６などが形成された透明基板（例えばガラス基板）を用意する。ＴＦＴ１４などを透明基板上に形成する工程は、公知の方法を用いて実行することができる。
【００４９】
次に、ＴＦＴ１４などが形成された透明基板上に、スピンナを用いて感光性樹脂を塗布する。続いて、紫外線を用いて露光し、その後現像することによって、感光性樹脂をスペーサ４０となる部分のみが残るようにパターニングする。そして、残った感光性樹脂を加熱により硬化させ、スペーサ４０を形成する。
【００５０】
本実施形態では、感光性樹脂として、ネガ型感光性アクリル樹脂を用いる。勿論、ポジ型感光性アクリル性樹脂や、ネガ型あるいはポジ型の感光性ポリイミド樹脂を用いてもよい。また、スペーサ４０の材料としては、感光性ではない有機樹脂やＣｒ、Ｍｏ、Ａｌなどの金属を用いることもできるが、この場合には、基板に塗布されたこれらの層上にフォトレジスト層を形成してから露光、現像、エッチングおよび剥離を行う必要がある。従って、製造プロセスの簡略化およびコスト削減の観点からは、感光性樹脂を用いることが好ましい。
【００５１】
また、ここでは、図２および図３に示したように、画素領域Ｐ外、より具体的には走査配線１１と信号配線１２との交差部にスペーサ４０を形成するが、スペーサ４０の位置はこれに限定されない。スペーサ４０を、交差部以外の場所に形成してもよいし、画素領域Ｐ内に形成してもよく、また、対向基板１００ｂ側に形成してもよい。ただし、スペーサ４０が画素領域Ｐ内に形成されていると、表示品位が低下することがあるので、高品位の表示を行う観点からは、スペーサ４０は画素領域Ｐ外に形成されていることが好ましい。
【００５２】
また、本実施形態では、図２および図３に示したように、略円柱状のスペーサ４０を形成するが、スペーサ４０の形状はこれに限定されない。スペーサ４０の基板面法線方向からみたときの断面形状は、図示したような略円形の他に、略三角形、略四角形および略多角形などとすることができる。また、スペーサ４０の基板面内方向からみたときの断面形状は、略四角形の他に、テーパ形状を制御して台形状、逆台形状などとすることができる。
【００５３】
また、ここでは、図３に示したように、スペーサ４０を、１つの画素領域に対してほぼ１つの割合で設ける。すなわち、各画素領域に隣接するスペーサ４０の数を表示領域内でほぼ一定とする。このような構成を採用すると、スペーサ４０が表示に与える影響が各画素領域でほぼ均一となるので、表示領域全体で均一な表示が可能となる。勿論、図３に示したように１つの画素領域に対してほぼ１つの割合でスペーサ４０が設けられている構成に限定されず、各画素領域に隣接する（あるいは各画素領域内に位置する）スペーサ４０の数が表示領域内でほぼ一定であるような構成を採用すると、同様の効果が得られる。
【００５４】
上述のようにしてスペーサ４０が形成された透明基板上に、配向膜材料（例えばポリイミド）をスピンコートにより塗布し、続いて、焼成する（例えば１８０℃で一時間焼成する）ことによって配向層としての配向膜を形成する。その後、配向膜にラビング処理を施すことによって一軸配向処理を行う。なお、本実施形態のように、配向膜をスペーサ４０を覆うように形成する、すなわち、スペーサ４０を形成した後に配向層を形成すると、スペーサ４０の材料を塗布する際の希釈溶媒、現像液および剥離液などによって配向膜の配向規制力が低下することがなく、良好な表示品位を得ることができる。このようにして、ＴＦＴ基板（アクティブマトリクス基板）１００ａが得られる。
【００５５】
次に、対向電極および配向膜が形成された対向基板１００ｂを用意する。対向電極や配向膜を形成する工程は、公知の方法を用いて実行される。
【００５６】
なお、ＴＦＴ基板１００ａおよび対向基板１００ｂの配向膜への一軸配向処理は、液晶層１２０のツイスト角が９０°よりも大きくなるように（例えばツイスト角が９２°となるように）施される。
【００５７】
続いて、ＴＦＴ基板１００ａと、対向基板１００ｂとを、表示領域の周辺に設けられたシール部を介して貼り合わせる。なお、シール部は、セルギャップを保持するためのスペーサ球が混入されたエポキシ接着剤から形成されている。
【００５８】
次に、ＴＦＴ基板１００ａと対向基板１００ｂとの間隙に液晶材料を注入・封止し、その後、一対の偏光板１０２ａおよび１０２ｂなどを配置することによって、液晶表示素子１００が得られる。
【００５９】
上述のようにして製造された液晶表示素子１００においては、液晶層１２０に電圧を印加して中間調表示状態や黒表示状態としても、スペーサ４０近傍での光漏れが発生する領域（高輝度領域）は、画素領域Ｐ外の遮光層（典型的にはブラックマトリクス）Ｓ内にほぼ収まるので、コントラスト比の低下が抑制・防止される。また、画素領域Ｐに重なるような遮光層を設ける必要がないので、高開口率が実現され、明るい表示を行うことができる。
【００６０】
これに対して、液晶層のツイスト角を９０°に設定した点以外は、上述した液晶表示素子１００と同様に製造した比較例としての液晶表示素子６００’においては、図９に示すように、スペーサ４０近傍の画素領域Ｐ内に光漏れが発生した領域が観察される。
【００６１】
なお、上述の製造方法の説明においては、液晶層１２０のツイスト角が９２°の場合を例示したが、ツイスト角の値はこれに限定されるものではなく、９０°よりも大きければよい。ただし、ツイスト角が１８０°以上であると、ツイスト方向が一義的に決定されず、配向制御が困難になることがあるので、配向制御を好適に行う観点からは、ツイスト角は１８０°より小さいことが好ましい。また、本願発明者が検討したところ、液晶層１２０のツイスト角が９２°以上１２０°以下であると、高コントラスト比および良好な耐光信頼性が得られることがわかった。
【００６２】
表１に、液晶層１２０のツイスト角を変化させたときの光漏れの発生の有無、コントラスト比、耐光信頼性を示す。なお、表１には、セル厚をｄ、液晶分子のツイストピッチをｐとしたときにｄ／ｐで表されるカイラル剤（光学異性体）添加量も示している。
【００６３】

表１に示したように、液晶層１２０のツイスト角が９２°以上１２０°以下であると、高コントラスト比および良好な耐光信頼性が得られる。なお、ツイスト角が大きくなりすぎるとコントラスト比が低下するのは、配向膜の一軸配向処理の方向と、クロスニコル状態に配置された偏光板の透過軸とのずれが大きくなることによって光漏れが発生するからである。また、ツイスト角が大きくなりすぎると耐光信頼性が低下するのは、カイラル剤の添加量が多くなるからである。
【００６４】
本実施形態では、液晶表示素子１００は、水平配向型の液晶層１２０を備えているが、本発明はこれに限定されず、ツイスト配向型の液晶層を備える液晶表示素子に用いることができ、例えば、電圧無印加時に液晶分子が基板面に対してほぼ垂直に配向する垂直配向型の液晶層を備える液晶表示素子にも用いることができる。
【００６５】
本願明細書において、「ツイスト配向型の液晶層」とは、液晶分子の長軸方向が液晶層の厚さ方向に沿って連続的に変化する配向状態を取りうる液晶層を指す。つまり、ツイスト配向型の液晶層は、電圧無印加時（初期配向状態）に液晶分子がツイスト配向する液晶層（例えばいわゆるＴＮモードの液晶層）だけでなく、電圧印加時にのみ液晶分子がツイスト配向する液晶層も含む。
【００６６】
垂直配向型の液晶層を備える液晶表示素子においても、液晶層のツイスト角を９０°よりも大きくすることによって、光漏れを抑制し、コントラスト比を向上することが可能になる。
【００６７】
上述した本発明による液晶表示素子１００は、スペーサ４０に起因するコントラスト比の低下が抑制されており、また、明るい表示が可能であるので、投影型画像表示装置が備える液晶表示素子として好適に用いられる。
【００６８】
図１０に、本発明による液晶表示素子１００を備えた投影型画像表示装置１０００を模式的に示す。
【００６９】
投影型画像表示装置１０００は、液晶表示素子１００と、液晶表示素子１００に光を照射する光源３０１と、光源３０１からの光を波長域に応じて液晶表示素子１００の対応する画素領域に集光させる光制御手段３１０と、液晶表示素子１００によって変調された光を被投影面（例えばスクリーン３３０）上に投射する投影光学系３２０とを備えている。
【００７０】
光源３０１としては、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプなどを用いることができる。光源３０１の背後には、光源３０１から光源３０１から後方に出射した光（白色光）を前面に反射する球面鏡３０２が配置されており、光源３０１の前方には、コンデンサーレンズ３０３が配置されている。球面鏡３０２は、その中心が光源３０１の発光部の中心と一致するように配置されており、コンデンサーレンズ３０３は、その焦点が光源３０１の中心と一致するように配置されている。このような配置によって、光源３０１から出射された光は、コンデンサーレンズ３０３によって平行化される。
【００７１】
光制御手段３１０は、ここでは、コンデンサーレンズ３０３の前方に設けられたダイクロイックミラー３１１、３１２および３１３と、液晶表示素子１００の光源３０１側の基板に貼りつけられたマイクロレンズアレイ３１５とから構成されている。
【００７２】
ダイクロイックミラー３１１、３１２および３１３は、コンデンサーレンズ３０３によって平行化された光束を、波長域に応じて複数の光束に分離する。ダイクロイックミラー３１１、３１２および３１３は、ここでは、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）および青色（Ｂ）の光を選択的に反射する。
【００７３】
ダイクロイックミラー３１１、３１２および３１３によって反射された光（Ｒ光、Ｇ光およびＢ光）は、波長域に応じて異なる角度でマイクロレンズアレイ３１５に入射する。Ｒ光、Ｇ光およびＢ光の入射角度を適切に設定することにより、Ｒ光、Ｇ光およびＢ光は、各波長域に対応する画素領域に振り分けられる。ここで、マイクロレンズアレイ３１５を透過したＲ光、Ｇ光およびＢ光は、各波長域に対応する画素領域に、互いに異なる入射角で入射する。
【００７４】
なお、本実施形態では、光源３０１からの光を波長域に応じて液晶表示素子１００の対応する画素領域に集光させるために、ダイクロイックミラー３１１、３１２および３１３とマイクロレンズアレイ３１５とを用いているが、勿論、他の光学的な手段を用いてもよい。
【００７５】
投影光学系３２０は、ここでは、フィールドレンズ３２１と、投影レンズ３２２とを有している。フィールドレンズ３２１は、液晶表示素子１００からの光を収束し、投影レンズ３２２に出射する。投影レンズ３２２は、フィールドレンズ３２１からの光をスクリーン３３０に拡大投影する。
【００７６】
一般に、投影型画像表示装置においては、光源から出射されて液晶表示素子を経た光が投影レンズによりスクリーンに拡大投影されるので、表示不良が視認されやすい。
【００７７】
本実施形態の投影型画像表示装置１０００は、本発明による液晶表示素子１００を備えているので、スペーサに起因したコントラスト比の低下が抑制されるとともに、明るい表示が実現される。
【００７８】
なお、ここでは、図１１に示すように、各波長域に対応した複数の光束（Ｒ光、Ｇ光およびＢ光）が、互いに異なる入射角で液晶表示素子１００の画素領域に入射するような構成を採用している。このような構成を採用する場合には、複数の光束に対して平行な面に、液晶表示素子１００が備える液晶層１２０の配向軸方向１２０ａが略直交することが好ましい。液晶層１２０の配向軸方向１２０ａが複数の光束に対して平行な面に略直交していると、液晶層１２０が各光束に対して光学的に等価となり、良好な表示品位が得られるからである。
【００７９】
典型的には、複数の光束は、ＴＦＴ１４に電気的に接続された走査配線１１または信号配線１２が延びる方向に対して平行に画素領域に入射するので、走査配線１１または信号配線１２が延びる方向に対して液晶層１２０の配光軸方向１２０ａ（液晶層１２０の厚さ方向における中央付近の液晶分子の配向方向として規定される）とが略直交することが好ましい。
【００８０】
例えば、図１１に示したように、複数の光束（Ｒ光、Ｇ光およびＢ光）が、走査配線１１の延びる方向１１ａに対して平行に画素領域に入射する場合には、走査配線１１の延びる方向１１ａと、液晶層１２０の配向軸方向１２０ａとが略直交することが好ましい。
【００８１】
なお、ここでは、単板式の投影型画像表示装置を例示したが、本発明による液晶表示素子１００は、３板式の投影型画像表示装置にも好適に用いることができる。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によると、スペーサに起因したコントラスト比の低下が抑制され、且つ、高開口率で明るい表示が可能な液晶表示素子が提供される。
【００８３】
本発明による液晶表示素子は、高コントラスト比で明るい表示が可能なので、投影型画像表示装置に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態の液晶表示素子１００を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明による実施形態の液晶表示素子１００の１つの画素領域の構造を模式的に示す上面図である。
【図３】本発明による実施形態の液晶表示素子１００を模式的に示す上面図である。
【図４】ツイスト配向した液晶分子１２１の配向状態を模式的に示す上面図である。
【図５】液晶表示素子１００における液晶分子１２１の配向状態を模式的に示す上面図である。
【図６】液晶層のツイスト角が９０°に設定された従来のＴＮモードの液晶表示素子６００において、スペーサ近傍で光漏れが発生する様子を模式的に示す上面図である。
【図７】従来の液晶表示装置６００においてスペーサ近傍に高輝度領域が発生する様子を模式的に示す上面図である。
【図８】本発明による実施形態の液晶表示素子１００においてスペーサ近傍に高輝度領域が発生する様子を模式的に示す上面図である。
【図９】比較例の液晶表示素子６００’において、スペーサ近傍で光漏れが発生する様子を模式的に示す上面図である。
【図１０】本発明による実施形態の投影型画像表示装置１０００を模式的に示す上面図である。
【図１１】本発明による実施形態の投影型画像表示装置１０００において液晶表示素子１００に光束が入射する様子を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１１　走査配線（ゲートバスライン）
１２　信号配線（ソースバスライン）
１４　ＴＦＴ
１６　画素電極
４０　柱状スペーサ（支持体）
１００　液晶表示素子
１０１ａ　ＴＦＴ基板（アクティブマトリクス基板）
１０１ｂ　対向基板（カラーフィルタ基板）
１０２ａ、１０２ｂ　偏光板
１２０　液晶層
１２１　液晶分子
１０００　投影型画像表示装置
３０１　光源
３０２　球面鏡
３０３　コンデンサーレンズ
３１０　光制御手段
３１１、３１２、３１３　ダイクロイックミラー
３１５　マイクロレンズアレイ
３２０　投影光学系
３２１　フィールドレンズ
３２２　投影レンズ

Claims (10)

1. 一対の基板と、
   前記一対の基板の間に設けられたツイスト配向型の液晶層と、
   前記一対の基板の間に設けられた柱状スペーサと、
   前記液晶層を介して互いに対向し、それぞれの偏光軸が互いに略直交するように配置された一対の偏光板と、を備え、前記液晶層を介して互いに対向する一対の電極によってそれぞれが規定される複数の画素領域を有し、
   前記液晶層のツイスト角は、９０°より大きい液晶表示素子。
2. 前記液晶層のツイスト角は、１８０°より小さい請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記液晶層のツイスト角は、９２°以上１２０°以下である請求項１に記載の液晶表示素子。
4. 前記液晶層は、正の誘電異方性を有する液晶分子を含む水平配向型の液晶層であり、
   ノーマリホワイトモードで表示を行う、請求項１から３のいずれかに記載の液晶表示素子。
5. 前記複数の画素領域ごとに設けられたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に電気的に接続された走査配線および信号配線とを備え、前記走査配線および前記信号配線の一方が延びる方向と、前記液晶層の厚さ方向における中央付近の液晶分子の配向方向とが略直交する、請求項１から４のいずれかに記載の液晶表示素子。
6. 前記走査配線が延びる方向と、前記液晶層の厚さ方向における中央付近の液晶分子の配向方向とが略直交する、請求項５に記載の液晶表示素子。
7. 前記一対の基板の前記液晶層側の表面に設けられた一対の配向層をさらに備え、前記一対の配向層の一方は、前記柱状スペーサを覆うように形成されている、請求項１から６のいずれかに記載の液晶表示素子。
8. 前記柱状スペーサは、前記複数の画素領域外に設けられている、請求項１から７のいずれかに記載の液晶表示素子。
9. 前記液晶層は光学異性体を含む請求項１から８のいずれかに記載の液晶表示素子。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の液晶表示素子と、
    前記液晶表示素子に光を照射する光源と、を備える投影型画像表示装置。

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