JP2013054250A - 液晶素子、液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの配向状態間の遷移を生じさせるのに適したスイッチング素子および電極の構造を有する新規な液晶素子を提供すること。
【解決手段】液晶素子は、第１基板、第２基板、第１基板に設けられた第１電極、第１電極と離間して第１基板の一面側に設けられた第２電極、第１電極又は第２電極に接続されたスイッチング素子、第１電極及び第２電極と重畳して第２基板に設けられた共通電極、第１基板と第２基板の間に設けられた液晶層を備え、第１基板及び第２基板は、液晶層の液晶分子を第１方向に捻れた第１配向状態を生じるように配向処理の方向を設定され、液晶層は、液晶分子を第１方向とは逆の第２方向に捻れた第２配向状態を生じさせる性質のカイラル材を含有し、第２電極と共通電極の間に電圧が印加されたことにより液晶層が第１配向状態へ遷移し、第１電極と第２電極の間に電圧が印加されたことにより液晶層が第２配向状態へ遷移する。
【選択図】図３

Description

本発明は、２つの配向状態間の遷移を利用した新規な液晶素子及び液晶表示装置に関する。

特許第２５１０１５０号公報（特許文献１）には、対向配置された一対の基板のそれぞれに施された配向処理の方向の組み合わせで規制される旋回方向とは逆の旋回方向に液晶分子を捻れ配向させることにより、電気光学特性を向上させた液晶表示装置が開示されている（先行例１）。また、特開２００７−２９３２７８号公報（特許文献２）には、対向配置された一対の基板のそれぞれに施された配向処理の方向の組み合わせで規制される旋回方向（第１旋回方向）とは逆の旋回方向（第２旋回方向）に捻れるカイラル剤を添加しながらも、液晶分子を上述の第１旋回方向にねじれ配向させることによって液晶層内の歪みを増加させ、それによりしきい値電圧を低下させて低電圧駆動を可能とする液晶素子が開示されている（先行例２）。

ところで、上記した先行例１の液晶表示装置は、逆ねじれの配向状態が不安定であり、液晶層に対して比較的高い電圧を印加することにより逆ねじれの配向状態を得ることは可能であるものの、時間経過とともに順ねじれの配向状態に遷移してしまうという不都合がある。また、先行例２の液晶素子は、上記したようにしきい値電圧を低下させるメリットがあるが、電圧をオフにするとすぐに（例えば数秒程度）順ねじれの配向状態に遷移してしまい、逆にしきい値電圧を高くしてしまうという不都合がある。また、先行例１、２の何れにおいても、順ねじれと逆ねじれの２つの配向状態を表示等の用途として積極的に利用することについては想定されていかなった。すなわち、双安定性を積極利用するために必要な構成、駆動方法等の技術思想についての開示、示唆はともに全く存在しなかった。

これに対して、特開２０１０−１８６０４５号公報（特許文献３）には、初期状態ではスプレイツイスト配向であるが縦電界を１回印加するとリバースツイスト配向で安定するリバースＴＮ（Reverse Twisted Nematic）型の液晶素子に関する技術が開示されている（先行例３）。しかしながら、先行例３の液晶素子は、良好なコントラストを得られる範囲が狭いという点で未だ改良の余地があった。

そこで、本願発明者らは上記した先行例１〜３における不都合を解消し得る新規なリバースＴＮ型の液晶素子について検討を進めている。また、本願発明者らは、上記した新規なリバースＴＮ型の液晶素子を用いた液晶表示装置の一形態として、複数の液晶素子を配列し、薄膜トランジスタ等のスイッチング素子を用いて各液晶素子を個別に駆動する液晶表示装置についても検討を進めている。ここで、水平電界を用いた駆動を行うためのスイッチング素子および電極の構造例は、例えば特許第４２３８８７７号公報（特許文献４）に開示されている（先行例４）。しかしながら、この先行例４に開示されるようなスイッチング素子および電極の構造は、本願発明者らによる新規なリバースＴＮ型の液晶素子を駆動するには適していない。

特許第２５１０１５０号公報 特開２００７−２９３２７８号公報 特開２０１０−１８６０４５号公報 特許第４２３８８７７号公報

本発明に係る具体的態様は、２つの配向状態間の遷移を生じさせるのに適したスイッチング素子および電極の構造を有する新規な液晶素子を提供することを目的の１つとする。
また、本発明に係る具体的態様は、新規な液晶素子を用いた低消費電力駆動が可能な液晶表示装置を提供することを他の目的の１つとする。

本発明に係る一態様の液晶素子は、（ａ）各々の一面に配向処理が施されており、対向配置された第１基板及び第２基板と、（ｂ）前記第１基板の一面側に設けられた第１電極と、（ｃ）前記第１電極と離間して前記第１基板の一面側に設けられた第２電極と、（ｄ）前記第１基板の一面側に設けられ、前記第１電極又は前記第２電極に接続されたスイッチング素子と、（ｅ）少なくとも一部が前記第１電極および前記第２電極と重畳するようにして前記第２基板の一面側に設けられた共通電極と、（ｆ）前記第１基板の一面と前記第２基板の一面との間に設けられた液晶層を含み、（ｇ）前記第１基板及び前記第２基板は、前記液晶層の液晶分子が第１方向に捻れた第１配向状態を生じるように前記配向処理の方向を設定され、（ｈ）前記液晶層は、前記液晶分子が前記第１方向とは逆の第２方向に捻れた第２配向状態を生じさせる性質のカイラル材を含有し、（ｉ）前記第２電極と前記共通電極の間に電圧が印加されたことにより前記液晶層が前記第２配向状態から前記第１配向状態へ遷移し、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧が印加されたことにより前記液晶層が前記第１配向状態から前記第２配向状態へ遷移する、ことを特徴とする液晶素子である。

上記の構成によれば、２つの配向状態間の遷移を生じさせるのに適したスイッチング素子および電極の構造を有する新規な液晶素子が得られる。

上記の液晶素子において、前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方は、相互に離間して平行配置された複数の直線部を有することが好ましい。また、前記第１電極と前記第２電極は、絶縁膜を介して積層されていることも好ましい。

これにより、２つの配向状態間の遷移を生じさせるために必要な基板面と平行方向の電界（横電界）をより効果的に液晶層へ印加することができる。

上記の液晶素子において、前記第１基板と前記第２基板は、それぞれ前記液晶層との界面において当該液晶層の液晶分子に２０°以上のプレチルト角を付与することが好ましい。また、前記カイラル材は、前記液晶層の層厚ｄに対するカイラルピッチの比ｄ／ｐが０．０４以上０．６以下となるように添加されることが好ましい。

これにより、２つの配向状態の双安定性をより高めることができる。

本発明に係る一態様の液晶表示装置は、複数の画素部を備え、当該複数の画素部のそれぞれが上記した本発明に係る液晶素子を用いて構成された、液晶表示装置である。

上記の構成によれば、液晶素子の２つの配向状態の双安定性（メモリー性）を利用することにより表示書き換え時以外には基本的に電力を必要しない低消費電力な液晶表示装置が得られる。

リバースＴＮ型液晶素子の原理を概略的に示す模式図である。 リバースツイスト状態からスプレイツイスト状態へ遷移させる際の液晶層の配向状態と電界方向の関係について説明するための概念図である。 第１実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。 図３に示すリバースＴＮ型液晶素子の平面図である。 第１実施形態に係るリバースＴＮ型液晶素子の製造方法を示す断面図である。 第１実施形態に係るリバースＴＮ型液晶素子の製造方法を示す断面図である。 リバースＴＮ型液晶表示素子の表示特性の一例を示す図である。 第２実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。 図８に示すリバースＴＮ型液晶素子の平面図である。 第２実施形態に係るリバースＴＮ型液晶素子の製造方法を示す断面図である。 第２実施形態に係るリバースＴＮ型液晶素子の製造方法を示す断面図である。 第３実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を模式的に示す断面図である。 第３実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。 第３実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の反射率特性の一例を示す図である。 第４実施形態の液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、リバースＴＮ型液晶素子の原理を概略的に示す模式図である。リバースＴＮ型液晶素子は、基本的な構成として、対向配置された上側基板１および下側基板２と、それらの間に設けられた液晶層３を備える。上側基板１と下側基板２のそれぞれの表面にはラビング処理などの配向処理が施される。これらの配向処理の方向（図中に矢印で示す）が９０°前後の角度で互いに交差するようにして上側基板１と下側基板２とが相対的に配置される。液晶層３は、ネマチック液晶材料を上側基板１と下側基板２の間の注入することによって形成される。この液晶層３には、液晶分子をその方位角方向において特定の方向（図１の例では右旋回方向）にねじれさせる作用を生じるカイラル材が添加された液晶材料が用いられる。上側基板１と下側基板２の相互間隔（セル厚）をｄ、カイラル材のカイラルピッチをｐとすると、これらの比ｄ／ｐの値は、例えば０．０４〜０．６程度に設定される。このようなリバースＴＮ型液晶素子は、カイラル材の作用により、初期状態においては液晶層３がスプレイ配向しながら捻れるスプレイツイスト状態（第２配向状態）となる。このスプレイツイスト状態の液晶層３に対してその層厚方向に飽和電圧を超える電圧を印加すると、液晶分子が左旋回方向に捻れるリバースツイスト状態（ユニフォームツイスト状態：第１配向状態）に遷移する。このようなリバースツイスト状態の液晶層３にあってはバルク中の液晶分子が傾いているため、液晶素子の駆動電圧を低減する効果が現れる。

図２は、リバースツイスト状態からスプレイツイスト状態へ遷移させる際の液晶層の配向状態と電界方向の関係について説明するための概念図である。図２（Ａ）に示すように、基板面に対して水平な方向の電界（Electric field）に対して、リバースツイスト状態における液晶層の層厚方向の略中央の液晶分子（図中、模様を付した液晶分子）の長軸方向がなるべく平行ではなく、直交またはそれに近い状態となるように電界の印加方向を設定する。これにより、液晶層の層厚方向の略中央の液晶分子が電界方向に沿って再配向するため、図２（Ｂ）に示すように液晶層の配向状態はリバースツイスト状態からスプレイツイスト状態へ遷移する。なお、リバースツイスト状態の液晶層に対して、その層厚方向の略中央の液晶分子の長軸方向と平行かそれに近い状態となるようにして電界を印加した場合には、リバースツイスト状態からスプレイツイスト状態への遷移は生じにくい。これは、液晶層の層厚方向の略中央において電界による液晶分子の再配向がほとんど生じないからである。以上のことから、リバースＴＮ型液晶素子において２つの配向状態間を自在に遷移させるためには、液晶層の層厚方向に対する電界（縦電界）とこれに直交する方向の電界（横電界）を発生させる必要があり、かつ横電界についてはリバースツイスト状態の液晶層の層厚方向の略中央の液晶分子の長軸方向と略直交するかそれに近い方向となるようにする必要がある。これらの縦電界と横電界を自在に与えるための素子構造について、以下に具体例を挙げて説明する。

図３は、第１実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。また、図４は、図３に示すリバースＴＮ型液晶素子の平面図である。なお、図３は図４に示すII-II線における断面を示している。各図に示す本実施形態のリバースＴＮ型液晶素子は、第１基板（下側基板）１１、第２基板（上側基板）１２、第１電極１３、コモン線１４、走査線１５、絶縁膜１６、半導体膜１７、ソース電極１８、ドレイン電極１９、第２電極（画素電極）２０、第１配向膜２１、第２配向膜２２、共通電極２３、液晶層２４、信号線２５、第１偏光板（下側偏光板）３１および第２偏光板（上側偏光板）３２を含んで構成されている。

第１基板１１および第２基板１２は、相互に対向配置されており、それぞれ例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板である。第１基板１１と第２基板１２の相互間には、例えば多数のスペーサー（粒状体）が分散して配置されており（図示せず）、それらのスペーサーによって第１基板１１と第２基板１２との相互間隔が保たれる。

第１電極１３は、第１基板１１の一面側に設けられている。この第１電極１３は、図４に示すように例えば略矩形状に形成されており、かつ一部がコモン線１４と接続されている。この第１電極１３は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜をパターニングすることによって得られる。

コモン線１４は、第１基板１１の一面側に設けられており、一方向（図４に示すＹ方向）に延在する。このコモン線１４を介して、図示しない電圧供給手段から第１電極１３に対して所定の電位が与えられる。コモン線１４としては、例えば、アルミニウムとモリブデンの積層膜などの金属膜が用いられる。

走査線１５は、第１基板１１の一面側に設けられており、一方向（図４に示すＹ方向）に延在する。図４に示すように本例の走査線１５は、コモン線１４との間に第１電極１３を挟んで配置されている。走査線１５としては、例えば、アルミニウムとモリブデンの積層膜などの金属膜が用いられる。

絶縁膜１６は、第１基板１１の一面側に、第１電極１３、コモン線１４および走査線１５を覆って設けられている。この絶縁膜１６としては、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜あるいはこれらの積層膜が用いられる。

半導体膜１７は、絶縁膜１６上であって走査線１５と重畳する所定位置に設けられている。この半導体膜１７は、図４に示すように島状にパターニングされている。半導体膜１７としては、例えばアモルファスシリコン膜が用いられる。走査線１５の半導体膜１７と重なる部分は薄膜トランジスタのゲート電極として機能する。また、絶縁膜１６の半導体１７と重なる部分は薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として機能する。

ソース電極１８は、絶縁膜１６上の所定位置に設けられており、一部が半導体膜１７と接続されている。本例のソース電極１８は、図４に示すように信号線２５と一体に形成されている。これらのソース電極１８および信号線２５としては、例えばアルミニウムとモリブデンの積層膜などの金属膜が用いられる。

ドレイン電極１９は、絶縁膜１６上の所定位置に設けられており、一部が半導体膜１７と接続されている。このドレイン電極１９としては、例えばアルミニウムとモリブデンの積層膜などの金属膜が用いられる。

第２電極２０は、絶縁膜１６上であって、少なくとも一部が上記した第１電極１３と重畳する所定位置に設けられている。この第２電極２０は、図４に示すように複数の開口部（スリット）２０ａを有する。この第２電極２０は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜をパターニングすることによって得られる。第２電極２０のサイズは、例えば各開口部２０ａの間に存在する直線部の幅（図３のＸ方向における長さ）が約２０μｍ、各開口部２０ａの幅（図３のＸ方向における長さ）を約２０μｍとすることができる。この第２電極２０と上記の第１電極１３の間に電圧を印加することにより、液晶層２４に横電界を与えることができる。

第１配向膜２１は、第１基板１１の一面側であって絶縁膜１６上に、半導体膜１７、ソース電極１８、ドレイン電極１９および第２電極２０を覆って設けられている。同様に、第２配向膜２２は、第２基板１２の一面側に共通電極２３を覆って設けられている。第１配向膜２１と第２配向膜２２のそれぞれに対しては、一軸配向処理（例えば、ラビング処理、光配向処理等）が施されている。本実施形態の第１配向膜２１および第２配向膜２２としては、比較的に高いプレチルト角（２０°以上、より好ましくは３５°±１０°程度）を発現させるものが用いられる。第１配向膜２１の配向処理の方向ＲＬと第２配向膜２２の配向処理の方向ＲＬは、液晶層２４の配向状態がリバースツイスト状態であるときの層厚方向の略中央における液晶分子の配向方向Ｄが第１電極１３と第２電極２０によって発生する電界方向Ｅと略直交するように設定されている（図４参照）。

共通電極２３は、第２基板１２の一面側に設けられている。この共通電極２３は、少なくとも一部が第１電極１３および第２電極２０と重畳するように形成されている。この共通電極２３は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜をパターニングすることによって得られる。この共通電極２３と上記の第１電極１３（または第２電極２０）の間に電圧を印加することにより、液晶層２４に対して縦電界を与えることができる。

液晶層２４は、第１基板１１の一面と第２基板１２の一面の相互間に設けられている。本実施形態においては、誘電率異方性Δεが正（Δε＞０）のネマチック液晶材料を用いて液晶層２４が構成されている。液晶層２４に図示された太線は、液晶層２４内の液晶分子を模式的に示したものである。電圧無印加時における液晶分子は、第１基板１１および第２基板１２の各基板面に対して所定のプレチルト角を有して配向する。また、第１配向膜２１と第２配向膜２２の各々の配向処理の方向ＲＵ、ＲＬ（図４参照）のなす角度が例えば９０°前後に設定されることにより、電圧無印加時における液晶層２４の液晶分子は第１基板１１と第２基板１２の間で方位角方向にねじれて配向する。

信号線２５は、絶縁膜１６の一面側に設けられており、コモン線１４および走査線１５と略直交する一方向（図４に示すＸ方向）に延在する。図４に示すように本例の信号線２５は、ソース電極１８と一体に形成されている。信号線２５としては、例えば、アルミニウムとモリブデンの積層膜などの金属膜が用いられる。

第１偏光板３１は、第１基板１１の外側に配置されている。第２偏光板３２は、第２基板１２の外側に配置されている。本実施形態ではこの第２偏光板３２側から利用者によって視認される。これらの第１偏光板３１と第２偏光板３２は、例えば互いの透過軸を略直交させて配置される（クロスニコル配置）。

次に、第１実施形態に係るリバースＴＮ型液晶素子の製造方法の一例について図５、図６を参照しながら説明する。

まず、第１基板１１および第２基板１２として用いるためのガラス基板を用意する。例えば、板厚が０．７ｍｍの無アルカリガラスからなるガラス基板が用いられる。

次に、第１基板１１の一面上にコモン線１４および走査線１５を形成する（図５（Ａ））。具体的には、例えばスパッタ法などの成膜法により、第１基板１１の一面全体にわたってアルミニウム膜を形成し、さらにその上にモリブデン膜を形成する。その後、アルミニウム膜およびモリブデン膜の積層膜をドライエッチング法などによってパターニングする。

次に、第１基板１１の一面側の所定位置に第１電極１３を形成する（図５（Ｂ））。具体的には、例えばスパッタ法などの成膜法により、第１基板１１の一面全体にわたってインジウム錫酸化物膜（ＩＴＯ膜）を形成する。その後、このＩＴＯ膜をウェットエッチング法などによってパターニングする。

次に、第１基板１１の一面側に、第１電極１３、コモン線１４および走査線１５を覆うようにして絶縁膜１６を形成する（図５（Ｃ））。具体的には、例えばスパッタ法やプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などの成膜法によって窒化シリコン膜を形成する。

次に、第１基板１１の絶縁膜１６上の所定位置に半導体膜１７を形成する（図５（Ｄ））。具体的には、例えばプラズマＣＶＤ法などの成膜法によってアモルファスシリコン膜を第１基板１１の一面全体にわたって形成する。その後、このアモルファスシリコン膜をドライエッチング法などによって島状にパターニングする。

次に、第１基板１１の絶縁膜１６上の所定位置にソース電極１８、ドレイン電極１９および信号線２５を形成する（図５（Ｅ））。具体的には、例えばスパッタ法などの成膜法により、第１基板１１の一面全体にわたってモリブデン膜／アルミニウム膜／モリブデン膜の積層膜を形成する。その後、この積層膜をドライエッチング法などによってパターニングする。

次に、第１基板１１の絶縁膜１６上の所定位置に第２電極２０を形成する（図５（Ｆ））。具体的には、例えばスパッタ法などの成膜法により、第１基板１１の一面全体にわたってＩＴＯ膜を形成する。その後、このＩＴＯ膜をウェットエッチング法などによってパターニングする。なお、さらに絶縁膜１６上にパッシベーション膜を設けてもよい（図示せず）。

一方、第２基板１２の一面上に共通電極２３を形成する（図５（Ｇ））。具体的には、例えばスパッタ法などの成膜法により、第２基板１２の一面全体にわたってＩＴＯ膜を形成する。なお、実際の製造工程においては、基板全面に共通電極２３が存在した場合には、メインシール部によるショート、スクライブからブレイキング時の膜剥離などを生じる可能性があるため、スパッタリング時にメタルマスクなどで外周を遮蔽（規制）することが好ましい。

次に、第１基板１１の絶縁膜１６上の全体にわたって第１配向膜２１を形成し（図６（Ａ））、第２基板１２の共通電極２３上の全体にわたって第２配向膜２２を形成する（図６（Ｂ））。ここでは例えば、一般的には垂直配向膜として用いられる材料の側鎖密度を低くしたポリイミド膜を用いて各配向膜を形成する。フレキソ印刷法、インクジェット法、スピンコート法、スリットコート法、スリット法とスピンコート法の組みあわせ等の適宜の方法で配向膜材料を第１基板１１上、第２基板１２上にそれぞれ適当な膜厚（例えば５００〜８００Å程度）で塗布し、熱処理（例えば１６０〜１８０℃、１時間焼成）を行う。その後、第１配向膜２１、第２配向膜２２のそれぞれに対して配向処理を行う。ここでは、例えばラビング処理を行い、その条件である押し込み量を０．８ｍｍとする（ストロングラビング条件）。ここでは、第１基板１１と第２基板１２とを重ね合わせたときに各基板上の液晶分子のツイスト角が略９０°となるようにラビング方向を設定する。

次に、一方の基板（例えば第１基板１１）上にギャップコントロール剤を適量（例えば２〜５ｗｔ％）含んだメインシール剤を形成する。メインシール剤の形成は、例えばスクリーン印刷やディスペンサーによる。また、ギャップコントロール剤の径は液晶層２４の厚さが４μｍ程度となるようにする。また、他方の基板（例えば第２基板１２）上にはギャップコントロール剤を散布する。例えば本実施形態では、粒径４μｍのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機によって散布する。その後、第１基板１１と第２基板１２を重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させる。ここでは、例えば１５０℃で３時間の熱処理を行う（図６（Ｃ））。

次に、第１基板１１と第２基板１２の間隙に液晶材料を充填することにより液晶層２４を形成する（図６（Ｄ））。液晶材料の充填は、例えば真空注入法によって行う。本実施形態では、誘電率異方性△εが正であり、かつカイラル材を添加した液晶材料を用いる。カイラル材の添加量は、ｄ／ｐが０．０４以上０．６以下となるように設定することが好ましく、例えばｄ／ｐが０．１６となるように設定する。このような液晶材料の注入後、その注入口にエンドシール剤を塗布し封止する。そして、（液晶材料の相転移温度以上の温度で適宜熱処理（例えば１２０℃で１時間）を行うことにより、液晶層２４の液晶分子の配向状態を整える。

次に、第１基板１１の外側に第１偏光板３１を貼り合わせ、第２基板１２の外側に第２偏光板３２を貼り合わせる。これら第１偏光板３１と第２偏光板３２は、互いの透過軸を略直交配置（クロスニコル配置）とされる。以上のようにして第１実施形態のリバースＴＮ型液晶素子が完成する（図３参照）。

以上のような工程を経て完成したリバースＴＮ型液晶素子について、各電極を用いて液晶層に電圧を印加し、スプレイツイスト状態とリバースツイスト状態を相互に遷移させたときの様子を確認は以下の通り確認される。

本実施形態のリバースＴＮ型液晶素子は、初期状態において液晶層２４の液晶分子がスプレイツイスト状態に配向する。このスプレイツイスト状態においては、外観上、比較的に明るい状態の白表示（明表示）が得られる。これに対し、図示しない電圧印加手段から第１電極１３と共通電極２３のそれぞれに電圧を与えることにより縦電界を発生させる。例えば、１０Ｖ、１００Ｈｚの交流電圧（矩形波）を約０．０１〜０．５秒間印加し、その後すぐに電圧の印加を止める。これにより、液晶層２４の配向状態がリバースツイスト状態へ遷移する。このリバースツイスト状態においては、外観上、比較的に暗い状態の黒表示（暗表示）が得られる。リバースＴＮ型液晶表示素子の表示特性の一例を参考として図７に示す。例えば、このリバースＴＮ型液晶素子をマトリクス状に配列して液晶表示装置を構成したとすると、このスプレイツイスト状態からリバースツイスト状態への遷移時は個別の画素ごと（各素子ごと）に制御することが難しいため、状態遷移は全画素同時に、またはコモン線１４を共有する複数の第１電極１３のラインごとに制御される。

次に、電圧印加手段から走査線１５に所定の電圧を印加することにより薄膜トランジスタを導通状態とし、かつ電圧印加手段から信号線２５に所定の電圧を印加することにより薄膜トランジスタを介して第２電極２０に電圧を与える。これにより、第１電極１３と第２電極２０の間に相対的な電位差が生じるので液晶層２４には横電界が印加されることになり、液晶層２４の配向状態はリバースツイスト状態からスプレイツイスト状態へ遷移する。走査線１５へ印加する電圧（ゲート電圧）は例えば１０Ｖのパルス波、信号線２５に印加する電圧は例えば±１０Ｖをフレーム毎に反転させた電圧とする。横電界を印加する時間は例えば約０．０１から０．５秒間程度である。

上記したスプレイツイスト状態、リバースツイスト状態のいずれについても、電圧印加を解除した後にもその配向状態が維持されるため、表示を書き換えた後は基本的に電圧を印加する必要がなく、消費電力を極めて低く抑えることができる。例えば、このリバースＴＮ型液晶素子をマトリクス状に配列して液晶表示装置を構成したとすると、再び表示を書き換えたい場合には、全画素同時またはコモン線１４を共有する複数の第１電極１３のラインごとに制御して縦電界を印加し、続いて薄膜トランジスタを用いて第２電極２０への電圧印加／非印加を制御することで各画素ごとに横電界を選択的に印加することで所望の画像表示を行うことができる。ラインごとに表示を書き換える方式は小説などの文章を読む場合には読み終わったラインを順に書き換えていけばよいので切り替えに多少の時間を要したとしても読者のストレスを軽減できる。

次に、リバースＴＮ型液晶素子の他の構成例について説明する。

図８は、第２実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。また、図９は、図８に示すリバースＴＮ型液晶素子の平面図である。なお、図８は図９に示すVIII-VIII線における断面を示している。各図に示す本実施形態のリバースＴＮ型液晶素子５は、第１基板（下側基板）１１、第２基板（上側基板）１２、第１電極１３、コモン線１４ａ、走査線１５、絶縁膜１６、半導体膜１７、ソース電極１８、ドレイン電極１９ａ、第２電極２０、第１配向膜２１、第２配向膜２２、共通電極２３、液晶層２４、信号線２５、絶縁膜２６、第１偏光板（下側偏光板）３１および第２偏光板（上側偏光板）３２を含んで構成されている。なお、第１実施形態と共通する構成要素については同一符号を用いており、それらの詳細な説明は省略する。

コモン線１４ａは、第１基板１１の一面側の絶縁膜２６上に設けられており、一方向（図８に示すＹ方向）に延在する。このコモン線１４ａは、図９に示すように第２電極２０と接続されており、このコモン線１４ａを介して、図示しない電圧供給手段から第２電極２０に対して所定の電位が与えられる。

ドレイン電極１９ａは、絶縁膜１６上の所定位置に設けられており、かつ一部が絶縁膜１６を貫通して第１電極１３と接続されている。このドレイン電極１９ａとしては、例えばアルミニウムとモリブデンの積層膜などの金属膜が用いられる。

絶縁膜２６は、第１基板１１の一面側の絶縁膜１６上に、半導体膜１７、ソース電極１８およびドレイン電極１９ａを覆って設けられている。この絶縁膜２６としては、例えば窒化シリコン膜、酸化シリコン膜あるいはこれらの積層膜が用いられる。

第２電極２０は、絶縁膜２１上であって、少なくとも一部が上記した第１電極１３と重畳する所定位置に設けられている。この第２電極２０は、図９に示すようにコモン線１４ａと接続されている。本例では第２電極２０とコモン線１４は一体に形成されている。この第２電極２０は、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜をパターニングすることによって得られる。この第２電極２０と上記の第１電極１３の間に電圧を印加することにより、液晶層２４に横電界を与えることができる。

第１配向膜２１は、第１基板１１の一面側であって絶縁膜２６上に、コモン線１４ａおよび第２電極２０を覆って設けられている。

次に、第２実施形態に係るリバースＴＮ型液晶素子の製造方法の一例について図１０、図１１を参照しながら説明する。なお、第１実施形態と共通する内容については適宜説明を省略する。

第１基板１１の一面上に、所定の金属膜からなる走査線１５を形成する（図１０（Ａ））。次に、第１基板１１の一面側の所定位置にＩＴＯ膜などからなる第１電極１３を形成する（図１０（Ｂ））。次に、第１基板１１の一面側に、第１電極１３および走査線１５を覆うようにして絶縁膜１６を形成する（図１０（Ｃ））。

次に、第１基板１１の絶縁膜１６上の所定位置に半導体膜１７を形成し（図１０（Ｄ））、さらにソース電極１８、ドレイン電極１９ａおよび信号線２５を形成する（図１０（Ｅ））。ドレイン電極１９ａについては、予め絶縁膜１６の所定位置に第１電極１３の一部を露出させる開口部を設けておき、その後にスパッタ法等によって金属膜を成膜し、パターニングすることによって形成可能である。

次に、第１基板１１の絶縁膜１６上に、半導体膜１７、ソース電極１８、ドレイン電極１９ａおよび信号線２５を覆う絶縁膜２６を形成する（図１０（Ｆ））。次に、第１基板１１の絶縁膜２６上の所定位置に、コモン線１４ａおよび第２電極２０を形成する（図１０（Ｇ））。なお、さらに絶縁膜２６上にパッシベーション膜を設けてもよい（図示せず）。一方、第２基板１２の一面上には共通電極２３を形成する（図１１（Ａ））。

次に、第１基板１１の絶縁膜１６上の全体にわたって第１配向膜２１を形成し（図１１（Ｂ））、第２基板１２の共通電極２３上の全体にわたって第２配向膜２２を形成する（図１１（Ｃ））。

次に、一方の基板上にメインシール剤を形成し、他方の基板上にはギャップコントロール剤を散布した後に、第１基板１１と第２基板１２を重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させる（図１１（Ｄ））。次に、第１基板１１と第２基板１２の間隙に液晶材料を充填することにより液晶層２４を形成する（図１１（Ｅ））。

その後、第１基板１１の外側に第１偏光板３１を貼り合わせ、第２基板１２の外側に第２偏光板３２を貼り合わせる。これら第１偏光板３１と第２偏光板３２は、互いの透過軸を略直交配置（クロスニコル配置）とされる。以上のようにして第２実施形態のリバースＴＮ型液晶素子が完成する（図８参照）。

以上のような工程を経て完成したリバースＴＮ型液晶素子について、各電極を用いて液晶層に電圧を印加し、スプレイツイスト状態とリバースツイスト状態を相互に遷移させたときの様子を確認は以下の通りである。

本実施形態のリバースＴＮ型液晶素子は、初期状態において液晶層２４の液晶分子がスプレイツイスト状態に配向する。このスプレイツイスト状態においては、外観上、比較的に明るい状態の白表示（明表示）が得られる。これに対し、上記したように第１電極１３と共通電極２３を用いて縦電界を発生させる。例えば、１０Ｖ、１００Ｈｚの交流電圧（矩形波）を約０．０１から０．５秒間印加し、その後すぐに電圧の印加を止める。これにより、液晶層２４の配向状態がリバースツイスト状態へ遷移する。このリバースツイスト状態においては、外観上、比較的に暗い状態の黒表示（暗表示）が得られる。例えば、このリバースＴＮ型液晶素子をマトリクス状に配列して液晶表示装置を構成したとすると、このスプレイツイスト状態からリバースツイスト状態への遷移時は個別の画素ごと（各素子ごと）に制御することができる。このとき、第１電極１３は電気的にフリーな状態であることが求められる。

次に、電圧印加手段から走査線１５に所定の電圧を印加することにより薄膜トランジスタを導通状態とし、かつ電圧印加手段から信号線２５に所定の電圧を印加することにより第２電極２０に電圧を与える。これにより、第１電極１３と第２電極２０の間に相対的な電位差が生じるので液晶層２４には横電界が印加されることになり、液晶層２４の配向状態はリバースツイスト状態からスプレイツイスト状態へ遷移する。走査線１５へ印加する電圧（ゲート電圧）は例えば１０Ｖのパルス波、信号線２５に印加する電圧は例えば±１０Ｖをフレーム毎に反転させた電圧とする。横電界を印加する時間は例えば約０．０１〜０．５秒間程度である。

上記したスプレイツイスト状態、リバースツイスト状態のいずれについても、電圧印加を解除した後にもその配向状態が維持されるため、表示を書き換えた後は全く電圧を印加する必要がなく、消費電力を極めて低く抑えることができる。例えば、このリバースＴＮ型液晶素子をマトリクス状に配列して液晶表示装置を構成したとすると、本実施形態では、スプレイツイスト状態からリバースツイスト状態への遷移、およびリバースツイスト状態からスプレイツイスト状態への遷移のいずれも各画素ごとに制御することができる。したがって、第１実施形態と比較して表示書き換えの自由度はより高くなる。例えば、現在提案されている電気泳動方式の電子ペーパーディスプレイではいずれも一旦画面全体を白表示または黒表示にリセットする必要があり、これを行わないと所望の位置に全ての電気泳動粒子を移動させることができなくなったり、繰り返し表示切り替えを行っていると電気泳動粒子が偏ったりする場合があるが、本実施形態によればそのような不都合を生じ得ない。

次に、リバースＴＮ型液晶素子の他の構成例について説明する。

図１２は、第３実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を模式的に示す断面図である。図１２（Ａ）に示す第３実施形態のリバースＴＮ型液晶素子は、外部からの光を利用して表示を行う反射型の液晶素子であり、液晶パネル５０と、この液晶パネル５０の下面側に配置される反射板５１と、液晶パネル５０の上面側に配置される散乱板５２、この散乱板５２に重ねて配置されるλ／４波長板５３、このλ／４波長板５３に重ねて配置される偏光板５４を備える。反射板５１としては、例えば銀フィルムを用いることができる。また、散乱板５２としては、例えばヘイズ値が４３％〜４５％のものを複数枚重ねたものを用いることができる。また、λ／４波長板５３としては、例えば位相差が約１３７ｎｍのものを用いることができる。なお、散乱板５２は液晶パネル５０の下面側に配置されてもよい。この場合には反射板５１と液晶パネル５０の相互間に散乱板５２が配置される。

図１２（Ｂ）に示すように、液晶パネル５０における下側基板のラビング方向ＲＬ、上側基板のラビング方向ＲＵのなす角度は、例えば７０°（反射型における好適値の一例）に設定される。液晶層の液晶材料には、例えばｄ／ｐ＝０．１４３となるようにカイラル材が添加される。液晶層の液晶材料のΔｎの値は例えば０．０６５〜０．１５程度である。偏光板５４の透過軸Ｐは上側基板のラビング方向ＲＵと平行に設定され、λ／４波長板５３の位相差軸Ｐ’は偏光板５４の透過軸と略４５°の角度に設定される。液晶パネル５０の内部構造については、上記した第１実施形態または第２実施形態の液晶素子と同様である（いずれも偏光板を除く）。

図１３は、第３実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。ここでは一例として、液晶パネル５０として第１実施形態の液晶素子を採用した場合について図示するが、第２実施形態の液晶素子を採用した場合も同様である。この液晶パネル５０における第１電極１３ｂは、金属膜からなり、さらに表面に凹凸が設けられている。これにより、第１電極１３ｂは、反射板５１および散乱板５２の機能も兼ねることができる。第３実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の製造方法については上記した第１実施形態または第２実施形態と同様であり、例えば第１電極１３ｂの形成工程を走査線１５の形成工程と共通化すれば、それ以外は共通の工程を採用することができる。なお、第１電極１３ｂが反射板５１の機能のみを兼ね、散乱板５２については上記のように外付けとしてもよい。

図１４は、第３実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の反射率特性の一例を示す図である。この図では、液晶層のツイスト角を７０°に設定し、液晶素子の基板面法線に対して３０°の方向から光入射し、法線方向から反射率を測定したときのΔｎ依存性の反射率特性が示されている。この場合、液晶材料のΔｎが０．０８のときに反射率およびコントラスト比が特に優れていることがわかる。なお、ここではλ／４波長板５３の位相差軸を液晶層の層厚方向の略中央における液晶分子の長軸方向と直交するように設定し、偏光板５４の透過軸は上側基板のラビング方向と平行に設定しているが、それぞれの設定はこれに限定されない。反射型とすることでバックライトが不要となり、特に消費電力を抑えることが可能となる。

次に、第４実施形態として、上記した第１〜第３実施形態のいずれかの液晶素子の有するメモリー性を利用した低消費電力駆動が可能な液晶表示装置の構成例について説明する。

図１５は、第４実施形態の液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。図１５に示す液晶表示装置は、複数の画素部１００をマトリクス状に配列して構成されるアクティブマトリクス型の液晶表示装置であり、各画素部１００として上記したいずれかの実施形態の液晶素子が用いられている。具体的には、液晶表示装置は、第１方向に延びる複数の走査線１０１と、各走査線１０１に対して電圧を供給するドライバー１０４と、各々が走査線１０１と直交して第２方向に延びる複数の信号線１０２ならびにコモン線１０３と、各信号線１０２に対して電圧を供給するドライバー１０５と、各コモン線１０３に対して電圧を供給するドライバー１０６と、各走査線１０１と各信号線１０２の交点に設けられた画素部１００を含んで構成されている。各画素部１００は、第１電極または第２電極の一方がコモン線１０３に接続され、他方が薄膜トランジスタに接続される。また、共通電極については各画素部１００に共通に設けられる。

以上のような各実施形態によれば、２つの配向状態間の遷移を生じさせるのに適したスイッチング素子および電極の構造を有する新規な液晶素子が得られる。また、液晶素子の２つの配向状態の双安定性（メモリー性）を利用することにより表示書き換え時以外には基本的に電力を必要しない低消費電力な液晶表示装置が得られる。

なお、本発明は上述した内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。

例えば、上記した各実施形態では液晶層のツイスト角を７０°（反射型）または９０°（透過型）としていたがツイスト角はこれに限定されるものではない。この場合には、白表示での明るさをより確保するためには液晶層内のリターデーション値を調整するとよい。

また、第１偏光板と第２偏光板の各透過軸のなす角度を９０°程度としたノーマリーホワイト状態の液晶素子について例示していたが、ノーマリーブラック状態の液晶素子としても構わない。また、配向処理方法についてはラビング法に限定されない。

また、スイッチング素子の一例としての薄膜トランジスタの構造は例示のボトムゲート型に限定されず、トップゲート型であってもよい。

また、第２電極は上記のような複数のスリットを有するものに限定されず、例えば複数の電極枝（直線部）を有する櫛歯状電極であってもよい。さらに、第１電極についても櫛歯状電極とし、第２電極の各電極枝と第１電極の各電極枝とを互い違いに配置してもよい。この場合には、第１電極と第２電極を同一面上に配置することも可能となる。

１：上側基板
２：下側基板
３：液晶層
１１：第１基板（下側基板）
１２：第２基板（上側基板）
１３、１３ｂ：第１電極
１４、１４ａ：コモン線
１５：走査線
１６：絶縁膜
１７：半導体膜
１８：ソース電極
１９、１９ａ：ドレイン電極
２０：第２電極
２１：第１配向膜
２２：第２配向膜
２３：共通電極
２４：液晶層
２５：信号線
２６：絶縁膜
３１：第１偏光板（下側偏光板）
３２：第２偏光板（上側偏光板）
５０：液晶パネル
５１：反射板
５２：散乱板
５３：λ／４波長板
５４：偏光板
１００：画素部
１０１：走査線
１０２：信号線
１０３：コモン線
１０４、１０５、１０６：ドライバー

Claims (6)

1. 各々の一面に配向処理が施されており、対向配置された第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の一面側に設けられた第１電極と、
   前記第１電極と離間して前記第１基板の一面側に設けられた第２電極と、
   前記第１基板の一面側に設けられ、前記第１電極又は前記第２電極に接続されたスイッチング素子と、
   少なくとも一部が前記第１電極および前記第２電極と重畳するようにして前記第２基板の一面側に設けられた共通電極と、
   前記第１基板の一面と前記第２基板の一面との間に設けられた液晶層、
   を含み、
   前記第１基板及び前記第２基板は、前記液晶層の液晶分子を第１方向に捻れた第１配向状態を生じるように前記配向処理の方向を設定され、
   前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１方向とは逆の第２方向に捻れた第２配向状態を生じさせる性質のカイラル材を含有し、
   前記第２電極と前記共通電極の間に電圧が印加されたことにより前記液晶層が前記第２配向状態から前記第１配向状態へ遷移し、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧が印加されたことにより前記液晶層が前記第１配向状態から前記第２配向状態へ遷移する、
   液晶素子。
2. 前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方は、相互に離間して平行配置された複数の直線部を有する、請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記第１電極と前記第２電極が絶縁膜を介して積層されている、請求項１又は２に記載の液晶素子。
4. 前記第１基板と前記第２基板は、それぞれ前記液晶層との界面において当該液晶層の液晶分子に２０°以上のプレチルト角を付与する、請求項１〜３の何れか１項に記載の液晶素子。
5. 前記カイラル材は、前記液晶層の層厚ｄに対するカイラルピッチの比ｄ／ｐが０．０４以上０．６以下となるように添加される、請求項１〜４の何れか１項に記載の液晶素子。
6. 複数の画素部を備え、当該複数の画素部の各々が請求項１〜５の何れか１項に記載の液晶素子を用いて構成された、液晶表示装置。

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