JP2014041239A - Liquid crystal element and liquid crystal display device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a time period required for a state transition of a liquid crystal layer in a liquid crystal element using a transition between two alignment states.SOLUTION: The liquid crystal element includes a first substrate, a second substrate, a liquid crystal layer disposed between the first substrate and the second substrate, an electrode to impart to the liquid crystal layer a first electric field in a direction substantially perpendicular to the substrate surface and a second electric field substantially parallel to the substrate surface, and a drive circuit to supply a drive voltage to the electrode. Directions of an alignment process applied to the first substrate and the second substrate are set to induce a first alignment state where liquid crystal molecules in the liquid crystal layer are twisted in a first direction; and the liquid crystal layer contains a chiral material that induces a second alignment state where the liquid crystal molecules are twisted in a second direction opposite to the first direction. A drive voltage supplied from the drive circuit first imparts the first electric field to the liquid crystal layer and then imparts the second electric field. The liquid crystal layer transmits from the first alignment state to the second alignment state by application of the first electric field and the second electric field.

Description

本発明は、液晶素子及び液晶表示装置における電気光学特性の改良技術に関する。   The present invention relates to a technique for improving electro-optical characteristics in a liquid crystal element and a liquid crystal display device.

特開2011−203547号公報(特許文献1)には、2つの配向状態間の遷移を利用する新規な液晶表示素子(リバースTN型液晶素子)が開示されている。この先行例にかかる液晶表示素子は、配向処理された第1基板および第2基板とこれらの間に配置されてツイスト配向する液晶層を有しており、液晶層にはカイラル材が含まれる。そして、液晶層において、カイラル材を含まなかった場合に液晶分子が捻れる旋回方向を第1旋回方向とするとき、カイラル材は液晶分子に第1旋回方向とは反対の第2旋回方向への旋回性を与える。また、第1基板と第2基板は、それぞれ20°以上45°以下のプレティルト角が発現するように配向処理されている。第1基板と第2基板には、液晶層の層厚方向およびこれに直交する方向のそれぞれに電界を発生させることが可能な電極が設けられている。かかる構成によれば、表示状態を維持可能なメモリ性を有し、かつ高いコントラスト比を得られる表示品質に優れた液晶表示素子を得ることができる。   Japanese Patent Laying-Open No. 2011-203547 (Patent Document 1) discloses a novel liquid crystal display element (reverse TN liquid crystal element) that utilizes a transition between two alignment states. The liquid crystal display element according to the preceding example has a first substrate and a second substrate subjected to alignment treatment, and a liquid crystal layer disposed between them and twist-aligned, and the liquid crystal layer includes a chiral material. In the liquid crystal layer, when the swirl direction in which the liquid crystal molecules are twisted when the chiral material is not included is defined as the first swirl direction, the chiral material moves the liquid crystal molecules in the second swirl direction opposite to the first swirl direction. Gives turning ability. The first substrate and the second substrate are each subjected to orientation treatment so that a pretilt angle of 20 ° or more and 45 ° or less is developed. The first substrate and the second substrate are provided with electrodes capable of generating an electric field in each of the thickness direction of the liquid crystal layer and the direction orthogonal thereto. According to this configuration, it is possible to obtain a liquid crystal display element having a memory property capable of maintaining a display state and excellent display quality capable of obtaining a high contrast ratio.

しかしながら、上記した先行例の液晶表示素子は、液晶層の液晶分子の配向状態を第2旋回方向へ捻れた状態から第1旋回方向へ捻れた状態へ遷移させる際に要する時間が長いという点で未だ改良の余地があった。この点は、特に表示の書き込みと消去を比較的短時間に行う必要がある多くの用途(例えば、時計の表示部、車両用情報表示パネル等)において改良が望まれる。   However, the above-described liquid crystal display element of the above-described example has a long time required to change the alignment state of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer from the state twisted in the second turning direction to the state twisted in the first turning direction. There was still room for improvement. In particular, improvement is desired in many applications (for example, a display unit of a watch, an information display panel for a vehicle, etc.) that need to write and erase the display in a relatively short time.

特開2011−203547号公報JP 2011-203547 A

本発明に係る具体的態様は、2つの配向状態間の遷移を利用する液晶素子並びにこれを用いる液晶表示装置における液晶層の状態遷移に要する時間を低減させることが可能な技術を提供することを目的の1つとする。   A specific aspect of the present invention provides a technique capable of reducing the time required for the state transition of a liquid crystal layer in a liquid crystal element using a transition between two alignment states and a liquid crystal display device using the same. One of the purposes.

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)第1基板の一面と第2基板の一面との間に設けられた液晶層と、(c)液晶層に対して、第1基板及び第2基板の各一面にほぼ垂直な方向の第1電界と当該各一面にほぼ平行な方向の第2電界を与えるための電極と、(d)電極に対して駆動電圧を供給する駆動回路、を含み、(e)第1基板及び第2基板は、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配向処理の方向を設定されており、(f)液晶層は、液晶分子が第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ており、(g)駆動回路から供給される駆動電圧は、少なくとも、電極を介して液晶層に対して第1電界を与えた後に第2電界を与えるものであり、(h)液晶層は、第1電界と第2電界が与えられることにより第1配向状態から第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。   In one embodiment of the liquid crystal element according to the present invention, (a) each surface is subjected to an alignment treatment, and a first substrate and a second substrate which are disposed to face each other, and (b) one surface of the first substrate and a second substrate. A liquid crystal layer provided between one surface of the substrate and (c) a first electric field in a direction substantially perpendicular to each surface of the first substrate and the second substrate and substantially parallel to the one surface with respect to the liquid crystal layer An electrode for applying a second electric field in the direction, and (d) a drive circuit for supplying a drive voltage to the electrode. (E) The first substrate and the second substrate have the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer being the first. The direction of alignment treatment is set so as to produce a first alignment state twisted in the direction. (F) The liquid crystal layer has a second alignment state in which liquid crystal molecules are twisted in a second direction opposite to the first direction. (G) the drive voltage supplied from the drive circuit is at least via the electrodes. The second electric field is applied after the first electric field is applied to the crystal layer. (H) The liquid crystal layer is changed from the first alignment state to the second alignment state by applying the first electric field and the second electric field. It is a liquid crystal element characterized by making a transition.

上記構成によれば、2種類の電界を組み合わせて液晶層へ与えることにより、第1配向状態から第2配向状態への遷移に要する時間を低減することができる。   According to the above configuration, the time required for the transition from the first alignment state to the second alignment state can be reduced by combining the two types of electric fields and applying them to the liquid crystal layer.

上記の液晶素子においては、第1電界を与えた後に続けて第2電界が与えられてもよい。   In the liquid crystal element, the second electric field may be applied after the first electric field is applied.

それにより、第1電界によって生じた配向状態の遷移が元に戻り始める前に第2電界を与えることができる。   Thereby, the second electric field can be applied before the transition of the alignment state caused by the first electric field starts to return.

上記の液晶素子においては、第1電界を与える期間と第2電界を与える期間とが少なくとも一部において重複することも好ましい。このとき、重複する期間は、例えば3秒間以上とすることができる。   In the above liquid crystal element, it is also preferable that the period for applying the first electric field and the period for applying the second electric field overlap at least partially. At this time, the overlapping period can be, for example, 3 seconds or more.

これにより、重複期間において、第1電界と第2電界が同時に与えられることになり、配向状態の遷移に要する時間をより低減することができる。   Thereby, in the overlap period, the first electric field and the second electric field are simultaneously applied, and the time required for the transition of the alignment state can be further reduced.

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。   A liquid crystal display device according to one embodiment of the present invention is a liquid crystal display device including a plurality of pixel portions, and each of the plurality of pixel portions is configured using the liquid crystal element according to the present invention described above.

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せず、かつ液晶層の配向状態の遷移に要する時間の低減された(すなわち表示切り替え時間を低減された)液晶表示装置を得ることができる。   According to the above configuration, by utilizing the bistability (memory property) of the two alignment states of the liquid crystal element, basically no power is required except during display rewriting, and the transition of the alignment state of the liquid crystal layer Thus, it is possible to obtain a liquid crystal display device in which the time required for the reduction is reduced (that is, the display switching time is reduced).

図1は、リバースTN型液晶素子の動作を概略的に示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the operation of the reverse TN liquid crystal element. 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。FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the relationship between the alignment state of the liquid crystal layer and the electric field direction when transitioning from the reverse twist state to the spray twist state. 図3は、リバースTN型液晶素子の構成例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a reverse TN liquid crystal element. 図4(A)は、第1〜第4電極の配置を平面視において示した模式図である。図4(B)〜図4(D)は、第1〜第4電極の配置を断面で示した模式図である。FIG. 4A is a schematic diagram showing the arrangement of the first to fourth electrodes in plan view. FIG. 4B to FIG. 4D are schematic views showing the arrangement of the first to fourth electrodes in cross section. 図5(A)〜図5(C)は、液晶素子の液晶層をリバースツイスト状態とした後に縦電界を印加した際の顕微鏡観察像を示す図である。また、図5(D)はこの観察に用いた液晶素子のラビング方向および偏光板の透過軸の方向を示す図である。5A to 5C are diagrams showing microscopic observation images when a longitudinal electric field is applied after the liquid crystal layer of the liquid crystal element is in a reverse twist state. FIG. 5D is a diagram showing the rubbing direction of the liquid crystal element and the direction of the transmission axis of the polarizing plate used for this observation. 図6は、一時的な配向状態の遷移を生じさせる縦電界の大きさと透過率の関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the magnitude of the longitudinal electric field that causes a temporary transition of the alignment state and the transmittance. 図7(A)および図7(B)は、駆動回路から供給される駆動電圧を説明するための波形図である。FIG. 7A and FIG. 7B are waveform diagrams for explaining the drive voltage supplied from the drive circuit. 図8は、駆動電圧を用いて実施例の液晶素子を駆動した場合の透過率の経時変化を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a change with time in transmittance when the liquid crystal element of the example is driven using a driving voltage. 図9(A)〜図9(C)は、実施例の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図であり、図9(D)は偏光板の透過軸およびラビング方向を示す図である。FIGS. 9A to 9C are diagrams showing microscopic observation images of the liquid crystal element of the example, and FIG. 9D is a diagram showing a transmission axis and a rubbing direction of the polarizing plate. 10(A)〜図10(D)は、比較例の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図であり、図10(E)は偏光板の透過軸およびラビング方向を示す図である。10 (A) to 10 (D) are diagrams showing a microscopic observation image of the liquid crystal element of the comparative example, and FIG. 10 (E) is a diagram showing a transmission axis and a rubbing direction of the polarizing plate. 図11は、駆動電圧の周波数と遷移時間の関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the frequency of the drive voltage and the transition time. 図12は、液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a configuration example of a liquid crystal display device.

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。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、リバースTN型液晶素子の動作を概略的に示す模式図である。リバースTN型液晶素子は、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を基本的な構成として備える。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)に捻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。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へ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)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。   FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the operation of the reverse TN liquid crystal element. The reverse TN type liquid crystal element includes an upper substrate 1 and a lower substrate 2 which are arranged to face each other and a liquid crystal layer 3 provided therebetween as a basic configuration. Each surface of the upper substrate 1 and the lower substrate 2 is subjected to an alignment process such as a rubbing process. The upper substrate 1 and the lower substrate 2 are relatively arranged so that the directions of these alignment treatments (indicated by arrows in the drawing) intersect each other at an angle of about 90 °. The liquid crystal layer 3 is formed by injecting a nematic liquid crystal material between the upper substrate 1 and the lower substrate 2. The liquid crystal layer 3 is made of a liquid crystal material to which a chiral material that causes the liquid crystal molecules to twist in a specific direction in the azimuth angle direction (right-turning direction in the example of FIG. 1) is added. Such a reverse TN liquid crystal element is in a splay twist state in which the liquid crystal layer 3 is twisted while being splay aligned in the initial state due to the action of the chiral material. When a voltage exceeding the saturation voltage is applied to the liquid crystal layer 3 in the splay twist state in the layer thickness direction, the liquid crystal molecules transit to a reverse twist state (uniform twist state) in which the liquid crystal molecules are twisted in the left-turning direction. In the liquid crystal layer 3 in such a reverse twist state, since the liquid crystal molecules in the bulk are inclined, an effect of reducing the driving voltage of the liquid crystal element appears.

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、基本的には、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ことが好ましい。これらの縦電界と横電界を自在に与えるための電極構造を備えたリバースTN型液晶素子について、以下に具体例を挙げて説明する。   FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the relationship between the alignment state of the liquid crystal layer and the electric field direction when transitioning from the reverse twist state to the spray twist state. As shown in FIG. 2A, with respect to an electric field in a direction parallel to the substrate surface, a liquid crystal molecule at the center in the thickness direction of the liquid crystal layer in the reverse twist state (the pattern in the figure is The application direction of the electric field is set so that the major axis direction of the attached liquid crystal molecules) is not parallel as much as possible, but is orthogonal or close thereto. As a result, the liquid crystal molecules at the center in the thickness direction of the liquid crystal layer are realigned along the electric field direction, so that the alignment state of the liquid crystal layer transitions from the reverse twist state to the spray twist state as shown in FIG. To do. When an electric field is applied to the liquid crystal layer in the reverse twist state so as to be in a state parallel to or close to the major axis direction of the liquid crystal molecules at the center in the layer thickness direction, the liquid crystal layer in the reverse twist state is sprayed from the reverse twist state. Transition to the twist state is unlikely to occur. This is because realignment of liquid crystal molecules due to an electric field hardly occurs at the approximate center in the layer thickness direction of the liquid crystal layer. From the above, in order to freely transition between two alignment states in a reverse TN liquid crystal element, basically, an electric field (longitudinal electric field) with respect to the layer thickness direction of the liquid crystal layer and an electric field in a direction perpendicular to the electric field. (Transverse electric field) must be generated, and the transverse electric field should be in a direction substantially perpendicular to or close to the major axis direction of the liquid crystal molecules in the center of the liquid crystal layer in the reverse twist state. Is preferred. A reverse TN liquid crystal element having an electrode structure for freely applying these vertical and horizontal electric fields will be described below with specific examples.

図3は、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に示す液晶素子は、第1基板(上側基板)51と第2基板(下側基板)54の間に液晶層60を介在させた基本構成を有するとともに、この液晶層60へ駆動電圧を供給するための駆動部65を有する。以下、さらに詳細に液晶素子の構造を説明する。なお、液晶層60の周囲を封止するシール材等の部材については図示および説明を省略する。   FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a reverse TN liquid crystal element. The liquid crystal element shown in FIG. 3 has a basic configuration in which a liquid crystal layer 60 is interposed between a first substrate (upper substrate) 51 and a second substrate (lower substrate) 54, and a driving voltage is applied to the liquid crystal layer 60. It has the drive part 65 for supplying. Hereinafter, the structure of the liquid crystal element will be described in more detail. Note that illustration and description of members such as a sealing material for sealing the periphery of the liquid crystal layer 60 are omitted.

第1基板51および第2基板54は、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。図示のように、第1基板51と第2基板54とは、互いの一面が対向するようにして、所定の間隙(例えば数μm)を設けて貼り合わされている。なお、特段の図示を省略するが、いずれかの基板上に薄膜トランジスタ等のスイッチング素子が形成されていてもよい。   The first substrate 51 and the second substrate 54 are transparent substrates such as a glass substrate and a plastic substrate, respectively. As illustrated, the first substrate 51 and the second substrate 54 are bonded to each other with a predetermined gap (for example, several μm) so that one surface of the first substrate 51 and the second substrate 54 face each other. Although not particularly shown, a switching element such as a thin film transistor may be formed on any substrate.

第1電極52は、第1基板51の一面側に設けられている。また、第2電極55は、第2基板54の一面側に設けられている。第1電極52および第2電極55は、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物(ITO)などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。   The first electrode 52 is provided on one surface side of the first substrate 51. The second electrode 55 is provided on one surface side of the second substrate 54. The first electrode 52 and the second electrode 55 are each configured by appropriately patterning a transparent conductive film such as indium tin oxide (ITO), for example.

絶縁膜(絶縁層)56は、第2基板54上に第2電極55を覆うようにして設けられている。この絶縁膜56は、例えば酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜あるいはこれらの積層膜などの無機絶縁膜、または有機絶縁膜(例えばアクリル系有機絶縁膜)である。   The insulating film (insulating layer) 56 is provided on the second substrate 54 so as to cover the second electrode 55. The insulating film 56 is, for example, an inorganic insulating film such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a laminated film thereof, or an organic insulating film (for example, an acrylic organic insulating film).

第3電極58、第4電極59は、それぞれ、第2基板54上の前述した絶縁膜56上に設けられている。本実施形態における第3電極58および第4電極59は、それぞれ複数の電極枝を有する櫛歯状電極であり、互いの電極枝が交互に並ぶようにして配置されている(後述の図4参照)。第3電極58および第4電極59は、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物(ITO)などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。第3電極58、第4電極59のそれぞれの電極枝は、例えば電極幅が20〜30μm程度であり、電極間隔が20〜200μm程度である。   The third electrode 58 and the fourth electrode 59 are respectively provided on the above-described insulating film 56 on the second substrate 54. The third electrode 58 and the fourth electrode 59 in this embodiment are comb-like electrodes each having a plurality of electrode branches, and are arranged so that the electrode branches are alternately arranged (see FIG. 4 described later). ). The third electrode 58 and the fourth electrode 59 are each configured by appropriately patterning a transparent conductive film such as indium tin oxide (ITO), for example. The electrode branches of the third electrode 58 and the fourth electrode 59 have, for example, an electrode width of about 20 to 30 μm and an electrode interval of about 20 to 200 μm.

配向膜53は、第1基板51の一面側に、第1電極52を覆うようにして設けられている。また、配向膜57は、第2基板54の一面側に、第3電極58および第4電極59を覆うようにして設けられている。各配向膜53、57には所定の配向処理(例えばラビング処理)が施されている。各配向膜53、57により液晶層60との界面において液晶層60の液晶分子に付与されるプレティルト角は比較的高く、例えば20°以上である。   The alignment film 53 is provided on one surface side of the first substrate 51 so as to cover the first electrode 52. The alignment film 57 is provided on one surface side of the second substrate 54 so as to cover the third electrode 58 and the fourth electrode 59. Each alignment film 53, 57 is subjected to a predetermined alignment process (for example, a rubbing process). The pretilt angle given to the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 60 at the interface between the alignment films 53 and 57 and the liquid crystal layer 60 is relatively high, for example, 20 ° or more.

液晶層60は、第1基板51と第2基板54の相互間に設けられている。液晶層60を構成する液晶材料の誘電率異方性Δεは正(Δε>0)である。この液晶材料には液晶分子をねじれ配向させるためのカイラル材が添加されている。   The liquid crystal layer 60 is provided between the first substrate 51 and the second substrate 54. The dielectric anisotropy Δε of the liquid crystal material constituting the liquid crystal layer 60 is positive (Δε> 0). A chiral material for twisting and aligning liquid crystal molecules is added to the liquid crystal material.

駆動回路65は、第1電極53、第2電極56、第3電極58および第4電極59と接続されており、これらの電極に駆動電圧を供給する。   The drive circuit 65 is connected to the first electrode 53, the second electrode 56, the third electrode 58, and the fourth electrode 59, and supplies a drive voltage to these electrodes.

図4(A)は、第1〜第4電極の配置を平面視において示した模式図である。図4(B)〜図4(D)は、第1〜第4電極の配置を断面で示した模式図である。これらの図を参照しながら液晶層に対して各電極を用いて与えられる電界について説明する。   FIG. 4A is a schematic diagram showing the arrangement of the first to fourth electrodes in plan view. FIG. 4B to FIG. 4D are schematic views showing the arrangement of the first to fourth electrodes in cross section. The electric field applied to each liquid crystal layer using each electrode will be described with reference to these drawings.

図4(A)に示すように、第1電極52と第2電極55は互いに対向配置されており、両者の重畳する領域内に、第3電極58と第4電極59が配置されている。また、第3電極58の複数の電極枝と第4電極59の複数の電極枝とは、1つずつ交互に繰り返すように配置されている。   As shown in FIG. 4A, the first electrode 52 and the second electrode 55 are arranged to face each other, and the third electrode 58 and the fourth electrode 59 are arranged in a region where both overlap. Further, the plurality of electrode branches of the third electrode 58 and the plurality of electrode branches of the fourth electrode 59 are arranged so as to be alternately repeated one by one.

図4(B)に示すように、駆動回路65によって第1電極52と第2電極55の間に電圧を印加することにより、両電極間に電界を発生させることができる。この場合の電界は、図示のように第1基板51および第2基板54の厚さ方向(セル厚方向)に沿った電界、すなわち「縦電界(第1電界)」である。   As shown in FIG. 4B, an electric field can be generated between both electrodes by applying a voltage between the first electrode 52 and the second electrode 55 by the drive circuit 65. The electric field in this case is an electric field along the thickness direction (cell thickness direction) of the first substrate 51 and the second substrate 54 as shown in the drawing, that is, a “longitudinal electric field (first electric field)”.

また、図4(C)に示すように、駆動回路65によって第3電極58と第4電極59の間に電圧を印加することにより、両電極間に電界を発生させることができる。この場合の電界は、図示のように第1基板51および第2基板54の各一面にほぼ平行な方向の電界、すなわち「横電界(第2電界)」である。以後、このような電界を用いるモードを「IPSモード」と称する場合もある。   As shown in FIG. 4C, an electric field can be generated between the electrodes by applying a voltage between the third electrode 58 and the fourth electrode 59 by the drive circuit 65. The electric field in this case is an electric field in a direction substantially parallel to each surface of the first substrate 51 and the second substrate 54 as shown in the figure, that is, a “lateral electric field (second electric field)”. Hereinafter, a mode using such an electric field may be referred to as an “IPS mode”.

また、図4(D)に示すように、駆動回路65によって絶縁膜56を挟んで対向配置された第2電極55と第3電極58および第4電極59との間に電圧を印加することにより、両電極間に電界を発生させることができる。この場合の電界は、図示のように第1基板51および第2基板54の各一面にほぼ平行な方向に沿った電界、すなわち「横電界(第2電界)」である。以後、このような電界を用いるモードを「FFSモード」と称する場合もある。   Further, as shown in FIG. 4D, by applying a voltage between the second electrode 55 and the third electrode 58 and the fourth electrode 59 that are arranged to face each other with the insulating film 56 interposed therebetween by the drive circuit 65. An electric field can be generated between both electrodes. The electric field in this case is an electric field along a direction substantially parallel to one surface of each of the first substrate 51 and the second substrate 54 as shown in the drawing, that is, a “lateral electric field (second electric field)”. Hereinafter, a mode using such an electric field may be referred to as an “FFS mode”.

本実施形態の液晶素子は、初期状態において液晶層60の液晶分子がスプレイツイスト状態に配向する。これに対して、上記したように第1電極52と第2電極55を用いて縦電界を発生させると、液晶層60の液晶分子の配向状態がリバースツイスト状態へ遷移する。その後、第3電極58と第4電極59を用いて横電界を発生させると(IPSモード)、液晶層60の配向状態がスプレイツイスト状態へ遷移する。また、第2電極55、第3電極58、第4電極59を用いて横電界を発生させた場合(FFSモード)でも同様に液晶層60の配向状態が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。IPSモードとの比較では、FFSモードのほうが液晶層60の配向状態をより均一に遷移させることができる傾向にある。これは、第3電極58、第4電極59の各電極上にも横電界が印加されるためであると考えられる。したがって、開口率(透過率、コントラスト比)の面からはFFSモードがより適しているといえる。   In the liquid crystal element of this embodiment, the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 60 are aligned in a spray twist state in the initial state. In contrast, when a vertical electric field is generated using the first electrode 52 and the second electrode 55 as described above, the alignment state of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 60 transitions to the reverse twist state. Thereafter, when a lateral electric field is generated using the third electrode 58 and the fourth electrode 59 (IPS mode), the alignment state of the liquid crystal layer 60 transitions to the spray twist state. Similarly, when a lateral electric field is generated using the second electrode 55, the third electrode 58, and the fourth electrode 59 (FFS mode), the alignment state of the liquid crystal layer 60 similarly changes from the reverse twist state to the spray twist state. . In comparison with the IPS mode, the FFS mode tends to shift the alignment state of the liquid crystal layer 60 more uniformly. This is considered to be because a lateral electric field is also applied to each of the third electrode 58 and the fourth electrode 59. Therefore, it can be said that the FFS mode is more suitable in terms of the aperture ratio (transmittance, contrast ratio).

液晶層60の配向状態がスプレイツイスト状態とリバースツイスト状態の間でスイッチング可能となった理由は以下のように考察される。スプレイツイスト状態では液晶層60の層厚方向の略中央における液晶分子がほぼ水平に配向しているが、縦電界によってリバースツイスト状態になった後には層厚方向の略中央における液晶分子が垂直に近い状態に配向する。この後、IPSモードあるいはFFSモードの横電界によって、リバースツイスト状態における液晶層60の層厚方向の略中央における液晶分子に横電界がかかり、スプレイツイスト状態における液晶層60の当該略中央における液晶分子があるべきダイレクタ方向に向いたため、再び初期状態であるスプレイツイスト状態へ遷移する。以上により、縦電界と横電界を活用してスプレイツイスト状態とリバースツイスト状態を切り替えられるようになったものと考えられる。   The reason why the alignment state of the liquid crystal layer 60 can be switched between the spray twist state and the reverse twist state is considered as follows. In the spray twist state, the liquid crystal molecules at the approximate center in the layer thickness direction of the liquid crystal layer 60 are aligned substantially horizontally. However, after the reverse twist state is caused by the vertical electric field, the liquid crystal molecules at the approximate center in the layer thickness direction are vertical. Oriented in a close state. Thereafter, a lateral electric field is applied to the liquid crystal molecules at the approximate center in the thickness direction of the liquid crystal layer 60 in the reverse twist state by a lateral electric field in the IPS mode or the FFS mode, and the liquid crystal molecules at the approximate center of the liquid crystal layer 60 in the spray twist state. Since it is in the direction of the director, there is a transition to the spray twist state which is the initial state again. As described above, it is considered that the spray twist state and the reverse twist state can be switched by utilizing the vertical electric field and the horizontal electric field.

次に、液晶素子の実施例について詳細に説明する。   Next, examples of the liquid crystal element will be described in detail.

ITO膜付きガラス基板のITO膜をパターニングすることにより、第1電極52を有する第1基板51を作製する。ここでは一般的なフォトリソグラフィ技術によってITO膜のパターニングを行うことができる。ITOエッチング方法としてはウェットエッチング(第二塩化鉄)を用いる。ここでの第1電極52の形状パターンは、取り出し電極部分と表示の画素にあたる部分にITO膜が残るようにする。同様にして、ITO膜付きガラス基板のITO膜をパターニングすることにより、第2電極55を有する第2基板54を作製する。   By patterning the ITO film of the glass substrate with the ITO film, the first substrate 51 having the first electrode 52 is produced. Here, the ITO film can be patterned by a general photolithography technique. As the ITO etching method, wet etching (ferric chloride) is used. The shape pattern of the first electrode 52 here is such that the ITO film remains in the extraction electrode portion and the portion corresponding to the display pixel. Similarly, the 2nd board | substrate 54 which has the 2nd electrode 55 is produced by patterning the ITO film | membrane of the glass substrate with an ITO film | membrane.

次に、第2基板54の第2電極55上に絶縁膜56を形成する。その際、取り出し電極部分には絶縁膜56が形成されないよう工夫する必要がある。その方法としては、あらかじめ取り出し電極部分にレジストを形成しておいて絶縁膜56の形成後にリフトオフする方法や、メタルマスクなどにより取り出し電極部分を隠した状態でスパッタ法などにより絶縁膜56を形成する方法などが挙げられる。また、絶縁膜56としては、有機絶縁膜、あるいは酸化珪素膜や窒化珪素膜等の無機絶縁膜及びそれらの組み合わせ等が挙げられる。ここでは、アクリル系有機絶縁膜と酸化珪素膜(SiO膜)の積層膜を絶縁膜56として用いる。 Next, an insulating film 56 is formed on the second electrode 55 of the second substrate 54. At that time, it is necessary to devise so that the insulating film 56 is not formed on the extraction electrode portion. As the method, a resist is formed in advance on the extraction electrode portion and lifted off after the formation of the insulating film 56, or the insulating film 56 is formed by sputtering or the like with the extraction electrode portion hidden by a metal mask or the like. The method etc. are mentioned. Examples of the insulating film 56 include an organic insulating film, an inorganic insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film, and a combination thereof. Here, a laminated film of an acrylic organic insulating film and a silicon oxide film (SiO 2 film) is used as the insulating film 56.

取り出し電極部分(端子部分)には耐熱性のフィルム(ポリイミドテープ)を貼り、その状態で有機絶縁膜の材料液をスピンコートする。例えば、2000rpmにて30秒間スピンさせる条件で、膜厚1μmを得る。これをクリーンオーブンにて焼成する(例えば、220℃、1時間)。耐熱性のフィルムを貼ったままでSiO膜をスパッタ法(交流放電)により成膜する。例えば、80℃に基板加熱し、1000Å形成する。ここで耐熱性のフィルムを剥がすと、有機絶縁膜、SiO膜ともきれいに剥がすことができる。その後、クリーンオーブンにて焼成する(例えば、220℃、1時間)。これは、SiO膜の絶縁性と透明性を上げるためである。SiO膜を形成する必要性は必ずしも無いが形成によりその上に形成するITO膜の密着性及びパターニング性が向上するため、形成することが望ましい。また、絶縁性も向上する。一方、有機絶縁膜を形成せずにSiO膜のみで絶縁性をとる方法が考えられるが、その場合にはSiO膜は多孔質になりやすいため膜厚を4000Å〜8000Å程度確保することが望ましい。また、SiNxとの積層膜にしてもよい。なお、無機絶縁膜の形成方法としてスパッタ法を述べたが、真空蒸着法、イオンビーム法、CVD法(化学気相堆積法)などの形成方法を用いてもよい。 A heat-resistant film (polyimide tape) is attached to the extraction electrode portion (terminal portion), and the material liquid of the organic insulating film is spin-coated in that state. For example, a film thickness of 1 μm is obtained under the condition of spinning at 2000 rpm for 30 seconds. This is baked in a clean oven (eg, 220 ° C., 1 hour). A SiO 2 film is formed by sputtering (alternating current discharge) while a heat resistant film is stuck. For example, the substrate is heated to 80 ° C. to form 1000 Å. Here, when the heat-resistant film is peeled off, both the organic insulating film and the SiO 2 film can be peeled off cleanly. Thereafter, baking is performed in a clean oven (for example, 220 ° C., 1 hour). This is to increase the insulation and transparency of the SiO 2 film. It is not always necessary to form the SiO 2 film, but it is preferable to form the SiO 2 film because the adhesion and patterning of the ITO film formed thereon are improved. Also, the insulation is improved. On the other hand, be a method of taking only the insulating SiO 2 film without forming an organic insulating film can be considered, SiO 2 film in which case the securing of about 4000Å~8000Å thickness for easily becomes porous desirable. Also, a laminated film with SiNx may be used. Although the sputtering method has been described as a method for forming the inorganic insulating film, a forming method such as a vacuum evaporation method, an ion beam method, or a CVD method (chemical vapor deposition method) may be used.

次いで、絶縁膜56上に第3電極58および第4電極59を形成する。具体的には、まず絶縁膜56上にITO膜をスパッタ法(交流放電)にて形成する。これを、例えば100℃に基板加熱し、約1200Å程度のITO膜を全面に形成する。このITO膜を一般的なフォトリソグラフィ技術によってパターニングする。このときのフォトマスクとしては、上記した図4に示したような櫛歯状電極に対応する遮光部分を有するものを用いる。櫛歯状の電極は、例えば、電極枝の幅を20μm〜30μm、電極間隔20μm〜200μmとすることができる。なお、上記の取り出し電極部分にもパターンが無いとエッチングにより下側のITO膜も除去されるので、取り出し電極部分にもパターンが形成されているフォトマスクを用いる。   Next, the third electrode 58 and the fourth electrode 59 are formed on the insulating film 56. Specifically, first, an ITO film is formed on the insulating film 56 by a sputtering method (AC discharge). This is heated to, for example, 100 ° C., and an ITO film of about 1200 mm is formed on the entire surface. The ITO film is patterned by a general photolithography technique. As the photomask at this time, a photomask having a light shielding portion corresponding to the comb-like electrode as shown in FIG. 4 is used. For example, the width of the electrode branch may be 20 μm to 30 μm, and the electrode interval may be 20 μm to 200 μm. If there is no pattern in the extraction electrode portion, the lower ITO film is also removed by etching. Therefore, a photomask having a pattern formed on the extraction electrode portion is used.

上記のようにして作製した第1基板51および第2基板54を洗浄する。具体的には、まず水洗(ブラシ洗浄もしくはスプレー洗浄、純水洗浄)をし、水切り後にUV洗浄をし、最後にIR乾燥を行う。   The first substrate 51 and the second substrate 54 manufactured as described above are cleaned. Specifically, first, washing with water (brush washing or spray washing, pure water washing) is performed, followed by UV washing after draining, and finally IR drying.

次いで、第1基板51、第2基板54のそれぞれに配向膜53、57を形成する。配向膜53、57として、例えば、通常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る。配向膜の材料液(配向材)を第1基板51、第2基板54のそれぞれの一面に塗布し、これらをクリーンオーブンにて焼成する(例えば160〜260℃、1時間)。配向膜の材料液の塗布方法としてはフレキソ印刷、インクジェット印刷、もしくはスピンコートが用いられる。ここではスピンコートを用いるが、他の方式を用いても結果は同様である。配向膜53、57の膜厚は、例えば500Å〜800Åとなるようにする。次いで、各配向膜53、57に対し、配向処理としてのラビング処理を行う。ラビング時の押し込み量は、例えば0.8mmに設定する。これにより、各配向膜53、57が液晶分子に対して20°〜60°程度のプレティルト角を発現し得る。ラビング方向については、初期状態(スプレイツイスト状態)におけるツイスト角φが例えば70°になるように設定する。   Next, alignment films 53 and 57 are formed on the first substrate 51 and the second substrate 54, respectively. As the alignment films 53 and 57, for example, a polyimide film in which a side chain density of a material normally used as a vertical alignment film is lowered is used. An alignment film material liquid (alignment material) is applied to one surface of each of the first substrate 51 and the second substrate 54, and these are baked in a clean oven (for example, 160 to 260 ° C., 1 hour). As a method for applying the material liquid for the alignment film, flexographic printing, inkjet printing, or spin coating is used. Here, spin coating is used, but the results are the same even if other methods are used. The film thickness of the alignment films 53 and 57 is, for example, 500 to 800 mm. Next, a rubbing process as an alignment process is performed on the alignment films 53 and 57. The pushing amount at the time of rubbing is set to 0.8 mm, for example. Thereby, each alignment film 53 and 57 can express a pretilt angle of about 20 ° to 60 ° with respect to the liquid crystal molecules. The rubbing direction is set so that the twist angle φ in the initial state (spray twist state) is, for example, 70 °.

次いで、第1基板51と第2基板54を貼り合わせる。第1基板51上には粒径約4μmのロッド状ガラススペーサーが略2wt%混入したシール材をディスペンサーにて所望のパターンに塗布する。また、第2基板54上には乾式散布法にて粒径約4μmのプラスティックスペーサーを散布する。両基板を貼り合わせた後には、熱圧着によりシール材を硬化させる。   Next, the first substrate 51 and the second substrate 54 are bonded together. On the first substrate 51, a seal material mixed with approximately 2 wt% of a rod-shaped glass spacer having a particle size of about 4 μm is applied in a desired pattern with a dispenser. Further, a plastic spacer having a particle size of about 4 μm is sprayed on the second substrate 54 by a dry spraying method. After the two substrates are bonded together, the sealing material is cured by thermocompression bonding.

次いで、第1基板51と第2基板54の間に液晶材料を注入することによって液晶層60を形成する。液晶材料にはカイラル材として、例えばCB15が添加される。カイラル材の添加量は、d/pが0.20〜0.53となるようにする。   Next, a liquid crystal layer 60 is formed by injecting a liquid crystal material between the first substrate 51 and the second substrate 54. For example, CB15 is added to the liquid crystal material as a chiral material. The amount of chiral material added is such that d / p is 0.20 to 0.53.

最後に、第1基板51と第2基板54の各外側に偏光板を貼り合わせる。偏光板はクロスニコル配置とする。ここでは各偏光板の透過軸とラビング方向とが10°の角度をもつように偏光板を配置する。   Finally, polarizing plates are bonded to the outer sides of the first substrate 51 and the second substrate 54. The polarizing plate has a crossed Nicols arrangement. Here, the polarizing plates are arranged so that the transmission axis of each polarizing plate and the rubbing direction have an angle of 10 °.

以上により、実施例の液晶素子が完成する。この液晶素子は、完成時点では液晶層60がスプレイツイスト状態に配向している。このときは、比較的に透過率(あるいは反射率)が高く、明るい状態の外観となる。そして、液晶層60に縦電界を与えると、液晶層60の配向がリバースツイスト状態に遷移し、電界をオフとした後もその状態が維持される。このときは、比較的に透過率(あるいは反射率)が低く、暗い状態の外観となる。さらに、液晶層60に横電界を与えると、液晶層60の配向が再びスプレイツイスト状態へ遷移し、電界をオフとした後もその状態が維持される。   Thus, the liquid crystal element of the example is completed. In this liquid crystal element, the liquid crystal layer 60 is aligned in a spray twist state at the time of completion. At this time, the transmittance (or reflectance) is relatively high and the appearance is bright. When a vertical electric field is applied to the liquid crystal layer 60, the orientation of the liquid crystal layer 60 changes to a reverse twist state, and this state is maintained even after the electric field is turned off. At this time, the transmittance (or reflectance) is relatively low and the appearance is dark. Furthermore, when a lateral electric field is applied to the liquid crystal layer 60, the orientation of the liquid crystal layer 60 again transitions to the spray twist state, and this state is maintained even after the electric field is turned off.

次に、本実施形態の液晶素子の駆動方法について詳細に説明する。   Next, the driving method of the liquid crystal element of this embodiment will be described in detail.

図5(A)〜図5(C)は、液晶素子の液晶層をリバースツイスト状態とした後に縦電界を印加した際の顕微鏡観察像を示す図である。また、図5(D)はこの観察に用いた液晶素子のラビング方向および偏光板の透過軸の方向を示す図である。図5(D)に示すように、この液晶素子は、各偏光板の透過軸が図中時計回りに45°方向と反時計回りに45°方向にそれぞれ設定され、第1基板51のラビング方向RLが時計回りに35°に設定され、第2基板54のラビング方向RUが反時計回りに35°に設定されている。本願発明者らが検討したところ、図5(A)に示すようなリバースツイスト状態である液晶層に対して縦電界を印加した後に電界をオフにすると、図5(B)に示すように液晶層の配向状態がリバースツイスト状態からスプレイツイスト状態へ一時的に遷移し、数秒間後には図5(C)に示すように再びリバースツイスト状態へ戻り始めるという知見を得た。なお、ここでは縦電界として、第1電極52と第2電極55の間に2.5Vの電圧を与えた後に0Vとしている。詳細に観察したところ、一時的なスプレイツイスト状態からリバースツイスト状態への再遷移は、スペーサー(ギャップ材)を起点として生じ始めることが分かった。   5A to 5C are diagrams showing microscopic observation images when a longitudinal electric field is applied after the liquid crystal layer of the liquid crystal element is in a reverse twist state. FIG. 5D is a diagram showing the rubbing direction of the liquid crystal element and the direction of the transmission axis of the polarizing plate used for this observation. As shown in FIG. 5D, in this liquid crystal element, the transmission axis of each polarizing plate is set to 45 ° clockwise and 45 ° counterclockwise in the figure, and the rubbing direction of the first substrate 51 is set. RL is set to 35 ° clockwise, and the rubbing direction RU of the second substrate 54 is set to 35 ° counterclockwise. As a result of investigations by the inventors of the present application, when a vertical electric field is applied to a liquid crystal layer in a reverse twist state as shown in FIG. 5A, the electric field is turned off, as shown in FIG. 5B. It was found that the orientation state of the layer temporarily transited from the reverse twist state to the spray twist state, and after a few seconds, again returned to the reverse twist state as shown in FIG. 5C. Here, the vertical electric field is set to 0 V after a voltage of 2.5 V is applied between the first electrode 52 and the second electrode 55. As a result of detailed observation, it has been found that the re-transition from the temporary spray twist state to the reverse twist state starts to start from the spacer (gap material).

図6は、一時的な配向状態の遷移を生じさせる縦電界の大きさと透過率の関係を示す図である。図6において横軸は経過時間、左側縦軸は液晶素子の正面方向から計測した透過率、右側縦軸は縦電界の大きさ(印加電圧)に対応しており、実線が透過率を示し、棒グラフ状のバーが印加電圧を示している。経過時間0〜15秒までの間は、液晶素子の液晶層は初期状態(スプレイツイスト状態)であり、このときの透過率は比較的高い。経過時間15〜30秒の間は、液晶素子の液晶層は縦電界の印加によりリバースツイスト状態に遷移しており、このときの透過率は比較的低い。経過時間30〜50秒の間は、液晶素子の液晶層へは電圧無印加状態であり、リバースツイスト状態が維持されているため透過率は低い。経過時間50秒以降は10秒間隔で10V(ボルト)、9V、8V、7V、6V、5V、4V、3.5V、3V、2.5V、2V、1Vの交流電圧がそれぞれ液晶層に印加された。なお、印加される交流電圧の周波数は20Hz、印加する時間はそれぞれ略1秒間である。図示のように本実験例では、印加電圧2.5V〜3.5Vの場合に、電界オフ後、瞬間的に透過率が初期状態と同等に大きくなり、この透過率が上昇した状態は概ね3秒間維持されることが分かった。しかし、印加電圧2Vの条件および3.5V以上の条件では電界オフ後に透過率が急激に上昇する現象は現れなかった。すなわち、リバースツイスト状態の液晶層へ比較的低い縦電界を与えることにより、瞬間的にスプレイツイスト状態へ遷移させることが可能であり、しかもその一時的な遷移に要する時間は比較的に短いという知見が得られた。   FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the magnitude of the longitudinal electric field that causes a temporary transition of the alignment state and the transmittance. In FIG. 6, the horizontal axis corresponds to the elapsed time, the left vertical axis corresponds to the transmittance measured from the front direction of the liquid crystal element, the right vertical axis corresponds to the magnitude of the vertical electric field (applied voltage), the solid line indicates the transmittance, A bar in the form of a bar graph indicates the applied voltage. During the elapsed time from 0 to 15 seconds, the liquid crystal layer of the liquid crystal element is in the initial state (spray twist state), and the transmittance at this time is relatively high. During the elapsed time of 15 to 30 seconds, the liquid crystal layer of the liquid crystal element transitions to a reverse twist state by applying a vertical electric field, and the transmittance at this time is relatively low. During the elapsed time of 30 to 50 seconds, no voltage is applied to the liquid crystal layer of the liquid crystal element, and the transmittance is low because the reverse twist state is maintained. After the elapsed time of 50 seconds, AC voltages of 10V (volt), 9V, 8V, 7V, 6V, 5V, 4V, 3.5V, 3V, 2.5V, 2V, 1V are applied to the liquid crystal layer at 10 second intervals. It was. Note that the frequency of the applied AC voltage is 20 Hz, and the application time is approximately 1 second. As shown in the figure, in this experimental example, when the applied voltage is 2.5 V to 3.5 V, the transmittance instantaneously increases to the same level as the initial state after the electric field is turned off. It was found to be maintained for 2 seconds. However, under the condition of the applied voltage of 2V and the condition of 3.5V or more, the phenomenon that the transmittance rapidly increased after the electric field was turned off did not appear. That is, by applying a relatively low vertical electric field to the liquid crystal layer in the reverse twist state, it is possible to instantaneously transit to the spray twist state, and the time required for the temporary transition is relatively short. was gotten.

このような知見のもとに本願発明者が検討したところ、リバースツイスト状態である液晶層に対して縦電界を印加して一時的にスプレイツイスト状態へ遷移させた後、さらに横電界を印加することにより、このスプレイツイスト状態へ遷移した状態を安定させることが可能であり、かつ、リバースツイスト状態である液晶層へ縦電界を印加することなく横電界を印加する場合に比べてスプレイツイスト状態へ遷移させるために要する時間を短縮し得るという着想を得た。次に、この着想を具現化するための駆動方法について詳細に説明する。   Based on this knowledge, the inventors of the present application have studied that a longitudinal electric field is applied to the liquid crystal layer in the reverse twist state to temporarily transit to the spray twist state, and then a lateral electric field is further applied. Therefore, it is possible to stabilize the state transitioned to the spray twist state, and to the spray twist state as compared with the case where the horizontal electric field is applied to the liquid crystal layer in the reverse twist state without applying the vertical electric field. The idea was that the time required for transition could be shortened. Next, a driving method for realizing this idea will be described in detail.

図7(A)および図7(B)は、駆動回路から供給される駆動電圧を説明するための波形図である。本実施形態の駆動回路65には、V1、V2、V3の電圧出力があり、いずれも矩形波である。液晶素子の液晶層60の配向状態をスプレイツイスト状態からリバースツイスト状態へ遷移させるときには、駆動回路65により第1電極52と第2電極55の間に電圧V1を印加する(縦電界)。一方、液晶素子の液晶層60の配向状態を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ときには、駆動回路65により、まず第1電極52と第2電極55の間に電圧V2を印加し(縦電界)、次いで第3電極58と第4電極59の間に電圧V3を印加する(横電界)。   FIG. 7A and FIG. 7B are waveform diagrams for explaining the drive voltage supplied from the drive circuit. The drive circuit 65 of this embodiment has voltage outputs of V1, V2, and V3, all of which are rectangular waves. When the alignment state of the liquid crystal layer 60 of the liquid crystal element is changed from the spray twist state to the reverse twist state, the drive circuit 65 applies a voltage V1 between the first electrode 52 and the second electrode 55 (vertical electric field). On the other hand, when the orientation state of the liquid crystal layer 60 of the liquid crystal element is changed from the reverse twist state to the spray twist state, the drive circuit 65 first applies a voltage V2 between the first electrode 52 and the second electrode 55 (vertical electric field). Then, a voltage V3 is applied between the third electrode 58 and the fourth electrode 59 (lateral electric field).

詳細には、まず図7(A)に示すように第1電極52と第2電極55の間に電圧V2が時間t1の間印加される。次いで、図7(B)に示すように、電圧V2の印加時から時間t2が経過した後に第3電極58と第4電極59の間に電圧V3が時間t3の間印加される。このとき、時間t1よりも時間t2を小さく設定した場合には、図示の例のように電圧V2の印加期間と電圧V3の印加期間が一時的に重複する。すなわち、液晶層60には一時的に縦電界と横電界が同時に印加される。なお、電圧V1〜V3のいずれについても周波数および電圧の大きさは適宜調整することができる。電圧V3が電圧V1、V2よりも大きい場合には、ノイズとして電圧V3が第1電極52および第2電極55に混入するのを防ぐためにグラウンド駆動よりもハイインピーダンス駆動が好ましい。   Specifically, first, as shown in FIG. 7A, the voltage V2 is applied between the first electrode 52 and the second electrode 55 for a time t1. Next, as shown in FIG. 7B, the voltage V3 is applied between the third electrode 58 and the fourth electrode 59 for a time t3 after the time t2 has elapsed since the application of the voltage V2. At this time, when the time t2 is set smaller than the time t1, the application period of the voltage V2 and the application period of the voltage V3 are temporarily overlapped as in the illustrated example. That is, the vertical electric field and the horizontal electric field are temporarily applied to the liquid crystal layer 60 at the same time. Note that the frequency and the magnitude of the voltage can be appropriately adjusted for any of the voltages V1 to V3. When the voltage V3 is larger than the voltages V1 and V2, high impedance driving is preferable to ground driving in order to prevent the voltage V3 from entering the first electrode 52 and the second electrode 55 as noise.

このような駆動電圧を用いる場合の詳細な駆動条件の検討を行ったところ、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時間をより短縮するには、t1>t2の条件を満たすことが好ましいと分かった。すなわち、縦電界と横電界が同時に印加される期間が存在したほうが好ましいことが分かった。なお、t1=t2としてもよく、その場合には電圧V2の印加後に続けて電圧V3が印加される。それにより、液晶層60には縦電界が与えられた後、続けて横電界が与えられる。また、t1<t2としてもよく、その場合には電圧V1の印加後に電圧無印加の期間を挟んで電圧V2が印加される。それにより、液晶層60には縦電界が与えられた後、電界0の期間を挟んで横電界が与えられる。この場合、縦電界と横電界の組み合わせによる応答性向上の効果をより大きく発現させるためにはt1+3(秒間)≧t2の条件を満たす必要がある。この時間t1に加算する「3秒間」については、上記した図6に示したように、電界オフ後、瞬間的に透過率が初期状態と同等に大きくなった状態が維持される時間が概ね3秒間であることが根拠となる。   Examination of detailed driving conditions in the case of using such a driving voltage revealed that it is preferable to satisfy the condition of t1> t2 in order to further shorten the transition time from the reverse twist state to the spray twist state. It was. That is, it has been found that it is preferable to have a period in which the vertical electric field and the horizontal electric field are applied simultaneously. Note that t1 = t2 may be set, in which case the voltage V3 is applied after the application of the voltage V2. Thereby, after the vertical electric field is applied to the liquid crystal layer 60, the horizontal electric field is continuously applied. Alternatively, t1 <t2, and in this case, the voltage V2 is applied after a voltage non-application period after the voltage V1 is applied. Accordingly, a vertical electric field is applied to the liquid crystal layer 60, and then a horizontal electric field is applied across the period of the electric field 0. In this case, it is necessary to satisfy the condition of t1 + 3 (seconds) ≧ t2 in order to express the effect of improving the response by the combination of the vertical electric field and the horizontal electric field. As for “3 seconds” to be added to the time t1, as shown in FIG. 6 described above, after the electric field is turned off, the time during which the transmittance instantaneously increases to the same level as the initial state is approximately 3 times. The ground is for the second.

図8は、上記した駆動電圧を用いて実施例の液晶素子を駆動した場合の透過率の経時変化を示す図である。ここでは、駆動電圧を電圧V1=10V、電圧V2=2.5V、電圧V3=10V、時間t1=1.0秒間、時間t2=0.5秒間、時間t3=1.0秒間に設定し、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際の透過率の経時変化を計測した。また、比較例として横電界だけを用いた場合の透過率の経時変化も計測した。このときの電圧V3は10Vとした。図示のように、横電界のみを印加する比較例の液晶素子では液晶層の配向状態が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し、それに伴って透過率が変化するまでに約25秒間を要していたのに対して、実施例の液晶素子ではこの時間が約6秒間と大幅に短縮された。   FIG. 8 is a diagram showing a change with time in transmittance when the liquid crystal element of the example is driven using the above driving voltage. Here, the drive voltage is set to voltage V1 = 10V, voltage V2 = 2.5V, voltage V3 = 10V, time t1 = 1.0 second, time t2 = 0.5 second, time t3 = 1.0 second, The change over time in the transmittance at the time of transition from the reverse twist state to the spray twist state was measured. As a comparative example, the temporal change in transmittance when only a lateral electric field was used was also measured. The voltage V3 at this time was 10V. As shown in the figure, in the liquid crystal element of the comparative example in which only the transverse electric field is applied, it takes about 25 seconds until the alignment state of the liquid crystal layer transitions from the reverse twist state to the spray twist state and the transmittance changes accordingly. In contrast to this, in the liquid crystal element of the example, this time was significantly shortened to about 6 seconds.

図9(A)〜図9(C)は、実施例の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図であり、図9(D)は偏光板の透過軸およびラビング方向を示す図である。実施例の液晶素子では、図9(A)に示すように液晶層がリバースツイスト状態であるところへ上記した縦電界と横電界を組み合わせた駆動電圧を供給したところ、縦電界により瞬間的にスプレイツイスト状態へ遷移し(図9(B))、その後、横電界によりスプレイツイスト状態への遷移が安定化した様子が観察された(図9(C))。   FIGS. 9A to 9C are diagrams showing microscopic observation images of the liquid crystal element of the example, and FIG. 9D is a diagram showing a transmission axis and a rubbing direction of the polarizing plate. In the liquid crystal element of the embodiment, as shown in FIG. 9A, when the driving voltage combining the vertical electric field and the horizontal electric field is supplied to the place where the liquid crystal layer is in the reverse twist state, the spray is instantaneously generated by the vertical electric field. A transition to the twist state (FIG. 9B) was observed, and then a state in which the transition to the spray twist state was stabilized by the lateral electric field was observed (FIG. 9C).

図10(A)〜図10(D)は、比較例の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図であり、図10(E)は偏光板の透過軸およびラビング方向を示す図である。比較例の液晶素子では、図10(A)に示すように液晶層がリバースツイスト状態であるところへ横電界の駆動電圧を供給したところ、櫛歯状の第3電極および第4電極の電極枝間でスプレイツイスト状態へ遷移した領域がランダムに発生し(図10(B))、その後スプレイツイスト状態へ遷移した領域が徐々に拡大し(図10(C):5秒間経過後)、さらにスプレイツイスト状態へ遷移した領域が全体へ及ぶ様子が観察された(図10(D):25秒間経過後)。   10A to 10D are diagrams showing microscopic images of the liquid crystal element of the comparative example, and FIG. 10E is a diagram showing the transmission axis and the rubbing direction of the polarizing plate. In the liquid crystal element of the comparative example, as shown in FIG. 10A, when the drive voltage of the lateral electric field is supplied to the place where the liquid crystal layer is in the reverse twist state, the electrode branches of the comb-like third electrode and the fourth electrode The region that has transitioned to the spray twist state occurs randomly (FIG. 10B), and then the region that has transitioned to the spray twist state gradually expands (FIG. 10C: after 5 seconds), and further spray It was observed that the region transitioning to the twisted state was extended to the whole (FIG. 10D: after 25 seconds had elapsed).

上記した実施例の液晶素子と比べると、比較例で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際の様子が異なる。すなわち、実施例では始めの縦電界の印加によりスプレイツイスト状態へ遷移した領域が広域的に発生し、その後の横電界の印加によりそれが維持される。このため、外観上見栄えがよい。これに対して、比較例ではスプレイツイスト状態へ遷移した領域が電極枝間で局所的に発生した後にその領域が拡大する。このため、外観上見栄えがよくない。   Compared to the liquid crystal element of the above-described embodiment, the comparative example is different in the state of transition from the reverse twist state to the spray twist state. That is, in the embodiment, a region that has transitioned to the spray twist state is generated in a wide area by the first application of the vertical electric field, and is maintained by the subsequent application of the horizontal electric field. For this reason, it looks good in appearance. On the other hand, in the comparative example, after the region that has transitioned to the spray twist state occurs locally between the electrode branches, the region expands. For this reason, it does not look good in appearance.

図11は、駆動電圧の周波数と遷移時間の関係を示す図である。実施例の液晶素子に対し、電圧V2の周波数f2と電圧V3の周波数f3をそれぞれ20Hz〜100Hzの間で可変に設定して駆動電圧を供給した場合におけ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時間を計測した。なお、遷移時間は透過率の変化が飽和するまでの時間とした。また、周波数以外の条件については、電圧V2を2.5Vと3.0Vの2種類に設定し、電圧V3をいずれの場合も10Vに設定し、時間t1を1.0秒間、時間t2を0.5秒間、時間t3を1.0秒間と設定した。図示のように、周波数が比較的高い場合、具体的には50Hz〜100Hzの場合には遷移時間Tの周波数への依存性はほとんど見られなかったが、周波数が比較的低い場合、具体的には20Hz〜40Hzの場合には周波数が低いほど遷移時間Tが短縮される傾向が見られた。   FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship between the frequency of the drive voltage and the transition time. The transition time from the reverse twist state to the spray twist state when the driving voltage is supplied with the frequency f2 of the voltage V2 and the frequency f3 of the voltage V3 being variably set between 20 Hz and 100 Hz respectively for the liquid crystal element of the embodiment. Measured. The transition time was the time until the change in transmittance was saturated. As for conditions other than the frequency, the voltage V2 is set to two types of 2.5V and 3.0V, the voltage V3 is set to 10V in any case, the time t1 is set to 1.0 second, and the time t2 is set to 0. The time t3 was set to 1.0 second for 5 seconds. As shown in the figure, when the frequency is relatively high, specifically, when the frequency is 50 Hz to 100 Hz, the dependence of the transition time T on the frequency is hardly seen, but when the frequency is relatively low, In the case of 20 to 40 Hz, the transition time T tended to be shortened as the frequency decreased.

次に、上記の液晶素子の有するメモリ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。   Next, a configuration example of a liquid crystal display device capable of low power consumption driving using the memory property of the liquid crystal element will be described.

図12は、液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。図12に示す液晶表示装置は、複数の画素部74をマトリクス状に配列して構成される単純マトリクス型の液晶表示装置であり、各画素部74として上記した液晶素子が用いられている。具体的には、液晶表示装置は、X方向に延びるm本の制御線B1〜Bmと、これらの制御線B1〜Bmに対して制御信号を与えるドライバー71と、各々が制御線B1〜Bmと交差してY方向に延びるn本の制御線A1〜Anと、これらの制御線A1〜Anに対して制御信号を与えるドライバー72と、各々が制御線B1〜Bmと交差してY方向に延びるn本の制御線C1〜CnおよびD1〜Dnと、これらの制御線C1〜CnおよびD1〜Dnに対して制御信号を与えるドライバー73と、制御線B1〜Bmと制御線A1〜Anとの各交点に設けられた画素部74と、を含んで構成されている。   FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a configuration example of a liquid crystal display device. The liquid crystal display device illustrated in FIG. 12 is a simple matrix type liquid crystal display device configured by arranging a plurality of pixel portions 74 in a matrix, and the liquid crystal element described above is used as each pixel portion 74. Specifically, the liquid crystal display device includes m control lines B1 to Bm extending in the X direction, a driver 71 that gives control signals to the control lines B1 to Bm, and control lines B1 to Bm, respectively. The n control lines A1 to An that cross and extend in the Y direction, the driver 72 that gives control signals to the control lines A1 to An, and the control lines B1 to Bm that cross each other and extend in the Y direction. Each of n control lines C1 to Cn and D1 to Dn, a driver 73 for giving a control signal to these control lines C1 to Cn and D1 to Dn, each of the control lines B1 to Bm and the control lines A1 to An And a pixel portion 74 provided at the intersection.

各制御線B1〜Bm、A1〜An、C1〜CnおよびD1〜Dnは、例えばITO等の透明導電膜からなる。制御線B1〜BmとA1〜Anとが交差する部分が上記した第1電極52および第2電極55として機能する(図4(B)参照)。また、制御線C1〜Cnについては、各画素部74に相当する領域に設けられ第3電極58としての櫛歯状の電極枝(図12においては図示省略)と接続されている。同様に、制御線D1〜Dnについては、各画素部74に相当する領域に設けられ第4電極59としての櫛歯状の電極枝(図12においては図示省略)と接続されている。   Each control line B1-Bm, A1-An, C1-Cn, and D1-Dn consists of transparent conductive films, such as ITO, for example. The portions where the control lines B1 to Bm and A1 to An intersect function as the first electrode 52 and the second electrode 55 described above (see FIG. 4B). The control lines C1 to Cn are connected to a comb-like electrode branch (not shown in FIG. 12) provided in a region corresponding to each pixel portion 74 as the third electrode 58. Similarly, the control lines D1 to Dn are connected to a comb-like electrode branch (not shown in FIG. 12) provided as a fourth electrode 59 in a region corresponding to each pixel portion 74.

図12に示す構成の液晶表示装置の駆動法としては種々の方法が考えられる。例えば、制御線B1、B2、B3・・・Bmとライン毎に表示書き換えを行う方法(線順次駆動法)について説明する。この場合には、相対的に明るい表示(リバースツイスト状態)としたい画素部74には縦電界の駆動電圧を印加し、相対的に暗い表示(スプレイツイスト状態)としたい画素部74には縦電界と横電界を組み合わせた駆動電圧を印加すればよい。   Various methods are conceivable as driving methods of the liquid crystal display device having the configuration shown in FIG. For example, a control line B1, B2, B3... Bm and a method of performing display rewriting for each line (line sequential driving method) will be described. In this case, a vertical electric field drive voltage is applied to the pixel portion 74 that is desired to have a relatively bright display (reverse twist state), and a vertical electric field is applied to the pixel portion 74 that is desired to have a relatively dark display (spray twist state). And a driving voltage combining the horizontal electric field may be applied.

このような駆動電圧を制御線B2、B3・・・を順次選択し、対応する画素部74へ印加していくことによりドットマトリクス表示が可能となる。このような駆動により書き換えられた表示状態は半永久的に保持することが可能である。この表示を書き換えるには再び制御線B1から上記の制御を実行すればよい。なお、ここではいわゆる単純マトリクス型の液晶表示装置について本発明を適用した例を示したが、薄膜トランジスタ等を用いたアクティブマトリクス型の液晶表示装置について本発明を適用することも可能である。アクティブマトリクス型の液晶表示装置の場合には制御線B1等のライン毎に書き換える必要がなくなるので書き換え時間を短縮できる。また、しきい値に対して2倍以上の電圧の印加も可能になるので更に高速に書き換えが可能になる。ただし、片側の基板に横電界用と縦電界用の電極があるため、1画素あたり2つの薄膜トランジスタ等が必要になる。   .. Are sequentially selected and applied to the corresponding pixel portion 74, thereby enabling dot matrix display. The display state rewritten by such driving can be held semipermanently. In order to rewrite this display, the above control may be executed again from the control line B1. Note that although an example in which the present invention is applied to a so-called simple matrix liquid crystal display device is described here, the present invention can also be applied to an active matrix liquid crystal display device using a thin film transistor or the like. In the case of an active matrix liquid crystal display device, it is not necessary to rewrite each line such as the control line B1, so that the rewriting time can be shortened. Further, since it is possible to apply a voltage more than twice the threshold, rewriting can be performed at a higher speed. However, since there are electrodes for a horizontal electric field and a vertical electric field on one substrate, two thin film transistors or the like are required per pixel.

以上のように、本実施形態並びに各実施例によれば、2つの配向状態間の遷移を利用する液晶素子における液晶層の状態遷移に要する時間を低減させることが可能となる。   As described above, according to this embodiment and each example, it is possible to reduce the time required for the state transition of the liquid crystal layer in the liquid crystal element using the transition between the two alignment states.

また、液晶素子の製造工程は、基本的には一般的な液晶素子の製造工程とほぼ同じでありコストアップの要因は少ない。すなわち、一般的な液晶素子と同様の製造技術で安価に製造が可能である。   In addition, the manufacturing process of the liquid crystal element is basically the same as the manufacturing process of a general liquid crystal element, and there are few factors that increase the cost. That is, it can be manufactured at low cost by the same manufacturing technique as that of a general liquid crystal element.

また、本実施形態等の液晶素子は、表示を書き換えるとき以外は電力を必要としないので、超低消費電力駆動が可能であり、透過型ディスプレイ、反射型ディスプレイのいずれの場合にも好適なディスプレイを実現できる。特に反射型ディスプレイに適用した場合にはメリットが大きい。   In addition, since the liquid crystal element of this embodiment or the like does not require electric power except when rewriting the display, it can be driven with ultra-low power consumption, and is suitable for both a transmissive display and a reflective display. Can be realized. In particular, when it is applied to a reflective display, the merit is great.

また、配向状態のメモリ性を利用した駆動方法(線順次書き換え法等)の適用が可能になるので、薄膜トランジスタ等のスイッチング素子を用いることなく単純マトリクス表示により大容量のドットマトリクス表示が可能である。従って低コストで大容量表示が可能になる   In addition, since it is possible to apply a driving method (line sequential rewriting method or the like) using the memory property of the alignment state, a large-capacity dot matrix display can be performed by a simple matrix display without using a switching element such as a thin film transistor. . Therefore, large capacity display is possible at low cost.

なお、本発明は上述した実施形態の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、上記した実施形態等では配向処理の具体例としてラビング処理を揚げていたが、これ以外の配向処理(例えば、光配向法、斜方蒸着法等)を用いることもできる。また、説明中に挙げた数値条件等についても好適な一例に過ぎず、必ずしもそれらに限定されない。   In addition, this invention is not limited to the content of embodiment mentioned above, In the range of the summary of this invention, it can change and implement variously. For example, in the above-described embodiments and the like, the rubbing process is described as a specific example of the alignment process, but other alignment processes (for example, photo-alignment method, oblique vapor deposition method, etc.) can be used. Further, the numerical conditions and the like listed in the description are only suitable examples, and are not necessarily limited thereto.

1:上側基板
2:下側基板
3:液晶層
51:第1基板
52:第1電極
53、57:配向膜
54:第2基板
55:第2電極
56:絶縁膜
58:第3電極
59:第4電極
60:液晶層
65:駆動回路
71、72、73:ドライバー
74:画素部
A1〜An、B1〜Bm、C1〜Cn、D1〜Dn:制御線
1: Upper substrate 2: Lower substrate 3: Liquid crystal layer 51: First substrate 52: First electrode 53, 57: Alignment film 54: Second substrate 55: Second electrode 56: Insulating film 58: Third electrode 59: 4th electrode 60: Liquid crystal layer 65: Drive circuit 71, 72, 73: Driver 74: Pixel part A1-An, B1-Bm, C1-Cn, D1-Dn: Control line

Claims (5)

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基板の一面と前記第2基板の一面との間に設けられた液晶層と、
前記液晶層に対して、前記第1基板及び前記第2基板の各一面にほぼ垂直な方向の第1電界と当該各一面にほぼ平行な方向の第2電界を与えるための電極と、
前記電極に対して駆動電圧を供給する駆動回路と、
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ており、
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ており、
前記駆動回路から供給される前記駆動電圧は、少なくとも、前記電極を介して前記液晶層に対して前記第1電界を与えた後に前記第2電界を与えるものであり、
前記液晶層は、前記第1電界と前記第2電界が与えられることにより前記第1配向状態から前記第2配向状態へ遷移する、
液晶素子。
Each one surface has been subjected to an alignment treatment, and a first substrate and a second substrate disposed to face each other,
A liquid crystal layer provided between one surface of the first substrate and one surface of the second substrate;
An electrode for applying a first electric field in a direction substantially perpendicular to each surface of the first substrate and the second substrate and a second electric field in a direction substantially parallel to the one surface to the liquid crystal layer;
A drive circuit for supplying a drive voltage to the electrodes;
Including
The first substrate and the second substrate are set in a direction of the alignment treatment so as to generate a first alignment state in which liquid crystal molecules of the liquid crystal layer are twisted in a first direction;
The liquid crystal layer contains a chiral material having a property of causing a second alignment state in which the liquid crystal molecules are twisted in a second direction opposite to the first direction,
The driving voltage supplied from the driving circuit applies the second electric field after applying the first electric field to the liquid crystal layer through at least the electrode,
The liquid crystal layer transitions from the first alignment state to the second alignment state by applying the first electric field and the second electric field.
Liquid crystal element.
前記第1電界を与えた後に続けて前記第2電界が与えられる、請求項1に記載の液晶素子。   The liquid crystal element according to claim 1, wherein the second electric field is applied after the first electric field is applied. 前記第1電界を与える期間と前記第2電界を与える期間とが少なくとも一部において重複する、請求項2に記載の液晶素子。   The liquid crystal element according to claim 2, wherein the period for applying the first electric field and the period for applying the second electric field overlap at least partially. 前記重複する期間が3秒間以上である、請求項3に記載の液晶素子。   The liquid crystal element according to claim 3, wherein the overlapping period is 3 seconds or more. 複数の画素部を備え、当該複数の画素部の各々が請求項1〜4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。   A liquid crystal display device comprising a plurality of pixel portions, wherein each of the plurality of pixel portions is configured using the liquid crystal element according to claim 1.
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