JP2018092046A - 液晶電気光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高い安定性を有する液晶電気光学素子を提供する。【解決手段】本発明に係る液晶電気光学素子１は、液晶セル３１と、液晶セル３１の背面側に配置された第１の偏光板３と、液晶セル３１の前面側に配置された第２の偏光板４と、位相差板（光学補償セル）５と、を有する。位相差板５は、第１の偏光板３及び第２の偏光板４と液晶セル３１との間のうち少なくとも一方の間に配置され、電圧制御によって異常光線軸の向きを調整可能に構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、液晶電気光学素子に関する。

液晶電気光学パネルは、テレビ、コンピュータのディスプレイ、光変調器などを一例として、広く用いられている。

液晶電気光学パネルなどを構成する液晶電気光学素子の代表的な駆動方式としては、例えば、ＴＮ（ツイステッド−ネマチック）モード、ＳＴＮ（スーパー・ツイステッド・ネマチック）モード、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence：電界制御複屈折）モードなどがある。また、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を用いたアクティブマトリクス型の液晶表示素子では、液晶分子を垂直配向させるＶＡ（垂直配向）モードや、液晶分子を水平配向させるＩＰＳ(イン・プレーン・スイッチング) モード又はＦＦＳ（フリンジ・フィールド・スイッチング）モードなどの駆動方式が採用されている。ＩＰＳモードの駆動方式では、液晶分子の垂直方向の傾きが発生しないため、視野角による輝度変化や色変化が少ない。このような特徴を有することから、ＩＰＳモードの駆動方式は、観賞用や医療用のディスプレイに多く採用されている。その他に、連続階調を表示可能なＨａｌｆ Ｖ−ＦＬＣＤ（強誘電性液晶ディスプレイ）も知られている。

近年、液晶電気光学素子においては、高精細化、高解像度化や、表示容量の増加を図るために、広視野角化や色再現性などの改善が求められている。広視野角化や色再現性などを改善する方法として、例えば、ネガＡプレートや、ポジＡプレー卜、ネガＣプレート、ポジＣプレート、二軸性プレート、１／２波長板、１／４波長板などの位相差板（光学補償セル）を液晶電気光学素子に用いる方法がある。

特開平１１−２４９１２６号公報 特開２００７−７８８５４号公報 特開２００８−１３９７６９号公報 特開２０１０−７２６５８号公報

しかしながら、実際に液晶電気光学素子を使用すると、液晶電気光学素子を駆動させるための電源や周辺機器からの熱によって位相差板の位相が設計値からずれる場合がある。その場合、液晶電気光学素子の動作が不安定になる虞がある。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、高い安定性を有する液晶電気光学素子を提供する。

上述の目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕液晶セルと、第１の偏光板及び第２の偏光板と、光学補償セルと、を有する液晶電気光学素子であって、前記液晶セルは、互いに対向して配置された第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板及び前記第２の基板の間に挟持された第１の液晶層と、前記第１の基板及び前記第２の基板の間で前記第１の液晶層の配向状態を制御する第１の配向層と、前記第１の液晶層の配向状態を駆動電圧の印加により発生する電界によって変化させる第１の電極と、を備え、前記第１の偏光板は、前記液晶セルの背面側に配置され、前記第２の偏光板は、前記液晶セルの前面側に配置され、前記光学補償セルは、前記第１の偏光板及び前記第２の偏光板と前記液晶セルとの間のうち少なくとも一方の間に配置される。本発明においては、光学補償された液晶電気光学デバイスには第一の様態と第二の様態がある。第一の様態は、例えば、光学補償で得られたＥＣＢ液晶電気光学デバイスで、第二の様態は、例えば、光学補償された、ＩＰＳ，ＦＦＳ，ＨＶ−ＦＬＣ電気光学デバイスである。
第一の様態においては光学補償板もＥＣＢ液晶セルで それに電圧を印加することにより、その傾きを変えて光学遅れを制御して全体系の温度変化に対応する様にする。このようにして後述する（１）式の値を変えることができる。光学補償板の異常光線軸の向きを、水平から傾けることで、光学遅れを小さくすることができる。そして、第二の様態では、光学補償板はＩＰＳ、ＦＦＳタイプで、電圧印加によって、方位角（後述する（２）式参照）を変えることによって、全体系の温度変化に対応させる。このような二種類の対応は、温度変化があっても暗状態の実現と電気光学効果の動作を安定にする。
前記光学補償セルは、電圧制御によって異常光線軸の向きを調整可能に構成されている液晶電気光学素子である。
〔２〕前記光学補償セルは、互いに対向して配置された第３の基板及び第４の基板と、前記第３の基板及び前記第４の基板の間に挟持された第２の液晶層と、前記第３の基板及前記第４の基板の間で前記第２の液晶層の配向状態を制御する第２の配向層と、前記第２の液晶層の配向状態を駆動電圧の印加により発生する電界によって変化させる第２の電極と、を備えている前記〔１〕に記載の液晶電気光学素子。
〔３〕前記第２の液晶層は、前記第３の基板及び前記第４の基板の間に挟持され、前記第３の基板及び前記第４の基板と平行な面とこの面に直交する向きとの間で回転する液晶を含む前記〔２〕に記載の液晶電気光学素子。
〔４〕第一の様態では、前記第１の偏光板の透過軸に対する前記光学補償セルの前記第２の液晶層に含まれる液晶の位相差の半値（Γ_２／２）は、以下の（１）式で表され、α＝０．０５〜０．３［ｒａｄ］である前記〔３〕に記載の液晶電気光学素子。

〔５〕前記第２の液晶層は、前記第３の基板及び前記第４の基板の間に挟持され、前記第３の基板及び前記第４の基板と平行な面内で回転する液晶を含む前記〔２〕に記載の液晶電気光学素子。
〔６〕第二の様態では、前記液晶セルの配置角度φ_１が０［ｒａｄ］からπ／４［ｒａｄ］までの間で変化し、前記光学補償セルの遅相軸の配置角度φ_２は、以下の（２）式で表され、α＝０．０５〜０．２０［ｒａｄ］である前記〔５〕に記載の液晶電気光学素子。

なお、前記第１の偏光板の透過軸の向く方向は０［ｒａｄ］であり、前記第二の偏光板の透過軸の向く方向はπ／２［ｒａｄ］である。

以上のように、本発明によれば、光学補償セルの異常光線軸の角度を電圧制御によって動的かつ幾何学的に調節することが可能になる。例えば、周囲の温度変化によって液晶セルと光学補償セルとの位相差値が変化しても、光学補償セルに電圧を印加することで、前述のように異常光線軸の角度を調整することができ、高い安定性を有する液晶光学素子を提供することができる。

本発明に係る液晶電気光学素子の構成の一例を示す模式図である。 第二の様態において図１に示す液晶電気光学素子を構成する各部の光学配置の一例を示す模式図である。 第一の様態において図１に示す液晶電気光学素子の第１の態様の二次元的な光学配置を示す模式図である。 第一の様態において図１に示す液晶電気光学素子のスイッチ角に対する透過率の特性曲線を示すシミュレーション結果である。 第一の様態において印加電圧に対する応答速度の実測値を示すグラフであり、液晶層の厚みが３．２９［μｍ］である場合のグラフである。 第一の様態において印加電圧に対する応答速度の実測値を示すグラフであり、液晶層の厚みが４．７８［μｍ］である場合のグラフである。 図１に示す液晶電気光学素子の第２の態様の二次元的な光学配置を示す模式図である。 図７に示す光学配置で実施した、電気光学素子の透過率に対する印加電圧依存性を示すグラフである。 図１に示す液晶電気光学素子の第２の態様における透過率の配置角度φ_１による変化の一例について、（１１）式および（１３）式を用いて規格化透過率を計算した結果を示すグラフである。 図１に示す液晶電気光学素子の第２の態様におけるＦ値を計算した結果を示すグラフである。 図１に示す液晶電気光学素子の第２の態様の動作を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を模式的に示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（第１の態様）
図１に示すように、本発明を適用した液晶電気光学素子１は、液晶セル３１，３２と、第１の偏光板３と、第２の偏光板４と、を備えている。

液晶セル３１は、厚み方向に間隔をあけて対向するように配置された一対の１０Ａ，１０Ｂと、一対の基板１０Ａ，１０Ｂの外周部を封止する封止材１３と、一対の基板１０Ａ，１０Ｂおよび封止材１３で囲まれた空間内に設けられた液晶（第１の液晶層）２と、を備えている。基板１０Ａにおいて基板１０Ｂ側かつ封止材１３で囲まれた面には、互いに間隔をあけて複数設けられた透明電極（第１の電極）１１Ａと、配向膜（第１の配向膜）１２Ａが基板１０Ａの厚み方向に積層されている。また、基板１０Ｂにおいて基板１０Ａ側かつ封止材１３で囲まれた面には、透明電極１１Ｂと、配向膜（第１の配向膜）１２Ｂが基板１０Ｂの厚み方向に積層されている。液晶２には、配向膜１２Ａ，１２Ｂの間で電圧駆動される液晶分子１４が含まれている。

液晶２は、基板（第１の基板）１０Ａおよび基板（第２の基板）１０Ｂとの間に挟持されている。液晶２としては、ＥＣＢモードやＩＰＳモード、ＦＦＳモードなどの種々の公知モードで駆動可能な液晶などが挙げられる。

液晶セル３２は、液晶セル３１とほぼ同様の構成を備えている。すなわち、液晶セル３２は、厚み方向に間隔をあけて対向するように配置された一対の基板２０Ａ，２０Ｂと、一対の基板２０Ａ，２０Ｂの外周部を封止する封止材２３と、一対の基板２０Ａ，２０Ｂおよび封止材２３で囲まれた空間内に設けられた液晶（第２の液晶層）９と、を備えている。基板２０Ａにおいて基板２０Ｂ側かつ封止材２３で囲まれた面には、互いに間隔をあけて複数設けられた透明電極（第２の電極）２１Ａと、配向膜（第２の配向膜）２２Ａが基板２０Ａの厚み方向に積層されている。また、基板２０Ｂにおいて基板２０Ａ側かつ封止材２３で囲まれた面には、透明電極２１Ｂと、配向膜（第２の配向膜）２２Ｂが設けられている。液晶５には、配向膜２２Ａ，２２Ｂの間で電圧駆動される液晶分子２４が含まれている。

液晶９は、基板（第３の基板）２０Ａと基板（第４の基板）２０Ｂと平行な面Ｍ１０と面Ｍ１０に直交する向きＤ１０との間で回転する。このような液晶９としては、例えばＥＣＢモードで駆動可能な液晶などが挙げられる。

第１の偏光板３は、偏光子Ｐとして液晶セル３１における基板１０Ａ側に配置されている。第２の偏光板４は、検光子Ａとして液晶セル３２における基板２０Ｂ側に配置されている。以下、液晶電気光学素子１における第１の偏光板３側を背面側とし、液晶電気光学素子１における第２の偏光板４側を前面側とする。

図２は、第１の態様の液晶電気光学素子１における主要な光学配置を示したものである。
第１の偏光板３の透過軸と第２の偏光板４の透過軸とは、それぞれの透過軸が法線方向（すなわち、向きＤ１０）から見て互い直交した位置関係にある。なお、図２では、第１の偏光板３及び第２の偏光板４の法線方向をＸＹＺ座標のＺ軸方向とし、第１の偏光板３の透過軸をＸＹＺ座標のＸ軸方向と一致させ、第２の偏光板４の透過軸をＸＹＺ座標のＹ軸方向と一致させている。

液晶セル３２は、位相差板（光学補償セル）５として機能する。本発明では、位相差板５の異常光線軸の向きは、電圧制御によって調整可能に構成されている。具体的には、位相差板５としてアクティブ素子である液晶セル３２を用いて位相差板５の異常光線軸の角度を電圧制御によって動的かつ幾何学的に調節可能とされている。

図２に示すように、ＥＣＢモードで駆動される液晶２の異常光線軸と位相差板５の液晶９の異常光線軸とが直交し、上述のように透過軸が互いに直交するように配置されている第１の偏光板３と第２の偏光板４との間に液晶２と位相差板５が挟まれている場合、透過光量は減じられる。（図３の中央の黒い部分が透過光量の減少を示している。なお、図３において、ｎ_ｅ（１），ｎ_o（１）はそれぞれ液晶２の異常光線軸、常光線軸を表す。また、同図において、ｎ_ｅ（２），ｎ_o（２）はそれぞれ液晶９の異常光線軸、常光線軸を表す。）

ここで、液晶電気光学素子１の第１の偏光板３の透過軸を基準として液晶セル３１における液晶２の位相差をΓ_１とし、位相差板５の液晶９の位相差をΓ_２とすると、位相差板５の液晶９の位相差の半値（Γ_２／２）は、前述の（１）式で表される。そこで、位相角度αを、α＝０．０５〜０．３０［ｒａｄ］とし、好ましくはα＝０．１０〜０．３０［ｒａｄ］とし、より好ましくはα＝０．３０［ｒａｄ］とする。位相角度αは、位相角度αが増大すると液晶電気光学素子１の光学応答が高速になること、図２に示す位相差板５を含まない光学配置における透過光量Ｉ_１などを考慮して決定されることが好ましい。

図１に示す液晶電気光学素子１において、背面側から前面側への入射光量をＩ_０とする。液晶セル３１がいわゆるＳｉｎｇｌｅ−ＥＣＢモードで駆動される場合、図２に示す構成のうち位相差板５を含まない光学配置における透過光量をＩ_１とすると、入射光量と透過光量との比は、次に示す（３）式で表される。なお、Ｉ_０は、液晶電気光学素子１への入射光量を表す。

また、液晶セル３１が第一の様態において光学補償されたＴＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ（ＯＣ）−ＴＢ）モードで駆動される場合、液晶電気光学素子１の背面側の透過光量をＩ_２とすると、入射光量と透過光量との比は、次に示す（４）式で表される。

上述の（１）式は、以下の（５）式および（６）式のように変形される。

上述の（５）式および（６）式では、液晶セル３１のスイッチ角（図２においてｚ軸からｘｙ平面に向かって傾斜する角度）をθ_１としている。液晶セル３１に電圧が印加されていない場合は、θ_１＝０［ｄｅｇ］である。

リタデーションＲ（θ_１）は、Δｎ（θ_１）×ｄ_１である。例えば、５５０ｎｍのような観測波長λを適用すれば、次に示す（７）式が成り立つ。また、αは位相角度である。

なお、上述の（６）式において、Ｒ^＊はΔｎ^＊（θ_１）ｄ_１またはΔｎ（θ_１）ｄ_１ ^＊のいずれかから求められる。
上述の（７）式に基づき、次に示す（８）式および（９）式が得られる。

（８）式は、いわゆるＮｏｒｍａｌｌｙ ｗｈｉｔｅ（以下、ＮＷとする）の状態を示す式である。一方、（９）式は、いわゆるＮｏｒｍａｌｌｙ ｂｌａｃｋ（以下、ＮＢとする）の状態を示す式である。

上述の（８）式および（９）式に対して、リタデーションＲ^＊＝０．２２２、繰り込みΔｎ＝０．０６２、Ｒ繰り込み厚ｄ^＊＝３．５８８［μｍ］の条件を適用することで、液晶セル３２に電圧が印加されていないときにＮＢの状態（暗状態）が実現される。このとき、（８）式および（９）式に示されているように、α分の位相進みがみられる。この位相進みは、液晶電気光学素子１におけるスイッチングオフ時の応答速度の向上につながる。また、上述の構成において、液晶セル３２に電圧が印加しながら、位相差板５の異常光線軸の角度θ_２（図２においてｚ軸からｘｙ平面に向かって傾斜する角度）を調整することによって、スイッチングオフ時の応答度速度の向上が図られる。

図４には、上述のようにα＝０．３［ｒａｄ］、ｄ^＊＝３．５８８［μｍ］、Δｎ＝０．０６２とした際のスイッチ角θ_１に対する透過率の変化を数値シミュレーションによって算出した結果を示す。なお、図４のグラフにおけるＴ１，Ｔ２はそれぞれ、位相差板５を含まない光学配置において、スイッチ角θ_１に対して規格化された透過率、位相差板５を含む光学配置における、スイッチ角θ_１に対して規格化された透過率を表す。

また、上述の好適な位相角度αの条件では、液晶セル３１の液晶２及び位相差板５（即ち、光学補償板）は、駆動電圧がオフ状態となるときのそれぞれのリタデーションＲ^＊により与えられる位相差を等しくし、且つ、π／２［ｒａｄ］よりも小さい。

位相差板５をいわゆる正のＡプレート板として機能させる場合は、位相差板５の異常光線軸を位相角度αだけ傾けると、次に示す（１０）式が近似的に成り立つ。

上述の（１０）式における位相差の半値（Γ_２／２）は、いわゆる繰り込み位相差となっている。上述の好適な条件をふまえ、位相角度αの値と位相角度αの発生時間の制御を行うことで、位相板５の異常光線軸の角度を電圧制御によって動的かつ幾何学的に調節することができる。

つまり、上述のように、位相差板５（即ち、光学補償セル）としてＥＣＢモードの液晶セルを用い、液晶セル３１への印加電圧および動作状態に応じ、位相差板５として機能する液晶セル３２に印加する電圧とタイミングを変えることによって、幾何学的な位相角度αの値と位相角度αの発生時間とを制御する。このような位相角度αの値と位相角度αの発生時間の制御を行うことで、位相板５の異常光線軸の角度を電圧制御によって動的かつ幾何学的に調節することができる。

上述のように、液晶セル３２の異常光線軸をスイッチ角θ_２だけ傾けることによって、液晶セル３２の異常光線軸がｘ−ｙ平面に対して平行である対称性を失う。これにより、暗状態において、第１に、光電界面はｘ−ｙ面と平行であり、これらの面と２つの光学媒質（即ち、液晶２，９）の楕円面とが一致する。また、液晶セル３２の異常光線軸が上述の対称性を失うことにより、第２に、２つの光学媒質の遅相軸が互いに直交し、第３に、ｙ軸を基準とする２つの光学媒質の位相差が互いに一致する。これによって暗状態が実現する。ＥＣＢ 液晶セルの電圧を印加すると、暗状態が失われて明るい状態になる。この時２つの光学媒質のそれぞれに発生する電界に干渉が生じ、光出力が得られ、なおかつスイッチングオフ（立ち下がり）時の高速度応答が実現されると考えられる。

また、液晶セル３１及び液晶セル３２は、前述のように駆動電圧がオフ状態となるときのそれぞれのリタデーションＲ^＊により与えられる位相差を等しくし、且つ、π／２［ｒａｄ］よりも小さいという条件を満たし、同じ設計の二つの液晶セルを直交させて積層されている。このような設定では、液晶２，９に同じ種類の液晶が用いられ、セル厚も同じならば、温度環境などが変化してもそれぞれのリタデーションの温度変化は同じなる。その結果、暗状態を実現するために光学補償用の液晶セル３２に電圧を加え、液晶の配向は印加電圧ゼロに保つ。温度変化に対して液晶セル３２に印加する電圧は、温度補償センサーを用いて光学補償板に印加する電圧値を決める。電気光学デバイスとして動作させるときは、液晶セル３２に電圧を印加して動作させる、この場合も温度変化に対しては温度補償素子を用いて対応する。

（第１の態様に関する試験例）
上述の内容をふまえて液晶光学素子１と同様の光学配置を想定し、応答速度に関するシミュレーションを行った。シミュレーションに関する詳細な条件については、特許第５８６６０６８号明細書の図１２等を参照することができる。
ＥＣＢモードで駆動される液晶２の異常光線軸と位相差板５の液晶９の異常光線軸とが直交するように液晶セル３１，３２を積層させた光学配置では、液晶層の厚みを３．２９［μｍ］とすると、図５に示すように、位相差がπ／２よりも小さく、α≒０．３[ｒａｄ]であると立ち下がり時間が短くなることがわかる。すなわち、幾何学的な位相角度αの値を前述の好適な条件に電圧制御によって動的に制御することで、第１の態様の液晶電気光学素子１の応答速度が高くなることが読み取れる。

液晶層の厚みを４．７８［μｍ］に変更した場合であっても、図６に示すように、実際の応用速度は異なるが、前述と同様の傾向が得られ、幾何学的な位相角度αの値を前述の好適な条件に電圧制御によって動的に制御することで、第１の態様の液晶電気光学素子１の応答速度が高くなることが読み取れる。

（第２の態様）
次いで、本発明を適用した液晶電気光学素子１の第二の態様について説明する。
第二の態様の液晶電気光学素子１は、第一の態様の液晶電気光学素子１と同様の構成を備えている。但し、液晶９は、一対の基板２０Ａ，２０Ｂと平行な面内で回転する。このような液晶９としては、例えば、ＩＰＳモード又はＦＦＳモード、Ｈａｌｆ Ｖ−ＦＬＣＤモードで駆動する液晶等が挙げられる。

図７は、第２の態様の液晶電気光学素子１における主要な光学配置を示したものである。ここで、液晶セル３１のスイッチ角（図２においてｘｙ平面内で回転する角度）φ_１をπ／４［ｒａｄ］から０［ｒａｄ］までの間で変化させる。液晶セル３１への印加電圧が０（零）であるときには、φ_１＝π／４［ｒａｄ］とし、位相差板５の遅相軸の配置角度φ_２を前述の（２）式のように定義する。なお、図７において、e_１，ｏ_１はそれぞれ液晶２の異常光線軸、常光線軸を表す。また、同図において、ｅ_２，ｏ_２はそれぞれ液晶９の異常光線軸、常光線軸を表す。

上述の条件を達成するために、位相差板５（即ち、光学補償セル）としてＩＰＳモードの液晶セルを用い、液晶セル３１への印加電圧および動作状態に応じ、位相差板５として機能する液晶セル３２に印加する電圧とタイミングを変えることによって、幾何学的な位相角度αの値と位相角度αの発生時間とを制御する。このような位相角度αの値と位相角度αの発生時間の制御を行うことで、位相板５の異常光線軸の角度を電圧制御によって動的かつ幾何学的に調節することができる。

第２の態様においても、液晶セル３１及び液晶セル３２は、前述のように駆動電圧がオフ状態となるときのそれぞれのリタデーションＲ^＊により与えられる位相差を等しくし、且つ、π／２［ｒａｄ］よりも小さいという条件を満たし、同じ設計の二つの液晶セルを直交させて積層されている。このような設定では、液晶２，９に同じ種類の液晶が用いられ、セル厚も同じならば、温度環境などが変化してもそれぞれのリタデーションの温度変化は同じなる。その結果、光学補償用の液晶セル３２に電圧を加え、液晶の配向を変形させる必要がない。

液晶９として、例えば、第二の様態においてＩＰＳモード又はＦＦＳモード、Ｈａｌｆ Ｖ−ＦＬＣＤモードで駆動する液晶が用いられた場合、位相差板５を含まない光学配置における透過光量Ｉ_１と位相差板５を含む光学配置におけるＩ_２について、それぞれ次に示す（１１）式から（１４）式が成り立つ。

上述の（１３）式が示すＮＢの状態は、（１１）式が示すＮＷの状態に比べて位相角度αだけ位相が進んでいる。このような位相の進みは、位相角度αが幾何学的に法線方向を軸として右回り（即ち、時計と反対回り）に回転させると、生じるものであり、スイッチングオフ（立ち下がり）時の液晶電気光学素子１の高速度応答につながる。そこで、位相角度αは、α＝０．０５〜０．２０［ｒａｄ］とし、好ましくはα＝０．１〜０．１２［ｒａｄ］とし、より好ましくはα＝０．１２［ｒａｄ］とする。

図８は、液晶電気光学素子１の第２の態様におけるＶ−Ｔ曲線を示している。このとき、液晶電気光学素子１の暗状態を得るために、液晶セル３１には４［Ｖ］のバイアス電圧が印加されているものと想定した。

図９は、液晶電気光学素子１の第２の態様における透過率の配置角度φ_１による変化を調べるために、（１１）式および（１３）式を用いて透過率を計算した結果を示すグラフである。配置角度φ_１が０（零）であるときには、図９に示すように、透過光量Ｉ_１も略０（零）となる。一方、透過光量Ｉ_２は、透過光量Ｉ_１の立ち下がりと同様に立ち下がるとともに、グラフ上で左側にシフトしている。このようなシフトは、液晶電気光学素子１の背面側の透過光が前面側の透過光より位相角度α＝６．８［ｄｅｇ］だけ進んでいることを示している。なお、第１の態様と第２の態様の双方において、法線方向を軸として位相角度αをマイナス方向、左回り（即ち、時計回り）に回転させると、スイッチングオフ（立ち下がり）時の液晶電気光学素子１の応答は遅くなる。

第２の態様では、液晶セル３２の配置角度φ_２をφ_２＝１３５°から位相角度αだけ小さくすることで、従来のように異常光線軸の向きが固定されているような正のＡプレートの異常光線軸の向きにあたる向きが時計回りに回転する。その結果、液晶セル３２における異常光線軸の向きとｙ軸との対象性がなくなり、スイッチングオフ（立ち下がり）時の液晶電気光学素子１の高速度応答が得られると考えられる。

また、上述のように、液晶セル３２の異常光線軸を傾ける（方位角を時計的に傾ける）ことによって、液晶セル３２の異常光線軸がｙ軸に対して１８０°を回転していた対称性を失う。これにより、第１の態様と同じように、暗状態において、第１に、光電界面はｘ−ｙ面と平行であり、これらの面と２つの光学媒質（即ち、液晶２，９）の楕円面とが一致する。また、液晶セル３２の異常光線軸が上述の対称性を失うことにより、第２に、２つの光学媒質の遅相軸が互いに直交し、第３に、ｙ軸を基準とする２つの光学媒質の位相差が互いに一致する。これらの３つの現象が生じることで、２つの光学媒質のそれぞれに発生する電界に干渉が生じ、光出力が得られ、なおかつスイッチングオフ（立ち下がり）時の高速度応答が実現されると考えられる。第一及び第二の様態の場合、用いられた位相差版５（光学補償板）は幾何学的非対称光学遅れ板と呼ぶことができる。

上述した複数の式により、透過光量Ｉ_１，Ｉ_２のそれぞれにおける配置角度φ_１の微分は、次に示す（１５）式および（１６）式のように表される。

上述の（１５）式及び（１６）式によって、次に示す（１７）式、（１８）式が得られる。（１７）式、（１８）式の関係は、ＯＣ−ＴＢモードのみならず、ＯＣ−ＩＰＳモードやＦＦＳモードの液晶セル３２についても成り立つ。

図１０には、液晶電気光学素子１のスイッチングオフの過程における（１７）式のＦ値の液晶セル３１の配置角度φ_１依存性の計算結果である。図１０に示されているように、配置角度φ_１が無限大から減少し、４５°から緩和減少すると、Ｆ値は減少し、Γ_１＝９０°において液晶２の液晶分子の緩和は終了している。

なお、本発明における幾何学的な位相は、いわゆるＰＡＮＣＨＡＲＡＴＮＡＭ位相（１９５６）における暗状態と同様の発生機構によることが計算および図１１の作図からもわかる。

（第２の態様に関する試験例）
第２の態様で説明した光学配置（図７参照）を想定したときの液晶電気光学素子１の応答時間について試験的に実測を行った結果を表１および表２に示す。表１は、液晶９として、ＩＰＳモードで駆動される液晶が使用されることを想定した結果である。また、表２は、液晶９として、ＦＦＳモードで駆動される液晶が使用されることを想定した結果である。なお、表１および表２において、（１）の「Single n-IPS/n-FFS」は、図７に示す構成のうち位相差板５を含まない光学配置における結果を示す。一方、（２），（３）の「n-OC-IPS/FFS」は、図７に示す構成のうち位相差板５を含む光学配置における結果を示す。

表１および表２からわかるように、位相差板５を含まない光学配置に比べて、位相差板５を含む光学配置において応答速度が高くなり、α＝０［ｄｅｇ］の場合に比べてα＝０−６．８［ｄｅｇ］とした場合には、液晶電気光学素子１の応答速度が著しく高く（立ち下がり時間τ_ｄが著しく短く）なる。したがって、幾何学的な位相角度αの値を前述の好適な条件に電圧制御によって動的に制御することで、第２の態様の液晶電気光学素子１の応答速度が高くなることが読み取れる。

以上、本発明の好ましい形態について詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以下、本発明の実施例を示し、本発明を更に詳細に説明する。しかしながら、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１に示す液晶電気光学素子１の構成に基づき、水平配向され、縦電界駆動される液晶セル（Ｈａｌｆ−Ｖ ＦＬＣＤセル）３１の印加電圧に対する透過率の特性曲線を、電気光学測定装置（型番：ＤＭＳ ７０３、Ａｕｔｒｏｎｉｃ Ｍｅｌｃｈｅｒｓ、ＧｍｂＨ社製）で測定した。測定温度は２５℃と６０℃とした。
この際、透過率特性曲線の測定における座標系を右手座標系で定義した。Ｘ軸方向を偏光子の透過軸方向とし、Ｙ軸方向を検光子（即ち、第２の偏光板４）の透過軸方向とした。また、ＸＹ平面を液晶セル３１および位相差板５（即ち、液晶セル３２）の面内方向、Ｚ軸方向を液晶セル３１および位相差板５の厚み方向とした。液晶セル３１および位相差板５は、偏光子（即ち、第１の偏光板３）と検光子との間に配置した。

液晶セル３１および位相差板５を机などに置いて上（即ち、法線方向）から眺めた場合、右手側をＸ軸正方向、上側をＹ軸正方向、机の下から上に向かう方向を正とした。光は、常にＺ軸の小さい方から入射し、Ｚ軸の大きい方に通り抜けていくものとした。
液晶セル３１の配置角度φ_１は、液晶２への電圧無印加状態における液晶層の遅相軸とＸ軸とのなす角度で表し、反時計回り方向を正と定義した。同様に、位相差板５の配置角度φ_２は、位相差板５の遅相軸とＸ軸とのなす角度で表した。

（液晶セル３１；（表示用）Ｈａｌｆ−Ｖ ＦＬＣモード液晶セル）
縦２５ｍｍ×横２０ｍｍ×厚み１．１ｍｍのＩＴＯ透明電極付きのガラス基板に、ポリイミド配向膜（型番：ＲＮ−１１９９、日産化学工業（株）製）を３０ｎｍの厚さで形成した後、ラビング処理又は光配向処理を施して方位角アンカリングエネルギーの異なる複数のポリイミド配向膜付きガラス基板を得た。これらの基板を１枚ずつ、配向膜が形成された面同士が対向するようにし、１．８μｍの間隔をあけて、ラビング方向がアンチパラレル配向になるように配置させた。対向配置させた一対の基板間のギャップに強誘電液晶Ｒ２３０１（屈折率Δｎ：０．２０（波長５５０ｎｍで測定）、単位面積あたりの自発分極の大きさＰｓ：３．２ｎＣ／ｃｍ^２、カイラルスメクティックＣ−カイラルネマティック相転移温度：６６℃、カイラルネマティック−等方性液体相転移温度：８７℃から９０℃、クラリアント社製）を１００℃に保ちながら等方性液体相のまま注入した。このセルにカイラルネマティック相からカイラルスメクティックＣ相にかけて５Ｖの直流電圧を印加し、均一配向を確認後、直流電圧の印加を止めて室温まで温度を下げることにより、Ｈａｌｆ−Ｖ ＦＬＣモードで駆動可能な液晶セル３１を作製した。

（光学補償用の液晶セル３２;ＥＣＢモード液晶セル）
縦２５ｍｍ×横２０ｍｍ×厚み１．１ｍｍのＩＴＯ透明電極付きのガラス基板に、ポリイミド配向膜（型番：ＳＥ−５１０、日産化学工業（株）製）を６０ｎｍの厚さで形成した後、ラビング処理を施し、複数のポリイミド配向膜付きガラス基板を得た。これらの基板１枚ずつを、それぞれ配向膜が形成された対向するようにし、５μｍの間隔をあけて、ラビング方向がアンチパラレル配向になるように配置した。一対の基板間のギャップにネマチック液晶（誘電率異方性：Δε＝６．２（２５℃）、屈折率異方性：Δｎ＝０．０８６（波長５５０ｎｍ、２５℃））を注入し、ＥＣＢモードで駆動可能な液晶セルを作製した。液晶９への電圧無印加状態では、液晶層の遅相軸はラビング方向と一致する。

（従来の光学補償板；正のＡプレート板）
＜光配向膜の作製＞
次に示す化学式（Ａ）で表される化合物０．５重量部を２−（２−エトキシエトキシ）エタノール４９．５重量部に溶解させた後、２−ブトキシエタノール４９重量部を加えて、光配向膜用組成物〔Ａ〕の溶液を得た。この溶液を０．４５μｍのメンブランフィルターでろ過し、光配向膜用組成物〔１〕を得た。

光配向膜用組成物〔１〕をスピンコーターで基材である８０μｍのトリアセチルセルロース誘導体からなるフィルム上に塗布し、８０℃で２分間乾燥させた。このときの乾燥膜厚は１５ｎｍであった。次に超高圧水銀ランプに波長カットフィルター、バンドパスフィルター、及び、偏光フィルターを介して、波長３６５ｎｍ付近の可視紫外光（照射強度：２０ｍＷ／ｃｍ^２）の直線偏光の平行光を、基材に対して垂直方向から照射し、光配向膜を得た。照射量は１００ｍＪ／ｃｍ^２であった。

＜位相差膜の作製＞
位相差膜を作製するためのサンプル溶液（重合性液晶組成物）の内訳は、
＊重合性液晶モノマー（ＤＩＣ社製、ＵＣＬ００８）：２９．７質量部
＊シクロヘキサノン：６９．３質量部
＊光重合開始剤（ＢＡＳＦ社製、ＩＲＧＡＣＵＲＥ９０７）：０．９質量部
＊流動パラフィン：０．０６質量部、ｐ−メトキシフェノール：０．０３質量部
とした。
作製した光配向膜上に、サンプル溶液（重合性液晶組成物）を塗布し、８０℃で２分間乾燥させ、室温で１分間冷却した後、ＵＶ照射して、波長５５０ｎｍで測定したときの正面位相差が３６０ｎｍである位相差膜（正のＡプレート板）を作製した。

（実施例１）
２５℃の測定環境において、上述のＨａｌｆ−Ｖ ＦＬＣモードの液晶セル３１の配向軸はφ_１＝４５°とし、上述のＥＣＢ液晶セル３２の遅相軸はφ_２＝１２８．２°（即ち、α＝−６．８［ｄｅｇ］≒−０．１２［ｒａｄ］）となるように配置した。Ｈａｌｆ−Ｖ ＦＬＣモードの液晶セル３２への印加電圧を上昇させることで、液晶セル３２における配向軸はφ_１＝４５°から０°に向かって配向方向が変化した。一方、ＥＣＢモードの液晶セル３２に２．２Ｖの電圧印加することで、液晶セル３２における正面位相差は波長５５０ｎｍにおいて３６０ｎｍとした。印加電圧に対する波長５５０ｎｍでの透過率の特性曲線を描いたところ、高速度応答を示すとともにコントラスト比は９７０であった。

続いて、６０℃の測定環境において、上述のＨａｌｆ−Ｖ ＦＬＣモードの液晶セル３１の配向軸はφ_１＝４５°とし、上述のＥＣＢモードの液晶セル３２の遅相軸はφ_２＝１２８．２°（即ち、α＝−６．８［ｄｅｇ］≒−０．１２［ｒａｄ］）となるように配置した。Ｈａｌｆ−Ｖ ＦＬＣモードの液晶セル３１には、印加電圧を上昇させることで配向軸はφ_１＝４５°から０°に向かって配向方向が変化した。一方、ＥＣＢ液晶セルには、２．８Ｖの電圧印加することで、正面位相差は３２４ｎｍ（５５０ｎｍ）とした。印加電圧に対する波長５５０ｎｍでの透過率の特性曲線を描いたところ、高速度応答を示すとともにコントラスト比は８３６であった。

（比較例１）
２５℃の測定環境において、上述のＨａｌｆ−Ｖ ＦＬＣモードの液晶セル３１の配向軸はφ_１＝４５°とし、上述の正のＡプレート板の遅相軸はφ_２＝１２８．２°（即ち、α＝−６．８［ｄｅｇ］≒−０．１２［ｒａｄ］）となるように配置した。Ｈａｌｆ−Ｖ ＦＬＣモードの液晶セル３１には、印加電圧を上昇させることで配向軸はφ_１＝４５°から０°に向かって配向方向が変化した。一方、正のＡプレート板の正面位相差は波長５５０ｎｍにおいて３６０ｎｍであった。印加電圧に対する波長５５０ｎｍでの透過率の特性曲線を描いたところ、高速度応答を示すとともにコントラストは９７０であった。

続いて、測定環境は６０℃において、Ｈａｌｆ−Ｖ ＦＬＣモードの液晶セル３１の配向軸はφ_１＝４５°、上述の正のＡプレート板の遅層軸はφ_２＝１２８．２°（即ち、α＝−６．８［ｄｅｇ］≒−０．１２［ｒａｄ］）の条件で配置した。Ｈａｌｆ−Ｖ ＦＬＣモードの液晶セル３１には、印加電圧を上昇させることで配向軸はφ_１＝４５°から０°に向かって配向方向が変化していく。一方、正のＡプレート板の正面位相差は波長５５０ｎｍにおいて３６０ｎｍであった。印加電圧に対する波長５５０ｎｍでの透過率の特性曲線を描いたところ、高速度応答を示すものの、暗状態の透過率が高くなってしまいコントラストは３１に低下した。

上述の実施例１および比較例１で説明したように、本発明を適用した液晶電気光学素子１によれば、入射側偏光板（第１の偏光板３）の透過軸が測定環境の温度変化などの影響によって本来の方向からずれた場合であっても、入射側偏光板の透過軸のずれに応じて光学補償セルである液晶セル３２の異常光線軸の角度を電圧制御によって調整することができる。その結果、入射側偏光板の透過軸と光学補償板の異常光線軸とのなす角度を、良好なコントラストで液晶電気光学素子１から所望の強度（あるいは透過率）で光を出力可能とする最適な角度とすることができる。
一方、従来のように異常光線軸の角度が固定されている正のＡプレート板を備えた液晶光学素子では、２５℃の測定環境において入射側偏光板の透過軸と光学補償板の異常光線軸とのなす角度を良好なコントラストで光を出力可能とする最適な角度とすることができても、６０°の測定環境においては、入射側偏光板の透過軸と光学補償板の異常光線軸とのなす角度が好適な条件から外れてしまい、暗状態でのコントラストの低下が発生した。
以上から、本発明を適用した液晶電気光学素子１の有用性を確認した。

１・・・液晶電気光学素子
２・・・液晶（第１の液晶層）
３・・・偏光板（第１の偏光板）
４・・・検光板（第２の偏光板）
１０Ａ・・・基板（第１の基板）
１０Ｂ・・・基板（第２の基板）
２０Ａ・・・基板（第３の基板）
２０Ｂ・・・基板（第４の基板）
３１，３２・・・液晶セル

Claims (6)

1. 液晶セルと、第１の偏光板及び第２の偏光板と、光学補償セルと、を有する液晶電気光学素子であって、
   前記液晶セルは、
   互いに対向して配置された第１の基板及び第２の基板と、
   前記第１の基板及び前記第２の基板の間に挟持された第１の液晶層と、
   前記第１の基板及び前記第２の基板の間で前記第１の液晶層の配向状態を制御する第１の配向層と、
   前記第１の液晶層の配向状態を駆動電圧の印加により発生する電界によって変化させる第１の電極と、を備え、
   前記第１の偏光板は、前記液晶セルの背面側に配置され、
   前記第２の偏光板は、前記液晶セルの前面側に配置され、
   前記光学補償セルは、前記第１の偏光板及び前記第２の偏光板と前記液晶セルとの間のうち少なくとも一方の間に配置され、
   前記光学補償セルは、電圧制御によって異常光線軸の向きを調整可能に構成されている液晶電気光学素子。
2. 前記光学補償セルは、
   互いに対向して配置された第３の基板及び第４の基板と、
   前記第３の基板及び前記第４の基板の間に挟持された第２の液晶層と、
   前記第３の基板及び前記第４の基板の間で前記第２の液晶層の配向状態を制御する第２の配向層と、
   前記第２の液晶層の配向状態を駆動電圧の印加により発生する電界によって変化させる第２の電極と、を備えている請求項１に記載の液晶電気光学素子。
3. 前記第２の液晶層は、前記第３の基板及び前記第４の基板の間に挟持され、前記第３の基板及び前記第４の基板と平行な面とこの面に直交する向きとの間で回転する液晶を含む請求項２に記載の液晶電気光学素子。
4. 前記第１の偏光板の透過軸に対する前記光学補償セルの前記第２の液晶層に含まれる液晶の位相差の半値（Γ_２／２）［ｒａｄ］は、次に示す（１）式で表され、α＝０．０５〜０．３［ｒａｄ］である請求項３に記載の液晶電気光学素子。
   

   
5. 前記第２の液晶層は、前記第３の基板及び前記第４の基板の間に挟持され、前記第３の基板及び前記第４の基板と平行な面内で回転する液晶を含む請求項２に記載の液晶電気光学素子。
6. 前記液晶セルの配置角度φ_１がπ／４［ｒａｄ］であり、
   前記光学補償セルの遅相軸の配置角度φ_２は、次に示す（２）式で表され、α＝０．０５〜０．２０［ｒａｄ］である請求項５に記載の液晶電気光学素子。
   

   

   なお、前記第１の偏光板の透過軸の向く方向は０［ｒａｄ］であり、前記第二の偏光板の透過軸の向く方向はπ／２［ｒａｄ］である。
   

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