JP3562497B2 - Liquid crystal electro-optical element and liquid crystal display device - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrooptical element which uses a chiral nematic liquid crystal with bistable states via Feedericksz transition and realizes display characteristics of high contrast ratio and high transmittance. SOLUTION: The electrooptical element makes displays using white light as a light source, by setting the axes of polarization of both polarizing plates to have a specified angle between each other in accordance with an initial state of the liquid crystal and retardation of the liquid crystal layer and by switching between the bistable states.

Description

また、第２に、一対の基板間に液晶が挟持され、前記一対の基板を一対の偏光板で挟んでなる液晶電気光学素子において、前記一対の基板の内面にはラビング処理が施された配向膜が設けられ、前記液晶は、ねじれ角が略φｒである初期状態、及びねじれ角が略（φｒ＋１８０°）と略（φｒ−１８０°）である２つの準安定状態を有し、前記２つの準安定状態が表示のオン及びオフに対応するように、液晶のらせんピッチｐ_０、液晶層の厚さｄと液晶の複屈折率△ｎの積Ｒ、及び前記各偏光板の偏光軸と一方のラビング方向との各角度（Ｐ、Ａ）を設定しており、前記角度Ｐ、Ａ及びＲは以下の関係を満たすことを特徴とする。
（１）0.1≦Ｒ≦0.22の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し、α＝−82×Ｒ＋α1
（２）0.22＜Ｒ≦0.42の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し、α＝−82×Ｒ＋α1、又は
Ａ＝−Ｐ＋β1
（３）0.42＜Ｒ≦0.44の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し、α＝−137.5×Ｒ＋α2 、又は
Ａ＝−Ｐ＋β1
（４）0.44＜Ｒ＜0.473の場合、
Ａ＝Ｐ＋γ 但し、−137.5×Ｒ−75≦γ≦−60
（５）0.473 ≦Ｒ≦0.7の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し、α＝−137.5×Ｒ＋α2、又は
Ａ＝Ｐ＋α3
（６）0.7＜Ｒ≦1.06の場合、
Ａ＝−Ｐ＋β1
但し、上記（１）乃至（６）において、
−99°≦α1≦−58°，−75°≦α2≦−35°
−100°≦α3≦−60°， 70°≦β1≦ 110°
第３に、一対の基板間に液晶が挟持され、前記一対の基板を一対の偏光板で挟んでなる液晶電気光学素子において、前記一対の基板の内面にはラビング処理が施された配向膜が設けられ、前記液晶は、ねじれ角が略φｒである初期状態、及びねじれ角が略（φｒ＋１８０°）と略（φｒ−１８０°）である２つの準安定状態を有し、前記２つの準安定状態が表示のオン及びオフに対応するように、液晶のらせんピッチｐ_０、液晶層の厚さｄと液晶の複屈折率△ｎの積Ｒ、及び前記各偏光板の偏光軸と一方のラビング方向との各角度（Ｐ、Ａ）を設定しており、前記角度Ｐ、Ａ及びＲは以下の関係を満たすことを特徴とする。
（１）0.1≦Ｒ≦0.22の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し、α＝−82×Ｒ＋α1
（２）0.22＜Ｒ≦0.42の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し、α＝−82×Ｒ＋α1 、又は
Ａ＝−Ｐ＋β1
（３）0.42＜Ｒ≦0.44の場合、
Ａ＝ Ｐ＋α 但し、α＝−137.5 ×Ｒ＋α2 、又は
Ａ＝−Ｐ＋β1
（４）0.44＜Ｒ≦0.7の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し、α＝−137.5×Ｒ＋α2、又は
Ａ＝Ｐ＋α3
（５）0.7 ＜Ｒ≦1.06の場合、
Ａ＝−Ｐ＋β1
但し、上記（１）乃至（５）において、
−94°≦α1≦−63°，−70°≦α2≦−40°
−95°≦α3≦−65°， 75°≦β1≦ 105°
【００１８】
本発明のカイラルネマティック液晶は、緩和状態として初期状態とは異なる２つの準安定状態を持つものであり、例えば初期状態がねじれ角１８０゜のねじれ構造を有するとすれば、それにフレデリクス転移を生じさせるに十分な絶対値の電圧パルスを印加した場合、準安定状態として、一方はねじれ角０゜（ユニフォーム状態）、他方はねじれ角３６０゜の構造を有する。フレデリクス転移後にいずれの準安定状態に移行するかは、その後に印加するパルス電圧の波形及び絶対値に依存し、準安定状態はいずれも自発的に初期状態へ緩和する性質を有する。
【００１９】
初期状態におけるねじれ角φｒは１８０゜に限らず、任意の角度に設定可能である。例えば、初期状態においてねじれ角φｒを９０゜とすれば、フレデリクス転移後の２つの準安定状態は、φｒ±１８０゜のねじれ角、すなわち、−９０゜、２７０゜のねじれ構造を有し、それらの準安定状態間においてスイッチングが可能であることが実験上確認されている。準安定状態のねじれ角φｒ±１８０゜は厳密な数字を示すものではなく、略φｒ±１８０゜を含むものである。らせんピッチｐ_０ は、液晶層の厚さが無限大のときに形成される液晶の固有のらせんピッチが調整される。
【００２０】
本発明の液晶電気光学素子を液晶表示装置に応用した場合の構造の断面図を図１に示す。同図において、符号２１はカイラルネマティック液晶の液晶層、２は上下の配向膜、３は上下の絶縁膜ＳｉＯ₂ 、４は上下の透明電極、５は上下のガラス基板、６はスペーサーとしてのシール部材、７は上下の偏光板、１９は下側配向膜上に施されたラビング方向、２０は上側配向膜上に施されたラビング方向を示す。同図においては、ラビング方向１９、２０は互いに反平行（φｒ＝１８０゜）に施されており、シール部材６を介して重ね合わせた２枚の基板５の間にカイラルネマティック液晶２１が封入されている。
【００２１】
液晶層２１は、図２に示すように、液晶分子１がプレティルト角θ１ 、θ２ で上下の配向膜２に接している。前記初期状態において、基板上に設けられた液晶配向膜と接している液晶分子のダイレクタ−ベクトルと基板面とのなす角は、一方はθ１ 、他方はθ２ であり、互いに逆符号の関係にある。すなわち、カイラルネマティック液晶の初期状態のねじれ角が１８０゜とすれば、上記の２つのダイレクターベクトルは互いに略反平行となる。
【００２２】
前記下側基板５側に施したラビング処理の方向をｘ軸、前記基板の法線方向をｚ軸として、ｘ軸方向を基準とした角度の測り方は、ｚ軸方向に観察した前記カイラルネマティック液晶のねじれの向きが時計回りならば時計回りに、反時計回りならば反時計回りに測定する。Ｐ、Ａは、前記下側基板７側に設けた下側偏光板７と上側基板５側の偏光板７の偏光軸のそれぞれの角度である。図３は、ｚ軸方向へ観察した場合、液晶のらせん構造が時計回りであるとき、一方のラビング方向ｘと矢印で示す偏光軸との角をＰと定義した状態を示す。上側偏光板の偏光軸とラビング方向とのなす角度Ａについても同様の測定を行う。この場合Ｐ（Ａ）とＰ（Ａ）±ｎπ（ｎは整数）は互いに等価である。
【００２３】
本発明の液晶表示装置は、印加電圧波形に依存して生じる２つの準安定状態間を選択的にスイッチングするものである。本発明者は、選択された準安定状態が自発的に初期状態に緩和するまでの時間（メモリー保持時間）がｄ／ｐ_０ に依存することを実験により確認し、その結果を統計的に取り扱う事によって、初期状態の液晶のねじれ角φｒが１８０゜であれば、
０．８φｒ／３６０゜≦ｄ／ｐ_０≦１．４φｒ／３６０゜
なる条件下で表示装置として実用的なメモリー保持時間が得られることを発見した。ここで言う「表示装置として実用的なメモリー保持時間」とは、１ライン当たりの選択に要する時間×走査線数に等しいか、より長い時間を意味し、特公平１−５１８１８号に記述されている様な永続的に存在するという意味での双安定性とは性質を異にするものである。また、同公報に開示された技術においては、プレティルト角について２５゜乃至４５゜を推奨しているが、本発明では、１゜乃至２５゜すなわち有機配向膜にラビング処理を施すという簡便法によって可能な角度範囲内において上記条件式を適用すれば所望の効果を実現できる。φｒが１８０゜以外のねじれ角を有する場合についても、同様に適切なｄ／ｐ_０ を設定して、螺旋ピッチを調整することが可能である。
【００２４】
双安定性あるいは複数の安定状態を有する動作モードでは、表示に使用する配向状態がエネルギー的に充分でない場合が多く、基板の表面状態や形状の局所的な変位を原因として複数の配向状態が混在し、表示品位を損なうという問題点を有している。この問題点は、上下の基板における走査電極と信号電極の交差部が構成する画素の任意の一辺とラビング方向のなす角をφ_０ とすると、上下各々の基板において、
１０゜≦φ_０ ≦８０゜
なる条件を満たす場合に、広視野角を維持しながら単純マトリックス方式で走査線数の多い高精細表示ができ、かつ表示画素内に不良ドメインが発生する現象を防止し、均一な表示特性が得られる。
【００２５】
観察者から見た前記液晶表示装置の上下方向と少なくとも一方の基板に施されたラビング方向とのなす角φ_ａ が、
−４５゜≦φ_ａ ≦４５゜
である場合は、有効視野角を拡大することができる。
【００２６】
上記のような双安定性あるいは複数の安定状態を有する動作モードでは、特に電界の印加によってスイッチングを行うものにおいて、電極が片側基板にのみ形成された非画素部（画素間）の配向制御が不可能である場合が多く、暗状態を選択したエリアに光漏れを生じてコントラスト比を低下させるという問題点がある。これに対しては、非画素部における光透過率を画素部よりも低くするとよく、非画素部に遮光性物質の層を形成することが考えられる。もしくは、非画素部における液晶層の厚さｄ_０ を、
ｄ_０ ／ｐ_０ ≧０．７５
とし、非画素部における液晶のねじれ角を調整して非画素部における光透過率が初期状態の画素部における光透過率よりも低くすればよい。
【００２７】
【作用】
本発明は、双安定状態を有するカイラルネマチック液晶をその双安定状態間をスイッチングすることによって、マルチプレックス駆動をすることができる。初期状態のねじれ角φｒと、Ｒ＝ｄ△ｎをパラメータとした場合、本発明の目的は、そのパラメータの値に応じて、偏光板の偏光軸とラビング方向とのなす角度Ｐ、Ａを適宜設定することにより達成されることを実証した。角度Ｐ、Ａの最適値は相互に依存性を有し、その関係は、φｒ、Ｒによって大きく影響されることが確認された。
【００２８】
モーガンの条件は、カイラルネマティック液晶のらせん軸方向に直線偏光が入射するとき、伝搬光の偏光軸が液晶分子のねじれに追従して回転するための条件である。配向処理された２枚の基板間に封入された液晶のらせんピッチをｐ′異常光と常光に対する液晶の屈折率をそれぞれｎ_e 、ｎ₀ （△ｎ＝ｎ_e −ｎ₀ ）、光の波長をλとすれば次式で表される。
ｐ′・△ｎ≫λ
本発明の双安定状態を持つ液晶においては、ｐ′は２πｄ／（φｒ＋１８０゜）又は２πｄ／（φｒ−１８０゜）の絶対値をもつ。πは角度１８０゜である。上記のモーガンの条件を満足するように各パラメータを設定した液晶セルにおいては、一方の基板に接している液晶分子の配向方向ｎ1 と平行（又は垂直）に偏光軸を持つ直線偏光を入射させると、その偏光軸は液晶分子配向のねじれに追従して回転し、他方の基板に接している液晶分子の配向方向ｎ2 と平行（又は垂直）に偏光した直線偏光となって出射する。そして、ｎ1 に対して平行（又は垂直）以外の方向に偏光軸を持つ直線偏光を入射させた場合には、楕円偏光となって出射する。広く用いられているＴＮ型液晶表示装置は、垂直配向状態とモーガンの条件を満足するねじれ状態との間でスイッチングを行っている。そのねじれ角は９０゜であり、ｐ′・△ｎの最適値はおよそ１．８８μｍ（ｐ′≒２０μｍ、△ｎ≒０．０９４）である。そこでは２枚の偏光板をその偏光軸がそれぞれｎ1 とｎ2 に対して平行（又は垂直）になるように設置することによって非常に高いコントラスト比とＯＮ透過率を得ることができる。
【００２９】
本発明で用いられる双安定性液晶表示装置の表示特性とモーガンの条件との関係については上記のことがあてはまらない。本願発明において、初期配向状態でのねじれ角をφｒとすれば、ねじれ角がφｒ＋πとφｒ−πという２つのねじれ状態間でスイッチングが行われる。ねじれ角の絶対値が大きい方のねじれ状態をＳ^＋ 、他方をＳ⁻ と呼ぶことにする。ここで、Ｓ^＋ とＳ⁻ が共にモーガンの条件を満足するように各パラメータを設定し、２枚の偏光板をその偏光軸がそれぞれｎ１ とｎ２ に対して平行（又は垂直）になるように設置したならば、Ｓ^＋ とＳ⁻ を光学的に区別することはほとんどできない。なぜなら、Ｓ^＋ のｎ１ 、ｎ２ はそれぞれＳ⁻ のｎ１ 、ｎ２ と一致しているため、Ｓ^＋ の出射光もＳ⁻ の出射光も同じ方向に偏光した直線偏光となってしまうためである。また、２枚の偏光板をその偏光軸がそれぞれｎ１ 、ｎ２ に対して平行（又は垂直）以外になるように設置した場合は、光学的に区別することはできるが表示素子としての実用に耐えるほどの表示特性は得られない。以上のことはφｒの値とは関係がない。
【００３０】
一方、例えばＳ^＋ がモーガンの条件を満足しない場合は次のようになると考えられる。但し、最も優れた表示特性が得られると期待されるφｒが略１８０゜の場合について説明する。以下、ＬはＳ^＋ でのらせんピッチである。
（１）Ｌ・（ｎ_ｅ −ｎ_０ ）がλよりも十分小さい場合、 Ｓ^＋ は等方的ではあるが１μｍあたり数度の旋光能を持つ光学活性媒質として振る舞う（ｄｅ Ｇｅｎｎｅｓ，Ｐ．Ｇ． Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ， ｐ．２２６ Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ（１９７４））。旋光角をφ_ｒｏｔ としたとき、２枚の偏光板の偏光軸が互いになす角度φ_１２を９０゜＋φ_ｒｏｔ とすれば、Ｓ^＋ の光透過率は最小になることは明らかである。
【００３１】
一方、Ｓ⁻ のねじれ角は約０゜である。但し、カイラルネマティック液晶は固有のねじれを持っているため、φｒ＝１８０゜であってもＳ⁻ のねじれ角は厳密には０゜ではない。しかし、ねじれ角が余り大きくなければ、言い換えればφｒ≒１８０゜という条件下ではＳ⁻ はねじれのない複屈折性媒質とみなしてよいであろう。そこで、φ_１２＝９０゜＋φ_ｒｏｔ という条件の下でＳ⁻ の光透過率を高くするためには、一方の偏光板の偏光軸方向とＳ⁻ での液晶分子の平均的な配向方向とのなす角（φｎ）を約４５゜に設定すれば、非常に高いコントラスト比とＯＮ状態の明るさが得られるはずである。
（２）Ｌ・（ｎ_ｅ −ｎ_０ ）はλよりも大きいけれどもモーガンの条件を満足するほどは大きくない場合、
この場合、φｎ＝０゜であってもＳ^＋ の出射光は楕円偏光となり、楕円の長軸方向はｎ２ とは一致しない。したがって、例えばφｎ＝０゜、φ１２＝９０゜とすれば高いコントラスト比とＯＮ状態の明るさが期待できる。
（３）Ｌ・（ｎ_ｅ −ｎ_０ ）が上記の（１）と（２）の中間の値の場合、 この場合は、（１）と（２）の中間の表示特性が期待できるはずである。φｒが１８０゜から大きくずれている場合の表示特性を想像することは容易ではない。しかし、モーガンの条件を満足していなければ、Ｓ^＋ とＳ⁻ での出射光の偏光状態がほとんど同じになって光学的に区別し難い、ということは避けられるであろう。
【００３２】
【実施例】
実施例で用いた液晶電気光学素子の断面図を図１に示す。上側基板５と下側基板５の各々に透明電極４、絶縁膜ＳｉＯ_２ ３と液晶配向膜２を形成し、さらにラビングを施した。液晶配向膜２としてはポリイミドを用いた。そして、初期配向状態を例えばφｒ＝１８０゜とするならば、図示したようにラビング方向１９、２０が互いに反平行になるように、スペーサー６を介して２枚の基板５を重ね合わせる。また、φｒ＝９０゜とするならば、ラビング方向が互いに９０゜の角をなすように２枚の基板を重ね合わせる。この２枚の基板間にカイラルネマティック液晶２１を封入し、偏光板７を配置して液晶電気光学素子を作成した。この液晶電気光学素子を反射型で使用する場合には、上側偏光板７または下側偏光板７の外側に反射板を設置すればよい。液晶材料はいずれも正の誘電率異方性△εを示す市販のネマティック液晶にらせん構造を誘起する光学活性物質を添加してｐ_０ を調整した。光学活性物質としては、実施例１〜７ではＥ． Ｍｅｒｃｋ社製Ｒ−８１１を用い、実施例８以降では同社製Ｓ−８１１を用いた。
【００３３】
ここまでの△ｎは見かけの△ｎを意味しているが、以下の実施例では液晶固有の△ｎを用いている。なぜならば、プレティルト角は一般的には１゜〜５゜であるため、ねじれがない配向状態での見かけの△ｎと液晶固有の△ｎとはほぼ等しいとみなして良いためである。但し、プレティルトが大きい場合には、液晶固有の△ｎと見かけの△ｎは大きく異なるため、見かけの△ｎを用いなければならない。さらに電圧を印加せずにメモリー状態で表示を行う場合と電圧を印加した状態で表示を行う場合とでは液晶の配向状態が異なるため、見かけの△ｎの値も異なるはずである。しかし、電圧は１ボルト前後であるため、電圧印加時と電圧無印加時での見かけの△ｎの差はわずかであり、その差は無視してよいと考えられる。したがって、本来ならば表示動作中の平均的な見かけの△ｎを用いるべきではあるが、以下の実施例では液晶固有の△ｎを用いた。上述したように、大きなプレティルトを与えるような配向処理を行ったり、配向分布が大きく変形するような高い電圧を印加して表示する場合には、以下の△ｎとＲ（＝ｄ・△ｎ）を表示動作中の平均的な見かけの値に置き換えなければならない。
【００３４】
液晶層のＲを種々の値に設定するため、△ｎが異なる数種類の液晶材料を用い、液晶層の厚さは１．７μｍから２５．０μｍの間に設定した。液晶材料の△ｎと、その液晶材料を用いた実施例の番号を以下の表１に示す。プレティルト角は、液晶材料、配向膜、ラビング処理方法によって異なるが、実施例１〜７においてはおよそ１゜〜５゜であった。
【００３５】
【表１】

モーガンの条件を満足するかどうかの評価は、２つの準安定状態のうち、ねじれ角が大きい方の準安定状態の螺旋ピッチＬ、液晶の△ｎおよび光の波長（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）を用いて行った。初期状態のねじれ角φｒとＬとの間には次の関係がある。
Ｌ＝｛２π／（φｒ＋π）｝・ｄ
モーガンの条件を示す不等式の左辺（Ｌ・△ｎ）とＲとの間には、
Ｌ・△ｎ＝２π・Ｒ／（φｒ＋π）
の関係がある。従って、Ｌ・△ｎの値に応じて偏光軸方向を設定することは、Ｒとφｒの値に応じて偏光軸方向を設定することにほかならない。φｒ＝１８０゜の場合のみ、Ｌ・△ｎはＳ⁻ のレタデーションと等しい。
【００３６】
下側基板５に施したラビング方向１９をｘ軸とする。実施例１〜７では、基板法線方向（ｚ軸方向）に観察したらせん構造は右ねじれ時計回りであるため、下側偏光板７の偏光軸の角度Ｐを図３に示したように定義することにする。言うまでもなく、ＰとＰ±ｎπ（但しｎは整数）は互いに等価である。Ａについても同様である。また、ＰとＡに同時に±ｎπ／２を加えた場合と加えなかった場合とは互いに等価である。例えば、（Ｐ、Ａ）＝（１６０゜、５０゜）と、（Ｐ、Ａ）＝（７０゜、１４０゜）はいずれも同じ表示特性を与える。
【００３７】
液晶のねじれ角が各々ほぼ３６０゜と略０゜である２つの準安定状態間のスイッチングは、図４に示したような電圧波形を印加することによって行った。略０゜の準安定状態は光学的に等方相である。等方相とは、複屈折率やＲが厳密には零でなく極めて小さい値を有する場合であっても光学的には等方相とみなすことができる場合を含むものである。そして、ＰとＡをいろいろな角度に設定して３６０゜および０゜ねじれ状態の光透過率を測定し、コントラスト比を算出した。測定には、オリンパス社製偏光顕微鏡ＢＨ−２及びそれに附属された白色光源を用いた。但し、使用した偏光板の光透過率は約４８％である。
【００３８】
反射型での表示特性は、透過型での表示特性を用いて次のようにして評価することができる。図１に示した透過型の液晶表示装置において、下側偏光板の下に反射板を設置して反射型で使用する場合を考える。強度Ｉ_０ の光が上側偏光板から入射し、強度Ｉ_ａ の光が反射してくるとする。上側偏光板を透過して液晶層へ入射する光の強度Ｉ_ａ とし、さらに下側偏光板を透過した光の強度をＩ_ｂ とする。反射板で反射されて下側偏光板へ再び入射する光もＩ_ｂ である。そして、下側偏光板を透過して液晶層へ再び入射する光の強度をＩ_ｃ とする。上側偏光板を透過して出てくる光（反射光）の強度はＩ_ｄ である。Ｉ_ｄ とＩ_ｃ の比はＩ_ｂ とＩ_ａ の比と等しいため、次の式が成り立つ。
Ｉ_ｄ ＝Ｉ_ｃ ・Ｉ_ｂ ／Ｉ_ａ （１）
つぎに、偏光していない光に対する偏光板の光透過率をｘ、偏光板の光透過軸と平行に偏光した直線偏光に対する偏光板の光透過率をｙとすれば、Ｉ_ａ とＩ_ｃ は次のように書くことができる。
Ｉ_ａ ＝ｘ・Ｉ_０ （２）
Ｉ_ｃ ＝ｙ・Ｉ_ｂ （３）
（２）式と（３）式を（１）式へ代入すれば、
Ｉ_ｄ ＝（Ｉ_ｂ ^ａ／Ｉ_０ ）・（ｙ／ｘ）
が得られる。ここで、厳密にはｙ≠１であるがｙ＝１と近似し、さらにＯＮ状態とＯＦＦ状態での光強度をそれぞれ（ＯＮ）と（ ＯＦＦ）という添え字で区別することにすれば、反射型でのコントラスト比は次の式で与えられる。
Ｃ．Ｒ．＝Ｉ_ａ （ＯＮ）／Ｉ_ｄ （ ＯＦＦ）
＝（Ｉ_ｂ （ＯＮ）／Ｉ_ｂ （ ＯＦＦ））^２
このようにして、反射型での反射率Ｉ_ｄ ／Ｉ_０ とコントラスト比は透過型での透過率Ｉ_ｂ ／Ｉ_０ とコントラスト比から求めることができる。
【００３９】
（実施例１）φｒ＝１８０゜の場合、
（１−１）Ｒ＝０．１０２の場合、
光学活性物質Ｒ−８１１（メルク社製）をメルク社製ＺＬＩ−４１１９（△ｎ＝０．０６０）に適量添加してφｒがほぼ１８０゜となるようにらせんピッチＰ_０ を調整した。液晶層厚ｄは１．７μｍとした。Ｌ＝ｄ＝１．７μｍであり、ｄ／Ｐ_０ ≒０．５である。Ｌ・△ｎと波長との関係は次のようになる。
Ｌ・△ｎ＝０．１０２＜λ（０．３８〜０．７８）
したがって、モーガンの条件は満足されていない。
【００４０】
いろいろなＰとＡの組み合わせに対する３６０゜捩れ状態と０゜ねじれ状態の光透過率Ｉ^＋ とＩ⁻ 及びコントラスト比ＣＲ（小数点以下第３位四捨五入で表示）を表２に示す。
【００４１】
【表２】

光透過率は偏光板へ入射する光を基準としている。また、同表の下には、Ｌ・△ｎと波長（Ｗ．Ｌ．）およびｄとＬの値も記した。但し、各ＰとＡの組み合わせのうちＴとＲの欄の両方に＊が記されているものは、比較例として挙げたものである。すなわち、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１３の組み合わせが実施例であり、Ｎｏ．１４〜Ｎｏ．１７の組み合わせは比較例である。
【００４２】
ＴとＲの意味は次の通りである。Ｔ欄の「ｏ」はその組み合わせが透過型表示素子として充分使用可能であり、Ｒ欄の「ｏ」は反射型表示素子として充分使用可能である、ということを示している。Ｒ＝０．１０２の場合、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の組み合わせは透過型としても、反射型としても使用可能である。そして、Ｎｏ７〜Ｎｏ．１３の組み合わせは透過型としては不十分である。しかし、反射型で使用する場合はコントラスト比よりもオン状態の明るさが重視されるため、反射型としてならば使用可能である。反射型でのコントラスト比としては、少なくとも１：２あればよいであろう。従って、透過型として測定したコントラスト比が１：１．４ならば反射型として十分である。比較例として挙げたＮｏ．１４〜Ｎｏ．１７の組み合わせは透過型としても反射型としても使用不能である。
【００４３】
実際に反射板を設置して、反射型として使用に耐えるかどうかを肉眼で評価した結果を図５に示す。ＰとＡを図の陰影をつけた範囲内で組み合わせれば使用に耐えることがわかった。以下、種々のＲに対する結果を示すが、それらの表の見方は同じである。
【００４４】
（１−２）Ｒ＝０．１６の場合、
この結果を表３に示す。
【００４５】
【表３】

（１−３）Ｒ＝０．２の場合、
この結果を表４に示す。
【００４６】
【表４】

（１−４）Ｒ＝０．２２の場合、
この結果を表５に示す。
【００４７】
【表５】

（１−５）Ｒ＝０．２４の場合、
この結果を表６に示す。
【００４８】
【表６】

（１−６）Ｒ＝０．２８の場合、
この結果を表７に示す。
【００４９】
【表７】

（１−７）Ｒ＝０．３２の場合、
この結果を表８に示す。
【００５０】
【表８】

（１−８）Ｒ＝０．３６の場合、
この結果を表９に示す。
【００５１】
【表９】

（１−９）Ｒ＝０．４の場合、
この結果を表１０に示す。
【００５２】
【表１０】

（１−１０）Ｒ＝０．４２の場合、
この結果を表１１に示す。
【００５３】
【表１１】

（１−１１）Ｒ＝０．４２８の場合、
この結果を表１２に示す。
【００５４】
【表１２】

（１−１２）Ｒ＝０．４４の場合、
この結果を表１３に示す。
【００５５】
【表１３】

（１−１３）Ｒ＝０．４５の場合、
この結果を表１４に示す。
【００５６】
【表１４】

（１−１４）Ｒ＝０．５６の場合、
この結果を表１５に示す。
【００５７】
【表１５】

（１−１５）Ｒ＝０．６４の場合、
この結果を表１６に示す。
【００５８】
【表１６】

（１−１６）Ｒ＝０．７の場合、
この結果を表１７に示す。
【００５９】
【表１７】

（１−１７）Ｒ＝０．７２の場合、
この結果を表１８に示す。
【００６０】
【表１８】

（１−１８）Ｒ＝０．７８の場合、
この結果を表１９に示す。
【００６１】
【表１９】

（１−１９）Ｒ＝０．８４の場合、
この結果を表２０に示す。
【００６２】
【表２０】

（１−２０）Ｒ＝０．９６の場合、
この結果を表２１に示す。
【００６３】
【表２１】

（１−２１）Ｒ＝１．０２の場合、
この結果を表２２に示す。
【００６４】
【表２２】

（１−２２）Ｒ＝１．０５の場合、
この結果を表２３に示す。
【００６５】
【表２３】

（１−２３）Ｒ＝１．０６の場合、
この結果を表２４に示す。
【００６６】
【表２４】

（１−２４）Ｒ＝１．０８の場合、
この結果を表２５に示す。
【００６７】
【表２５】

（１−２５）Ｒ＝１．１２の場合、
この結果を表２６に示す。
【００６８】
【表２６】

（１−２６）Ｒ＝１．９の場合、
この結果を表２７に示す。
【００６９】
【表２７】

（１−２７）Ｒ＝２．５の場合、
この結果を表２８に示す。
【００７０】
【表２８】

（１−２８）以上の実施例においては、φｒが１６０゜≦φｒ≦２００゜の範囲にあれば実用に耐える液晶光学素子であることも確認した。Ｐ、Ａの値の相互の設定値は、反射型と透明型とでは、上記の通り、反射型のコントラスト比は透過型のコントラスト比の自乗になるため異なるが、その相互関係をまとめると以下の通りになる。
（１）反射型の場合
▲１▼ ０．１０２≦Ｒ≦０．４ 又は０．７８≦Ｒ≦０．９６の場合、
［Ｐ＋α１ ≦Ａ≦Ｐ＋α２ かつ −Ｐ＋β１ ≦Ａ≦−Ｐ＋β２ ］又は［Ｐ＋γ１ ≦Ａ≦Ｐ＋γ２ かつ −Ｐ＋δ１ ≦Ａ≦−Ｐ＋δ２ ］
▲２▼ ０．７２ ≦Ｒ≦０．７８の場合、
［Ｐ＋α１ ≦Ａ≦Ｐ＋α２ かつ −Ｐ＋β１ ≦Ａ≦−Ｐ＋β２ ］又は［Ｐ＋γ１ ≦Ａ≦Ｐ＋γ２ ］
▲３▼ ０．４０ ≦Ｒ≦０．７２， ０．９６≦Ｒ≦０．９９， 又は１．０５≦Ｒ≦１．１２の場合、
［Ｐ＋α１ ≦Ａ≦Ｐ＋α２ ］又は
［Ｐ＋γ１ ≦Ａ≦Ｐ＋γ２ ］
▲４▼ ０．９９ ≦Ｒ≦１．０２の場合、
［Ｐ＋α１ ≦Ａ≦Ｐ＋α２ ］
▲５▼ １．０２ ≦Ｒ≦１．０５の場合、
［Ｐ＋γ１ ≦Ａ≦Ｐ＋γ２ ］
但し、

（２）透過型の場合、
▲１▼ ０．１≦Ｒ≦０．２２の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し α＝−８２×Ｒ＋α１
▲２▼ ０．２２ ＜Ｒ≦０．４２の場合、
Ａ＝ Ｐ＋α 但し α＝−８２×Ｒ＋α１ 、 又は
Ａ＝−Ｐ＋β１
▲３▼ ０．４２ ＜Ｒ≦０．４４の場合、
Ａ＝ Ｐ＋α 但し α＝−１３７．５ ×Ｒ＋α２ 、又は
Ａ＝−Ｐ＋β１
▲４▼ ０．４４ ＜Ｒ＜０．４７３ の場合、
Ａ＝Ｐ＋γ 但し −１３７．５ ×Ｒ−７５≦γ≦−６０
▲５▼ ０．４７３≦Ｒ≦０．７ の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し α＝−１３７．５ ×Ｒ＋α２ 又は
Ａ＝Ｐ＋α３
▲６▼ ０．７＜Ｒ≦１．０６の場合、
Ａ＝−Ｐ＋β１
ただし −９９°≦α１ ≦−５８° −７５°≦α２ ≦−３５°
− １００°≦α３ ≦−６０° ７０°≦β１ ≦ １１０°
（３）φｒが１８０゜である透過型の場合において、コントラスト比１０以上かつオン透過率１０％の良好な特性が得られる条件は、以下の通りとなる。
▲１▼ ０．１≦Ｒ≦０．２２の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し α＝−８２×Ｒ＋α１
▲２▼ ０．２２ ＜Ｒ≦０．４２の場合、
Ａ＝ Ｐ＋α 但し α＝−８２×Ｒ＋α１ 、 又は
Ａ＝−Ｐ＋β１
▲３▼ ０．４２ ＜Ｒ≦０．４４の場合、
Ａ＝ Ｐ＋α 但し α＝−１３７．５ ×Ｒ＋α２ 、又は
Ａ＝−Ｐ＋β１
▲４▼ ０．４４ ＜Ｒ≦０．７ の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し α＝−１３７．５ ×Ｒ＋α２ 又は
Ａ＝Ｐ＋α３
▲５▼ ０．７＜Ｒ≦１．０６の場合、
Ａ＝−Ｐ＋β１
ただし −９４°≦α１ ≦−６３° −７０°≦α２ ≦−４０°
−９５°≦α３ ≦−６５° ７５°≦β１ ≦ １０５°
（実施例２）φｒ＝９０゜の場合、
本実施例では、φｒがほぼ９０゜となるようにらせんピッチｐ_０ を調整した。例えば、実施例２−１では液晶材料としてＺＬＩ−４２６２を用い、ｄ＝２．０μｍとした。Ｌ＝２．６７μｍ、ｄ／ｐ_０ ≒０．３である。
【００７１】
以下、種々のＲに対するデータを示すが、それらの見方は実施例１と同じである。
【００７２】
（２−１）Ｒ＝０．２の場合、
この結果を表２９に示す。
【００７３】
【表２９】

（２−２）Ｒ＝０．２８の場合、
この結果を表３０に示す。
【００７４】
【表３０】

（２−３）Ｒ＝０．３１８の場合、
この結果を表３１に示す。
【００７５】
【表３１】

（２−４）Ｒ＝０．５６の場合、
この結果を表３２に示す。
【００７６】
【表３２】

（２−５）Ｒ＝０．８４の場合、
この結果を表３３に示す。
【００７７】
【表３３】

（実施例３）φｒ＝１６０゜の場合、
本実施例では、φｒがほぼ１６０゜となるようにらせんピッチｐ_０ を調整した。例えば、実施例３−１では、液晶材料としてＺＬＩ−４２６２を用い、ｄ＝２．０μｍとした。Ｌ＝２．１２μｍ、ｄ／ｐ_０ ≒０．５である。
【００７８】
以下、種々のＲに対するデータを示す。
【００７９】
（３−１）Ｒ＝０．２の場合、
この結果を表３４に示す。
【００８０】
【表３４】

（３−２）Ｒ＝０．２８の場合、
この結果を表３５に示す。
【００８１】
【表３５】

（３−３）Ｒ＝０．３１８の場合、
この結果を表３６に示す。
【００８２】
【表３６】

（３−４）Ｒ＝０．５６の場合、
この結果を表３７に示す。
【００８３】
【表３７】

（３−５）Ｒ＝０．８４の場合、
この結果を表３８に示す。
【００８４】
【表３８】

（実施例４）φｒ＝２００゜の場合、
本実施例では、φｒがほぼ２００゜となるようにらせんピッチｐ_０ を調整した。例えば、実施例４−１では、液晶材料としてＺＬＩ−４２６２を用い、ｄ＝２．０μｍとした。Ｌ＝１．８９μｍ、ｄ／ｐ_０ ≒０．６である。
【００８５】
以下、種々のＲに対するデータを示す。
【００８６】
（４−１）Ｒ＝０．２の場合、
この結果を表３９に示す。
【００８７】
【表３９】

（４−２）Ｒ＝０．２８の場合、
この結果を表４０に示す。
【００８８】
【表４０】

（４−３）Ｒ＝０．３１８の場合、
この結果を表４１に示す。
【００８９】
【表４１】

（４−４）Ｒ＝０．５６の場合、
この結果を表４２に示す。
【００９０】
【表４２】

（４−５）Ｒ＝０．８４の場合、
この結果を表４３に示す。
【００９１】
【表４３】

（実施例５）φｒ＝２７０゜の場合、
本実施例では、φｒがほぼ２７０゜となるようにらせんピッチｐ_０ を調整した。例えば、実施例５−１では、液晶材料としてＺＬＩ−４２６２を用い、ｄ＝２．０μｍとした。Ｌ＝１．６μｍ、ｄ／ｐ_０ ≒０．８である。
【００９２】
以下、種々のＲに対するデータを示す。
【００９３】
（５−１）Ｒ＝０．２の場合、
この結果を表４４に示す。
【００９４】
【表４４】

（５−２）Ｒ＝０．２８の場合、
この結果を表４５に示す。
【００９５】
【表４５】

（５−３）Ｒ＝０．３１８の場合、
この結果を表４６に示す。
【００９６】
【表４６】

（５−４）Ｒ＝０．５６の場合、
この結果を表４７に示す。
【００９７】
【表４７】

（５−５）Ｒ＝０．８４の場合、
この結果を表４８に示す。
【００９８】
【表４８】

（実施例６）φｒ＝１４０゜、Ｒ＝０．２８の場合、
本実施例では、光学活性物質をＺＬＩ−４２６２に適量添加してφｒがほぼ１４０゜となるようにらせんピッチｐ_０ を調整した。ｄ＝２．８μｍ、Ｌ＝３．１５μｍ、ｄ／ｐ_０ ≒０．４である。
【００９９】
この結果のデータを表４９に示す。
【０１００】
【表４９】

（実施例７）φｒ＝２２０゜、Ｒ＝０．２８の場合、
本実施例では、光学活性物質をＺＬＩ−４２６２に適量添加してφｒがほぼ２２０゜となるようにらせんピッチｐ_０ を調整した。ｄ＝２．８μｍ、Ｌ＝２．５２μｍ、ｄ／ｐ_０ ≒０．６である。
【０１０１】
この結果のデータを表５０に示す。
【０１０２】
【表５０】

ここに示した結果はほんの一例を示したにすぎない。発明者は、数多くの測定結果を分析することによって、１６０゜≦φｒ≦２００゜において１：２以上のコントラスト比を得るための条件を求めた。例えばＲ＝０．１０２においてそのような条件を満たすＰとＡの組み合わせを図５に示す。ＰとＡを図の陰影をつけた範囲内で組み合わせればよい。ＰとＡに同時に±ｎπ／２を加えた場合と加えなかった場合とは互いに等価であることを考慮すれば、その範囲は傾きが１または−１である８本の直線によって定められることをその図は示している。また、その範囲はＲに依存する。あるＲにおけるＰとＡの関係は次のようになる。
（１） ０．１０２≦Ｒ≦０．４ 又は０．７８≦Ｒ≦０．９６の場合、
［Ｐ＋α１ ≦Ａ≦Ｐ＋α２ かつ −Ｐ＋β１ ≦Ａ≦−Ｐ＋β２ ］又は［Ｐ＋γ１ ≦Ａ≦Ｐ＋γ２ かつ −Ｐ＋δ１ ≦Ａ≦−Ｐ＋δ２ ］
（２） ０．７２ ≦Ｒ≦０．７８の場合、
［Ｐ＋α１ ≦Ａ≦Ｐ＋α２ かつ −Ｐ＋β１ ≦Ａ≦−Ｐ＋β２ ］又は［Ｐ＋γ１ ≦Ａ≦Ｐ＋γ２ ］
（３） ０．４０ ≦Ｒ≦０．７２， ０．９６≦Ｒ≦０．９９， 又は１．０５≦Ｒ≦１．１２の場合、
［Ｐ＋α１ ≦Ａ≦Ｐ＋α２ ］又は
［Ｐ＋γ１ ≦Ａ≦Ｐ＋γ２ ］
（４） ０．９９ ≦Ｒ≦１．０２の場合、
［Ｐ＋α１ ≦Ａ≦Ｐ＋α２ ］
（５） １．０２ ≦Ｒ≦１．０５の場合、
［Ｐ＋γ１ ≦Ａ≦Ｐ＋γ２ ］
但し、

このようにすれば、反射型として実用に耐える表示素子を提供することができる。そして、その一部は透過型表示素子としても実用に耐えることができる。
【０１０３】
さらに、１６０゜≦φｒ≦２００゜において透過型表示素子としても実用に耐えるような約１：１０以上のコントラスト比と約１０％以上のオン透過率を同時に得るための条件を求めた。その結果を次に示す。
▲１▼ ０．１≦Ｒ≦０．２２の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し α＝−８２×Ｒ＋α１
▲２▼ ０．２２ ＜Ｒ≦０．４２の場合、
Ａ＝ Ｐ＋α 但し α＝−８２×Ｒ＋α１ 、 又は
Ａ＝−Ｐ＋β１
▲３▼ ０．４２ ＜Ｒ≦０．４４の場合、
Ａ＝ Ｐ＋α 但し α＝−１３７．５ ×Ｒ＋α２ 、又は
Ａ＝−Ｐ＋β１
▲４▼ ０．４４ ＜Ｒ＜０．４７３ の場合、
Ａ＝Ｐ＋γ 但し −１３７．５ ×Ｒ−７５≦γ≦−６０
▲５▼ ０．４７３≦Ｒ≦０．７ の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し α＝−１３７．５ ×Ｒ＋α２ 又は
Ａ＝Ｐ＋α３
▲６▼ ０．７＜Ｒ≦１．０６の場合、
Ａ＝−Ｐ＋β１
ただし −９９°≦α１ ≦−５８° −７５°≦α２ ≦−３５°
− １００°≦α３ ≦−６０° ７０°≦β１ ≦ １１０°
また、φｒ＝１８０゜の場合には次のようにすればよい。
▲１▼ ０．１≦Ｒ≦０．２２の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し α＝−８２×Ｒ＋α１
▲２▼ ０．２２ ＜Ｒ≦０．４２の場合、
Ａ＝ Ｐ＋α 但し α＝−８２×Ｒ＋α１ 、 又は
Ａ＝−Ｐ＋β１
▲３▼ ０．４２ ＜Ｒ≦０．４４の場合、
Ａ＝ Ｐ＋α 但し α＝−１３７．５ ×Ｒ＋α２ 、又は
Ａ＝−Ｐ＋β１
▲４▼ ０．４４ ＜Ｒ≦０．７ の場合、
Ａ＝Ｐ＋α 但し α＝−１３７．５ ×Ｒ＋α２ 又は
Ａ＝Ｐ＋α３
▲５▼ ０．７＜Ｒ≦１．０６の場合、
Ａ＝−Ｐ＋β１
ただし −９４°≦α１ ≦−６３° −７０°≦α２ ≦−４０°
−９５°≦α３ ≦−６５° ７５°≦β１ ≦ １０５°
このようにすることによって、透過型としても反射型としても実用に耐える表示素子を提供することができる。
【０１０４】
Ｒが１．０６μｍよりも大きくなってモーガンの条件に近づいていけば、偏光軸をどのように設定しても透過型として実用に耐えるような表示特性は得られなかった。逆にＲを小さくしていけば、ねじれ角の絶対値が大きいねじれ状態はより等方相に近づいていき、コントラスト比が高くなる。しかし、Ｒをあまり小さくし過ぎるとオン透過率が減少していく。さらに液晶材料の複屈折の下限はおよそ０．０６であるためＲ＜０．１０とすることは製造上困難である。したがって、Ｒの望ましい範囲としては、０．１０≦Ｒ≦１．０６となる。
【０１０５】
特に０．１８≦Ｒ≦０．３０の範囲において、ＰとＡを上記のように設定すれば、非常に高いコントラスト比と非常に高いオン透過率を同時に得ることが出来る。
【０１０６】
ここで示したように偏光板の偏光軸とφｒを適切に設定することによって、０．１０≦Ｒ≦１．０６ならば透過型表示装置としても反射型表示装置としても実用に耐える表示特性が得られ、Ｒ＞１．０６ならば反射型表示装置として実用に耐える表示特性が得られる。
【０１０７】
上述の実施例では、ｚ軸方向に観察したときに螺旋構造のねじれの向きが時計方向の場合についてのみ述べたが、反時計方向にねじれている場合は、偏光軸の角度を反時計方向に測ればよい。
【０１０８】
（実施例８）
本実施例は、φｒ＝１８０゜とした場合の他の実施例を示す。セルとしては、図２に示したようにガラス上にＩＴＯ透明電極パターンを形成し、ポリイミド配向膜を塗布、表面にラビング処理を施した基板を適当なスペーサを介して所望のｄを保って対向配置した物を用いた。実施例１〜７とは、ｄ／ｐ_０ 及び電極の形状に違いがある。
【０１０９】
室温でネマティック相を呈する液晶組成物（Ｅ． Ｍｅｒｃｋ社製：ＭＪ９０１７９，△ｎ＝０．１６７）に光学活性添加剤（Ｅ． Ｍｅｒｃｋ社製：Ｓ８１１）を加えてｐ_０ ＝２．９μｍに調整した。Ｓ−８１１は左ねじれのらせん構造を誘起する。セルにはポリイミド配向膜（日本合成ゴム株式会社製：ＡＬ３０４６）に上下基板で反平行方向（１８０度）のラビング処理を施してｄ＝１．７μｍとなる構成とした。上記液晶組成物を封入するとプレティルト角は上下基板近傍で逆符号をもって約４゜となり、ｐ_０ ／４＜ｄ＜３ｐ_０ ／４であるため、液晶分子の配向は基板法線方向に螺旋軸を持つ１８０゜ツイスト状態となった。ｄ／ｐ_０ ＝０．５８６であり、０．８φｒ／３６０゜≦ｄ／ｐ≦１．４φｒ／３６０゜の条件に当てはまる。以上のようにして得られた試料をＰ＝５０゜、Ａ＝−５０゜の配置で２枚の偏光板間に挟持して電極に図６の電圧波形を印加した。図６において２０１は走査電極波形、２０２は信号電極波形、２０３は２０１と２０２の合成波形であり、２０４はセルの電気光学応答をあらわす。選択期間ｔ_０１では略３６０゜ツイストの準安定状態、次の選択期間ｔ_１１では０゜ツイスト（以下、ユニフォームという）の準安定状態が発現し、前者を暗状態として光学的に識別されている。Ｖ１ ＝２８．０ｖ、Ｖ２ ＝１．５ｖ、パルス幅Ｐｗ＝３５０μｓとしてデューティー比１／４００に相当する波形（ｔ_０１＝ｔ_１１＝７００μｓ、ｔ_０ ＝ｔ_１ ＝７００μｓ×４００）で駆動したところ、非選択期間（ｔ_０２＝ｔ_１２）内の透過光量レベルは安定しており、コントラスト比１：７７、明状態の光透過率は約６０％（但し、２枚の偏光板の偏光軸を平行にして同光学系に配置した状態の透過率を１００％とする。以下同じ。）という特性が得られた。
【０１１０】
（実施例９）
実施例８において、液晶組成物（チッソ石油化学製：ＳＳ−４１０３、△ｎ＝０．１５４）に光学活性添加剤を加えてｐ_０ ＝３．０４μｍに調整した。セルにはポリイミド配向膜（日本合成ゴム株式会社製：ＪＡＬＳ−３００）に上下基板で反平行方向（１８０度）のラビング処理を施してｄ＝１．６５μｍとなる構成とした。上記液晶組成物を封入するとプレティルト角は上下基板近傍で逆符号をもって約６゜となり、ｐ_０ ／４＜ｄ＜３ｐ_０ ／４であるため、液晶分子の配向は基板法線方向に螺旋軸を持つ１８０゜ツイスト状態となった。ｄ／ｐ_０ ＝０．５４３である。以上のようにして得られた試料をＰ＝５０゜、Ａ＝−５０゜の配置で２枚の偏光板間に挟持して電極に図６の電圧波形を印加した。実施例８と同様な光学配置においてＶ１ ＝３０．０ｖ、Ｖ２ ＝１．８ｖ、パルス幅Ｐｗ＝３００μｓとしてデューティー比１／４００に相当する波形で駆動したところ、非選択期間内の透過光量レベルは実施例８と同様に安定しており、コントラスト比１：１１２、明状態の光透過率は約７０％という特性が得られた。
【０１１１】
（実施例１０）
実施例９と同様に、ｐ_０ ＝２．３６μｍ、ｄ＝１．６５μｍ、ｄ／ｐ_０ ＝０．７０の構成となるよう調整し、Ｐ＝５０゜、Ａ＝−５０゜の配置として同様の電圧波形を印加した。非選択期間内の透過光量レベルは実施例８と同様に安定しており、コントラスト比１：１１４、明状態の光等透過率７０％であった。
【０１１２】
（実施例１１）
実施例９と同様に、ｐ_０ ＝４．１３μｍ、ｄ＝１．６５μｍ、ｄ／ｐ_０ ＝０．４０の構成となるよう調整し、Ｐ＝５０゜、Ａ＝−５０゜の配置にて同様の電圧を印加した。非選択期間内の透過光量レベルは実施例８と同様に安定しており、コントラスト比１：１１０、明状態の光透過率７０％であった。
【０１１３】
（比較例１）
ｄ＝１．８μｍ、ｐ_０ ＝２．５μｍ（ｄ／ｐ_０ ＝０．７２）として他の条件は実施例８と同じ試料を作成した。ｐ_０ ／４＜ｄ＜３ｐ_０ ／４であるため、液晶分子の配向は基板法線方向に螺旋軸を持つ１８０゜ツイスト状態となるが、電圧波形を印加した状態では３６０゜ツイストの状態は保持されるが、ユニフォーム状態の安定性が極めて低く、非選択期間中に初期状態に緩和する挙動が見られた。
（比較例２）
ｄ＝１．８μｍ、ｐ_０ ＝４．９μｍ（ｄ／ｐ_０ ＝０．３７）として他の条件は実施例８と同じ試料を作成した。ｐ_０ ／４＜ｄ＜３ｐ_０ ／４であるため、液晶分子の配向は１８０゜ツイスト状態となるが、電圧波形を印加した状態では０゜ユニフォームの状態は保持されるが、３６０゜ツイスト状態の安定性が悪く、非選択期間中に初期状態に緩和する挙動が見られた。
【０１１４】
（比較例３）
液晶配向層にＳｉＯ斜方蒸着膜を用いてプレティルト角が約２６゜となる試料を作成した。ｄ＝１．７μｍとして実施例８で使用したと同様な液晶材料を封入し、図６の駆動電圧波形を印加したところ、ユニフォーム配向の準安定状態のみが発現し、３６０゜ツイスト状態へのスイッチングは不可能であった。
【０１１５】
印加電圧波形によって任意に選択可能な２つの準安定状態間のスイッチングを用いることにより、高コントラスト比で有効視野角の広い液晶表示装置が実現できる。また、同装置では選択された状態はメモリータイプの表示装置として実用上充分な時間に渡って保持されるので、単純マトリクス駆動によって走査線数の多い高精細ディスプレイへの対応が可能である。本発明は直視型の液晶表示装置のみならず、各種ライトバルブ、空間光変調器、電子写真方式のプリンターヘッド等にも応用できる。
【０１１６】
（実施例１２）
セルとしてはガラス上にＩＴＯ透明電極パターンを形成し、ポリイミド配向膜を塗布、表面にラビング処理を施した基板を適当なスペーサを介して所望のｄを保って対向配置した物を用いた。概略の断面図を図２に示す。
【０１１７】
（１２−１）
室温でネマティック相を呈する液晶組成物（Ｅ．Ｍｅｒｃｋ社製： ＺＬＩ−１５５７、△ｎ＝０．１１４７）に光学活性添加剤を加えてｐ_０ ＝３．５μｍに調整した。セルにはポリイミド配向膜（日本合成ゴム株式会社製：ＡＬ３０４６）に図７に示すようにラビング方向３３のラビング処理を施してｄ＝１．８μｍとなる構成とした。ラビング処理は一方の基板で透明電極３１、３２の辺に対して４５゜（図７に示すφ_０ ＝４５゜）の方向で行い、他方の基板ではこれに対して１８０゜回転した方向に処理を施した。上記液晶組成物を封入するとプレティルト角は上下基板近傍で逆符号をもって約４゜となり、ｐ_０ ／４＜ｄ＜３ｐ_０ ／４であるため、液晶分子の配向は基板法線方向にらせん軸を持つ１８０゜ツイスト状態となった。以上のようにして得られた試料をＰ＝５０゜、Ａ＝−５０゜の配置で２枚の偏光板間に挟持して電極に実施例８と同じく図６の電圧波形を印加した。回路機構は、概ね図８に示すとおり、符号１１は液晶パネル、１２は照明手段としてのバックライト、１３は液晶パネルの走査電極群に電圧を印加するための駆動回路（シフトレジスタ／論理回路）、１４は信号電極群に電圧を印加するための駆動回路（シフトレジスタ／ラッチ／論理回路）、１５は基準信号発生回路、１６は線順次走査回路（ＲＯＭ／コントローラ）である。この結果、非選択期間（ｔ_０２、ｔ_１２）内の透過光量レベルは安定しており、コントラスト比１：７７、明状態の光透過率は約６３％という特性が表示画素の全体に均一に得られた。
【０１１８】
（１２−２）
上記の実施例において、φ_０ ＝１０゜としたところ、同様な表示特性が得られた。
【０１１９】
（比較例１）
一方の基板に対するラビング方向を画素の１辺と一致させ（図７：φ_０ ＝０゜）、他の条件は同じである試料を作成した。ｐ_０ ／４＜ｄ＜３ｐ_０ ／４であるため、液晶分子の配向は基板法線方向に螺旋軸を持つ１８０゜ツイスツ状態となるが、電圧波形を印加して３６０゜ツイストの状態を選択すると画素周辺のエッジ部分にユニフォーム状態のドメインが発現する挙動が見られた。
【０１２０】
（実施例１３）
実施例１２で用いた液晶組成物を封入して得られた素子（ｐ_０ ＝３．２μｍに調整されている点を除き、実施例１２と同一である。）につき、ラビング方向と偏光板の偏光軸との配置を以下のとおりとした。図９は観察者Ｅと液晶表示装置Ｄ及び以下に使用する座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚの関係を表している。同図の液晶表示装置Ｄはｘ−ｙ平面内に表示面を持ち、観察者Ｅはｚ軸方向から視線Ｌをもって表示面を見る。観察者から見た液晶表示装置の上下方向は同図のｙ軸方向に相当する。同様な座標系を用いて表示面とラビング方向及び偏光板の配置を表したのが図１０である。同図において４１は下基板（照明装置もしくは反射層側）に施されたラビング処理の方向、４２は上基板（観察者側）に施されたラビング処理の方向、ａ_１ 及びａ_２ はそれぞれラビング方向４１、４２がｙ軸となす角、４３と４４はそれぞれ下基板側と上基板側に設けられた偏光板の偏光軸を表し、偏光軸４３とｙ軸のなす角ｂ_１ 、偏光軸４４とｙ軸のなす角をｂ_２ とする。本実施例では、
ａ_１ ＝ａ_２ ＝０゜
ｂ_１ ＝４５゜、ｂ_２ ＝３８゜
とする事によって、後述する印加電圧波形に依存して発現する液晶のねじれ角が略（φｒ＋１８０゜＝３６０゜）の準安定状態を暗視野、略（φｒ−１８０゜＝０゜）の状態を明視野とすることができる。
【０１２１】
以上のようにして得られた素子の電極に図１１に示す電圧波形を印加した。同図において４０１及び４０３は走査電極波形と信号電極波形の合成波形であり、４０２と４０４は同素子の電気光学応答をあらわす。選択期間Ｔ_１ 、Ｔ_４ では３６０゜ツイストの準安定状態、Ｔ_２ 及びＴ_３ では０゜ツイストの準安定状態が発現し、前者を暗状態として光学的に識別されている。パルス幅Ｐｗ＝３００μｓとしてデューティー比１／４００に相当する波形（Ｔ_１ ＝Ｔ_２ ＝Ｔ_３ ＝Ｔ_４ ＝６００μｓ、Ｆ_１ ＝Ｆ_２ ＝Ｆ_３ ＝Ｆ_４ ＝６００μｓ×４００）で駆動したところ、コントラスト比１：７７、明状態の光透過率は約６３％の特性が得られた。また、図９の配置において観察者Ｅを移動して視線Ｌとｚ軸のなす角度を様々に変化させて観察したところ、左右（ｘ軸方向）±６０゜以上、上下（ｙ軸方向）±４５゜以上の領域で視認性の良好な表示が認められた。
【０１２２】
本実施例においては、印加波形によって任意に選択可能な２つの準安定状態間のスイッチングを用いる事により、高コントラスト比で有効視野角の広い液晶表示装置が実現できる。また、選択された状態はメモリータイプの表示装置として実用上充分な時間に渡って保持されるので、単純マトリクス駆動によって走査線数の多い高精細ディスプレイへの対応が可能である。本発明は直視型の液晶表示装置のみならず、各種ライトバルブ、空間光変調器等にも応用できる。
【０１２３】
（実施例１４）
本願発明の液晶電気光学素子をマルチプレックス駆動する場合において、隣接する画素の間隙部分における光透過率が、画素部における光透過率よりも低く、高コントラスト比で有効視野角の広い液晶表示装置の例を示す。
【０１２４】
ガラス基板上に感光性アクリル樹脂層をコートし、フォトマスクを用いた露光の後、現像および焼成を行って該樹脂のストライプパターンを形成した。同ストライプパターン上にＩＴＯ透明電極をスパッタリング法によって成形し、配向膜塗布及びラビング処理を行って片側の基板とした。もう一方の基板としてはガラス上にＩＴＯ透明電極のパターンを形成した上にＳｉＯ_２ 絶縁層を介して配向膜を塗布、ラビングした物を用いた。上記２枚の基板をスペーサを介して張り合わせ、図１２（断面図）に示す構造のセルを得た。同図における符号は図２に示すものと同じであり、符号８は樹脂層、ｄは画素部における液晶層の厚さ、ｄ_０ は非画素部（隣接する画素の間隙部分）の液晶層の厚さを意味する。駆動回路構成は前記の図８によった。
【０１２５】
室温でネマティック相を呈する液晶組成物（Ｅ． Ｍｅｒｃｋ社製：ＺＬＩ−１５５７、△ｎ＝０．１１４７）に光学活性添加剤を加えてｐ_０ ＝３．２μｍに調整した。配向膜材料にはポリイミド（日本合成ゴム社製：ＪＡＬＳ−３００）を使用した。ｄ＝１．８μｍ、ｄ_０ ＝２．５０μｍとした。ラビング処理は一方の基板で画素の辺に対して２０゜の方向で行い、他方の基板ではこれに対して１８０゜回転した方向に処理を施した（φｒ＝１８０゜）。上記液晶組成物を封入するとプレティルト角は上下基板近傍で逆符号をもって約１４゜となり、ｐ_０ ／４＜ｄ＜３ｐ_０ ／４であるため、画素部における液晶分子の配向は基板法線方向に螺旋軸を持つ１８０゜ツイスト状態となった。一方、ｄ／ｐ_０ ≧０．７５なる場合は、液晶のねじれ角はφｒ＋１８０ｎ（ｎ＝１，２，３，・・・）
となり、ｄ_０ ／ｐ_０ ＞０．７５であるため、非画素部では液晶は３６０゜ツイスト状態になった。
【０１２６】
以上のようにして得られた素子の電極に図１３の電圧波形を印加した。同図中３０１は走査電極波形、３０２は信号電極波形、３０３は３０１と３０２の合成波形であって液晶層に印加される駆動電圧波形に相当する。ｔ_０ 及びｔ_１ は各々ツイスト角略（φｒ＋１８０゜）及び略（φｒ−１８０゜）の準安定状態を選択するフレームであり、ｔ_０１とｔ_１１は選択期間、ｔ_０２とｔ_１２は非選択期間を表す。φｒ＋１８０゜＝３６０゜を暗状態、φｒ−１８０゜＝０゜を明状態にするＰ＝５０゜、Ａ＝−５０゜の偏光板配置とする事によって図１１に表される光学応答が得られた。非画素部は電圧無印加の状態で略３６０゜のツイスト角を有するため、同配置において遮光される。選択期間Ｔ_１ 、Ｔ_４ では略３６０゜ツイストの準安定状態、Ｔ_２ 及びＴ_３ では０゜ツイストの準安定状態が発現している。Ｖ_１ ＝３０ｖ、Ｖ_２ ＝１．０ｖ、パルス幅Ｐｗ＝２５０μｓとしてデューティー比１／４００に相当する波形（Ｔ_１ ＝Ｔ_２ ＝Ｔ_３ ＝Ｔ_４ ＝５００μｓ、Ｆ_１ ＝Ｆ_２ ＝Ｆ_３ ＝Ｆ_４ ＝５００μｓ×４００）で駆動したところ、コントラスト比１：１０２、明状態の光透過率は約６３％の特性が得られた。
【０１２７】
以上のように、隣接する画素間のツイスト状態を画素部のツイスト状態と異ならせることにより、非画素部の光透過率を抑え、コントラスト比を高めることができる。
【０１２８】
（実施例１５）
実施例１４と同様の目的のため実施した他の例を示す。その構成の断面図を図１４に示す。同図中の符号は図１２と同じであり、符号９は遮光物質である。
【０１２９】
同図の下側ガラス基板５上に、遮光物質としてクロム（Ｃｒ）の格子状パターン９を形成し、絶縁および平坦化のためのアクリル樹脂層８を介してＩＴＯ透明電極４のストライプパターン、配向膜２を積層し、ラビング処理を行って下側の基板とした。もう一方の上側基板としてはガラス基板５上にＩＴＯ透明電極のパターン４を形成した上にＳｉＯ_２ 絶縁層３を介して配向膜２を塗布して、ラビングした。上記２枚の基板をスペーサを介して上記クロムの格子間でＩＴＯ透明電極が対向して画素を形成する様に張り合わせた。
【０１３０】
実施例１４と同様な液晶組成物および配向膜を用いて、ｄ＝１．８μｍとした。ラビング処理は一方の基板で画素の辺に対して６０゜の方向で行い、他方の基板ではこれに対して１８０゜回転した方向に処理を施した（φｒ＝１８０゜）。上記液晶組成物を封入するとプレティルト角は上下基板近傍で逆符号をもって約１４゜となり、ｐ_０ ／４＜ｄ＜３ｐ_０ ／４であるため、画素部における液晶分子の配向は基板法線方向に螺旋軸を持つ１８０゜ツイスト状態となった。本実施例においては非画素部は金属（Ｃｒ）の格子状パターンによって遮光されている。実施例１４と同様な偏光板の配置、駆動電圧波形で測定したところ、コントラスト比１：１１３、明状態の光透過率は約６１％の特性が得られた。
【０１３１】
以上のように、隣接する画素間に遮光物質を配置することにより、非画素部の光透過率が抑えられコントラスト比を高めることができる。
【０１３２】
（実施例１６）
本実施例は、本願発明の液晶表示装置にカラーフィルターを配置し、単純マトリックス方式によるカラー表示を可能とした例を示す。図１６はその構成の断面図を示す。符号は図１４と同じであるが、符号１０はカラーフィルターの層である。カラーフィルター１０は赤、青、緑の各色を交互に配置することによって多色表示が可能となる。本実施例では、樹脂層８はカラーフィルター１０の膜を平坦化する作用を有しており、遮光物質９によって非画素部の光透過率が抑えられコントラスト比を高めている。液晶材料は、実施例１における（１−６）Ｒ＝０、２８のものを用いる場合が最適であった。本願発明をカラー表示可能な液晶表示装置に実施する場合、コントラスト比や透過率が優れているため、あざやかなカラー表示を実現することができる。
【０１３３】
【発明の効果】
本願発明は、双安定状態を有するカイラルネマティック液晶を電気光学素子として利用する場合、液晶初期状態、Ｒ、偏光軸とラビング方向との角度及びそれらがコントラスト比とオン透過率に及ぼす影響が全く不明であった上記従来の基本的問題点を解決するものであり、本願発明をマルチプレックス駆動により表示素子として応用するに際し、使用に耐え得る充分高い表示特性が得られるものである。本願発明は、ゲーム機用ディスプレイ、液晶テレビ等高コントラストが要求される電気光学素子として極めて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶電気光学素子の断面図。
【図２】本発明の液晶電気光学素子の断面図。
【図３】偏光軸の角度の定義を表す図。
【図４】駆動波形を示す図。
【図５】偏光軸の角度Ｐ、Ａの最適値を示す図。
【図６】駆動波形を示す図。
【図７】電極と配向処理方向の関係を説明する図。
【図８】駆動回路の構成図。
【図９】観察者と座標軸の関係を説明する図。
【図１０】配向処理方向と偏光軸の関係を説明する図。
【図１１】駆動波形を示す図。
【図１２】液晶表示素子の構造を示す断面図。
【図１３】駆動波形を示す図。
【図１４】液晶表示素子の構造を示す断面図。
【図１５】カラー液晶表示素子の構造を示す断面図。
【符号の説明】
１ 液晶分子
２ 配向膜
３ 絶縁層
４ 透明電極
５ ガラス基板
６ シール部材
７ 偏光板
８ 樹脂層
９ 遮光物質
１０ カラーフィルター
１１ 液晶パネル
１２ バックライト
１３、１４ 駆動回路
１５ 基準信号発生回路
１６ 線順次走査回路
１９、２０、３３、４１、４２ ラビング方向
３１、３２ 透明電極
４３、４４ 偏光板の透過軸[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid crystal electro-optical element having bistability using a chiral nematic liquid crystal, and more particularly to a liquid crystal electro-optical element capable of switching using the bistability and capable of simple matrix driving.
[0002]
[Prior art]
Currently, a liquid crystal display device that is put into practical use as a display device of an OA device uses a twisted nematic (TN) type liquid crystal or a super twisted nematic (STN) type liquid crystal. For example, M. Schadt and W.S. Helfrich: Appl. Phys. Lett. 18 (1971) 127; J. Scheffer and J.M. Nehring: Appl. Phys. Lett. 45 (1984) 1021. Since these display methods have no memory effect, they are driven by a simple matrix driving method by a voltage averaging method or an active matrix driving method in which each pixel is provided with an active element such as a transistor.
[0003]
In addition to this, various systems that have not yet been put into practical use have been studied. For example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 59-219720 and 60-196728 disclose techniques for increasing the speed of the voltage averaging method, and are disclosed in Japanese Patent Publication Nos. 1-51818, 3-26368, and JP-A-59-58420 discloses a system using bistable switching.
[0004]
When a simple matrix of TN or STN liquid crystal is driven by the voltage averaging method, if the number of scanning lines is N, a voltage V for selecting ON is set._ONAnd voltage V to select off_OFF  Is given by the following equation:
V_ON/ V_OFF  = ((N^1/2  +1) / (N^1/2  -1))^1/2
As can be seen from this equation, as N increases, V_ON/ V_OFF  Approaches 1, so the contrast ratio also approaches 1. Considering current electro-optical characteristics of liquid crystal, delay of voltage waveform, and the like, N is limited to about 500. Therefore, it is impossible to realize a display device such as a workstation which requires a higher definition display by this method. It also has the disadvantage that the display characteristics greatly depend on the viewing angle and that the switching time from on to off is long.
[0005]
The technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-196728 aims to shorten the above switching time. Here, the pretilt angle on the lower substrate (the angle between the director vector of the liquid crystal molecules in contact with the liquid crystal alignment film provided on the substrate and the substrate surface) is θ.₁  And the pretilt angle on the upper substrate is θ₂  Then, in the initial state, θ₁  And θ₂  Are inversely signed to each other, thereby speeding up switching from ON to OFF. The technique disclosed in JP-A-59-219720 aims to stabilize the operation state by further adding a chiral substance to the liquid crystal material. However, since these techniques do not have bistability and are driven by a voltage averaging method, they are not suitable as high-definition electro-optical elements.
[0006]
Japanese Patent Publication No. 1-51818 (US Pat. No. 4,239,345) discloses a bistable liquid crystal electro-optical element using a chiral nematic liquid crystal. The characteristic of the liquid crystal electro-optical element is that it is twisted by 180 ° in the initial state, but relaxes to two states different from the initial state after applying a voltage, and the two states are very stable. It is. The difference in torsion between the two states is about 360 °, providing for bistable switching between the two states. The two states can be optically identified by sandwiching the liquid crystal electro-optical element between two polarizing plates. In that case, the product (R / λ) obtained by dividing the product R of the thickness d (μm) of the liquid crystal layer and the birefringence Δn of the liquid crystal by the wavelength (λ) of the incident light should be 2 or less. , A high contrast ratio is obtained.
[0007]
The technique disclosed in Japanese Patent Publication No. 3-26368 performs relatively high-speed bistable switching by controlling an applied voltage. However, since a high pretilt angle of 35 ° is required, the liquid crystal alignment film must be formed by oblique evaporation, which is not practical.
[0008]
In the technique disclosed in JP-A-59-58420, it is possible to select whether or not to write by controlling the applied voltage, but in order to erase the display, the liquid crystal layer must be heated to an isotropic phase. . In addition, a very high voltage is required for writing. In addition, the element requiring a high pretilt angle and the liquid crystal display device driven at a high duty ratio by the voltage averaging method have a problem that the effective viewing angle is narrow.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
When a liquid crystal electro-optical element is used as a display element, a three-wavelength light source of red, green, and blue or a white light source is used instead of a monochromatic light source. Is also required to have high light transmittance. Therefore, it is necessary to know the conditions for obtaining high display characteristics for such a light source. Parameters that determine the display characteristics include the birefringence (率 n) of the liquid crystal material, the thickness (d) of the liquid crystal layer, and the angles of the polarization axes of the two polarizing plates. However, the above-mentioned conventional technology only describes that a high contrast ratio can be obtained if R / λ ≦ 2 when monochromatic light is used as a light source for R≡d · △ n. It does not mention the condition of R for obtaining the on-transmittance, nor does it describe the angle of the polarization axis. On the other hand, the conditions for using white light are not discussed at all. Further, although it is described that a high contrast ratio can be obtained if R / λ ≦ 2, the R / λ of each of the cells cited as examples is larger than 2 and light transmission No data on rate or contrast ratio is described. According to our additional test using white light, the two metastable states could be optically distinguished, but no display characteristics that could be used as a display element were obtained.
[0010]
It is not easy to set the polarization axis, which is another parameter for determining the display characteristics, to an optimum angle as described below. In a bistable liquid crystal in which the twist angle of the liquid crystal in the initial state is 180 °, one of the two metastable states is a uniform state in which the twist angle is 0 °, and thus two polarizing plates are arranged at a certain angle. The light transmittance at this time can be obtained relatively easily. However, the other metastable state has a twist angle of about 360 °, and the thickness of the liquid crystal layer must be reduced as much as possible in order to increase the response speed. When the twist angle is large and the thickness of the liquid crystal layer is small, the (white) linearly polarized light that has entered the liquid crystal layer is emitted as elliptically polarized light. I can't ask. However, when R has a certain value, it is not yet clear how to set the polarization axis to increase both the contrast ratio and the ON transmittance.
[0011]
The present invention has been made to solve the above problems, and a first object of the present invention is to use a chiral nematic liquid crystal having a sufficient display characteristic as a display element having both a high contrast ratio and a high on-transmittance. And a liquid crystal electro-optical element.
[0012]
In the liquid crystal electro-optical element of the present invention, the stability of the initial state and the stability of each of the two metastable states are determined by the thickness d of the liquid crystal layer and the spiral pit p inherent to the liquid crystal.₀Ratio (d / p₀). When the torsion angle in the initial state is φr,
0.5φr / 360 ° ≦ d / p₀≦ 1.5φr / 360 °
By satisfying certain conditions, a desired orientation state in the initial state can be realized. However, regarding the two metastable states obtained by applying the drive voltage waveform,
d / p₀~ 0.5φr / 360 ゜
Under the condition of, the metastable state with a twist angle of approximately (φr + 180 °) becomes unstable, and conversely,
d / p₀~ 1.5φr / 360 ゜
, The metastable state in which the torsion angle is substantially (φr−180 °) becomes unstable as compared with the other. When the liquid crystal display device is driven under the condition where the stability of the two metastable states is unbalanced, the selection of the unstable state requires more energy, so that the driving voltage is increased, For example, it is necessary to apply a pulse voltage over a period of time. Furthermore, since the time required for the selected unstable metastable state to relax to the initial state (memory retention time) is short, when the number of scanning electrodes of the display device is large, the relaxation occurs within the non-selection period, and the display quality is reduced. Will be impaired.
[0013]
The angle (pretilt angle) between the substrate interface and the director vector of the liquid crystal molecule also affects the balance between the two metastable states. According to the experimental results of the inventors, it has been found that as the pretilt angle becomes unnecessarily large, the stability of orientation at a twist angle of approximately (φr + 180 °) decreases. If the display device is driven in such a state, the same problem as described above occurs. In addition, when the pretilt angle increases, the effective viewing angle in the display state decreases.
[0014]
In addition, in an operation mode having bistability or a plurality of stable states, an alignment state used for display is not sufficiently stable in terms of energy in many cases, and a plurality of alignment states are caused due to a local displacement of a surface state or a shape of a substrate. There is a problem that states are mixed and display quality is impaired.
[0015]
In the liquid crystal display mode according to the present invention, a shape effect occurs at an edge portion of the transparent electrode. In particular, when a driving voltage waveform is applied to select a metastable state with a twist angle of approximately (φr + 180 °), the edge portion is twisted. There is a problem that the angle (φr−180 °) is expressed in a domain shape and the contrast ratio is reduced. This tendency is most remarkable when an arbitrary side of the pixel portion formed by the intersection of the scanning electrode and the signal electrode coincides with the direction of the rubbing process performed on the substrate interface.
[0016]
In view of the above-mentioned problems in the prior art, a second object of the present invention is to provide a liquid crystal electro-optical element having bistability, in which the viewing angle dependence of display characteristics is small and the number of scanning lines is high, and a high-definition liquid crystal display device To provide
[0017]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, first, in a liquid crystal electro-optical element in which liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates and the pair of substrates is sandwiched between a pair of polarizing plates, a rubbing process is performed on inner surfaces of the pair of substrates. The liquid crystal has an initial state in which the twist angle is approximately φr, and two metastable states in which the twist angle is approximately (φr + 180 °) and approximately (φr−180 °). The helical pitch p of the liquid crystal is such that the two metastable states correspond to the display on and off.₀, The product R of the thickness d of the liquid crystal layer and the birefringence Δn of the liquid crystal, and each angle (P, A) between the polarization axis of each polarizing plate and one rubbing direction. , A and R satisfy the following relationship.
(1) When 0.102 ≦ R ≦ 0.4 and 0.78 ≦ R ≦ 0.96,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2 and −P + β1 ≦ A ≦ −P + β2] or
[P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2 and −P + δ1 ≦ A ≦ −P + δ2]
(2) When 0.72 ≦ R ≦ 0.78,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2 and −P + β1 ≦ A ≦ −P + β2] or
[P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
(3) When 0.40 ≦ R ≦ 0.72, 0.96 ≦ R ≦ 0.99 or 1.05 ≦ R ≦ 1.12,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2] or [P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
(4) When 0.99 ≦ R ≦ 1.02,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2]
(5) When 1.02 ≦ R ≦ 1.05,
[P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
However,

Second, in a liquid crystal electro-optical element in which liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates and the pair of substrates is sandwiched between a pair of polarizing plates, the inner surfaces of the pair of substrates are subjected to a rubbing treatment. A film is provided, and the liquid crystal has an initial state in which the twist angle is approximately φr, and two metastable states in which the twist angle is approximately (φr + 180 °) and approximately (φr−180 °). The helical pitch p of the liquid crystal is set so that the metastable state corresponds to the display on and off.₀, The product R of the thickness d of the liquid crystal layer and the birefringence Δn of the liquid crystal, and each angle (P, A) between the polarization axis of each polarizing plate and one rubbing direction. , A and R satisfy the following relationship.
(1) When 0.1 ≦ R ≦ 0.22,
A = P + α where α = −82 × R + α1
(2) When 0.22 <R ≦ 0.42,
A = P + α where α = −82 × R + α1, or
A = -P + β1
(3) When 0.42 <R ≦ 0.44,
A = P + α where α = −137.5 × R + α2, or
A = -P + β1
(4) When 0.44 <R <0.473,
A = P + γ where -137.5 × R-75 ≦ γ ≦ −60
(5) When 0.473 ≦ R ≦ 0.7,
A = P + α where α = -137.5 × R + α2, or
A = P + α3
(6) When 0.7 <R ≦ 1.06,
A = -P + β1
However, in the above (1) to (6),
−99 ° ≦ α1 ≦ −58 °, −75 ° ≦ α2 ≦ −35 °
−100 ° ≦ α3 ≦ −60 °, 70 ° ≦ β1 ≦ 110 °
Third, in a liquid crystal electro-optical element in which liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates and the pair of substrates is sandwiched between a pair of polarizing plates, an alignment film subjected to rubbing treatment is provided on inner surfaces of the pair of substrates. The liquid crystal has an initial state in which the twist angle is approximately φr, and two metastable states in which the twist angle is approximately (φr + 180 °) and approximately (φr−180 °), and the two metastable states are provided. The helical pitch p of the liquid crystal is adjusted so that the state corresponds to the display on and off.₀, The product R of the thickness d of the liquid crystal layer and the birefringence Δn of the liquid crystal, and each angle (P, A) between the polarization axis of each polarizing plate and one rubbing direction. , A and R satisfy the following relationship.
(1) When 0.1 ≦ R ≦ 0.22,
A = P + α where α = −82 × R + α1
(2) When 0.22 <R ≦ 0.42,
A = P + α where α = −82 × R + α1, or
A = -P + β1
(3) When 0.42 <R ≦ 0.44,
A = P + α, where α = −137.5 × R + α2, or
A = -P + β1
(4) When 0.44 <R ≦ 0.7,
A = P + α where α = -137.5 × R + α2, or
A = P + α3
(5) When 0.7 <R ≦ 1.06,
A = -P + β1
However, in the above (1) to (5),
−94 ° ≦ α1 ≦ −63 °, −70 ° ≦ α2 ≦ −40 °
−95 ° ≦ α3 ≦ −65 °, 75 ° ≦ β1 ≦ 105 °
[0018]
The chiral nematic liquid crystal of the present invention has two metastable states different from the initial state as a relaxed state. For example, if the initial state has a twisted structure with a twist angle of 180 °, it causes a Freedericksz transition. When a voltage pulse having a sufficient absolute value is applied, one has a twist angle of 0 ° (uniform state) and the other has a twist angle of 360 ° as a metastable state. The transition to the metastable state after the Freedericksz transition depends on the waveform and absolute value of the pulse voltage applied thereafter, and the metastable state has the property of spontaneously relaxing to the initial state.
[0019]
The twist angle φr in the initial state is not limited to 180 ° and can be set to any angle. For example, if the torsion angle φr is 90 ° in the initial state, the two metastable states after the Fredericks transition have a torsion angle of φr ± 180 °, that is, a torsion structure of −90 ° and 270 °. It has been experimentally confirmed that switching is possible between the metastable states. The twist angle φr ± 180 ° in the metastable state does not indicate an exact number but includes approximately φr ± 180 °. Spiral pitch p₀  In, the helical pitch inherent to the liquid crystal formed when the thickness of the liquid crystal layer is infinite is adjusted.
[0020]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a structure when the liquid crystal electro-optical element of the present invention is applied to a liquid crystal display device. In the figure, reference numeral 21 denotes a liquid crystal layer of a chiral nematic liquid crystal, 2 denotes an upper and lower alignment film, and 3 denotes an upper and lower insulating film SiO._Two 4 is an upper and lower transparent electrode, 5 is an upper and lower glass substrate, 6 is a sealing member as a spacer, 7 is an upper and lower polarizing plate, 19 is a rubbing direction applied on the lower alignment film, and 20 is an upper alignment film. Shows the rubbing direction applied to the rubbing. In the figure, the rubbing directions 19 and 20 are antiparallel to each other (φr = 180 °), and a chiral nematic liquid crystal 21 is sealed between two superposed substrates 5 via a sealing member 6. ing.
[0021]
In the liquid crystal layer 21, as shown in FIG. 2, the liquid crystal molecules 1 are in contact with the upper and lower alignment films 2 at pretilt angles θ1 and θ2. In the initial state, the angle formed between the director surface of the liquid crystal molecules in contact with the liquid crystal alignment film provided on the substrate and the substrate surface is θ1 on one side and θ2 on the other side, and has an opposite sign to each other. . That is, if the initial twist angle of the chiral nematic liquid crystal is 180 °, the two director vectors are substantially antiparallel to each other.
[0022]
With the direction of the rubbing treatment performed on the lower substrate 5 side as the x-axis and the normal direction of the substrate as the z-axis, the method of measuring the angle with respect to the x-axis direction is as described in the chiral nematic observed in the z-axis direction. If the twist direction of the liquid crystal is clockwise, measure it clockwise; if it is counterclockwise, measure it counterclockwise. P and A are the respective angles of the polarization axes of the lower polarizing plate 7 provided on the lower substrate 7 and the polarizing plate 7 on the upper substrate 5. FIG. 3 shows a state where the angle between one rubbing direction x and the polarization axis indicated by the arrow is defined as P when the spiral structure of the liquid crystal is clockwise when observed in the z-axis direction. The same measurement is performed for the angle A between the polarization axis of the upper polarizing plate and the rubbing direction. In this case, P (A) and P (A) ± nπ (n is an integer) are equivalent to each other.
[0023]
The liquid crystal display device of the present invention selectively switches between two metastable states that occur depending on an applied voltage waveform. The present inventor has found that the time (memory retention time) until the selected metastable state spontaneously relaxes to the initial state is d / p₀  Is experimentally confirmed to depend on, and by treating the result statistically, if the twist angle φr of the liquid crystal in the initial state is 180 °,
0.8φr / 360 ° ≦ d / p₀≦ 1.4φr / 360 °
Under certain conditions, it has been found that a practical memory retention time can be obtained as a display device. Here, the term “practical memory holding time as a display device” means a time equal to or longer than the time required for selection per line × the number of scanning lines, and is described in Japanese Patent Publication No. 1-51818. Bistability, in the sense that it exists permanently, is different in nature. Further, in the technology disclosed in the publication, a pretilt angle of 25 ° to 45 ° is recommended, but in the present invention, it is possible to use a simple method of performing 1 ° to 25 °, ie, rubbing the organic alignment film. A desired effect can be realized by applying the above conditional expression within an appropriate angle range. Similarly, when φr has a twist angle other than 180 °, an appropriate d / p₀  Can be set to adjust the helical pitch.
[0024]
In an operation mode having bistability or multiple stable states, the orientation state used for display is often insufficient in terms of energy, and multiple orientation states coexist due to local displacement of the substrate surface state or shape. However, there is a problem that display quality is impaired. The problem is that the angle between any one side of the pixel formed by the intersection of the scanning electrode and the signal electrode on the upper and lower substrates and the rubbing direction is φ₀  Then, in each of the upper and lower substrates,
10 ゜ ≦ φ₀  ≤80 ゜
When the following conditions are satisfied, high-definition display with a large number of scanning lines can be performed by a simple matrix method while maintaining a wide viewing angle, and the occurrence of defective domains in display pixels is prevented, and uniform display characteristics are obtained. Can be
[0025]
Angle φ between an up-down direction of the liquid crystal display device viewed from an observer and a rubbing direction applied to at least one substrate._a  But,
−45 ° ≦ φ_a  ≤45 ゜
In this case, the effective viewing angle can be increased.
[0026]
In the operation mode having bistability or a plurality of stable states as described above, especially in the case where switching is performed by applying an electric field, alignment control of a non-pixel portion (between pixels) in which electrodes are formed only on one side substrate is not performed. In many cases, it is possible, and there is a problem that light leakage occurs in an area where a dark state is selected, thereby lowering a contrast ratio. In contrast, the light transmittance of the non-pixel portion is preferably lower than that of the pixel portion, and a layer of a light-blocking substance may be formed in the non-pixel portion. Alternatively, the thickness d of the liquid crystal layer in the non-pixel portion₀  To
d₀  / P₀  ≧ 0.75
The light transmittance of the non-pixel portion may be lower than the light transmittance of the pixel portion in the initial state by adjusting the twist angle of the liquid crystal in the non-pixel portion.
[0027]
[Action]
According to the present invention, multiplex driving can be performed by switching a chiral nematic liquid crystal having a bistable state between the bistable states. When the torsion angle φr in the initial state and R = d △ n are parameters, an object of the present invention is to appropriately set the angles P and A between the polarization axis of the polarizing plate and the rubbing direction according to the values of the parameters. It has been demonstrated that it can be achieved by setting. It has been confirmed that the optimum values of the angles P and A are mutually dependent, and the relationship is greatly affected by φr and R.
[0028]
The Morgan condition is a condition for rotating the polarization axis of propagating light to follow the twist of liquid crystal molecules when linearly polarized light is incident in the helical axis direction of the chiral nematic liquid crystal. The helical pitch of the liquid crystal sealed between the two substrates subjected to the alignment treatment is represented by p 'and the refractive index of the liquid crystal with respect to extraordinary light and ordinary light is represented by n_e , N₀ (△ n = n_e -N₀ ), If the wavelength of light is λ, it is expressed by the following equation.
p '· △ n≫λ
In the liquid crystal having a bistable state according to the present invention, p 'has an absolute value of 2πd / (φr + 180 °) or 2πd / (φr-180 °). π is an angle of 180 °. In a liquid crystal cell in which each parameter is set so as to satisfy the above-mentioned Morgan condition, linearly polarized light having a polarization axis parallel (or perpendicular) to the alignment direction n1 of liquid crystal molecules in contact with one substrate is incident. The polarization axis rotates following the twist of the orientation of the liquid crystal molecules, and is emitted as linearly polarized light parallel (or perpendicular) to the orientation direction n2 of the liquid crystal molecules in contact with the other substrate. When linearly polarized light having a polarization axis in a direction other than parallel (or perpendicular) to n1 is incident, the light is emitted as elliptically polarized light. A widely used TN type liquid crystal display device performs switching between a vertical alignment state and a twisted state satisfying Morgan's condition. The twist angle is 90 °, and the optimal value of p ′ · Δn is approximately 1.88 μm (p′ｐ20 μm, Δn ≒ 0.094). In this case, a very high contrast ratio and ON transmittance can be obtained by arranging two polarizing plates so that their polarizing axes are parallel (or perpendicular) to n1 and n2, respectively.
[0029]
The above does not apply to the relationship between the display characteristics of the bistable liquid crystal display device used in the present invention and Morgan's conditions. In the present invention, if the torsion angle in the initial alignment state is φr, switching is performed between two torsion states of the torsion angles of φr + π and φr-π. The torsion state with the larger absolute value of the torsion angle is S⁺  , The other S⁻  I will call it. Where S⁺  And S⁻  Are set so that both satisfy the Morgan condition, and two polarizing plates are installed so that their polarization axes are parallel (or perpendicular) to n1 and n2, respectively.⁺  And S⁻  Can hardly be optically distinguished. Because S⁺  N1 and n2 are S⁻  N1 and n2 of⁺  Outgoing light is also S⁻  Is also linearly polarized light polarized in the same direction. When two polarizing plates are installed so that their polarization axes are not parallel (or perpendicular) to n1 and n2, respectively, they can be optically distinguished but endure practical use as a display element. The same display characteristics cannot be obtained. The above has nothing to do with the value of φr.
[0030]
On the other hand, for example, S⁺  If does not satisfy Morgan's condition, it is considered that: However, a case in which φr expected to obtain the most excellent display characteristics is approximately 180 ° will be described. Hereinafter, L is S⁺  Spiral pitch.
(1) L · (n_e  -N₀  ) Is sufficiently smaller than λ, S⁺  Behaves as an optically active medium that is isotropic but has several degrees of optical rotation per 1 μm (de Gennes, PG The Physics of Liquid Crystals, p. 226 Oxford University Press (1974)). Rotation angle φ_rot  And the angle φ between the polarization axes of the two polarizing plates₁₂90 ゜ + φ_rot  Then S⁺  Obviously, the light transmittance of the sample is minimized.
[0031]
On the other hand, S⁻  Is about 0 °. However, since chiral nematic liquid crystal has an inherent twist, even if φr = 180 °, S⁻  Is not strictly 0 °. However, if the torsion angle is not too large, in other words, under the condition of φr {180}, S⁻  May be regarded as a twist-free birefringent medium. Therefore, φ₁₂= 90 ° + φ_rot  Under the condition that⁻  In order to increase the light transmittance, the polarization axis direction of one of the polarizers and S⁻  By setting the angle (φn) between the liquid crystal molecules and the average orientation direction at about 45 °, a very high contrast ratio and ON-state brightness should be obtained.
(2) L · (n_e  -N₀  ) Is greater than λ but not large enough to satisfy Morgan's condition,
In this case, even if φn = 0 °, S⁺  Is elliptically polarized light, and the major axis direction of the ellipse does not coincide with n2. Therefore, if, for example, φn = 0 ° and φ12 = 90 °, a high contrast ratio and ON-state brightness can be expected.
(3) L · (n_e  -N₀  ) Is an intermediate value between the above (1) and (2). In this case, a display characteristic intermediate between (1) and (2) should be expected. It is not easy to imagine the display characteristics when φr deviates significantly from 180 °. However, if Morgan's condition is not satisfied,⁺  And S⁻  It can be avoided that the polarization states of the outgoing lights at the are almost the same and are difficult to optically distinguish.
[0032]
【Example】
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the liquid crystal electro-optical element used in the example. A transparent electrode 4 and an insulating film SiO are formed on each of the upper substrate 5 and the lower substrate 5.₂  3 and a liquid crystal alignment film 2 were formed, and rubbing was further performed. Polyimide was used as the liquid crystal alignment film 2. If the initial alignment state is, for example, φr = 180 °, the two substrates 5 are overlapped via the spacer 6 so that the rubbing directions 19 and 20 are antiparallel to each other as shown in the figure. If φr = 90 °, the two substrates are overlapped so that the rubbing directions form a 90 ° angle with each other. A chiral nematic liquid crystal 21 was sealed between the two substrates, and a polarizing plate 7 was arranged to produce a liquid crystal electro-optical element. When the liquid crystal electro-optical element is used in a reflection type, a reflection plate may be provided outside the upper polarizing plate 7 or the lower polarizing plate 7. Each of the liquid crystal materials is made by adding an optically active substance that induces a helical structure to a commercially available nematic liquid crystal exhibiting a positive dielectric anisotropy Δε.₀  Was adjusted. In Examples 1 to 7, the optically active substance is E. coli. R-811 manufactured by Merck was used, and S-811 manufactured by the company was used in Examples 8 and thereafter.
[0033]
Although Δn so far means an apparent Δn, in the following embodiments, Δn unique to liquid crystal is used. This is because, since the pretilt angle is generally 1 ° to 5 °, the apparent Δn in the twisted alignment state and the Δn inherent in the liquid crystal may be regarded as substantially equal. However, when the pretilt is large, the apparent Δn inherent in the liquid crystal greatly differs from the apparent Δn, so the apparent Δn must be used. Furthermore, since the alignment state of the liquid crystal is different between the case where the display is performed in the memory state without applying the voltage and the case where the display is performed while the voltage is applied, the apparent value of Δn should be different. However, since the voltage is about 1 volt, the difference in apparent Δn between when the voltage is applied and when no voltage is applied is small, and it is considered that the difference can be ignored. Therefore, although the average apparent Δn during the display operation should be used, Δn unique to the liquid crystal is used in the following embodiments. As described above, when performing an orientation process to give a large pretilt or applying a high voltage to greatly deform the orientation distribution for display, the following Δn and R (= d · Δn) Must be replaced with the average apparent value during the display operation.
[0034]
In order to set R of the liquid crystal layer to various values, several kinds of liquid crystal materials having different Δn were used, and the thickness of the liquid crystal layer was set between 1.7 μm and 25.0 μm. Table 1 below shows Δn of the liquid crystal material and the numbers of Examples using the liquid crystal material. The pretilt angle varies depending on the liquid crystal material, the alignment film, and the rubbing method, but was about 1 ° to 5 ° in Examples 1 to 7.
[0035]
[Table 1]

Evaluation of whether or not the condition of Morgan is satisfied is performed by using the helical pitch L of the metastable state having the larger twist angle of the two metastable states, Δn of the liquid crystal, and the wavelength of light (380 nm to 780 nm). went. The following relationship exists between the twist angle φr and L in the initial state.
L = {2π / (φr + π)} · d
Between the left side (L·Ｌn) and R of the inequality showing Morgan's condition,
L · △ n = 2π · R / (φr + π)
There is a relationship. Therefore, setting the polarization axis direction according to the value of L · Δn is nothing but setting the polarization axis direction according to the values of R and φr. Only when φr = 180 °, L · △ n is S⁻  Equal to the retardation of
[0036]
The rubbing direction 19 applied to the lower substrate 5 is defined as the x-axis. In Examples 1 to 7, since the spiral structure observed in the normal direction of the substrate (z-axis direction) is clockwise twisted clockwise, the angle P of the polarization axis of the lower polarizer 7 is defined as shown in FIG. I will do it. Needless to say, P and P ± nπ (where n is an integer) are equivalent to each other. The same applies to A. The case where ± nπ / 2 is simultaneously added to P and A and the case where it is not added are equivalent to each other. For example, (P, A) = (160 °, 50 °) and (P, A) = (70 °, 140 °) both give the same display characteristics.
[0037]
Switching between the two metastable states in which the twist angles of the liquid crystal are approximately 360 ° and approximately 0 °, respectively, was performed by applying a voltage waveform as shown in FIG. The metastable state at approximately 0 ° is optically isotropic. The isotropic phase includes a case where the birefringence or R is not strictly zero but has an extremely small value and can be optically regarded as an isotropic phase. Then, P and A were set at various angles, the light transmittance in the 360 ° and 0 ° twisted states was measured, and the contrast ratio was calculated. For the measurement, a polarizing microscope BH-2 manufactured by Olympus Corporation and a white light source attached thereto were used. However, the light transmittance of the used polarizing plate is about 48%.
[0038]
The display characteristics of the reflection type can be evaluated as follows using the display characteristics of the transmission type. In the transmission type liquid crystal display device shown in FIG. 1, a case where a reflection plate is provided below a lower polarizing plate and used in a reflection type will be considered. Strength I₀  Is incident on the upper polarizer and the intensity I_a  Light is reflected. Intensity I of light passing through the upper polarizer and entering the liquid crystal layer_a  And the intensity of light transmitted through the lower polarizing plate is represented by I_b  And The light reflected by the reflector and re-entering the lower polarizer is also I_b  It is. Then, the intensity of light transmitted through the lower polarizing plate and re-entering the liquid crystal layer is set to I_c  And The intensity of light (reflected light) transmitted through the upper polarizer is I_d  It is. I_d  And I_c  The ratio is I_b  And I_a  , The following equation holds.
I_d  = I_c  ・ I_b  / I_a                (1)
Next, if the light transmittance of the polarizing plate for unpolarized light is x, and the light transmittance of the polarizing plate for linearly polarized light polarized parallel to the light transmission axis of the polarizing plate is y, then I_a  And I_c  Can be written as
I_a  = XI₀                                      (2)
I_c  = YI_b                                      (3)
By substituting equations (2) and (3) into equation (1),
I_d  = (I_b ^a/ I₀  ) ・ (Y / x)
Is obtained. Here, strictly speaking, y ≠ 1 but approximation to y = 1, and if the light intensities in the ON state and the OFF state are distinguished by subscripts (ON) and (OFF), respectively, The contrast ratio in a mold is given by the following equation:
C. R. = I_a  (ON) / I_d  (OFF)
= (I_b  (ON) / I_b  (OFF))²
Thus, the reflectance I of the reflection type_d  / I₀  And the contrast ratio are the transmittance I of the transmission type._b  / I₀  And the contrast ratio.
[0039]
(Example 1) When φr = 180 °,
(1-1) When R = 0.102,
An appropriate amount of the optically active substance R-811 (manufactured by Merck) is added to ZLI-4119 (manufactured by Merck) ({n = 0.060) and the helical pitch P is adjusted so that φr becomes approximately 180 °.₀  Was adjusted. The liquid crystal layer thickness d was 1.7 μm. L = d = 1.7 μm and d / P₀  ≒ 0.5. The relationship between L · Δn and the wavelength is as follows.
L · △ n = 0.102 <λ (0.38 to 0.78)
Therefore, Morgan's condition is not satisfied.
[0040]
360 ° and 0 ° Twisted Light Transmittance I for Various P and A Combinations⁺  And I⁻  Table 2 shows the contrast ratio CR (rounded to the third decimal place).
[0041]
[Table 2]

The light transmittance is based on the light incident on the polarizing plate. Below the table, L · Δn, wavelength (WL), and values of d and L are also described. However, among the combinations of P and A, those marked with * in both the T and R columns are listed as comparative examples. That is, No. 1 to No. No. 13 is an example. 14-No. 17 combinations are comparative examples.
[0042]
The meanings of T and R are as follows. The "o" in the T column indicates that the combination is sufficiently usable as a transmissive display element, and the "o" in the R column is sufficiently usable as a reflective display element. When R = 0.102, No. 1 to No. The combination of 6 can be used both as a transmission type and a reflection type. And, No. 7 to No. The combination of 13 is insufficient for a transmission type. However, in the case of the reflection type, since the brightness in the ON state is more important than the contrast ratio, the reflection type can be used. The reflection type contrast ratio may be at least 1: 2. Therefore, if the contrast ratio measured as a transmission type is 1: 1.4, it is sufficient as a reflection type. No. 1 listed as a comparative example. 14-No. The combination of 17 cannot be used as a transmission type or a reflection type.
[0043]
FIG. 5 shows the result of visually evaluating whether a reflective plate was actually installed and used as a reflective type. It was found that if P and A were combined within the shaded area in the figure, they could be used. Hereinafter, the results for various Rs are shown, but the views of those tables are the same.
[0044]
(1-2) When R = 0.16,
Table 3 shows the results.
[0045]
[Table 3]

(1-3) When R = 0.2,
Table 4 shows the results.
[0046]
[Table 4]

(1-4) When R = 0.22,
Table 5 shows the results.
[0047]
[Table 5]

(1-5) When R = 0.24,
Table 6 shows the results.
[0048]
[Table 6]

(1-6) When R = 0.28,
Table 7 shows the results.
[0049]
[Table 7]

(1-7) When R = 0.32,
Table 8 shows the results.
[0050]
[Table 8]

(1-8) When R = 0.36,
Table 9 shows the results.
[0051]
[Table 9]

(1-9) When R = 0.4,
Table 10 shows the results.
[0052]
[Table 10]

(1-10) When R = 0.42,
Table 11 shows the results.
[0053]
[Table 11]

(1-11) When R = 0.428,
Table 12 shows the results.
[0054]
[Table 12]

(1-12) When R = 0.44,
Table 13 shows the results.
[0055]
[Table 13]

(1-13) When R = 0.45,
Table 14 shows the results.
[0056]
[Table 14]

(1-14) When R = 0.56,
Table 15 shows the results.
[0057]
[Table 15]

(1-15) When R = 0.64,
Table 16 shows the results.
[0058]
[Table 16]

(1-16) When R = 0.7,
Table 17 shows the results.
[0059]
[Table 17]

(1-17) When R = 0.72,
Table 18 shows the results.
[0060]
[Table 18]

(1-18) When R = 0.78,
Table 19 shows the results.
[0061]
[Table 19]

(1-19) When R = 0.84,
The results are shown in Table 20.
[0062]
[Table 20]

(1-20) When R = 0.96,
The results are shown in Table 21.
[0063]
[Table 21]

(1-21) When R = 1.02,
The results are shown in Table 22.
[0064]
[Table 22]

(1-22) When R = 1.05,
The results are shown in Table 23.
[0065]
[Table 23]

(1-23) When R = 1.06,
The results are shown in Table 24.
[0066]
[Table 24]

(1-24) When R = 1.08,
Table 25 shows the results.
[0067]
[Table 25]

(1-25) When R = 1.12,
The results are shown in Table 26.
[0068]
[Table 26]

(1-26) When R = 1.9,
The results are shown in Table 27.
[0069]
[Table 27]

(1-27) When R = 2.5,
The results are shown in Table 28.
[0070]
[Table 28]

(1-28) In the above examples, it was also confirmed that the liquid crystal optical element was suitable for practical use if φr was in the range of 160 ° ≦ φr ≦ 200 °. The mutual setting values of P and A are different between the reflection type and the transparent type because the reflection type contrast ratio is the square of the transmission type contrast ratio between the reflection type and the transparent type, as described above. It becomes as follows.
(1) In case of reflection type
{Circle around (1)} When 0.102 ≦ R ≦ 0.4 or 0.78 ≦ R ≦ 0.96,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2 and −P + β1 ≦ A ≦ −P + β2] or [P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2 and −P + δ1 ≦ A ≦ −P + δ2]
{Circle around (2)} When 0.72 ≦ R ≦ 0.78,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2 and −P + β1 ≦ A ≦ −P + β2] or [P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
(3) When 0.40 ≦ R ≦ 0.72, 0.96 ≦ R ≦ 0.99, or 1.05 ≦ R ≦ 1.12,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2] or
[P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
(4) When 0.99 ≦ R ≦ 1.02,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2]
(5) When 1.02 ≤ R ≤ 1.05,
[P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
However,

(2) In the case of transmission type,
(1) When 0.1 ≦ R ≦ 0.22,
A = P + α where α = −82 × R + α1
(2) 0.22 <R ≦ 0.42,
A = P + α, where α = −82 × R + α1, or
A = -P + β1
(3) 0.42 <R ≦ 0.44,
A = P + α, where α = -137.5 × R + α2, or
A = -P + β1
(4) 0.44 <R <0.473,
A = P + γ where -137.5 × R−75 ≦ γ ≦ −60
(5) When 0.473 ≦ R ≦ 0.7,
A = P + α where α = -137.5 × R + α2 or
A = P + α3
(6) When 0.7 <R ≦ 1.06,
A = -P + β1
However, −99 ° ≦ α1 ≦ −58 ° −75 ° ≦ α2 ≦ −35 °
−100 ° ≦ α3 ≦ −60 ° 70 ° ≦ β1 ≦ 110 °
(3) In the case of a transmission type in which φr is 180 °, conditions for obtaining a good characteristic of a contrast ratio of 10 or more and an ON transmittance of 10% are as follows.
(1) When 0.1 ≦ R ≦ 0.22,
A = P + α where α = −82 × R + α1
(2) 0.22 <R ≦ 0.42,
A = P + α, where α = −82 × R + α1, or
A = -P + β1
(3) 0.42 <R ≦ 0.44,
A = P + α, where α = -137.5 × R + α2, or
A = -P + β1
(4) 0.44 <R ≦ 0.7,
A = P + α where α = -137.5 × R + α2 or
A = P + α3
(5) When 0.7 <R ≦ 1.06,
A = -P + β1
However, −94 ° ≦ α1 ≦ −63 ° −70 ° ≦ α2 ≦ −40 °
−95 ° ≦ α3 ≦ −65 ° 75 ° ≦ β1 ≦ 105 °
(Example 2) When φr = 90 °,
In this embodiment, the helical pitch p is set so that φr is approximately 90 °.₀  Was adjusted. For example, in Example 2-1, ZLI-4262 was used as the liquid crystal material, and d = 2.0 μm. L = 2.67 μm, d / p₀  ≒ 0.3.
[0071]
Hereinafter, data for various Rs are shown, and their viewpoints are the same as those in Example 1.
[0072]
(2-1) When R = 0.2,
The results are shown in Table 29.
[0073]
[Table 29]

(2-2) When R = 0.28,
The results are shown in Table 30.
[0074]
[Table 30]

(2-3) When R = 0.318,
The results are shown in Table 31.
[0075]
[Table 31]

(2-4) When R = 0.56,
The results are shown in Table 32.
[0076]
[Table 32]

(2-5) When R = 0.84,
The results are shown in Table 33.
[0077]
[Table 33]

(Embodiment 3) When φr = 160 °,
In this embodiment, the helical pitch p is set so that φr is approximately 160 °.₀  Was adjusted. For example, in Example 3-1, ZLI-4262 was used as the liquid crystal material, and d = 2.0 μm. L = 2.12 μm, d / p₀  ≒ 0.5.
[0078]
Hereinafter, data for various Rs are shown.
[0079]
(3-1) When R = 0.2,
The results are shown in Table 34.
[0080]
[Table 34]

(3-2) When R = 0.28,
The results are shown in Table 35.
[0081]
[Table 35]

(3-3) When R = 0.318,
The results are shown in Table 36.
[0082]
[Table 36]

(3-4) When R = 0.56,
The results are shown in Table 37.
[0083]
[Table 37]

(3-5) When R = 0.84,
The results are shown in Table 38.
[0084]
[Table 38]

(Embodiment 4) When φr = 200 °,
In this embodiment, the helical pitch p is set so that φr is approximately 200 °.₀  Was adjusted. For example, in Example 4-1, ZLI-4262 was used as the liquid crystal material, and d = 2.0 μm. L = 1.89 μm, d / p₀  ≒ 0.6.
[0085]
Hereinafter, data for various Rs are shown.
[0086]
(4-1) When R = 0.2,
The results are shown in Table 39.
[0087]
[Table 39]

(4-2) When R = 0.28,
The results are shown in Table 40.
[0088]
[Table 40]

(4-3) When R = 0.318,
The results are shown in Table 41.
[0089]
[Table 41]

(4-4) When R = 0.56,
The results are shown in Table 42.
[0090]
[Table 42]

(4-5) When R = 0.84,
The results are shown in Table 43.
[0091]
[Table 43]

(Embodiment 5) When φr = 270 °,
In this embodiment, the helical pitch p is set so that φr is approximately 270 °.₀  Was adjusted. For example, in Example 5-1, ZLI-4262 was used as the liquid crystal material, and d = 2.0 μm. L = 1.6 μm, d / p₀  ≒ 0.8.
[0092]
Hereinafter, data for various Rs are shown.
[0093]
(5-1) When R = 0.2,
The results are shown in Table 44.
[0094]
[Table 44]

(5-2) When R = 0.28,
The results are shown in Table 45.
[0095]
[Table 45]

(5-3) When R = 0.318,
The results are shown in Table 46.
[0096]
[Table 46]

(5-4) When R = 0.56,
The results are shown in Table 47.
[0097]
[Table 47]

(5-5) When R = 0.84,
The results are shown in Table 48.
[0098]
[Table 48]

(Embodiment 6) When φr = 140 ° and R = 0.28,
In this embodiment, the helical pitch p is adjusted by adding an appropriate amount of the optically active substance to ZLI-4262 so that φr becomes approximately 140 °.₀  Was adjusted. d = 2.8 μm, L = 3.15 μm, d / p₀  ≒ 0.4.
[0099]
The resulting data is shown in Table 49.
[0100]
[Table 49]

(Embodiment 7) When φr = 220 ° and R = 0.28,
In this embodiment, the helical pitch p is adjusted by adding an appropriate amount of the optically active substance to ZLI-4262 so that φr becomes approximately 220 °.₀  Was adjusted. d = 2.8 μm, L = 2.52 μm, d / p₀  ≒ 0.6.
[0101]
The resulting data is shown in Table 50.
[0102]
[Table 50]

The results shown here are only examples. The inventor analyzed a large number of measurement results to find conditions for obtaining a contrast ratio of 1: 2 or more at 160 ° ≦ φr ≦ 200 °. For example, FIG. 5 shows a combination of P and A satisfying such a condition when R = 0.102. P and A may be combined within the shaded area in the figure. Considering that the case where ± nπ / 2 is simultaneously added to P and A and the case where it is not added are equivalent to each other, the range is defined by eight straight lines having a slope of 1 or −1. The figure shows. The range depends on R. The relationship between P and A in a certain R is as follows.
(1) When 0.102 ≦ R ≦ 0.4 or 0.78 ≦ R ≦ 0.96,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2 and −P + β1 ≦ A ≦ −P + β2] or [P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2 and −P + δ1 ≦ A ≦ −P + δ2]
(2) When 0.72 ≦ R ≦ 0.78,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2 and −P + β1 ≦ A ≦ −P + β2] or [P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
(3) When 0.40 ≦ R ≦ 0.72, 0.96 ≦ R ≦ 0.99, or 1.05 ≦ R ≦ 1.12,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2] or
[P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
(4) When 0.99 ≦ R ≦ 1.02,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2]
(5) When 1.02 ≦ R ≦ 1.05,
[P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
However,

This makes it possible to provide a reflective display element that can be put to practical use. Some of them can be put to practical use as transmissive display elements.
[0103]
Further, a condition for simultaneously obtaining a contrast ratio of about 1:10 or more and an on-transmittance of about 10% or more that is practically usable as a transmissive display element at 160 ° ≦ φr ≦ 200 ° was determined. The results are shown below.
(1) When 0.1 ≦ R ≦ 0.22,
A = P + α where α = −82 × R + α1
(2) 0.22 <R ≦ 0.42,
A = P + α, where α = −82 × R + α1, or
A = -P + β1
(3) 0.42 <R ≦ 0.44,
A = P + α, where α = -137.5 × R + α2, or
A = -P + β1
(4) 0.44 <R <0.473,
A = P + γ where -137.5 × R−75 ≦ γ ≦ −60
(5) When 0.473 ≦ R ≦ 0.7,
A = P + α where α = -137.5 × R + α2 or
A = P + α3
(6) When 0.7 <R ≦ 1.06,
A = -P + β1
However, −99 ° ≦ α1 ≦ −58 ° −75 ° ≦ α2 ≦ −35 °
−100 ° ≦ α3 ≦ −60 ° 70 ° ≦ β1 ≦ 110 °
When φr = 180 °, the following may be performed.
(1) When 0.1 ≦ R ≦ 0.22,
A = P + α where α = −82 × R + α1
(2) 0.22 <R ≦ 0.42,
A = P + α, where α = −82 × R + α1, or
A = -P + β1
(3) 0.42 <R ≦ 0.44,
A = P + α, where α = -137.5 × R + α2, or
A = -P + β1
(4) 0.44 <R ≦ 0.7,
A = P + α where α = -137.5 × R + α2 or
A = P + α3
(5) When 0.7 <R ≦ 1.06,
A = -P + β1
However, −94 ° ≦ α1 ≦ −63 ° −70 ° ≦ α2 ≦ −40 °
−95 ° ≦ α3 ≦ −65 ° 75 ° ≦ β1 ≦ 105 °
By doing so, it is possible to provide a display element that can be practically used as a transmission type or a reflection type.
[0104]
If R became larger than 1.06 μm and approached Morgan's condition, display characteristics that could be practically used as a transmission type could not be obtained no matter how the polarization axis was set. Conversely, if R is reduced, the twist state in which the absolute value of the twist angle is large approaches the isotropic phase, and the contrast ratio increases. However, if R is too small, the ON transmittance decreases. Further, since the lower limit of the birefringence of the liquid crystal material is about 0.06, it is difficult to make R <0.10. Therefore, a desirable range of R is 0.10 ≦ R ≦ 1.06.
[0105]
Particularly, when P and A are set as described above in the range of 0.18 ≦ R ≦ 0.30, a very high contrast ratio and a very high on-transmittance can be obtained at the same time.
[0106]
By appropriately setting the polarization axis and φr of the polarizing plate as shown here, if 0.10 ≦ R ≦ 1.06, the display characteristics that can withstand practical use as both a transmissive display device and a reflective display device are obtained. If R> 1.06, display characteristics that can be put to practical use as a reflective display device can be obtained.
[0107]
In the above-described embodiment, only the case where the twist direction of the helical structure is clockwise when observed in the z-axis direction has been described. However, when the spiral structure is twisted counterclockwise, the angle of the polarization axis is changed in the counterclockwise direction. Just measure it.
[0108]
(Example 8)
This embodiment shows another embodiment when φr = 180 °. As a cell, as shown in FIG. 2, an ITO transparent electrode pattern is formed on glass, a polyimide alignment film is applied, and a rubbed surface of the substrate is opposed to the substrate while maintaining a desired d via an appropriate spacer. The arranged thing was used. Examples 1 to 7 correspond to d / p₀  And the shape of the electrodes.
[0109]
An optically active additive (manufactured by E. Merck: S811) was added to a liquid crystal composition exhibiting a nematic phase at room temperature (manufactured by E. Merck: MJ90179, Δn = 0.167), and p was added.₀  = 2.9 μm. S-811 induces a left-handed helical structure. The cell was configured such that a polyimide alignment film (AL3046, manufactured by Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd.) was rubbed in an antiparallel direction (180 degrees) between the upper and lower substrates so that d = 1.7 μm. When the above liquid crystal composition is sealed, the pretilt angle becomes about 4 ° in the opposite sign near the upper and lower substrates, and p₀  / 4 <d <3p₀  Therefore, the orientation of the liquid crystal molecules was in a 180 ° twist state having a helical axis in the normal direction of the substrate. d / p₀  = 0.586, which satisfies the condition 0.8φr / 360 ° ≦ d / p ≦ 1.4φr / 360 °. The sample obtained as described above was sandwiched between two polarizing plates in an arrangement of P = 50 ° and A = −50 °, and the voltage waveform of FIG. 6 was applied to the electrodes. In FIG. 6, reference numeral 201 denotes a scanning electrode waveform, 202 denotes a signal electrode waveform, 203 denotes a composite waveform of 201 and 202, and 204 denotes an electro-optical response of the cell. Selection period t₀₁Now, the metastable state of about 360 ° twist, the next selection period t₁₁In this case, a metastable state of 0 ° twist (hereinafter referred to as a uniform) appears, and the former is optically identified as a dark state. V1 = 28.0 v, V2 = 1.5 v, pulse width Pw = 350 μs, and a waveform corresponding to a duty ratio of 1/400 (t₀₁= T₁₁= 700 μs, t₀  = T₁  = 700 μs × 400), the non-selection period (t₀₂= T₁₂The transmitted light level in the parentheses is stable, the contrast ratio is 1:77, and the light transmittance in the bright state is about 60% (provided that two polarizing plates are arranged in the same optical system with the polarization axes parallel to each other). Is set to 100%. The same applies hereinafter.).
[0110]
(Example 9)
In Example 8, an optically active additive was added to a liquid crystal composition (manufactured by Chisso Petrochemical: SS-4103, Δn = 0.154) to obtain p.₀  = 3.04 μm. The cell was configured such that a polyimide alignment film (JALS-300 manufactured by Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd.) was rubbed in an antiparallel direction (180 degrees) between the upper and lower substrates so that d = 1.65 μm. When the above liquid crystal composition is sealed, the pretilt angle becomes about 6 ° with an opposite sign near the upper and lower substrates, and p₀  / 4 <d <3p₀  Therefore, the orientation of the liquid crystal molecules was in a 180 ° twist state having a helical axis in the normal direction of the substrate. d / p₀  = 0.543. The sample obtained as described above was sandwiched between two polarizing plates in an arrangement of P = 50 ° and A = −50 °, and the voltage waveform of FIG. 6 was applied to the electrodes. In the same optical arrangement as in the eighth embodiment, V1 = 30.0 v, V2 = 1.8 v, pulse width Pw = 300 μs, and driving with a waveform corresponding to a duty ratio of 1/400. As in Example 8, the characteristics were stable, with a contrast ratio of 1: 112 and a light transmittance in the bright state of about 70%.
[0111]
(Example 10)
As in Example 9, p₀  = 2.36 μm, d = 1.65 μm, d / p₀  = 0.70, and the same voltage waveform was applied in an arrangement of P = 50 ° and A = −50 °. The transmitted light amount level during the non-selection period was stable as in Example 8, and the contrast ratio was 1: 114 and the light and other light transmittance in the bright state was 70%.
[0112]
(Example 11)
As in Example 9, p₀  = 4.13 μm, d = 1.65 μm, d / p₀  = 0.40, and the same voltage was applied in the arrangement of P = 50 ° and A = −50 °. The transmitted light amount level during the non-selection period was stable as in Example 8, and the contrast ratio was 1: 110 and the light transmittance in the bright state was 70%.
[0113]
(Comparative Example 1)
d = 1.8 μm, p₀  = 2.5 μm (d / p₀  = 0.72), and the other conditions were the same as in Example 8. p₀  / 4 <d <3p₀  / 4, the orientation of the liquid crystal molecules is in a 180 ° twisted state having a helical axis in the normal direction of the substrate. The behavior was extremely low and the behavior was relaxed to the initial state during the non-selection period.
(Comparative Example 2)
d = 1.8 μm, p₀  = 4.9 μm (d / p₀  = 0.37), and the other conditions were the same as in Example 8. p₀  / 4 <d <3p₀  / 4, the orientation of the liquid crystal molecules is in a 180 ° twist state, but the state of the 0 ° uniform is maintained when the voltage waveform is applied, but the stability of the 360 ° twist state is poor, and the non-selection period During the course, the behavior was relaxed to the initial state.
[0114]
(Comparative Example 3)
A sample having a pretilt angle of about 26 ° was prepared using an obliquely deposited SiO film as the liquid crystal alignment layer. A liquid crystal material similar to that used in Example 8 was sealed with d = 1.7 μm, and the driving voltage waveform of FIG. 6 was applied. As a result, only the metastable state of the uniform alignment was developed and switching to the 360 ° twist state was performed. Was impossible.
[0115]
By using switching between two metastable states that can be arbitrarily selected by an applied voltage waveform, a liquid crystal display device having a high contrast ratio and a wide effective viewing angle can be realized. Further, in this device, the selected state is maintained for a practically sufficient time as a memory type display device, so that it is possible to cope with a high definition display having a large number of scanning lines by simple matrix driving. The present invention can be applied not only to a direct-view type liquid crystal display device but also to various light valves, spatial light modulators, electrophotographic printer heads, and the like.
[0116]
(Example 12)
As the cell, a cell in which an ITO transparent electrode pattern was formed on glass, a polyimide alignment film was applied, and a rubbing treatment was performed on the surface of the substrate and a desired spacer was maintained at an appropriate distance via an appropriate spacer was used. FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view.
[0117]
(12-1)
An optically active additive was added to a liquid crystal composition exhibiting a nematic phase at room temperature (manufactured by E. Merck: ZLI-1557, Δn = 0.1147) to give p.₀  = 3.5 μm. As shown in FIG. 7, the cell was rubbed in the rubbing direction 33 on a polyimide alignment film (AL3046, manufactured by Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd.) so that d = 1.8 μm. The rubbing process is performed by 45 ° on one substrate with respect to the sides of the transparent electrodes 31 and 32 (φ shown in FIG. 7).₀  = 45 °), and the other substrate was processed in a direction rotated by 180 °. When the above liquid crystal composition is sealed, the pretilt angle becomes about 4 ° in the opposite sign near the upper and lower substrates, and p₀  / 4 <d <3p₀  As a result, the orientation of the liquid crystal molecules was in a 180 ° twist state having a helical axis in the normal direction of the substrate. The sample obtained as described above was sandwiched between two polarizing plates in an arrangement of P = 50 ° and A = −50 °, and the voltage waveform of FIG. As shown in FIG. 8, the circuit mechanism generally includes a liquid crystal panel 11, a backlight 12 as illumination means, and a driving circuit (shift register / logic circuit) 13 for applying a voltage to a scanning electrode group of the liquid crystal panel. , 14 is a drive circuit (shift register / latch / logic circuit) for applying a voltage to the signal electrode group, 15 is a reference signal generation circuit, and 16 is a line sequential scanning circuit (ROM / controller). As a result, the non-selection period (t₀₂, T₁₂The transmitted light level in the parentheses is stable, and the characteristic that the contrast ratio is 1:77 and the light transmittance in the bright state is about 63% is uniformly obtained over the entire display pixel.
[0118]
(12-2)
In the above embodiment, φ₀  = 10 °, similar display characteristics were obtained.
[0119]
(Comparative Example 1)
The rubbing direction with respect to one substrate is made to coincide with one side of the pixel (FIG. 7: φ₀  = 0 °), and the other conditions were the same. p₀  / 4 <d <3p₀  / 4, the orientation of the liquid crystal molecules is in a 180 ° twisted state having a helical axis in the normal direction of the substrate, but when a 360 ° twisted state is selected by applying a voltage waveform, a uniform state is formed at the edge portion around the pixel. Was expressed.
[0120]
(Example 13)
A device obtained by enclosing the liquid crystal composition used in Example 12 (p₀  = The same as Example 12 except that it was adjusted to 3.2 µm. ), The arrangement of the rubbing direction and the polarization axis of the polarizing plate was as follows. FIG. 9 shows the relationship between the observer E, the liquid crystal display device D, and the coordinate axes X, Y, and Z used below. The liquid crystal display device D shown in the figure has a display surface in an xy plane, and an observer E looks at the display surface with a line of sight L from the z-axis direction. The vertical direction of the liquid crystal display device viewed from the observer corresponds to the y-axis direction in FIG. FIG. 10 shows the display surface, the rubbing direction, and the arrangement of the polarizing plates using a similar coordinate system. In the figure, 41 is the direction of the rubbing process performed on the lower substrate (the lighting device or the reflective layer side), 42 is the direction of the rubbing process performed on the upper substrate (the observer side), a₁  And a₂  Represents the angle between the rubbing directions 41 and 42 with the y-axis, respectively, and 43 and 44 represent the polarization axes of the polarizing plates provided on the lower substrate side and the upper substrate side, respectively, and the angle b between the polarization axis 43 and the y-axis.₁  , The angle between the polarization axis 44 and the y axis is b₂  And In this embodiment,
a₁  = A₂  = 0 ゜
b₁  = 45 °, b₂  = 38 ゜
The metastable state in which the twist angle of the liquid crystal, which appears depending on the applied voltage waveform described later, is substantially (φr + 180 ° = 360 °) is a dark field, and the state of approximately (φr−180 ° = 0 °) is It can be bright field.
[0121]
The voltage waveform shown in FIG. 11 was applied to the electrodes of the device obtained as described above. In the figure, reference numerals 401 and 403 denote composite waveforms of the scanning electrode waveform and the signal electrode waveform, and 402 and 404 represent the electro-optical response of the same element. Selection period T₁  , T₄  Then, 360 ° twist metastable state, T₂  And T₃  In this case, a metastable state of 0 ° twist appears, and the former is optically identified as a dark state. Assuming that the pulse width Pw = 300 μs and the waveform corresponding to the duty ratio 1/400 (T₁  = T₂  = T₃  = T₄  = 600 μs, F₁  = F₂  = F₃  = F₄  = 600 μs × 400), a characteristic having a contrast ratio of 1:77 and a light transmittance of about 63% in a bright state was obtained. In addition, when the observer E is moved in the arrangement shown in FIG. 9 and observed while changing the angle between the line of sight L and the z-axis in various ways, the left-right (x-axis direction) ± 60 ° or more, the up-down (y-axis direction) ± A display with good visibility was recognized in an area of 45 ° or more.
[0122]
In the present embodiment, a liquid crystal display device having a high contrast ratio and a wide effective viewing angle can be realized by using switching between two metastable states which can be arbitrarily selected by an applied waveform. Further, since the selected state is maintained for a practically sufficient time as a memory type display device, it is possible to cope with a high definition display having a large number of scanning lines by simple matrix driving. The present invention can be applied not only to a direct-view type liquid crystal display device but also to various light valves, spatial light modulators and the like.
[0123]
(Example 14)
In the case where the liquid crystal electro-optical element of the present invention is multiplex driven, the light transmittance in the gap portion between adjacent pixels is lower than the light transmittance in the pixel portion, and the liquid crystal display device has a high contrast ratio and a wide effective viewing angle. Here is an example.
[0124]
A photosensitive acrylic resin layer was coated on a glass substrate, and after exposure using a photomask, development and baking were performed to form a stripe pattern of the resin. An ITO transparent electrode was formed on the stripe pattern by a sputtering method, and an alignment film was applied and rubbed to obtain a substrate on one side. On the other substrate, a pattern of ITO transparent electrodes was formed on glass and SiO₂  The thing which applied and rubbed the orientation film through the insulating layer was used. The two substrates were bonded together via a spacer to obtain a cell having the structure shown in FIG. 12 (cross-sectional view). The reference numerals in the figure are the same as those shown in FIG. 2, reference numeral 8 is a resin layer, d is the thickness of the liquid crystal layer in the pixel portion, d₀  Means the thickness of the liquid crystal layer in the non-pixel portion (the gap between adjacent pixels). The drive circuit configuration is based on FIG.
[0125]
An optically active additive was added to a liquid crystal composition exhibiting a nematic phase at room temperature (manufactured by E. Merck: ZLI-1557, Δn = 0.1147) to add p.₀  = 3.2 μm. Polyimide (JALS-300 manufactured by Nippon Synthetic Rubber Co., Ltd.) was used as the alignment film material. d = 1.8 μm, d₀  = 2.50 μm. The rubbing treatment was performed on one substrate in the direction of 20 ° to the side of the pixel, and on the other substrate, the treatment was performed in a direction rotated by 180 ° (φr = 180 °). When the above liquid crystal composition is sealed, the pretilt angle becomes about 14 ° in the opposite sign near the upper and lower substrates, and p₀  / 4 <d <3p₀  Therefore, the orientation of liquid crystal molecules in the pixel portion was in a 180 ° twist state having a helical axis in the normal direction of the substrate. On the other hand, d / p₀  When ≧ 0.75, the twist angle of the liquid crystal is φr + 180n (n = 1, 2, 3,...)
And d₀  / P₀  > 0.75, the liquid crystal was in a 360 ° twist state in the non-pixel portion.
[0126]
The voltage waveform of FIG. 13 was applied to the electrodes of the device obtained as described above. In the figure, reference numeral 301 denotes a scanning electrode waveform, 302 denotes a signal electrode waveform, and 303 denotes a composite waveform of 301 and 302, which corresponds to a driving voltage waveform applied to the liquid crystal layer. t₀  And t₁  Are frames for selecting a metastable state having a twist angle of approximately (φr + 180 °) and approximately (φr-180 °), respectively, and t₀₁And t₁₁Is the selection period, t₀₂And t₁₂Represents a non-selection period. The optical response shown in FIG. 11 can be obtained by arranging a polarizing plate of P = 50 ° and A = −50 ° so that φr + 180 ° = 360 ° is a dark state and φr−180 ° = 0 ° is a bright state. Was. Since the non-pixel portion has a twist angle of approximately 360 ° when no voltage is applied, it is shielded from light in the same arrangement. Selection period T₁  , T₄  Then, approximately 360 ° twist metastable state, T₂  And T₃  In this case, a metastable state of 0 ° twist is developed. V₁  = 30v, V₂  = 1.0 v, pulse width Pw = 250 μs, and a waveform (T₁  = T₂  = T₃  = T₄  = 500 μs, F₁  = F₂  = F₃  = F₄  = 500 μs × 400), a characteristic having a contrast ratio of 1: 102 and a light transmittance of about 63% in a bright state was obtained.
[0127]
As described above, by making the twist state between adjacent pixels different from the twist state of the pixel portion, the light transmittance of the non-pixel portion can be suppressed, and the contrast ratio can be increased.
[0128]
(Example 15)
Another example performed for the same purpose as that of the example 14 is shown. FIG. 14 shows a cross-sectional view of the configuration. The reference numerals in the figure are the same as those in FIG. 12, and the reference numeral 9 is a light shielding substance.
[0129]
A chromium (Cr) lattice pattern 9 is formed as a light-shielding substance on a lower glass substrate 5 of the same figure, and a stripe pattern and orientation of the ITO transparent electrode 4 are formed via an acrylic resin layer 8 for insulation and planarization. The film 2 was laminated and subjected to a rubbing treatment to obtain a lower substrate. On the other upper substrate, a pattern 4 of an ITO transparent electrode was formed on a glass substrate 5 and SiO 2 was formed.₂  The alignment film 2 was applied via the insulating layer 3 and rubbed. The two substrates were bonded together via a spacer so that ITO transparent electrodes faced each other between the chromium lattices to form pixels.
[0130]
Using the same liquid crystal composition and alignment film as in Example 14, d was set to 1.8 μm. The rubbing treatment was performed on one substrate in the direction of 60 ° with respect to the side of the pixel, and on the other substrate, the treatment was performed in a direction rotated by 180 ° (φr = 180 °). When the above liquid crystal composition is sealed, the pretilt angle becomes about 14 ° in the opposite sign near the upper and lower substrates, and p₀  / 4 <d <3p₀  Therefore, the orientation of liquid crystal molecules in the pixel portion was in a 180 ° twist state having a helical axis in the normal direction of the substrate. In the present embodiment, the non-pixel portion is shielded from light by a lattice pattern of metal (Cr). Measurements were made using the same arrangement of polarizing plates and driving voltage waveforms as in Example 14. As a result, it was found that the contrast ratio was 1: 113 and the light transmittance in the bright state was about 61%.
[0131]
As described above, by arranging the light shielding material between the adjacent pixels, the light transmittance of the non-pixel portion can be suppressed, and the contrast ratio can be increased.
[0132]
(Example 16)
This embodiment shows an example in which color filters are arranged in the liquid crystal display device of the present invention to enable color display by a simple matrix system. FIG. 16 shows a sectional view of the configuration. Reference numerals are the same as those in FIG. 14, but reference numeral 10 is a color filter layer. The color filter 10 can perform multi-color display by alternately arranging each color of red, blue, and green. In this embodiment, the resin layer 8 has a function of flattening the film of the color filter 10, and the light-shielding substance 9 suppresses the light transmittance of the non-pixel portion, thereby increasing the contrast ratio. As the liquid crystal material, the case where (1-6) R = 0 and 28 in Example 1 was used optimally. When the present invention is applied to a liquid crystal display device capable of color display, a vivid color display can be realized because of its excellent contrast ratio and transmittance.
[0133]
【The invention's effect】
In the present invention, when a chiral nematic liquid crystal having a bistable state is used as an electro-optical element, the initial state of the liquid crystal, R, the angle between the polarization axis and the rubbing direction, and the effects of these on the contrast ratio and on-transmittance are completely unknown. The present invention solves the above-mentioned conventional basic problem, and when the present invention is applied as a display element by multiplex driving, a sufficiently high display characteristic that can withstand use is obtained. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is extremely useful as an electro-optical element requiring a high contrast, such as a display for a game machine and a liquid crystal television.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a liquid crystal electro-optical element according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the liquid crystal electro-optical element of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a definition of an angle of a polarization axis.
FIG. 4 is a diagram showing a driving waveform.
FIG. 5 is a diagram showing optimum values of angles P and A of a polarization axis.
FIG. 6 is a diagram showing a driving waveform.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between an electrode and an orientation processing direction.
FIG. 8 is a configuration diagram of a driving circuit.
FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between an observer and coordinate axes.
FIG. 10 is a view for explaining the relationship between the orientation direction and the polarization axis.
FIG. 11 is a diagram showing a driving waveform.
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a structure of a liquid crystal display element.
FIG. 13 is a diagram showing a driving waveform.
FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating a structure of a liquid crystal display element.
FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a structure of a color liquid crystal display element.
[Explanation of symbols]
1 Liquid crystal molecules
2 Alignment film
3 insulating layer
4 Transparent electrode
5 Glass substrate
6 Seal members
7 Polarizing plate
8 Resin layer
9 Shading substance
10 Color filters
11 LCD panel
12 Backlight
13,14 drive circuit
15 Reference signal generation circuit
16 line sequential scanning circuit
19, 20, 33, 41, 42 Rubbing direction
31, 32 transparent electrode
43, 44 Transmission axis of polarizing plate

Claims (17)

A liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates, and in a liquid crystal electro-optical element having the pair of substrates sandwiched between a pair of polarizing plates,
An alignment film subjected to a rubbing treatment is provided on inner surfaces of the pair of substrates,
The liquid crystal has an initial state in which the twist angle is approximately φr, and two metastable states in which the twist angle is approximately (φr + 180 °) and approximately (φr-180 °),
The helical pitch p _{0 of} the liquid crystal, the product R of the thickness d of the liquid crystal layer and the birefringence Δn of the liquid crystal, and the polarization of each of the polarizing plates so that the two metastable states correspond to the on and off states of the display. Each angle (P, A) between the axis and one rubbing direction is set,
The angle P, A and R satisfy the following relationship.
(1) When 0.102 ≦ R ≦ 0.4 and 0.78 ≦ R ≦ 0.96,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2 and −P + β1 ≦ A ≦ −P + β2] or [P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2 and −P + δ1 ≦ A ≦ −P + δ2]
(2) When 0.72 ≦ R ≦ 0.78,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2 and −P + β1 ≦ A ≦ −P + β2] or [P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
(3) When 0.40 ≦ R ≦ 0.72, 0.96 ≦ R ≦ 0.99 or 1.05 ≦ R ≦ 1.12,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2] or [P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
(4) When 0.99 ≦ R ≦ 1.02,
[P + α1 ≦ A ≦ P + α2]
(5) When 1.02 ≦ R ≦ 1.05,
[P + γ1 ≦ A ≦ P + γ2]
However,

A liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates, and in a liquid crystal electro-optical element having the pair of substrates sandwiched between a pair of polarizing plates,
An alignment film subjected to a rubbing treatment is provided on inner surfaces of the pair of substrates,
The liquid crystal has an initial state in which the twist angle is approximately φr, and two metastable states in which the twist angle is approximately (φr + 180 °) and approximately (φr-180 °),
The helical pitch p _{0 of} the liquid crystal, the product R of the thickness d of the liquid crystal layer and the birefringence Δn of the liquid crystal, and the polarization of each of the polarizing plates so that the two metastable states correspond to the on and off states of the display. Each angle (P, A) between the axis and one rubbing direction is set,
The angle P, A and R satisfy the following relationship.
(1) When 0.1 ≦ R ≦ 0.22,
A = P + α where α = −82 × R + α1
(2) When 0.22 <R ≦ 0.42,
A = P + α where α = −82 × R + α1, or A = −P + β1
(3) When 0.42 <R ≦ 0.44,
A = P + α where α = −137.5 × R + α2 or A = −P + β1
(4) When 0.44 <R <0.473,
A = P + γ where -137.5 × R-75 ≦ γ ≦ −60
(5) When 0.473 ≦ R ≦ 0.7,
A = P + α where α = −137.5 × R + α2 or A = P + α3
(6) When 0.7 <R ≦ 1.06,
A = -P + β1
However, in the above (1) to (6),
−99 ° ≦ α1 ≦ −58 °, −75 ° ≦ α2 ≦ −35 °
−100 ° ≦ α3 ≦ −60 °, 70 ° ≦ β1 ≦ 110 ° A liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates, and in a liquid crystal electro-optical element having the pair of substrates sandwiched between a pair of polarizing plates,
An alignment film subjected to a rubbing treatment is provided on inner surfaces of the pair of substrates,
The liquid crystal has an initial state in which the twist angle is approximately φr, and two metastable states in which the twist angle is approximately (φr + 180 °) and approximately (φr-180 °),
The helical pitch p _{0 of} the liquid crystal, the product R of the thickness d of the liquid crystal layer and the birefringence Δn of the liquid crystal, and the polarization of each of the polarizing plates so that the two metastable states correspond to the on and off states of the display. Each angle (P, A) between the axis and one rubbing direction is set,
The angle P, A and R satisfy the following relationship.
(1) When 0.1 ≦ R ≦ 0.22,
A = P + α where α = −82 × R + α1
(2) When 0.22 <R ≦ 0.42,
A = P + α where α = −82 × R + α1 or A = −P + β1
(3) When 0.42 <R ≦ 0.44,
A = P + α where α = −137.5 × R + α2 or A = −P + β1
(4) When 0.44 <R ≦ 0.7,
A = P + α where α = −137.5 × R + α2 or A = P + α3
(5) When 0.7 <R ≦ 1.06,
A = -P + β1
However, in the above (1) to (5),
−94 ° ≦ α1 ≦ −63 °, −70 ° ≦ α2 ≦ −40 °
−95 ° ≦ α3 ≦ −65 °, 75 ° ≦ β1 ≦ 105 ° 4. The liquid crystal electro-optical element according to claim 1, wherein a contrast ratio is 2 or more in a reflection type. 4. The liquid crystal electro-optical element according to claim 1, wherein a contrast ratio is 10 or more in a transmission type. 4. The liquid crystal electro-optical element according to claim 1, wherein φr is 90 ° or more and 270 ° or less. 4. The liquid crystal electro-optical element according to claim 1, wherein φr is not less than 160 ° and not more than 200 °. 4. The liquid crystal electro-optical device according to claim 1, wherein φr is approximately 180 °. Liquid crystal electro-optical device according to any one of the helical pitch _{p 0} and the thickness d is 0.8φr / 360 ° ≦ liquid crystal layer d / _{p 0} ≦ 1.4φr / 360 ° there claims 1 to 8. 8. The liquid crystal electro-optical element according to claim 7, wherein the absolute value of the pretilt angle of the liquid crystal molecules in contact with the alignment film is 1 ° or more and 25 ° or less. At least one of the two metastable states of the liquid crystal is:
│L│ ・ △ n≫λ
4. The optical system according to claim 1, wherein L is not 2πd / (φr + 180 °) or 2πd / (φr−180 °), and λ is the wavelength of light, and the contrast ratio is 10 or more. 3. The liquid crystal electro-optical element according to item 1. The liquid crystal electro-optical device according to claim 11, wherein L · Δn is less than 1.88 μm. 12. The liquid crystal electro-optical device according to claim 11, wherein at least one of the two metastable states of the liquid crystal is optically isotropic. 14. The liquid crystal electro-optical element according to claim 11, 12 or 13, wherein φr is 90 ° or more and 270 ° or less. 15. The liquid crystal electro-optical element according to claim 1, wherein a scanning electrode group and a signal electrode group are arranged in a matrix, and a pixel portion is formed by an intersection of the scanning electrode group and the signal electrode group. Liquid crystal display. 16. The liquid crystal display device according to claim 15, wherein an angle between any one side of the pixel portion and each rubbing direction is set to be not less than 10 degrees and not more than 80 degrees. At least one of the rubbing direction, the angle phi _a relative vertical direction of the display panel which is constituted by the pixel unit, a liquid crystal display device according to claim 15, wherein the -45 ° ≦ φ _a ≦ 45 °.

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