JP5190818B2

JP5190818B2 - 液晶素子および液晶素子の製造方法

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Publication number: JP5190818B2
Application number: JP2007047025A
Authority: JP
Inventors: 孝毅高頭; 駿介小林
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP2007293278A

Description

本発明は、液晶素子に関するもので、特に、ＴＮ（捩じれたネマティック）構造であってユニフォームツイスト構造の状態で動作させる方式の低電圧駆動化を図った液晶素子、該液晶素子の製造方法、および該液晶素子の利用方法に関するものである。
ここで、ネマティック液晶とは、液晶分子が概ね同じ方向を向く性質を持っている液晶である。また、ＴＮ構造とは、２枚の基板間に挟まれた液晶分子の配向方向が上下基板で約９０度捩じれている（ツイスト）構造である。
また、液晶の他の構造として、ハイブリッド構造、ホメオトロピック構造、ホモジニアス構造、ベント構造、スプレイ構造等がある。ハイブリッド構造では、２枚の基板間に挟まれた液晶分子群の長軸方向が、一方の基板側では（基板面に対し）平行、他方の基板側では垂直になっている。ホメオトロピック構造では、２枚の基板間に挟まれた液晶分子群の長軸方向が、基板面に垂直になっている。ホモジニアス構造では、２枚の基板間に挟まれた液晶分子群の長軸方向が、基板面に略平行になっている。ベント構造では、２枚の基板間に挟まれた液晶分子群が、基板の近くでは基板に対してあるプレチルト角で配向し、液晶層の中央付近では基板に略垂直に配向し、全体として折れ曲がった弓のように配向している。スプレイ構造では、２枚の基板間に挟まれた液晶分子群が、基板の近くでは基板に対してプレチルト角で配向し、液晶層の中央付近で基板に略平行に配向するように、基板に垂直な面内で液晶分子の傾きが連続的に変化している。

特許文献１には、スプレイ配列とベント配列を用いるＯＣＢ方式の液晶（複屈折効果型液晶）において、電圧無印加時の液晶分子配列を３６０±５度の捩じれネマティックのスプレイ配列とすること、そしてそのスプレイ配列を安定にするためにカイラル剤を充填することが開示されている。

特許文献２には、電極分割式の液晶であって、配向処理によって規定される液晶分子の捩じれ方向と反対の螺旋構造をとらせるネマティック液晶を挟持し、そしてスプレイ配列を安定にして、ノーマル・ツイスト・ドメインの発生を抑制するようにカイラル剤を充填することが開示されている。

特許文献３に記載のＯＣＢ方式の液晶は、ツイスト配置を経由させることにより、液晶分子のスプレイ配置からベント配置への転移をスムーズにするものである。ツイスト配置を経由させるために、第１と第２の基板におけるラビングの方向の差を２度から３０度とすることが提案されている。またカイラル剤を添加し、カイラルピッチをｐ、液晶層の厚さをｄとするとき、０＜ｄ／ｐ＜０．２５とすることも開示されている。

特許文献４には、二色性色素を用いるゲスト・ホスト（ＧＨ）型液晶装置において、二色性色素とカイラル剤が用いられ、液晶分子が捩じれ構造となっているものが開示されている。

特開平９−９０４３２号公報特開平８−１７９３８１号公報特開平９−１０５９５７号公報特開２０００−１６２５７４号公報

先ず、従来技術である一般的なＴＮ構造の液晶素子について説明する。
図１９は、配向処理（ラビング処理）の方向と液晶分子の立ち上がり方向を概念的に示す図である。
配向膜５１の表面が配向処理されていると、配向膜表面の液晶分子５２はその配向処理の方向と配向膜に垂直な方向を含む面内で、その配向方向に対してある角度θで傾斜して立ち上がる。配向膜表面と液晶分子のなす角θをプレチルト角と呼ぶ。配向処理は、例えば、表面を一方向にこすること（ラビング）により行うことができる。

図２０は、一般的なＴＮ構造の液晶素子の概念図である。
２枚の基板１０１，１０２の内側にそれぞれ配向膜１０３，１０４が配置され、配向膜１０３, １０４間には液晶材料１０５が充填されている。液晶材料１０５には、ネマティック液晶材料が用いられる。ＴＮ構造の液晶素子においては、両配向膜に施された配向処理の方向のなす角が約９０度であるように配向膜が配置される。
この図では、上の配向膜１０３の表面は点線矢印１０６の方向（約１０時の方向）に配向処理され、下の配向膜１０４の表面は実線矢印１０７の方向（約７時の方向）に配向処理されている。この結果、上の配向膜表面の分子は点線矢印方向（１０時の方向）から下の配向膜に向ってプレチルト角θ（図１９参照）だけ傾いて立ち上がり、下の配向膜表面の分子は、実線矢印方向（７時の方向）から上の配向膜に向ってプレチルト角θだけ傾いて立ち上る。両配向膜表面に施されたラビング処理の方向が上下で約９０度ずれているので、液晶素子の中で、液晶分子は右回り、あるいは左回りに捩じれて配向する。

図２１，図２２は、液晶素子１１０，１２０中の液晶分子１１１，１２１が、それぞれ右回りと左回りに捩じれて配向している様子を概念的に示す図である。
配向膜表面１１２，１１３、および配向膜表面１２２，１２３上の配向処理（ラビング）の方向１３１，１３２は、それぞれ点線および実線矢印で示されている。図２１と図２２の配向処理の方向１３１，１３２は同じである。
１０時の方向をｘ軸方向、７時の方向をｙ軸方向、ｘｙ面に垂直な方向をｚ軸方向とするとき、液晶分子１１１，１２１は、上の配向膜の近くではｘｚ面内でプレチルト角θだけ傾いて配向して立ち上がり、下の配向膜の近くでは液晶分子１１１，１２１がｙｚ面内でプレチルト角θだけ傾いて配向するように立ち上がり、中間では上の配向膜から下の配向膜に近づくに従って液晶分子１１１，１２１の配向方向が回転しながら連続的に変わっている、すなわち捩じれている。

上の配向膜の配向処理の方向と下の配向膜の配向処理の方向が与えられた場合、上と下の配向膜からプレチルト角θで立ち上がった液晶分子の配向を連続的につなぐ捩じれ構造には、右回りと、左回りがある。液晶の捩じれ方向は上基板（観察者側）の配向膜１１２，１２２上の液晶分子の配向方向から下基板の配向膜１１３，１２３上の液晶分子の配向方向に向って捩じれる方向が右回りか左回りかで定義する。図２１の場合は右回りであり、図２２の場合は左回りである。

図２１の液晶の配列と図２２の液晶の配列を比較すると、図２２の配列は上下方向にも捩じれており（スプレイツイスト構造）、自由エネルギーが高い。このため、図２２の配列の液晶素子に中間調に相当する電圧を印加すると、図２１の配列（ユニフォームツイスト構造）に転移する。
１組の配向膜の配向処理（ラビング）の方向１３１，１３２の組み合わせにより可能な液晶分子の捩じれ方向のうち１方向がユニフォームツイスト配列になる。しかし、プレチルト角の組み合わせだけでは液晶注入後均一なユニフォームツイスト配列が得られず、一部逆方向に捩じれた配列（スプレイツイスト構造）が形成されることがある。

これを防止するために、従来技術において、液晶材料にカイラル剤と呼ばれる光学活性物質を加えることにより、液晶材料の捩じれ方向を決めることが行われている。この場合、当然、液晶分子にユニフォームツイスト配列を与える液晶材料の捩じれ方向と同じ捩じれ方向を誘起せしめるカイラル剤を加える。そうすると、液晶材料をパネルに注入後、電場処理などの処理を加えることなく、均一な液晶配向が得られる。カイラル剤の含有量は、螺旋ピッチｐが１００μｍになるように決めるのが一般的である。このカイラル剤は、不斉炭素を含み光学異方性を有する化合物であり、その性質、種類、それぞれの特性は、当業者によく知られた技術知識である。

この様に、従来技術のＴＮ構造の液晶素子においては、１組の配向膜の配向処理の方向の組み合わせが与えられたとき、ユニフォームツイスト構造を作る捩じれ方向と、液晶材料に含有される光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向は同一の方向に設定されていた。この向きを逆にすると、上記の説明から明らかなように、スプレイツイスト構造が安定となるからである。すなわち、従来技術においては、カイラル剤は、スプレイツイスト構造ができることを防止し、ユニフォームツイスト構造を安定化するために使われていた。

ここで、液晶素子は、近年携帯電話用途の小型のものから液晶ＴＶ用途の大型のものまで、その市場を拡大してきている。液晶素子は、上下基板の配向方向が約９０度捩じれた構造をもつ、上記したＴＮ構造の液晶素子を中心に発展してきたが、大型ＴＶなどの視野角が特に要求される分野では、ＭＶＡ・ＩＰＳなどの方式が主流になりつつある。

しかしながら、ＴＮ（捩じれたネマティック）方式には他方式に比べてセル厚の変化に対して透過率の変化（ギャップムラ）が少ないなどの利点があり、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）用途など特に視野角の要求が厳しくない用途には、まだＴＮ方式が用いられている。また、電卓・コントローラーなどのセグメント表示の機器にはＴＮ方式が用いられている。

これらの用途には、低電圧化の要請が特に大きい。その理由は、ＰＣ用途にはＴＦＴ素子がアモルファスシリコンからポリシリコンに変わりつつあり、ポリシリコンで周辺回路を作りこむ場合駆動電圧を高くできず、また、省エネルギー・低消費電力の要請もあり、さらに、セグメント表示の機器は一般に電池駆動であり、当然、消費電力を低くする要請が高いからである。

そこで、本発明は、低電圧（例えば１ボルト程度）で駆動可能な、ＴＮ構造の液晶素子を提案することを課題とする。

上記した課題は、請求項１の本発明によって解決された。
すなわち、略平行に配置され少なくとも一方が透明な１組の基板と、それぞれの基板の内側に配設された１組の配向膜と、上記１組の配向膜の間に充填された液晶材料を備え、上記配向膜の表面に上記液晶材料中の液晶分子が同一方向に向くように配向処理が施され、両配向膜に施された配向処理の方向のなす角が７０度から１１０度である液晶素子であって、上記１組の配向膜の配向処理の方向の組み合わせでユニフォームツイスト構造を形成するときの液晶分子の捩じれ方向に対して反対方向の捩じれ方向を与える螺旋ピッチを有する光学活性物質を上記液晶材料が含有することと、上記配向膜のプレチルト角が３０度以上４５度以下であることと、電圧が印加されると上記液晶分子がユニフォームツイスト構造を形成する液晶素子とすることにより、駆動電圧を小さくすることを可能とした。

このような表示形態はこれまで存在しなかった。また、上記した特許文献１乃至４に開示された液晶においても、カイラル剤と呼ばれる光学活性物質が使用されているが、これらの液晶はＴＮ構造の液晶素子ではなく、またカイラル剤は前記したように駆動電圧を低減するためのものではない。

本発明では、両配向膜に施された配向処理の方向のなす角は７０度から１１０度、好ましくは８０度から１００度、さらに好ましくは略９０度である。これは、７０度より両配向膜に施された配向処理の方向のなす角度が小さい場合、或いは逆に１１０度よりこの角度が大きい場合は、いずれも十分なコントラストを得ることが出来ない。

また、本発明では、１組の配向膜の配向処理の方向によって定まるユニフォームツイスト構造を与える捩じれ方向と、液晶材料に含有される光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向を逆にして液晶素子を構成する。このとき、スプレイツイスト構造が形成される。

このスプレイツイスト構造をユニフォームツイスト構造に変換するには、液晶材料を挟む基板間に電圧を印加する。この電圧信号は特に限定されることはないが、例えば、１Ｈｚ程度の周波数のサイン波などの低い交流信号を用いることにより、短時間でスプレイツイスト構造をユニフォームツイスト構造に変換させることが可能である。

このスプレイツイスト構造からユニフォームツイスト構造への変換は、液晶材料の螺旋ピッチが短いほど困難である。すなわち、液晶材料の螺旋ピッチが短いほどより高い電圧の印加が必要になり、また変換に長時間を要する。

このようにして得られたユニフォームツイスト構造は、電圧無印加状態で放置すると、元のスプレイツイスト構造に変わる。そして、この変化速度も、液晶材料の螺旋ピッチの長さに依存する。すなわち、螺旋ピッチが長いほどユニフォームツイスト構造からスプレイツイスト構造にもどる時間が長くなる（すなわち、ユニフォームツイスト構造が安定となる）。逆に螺旋ピッチが短くなると、ユニフォームツイスト構造からスプレイツイスト構造に戻る時間が短くなる（すなわち、ユニフォームツイスト構造が不安定となる）。

他方、液晶素子のしきい値電圧（駆動電圧）は、液晶材料の螺旋ピッチが短いほど低くなり、螺旋ピッチが長いほど高くなる。このように、ユニフォームツイスト状態の形成しやすさ・安定性を求めることと、駆動電圧を下げることについて、液晶材料の螺旋ピッチの長さに関するトレードオフの関係が存在する。

このため、本発明の液晶素子には、目的に応じて最も適した液晶材料の螺旋ピッチの長さが存在する。すなわち、極めて低電圧駆動が必要であるが、安定性には余裕がある液晶素子（例えば、構造維持のための信号の印加が可能な液晶素子）の場合は、液晶材料の螺旋ピッチを出来るだけ短く、例えば１５μｍ以下して駆動電圧を下げればよい。それに対して、安定性が求められる液晶素子では、液晶材料の螺旋ピッチの長さを短くすることには限界があるので、駆動電圧を高くする。

ユニフォームツイスト構造を安定に存在させるためには、プレチルト角を高くする、例えば３０度以上とすることも有効である。プレチルト角を高くすれば、ユニフォームツイスト構造のギブスのフリーエネルギーがスプレイツイスト構造に比べて下がるため、室温においても長時間ユニフォームツイスト構造を保持することが可能になる。

上記したようにプレチルト角は高いほどユニフォームツイスト構造が安定になるが、プレチルト角をあまり高くすると、電圧無印加状態でも透過率が低くなるという問題が生じる。これを防ぐには屈折率異方性を大きくすればよい。しかし液晶材料の屈折率異方性は最大０．２５程度なので、プレチルト角の限界は４５度程度が最大である。このプレチルト角が大きい場合の問題は、液晶材料層のリタデーションの値を１．５μｍ以上に設定することにより解決される。このように設定すると、プレチルト角が１度のときのファーストミニマムの条件と同様の結果が得られる。

本発明によれば、低電圧（例えば１ボルト程度）で駆動可能な、ＴＮ構造の液晶素子を実現することができる。

以下、上記した本発明に係る液晶素子の効果を裏付ける試験例、及び本発明に係る液晶素子の実施例につき説明する。

＜試験例１＞
プレチルト角＝４５度、Ｒ＝１．９０、ｐ＝６０μｍ、（−）
図１は、試験例１に係る本発明の液晶素子１における、液晶分子の配向を示す概念図である。
試験例１においては、２枚の基板２，３の内側にそれぞれ配向膜４，５が配置され、この配向膜４，５はプレチルト角４５度を示す配向膜であり、プレチルト角４５度の配向膜は、ポリイミド樹脂で実現した。配向処理は通常のラビング処理で行った。実線および点線の矢印６，７は配向処理（ラビング）の方向である。この組み合わせの場合、ユニフォームツイスト構造を与える液晶の捩じれ方向は右回りである。なお、この明細書では、上と下の配向膜の配向方向の組み合わせが与えられたとき、ユニフォームツイスト構造を与える液晶の捩じれ方向を、「ユニフォームツイスト捩じれ方向」と呼ぶ。
液晶材料８はメルク（株）社製ＺＬＩ２２９３を使用した。この液晶材料の屈折率異方性は０．１３６２である。液晶材料層の厚みは１４μｍとした。従って、液晶材料層のリタデーションＲ＝Δｎｄは１．９０（０．１３６２×１４μｍ）である。
液晶材料８に、ユニフォームツイスト捩じれ方向とは逆の、左回りの捩じれを誘起する光学活性物質（メルク（株）社製Ｓ−８１１を使用）を添加した。光学活性物質の強さを示す螺旋ピッチｐは６０μｍとした。
なお、図１中、２ａ，３ａは、それぞれ基板２，３の偏光方向である。また、この明細書では、カイラルピッチの方向が（−）の場合、液晶素子のラビング方向で決まるユニフォームツイスト捩じれ方向と逆の捩じれを誘起する光学活性物質を添加したことを示し、（＋）の場合、ユニフォームツイスト捩じれ方向と同じ捩じれを誘起する光学活性物質を添加したことを示す。

このとき螺旋ピッチｐが６０μｍから７０μｍのとき、最も良い結果が得られた。６０μｍから７０μｍより短い場合は透過率が減少し、リタデーションを調整しても、６０μｍから７０μｍで得られた透過率は得られなかった。
図２は、試験例１に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション計算の結果である。

なお、この明細書に記載したシミュレーション計算は、全て、（株）シンテック社製液晶分子配列シュミレータＬＣＤマスターを用いて行ったものである。
この（株）シンテック社製の液晶分子配列シュミレータＬＣＤマスターは、液晶の連続体理論に基づくものである。液晶の連続体理論は、液晶の分子の配列・光学特性を計算するための理論として、液晶研究の初期より広く用いられてきたものであり、ＬＣＤの開発者のほとんどが使用しているものである。当然ながら、ＬＣＤの開発において多数の実績を有する。
このシミュレーションの理論的詳細は、例えば日本液晶学会発行「液晶、第１０巻第４号、４００−４０９ページ（２００６）、液晶科学実験講座、“ネマティック液晶の電気・光学応答ＬＣＤ設計に役立つ基礎理論と数値解析手法”」において詳細に解説されている。

図２から分かるように、試験例１の液晶素子では、ごく僅かな印加電圧を印加することにより透過率の変化が現れ始める。これは、プレチルト角を４５度まで高くすることにより僅かな液晶材料のダイレクターの変化により、偏光の旋光性が減少するためと考えられる。液晶素子の性能の目安として通常用いられている透過率が１０％となる電圧Ｖｔｈ（１０％）は１．０９Ｖであり、ほぼ１Ｖで駆動可能である。従来技術のＴＮ構造の液晶素子の場合は、後に試験例に基づいて記載するが、印加電圧が２Ｖ程度印加されるまで透過率は変化しない。これに比べると、試験例１の本発明の液晶素子の場合は、駆動電圧が約半分である。

従来技術のＴＮ構造の液晶素子では、透過率を最大にし、視野角特性を良好にするためいわゆるファーストミニマムの条件でリタデーションＲを約０．５μｍに設定することが普通である。しかしながら、この試験例１のようにプレチルト角を４５度にした場合、この設定では電圧無印加時の透過率が大きく減少してしまい、液晶素子のコントラストが大きく減少するという問題が生じる。
プレチルト角４５度の場合のこの問題は、リタデーションＲの値を１．５μｍ以上に設定することにより解決された。このように設定すると、プレチルト角が１度のときのファーストミニマムの条件と同様の結果が得られることが分かった。

図３は、試験例１の液晶素子におけるユニフォームツイスト構造とスプレイツイスト構造のギブスの自由エネルギーの印加電圧依存性を示したものである。
電圧無印加状態では、スプレイツイスト構造がわずかに安定であるが、電圧印加状態ではユニフォームツイスト構造が安定になる。このため、電圧を印加することでユニフォームツイスト構造に転移させることができる。一旦、ユニフォームツイスト構造に転移後は、電圧を切った後も数分から数十分はユニフォームツイスト構造が安定に存在する。そのため、液晶素子使用時には、常にユニフォームツイスト構造として使用されることとなる。

＜試験例２＞
プレチルト角＝４５度、Ｒ＝１．９０、ｐ＝１００μｍ、（＋）
試験例２として、液晶材料の光学活性物質の立体配位及び濃度を調整することにより、光学活性物質の螺旋ピッチを試験例１の液晶材料の螺旋の方向の逆（従来技術のＴＮ構造の液晶素子の螺旋ピッチと同方向）にしたことと、螺旋ピッチの長さｐを１００μｍにしたこと以外は、試験例１と同一の条件の従来技術による液晶素子について、透過率の印加電圧依存性のシミュレーション計算を行った。

図４は、試験例２に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。
試験例２の液晶素子では、透過率が１０％となる駆動電圧Ｖｔｈ（１０％）は１．４９Ｖである。これは、本発明に係る試験例１のＶｔｈ（１０％）が１．０９Ｖであるのに対して、駆動電圧が４０％も大きい。

＜試験例３＞
プレチルト角＝４５度、Ｒ＝１．９０、ｐ＝１００００μｍ、（＋）
試験例３として、液晶材料の光学活性物質の立体配位及び濃度を調整することにより、光学活性物質の螺旋ピッチを試験例１の液晶材料の螺旋の方向の逆（従来技術のＴＮ構造の液晶素子の螺旋ピッチと同方向）にし、螺旋ピッチの長さｐを１００００μｍにしたこと以外は、試験例１と同一の条件の従来技術による液晶素子について、透過率の印加電圧依存性のシミュレーション計算を行った。

図５は、試験例３に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。
試験例３の液晶素子では、透過率が１０％となる駆動電圧Ｖｔｈ（１０％）は１．４７Ｖである。これは、本発明に係る試験例１のＶｔｈ（１０％）が１．０９Ｖであるのに対して、やはり駆動電圧が４０％も大きい。

上記試験例１〜３から、１組の配向膜の配向処理の方向とプレチルト角の組み合わせで定まるユニフォームツイスト構造を作る液晶材料の捩じれ方向と、液晶材料に含有される光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向を逆にすると、駆動電圧を低減できることが分かる。

＜試験例４＞
プレチルト角＝４５度、Ｒ＝０．５、ｐ＝６０μｍ、（−）
試験例４として、試験例１で液晶材料層のリタデーションの値を１．９μｍとしているのに対してその値を０．５μｍにすること以外は、上記試験例１と同じ構成の液晶素子とした。液晶材料としてはメルク（株）社製液晶材料ＺＬＩ４７９２を用い、セルの厚みを５μｍとした。

図６は、試験例４に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション結果をしめすグラフである。
図２に示したように、試験例１の液晶素子の透過率が３０％付近であるのに対して、試験例４の液晶素子の場合、１５％程度に減少している。このことから、プレチルト角が４５度の場合、リタデーションが１．５μｍ以上にする必要があることが分かる。

＜試験例５＞
プレチルト角＝３０度、Ｒ＝０．５、ｐ＝６０μｍ、（−）
試験例５として、プレチルト角を３０度にした本発明に係る液晶素子とした。プレチルト角を３０度にする場合も、配向膜はポリイミド膜表面をラビング処理することで実現することができる。液晶材料はメルク（株）社製ＺＬＩ４７９２を用いた。セル厚は６．５μｍとした。液晶材料層のリタデーションＲは０．５μｍとした。この液晶材料にユニフォーム捩じれ方向とは逆の捩じれを誘起する光学活性物質を添加した。光学活性物質の強さを示す螺旋ピッチｐは６０μｍとした。

図７は、試験例５に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。

＜試験例６＞
プレチルト角＝３０度、Ｒ＝０．５、ｐ＝１００μｍ、（＋）
試験例６として、液晶材料の光学活性物質の立体配位及び濃度を調整することにより、光学活性物質の螺旋ピッチを試験例５の液晶材料の螺旋の方向の逆（従来技術のＴＮ構造の液晶素子の螺旋ピッチと同方向）にしたことと、螺旋ピッチの長さｐを１００μｍにしたこと以外は、試験例５と同一の条件の従来技術による液晶素子について、透過率の印加電圧依存性をシミュレーション計算した。

図８は、試験例６に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。
図７の試験例５の液晶素子の場合と比較すると、透過率が変化する印加電圧が、図８の試験例６の液晶素子によるものの方が大きいことが分かる。

＜試験例７〜１６＞
プレチルト角＝１度と５度、セル厚５μｍ、（−）
液晶材料にＺＬＩ―４７９２を使って、プレチルト角が１度と５度の場合の本発明に係るＴＮ構造の液晶素子（光学活性物質の螺旋ピッチが、１組の配向膜の配向処理の方向とプルチルト角の組み合わせの結果得られる液晶材料の捩じれ方向と逆向きの液晶素子）について、螺旋ピッチｐをパラメータとして、透過率が１０％になる駆動電圧と１％になる駆動電圧を調べた。
その結果を表１と表２に示す。

＜試験例１７〜２６＞
プレチルト角＝１度と５度、セル厚５μｍ、（＋）
液晶材料にＺＬＩ―４７９２を使って、プレチルト角が１度と５度の場合の従来技術によるＴＮ構造の液晶素子（光学活性物質の螺旋ピッチが、１組の配向膜の配向処理の方向とプルチルト角の組み合わせの結果得られる液晶材料の捩じれ方向と同一の向きの液晶素子）について、螺旋ピッチｐをパラメータとして、透過率が１０％になる駆動電圧と１％になる駆動電圧を調べた。
その結果を表３と表４に示す。

図９は、表１から表４に基づいて作った、螺旋ピッチの逆数（１／ｐ）を変数とする、輝度が１０％になる電圧と、輝度が１％になる電圧のグラフを示す。
螺旋ピッチｐが小さい程、光学活性物質が誘起する捩じれの力が強く、その逆数１／ｐが小さいほど弱い。ユニフォームツイスト捩じれ方向と反対の方向の捩じれの力の場合、ｐに負号が付されている。
図９において、横軸（１／ｐ）の中央のゼロ点は光学活性物質の捩じれの力がほとんどゼロであり、正の領域は、ユニフォームツイスト捩じれ方向と同じ方向の捩じれの力の場合（従来技術に対応）、負の領域はユニフォームツイスト捩じれ方向と反対の方向の捩じれの力の場合である（本発明の場合に対応）。

図９から、１組の配向膜の配向処理の方向とプレチルト角の組み合わせにより定まる液晶材料の捩じれ方向と、液晶材料に含有される光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向を逆（−）にすることにより、低電圧化が得られることが分かる。

＜試験例２７＞
プレチルト角＝１度、セル厚５μｍ、ｐ＝１００μｍ、（−）
試験例２７として、液晶素子を構成する配向膜材料として（株）日本合成ゴム製ＪＳＲ１０５１（プレチルト角１度）を用い、基板間の厚みを５μｍとし、図１に示す構成（上基板から下基板の向きに液晶分子のダイレクターは右回りに捩じられる。）でパネルを作成し、チッソ（株）社製液晶材料ＴＣ５０６５を注入した。この液晶材料ではカイラル剤の添加により液晶材料は左回りに捩じられ、螺旋ピッチの長さは１００μｍとなるように調整されていた。

この試験では２枚の基板に添付された偏光板の透過軸は平行になるように設置し、このセルに信号電圧（三角波 ±１０Ｖ）を印加し、そのときの透過率の変化を測定した。
結果を図１０に示す。
図１０では、０Ｖから１０Ｖに電圧を上昇している過程の透過率変化を測定している。図には６Ｖまでの結果を示している。

＜試験例２８＞
プレチルト角＝１度、セル厚５μｍ、ｐ＝∞
試験例２８として、液晶材料として、カイラル剤を添加せず螺旋ピッチの長さp が無限大である液晶材料ＴＣ５０６５を用いる以外は、試験例２７と同じ方法でパネルを作製し、試験例２７と同じ特性を測定した。
結果を図１０に併記する。

試験例２７及び試験例２８により、１組の配向膜の配向処理の結果得られるプレチルト角による液晶材料の捩じれ方向と、液晶材料に含有される光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向を逆にすることにより、低電圧化が得られることが確認された。

＜試験例２９〜３３＞
セル厚＝１４μｍ、ｐ＝６０μｍ、（−）
メルク（株）社製液晶材料ＺＬＩ２２９３を用い、セル厚が１４μｍ、プレチルト角がそれぞれ１度，５度，１０度，３０度，４５度で、液晶材料の螺旋ピッチが６０μｍのＴＮ構造の液晶素子について、配向膜の配向処理の方向の組み合わせにより定まる液晶材料のユニフォームツイスト捩じれ方向に対して、光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向を逆（−）にした場合の本発明に係る液晶素子について、ユニフォームツイスト構造とスプレイツイスト構造の電圧印加時のギブスの自由エネルギーをシミュレーション計算し、その安定性を比較した。

図１１〜１５は、プレチルト角がそれぞれ１度，５度，１０度，３０度，４５度の場合の試験例２９〜３３についてシミュレーション計算された、ユニフォームツイスト構造とスプレイツイスト構造の電圧印加時のギブスの自由エネルギーである。
いずれのプレチルト角の場合も電圧無印加時はスプレイツイスト構造が安定になり、電圧印加時はユニフォームツイスト構造が安定になることが分かる。そして、プレチルト角が高いほどユニフォームツイストが安定になる。プレチルト角を４５度とすると電圧無印加時でもユニフォームツイスト構造のギブスの自由エネルギーはスプレイツイスト構造のギブスの自由エネルギーに等しくなり、わずかな電圧の処理でユニフォームツイスト構造が安定に得られることが分かる。

＜実施例＞
透明導電膜として電気抵抗３０Ω/ｃｍ²のＩＴＯを蒸着した１．１ｍｍのガラス基板に配向膜として、チッソ株式会社製ポリイミドＰＩＡ−Ｘ−６８９−０１Ｘをスピンコートし、８０℃で溶媒をとばした後、２００℃で１時間加熱することにより約７０ｎｍのポリイミド膜を形成した。

このポリイミド膜上を木綿製のベルベット布を用いて通常の方法でラビング処理を行った。すなわち、５ｃｍのローラーにベルベット布を巻き、ベルベット布の毛先をポリイミド膜と０．５ｍｍ接触させる条件で２０００ＲＰＭの回数で行った。

このようにして処理した配向膜つきガラス基板の１つの上に５μｍの球状シリカのイソプロパノール懸濁液をスピンコーティングし、その後８０℃に基板を加熱することにより、イソプロパノール乾燥した（基板Ａ）。

別の配向膜つきガラス基板の周囲に常温硬化型エポキシ系接着剤を塗布した（基板Ｂ）。

上記基板Ａおよび基板Ｂを組み合わせ、ポリエチレン製の袋に入れ真空に引くことで大気圧をかけ圧着する状態で１昼夜放置し、当該常温硬化型接着剤を硬化した。このときのラビング方向は、図１６に示す方向とした。

この液晶セルに大日本インキ株式会社製の液晶材料ＲＤＰ−９４８０８（Ｅ０６２）を注入した。注入は室温で行った。この液晶材料は螺旋ピッチ１５μｍであり、螺旋方向は左巻きである（カイラル剤はＳ−８１１を使用）。このため、図１に記載の方向とは逆向きに巻いていることになる。

このようにして得られたパネルは、いずれの角度から目視しても明確な狭視野角方向（法線方向から７０度傾けて観察すると黒またはグレーが観察される方向）がないことから、液晶分子がスプレイツイスト構造に配列した液晶パネルになっていることが分かる。

このパネルに±２０Ｖ、０．１Ｈｚの３角波を印加した。３角波印加開始直後、パネル内に微細な円形の新しい領域が形成され、この領域が拡大していくのが観察された。この現象は、それまで形成されている液晶配列とは異なる新たな液晶配列が電場印加によって生じていることを意味する。

３分後１ｃｍ²の電極の領域全体が新しい領域に変化した。この領域では特定の方位角の１方向の極角７０度から観察したとき、ＴＮ構造の液晶特有の狭視野角状態が観察され、通常のＴＮ状態になっていることが確認された。また、狭視野角の方向は図１６に記載されている、２枚の配向膜のラビング方向の位置関係から決まる狭視野となる方向と同じであり、液晶分子が左向きに捩じれたＴＮ構造が形成されていることが分かった。

図１８のグラフ（１）は、この状態の液晶パネルの印加電圧―透過率特性を示す。

＜比較例＞
液晶材料がＲＤＰ−９４８０８（Ｅ０６２）（螺旋ピッチ１５μm 螺旋方向は左向き)ではなく、現在のＴＮ構造の液晶素子の標準液晶材料であるメルク（株）社製ＺＬＩ−４７９２（螺旋ピッチ１００μm 螺旋方向は左向き)であり、ラビング方向を図１７としたこと以外は、上記実施例と全く同じ条件で従来技術の液晶素子を作成し、この液晶素子について、上記実施例と同じ条件で印加電圧―透過率特性を測定した。

図１８のグラフ（２）は、この比較例で作ったＴＮ液晶デバイスの印加電圧―透過率特性を示す。

＜考察＞
図１８から本発明における液晶素子の印加電圧―透過率特性は次の特徴を持つことが分かる。
（ａ）本発明に係る液晶素子はしきい値特性を持たず、電圧印加とともに輝度が低下始める。それに対して同じ材料を用いて従来技術のＴＮ構造に組んだ場合１．８Ｖ〜２．０Ｖのしきい値電圧を持つ。
（ｂ）１０％まで輝度を減少する電圧を比較すると、同じ材料を用いて従来技術のＴＮ構造に組んだ場合が４．０Ｖ付近であるのに対して、本発明に係る構成の液晶素子は１Ｖ付近となり、１／４の電圧となっている。
このように、本発明のＴＮ構造の液晶素子を用いれば１Ｖの駆動電圧で駆動することが可能な液晶素子を形成することが可能である。

このような低電圧で駆動することができることは、例えばドライバー回路を作りこんだポリシリコンＴＦＴ−ＬＣＤにとって極めて望ましいことである。何故ならガラス基板上にポリシリコンの薄膜で作りこむことはコスト削減の上で重要であるが、基板上に作りこんだドライバー回路による駆動電圧を高くすることは難しい。このため駆動電圧の低い液晶が望まれている。本発明の液晶素子はこの目的に適するものである。

また省エネルギーを求められる液晶素子に対しても、初期には比較的高い電圧による処理が必要になるが、駆動時は低電圧での駆動が可能になる本発明は極めて有用である。

以上、本発明を見出した試験例、および本発明に係る液晶素子、該液晶素子の製造方法、および該液晶素子の利用方法についての実施例を説明したが、本発明は、何ら既述の試験例、実施例に限定されるものではない。

試験例１に係る本発明の液晶素子における、液晶分子の配向を示す概念図である。図１の試験例１に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション計算の結果である。試験例１における、ユニフォームツイスト構造とスプレイツイスト構造のギブスの自由エネルギーの印加電圧依存性を示したグラフである。試験例２に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。試験例３に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。試験例４に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション結果をしめすグラフである。試験例５に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。試験例６に係る液晶素子の透過率の印加電圧依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。表１から表４に基づいて作った、螺旋ピッチの逆数（１／ｐ）を変数とする、輝度が１０％になる電圧と、輝度が１％になる電圧を示すグラフである。試験例２７と試験例２８について、印加電圧と透過率の関係の実験結果を示すグラフである。プレチルト角が１度で、光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向を逆（−）にした場合について、ユニフォームツイスト構造とスプレイツイスト構造の電圧印加時のギブスの自由エネルギーのシミュレーション計算の結果を示すグラフである。プレチルト角が５度で、光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向を逆（−）にした場合について、ユニフォームツイスト構造とスプレイツイスト構造の電圧印加時のギブスの自由エネルギーのシミュレーション計算の結果を示すグラフである。プレチルト角が１０度で、光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向を逆（−）にした場合について、ユニフォームツイスト構造とスプレイツイスト構造の電圧印加時のギブスの自由エネルギーのシミュレーション計算の結果を示すグラフである。プレチルト角が３０度で、光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向を逆（−）にした場合について、ユニフォームツイスト構造とスプレイツイスト構造の電圧印加時のギブスの自由エネルギーのシミュレーション計算の結果を示すグラフである。プレチルト角が４５度で、光学活性物質により誘起される液晶材料の捩じれ方向を逆（−）にした場合について、ユニフォームツイスト構造とスプレイツイスト構造の電圧印加時のギブスの自由エネルギーのシミュレーション計算の結果を示すグラフである。実施例における上下配向膜のラビング方向を示す概念図である。比較例における上下配向膜のラビング方向を示す概念図である。実施例と比較例の印加電圧―透過率特性を示すグラフである。配向処理（ラビング処理）の方向と液晶分子の立ち上がり方向を概念的に示す図である。従来技術によるＴＮ構造の液晶素子の概念図である。液晶分子が右回りに捩じれて配向している様子を概念的に示す図である。液晶分子が左回りに捩じれて配向している様子を概念的に示す図である。

Claims

略平行に配置され少なくとも一方が透明な１組の基板と、それぞれの基板の内側に配設された１組の配向膜と、上記１組の配向膜の間に充填された液晶材料を備え、上記配向膜の表面に上記液晶材料中の液晶分子が同一方向に向くように配向処理が施され、両配向膜に施された配向処理の方向のなす角が７０度から１１０度である液晶素子であって、上記１組の配向膜の配向処理の方向の組み合わせでユニフォームツイスト構造を形成するときの液晶分子の捩じれ方向に対して反対方向の捩じれ方向を与える螺旋ピッチを有する光学活性物質を上記液晶材料が含有することと、上記配向膜のプレチルト角が３０度以上４５度以下であることと、電圧が印加されると上記液晶分子がユニフォームツイスト構造を形成することを特徴とする、液晶素子。
上記プレチルト角が３０度である時、上記液晶材料層のリタデーションが０．５μｍであることを特徴とする、請求項１記載の液晶素子。
上記プレチルト角が４５度である時、上記液晶材料層のリタデーションが０．５μｍから１．９μｍであることを特徴とする、請求項１記載の液晶素子。
上記両配向膜に施された配向処理の方向のなす角が略９０度であることを特徴とする、請求項１記載の液晶素子。
上記電圧が１Ｈｚ程度の周波数のサイン波などの低い交流信号であることを特徴とする、請求項１記載の液晶素子。
ＩＴＯを蒸着した２枚のガラス基板をポリイミド膜で被覆して配向膜を形成する過程と、上記配向膜をラビングする過程と、上記各ガラス基板上の配向膜が内側になり、かつそれらの配向方向が７０度から１１０度になるように上記２枚のガラス基板を近接して配置する過程と、上記２枚のガラス基板間の空間に液晶材料を充填する過程を含む液晶素子の製造方法であって、上記液晶材料が光学活性物質を含み、上記液晶材料中の液晶分子の螺線ピッチが上記光学活性物質のカイラル方向と逆方向であることと、上記配向膜のプレチルト角が３０度以上４５度以下であることと、液晶素子に電圧を印加して、スプレイツイスト構造からユニフォームツイスト構造に変えることを特徴とする、液晶素子の製造方法。