JP5773691B2 - 液晶素子、液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶素子及び液晶表示装置における電気光学特性の改良技術に関する。

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

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

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

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

本発明に係る具体的態様は、２つの配向状態間の遷移を利用する新規な液晶素子における視角特性を向上し得る技術を提供することを目的の１つとする。
また、本発明に係る具体的態様は、新規な液晶素子を用いた低消費電力駆動が可能な液晶表示装置を提供することを他の目的の１つとする。

本発明に係る一態様の液晶素子は、（ａ）対向配置された第１基板及び第２基板と、（ｂ）少なくとも前記第１基板の前記第２基板側に設けられたプリズムアレイと、（ｃ）前記第１基板に設けられ、配向処理が施された第１配向膜と、（ｄ）前記第２基板に設けられ、配向処理が施された第２配向膜と、（ｅ）前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた液晶層と、（ｆ）前記第１基板の外側に配置された第１偏光板と、（ｇ）前記第２基板の外側に配置された第２偏光板と、（ｈ）前記第１基板及び前記第２基板に設けられた電圧印加手段を含み、（ｉ）前記第１基板及び前記第２基板は、前記液晶層の液晶分子を第１方向へ捻れさせるように前記配向処理の方向を配置され、（ｊ）前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１方向とは逆の第２方向に捻れさせる性質のカイラル材を含有し、（ｋ）前記プリズムアレイは、各プリズムの延在方向が前記配向処理の方向に対して４５°となるように配置され、（ｌ）前記電圧印加手段は、少なくとも、前記第１基板に設けられた第１電極と、前記第２基板に設けられた第２電極と、前記第２基板の前記第２電極の上側に絶縁層を介して設けられた櫛歯状の第３電極及び第４電極とを有する、液晶素子である。

上記の構成によれば、プリズムアレイの形状効果により液晶分子の配向状態が比較的高い所望のプレチルト角で安定に保持されるので、コントラストの高い双安定表示を簡便に実現できる。また、液晶層とプリズムアレイとの界面における屈折作用により、最大コントラストの得られる範囲を広げ、かつその方向を用途に応じて最適な方向に設定することができる。従って、２つの配向状態間の遷移を利用する新規な液晶素子における視角特性を向上し得る。

また、第２基板の第２電極の上側に絶縁層を介して設けられた櫛歯状の第３電極及び第４電極を有する電圧印加手段により、２つの配向状態（スプレイツイスト状態とリバースツイスト状態）の遷移を効率的に行わせることが可能となる。

本発明に係る他の態様の液晶素子は、（ａ）対向配置された第１基板及び第２基板と、（ｂ）少なくとも前記第１基板の前記第２基板側に設けられたプリズムアレイと、（ｃ）前記第１基板に設けられ、配向処理が施された第１配向膜と、（ｄ）前記第２基板に設けられ、配向処理が施された第２配向膜と、（ｅ）前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた液晶層と、（ｆ）前記第１基板の外側に配置された第１偏光板と、（ｇ）前記第２基板の外側に配置された第２偏光板と、（ｈ）前記第１基板及び前記第２基板に設けられた電圧印加手段、を含み、（ｉ）前記第１基板及び前記第２基板は、前記液晶層の液晶分子を第１方向へ捻れさせるように前記配向処理の方向を配置され、（ｊ）前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１方向とは逆の第２方向に捻れさせる性質のカイラル材を含有し、（ｋ）前記プリズムアレイは、各プリズムの延在方向が前記配向処理の方向に対して４５°となるように配置され、（ｌ）前記電圧印加手段は、少なくとも、前記第１基板に設けられた第１電極と、前記第２基板に設けられた第２電極と、前記第１基板の前記プリズムアレイの上側に設けられた櫛歯状の第３電極及び第４電極とを有する、液晶素子である。

上記の構成によっても、プリズムアレイの形状効果により液晶分子の配向状態が比較的高い所望のプレチルト角で安定に保持されるので、コントラストの高い双安定表示を簡便に実現できる。また、液晶層とプリズムアレイとの界面における屈折作用により、最大コントラストの得られる範囲を広げ、かつその方向を用途に応じて最適な方向に設定することができる。従って、２つの配向状態間の遷移を利用する新規な液晶素子における視角特性を向上し得る。

また、第１基板のプリズムアレイの上側に設けられた櫛歯状の第３電極及び第４電極を有する電圧印加手段により、２つの配向状態の遷移を効率的に行わせることが可能であるとともに、第１基板上の第１電極と第３電極および第４電極の間の絶縁状態を確保する機能をプリズムアレイによって兼用できるので、構成の簡素化および製造工程の短縮を図ることができる。

上記液晶素子においては、前記配向処理の方向により決まる前記液晶層の液晶分子のツイスト角が略９０°であることが好ましい。この場合に、第１偏光板と第２偏光板とは、各々の透過軸を略直交または略並行に配置されることが好ましい。

それにより、良好なノーマリーホワイト状態またはノーマリーブラック状態を実現できる。

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

上記の構成によれば、視角特性に優れた液晶表示装置が得られる。また、液晶素子の双安定性（メモリー性）を利用することにより表示書き換え時以外には基本的に電力を必要しないので低消費電力な液晶表示装置が得られる。

リバースＴＮ型液晶素子の動作を概略的に示す模式図である。 第１実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。 液晶素子に内蔵されるプリズムアレイの模式的な斜視図である。 実施例の液晶素子におけるコントラスト比の視角依存性を示す図である。 比較例の液晶素子におけるコントラスト比の視角依存性を示す図である。 リバースＴＮ型液晶素子の他の構成例を示す断面図である。 第２実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。 液晶層に対して各電極を用いて与えることが可能な電界について説明する模式図である。 リバースＴＮ型液晶素子の他の構成例を示す断面図である。 液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（リバースＴＮ型液晶素子の基本構造）
図１は、リバースＴＮ型液晶素子の動作を概略的に示す模式図である。リバースＴＮ型液晶素子は、基本的な構成として、対向配置された上側基板１および下側基板２と、それらの間に設けられた液晶層３を備える。上側基板１と下側基板２のそれぞれの表面にはラビング処理などの配向処理が施される。これらの配向処理の方向（図中に矢印で示す）が９０°前後の角度で互いに交差するようにして上側基板１と下側基板２とが相対的に配置される。液晶層３は、ネマチック液晶材料を上側基板１と下側基板２の間の注入することによって形成される。この液晶層３には、液晶分子をその方位角方向において特定の方向（図１の例では右旋回方向）にねじれさせる作用を生じるカイラル材が添加された液晶材料が用いられる。上側基板１と下側基板２の相互間隔（セル厚）をｄ、カイラル材のカイラルピッチをｐとすると、これらの比ｄ／ｐの値は、例えば０．４程度に設定される。このようなリバースＴＮ型液晶素子は、カイラル材の作用により、初期状態においては液晶層３がスプレイ配向しながら捻れるスプレイツイスト状態となる。このスプレイツイスト状態の液晶層３に飽和電圧を超える電圧を印加すると、液晶分子が左旋回方向に捻れるリバースツイスト状態（ユニフォームツイスト状態）に遷移する。このようなリバースツイスト状態の液晶層３にあってはバルク中の液晶分子が傾いているため、液晶素子の駆動電圧を低減する効果が現れる。

（第１実施形態）
図２は、第１実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。なお、図２においては便宜上、一部構成を除いてハッチング記載を省略する（後述する図面においても同様）。図２に示す本実施形態のリバースＴＮ型液晶素子５は、第１基板５１、第１電極５２、プリズムアレイ５３、第１配向膜５４、第２基板５５、第２電極５６、第２配向膜５７、液晶層６０、第１偏光板６１、第２偏光板６２を含んで構成される。

第１基板５１および第２基板５５は、相互に対向配置されており、それぞれ例えばガラス基板、プラスチック基板等の透明基板である。第１基板５１と第２基板５５との相互間には、例えば多数のスペーサー（粒状体）が分散して配置されており（図示せず）、それらのスペーサーによって第１基板５１と第２基板５５との相互間隔が保たれる。なお、特段の図示を省略するが、いずれかの基板上に薄膜トランジスタ等のスイッチング素子が形成されていてもよい。

第１電極５２は、第１基板５１の一面側に設けられている。同様に、第２電極５６は、第２基板５５の一面側に設けられている。第１電極５２および第２電極５６、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を用いて構成される。例えば本実施形態では、第１電極５２、第２電極５６ともに、基板一面に形成されている。なお、第１電極５２、第２電極５６は、適宜パターニングされていてもよい。

プリズムアレイ５３は、複数の微少な傾斜状の突起形状(プリズム)を一方向に配列して構成されている。プリズムアレイ５３の模式的な斜視図を図３に示す。図示のように各プリズムの断面形状は直角三角形（例えば頂角７５°、底角が１５°と９０°）である。また、各プリズムの配置ピッチＰは例えば８μｍ程度、高さｔは例えば２μｍ程度である。図３に示すように、プリズムアレイ５３は、上面から見るとスリット形状に形成されている。このプリズムアレイ５３は、例えば耐熱性および密着性に優れた樹脂材料を成形することにより得られる。プリズムアレイ５３の成形方法の詳細については後述する。

第１配向膜５４は、第１基板５１の一面側に、第１電極５２およびプリズムアレイ５３を覆うようにして設けられている。また、第２配向膜５７は、第２基板５５の一面側に、第２電極５６を覆うようにして設けられている。本実施形態においては、第１配向膜５４および第２配向膜５７として、液晶層６０の液晶分子の初期状態（電圧無印加時）における配向状態を水平配向状態に規制するもの（水平配向膜）が用いられている。これらの第１配向膜５４、第２配向膜５７に対しては、所定の表面処理（ラビング処理、光配向処理等）が施されている。第１配向膜５４と第２配向膜５７は、各々の配向処理の方向のなす角度が例えば９０°前後に設定される。

液晶層６０は、第１基板５１の一面と第２基板５５の一面の相互間に設けられている。本実施形態においては、誘電率異方性Δεが正（Δε＞０）のネマチック液晶材料を用いて液晶層６０が構成されている。液晶層６０に図示された楕円は、液晶層６０内の液晶分子を模式的に示したものである。電圧無印加時における液晶分子は、第１基板５１および第２基板５５の各基板面に対して所定のプレチルト角を有してほぼ水平に配向する。

第１偏光板６１は、第１基板５１の外側に配置されている。第２偏光板６２は、第２基板５５の外側に配置されている。本実施形態ではこの第２偏光板６２側から利用者によって視認される。これらの第１偏光板６１と第２偏光板６２は、例えば互いの透過軸を略直交させて配置される（クロスニコル配置）。

次に、リバースＴＮ型液晶素子５の製造方法の一例について詳述する。

まず、第１基板５１および第２基板５５として用いるためのガラス基板を用意する。これらのガラス基板としては、予めＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透明導電材料からなる導電膜を有するものがより好ましい。例えば、厚さが１５００ÅのＩＴＯ膜を有し、板厚が０．７ｍｍ、ガラス材質が無アルカリガラスである一対のガラス基板を用意する。第１基板５１、第２基板５５のそれぞれについて、ＩＴＯ膜を適宜パターニングすることにより、第１電極５２、第２電極５６を形成する。

次に、第１基板５１の第１電極５２上にプリズムアレイ５３を形成する。ここでは、断面が三角形状であり、そのピッチＰが８μｍ、高さｔが約２μｍ、頂角７５°、底角が１５°と９０°であり、上面から見るとスリット形状を有する金型を用いてプリズムアレイ５３を形成する。

具体的には、第１基板５１上に光硬化性樹脂材料を滴下し、その上に金型を置き、かつ第１基板５１の裏面側を厚手の石英基板等で補強した状態でプレスを行う。プレス後にある程度の時間（例えば１分間以上）だけ放置し、光硬化性樹脂材料を十分に広げた後、第１基板５１側から光を照射することで光硬化性樹脂材料を硬化させる。光の照射量は光硬化性樹脂材料が硬化するのに十分な値を適宜に設定する。ここで、一般にプリズム用材料は耐熱性が低く、プリズムアレイ５３上に第１配向膜５４を形成する際の熱処理（例えば１８０℃以上）により特性が劣化してしまう場合が多い。これに対して、本実施形態では、熱処理前後での透過率特性の低下がほとんど生じない光硬化性（例えば紫外線硬化性）のアクリル系樹脂材料を用いる。本実施形態で用いる光硬化性樹脂材料の屈折率は例えば１．５１程度である。

第１基板５１上に透明樹脂膜からなるプリズムアレイ５３が形成されると、次にこのプリズムアレイ５３が形成された第１基板５１を洗浄機により洗浄する。洗浄は、例えば、アルカリ洗剤を用いたブラシ洗浄、純水洗浄、エアーブロー、紫外線（ＵＶ）照射、赤外線（ＩＲ）乾燥の順に行うことができるがこれに限定されない。高圧スプレー洗浄やプラズマ洗浄などを行ってもよい。

次いで、プリズムアレイ５３が形成された第１基板５１に第１配向膜５４を形成する。同様に、第２基板５５に第２配向膜５７を形成する。ここでは例えば、配向膜表面において液晶分子に対して１〜２°のプレチルト角を発生する配向材（ポリイミド）を用いて配向膜を形成する。フレキソ印刷法、インクジェット法、スピンコート法、スリットコート法、スリット法とスピンコート法の組みあわせ等の適宜の方法で配向材を第１基板５１上、第２基板５５上にそれぞれ適当な膜厚（例えば５００〜８００Å程度）で塗布し、熱処理（例えば１８０℃で１．５時間の焼成）を行う。

次いで、熱処理によって得られた第１配向膜５４、第２配向膜５７のそれぞれに対して配向処理を行う。ここでは、例えばラビング処理を行い、その条件である押し込み量を０．８ｍｍとする（ストロングラビング条件）。この配向処理は、第１基板５１と第２基板５５とを重ね合わせたときに各基板上の液晶分子の配向方向が略９０°捻れるように行う。また、配向処理は、第１配向膜５４への配向処理の方向がプリズムアレイ５３の各プリズムの延在方向に対して４５°となるようにする。

次いで、一方の基板（例えば第１基板５１）上に、ギャップコントロール剤を適量（例えば２〜５ｗｔ％）含んだメインシール剤を形成する。メインシール剤の形成は、例えばスクリーン印刷やディスペンサーによる。また、ギャップコントロール剤の径は、プリズムアレイ５３のベース層とプリズムの高さを含め、液晶層６０の厚さが４〜６μｍ程度となるように材料を選ぶことができる。本実施形態では、ギャップコントロール剤としてその径８μｍのプラスチックボールを用いる。また、他方の基板（例えば第２基板５５）上にはギャップコントロール剤を散布する。例えば本実施形態では、６〜８μｍのプラスチックボールを乾式のギャップ散布機によって散布する。

次いで、第１基板５１と第２基板５５とを重ね合わせ、プレス機などで圧力を一定に加えた状態で熱処理することにより、メインシール剤を硬化させる。ここでは、例えば１５０℃で３時間の熱処理を行う。その後、第１基板５１と第２基板５５の間隙に液晶材料を充填することにより液晶層６０を形成する。液晶材料の充填は、例えば真空注入法によって行う。本実施形態では、誘電率異方性△εが正、屈折率異方性Δｎが０．１５であり、かつカイラル材を適量添加したことによりカイラルピッチを４０μｍとした液晶材料を用いる。このような液晶材料の注入後、その注入口にエンドシール剤を塗布し封止する。そして、封止後に適宜熱処理（例えば１２０℃で１時間）を行うことにより、液晶層６０の液晶分子の配向状態を整える。

次いで、第１基板５１の外側に第１偏光板６１を貼り合わせ、第２基板５５の外側に第２偏光板６２を貼り合わせる。これら第１偏光板６１と第２偏光板６２は、互いの透過軸を略直交配置（クロスニコル配置）とされる。以上のようにして本実施形態のリバースＴＮ型液晶素子５が得られる。このリバースＴＮ型液晶素子５に対して、第１電極５２および第２電極５６を用いて電圧（例えば交流５〜１５Ｖ）を印加することにより、液晶層６０をリバースツイスト状態に遷移させることができる。リバースツイスト状態としたリバースＴＮ型液晶素子５は、比較的に黒い状態（透過率の低い状態）である。

図４は、上記した条件に沿って作製された実施例のリバースＴＮ型液晶素子におけるコントラスト比の視角依存性を示す図である。また、図５は、比較例のリバースＴＮ型液晶素子におけるコントラスト比の視角依存性を示す図である。比較例のリバースＴＮ型液晶素子は、上記実施例の液晶素子からプリズムアレイを省いた構成とした。プリズムアレイを用いず高プレチルト角を実現するため、通常は垂直配向膜として用いられる配向膜材料に対し側鎖密度を低くしたポリイミド配向膜材料を用いた。以下の配向処理条件と合わせ、本比較例では２３°〜３５°のプレチルト角を得た。比較例のポリイミド配向膜の成膜は、配向膜材料をフレキソ印刷、インクジェット印刷、スピンコートなどで塗布し、クリーンオーブンで１６０℃、１時間の焼成により行った。成膜後の配向膜の膜厚は５００〜８００Åとした。焼成後の配向膜はラビング処理により一軸配向処理を行った。ラビング時のラビング布押し込み量は０．８ｍｍとした。プリズムアレイおよび配向膜以外は実施例の液晶素子と同一条件とした。なお、図４、図５のそれぞれにおいて外縁に沿って記載された０°〜３３０°の数値は基板面内における方向を表し、２７０°−９０°方向が液晶素子の左右方向に相当し、０°−１８０°方向が液晶素子の上下方向に相当する。また、縦軸に沿って記載された０°〜７０°の数値は基板法線方向からの傾き角（極角）を表す。さらに、各図中の「ＣＲ」とはコントラスト比を示しており、例えば「ＣＲ：２５」と付された領域内部はコントラスト比２５以上を示す領域である。また、コントラスト比については、実施例、比較例の各リバースＴＮ型液晶素子をスプレイツイスト状態にして視角透過率特性を測定し、その後液晶層に電圧を印加してリバースツイスト状態に遷移させた状態で視角透過率特性を測定し、それぞれにより得られた透過率の比を算出することにより求めた。

図４に示すように実施例のリバースＴＮ型液晶素子は、図５に示す比較例のリバースＴＮ型液晶素子よりも最大コントラストの位置が正面方向になっていることが分かる。また、全体的にコントラスト比が高く（コントラスト比２５以上）、コントラスト比が５以上の領域「ＣＲ：５」もより広いことが分かる。これらの結果は、プリズムアレイ５３により第１基板５１側の界面の液晶分子の配向状態が比較的高い所望のプレチルト角で安定に保持され、かつプリズムアレイ５３と液晶層６０との界面における屈折率差に起因して光の進路が曲げられることにより最大コントラスト比の得られる方向が制御されたためであると考えられる。

図６は、第１実施形態におけるリバースＴＮ型液晶素子の他の構成例を示す断面図である。図６に示すリバースＴＮ型液晶素子５ａは、第１基板５１、第１電極５２ａ、プリズムアレイ５３ａ、第１配向膜５４ａ、第２基板５５、第２電極５６、第２配向膜５７、液晶層６０、第１偏光板６１、第２偏光板６２を含んで構成される。上述した図２に示したリバースＴＮ型液晶素子５では第１電極５２の上側にプリズムアレイ５３が配置されていたが、図６に示す例のリバースＴＮ型液晶素子５ａはプリズムアレイ５３ａ上に第１電極５２ａを配置した点が構造上の相違である。上記したような高い耐熱性を有する樹脂材料を用いて形成されたプリズムアレイ５３ａ上であれば、本例のようにプリズムアレイ５３ａの上側にＩＴＯ等の透明導電材料からなる第１電極５２ａを設けることもできる。なお、図示を省略するがプリズムアレイ５３ａと第１電極５２ａとの間に両者の密着性をより向上させるための酸化珪素（ＳｉＯ_２）膜が設けられていることも好ましい。図６に例示するリバースＴＮ型液晶素子５ａにおいては、第１基板５１上の第１電極５２ａと液晶層６０との間にプリズムアレイ５３ａが存在することなく、第１電極５２ａから直接的に液晶層６０へ電圧を印加できることから駆動電圧をより低下させることが可能になる。なお、図２に示したリバースＴＮ型液晶素子５、図６に示したリバースＴＮ型液晶素子５ａのいずれについても、第１電極、第２電極の一方または双方がストライプ状（短冊状）などの形状にパターニングされていてもよい。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態のリバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。図７に示す本実施形態のリバースＴＮ型液晶素子５ｂは、第１基板５１、第１電極５２、プリズムアレイ５３、第１配向膜５４、第２基板５５、第２電極５６、第２配向膜５７、第３電極５８、第４電極５９、液晶層６０、第１偏光板６１、第２偏光板６２および絶縁膜６３を含んで構成される。なお、第１実施形態のリバースＴＮ型液晶素子５と共通する部材については同一符号を付しており、それらについては詳細な説明を省略する。

絶縁膜（絶縁層）６３は、第２基板５５上に第２電極５６を覆うようにして設けられている。この絶縁膜６３は、例えば酸化珪素膜、窒化珪素膜、酸化窒化珪素膜あるいはこれらの積層膜などの無機絶縁膜、または有機絶縁膜（例えばアクリル系有機絶縁膜）である。

第３電極５８および第４電極５９は、それぞれ、第２基板５５の絶縁膜６３の上側に設けられている。本実施形態における第３電極５８および第４電極５９は、それぞれ複数の電極枝を有する櫛歯状電極であり、互いの電極枝が交互に並ぶようにして配置されている（後述の図８参照）。第３電極５８および第４電極５９は、それぞれ、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）などの透明導電膜を適宜パターニングすることによって構成されている。第３電極５８、第４電極５９のそれぞれの電極枝は、例えば３０μｍ幅であり、電極間隔を２０μｍに設定して配置される。

第２配向膜５７ｂは、第３電極５８および第４電極５９を覆うようにして設けられている。第２配向膜５７ｂとしては、液晶層６０の液晶分子の初期状態（電圧無印加時）における配向状態を水平配向状態に規制するもの（水平配向膜）が用いられている。また、第２配向膜５７ｂには所定の表面処理（ラビング処理、光配向処理等）が施されている。

図８は、液晶層に対して各電極を用いて与えることが可能な電界について説明するための模式図である。図８（Ａ）は、第１電極〜第４電極の配置を模式的に示した平面図である。図８（Ｂ）〜図８（Ｄ）は、第１電極〜第４電極の配置を模式的に示した断面図である。図８（Ｂ）に示すように、第１電極５２と第２電極５６は互いに対向配置されており、図８（Ａ）に示すように第１電極５２と第２電極５６の重畳する領域内に第３電極５８と第４電極５９が配置されている。また、図８（Ａ）に示すように、第３電極５８の複数の電極枝と第４電極５９の複数の電極枝とは１つずつ交互に繰り返すように配置されている。

図８（Ｂ）に示すように、第１電極５２と第２電極５６の間に電圧を印加することにより両電極間に電界を発生させることができる。この場合の電界は、図示のように第１基板５１および第２基板５５の厚さ方向（セル厚方向）に沿った電界となる。この電界を以後「縦電界」と称する場合もある。

また、図８（Ｃ）に示すように、第３電極５８と第４電極５９の間に電圧を印加することにより両電極間に電界を発生させることができる。この場合の電界は、図示のように第１基板５１および第２基板５５の各一面にほぼ平行な方向の電界となる。この電界を以後「横電界」と称する場合もある。以後、このような電界を用いるモードを「ＩＰＳモード」と称する場合もある。

また、図８（Ｄ）に示すように、絶縁膜６３を挟んで対向配置された第２電極５６と第３電極５８および第４電極５９との間に電圧を印加することにより両電極間に電界を発生させることができる。この場合の電界は、図示のように第１基板５１および第２基板５５の各一面にほぼ平行な方向に沿った電界となる。この電界を以後「横電界」と称する場合もある。以後、このような電界を用いるモードを「ＦＦＳモード」と称する場合もある。

液晶素子は、初期状態において液晶層６０の液晶分子がスプレイツイスト状態に配向する。これに対して、上記したように第１電極５２と第２電極５６を用いて縦電界を発生させると、液晶層６０の配向状態がリバースツイスト状態へ遷移する。その後、第３電極５８と第４電極５９を用いて横電界を発生させると（ＩＰＳモード）、液晶層６０の配向状態がスプレイツイスト状態へ遷移する。また、第２電極５６、第３電極５８、第４電極５９を用いて横電界を発生させた場合（ＦＦＳモード）でも同様に、液晶層６０の配向状態がリバースツイスト状態からスプレイツイスト状態へ遷移する。ＩＰＳモードとの比較では、ＦＦＳモードのほうが液晶層６０の配向状態をより均一に遷移させることができる。これは、第３電極５８、第４電極５９の各電極上にも横電界が印加されるためである。したがって、開口率（透過率、コントラスト比）の面からはＦＦＳモードがより適しているといえる。

配向状態のスイッチングが可能となった理由は以下のように考察される。スプレイツイスト状態では液晶層６０の層厚方向の略中央における液晶分子が横に寝ているが、縦電界によってリバースツイスト状態になり、当該略中央における液晶分子が垂直方向に傾く。この後、ＩＰＳモードあるいはＦＦＳモードの横電界によって、リバースツイスト状態における液晶層６０の層厚方向の略中央における液晶分子に横電界がかかり、スプレイツイスト状態における液晶層６０の当該略中央における液晶分子があるべきダイレクタ方向に向いたため、再び初期状態であるスプレイツイスト状態へ遷移する。以上により、縦電界と横電界を活用してスプレイツイスト状態とリバースツイスト状態を切り替えられるようになったものと考えられる。

次に、液晶素子の製造方法の一例について詳細に説明する。

上記した第１実施形態と同様にして、第１電極５２を有する第１基板５１、第２電極５６を有する第２基板５５を形成し、その後、第１基板５２上にプリズムアレイ５３を形成する。

次いで、第２基板５５の第２電極５６上に絶縁膜６３を形成する。その際、取り出し電極部分には絶縁膜６３が形成されないよう工夫する必要がある。その方法としては、あらかじめ取り出し電極部分にレジストを形成しておいて絶縁膜６３の形成後にリフトオフする方法や、メタルマスクなどにより取り出し電極部分を隠した状態でスパッタ法などにより絶縁膜６３を形成する方法などが挙げられる。また、絶縁膜６３としては、有機絶縁膜、あるいは酸化珪素膜や窒化珪素膜等の無機絶縁膜及びそれらの組み合わせ等が挙げられる。ここでは、アクリル系有機絶縁膜と酸化珪素膜（ＳｉＯ_２膜）の積層膜を絶縁膜６３として用いる。

取り出し電極部分（端子部分）には耐熱性のフィルム（ポリイミドテープ）を貼り、その状態で有機絶縁膜の材料液をスピンコートする。例えば、２０００ｒｐｍにて３０秒間スピンさせる条件で、膜厚１μｍを得る。これをクリーンオーブンにて焼成する（例えば、２２０℃、１時間）。耐熱性のフィルムを貼ったままでＳｉＯ_２膜をスパッタ法（交流放電）により成膜する。例えば、８０℃に基板加熱し、１０００Å形成する。ここで耐熱性のフィルムを剥がすと、有機絶縁膜、ＳｉＯ_２膜ともきれいに剥がすことができる。その後、クリーンオーブンにて焼成する（例えば、２２０℃、１時間）。これは、ＳｉＯ_２膜の絶縁性と透明性を上げるためである。ＳｉＯ_２膜を形成する必要性は必ずしも無いが形成によりその上に形成するＩＴＯ膜の密着性及びパターニング性が向上するため、形成することが望ましい。また、絶縁性も向上する。一方、有機絶縁膜を形成せずにＳｉＯ_２膜のみで絶縁性をとる方法が考えられるが、その場合にはＳｉＯ_２膜は多孔質になりやすいため膜厚を４０００〜８０００Å程度確保することが望ましい。また、ＳｉＮｘとの積層膜にしてもよい。なお、無機絶縁膜の形成方法としてスパッタ法を述べたが、真空蒸着法、イオンビーム法、ＣＶＤ法（化学気相堆積法）などの形成方法を用いてもよい。

次いで、絶縁膜６３上に第３電極５８および第４電極５９を形成する。具体的には、まず絶縁膜６３上にＩＴＯ膜をスパッタ法（交流放電）にて形成する。これを、例えば１００℃に基板加熱し、約１２００Å程度のＩＴＯ膜を全面に形成する。このＩＴＯ膜を一般的なフォトリソグラフィ技術によってパターニングする。このときのフォトマスクとしては、上記した図８に示したような櫛歯状電極に対応する遮光部分を有するものを用いる。ここでは、櫛歯状の電極枝の幅を３０μｍ、電極間隔２０μｍとする。なお、上記の取り出し電極部分にもパターンが無いとエッチングにより下側のＩＴＯ膜も除去されるので、取り出し電極部分にもパターンが形成されているフォトマスクを用いる。

上記のようにして作製した第１基板５１および第２基板５５を洗浄する。具体的には、まず水洗（ブラシ洗浄もしくはスプレー洗浄、純水洗浄）をし、水切り後にＵＶ洗浄をし、最後にＩＲ乾燥を行う。

次いで、上記した第１実施形態と同様にして、第１基板５１、第２基板５５のそれぞれに第１配向膜５３、第２配向膜５７を形成し、各配向膜に配向処理を施す。

次いで、第１基板５１と第２基板５５を貼り合わせる。第１基板５１上にはあらかじめスペーサー材を散布し、さらにシール材を印刷する。その後、第１偏光板６１、第２偏光板６２を取り付ける。

以上により、本実施形態の液晶素子５ｂが完成する。本実施形態の液晶素子５ｂは、第１実施形態の液晶素子と同様に優れた視角特性を有する。また、第１電極、第２電極に加え、第３電極および第４電極を備えることにより、スプレイツイスト状態とリバースツイスト状態の間の遷移をより良好に行うことができる。

図９は、第２実施形態におけるリバースＴＮ型液晶素子の他の構成例を示す断面図である。図９に示すリバースＴＮ型液晶素子５ｃは、第１基板５１、第１電極５２、プリズムアレイ５３ｃ、第１配向膜５４、第２基板５５、第２電極５６、第２配向膜５７、第３電極５８ｃ、第４電極５９ｃ、液晶層６０、第１偏光板６１、第２偏光板６２を含んで構成される。上述した図７に示したリバースＴＮ型液晶素子５ｂでは第２基板５５側に第３電極５８および第４電極５９が配置されていたが、図９に示す例のリバースＴＮ型液晶素子５ｃはプリズムアレイ５３ｃ上に第３電極５８ｃおよび第４電極５９ｃが配置されている点が構造上の相違である。上記したような高い耐熱性を有する樹脂材料を用いて形成されたプリズムアレイ５３ｃ上であれば、本例のようにプリズムアレイ５３ｃの上側にＩＴＯ等の透明導電材料からなる第３電極５８ｃおよび第４電極５９ｃを設けることもできる。この構造では、上記した図７に示したリバースＴＮ型液晶素子５ｂにおける絶縁膜６３の機能をプリズムアレイ５３ｃによって代替することができる。それにより絶縁膜６３が不要となるので、製造工程を短縮することが可能となる。

（第３実施形態）
次に、上記した第２実施形態の液晶素子の有するメモリー性を利用した低消費電力駆動が可能な液晶表示装置の構成例について説明する。

図１０は、液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。図１０に示す液晶表示装置は、複数の画素部７４をマトリクス状に配列して構成される単純マトリクス型の液晶表示装置であり、各画素部７４として上記した液晶素子５ｂまたは液晶素子５ｃが用いられている。具体的には、液晶表示装置は、Ｘ方向に延びるｍ本の制御線Ｂ１〜Ｂｍと、これらの制御線Ｂ１〜Ｂｍに対して制御信号を与えるドライバー７１と、各々が制御線Ｂ１〜Ｂｍと交差してＹ方向に延びるｎ本の制御線Ａ１〜Ａｎと、これらの制御線Ａ１〜Ａｎに対して制御信号を与えるドライバー７２と、各々が制御線Ｂ１〜Ｂｍと交差してＹ方向に延びるｎ本の制御線Ｃ１〜ＣｎおよびＤ１〜Ｄｎと、これらの制御線Ｃ１〜ＣｎおよびＤ１〜Ｄｎに対して制御信号を与えるドライバー７３と、制御線Ｂ１〜Ｂｍと制御線Ａ１〜Ａｎとの各交点に設けられた画素部７４と、を含んで構成されている。

各制御線Ｂ１〜Ｂｍ、Ａ１〜Ａｎ、Ｃ１〜ＣｎおよびＤ１〜Ｄｎは、例えば、ストライプ状に形成されたＩＴＯ等の透明導電膜からなる。制御線Ｂ１〜ＢｍとＡ１〜Ａｎとが交差する部分が上記した第１電極５２および第２電極５６として機能する。また、制御線Ｃ１〜Ｃｎについては、各画素部７４に相当する領域に設けられ第３電極５８（または５８ｃ）としての櫛歯状の電極枝（図５においては図示省略）と接続されている。同様に、制御線Ｄ１〜Ｄｎについては、各画素部７４に相当する領域に設けられ第４電極５９（または５９ｃ）としての櫛歯状の電極枝と接続されている。

図１０に示す構成の液晶表示装置の駆動法としては種々の方法が考えられる。例えば、制御線Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３・・・とライン毎に表示書き換えを行う方法（線順次駆動法）について説明する。この場合には、相対的に明るい表示としたい画素部７４には縦電界を印加し、相対的に暗い表示としたい画素部７４には横電界を印加すればよい。

例えば、制御線Ｂ１には配向状態の遷移が生じない程度の矩形波電圧（例えば５Ｖ程度で１５０Ｈｚ）を印加し、制御線Ａ１〜Ａｎ、Ｃ１〜ＣｎおよびＤ１〜Ｄｎにはそれと同期し、もしくは半周期ずれた閾値電圧程度の矩形波電圧（例えば５Ｖ程度で１５０Ｈｚ）を印加する。

詳細には、制御線Ａ１〜Ａｎのうち、明るい表示としたい画素部７４に対応する制御線には、制御線Ｂ１に印加した矩形波電圧と半周期ずれた矩形波電圧を印加する。このとき制御線Ｃ１〜ＣｎおよびＤ１〜Ｄｎには電圧を印加しない。それにより、画素部７４の液晶素子には実効的に１０Ｖ程度の電圧（縦電界）が印加される状態となる。この電圧が飽和電圧以上であるとすれば、液晶層６０に配向状態の遷移を生じさせて画素部７４の光透過率を変化させることができる。一方、制御線Ａ１〜Ａｎのうち、表示を変化させる必要がない画素部７４に対応する制御線には、制御線Ｂ１に印加される矩形波電圧と同期した矩形波電圧を印加する。このときも制御線Ｃ１〜ＣｎおよびＤ１〜Ｄｎには電圧を印加しない。それにより、画素部７４では実効的に電圧が印加されていない状態となる。したがって、液晶層６０には配向状態の遷移が生じず、光透過率が変化しない。

また、制御線Ｃ１〜ＣｎおよびＤ１〜Ｄｎのうち、明るい表示としたい画素部７４に対応する制御線には、制御線Ｂ１に印加した矩形波電圧と半周期ずれた矩形波電圧を印加する。このとき制御線Ａ１〜Ａｎには電圧を印加しない。それにより、画素部７４の液晶素子には実効的に１０Ｖ程度の電圧（横電界）が印加される状態となる。この電圧が飽和電圧以上であるとすれば、液晶層６０に配向状態の遷移を生じさせて画素部７４の光透過率を変化させることができる。一方、制御線Ｃ１〜ＣｎおよびＤ１〜Ｄｎのうち、表示を変化させる必要がない画素部７４に対応する制御線には、制御線Ｂ１に印加される矩形波電圧と同期した矩形波電圧を印加する。このときも制御線Ａ１〜Ａｎには電圧を印加しない。それにより、画素部７４では実効的に電圧が印加されていない状態となる。したがって、液晶層６０には配向状態の遷移が生じず、光透過率が変化しない。

以上のような駆動を制御線Ｂ２、Ｂ３・・・と順次に実行していくことによりドットマトリクス表示が可能となる。このような駆動により書き換えられた表示状態は半永久的に保持することが可能である。この表示を書き換えるには再び制御線Ｂ１から上記の制御を実行すればよい。なお、ここではいわゆる単純マトリクス型の液晶表示装置について本発明を適用した例を示したが、薄膜トランジスタ等を用いたアクティブマトリクス型の液晶表示装置について本発明を適用することも可能である。アクティブマトリクス型の液晶表示装置の場合には制御線Ｂ１等のライン毎に書き換える必要がなくなるので書き換え時間を短縮できる。また、しきい値に対して２倍以上の電圧の印加も可能になるので更に高速に書き換えが可能になる。ただし、片側の基板に横電界用と縦電界用の電極があるため、１画素あたり２つの薄膜トランジスタ等が必要になる。

以上のように各実施形態並びに実施例によれば、プリズムアレイの形状効果により液晶分子の配向状態が比較的高い所望のプレチルト角で安定に保持されるので、コントラストの高い双安定表示を簡便に実現できる。また、液晶層とプリズムアレイとの界面における屈折作用により、最大コントラストの得られる範囲を広げ、かつその方向を用途に応じて最適な方向に設定することができる。従って、２つの配向状態間の遷移を利用する新規な液晶素子における視角特性を向上し得る。

また、一般的な配向膜を用いることができるので配向状態の長期安定性が期待でき、液晶素子の信頼性を高めることができる。

また、メモリー性を利用した駆動方法（線順次書き換え法等）の適用が可能になるため、ＴＦＴ等のスイッチング素子を用いることなく単純マトリクス表示により大容量のドットマトリクス表示が可能である。従って低コストで大容量表示が可能になる。

また、このような双安定性リバースＴＮ型の液晶素子の製造工程は、基本的には一般的なＴＮ型液晶素子の製造工程と共通しているため、コストアップの要因は少なく、一般的なＴＮ型液晶素子と同様に安価に製造が可能である。

なお、本発明は上述した内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した各実施形態では液晶層のツイスト角を９０°程度としていたが、ツイスト角はこれに限定されるものではない。この場合には、白表示での明るさをより確保するためには液晶層内のリターデーション値を調整するとよい。また、第１偏光板と第２偏光板の各透過軸のなす角度を９０°程度としたノーマリーホワイト状態の液晶素子について例示していたが、ノーマリーブラック状態の液晶素子としても構わない。ただし、良好な黒表示を得られ、より高いコントラストを得られるという点ではノーマリーホワイト状態のほうがより好ましい。また、上記した各実施形態ではいずれか一方の基板にのみプリズムアレイを設けていたが、双方の基板にプリズムアレイを設けてもよい。

１：上側基板
２：下側基板
３：液晶層
５、５ａ、５ｂ、５ｃ：液晶素子
５１：第１基板
５２、５２ａ：第１電極
５３、５３ａ、５３ｃ：プリズムアレイ
５４、５４ａ：第１配向膜
５５：第２基板
５６：第２電極
５７：第２配向膜
５８、５８ｃ：第３電極
５９、５９ｃ：第４電極
６０：液晶層
６１：第１偏光板
６２：第２偏光板
６３：絶縁膜
７１、７２、７３：ドライバー
７４：画素部
Ａ１〜Ａｎ、Ｂ１〜Ｂｍ、Ｃ１〜Ｃｎ、Ｄ１〜Ｄｎ：制御線

Claims (4)

1. 対向配置された第１基板及び第２基板と、
   少なくとも前記第１基板の前記第２基板側に設けられたプリズムアレイと、
   前記第１基板に設けられ、配向処理が施された第１配向膜と、
   前記第２基板に設けられ、配向処理が施された第２配向膜と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた液晶層と、
   前記第１基板の外側に配置された第１偏光板と、
   前記第２基板の外側に配置された第２偏光板と、
   前記第１基板及び前記第２基板に設けられた電圧印加手段、
   を含み、
   前記第１基板及び前記第２基板は、前記液晶層の液晶分子を第１方向へ捻れさせるように前記配向処理の方向を配置され、
   前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１方向とは逆の第２方向に捻れさせる性質のカイラル材を含有し、
   前記プリズムアレイは、各プリズムの延在方向が前記配向処理の方向に対して４５°となるように配置され、
   前記電圧印加手段は、少なくとも、前記第１基板に設けられた第１電極と、前記第２基板に設けられた第２電極と、前記第２基板の前記第２電極の上側に絶縁層を介して設けられた櫛歯状の第３電極及び第４電極とを有する、
   液晶素子。
2. 対向配置された第１基板及び第２基板と、
   少なくとも前記第１基板の前記第２基板側に設けられたプリズムアレイと、
   前記第１基板に設けられ、配向処理が施された第１配向膜と、
   前記第２基板に設けられ、配向処理が施された第２配向膜と、
   前記第１基板と前記第２基板の間に設けられた液晶層と、
   前記第１基板の外側に配置された第１偏光板と、
   前記第２基板の外側に配置された第２偏光板と、
   前記第１基板及び前記第２基板に設けられた電圧印加手段、
   を含み、
   前記第１基板及び前記第２基板は、前記液晶層の液晶分子を第１方向へ捻れさせるように前記配向処理の方向を配置され、
   前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１方向とは逆の第２方向に捻れさせる性質のカイラル材を含有し、
   前記プリズムアレイは、各プリズムの延在方向が前記配向処理の方向に対して４５°となるように配置され、
   前記電圧印加手段は、少なくとも、前記第１基板に設けられた第１電極と、前記第２基板に設けられた第２電極と、前記第１基板の前記プリズムアレイの上側に設けられた櫛歯状の第３電極及び第４電極とを有する、
   液晶素子。
3. 前記配向処理の方向により決まる前記液晶層の液晶分子のツイスト角が略９０°である、請求項１又は２に記載の液晶素子。
4. 複数の画素部を備え、当該複数の画素部の各々が請求項１〜３の何れか１項に記載の液晶素子を用いて構成された、液晶表示装置。