JP5848648B2 - 液晶表示素子 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示素子、殊に液晶層に光学活性物質（カイラル剤）を含む液晶表示素子に関する。

一組の配向膜の配向処理方向とプレティルト角の組み合わせで定まる液晶分子の捩れ方向（第１旋回方向）と、カイラル剤によって誘起される液晶分子の捩れ方向（第２旋回方向）とが逆方向となるように作製された液晶層を有し、たとえば液晶層に物理的作用を与えることにより、液晶分子が各方向へ捩れる状態（第１旋回方向につきリバースツイスト配列状態、第２旋回方向につきスプレイツイスト配列状態）が可換的に実現可能な液晶表示素子を、リバースツイステッドネマチック(reverse twisted nematic;RTN)型液晶表示素子と呼ぶ。第１旋回方向は、液晶層にカイラル剤を添加しなかった場合に、液晶分子が捩れる旋回方向である。

たとえば特許文献１にリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子の記載がある。特許文献１記載のリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子においては、液晶分子が第１旋回方向に捩れる配列状態が不安定である。高電圧の印加によって第１旋回方向に捩れる配列状態を得ることは可能であるが、時間の経過とともに液晶分子は第２旋回方向に捩れる配列状態に転移する。

液晶分子を第２旋回方向に旋回させるカイラル剤を添加しながらも、基板の配向方向の組み合わせにより、液晶分子を第１旋回方向に配列させることで、液晶層内の歪を増大させ、駆動電圧の大幅な低減を可能にしたリバースツイステッドネマチック型液晶素子の発明が特許文献２に記載されている。しかしながら、特許文献２記載の発明においては、第２旋回方向に捩れる配列状態から、第１旋回方向に捩れる配列状態に転移させる電圧の印加を停止して数秒後には、もとの配列状態（第２旋回方向に捩れる配列状態）に再転移するため、第２旋回方向に捩れる配列状態で液晶素子を駆動する場合には、高い駆動電圧が必要となるという問題がある。

また、リバースツイステッドネマチック型液晶表示素子においては、一般的に、液晶分子が第１旋回方向に捩れる配列状態（リバースツイスト配列状態）と第２旋回方向に捩れる配列状態（スプレイツイスト配列状態）とで外観上の表示状態に大きな違いがなく、双安定性を与えても高いコントラスト比（透過率の差）が得られにくいという問題がある。

上下基板間でラビング方向のなす角度が９０°より大きく１２０°未満になるように配向処理を行い、かつ液晶層に、ラビング方向のなす角度と同じ方向になるように捩れる性質をもつカイラル剤を添加したことを特徴とするリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子の発明が特許文献３に開示されている。特許文献３記載のリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子は、通常のツイステッドネマチック型液晶表示素子と比較したとき、どの温度においてもシャープネスが優れている。また良好なシャープネスに起因し、特に単純マトリクス駆動液晶表示素子において、高デューティ駆動が可能であったり、同じデューティで駆動する場合のコントラストが高いといった特徴をもつ。更に、低温でのレスポンスが通常のツイステッドネマチック型液晶表示素子よりも速い、高温環境下でもオフ電圧時透過率が下がらず、明るい表示を実現できる等、単純マトリクス駆動液晶表示素子、及び、ＴＦＴ(thin film transistor)を用いた液晶表示素子双方の長所を有する。

特許文献３記載の液晶表示素子は、リバースツイスト配列状態が非常に安定で、かつ、その状態での電気光学特性が通常のツイステッドネマチック型液晶表示素子より優れている。しかしながら、リバースツイスト配列状態とスプレイツイスト配列状態の双安定性を積極的に利用する発明ではない。

本願発明者らが行った、２０°以上４５°以下の比較的低いプレティルト角を有するリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子の発明が特許文献４に開示されている。この液晶表示素子には、カイラルピッチをｐ、液晶層の厚さをｄとするとき、たとえばｄ／ｐが０．０４を超え０．２５未満となるように、カイラル剤が比較的少なく添加されている。

特許文献４記載の液晶表示素子は、高コントラスト比が実現された、表示品質の高い液晶表示素子である。ただ、正面観察時のコントラストが高いとはいえない。これは反射型ディスプレイとして使用する場合には比較的好ましいが、透過型ディスプレイとして用いる場合には好ましいとはいえない光学特性である。

特許２５１０１５０号公報 特開２００７−２９３２７８号公報 特開２０１０−１８６０４５号公報 特開２０１１−２０３５４７号公報

本発明の目的は、表示品質の高い液晶表示素子を提供することである。

本発明の一観点によると、第１の電極を備え、配向処理された第１の基板と、前記第１の基板と平行に対向配置され、第２の電極を備え、配向処理された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、カイラル剤を含み、ツイスト配向する液晶層とを有し、前記液晶層が前記カイラル剤を含まなかった場合に、液晶分子が捩れる旋回方向を第１旋回方向とするとき、前記カイラル剤は前記液晶層の液晶分子に、前記第１旋回方向とは反対の第２旋回方向への旋回性を与え、前記液晶層には、前記第１の電極と前記第２の電極とに電圧を印加することで、前記液晶層の厚さ方向の電界を生じさせることが可能であり、前記第１の基板、前記第２の基板の少なくとも一方には、電圧の印加により、前記液晶層の厚さ方向と直交する方向の電界を生じさせることが可能な電極が形成されており、前記第１の基板ならびに前記第２の基板に対する配向処理、及び、前記液晶層へのカイラル剤の添加は、前記液晶層に付加する電界の方向により、前記液晶層の液晶分子が、フォーカルコニック配列状態と、リバースツイスト配列状態との間で相互に遷移するように行われている液晶表示素子が提供される。

本発明によれば、表示品質の高い液晶表示素子を提供することができる。

図１は、実施例による液晶表示素子の製造方法を示すフローチャートである。 図２Ａ及び図２Ｂは、作製された複数の液晶表示素子について、表示状態の偏光顕微鏡観察結果を示す写真であり、図２Ｃは、フォーカルコニック配向の液晶分子配列を示す概略図である。 図３Ａは、プレティルト角を約４５°、ｄ／ｐを０．８とする条件で作製した液晶表示素子（図２Ｂに表示状態を示す液晶表示素子）について、０°−１８０°方位（左右方位）の透過率視角依存性を示すグラフであり、図３Ｂは、プレティルト角を約４５°、ｄ／ｐを０．８とする条件で作製した液晶表示素子（図２Ｂに表示状態を示す液晶表示素子）の等コントラスト曲線を示し、図３Ｃは、本願発明者らの先の発明における実施例による液晶表示素子の視角−コントラスト特性を示すグラフである。 図４は、リバースツイスト配列状態、及び、フォーカルコニック配列状態の双安定状態を実現可能な条件を示すグラフである。 図５は、実施例による液晶表示素子の一画素内の概略的な断面図である。 図６は、上側透明基板１１ａ上に形成されるＩＴＯ膜のパターンを示す概略的な平面図である。 図７は、下側透明基板１１ｂ上に形成されるＩＴＯ膜のパターンを示す概略的な平面図である。 図８は、ＩＴＯ膜のエッチングに使用するフォトマスクを示す概略的な平面図である。 図９は、下側基板１０ｂに形成される下側配向膜１４ｂの形成領域の一部を示す概略的な平面図である。 図１０は、実施例による液晶表示素子の構造を示す概略的な平面図である。 図１１Ａ〜図１１Ｃは、実施例による液晶表示素子の外観写真であり、図１１Ｄ〜図１１Ｆは、電極間に電圧を印加した時の電界方向を示す概略的な断面図である。

以下、液晶層を挟持する両基板に施された配向処理（プレティルト角）の関係から、液晶分子がねじれやすい方向（第１旋回方向）とは、反対方向（第２旋回方向）のねじれ力（カイラリティ）を有するカイラル剤が添加されたツイステッドネマチック型液晶表示素子の実施例について説明する。

図１は、実施例による液晶表示素子の製造方法を示すフローチャートである。本願発明者らは、まず本図に示すフローチャートに沿って複数の液晶表示素子を作製し、良好な表示が実現される条件を予備的に考察した。

透明電極、たとえばＩＴＯ(indium tin oxide)電極が形成された透明基板を２枚準備する（ステップＳ１０１）。ここでは平行平板タイプの電極をもつテストセルを用い、２枚の透明基板を洗浄、乾燥した（ステップＳ１０２）。

透明基板上に、ＩＴＯ電極を覆うように配向膜材料を塗布する（ステップＳ１０３）。配向膜材料の塗布は、スピンコートを用いて行った。フレキソ印刷やインクジェット印刷を用いて行ってもよい。本例においては、通常は垂直配向膜の形成に使用されるポリイミド配向膜材料の側鎖密度を低くし、配向膜材料として用いた。側鎖密度のコントロールは、適度なプレティルト角の付与を可能とするためである。配向膜材料は、配向膜の厚さが５００Å〜８００Åとなるように塗布した。

配向膜材料を塗布した透明基板の仮焼成（ステップＳ１０４）、及び本焼成（ステップＳ１０５）を実施する。本焼成は１６０℃〜２００℃の間で焼成温度を変えて行った。こうしてＩＴＯ電極を覆う配向膜が形成された（ステップＳ１０３〜Ｓ１０５）。

次に、ラビング処理（配向処理）を行う（ステップＳ１０６）。ラビング処理は、たとえば布を巻いた円筒状のロールを高速に回転させ配向膜上を擦る工程であり、これにより基板に接する液晶分子を一方向に並べる（配向する）ことができる。ラビング処理は、押し込み量を０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍとする３条件で行った。またラビング処理は、液晶表示素子のツイスト角が７０°または９０°となるように実施した。

続いて、液晶セルの厚さ（基板間距離）を一定に保つため、一方の透明基板面上にギャップコントロール材をたとえば乾式散布法にて散布する（ステップＳ１０７）。ギャップコントロール材には粒径４μｍのプラスチックボールを使用し、液晶セルの厚さが４μｍとなるようにした。

他方の透明基板面上にはシール材を印刷し、メインシールパターンを形成する（ステップＳ１０８）。たとえば粒径４μｍのグラスファイバーを含んだ熱硬化性のシール材を、スクリーン印刷法で印刷する。ディスペンサを用いて、シール材を塗布することもできる。また、熱硬化性ではなく、光硬化性のシール材や、光・熱併用硬化型のシール材を使ってもよい。

透明基板を重ね合わせる（ステップＳ１０９）。２枚の透明基板を所定の位置で重ね合わせてセル化し、プレスした状態で熱処理を施しシール材を硬化させる。たとえばホットプレス法を用い、シール材の熱硬化を行う。こうして空セルが作製される。

たとえば真空注入法で空セルにネマチック液晶を注入する（ステップＳ１１０）。液晶中にはカイラル剤を添加した。カイラル剤には（株）メルク製のＣＢ１５またはＳ−８１１を使用した。カイラル剤の添加量は、カイラルピッチｐ、液晶層の厚さ（セル厚）ｄとしたとき、ｄ／ｐがたとえば０．５〜１．２となるように調整した。

液晶注入口を、たとえば紫外線（ＵＶ）硬化タイプのエンドシール材で封止し（ステップＳ１１１）、液晶分子の配向を整えるため、液晶の相転移温度以上にセルを加熱する（ステップＳ１１２）。その後、スクライバ装置で透明基板につけた傷に沿ってブレイキングし、個別のセルに小割する。

小割されたセルに対し、面取り（ステップＳ１１３）と洗浄（ステップＳ１１４）を実施する。

最後に、２枚の透明基板の液晶層と反対側の面に、偏光板を貼付する（ステップＳ１１５）。２枚の偏光板はクロスニコルに、かつ透過軸の方向とラビング方向とが平行となるように配置した。直交するように配置することもできる。両透明基板のＩＴＯ電極間には電源を接続した。

図２Ａ及び図２Ｂは、作製された複数の液晶表示素子について、表示状態の偏光顕微鏡観察結果を示す写真である。図２Ａの写真は、プレティルト角を約３５°、ｄ／ｐを０．５７とする条件で作製した液晶表示素子の正面観察時表示状態を示し、図２Ｂの写真は、プレティルト角を約４５°、ｄ／ｐを０．８とする条件で作製した液晶表示素子のそれを示す。

図２Ａにおいて、黒く写っている（黒表示）部分は、両透明基板の電極間に電圧を印加した領域であり、白く写っている（白表示）部分は、電圧無印加の領域である。図２Ｂにおいても同様である。図２Ｂには、白く写っている部分の拡大写真もあわせて示した。

白く写っている部分は、目視では均一な白表示に見えるが、顕微鏡で拡大して観察すると細かな配向の模様が認められる。これはフォーカルコニック配向と考えられる。

図２Ｃに、フォーカルコニック配向の液晶分子配列の概略を示す。フォーカルコニック配向とは、螺旋の軸が基板（上側基板及び下側基板）面と平行となるように、液晶分子が液晶層の中で螺旋構造をとる配列状態をいう。

一方、図２Ａ及び図２Ｂの写真に黒く写っている部分においては、液晶分子は、カイラル剤によって付与される捩れ力に逆らい、上下基板のプレティルト角の関係からねじれやすい方向にねじれるリバースツイスト配列状態を示していると考えられる。液晶層の厚さ方向の中央に位置する液晶分子が、ある程度垂直方向に立ち上がっているため、黒表示が得られているものであろう。図２Ａの写真に示す液晶セルの作製条件、及び、図２Ｂの写真に示す液晶セルの作製条件においては、カイラル剤の添加量が比較的多いため、液晶層内部の歪が大きく、液晶層の厚さ方向中央分子が、垂直近く立ち上がっている状態となっていると推察される。

作製された液晶表示素子は、初期状態においてフォーカルコニック配列状態となる。両透明基板のＩＴＯ電極間に、電気光学特性の飽和電圧値以上の電圧を印加する（閾値以上の強さの縦電界を生じさせる）と、リバースツイスト配列状態に遷移する。図２Ａ及び図２Ｂに示す写真から、作製された液晶表示素子においては、正面から観察した場合でも、高いコントラスト比で表示が行われることがわかる。

なお、白表示（フォーカルコニック配列状態）、及び、黒表示（リバースツイスト配列状態）のメモリ性は非常に安定であり、顕微鏡によって液晶分子の微細な配列状態の変化を観察したが、長期、少なくとも半年以上に渡り安定であった。

図３Ａは、プレティルト角を約４５°、ｄ／ｐを０．８とする条件で作製した液晶表示素子（図２Ｂに表示状態を示す液晶表示素子）について、０°−１８０°方位（左右方位）の透過率視角依存性を示すグラフである。グラフの横軸は、正面方向（基板法線方向）を０°としたときの観察角度を単位「°」で表す。右方位に傾いた観察角度をプラスの角度で示し、左方位に傾いた観察角度をマイナスの角度で示した。グラフの縦軸は、透過率を単位「％」で表す。菱形をつないだ曲線（Ｓ−ｔと表記）は、フォーカルコニック配列状態における透過率の視角依存性を示す。正方形をつないだ曲線（Ｕ−ｔと表記）は、リバースツイスト配列状態におけるそれを示す。

また、図３Ｂに、プレティルト角を約４５°、ｄ／ｐを０．８とする条件で作製した液晶表示素子（図２Ｂに表示状態を示す液晶表示素子）の等コントラスト曲線を示す。

図３Ｂからわかるように、作製した液晶表示素子について、全方位に関し、ほぼ対称な等コントラスト曲線が得られている。また、図３Ａに示されるように、フォーカルコニック配列状態（白表示）においても、リバースツイスト配列状態（黒表示）においても、ほぼ左右対称な透過率視角依存性が得られていることから、作製した液晶表示素子は、左右対称なコントラスト特性を備えていることが明瞭にわかる。このように、作製した液晶表示素子は視角特性に優れた液晶表示素子である。

比較のため、図３Ｃに、本願発明者らの先の発明における実施例による液晶表示素子の視角−コントラスト特性を示す。本図は、特許文献４の図面（図１３（Ａ））に記載されたものと同一の図面である。図３Ｃからわかるように、先の発明に係る液晶表示素子においては、コントラスト比が左右非対称である。実施例による液晶表示素子の製造方法を示すフローチャート（図１）に沿って予備的に作製された液晶表示素子は、先の発明と比較して、コントラスト比の左右対称性が実現されている点において、視角特性に優れている。更に、図３Ｃから、先の発明の実施例においては、正面観察時のコントラスト比は３強であるが、図３Ａに示すグラフからは、実施例による製造方法に従って作製された液晶表示素子の正面観察時コントラスト比は４弱であると計算される。このように、正面から観察した場合に、高いコントラスト比で表示を行うことが可能な点においても、視角特性に優れている。なお、これらの特徴（表示品質の高さ）は、実施例による液晶表示素子（後述）も備えている。

本願発明者は、たとえば液晶層に物理的作用を与えることにより、リバースツイスト配列状態とフォーカルコニック配列状態とが可換的に実現可能であり、液晶分子の各配列状態が、ともに安定となる条件を鋭意研究した。

図４は、リバースツイスト配列状態、及び、フォーカルコニック配列状態の双安定状態を実現可能な条件を示すグラフである。グラフの横軸はプレティルト角を単位「°」で示し、縦軸は、カイラル剤の添加量をｄ／ｐを用いて示す。

本図において、菱形をつないだ曲線よりも下の範囲にあるプレティルト角及びｄ／ｐの組み合わせにおいては、フォーカルコニック配列状態が発現しない。すなわちカイラル剤の添加量が少なすぎると、フォーカルコニック配列状態ではなくスプレイツイスト配列状態が現れる。

また、正方形をつないだ曲線よりも上の範囲にあるプレティルト角及びｄ／ｐの組み合わせにおいては、常にフォーカルコニック配列状態となる。すなわちカイラル剤の添加量が多すぎると、フォーカルコニック配列状態からリバースツイスト配列状態に相転移させることができない。

界面のアンカリング強度や液晶の弾性定数によって曲線は多少上下するが、両曲線の間の範囲にあるプレティルト角及びｄ／ｐの組み合わせにおいて、リバースツイスト配列状態、及び、フォーカルコニック配列状態の双安定状態が実現される。リバースツイスト配列状態とフォーカルコニック配列状態の双安定状態は、カイラル剤のねじれ力（カイラリティ）を、ある範囲内に制御したときに現れる特殊な状態である。

なお、丸印は、図２Ｂに表示状態を示し、図３Ａ及び図３Ｂに視角特性を示した液晶表示素子のプレティルト角（約４５°）とｄ／ｐ（０．８）を示す。

本図に示す結果から、プレティルト角が垂直に近いほど、ｄ／ｐの値が低くてもフォーカルコニック配列状態となりやすいことがわかる。本願発明者らが繰り返し行った実験によれば、プレティルト角が低くても、電圧により液晶分子配向を垂直に近くすれば、フォーカルコニック配列状態が観察されるようになるが、界面の影響のためか、ｄ／ｐの値は比較的高くないとフォーカルコニック配列状態は発現しなかった。

リバースツイスト配列状態、及び、フォーカルコニック配列状態の双安定状態が実現されるのは、液晶層を挟持する上下基板の双方に、２０°以上８５°以下のプレティルト角が発現するような配向処理がなされ、液晶層にカイラル剤が、ｄ／ｐが０．５以上２以下となるような範囲で添加されている場合であるといえるであろう。また、上下基板の双方に、３５°以上５５°以下のプレティルト角が発現するように配向処理がなされているときには、ｄ／ｐが０．５以上１．２以下となる範囲でカイラル剤が添加されている場合に、リバースツイスト配列状態とフォーカルコニック配列状態の双安定状態が実現可能であるといえるであろう。

本願発明者らは、以上の予備的考察を踏まえ、実施例による液晶表示素子を作製した。

図５は、実施例による液晶表示素子の一画素内の概略的な断面図である。

実施例による液晶表示素子は、相互に平行に対向配置された上側基板１０ａ、下側基板１０ｂ、及び両基板１０ａ、１０ｂ間に配置されたツイストネマチック液晶層１５を含んで構成される。

上側基板１０ａは、上側透明基板１１ａ、上側透明基板１１ａ上に形成された上側ベタ電極１２ａ、及び上側ベタ電極１２ａ上に形成された上側配向膜１４ａを含む。下側基板１０ｂは、下側透明基板１１ｂ、下側透明基板１１ｂ上に形成された下側ベタ電極１２ｂ、下側ベタ電極１２ｂ上に形成された絶縁膜１３、絶縁膜１３上に形成された第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄ、及び、第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄを覆うように絶縁膜１３上に形成された下側配向膜１４ｂを含む。

上側、下側透明基板１１ａ、１１ｂは、たとえばガラスで形成される。上側、下側ベタ電極１２ａ、１２ｂ、及び第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄは、たとえばＩＴＯ等の透明導電材料で形成される。第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄは、それぞれ複数の櫛歯部分を備える櫛状電極である。第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄの櫛歯部分は、本図左右方向に沿って互い違いに配置されている。

液晶層１５は、上側基板１０ａの上側配向膜１４ａと、下側基板１０ｂの下側配向膜１４ｂとの間に配置される。

上側及び下側配向膜１４ａ、１４ｂには、ラビングにより配向処理が施されている。上側配向膜１４ａと下側配向膜１４ｂの配向処理方向は、上側及び下側基板１０ａ、１０ｂの法線方向から見たとき、相互に直交している。上側配向膜１４ａのラビング方向を第１の方向、下側配向膜１４ｂのラビング方向を第２の方向とすると、第２の方向は上側基板１０ａの法線方向から見て、第１の方向を基準に、右回り方向に９０°をなす方向である。

液晶層１５を形成する液晶材料にはカイラル剤が添加されている。液晶セル完成状態（初期状態）での液晶分子の配列状態は、フォーカルコニック配列であった。

電源２０が、上側、下側ベタ電極１２ａ、１２ｂ、及び第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄに、電気的に接続されている。電源２０によって、電極１２ａ〜１２ｄに電圧を印加することが可能である。たとえば両ベタ電極１２ａ、１２ｂ間に、閾値電圧以上の交流電圧を印加することで、液晶分子の配列状態を、フォーカルコニック配列からリバースツイスト配列に転移させることができる。

上側基板１０ａ、下側基板１０ｂの液晶層１５と反対側の面には、それぞれ上側偏光板１６ａ、下側偏光板１６ｂが配置される。両偏光板１６ａ、１６ｂは、クロスニコルに、かつ、光透過軸が、上側及び下側基板１０ａ、１０ｂのラビング方向と平行になるように配置される。実施例による液晶表示素子は、ノーマリホワイトタイプの液晶表示素子である。

図６〜図１０を参照し、実施例による液晶表示素子の構成及び製造方法について詳細に説明する。

図６は、上側透明基板１１ａ上に形成されるＩＴＯ膜のパターンを示す概略的な平面図である。本図に示すＩＴＯ膜で、たとえば画素電極（各画素において上側ベタ電極１２ａを形成する電極）及び当該画素電極の取り出し電極が形成される。

ＩＴＯ膜パターンは、たとえば本図左右方向にＩＴＯ膜がストライプ状に延在するように形成される。本図においては、画素電極を構成するＩＴＯ膜に１２Ａ_１〜１２Ａ_１０の符号を付して示した。

ＩＴＯ膜のパターニングは、ＩＴＯ付きガラス基板を洗浄した後、フォトリソ工程を用いて行った。ＩＴＯのエッチングは、第二塩化鉄を用いたウェットエッチングで実施した。レーザビームを照射し、ＩＴＯ膜を除去することでパターニングを行ってもよい。

図７は、下側透明基板１１ｂ上に形成されるＩＴＯ膜のパターンを示す概略的な平面図である。本図に示すＩＴＯ膜で、たとえば画素電極（各画素において下側ベタ電極１２ｂを形成する電極）及び当該画素電極の取り出し電極が形成される。

ＩＴＯ膜パターンは、たとえば本図上下方向にＩＴＯ膜がストライプ状に延在するように形成される。本図においては、画素電極を構成するＩＴＯ膜の一部に１２Ｂ_１〜１２Ｂ_９の符号を付して示した。なお、本図上下方向と図６の左右方向は相互に直交する方向である。

ＩＴＯ膜のパターニングは、図６を参照して説明したＩＴＯ膜パターンの形成方法と同様の方法で行うことができる。

ＩＴＯ膜をパターニングした後、ＩＴＯ膜上を含む下側透明基板１１ｂ上に絶縁膜１３を形成する。絶縁膜１３は、たとえば取り出し電極１２ＢＴ_１〜１２ＢＴ_９部分（端子部分）には形成しない。本図においては、絶縁膜１３を形成しない領域に斜線を付した。絶縁膜１３は、取り出し電極部分等にレジストを形成し、絶縁膜成膜後にリフトオフでレジストを除去する方法、メタルマスクで取り出し電極部分等を覆った状態でスパッタにより形成する方法により形成可能である。また、絶縁膜１３は、有機絶縁膜やＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ等の無機絶縁膜とすることができる。それらの組み合わせで形成してもよい。実施例においては、アクリル系有機絶縁膜とＳｉＯ_２の積層膜を絶縁膜１３として用いた。

実施例においては、まず取り出し電極部分等に耐熱性フィルム（ポリイミドテープ）を貼り、膜厚１μｍに有機絶縁膜をスピンコート（２０００ｒｐｍで３０秒間スピン）した。次に、有機絶縁膜がスピンコートされた下側透明基板１１ｂを、クリーンオーブンにて２２０℃で１時間焼成し、その後耐熱性フィルムを貼ったままで下側透明基板１１ｂを８０℃に加熱し、ＳｉＯ_２膜をスパッタ法（交流放電）により厚さ１０００Åに成膜した。ＳｉＯ_２膜は、真空蒸着法、イオンビーム法、ＣＶＤ法等を用いて成膜することもできる。

ここで耐熱性フィルムを剥がすと、耐熱性フィルムの貼付箇所につき、有機絶縁膜及びＳｉＯ_２膜を除去することができた。続いて、ＳｉＯ_２膜の絶縁性と透明性とを向上させるために、下側透明基板１１ｂをクリーンオーブンにて２２０℃で１時間焼成した。

ＳｉＯ_２膜の形成は必須ではないが、ＳｉＯ_２膜を成膜することで絶縁膜１３の絶縁性を向上させることができる。また、絶縁膜１３上に形成する第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄの密着性及びパターニング性を向上させることが可能である。

有機絶縁膜を形成せず、絶縁膜１３をＳｉＯ_２膜のみで構成してもよい。ＳｉＯ_２膜は多孔質になりやすいため、この場合には、ＳｉＯ_２膜の厚さを４０００Å〜８０００Åとすることが望ましい。ＳｉＯ_２膜とＳｉＮ_ｘ膜との積層からなる無機絶縁膜１３とすることもできる。

絶縁膜１３上にＩＴＯ膜を形成した。ＩＴＯ膜は、下側透明基板１１ｂを１００℃に加熱し、スパッタ法（交流放電）により基板全面に成膜した。膜厚は約１２００Åとした。ＩＴＯ膜は、真空蒸着法、イオンビーム法、ＣＶＤ法等を用いて形成することもできる。このＩＴＯ膜をフォトリソ工程でパターニングし、第１櫛歯電極１２ｃ、第２櫛歯電極１２ｄ、及びそれらの電極１２ｃ、１２ｄの取り出し電極を形成した。

図８は、ＩＴＯ膜のエッチングに使用するフォトマスクを示す概略的な平面図である。フォトマスクは、第１櫛歯電極１２ｃ対応部分、第２櫛歯電極１２ｄ対応部分、第１櫛歯電極１２ｃの取り出し電極対応部分、第２櫛歯電極１２ｄの取り出し電極対応部分、及び下側ベタ電極１２ｂの取り出し電極対応部分を含む。エッチング時、各対応部分で覆われたＩＴＯ膜で、電極が形成される。なお、本願発明者らは、櫛状電極の櫛歯部分の電極幅を２０μｍ、３０μｍ、２つの櫛状電極の櫛歯部分を交互に配置したときの電極間隔を２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍとする複数の電極パターンで、第１櫛歯電極１２ｃ及び第２櫛歯電極１２ｄを作製した。

以上のような工程を経て、電極付基板を２枚準備した（図１のステップＳ１０１）。２枚の電極付基板を洗浄し乾燥する（ステップＳ１０２）。水洗の場合は、純水洗浄を行う。洗剤を使用して行ってもよい。ブラシ洗浄、スプレー洗浄のいずれで洗浄することもできる。その後水切りをし、乾燥させる。水洗以外の方法として、ＵＶ洗浄、ＩＲ乾燥を実施することが可能である。

２枚の電極付基板上に、ＩＴＯ電極を覆うように配向膜材料を塗布した（ステップＳ１０３）。配向膜材料の塗布は、スピンコートを用いて行った。フレキソ印刷やインクジェット印刷を用いて行ってもよい。通常は垂直配向膜の形成に使用されるポリイミド配向膜材料の側鎖密度を低くし、配向膜材料として用いた。これは予備的考察のために作製した液晶表示素子に使用した配向膜材料と等しい材料である。配向膜材料は、配向膜の厚さが５００Å〜８００Åとなるように塗布した。配向膜材料を塗布した電極付基板の仮焼成（ステップＳ１０４）、及び本焼成（ステップＳ１０５）を実施した。本焼成はクリーンオーブンにて、１８０℃で１時間行った。１６０℃以上１８０℃以下の温度で行ってもよい。こうしてＩＴＯ電極を覆う配向膜を形成した（ステップＳ１０３〜Ｓ１０５）。

図９は、下側基板１０ｂに形成される下側配向膜１４ｂの形成領域の一部を示す概略的な平面図である。下側配向膜１４ｂは、たとえば第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄが配置され、画素が画定される領域に形成される。本図には、下側配向膜１４ｂの形成領域として左上の部分のみを示したが、その他の櫛歯電極１２ｃ、１２ｄ配置領域についても同様である。

次に、ラビング処理（配向処理）を行った（ステップＳ１０６）。ラビング処理は、押し込み量を０．８ｍｍとし、上側配向膜１４ａ、下側配向膜１４ｂの双方に２０°以上８５°以下、たとえば３５°以上５５°以下、一例として４５°のプレティルト角が発現するように行った。また、液晶表示素子のツイスト角が９０°となるように実施した。

なお、この領域のプレティルト角は、測定が非常に困難であり、４５°という数値は少なからぬ誤差を含む可能性がある。測定方法の違いや測定精度の問題により、±１５°〜±３０°程度のばらつきが存在する可能性がある。

セル厚を４μｍとするため、一方の基板面上に、粒径４μｍのギャップコントロール材を散布した（ステップＳ１０７）。セル厚を３μｍ以上５μｍ以下とするため、粒径３μｍ以上５μｍ以下のギャップコントロール材を散布することも可能である。他方の基板面上にはシール材を印刷し、メインシールパターンを形成した（ステップＳ１０８）。２枚の基板を所定の位置で重ね合わせて（ステップＳ１０９）、シール材を硬化させた。

２枚の基板の重ね合わせは、上側配向膜１４ａのラビング方向を第１の方向、下側配向膜１４ｂのラビング方向を第２の方向としたとき、第２の方向が上側基板１０ａの法線方向（上方）から見て、第１の方向を基準に、右回り方向に９０°をなす方向となるように行った。

真空注入法でネマチック液晶を注入した（ステップＳ１１０）。液晶材料には屈折率異方性Δｎが０．０６７である、低屈折率異方性材料を用いた。液晶中にはカイラル剤を添加した。カイラル剤には（株）メルク製のＣＢ１５を使用した。カイラル剤の添加量は、カイラルピッチをｐ、液晶層の厚さをｄとしたとき、ｄ／ｐが０．８（ｐ＝５μｍ）となるように調整した。ｄ／ｐは、プレティルト角に応じ、たとえば上側及び下側配向膜１４ａ、１４ｂに２０°以上８５°以下のプレティルト角が発現するように配向処理がなされているときには０．５以上２以下、３５°以上５５°以下のプレティルト角が発現するように配向処理がなされているときには０．５以上１．２以下とすることができる。

液晶注入口を、紫外線硬化タイプのエンドシール材で封止し（ステップＳ１１１）、液晶分子の配向を整えるため、液晶の相転移温度以上にセルを加熱した（ステップＳ１１２）。その後、スクライバ装置で透明基板につけた傷に沿ってブレイキングし、個別のセルに小割した。小割されたセルに対し、面取り（ステップＳ１１３）と洗浄（ステップＳ１１４）を実施した。

最後に、２枚の基板の液晶層と反対側の面に、偏光板を貼付した（ステップＳ１１５）。２枚の偏光板はクロスニコルに、かつ透過軸の方向とラビング方向とが平行となるように配置した。直交するように配置することもできる。両基板のＩＴＯ電極（上側、下側ベタ電極１２ａ、１２ｂ、及び第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄ）には電源を接続した。

図１０は、実施例による液晶表示素子の構造を示す概略的な平面図である。図１０には、図６〜図９に表した構造をすべて重ね合わせて示してある。左右方向に延在する横電極と、上下方向に延在する縦電極とで一つの画素が画定される。本図においては、横電極に１２Ａ_１〜１２Ａ_１０の符号を付して示し、縦電極の一部に１２Ｂ_１〜１２Ｂ_９の符号を付して示した。矢印で示したのは、横電極１２Ａ_９と縦電極１２Ｂ_８とが基板法線方向から見て重なる領域に画定される画素である。この画素における横電極１２Ａ_９は、図５の上側ベタ電極１２ａに相当し、縦電極１２Ｂ_８は下側ベタ電極１２ｂに相当する。

図１１Ａ〜図１１Ｃは、実施例による液晶表示素子の外観写真であり、図１１Ｄ〜図１１Ｆは、電極間に電圧を印加した時の電界方向を示す概略的な断面図である。なお、図１１Ａ〜図１１Ｃに示すのは、第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄの櫛歯部分の電極幅を２０μｍ、両櫛歯電極１２ｃ、１２ｄの櫛歯部分を交互に配置したときの電極間隔を２０μｍとして作製した液晶表示素子の、櫛歯電極１２ｃ、１２ｄ形成領域の正面観察写真である。

図１１Ａに、液晶表示素子が完成した状態（初期状態）の外観写真を示す。初期状態においては、液晶分子はフォーカルコニック配列状態となる。目視では均一な白表示が得られた。

この状態において、図１１Ｄに示すように、上側ベタ電極１２ａと下側ベタ電極１２ｂとの間に電圧を印加した。両電極１２ａ、１２ｂへの電圧の印加により、液晶層には縦電界（液晶層の厚さ方向の電界）が生じる。

図１１Ｂは、電極１２ａ、１２ｂに電圧を印加した後の外観写真である。全体がフォーカルコニック配列状態からリバースツイスト配列状態に遷移したことがわかる。また、正面から見て黒表示が得られていることがわかる。更に、逆にこのことから両電極１２ａ、１２ｂへの電圧の印加で、液晶層に縦電界が発生することが確認される。

次に、図１１Ｅに示すように、下側ベタ電極１２ｂ、第１櫛歯電極１２ｃ、第２櫛歯電極１２ｄに電圧を印加した。電極１２ｂ、１２ｃ、１２ｄへの電圧の印加により、液晶層には横電界（液晶層の厚さ方向と直交する方向の電界、基板面内方向の電界）が生じる。なお、電極１２ｂ、１２ｃ、１２ｄへの電圧の印加により、液晶層に横電界を生じさせて、液晶表示素子を駆動する駆動モードをＦＦＳモード(fringe field switching mode)と呼ぶ。

図１１Ｃは、図１１Ｂに示す状態の液晶表示素子をＦＦＳモードで駆動した後の外観写真である。全面が初期状態と同様の状態（フォーカルコニック配列状態）に再遷移していることがわかる。

実施例による液晶表示素子は、フォーカルコニック配列状態とリバースツイスト配列状態とをスイッチング可能な液晶表示素子である。縦電界の印加により、前者を後者に遷移させることができる。また横電界の印加により、後者を前者に遷移させることができる。リバースツイスト配列状態をフォーカルコニック配列状態に遷移させる方法として、ＦＦＳモードでの駆動のほか、ＩＰＳモード(in-plane switching mode)での駆動を採用することができる。

図１１Ｆに、ＩＰＳモードで生じる電界方向を示す。第１櫛歯電極１２ｃと第２櫛歯電極１２ｄへの電圧の印加により、液晶層には横電界が生じる。第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄへの電圧の印加により液晶層に横電界を生じさせて、液晶表示素子を駆動する駆動モードをＩＰＳモードと呼ぶ。

液晶分子が面内方向に螺旋を描いているフォーカルコニック配列状態にある液晶層に縦電界を付加すると、界面の影響力で９０°ねじれ配向となり、液晶層厚さ方向の中央に位置する液晶分子は垂直方向に傾く。こうしてフォーカルコニック配列状態からリバースツイスト配列状態へのスイッチングが行われるものと考えられる。また、横電界の付加により、リバースツイスト配列状態の界面の液晶分子配向を乱すことで、リバースツイスト配列状態からフォーカルコニック配列状態へのスイッチングが行われるものと考えられる。

実施例による液晶表示素子は、付加する電界の方向により、フォーカルコニック配列状態とリバースツイスト配列状態とが相互に遷移し、かつ、各々の状態が安定的に保持される液晶表示素子である。コントラストの高い白表示状態、黒表示状態の双安定表示を簡便に実現することができる。特に、黒表示が暗く、正面から見たときもはっきりとした表示を実現可能である。このため、透過型ディスプレイ、透反ディスプレイ、反射型ディスプレイのいずれにも好適に適用することができる。また、実施例による液晶表示素子は、左右対称なコントラスト比を有する液晶表示素子である。

実施例による液晶表示素子においては、たとえばメモリ性を利用した表示が可能である。

白表示したい画素は、フォーカルコニック配列状態とし、黒表示したい画素は、リバースツイスト配列状態とする。少なくとも白表示から黒表示に変えたい画素には縦電界を加える。黒表示を維持したい画素にも、縦電界を加えてもよい。逆に、少なくとも黒表示から白表示に変えたい画素には横電界を加える。白表示を維持したい画素にも、横電界を加えてもよい。

表示の書き換えは、たとえばラインごとに行うことができる。一例として、図１０において、縦電極１２Ｂ_１〜１２Ｂ_９のうちの１本、たとえば縦電極１２Ｂ_１に、配列状態の遷移が生じない程度の矩形波（たとえば１５０Ｈｚ、５Ｖ程度）を印加する。これとともに、横電極１２Ａ_６〜１２Ａ_１０または第１、第２櫛歯電極に、縦電極１２Ｂ_１に印加する電圧と同期したもしくは半周期ずれた矩形波（たとえば１５０Ｈｚ、５Ｖ程度）を印加する。

縦電極１２Ｂ_１に加えた波形と同期した波形を加えた画素においては、実効的に電圧が印加されていない状態となるため表示は変化せず、縦電極１２Ｂ_１に加えた波形と半周期ずれた波形を加えた画素においては、実効的には１０Ｖ程度の電圧が印加される状態となるため、飽和電圧以上の電圧となり、白表示と黒表示との間を相互に変化させ得る。

たとえば白表示したい画素には、第１、第２櫛歯電極に半周期ずれた矩形波を印加し、横電極１２Ａ_６〜１２Ａ_１０には電圧を印加しない。黒表示したい画素には、横電極１２Ａ_６〜１２Ａ_１０に半周期ずれた矩形波を印加し、第１、第２櫛歯電極には電圧を印加しない。

縦電極１２Ｂ_１の後、縦電極１２Ｂ_２〜１２Ｂ_９に対しても矩形波を印加し、同様に駆動することで、マトリクス表示が可能となる。書き換えられた表示は半永久的に保持することが可能であり、高コントラスト比と両立できる。

実施例による液晶表示素子は、たとえば上述の線順次書き換え法（線順次駆動法）等の、メモリ性を利用した駆動方法で駆動することができる。表示の書き換え時以外は電力を消費しない、超低消費電力駆動が可能である。特に反射型ディスプレイに適用した場合、メリットは大きい。また、高価なＴＦＴ等を用いることなく、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を行うことができる。すなわち、低コストで大容量の表示を行うことが可能である。

更に、実施例による液晶表示素子は、たとえば図１及び図６〜図１０を参照して説明した製造方法で、安価に製造することができる。製造方法は、配向膜材料、ラビング条件（押し込み量の制御）、配向膜の焼成条件等を除き、一般的なツイステッドネマチック型液晶表示素子の製造方法とほぼ等しいため、一般的なツイステッドネマチック型液晶表示素子と比較してコストアップの要因は少ない。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、実施例においては、偏光板をクロスニコルに配置しノーマリホワイト表示の液晶表示素子としたが、偏光板を平行ニコルに配置しノーマリブラック表示の液晶表示素子としてもよい。ただノーマリホワイトとした方が高コントラスト比での表示を実現しやすいであろう。ノーマリホワイト表示の場合、良好な黒表示を得るためには、上側及び下側偏光板１６ａ、１６ｂの透過軸方向のなす角度は、９０°付近であることが望ましい。

また、実施例においてはツイスト角を９０°としたが、その他の角度とすることもできる。その場合、白表示での明るさを明るくするために、液晶層内のリターデーション値を調整する必要があろう。

更に、実施例においては下側基板１０ｂにのみ、横電界を生じさせる電極を形成したが、下側基板１０ｂだけでなく、上側基板１０ａにも形成することができる。横電界を生じさせる電極は、上側基板１０ａ、下側基板１０ｂのうちの少なくとも一方に形成すればよい。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

液晶表示素子全般、たとえば単純マトリクス駆動を行う液晶表示素子全般に利用することができる。また、低消費電力、広い視角特性、低価格等が求められる液晶表示素子に利用可能である。

メモリ性を有する点からは、たとえば省電力で頻繁な書き換えを必要としない情報機器（パーソナルコンピュータ、携帯情報端末等）の表示面等、反射型、透過型、投射型のディスプレイに好ましく適用可能である。また、磁気記録ないし電気記録されたカードの情報表示面、児童用玩具、電子ペーパー等に利用することができる。

更に、災害発生時の停電に際しても表示を保つためのディスプレイに利用可能である。

１０ａ 上側基板
１０ｂ 下側基板
１１ａ 上側透明基板
１１ｂ 下側透明基板
１２ａ 上側ベタ電極
１２ｂ 下側ベタ電極
１２ｃ 第１櫛歯電極
１２ｄ 第２櫛歯電極
１３ 絶縁膜
１４ａ 上側配向膜
１４ｂ 下側配向膜
１５ 液晶層
１６ａ 上側偏光板
１６ｂ 下側偏光板
２０ 電源

Claims (4)

1. 第１の電極を備え、配向処理された第１の基板と、
   前記第１の基板と平行に対向配置され、第２の電極を備え、配向処理された第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、カイラル剤を含み、ツイスト配向する液晶層と
   を有し、
   前記液晶層が前記カイラル剤を含まなかった場合に、液晶分子が捩れる旋回方向を第１旋回方向とするとき、前記カイラル剤は前記液晶層の液晶分子に、前記第１旋回方向とは反対の第２旋回方向への旋回性を与え、
   前記液晶層には、前記第１の電極と前記第２の電極とに電圧を印加することで、前記液晶層の厚さ方向の電界を生じさせることが可能であり、
   前記第１の基板、前記第２の基板の少なくとも一方には、電圧の印加により、前記液晶層の厚さ方向と直交する方向の電界を生じさせることが可能な電極が形成されており、
   前記第１の基板ならびに前記第２の基板に対する配向処理、及び、前記液晶層へのカイラル剤の添加は、前記液晶層に付加する電界の方向により、前記液晶層の液晶分子が、フォーカルコニック配列状態と、リバースツイスト配列状態との間で相互に遷移するように行われている液晶表示素子。
2. 前記第１及び第２の基板に、２０°以上８５°以下のプレティルト角が発現するように配向処理がなされ、カイラルピッチをｐ、前記液晶層の厚さをｄとしたとき、ｄ／ｐが０．５以上２以下となるように、前記液晶層にカイラル剤が添加されている請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記第１及び第２の基板に、３５°以上５５°以下のプレティルト角が発現するように配向処理がなされ、ｄ／ｐが０．５以上１．２以下となるように、前記液晶層にカイラル剤が添加されている請求項２に記載の液晶表示素子。
4. 前記第２の基板は、
   透明基板と、
   前記透明基板上に形成された前記第２の電極と、
   前記第２の電極上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に形成された、第１及び第２の櫛歯電極であって、櫛歯部分が交互に配置されている第１及び第２の櫛歯電極と、
   前記第１及び第２の櫛歯電極を覆うように前記絶縁膜上に形成された配向膜と
   を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。