JP5877072B2 - 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。

特開２０１１−２０３５４７号公報（特許文献１）には、２つの配向状態間の遷移を利用する新規な液晶表示素子（リバースＴＮ型液晶素子）が開示されている。この先行例にかかる液晶表示素子は、配向処理された第１基板および第２基板とこれらの間に配置されてツイスト配向する液晶層を有しており、液晶層にはカイラル材が含まれる。そして、液晶層において、カイラル材を含まなかった場合に液晶分子が捻れる旋回方向を第１旋回方向とするとき、カイラル材は液晶分子に第１旋回方向とは反対の第２旋回方向への旋回性を与える。また、第１基板と第２基板は、それぞれ２０°以上４５°以下のプレティルト角が発現するように配向処理されている。第１基板と第２基板には、液晶層の層厚方向およびこれに直交する方向のそれぞれに電界を発生させることが可能な電極が設けられている。かかる構成によれば、表示状態を維持可能なメモリ性を有し、かつ高いコントラスト比を得られる表示品質に優れた液晶表示素子を得ることができる。

しかしながら、上記した先行例の液晶表示素子は、基板面に対して法線方向（すなわち正面方向）ではなく、この法線方向から４０°程度傾いた方向において最大のコントラスト比が得られる。このようなコントラスト特性は、例えば反射型ディスプレイとしての用途には比較的に適しているが、透過型ディスプレイとしての用途においてはあまり好ましくない。このため、正面方向におけるコントラスト比を向上させることが望まれていた。

特開２０１１−２０３５４７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液晶素子における正面方向のコントラスト比を向上することが可能な技術を提供することを目的の１つとする。
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液晶素子を用いる液晶表示装置における正面方向のコントラスト比を向上することが可能な技術を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様の液晶素子は、（ａ）各々の一面に配向処理が施されており、対向配置された第１基板及び第２基板と、（ｂ）第１基板の一面と第２基板の一面との間に設けられた液晶層を含み、（ｃ）第１基板及び第２基板は、液晶層の液晶分子が第１方向に捻れた第１配向状態を生じるように配向処理の方向を設定され、かつ、それぞれが液晶層との界面において当該液晶層の液晶分子に付与するプレティルト角が３５°以上であり、（ｄ）液晶層は、液晶分子が第１方向とは逆の第２方向に捻れた第２配向状態を生じさせる性質のカイラル材を含有し、（ｅ）カイラル材は、液晶層の層厚ｄに対するカイラルピッチの比ｄ／ｐが０．３８５以上０．５以下となるように添加された、ことを特徴とする液晶素子である。

上記構成によれば、２つの配向状態間の遷移を利用する液晶素子における正面方向のコントラスト比を向上することが可能となる。

上記の液晶素子は、液晶層に電界を印加するための電界印加手段を更に含み、この電界印加手段によって、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ垂直な方向に電界が印加されたことにより液晶層が第１配向状態へ遷移し、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ平行な方向に電界が印加されたことにより液晶層が第２配向状態へ遷移することが好ましい。

これにより、電界を利用して第１配向状態と第２配向状態の遷移を容易に生じさせることができる。

上記の液晶素子において、液晶層は、第２配向状態におけるツイスト角が例えば７０°以上９０°以下である。また、上記の液晶素子において、プレティルト角は例えば７０°より小さい。

これらの少なくとも一方を満たすことで、正面方向のコントラストをより高くすることができる。

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、液晶素子の２つの配向状態の双安定性（メモリ性）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せず、かつ特に正面方向のコントラストの高い液晶表示装置を得ることができる。

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。 リバースツイスト配向状態からスプレイツイスト配向状態へ遷移させる際の液晶層の配向状態と電界方向の関係について説明するための概念図である。 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られる電界について説明する模式的な断面図である。 液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。 代表的な作製条件および表示状態の液晶素子の観察像を示す図である。 プレティルト角が４６°程度、ツイスト角が７０°の液晶素子におけるコントラストと表示保持性能の評価結果を示す図である。 図７に示した条件のうちピッチｐを８．０μｍ〜９．０μｍとした液晶素子（ｄ／ｐの値を０．４４４〜０．５００とした液晶素子）における表示保持性能の温度特性の評価結果を示す図である。 図８に示した評価に用いた液晶素子の観察像を示す図である。 ピッチ条件を９μｍ、１２μｍとした液晶素子の観察像を示す図である。 図８に示した作製条件に対応した各液晶素子の光学特性を示す図である。 図８に示した作製条件に対応した各液晶素子の光学特性を示す図である。 図８に示した作製条件に対応した各液晶素子の光学特性を示す図である。 図８に示した作製条件に対応した各液晶素子の光学特性を示す図である。 図８に示した作製条件に対応した各液晶素子の光学特性を示す図である。 実施例２の液晶素子について各電極に電圧を印加し、スイッチングしたときの様子を示す図である。

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。

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、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を基本的な構成として備える。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。

図２は、リバースツイスト配向状態からスプレイツイスト配向状態へ遷移させる際の液晶層の配向状態と電界方向の関係について説明するための概念図である。図２（Ａ）に示すように、基板面に対して水平な方向の電界（Electric field）に対して、リバースツイスト配向状態における液晶層の層厚方向の略中央の液晶分子（図中、模様を付した液晶分子）の長軸方向がなるべく平行ではなく、直交またはそれに近い状態となるように電界の印加方向を設定する。これにより、液晶層の層厚方向の略中央の液晶分子が電界方向に沿って再配向するため、図２（Ｂ）に示すように液晶層の配向状態はリバースツイスト配向状態からスプレイツイスト配向状態へ遷移する。なお、リバースツイスト配向状態の液晶層に対して、その層厚方向の略中央の液晶分子の長軸方向と平行かそれに近い状態となるようにして電界を印加した場合には、リバースツイスト配向状態からスプレイツイスト配向状態への遷移は生じにくい。これは、液晶層の層厚方向の略中央において電界による液晶分子の再配向がほとんど生じないからである。以上のことから、リバースＴＮ型液晶素子において２つの配向状態間を自在に遷移させるためには、液晶層の層厚方向に対する電界（縦電界）とこれに直交する方向の電界（横電界）を発生させる必要があり、かつ横電界についてはリバースツイスト配向状態の液晶層の層厚方向の略中央の液晶分子の長軸方向と略直交するかそれに近い方向となるようにする必要がある。これらの縦電界と横電界を自在に与えるための素子構造について、以下に具体例を挙げて説明する。

図３は、リバースＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。図３に示す液晶素子は、第１基板（上側基板）５１と第２基板（下側基板）５４の間に液晶層６０を介在させた基本構成を有する。第１基板５１の外側には第１偏光板６１が配置され、第２基板５４の外側には第２偏光板６２が配置されている。以下、さらに詳細に液晶素子の構造を説明する。なお、液晶層６０の周囲を封止するシール材等の部材については図示および説明を省略する。

第１基板５１および第２基板５４は、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。図示のように、第１基板５１と第２基板５４とは、互いの一面が対向するようにして、所定の間隙（例えば数μｍ）を設けて貼り合わされている。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。また、第２電極５５は、第２基板５４の一面側に設けられている。第１電極５２および第２電極５５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。

絶縁膜（絶縁層）５６は、第２基板５４上に第２電極５５を覆うようにして設けられている。この絶縁膜５６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、第４電極５９は、それぞれ、第２基板５４上の前述した絶縁膜５６上に設けられている。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４参照）。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２０μｍ幅であり、電極間隔を２０μｍに設定して配置される。

配向膜５３は、第１基板５１の一面側に、第１電極５２を覆うようにして設けられている。また、配向膜５７は、第２基板５４の一面側に、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。各配向膜５３、５７には所定の配向処理（例えばラビング処理）が施されており、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と第２基板５４の相互間に設けられている。液晶層６０を構成する液晶材料の誘電率異方性Δεは正（Δε＞０）である。液晶層６０に図示された太線は、液晶層６０に電圧が印加されていない初期状態における液晶分子の配向方位を模式的に示したものである。

第１偏光板６１は、第１基板５１の外側に配置されている。本実施形態ではこの第１偏光板６１側から利用者によって視認される。第２偏光板６２は、第２基板５４の外側に配置されている。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）。

図４は、液晶層に対して各電極を用いて与えられる電界について説明する模式的な断面図である。図４（Ａ）は、第１〜第４電極の配置を平面視において示した模式図である。図４（Ｂ）〜図４（Ｄ）は、第１〜第４電極の配置を断面で示した模式図である。第１電極５２と第２電極５５は互いに対向配置されており、両者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、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４（Ｂ）に示すように、第１電極５２と第２電極５５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５４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４（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５４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４（Ｄ）に示すように、絶縁膜５６を挟んで対向配置された第２電極５５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５４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。

本実施形態の液晶素子は、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５５を用いて縦電界を発生させると、液晶層６０の液晶分子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５５、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。

液晶層６０の配向状態がスプレイツイスト状態とリバースツイスト状態の間でスイッチング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ほぼ水平に配向しているが、縦電界によってリバースツイスト状態になった後には層厚方向の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。

ＩＴＯ膜付きガラス基板のＩＴＯ膜をパターニングすることにより、第１電極５２を有する第１基板５１を作製する。ここでは一般的なフォトリソグラフィ技術によってＩＴＯ膜のパターニングを行うことができる。ＩＴＯエッチング方法としてはウェットエッチング（第二塩化鉄）を用いる。ここでの第１電極５２の形状パターンは、取り出し電極部分と表示の画素にあたる部分にＩＴＯ膜が残るようにする。同様にして、ＩＴＯ膜付きガラス基板のＩＴＯ膜をパターニングすることにより、第２電極５５を有する第２基板５４を作製する。

次いで、第２基板５４の第２電極５５上に絶縁膜５６を形成する。その際、取り出し電極部分には絶縁膜５６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５６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５６を形成する方法などが挙げられる。また、絶縁膜５６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５６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４０００Å〜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５６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５６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４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。櫛歯状の電極として、例えば、電極枝の幅を２０μｍまたは３０μｍの２種類、電極間隔２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍの５種類を用いる。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５４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、第１基板５１、第２基板５４のそれぞれに配向膜５３、５７を形成する。配向膜５３、５７として、通常は垂直配向膜として用いられる材料の側鎖密度を低くしたポリイミド膜を用いる。配向膜の材料液（配向材）を第１基板５１、第２基板５４のそれぞれの一面に塗布し、これらをクリーンオーブンにて焼成する（例えば１８０℃、１時間）。配向膜の材料液の塗布方法としてはフレキソ印刷、インクジェット印刷、もしくはスピンコートが用いられる。ここではスピンコートを用いるが、他の方式を用いても結果は同様である。配向膜５３、５７の膜厚は、例えば５００Å〜８００Åとなるようにする。次いで、各配向膜５３、５７に対し、配向処理としてのラビング処理を行う。ラビング時の押し込み量は、例えば０．４〜１．２ｍｍに設定する。これにより、各配向膜５３、５７が液晶分子に対して３５°〜６０°程度のプレティルト角を発現し得る。

次いで、第１基板５１と第２基板５４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。スペーサー材としては、例えば粒径４μｍのものを用いる。第１基板５１と第２基板５４の貼り合わせを行う時には、各基板に対するラビング処理の方向が互いに７０°〜９０°程度の範囲の角度で交差するようにする。また、液晶材料としては、例えばメルク株式会社製のＺＬＩ−２２９３を用いる。この液晶材料にはカイラル材として、例えばＣＢ１５が添加される。カイラル材の添加量はセル厚ｄとカイラルピッチｐの比ｄ／ｐが０．２５以上０，７５以下となるように設定する。

その後、第１偏光板６１、第２偏光板６２のそれぞれを取り付ける。第１偏光板６１と第２偏光板６２は、各々の透過軸をラビング方向と平行もしくは直交するように配置し、かつ両者がクロスニコル配置となるようにする。以上により、本実施形態の液晶素子が完成する。

次に、上記の液晶素子の有するメモリ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５は、液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。図５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５５として機能する（図３参照）。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。

図５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、当該画素部７４の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、当該画素部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、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、当該画素部７４の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、当該画素部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、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。

次に、いくつかの実施例を説明する。

（実施例１）
液晶素子の配向条件を見出すために、製造条件を異ならせたいくつかの液晶素子を作製した。液晶素子の作製方法は基本的に上記した通りであり、配向膜材料としては通常は垂直配向膜として用いられる材料の側鎖密度を低くしたポリイミド材料を用い、配向膜形成時の焼成温度（Annealing temp）とラビング時の押し込み量（Clearance in rubbing treatment）を可変パラメータとした。具体的には、焼成温度は１６０℃〜２６０℃の範囲でいくつかの温度を設定した。また、ラビング時の押し込み量は０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍとした。配向膜の膜厚は５００Å〜８００Åとなるようにした。液晶層の液晶分子のツイスト角については９０°もしくは７０°とした。ここでいう「ツイスト角」とは、スプレイツイスト状態における捻れ角をいい、リバースツイスト状態における実質的なツイスト角は（１８０°−φ）となる（以下の実施例でも同様）。液晶層厚（セル厚）については４μｍとした。液晶層を構成する液晶材料にはカイラル材を添加しており、その添加量は、ｄ／ｐの値が０．１６７〜０．８００となるようにした。第１偏光板６１と第２偏光板６２は、ツイスト角φが９０°の場合にはそれぞれの透過軸がラビング方向と略平行となるように配置し、かつ両者がクロスニコル配置となるようにし、ツイスト角φが７０°の場合にはそれぞれの透過軸がラビング方向から１０°ずらした位置となるようにし、かつ両者がクロスニコル配置となるようにした。

図６は、代表的な作製条件および表示状態の液晶素子の観察像を示す図である。詳細には、図６（Ａ）は電圧印加により液晶層を部分的にスプレイツイスト配向状態からリバースツイスト配向状態へ遷移させた直後の液晶素子の観察像であり、図６（Ｂ）は３ヶ月経過後の液晶素子の観察像である。図６（Ａ）に示すように、この実施例の液晶素子は正面から見ても高いコントラスト比を示していることが分かる。また、図６（Ｂ）に示すように、３ヶ月を経過しても大部分の表示を保持できていることが分かる。

図７は、プレティルト角が４６°程度、ツイスト角が７０°の液晶素子におけるコントラストと表示保持性能の評価結果を示す図である。図７では、液晶層のｄ／ｐの値を０．１６７〜０．８００の間で複数の条件に設定して作製した各液晶素子について、正面コントラストの良否とその状態保持時間を評価した結果が示されている。なお、各液晶素子の配向膜の焼成温度は２００℃に設定され、カイラル材としてはＣＢ１５が用いられ、液晶材料としては屈折率異方性Δｎの値が比較的に小さいものが用いられた。また、正面コントラストについては、電圧印加により液晶層をスプレイツイスト配向状態からリバースツイスト配向状態へ遷移させ、リバースツイスト配向状態の保持性能の経時変化を観察した。その結果、正面コントラストについてはｄ／ｐの値が０．３３３〜０．５００の間で良好であり、特に０．３８５以上で高いコントラストが得られた。ｄ／ｐの値が０．１６７〜０．２８６の間では透過光が暗くなり（暗表示）、ｄ／ｐが０．６１５〜０．８００の間では透過光が明るくなり（明表示）、いずれもコントラストが低かった。また、状態保持時間については、ｄ／ｐ＝０．３３３の液晶素子では１時間以上、ｄ／ｐ＝０．３８５、ｄ／ｐ＝０．４２１の各液晶素子では１日以上、ｄ／ｐ＝０．４４４、ｄ／ｐ＝０．５００の各液晶素子では１週間以上の状態保持時間が得られた。

図８は、上記した図７に示した条件のうちピッチｐを８．０μｍ〜９．０μｍとした液晶素子（ｄ／ｐの値を０．４４４〜０．５００とした液晶素子）における表示保持性能の温度特性の評価結果を示す図である。ここでは、カイラル材についても２種類（Ｒ−８１１１、ＣＢ１５）を用いている。ここでの評価は、液晶素子を各温度条件下で２４時間放置した後にリバースツイスト配向状態での表示を保持しているかどうかを観察したものである。温度条件４０℃の場合には、カイラル材をＣＢ１５としピッチを９．０μｍとした液晶素子以外の液晶素子ではいずれも高い表示保持性能を示した。しかし、温度条件５０℃の場合には、いくつかの液晶素子で表示保持性能が低下した。また、温度条件−４０℃の場合には、カイラル材をＲ−８１１としピッチを８．０μｍとした液晶素子において表示保持性能が低下した。これらの結果は、温度条件によりカイラル材のピッチが変化することに起因すると考えられるが、カイラル材の種類やその添加量を選ぶことで広い温度範囲で高い表示保持性能を得られることが分かる。

図９は、図８に示した評価に用いた液晶素子の観察像を示す図である。具体的には、図９（Ａ）はカイラル材Ｒ−８１１、ピッチ８．０μｍとした液晶素子の観察像であり、図９（Ｂ）はカイラル材Ｒ−８１１、ピッチ８．５μｍとした液晶素子の観察像であり、図９（Ｃ）はカイラル材Ｒ−８１１、ピッチ９．０μｍとした液晶素子の観察像であり、図９（Ｄ）はカイラル材ＣＢ１５、ピッチ８．０μｍとした液晶素子の観察像であり、図９（Ａ）はカイラル材ＣＢ１５、ピッチ９．０μｍとした液晶素子の観察像である。各液晶素子のプレティルト角は４６°程度である。いずれの液晶素子も正面コントラストが高く、表示保持性能に優れていることが分かる。

図１０は、ピッチ条件を９μｍ（ショートピッチ条件）および１２μｍ（ロングピッチ条件）とした液晶素子の観察像を示す図である。具体的には、図１０（Ａ）はショートピッチ条件の液晶素子の電圧印加前における観察像であり、図１０（Ｂ）はショートピッチ条件の液晶素子の電圧印加直後における観察像であり、図１０（Ａ）はロングピッチ条件の液晶素子の電圧印加前における観察像であり、図１０（Ａ）はロングピッチ条件の液晶素子の電圧印加直後における観察像である。なお、図１０（Ｅ）は各液晶素子におけるラビング方向と配向状態の関係を示している。また、各液晶素子のプレティルト角は４６°程度であり、作製条件は上記と同様である。図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示すように、ショートピッチ条件の液晶素子は正面コントラストが高く、電極の境界が明りょうに表れている。これに対し、図１０（Ｃ）および図１０（Ｄ）に示すように、ロングピッチ条件の液晶素子は正面コントラストがやや低く、電圧印加直後であるにもかかわらず電極の境界が不明りょうに表れており、ラビング筋も目立つことが分かる。ここで示したロングピッチ条件（ｄ／ｐ＝０．３３３）は、プレティルト角が高い（４６°程度）の場合はあまり好ましくない条件であることが分かる。これらの結果から、安定した表示保持性能を得るためには比較的高いプレティルト角とショートピッチの両条件を満たす必要があるといえる。

図１１〜図１５は、図８に示した作製条件に対応した各液晶素子の光学特性を示す図である。具体的には、図１１（Ａ）、図１２（Ａ）、図１３（Ａ）、図１４（Ａ）および図１５（Ａ）はそれぞれ視角特性を示し、図１１（Ｂ）、図１２（Ｂ）、図１３（Ｂ）、図１４（Ｂ）および図１５（Ｂ）はそれぞれラビング方向と偏光板の透過軸の配置を示し、図１１（Ｃ）、図１２（Ｃ）、図１３（Ｃ）、図１４（Ｃ）および図１５（Ｃ）はそれぞれコントラスト特性を示し、図１１（Ｄ）、図１２（Ｄ）、図１３（Ｄ）、図１４（Ｄ）および図１５（Ｄ）はそれぞれスプレイツイスト状態の透過率特性（Ｔ_Ｓ−ｔ）およびリバースツイスト状態の透過率特性（Ｔ_Ｕ−ｔ）を示している。また、図１１に示す光学特性はカイラル材Ｒ−８１１かつピッチ８．０μｍの液晶素子のものであり、図１２に示す光学特性はカイラル材Ｒ−８１１かつピッチ８．５μｍの液晶素子のものであり、図１３に示す光学特性はカイラル材Ｒ−８１１かつピッチ９．０μｍの液晶素子のものであり、図１４に示す光学特性はカイラル材ＣＢ１５かつピッチ８．０μｍの液晶素子のものであり、図１５に示す光学特性はカイラル材ＣＢ１５かつピッチ９．０μｍの液晶素子のものである。いずれの液晶素子においても配向膜の焼成温度２００℃（プレティルト角３５°〜６０°程度）、ツイスト角７０°である。いずれの液晶素子の場合も正面のコントラスト比は高く（ＣＲ＝１４１〜６７７）、特にカイラル材ＣＢ１５かつピッチ８．０μｍの液晶素子はどの視角においても表示反転は見られず高い視認性を得られることが分かる（図１４参照）。なお、今回の条件でのプレティルト角を測定してみると３５°〜６０°程度（測定方法により測定結果にばらつきがある）のプレティルト角を示していることがわかった。

なぜこのような特性を示すのかについては完全には解明できていないが、一般に、リバースツイスト配向状態では、液晶層内部に界面のプレティルト角の関係とカイラル材によるねじれ力により大きな歪みが生じていると考えられる。この歪みにより電圧オフ状態においても液晶層の層厚方向の中央付近における液晶分子は基板平面に対して傾いた状態になる。一般にリバースツイスト配向状態では界面のプレティルト角よりもバルクでの傾斜角の方が高くなる。このことは連続体理論に基づいた液晶分子配向シミュレーションでも確認されている。実施例の各液晶素子はプレティルト角を非常に高くすることにより液晶層の層厚方向の中央付近における液晶分子の傾き角を非常に高くすることができており、垂直配向に近い状態まで液晶分子が立ち上がっているのではないかと推察される。このことにより、電圧オフ状態においても正面方向からに対しても比較的暗い黒表示を得られるものと考えられる。

（実施例２）
次に、上記した実施例１において検証した範囲内において好適と考えられる条件にて作製した液晶素子について、その作製条件と表示状態のスイッチングの様子を説明する。具体的な作製条件については、配向膜は焼成条件を２００℃で１時間とし、かつ膜厚を５００Å〜８００Åとした。また、ラビング処理時の押し込み量は０．８ｍｍとした。液晶層のツイスト角φは９０°もしくは７０°とし、層厚（セル厚）は４μｍとした。液晶材料としてはZLI-2293（メルク社製）を用いて、カイラル材にはＣＢ１５を用いた。カイラル材の添加量はｄ／ｐ＝０．５（ピッチ８μｍ）となるようにした。偏光板はその透過軸がラビング方向と平行もしくは直交するように配置し、かつ互いの透過軸が略直交するようにした。ここでは各透過軸がそれぞれ近接する基板の配向膜のラビング方向と平行になるように偏光板を配置した。これら以外の作製条件については上記した通りである。

図１６は、実施例２の液晶素子について各電極に電圧を印加し、スイッチングしたときの様子を示す図である。詳細には、図１６（Ａ）は電極パターン、ラビング方向および偏光板の各配置を示す図であり、図１６（Ｂ）は初期状態における液晶素子の観察像であり、図１６（Ｃ）は縦電界印加後における液晶素子の観察像であり、図１６（Ｄ）は横電界印加後における液晶素子の観察像である。なお、ここでの液晶素子は、櫛歯状電極（第３電極および第４電極）の電極幅を２０μｍ、電極間隔を２０μｍとしたものである。また、図１６（Ａ）に示す「Ｒｕ」は上側基板のラビング方向、「Ｒｂ」は下側基板のラビング方向を示し、「Ｐ」および「Ａ」は各偏光板の透過軸方向を示している。

図１６（Ｂ）に示すように、液晶素子の完成後の状態では液晶層がスプレイツイスト配向状態となり、透過光は明状態（すなわち白表示）となっている。そして、図１６（Ｃ）に示すように液晶層に対して縦電界を印加した後は液晶層がリバースツイスト配向状態へと転移し、透過光は暗状態（すなわち黒表示）となっている。その後、図１６（Ｄ）に示すように、液晶層に対して櫛歯状電極を用いて横電界を印加した後は液晶層がスプレイツイスト状態へと再び遷移し、透過光が初期状態と同様に明状態（白表示）となっている。このようなスイッチングが可能となったのは以下のように考えられる。スプレイツイスト配向状態では液晶層の層厚方向の略中央における液晶分子が水平方向に配向しているが、縦電界の印加によってリバースツイスト配向状態になり、液晶層の層厚方向の略中央における液晶分子が垂直方向に配向する。この後、横電界の印加によってリバースツイスト状態の液晶層の層厚方向の略中央における液晶分子に横電界がかかることにより、液晶分子が再び水平方向へ配向する。この配向方向は、スプレイツイスト配向状態の液晶層の層厚方向の略中央における液晶分子があるべき配向方向であるため、液晶層がスプレイツイスト状態へと遷移したものと考えられる。

なお、比較例として、液晶素子のカイラル材の添加量を少なくした場合（ｄ／ｐ＜０．２５の場合）についても確認したところ、初期状態（スプレイツイスト配向状態）において液晶層のバルクが略垂直配向状態となってしまい、明暗状態のスイッチングが難しいことが分かった。また、プレティルト角について概ね７０°以上に高くした場合には、これに対応してカイラル材を調整したとしても、スプレイツイスト状態とリバースツイスト状態の間で明暗状態を得ることが難しいことも分かった。このことから、比較的黒い黒表示と双安定性を両立するにはカイラル材の添加量とプレティルト角の関係を上記の条件とすることが必要であるといえる。ここで、上記した実施形態並びに実施例においてプレティルト角は４６°としたが、一般に知られているようにこのような領域でのプレティルト角はその測定が非常に難しく、数値には誤差の幅が存在する。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。

以上のように、本実施形態並びに各実施例によれば、コントラストの高い明表示状態、暗表示状態の双安定表示を簡便に実現できる。特に暗表示の透過率が低く、正面から見たときもはっきりとした表示を実現できる。

また、液晶素子の製造工程は、基本的には一般的な液晶素子の製造工程と全く同じであり、異なるのは配向膜材料、ラビング条件（押し込み量）、焼成条件等であるが、これらは一般的な製造工程でも管理される条件であるためコストアップの要因は少ない。すなわち、一般的な液晶素子と同様の製造技術で安価に製造が可能である。

また、本実施形態等の液晶素子は、表示を書き換えるとき以外は電力を必要としないので、超低消費電力駆動が可能であり、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の場合にも好適なディスプレイを実現できる。特に反射型ディスプレイに適用した場合にはメリットが大きい。

また、配向状態のメモリ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ので、薄膜トランジスタ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

なお、本発明は上述した実施形態の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、上記では各偏光板の透過軸を略直交させたノーマリーホワイト型について説明していたが、ノーマリーブラック型としてもよい。ただし、ノーマリーホワイト型のほうがより高いコントラストを得やすい。

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

Claims (5)

1. 各々の一面に配向処理が施されており、対向配置された第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の一面と前記第２基板の一面との間に設けられた液晶層、
   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が第１方向に捻れた第１配向状態を生じるように前記配向処理の方向を設定され、かつ、それぞれが前記液晶層との界面において当該液晶層の液晶分子に付与するプレティルト角が３５°以上であり、
   前記液晶層は、前記液晶分子が前記第１方向とは逆の第２方向に捻れた第２配向状態を生じさせる性質のカイラル材を含有し、
   前記カイラル材は、前記液晶層の層厚ｄに対するカイラルピッチの比ｄ／ｐが０．３８５以上０．５以下となるように添加された、
   液晶素子。
2. 前記液晶層は、前記第２配向状態におけるツイスト角が７０°以上９０°以下である、請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記液晶層に電界を印加するための電界印加手段を更に含み、
   前記電界印加手段によって、前記第１基板及び前記第２基板の各一面にほぼ垂直な方向に電界が印加されたことにより前記液晶層が前記第１配向状態へ遷移し、前記第１基板及び前記第２基板の各一面にほぼ平行な方向に電界が印加されたことにより前記液晶層が前記第２配向状態へ遷移する、請求項１又は２に記載の液晶素子。
4. 前記プレティルト角が７０°より小さい、請求項１〜３の何れか１項に記載の液晶素子。
5. 複数の画素部を備え、当該複数の画素部の各々が請求項１〜４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。