JP5901992B2

JP5901992B2 - 液晶素子、液晶表示装置

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Publication number: JP5901992B2
Application number: JP2012035674A
Authority: JP
Inventors: 都甲　康夫; 康夫都甲
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: JP2013171209A

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、偏光板を用いることを前提としているため原理的に光の利用効率が低く、透過表示を行う場合にはバックライトが必要となり、反射表示を行う場合には表示が暗いという点で改良の余地があった。

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透過率および反射率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透過率および反射率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２０°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するとともに、１種類以上の二色性色素を含有しており、第２配向状態における液晶層の液晶分子のツイスト角が９０°以上である、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透過率および反射率を向上することが可能となる。

上記の液晶素子において、ツイスト角は、例えば１２０°以上１５０°以下とすることも好ましい。

これにより、透過率、反射率並びにコントラストをより向上させることができる。

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、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。

上記構成によれば、第１配向状態と第２配向状態の相互間の遷移を容易に生じさせることができる。

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、かつ透過率および反射率の高い液晶表示装置を得ることができる。

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。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４は、配向処理の方向のなす角度について説明するための図である。図５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６は、液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。図７は、実施例の液晶素子の光学特性とツイスト角の関係を示す図である。

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°またはそれ以上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。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。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５参照）。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）が施されている。図４は、配向処理の方向のなす角度について説明するための図である。本実施形態では、配向膜５３への配向処理の方向Ｒ_Ｕと配向膜５７への配向処理の方向Ｒ_Ｌとのなす角度のうち、右ねじれのスプレイツイスト状態（図１参照）に対応する角度φ_Ｓが９０°以上に設定される。このとき、左ねじれのリバースツイスト状態（図１参照）に対応する角度φ_Ｒは（１８０°−φ_Ｓ）と表せる。これにより、スプレイツイスト状態におけるツイスト角（方位角）は９０°以上（例えば１２０°〜１５０°程度）となる。

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。この液晶層６０は、二色性色素を添加された液晶材料を用いて構成されている。二色性色素とは、分子長軸に対する光の偏光方向により吸収に異方性を有するものをいい、分子長軸方向に偏光した光を吸収しやすく、分子短軸方向に偏光した光を吸収しにくい性質を有している。図中において液晶層６０に図示された白抜きの楕円が液晶分子を模式的に表し、黒塗りの楕円が二色性色素を模式的に表している。

図５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５（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５（Ｂ）〜図５（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５（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、すなわち「縦電界」である。

また、図５（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、すなわち「横電界」である。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５（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、すなわち「横電界」である。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５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、例えば、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１６０℃、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０．８ｍｍ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２０°〜６０°程度のプレティルト角を発現し得る。ラビング方向については、上記したようにスプレイツイスト状態におけるツイスト角が９０°以上となるように設定する（図４参照）。ここでは例えば、ツイスト角が１２０°、１３５°、１５０°となるようにする（通常のＴＮ液晶素子でいえば６０°、４５°、３０°のツイスト角の条件に相当）。

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。ここでは、セル厚が４μｍとなるように、スペーサー材として粒径４μｍのものを用いる。次いで、第１基板５１と第２基板５４の間に液晶材料を注入することによって液晶層６０を形成する。液晶材料にはカイラル材として、例えばＣＢ１５が添加される。また、液晶材料には二色性色素が適量添加される。

以上により、本実施形態の液晶素子が完成する。このような本実施形態の液晶素子は、完成時点では液晶層６０がスプレイツイスト状態に配向している。このときは、比較的に透過率（あるいは反射率）が低く、暗い状態の外観となる。そして、液晶層６０に縦電界を与えると、液晶層６０の配向がリバースツイスト状態に遷移し、電界をオフとした後もその状態が維持される。このときは、比較的に透過率（あるいは反射率）が高く、明るい状態の外観となる。さらに、液晶層６０に横電界を与えると、液晶層６０の配向が再びスプレイツイスト状態へ遷移し、電界をオフとした後もその状態が維持される。

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６は、液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。図６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６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６においては図示省略）と接続されている。

図６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（リバースツイスト状態）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（スプレイツイスト状態）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、暗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。

（実施例）
液晶素子の初期配向状態（スプレイツイスト状態）におけるツイスト角をそれぞれ異なる値に設定し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る。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た。配向膜形成時の焼成条件は１６０℃で１時間とした。配向膜の膜厚は５００Å〜８００Åとなるようにした。また、ラビング時の押し込み量は０．８ｍｍとした。液晶層のツイスト角（スプレイツイスト状態におけるツイスト角）については１２０°、１３５°、１５０°の３つの条件とした。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、その添加量はピッチが４．５μｍもしくは５μｍとなるようにした。液晶材料としては屈折率異方性Δｎが０．０８と比較的に低いものを用いた。液晶材料には複数種の二色性色素が添加された。これらの二色性色素については、黒表示を良好にするために適宜最適化された条件（添加量の割合等）で添加した。また、液晶材料の注入後に熱処理（１２０℃で３０分間）を行った。なお、実施例の液晶素子では偏光板は設けられていない。また、実施例の液晶素子には反射板を設けていないが、反射型として用いる場合には適宜、反射板を設けるとよい。また、表面凹凸を有した散乱反射板、もしくは反射板上や液晶素子上に散乱フィルムを貼って、散乱しながら反射する構成としてもよい。

図７は、実施例の液晶素子の光学特性とツイスト角の関係を示す図である。図７において「ツイスト角」はスプレイツイスト状態における値を示し、「ピッチ」はカイラル材の添加によるカイラルピッチを示している。ツイスト角が１２０°の条件についてはピッチを５μｍの１条件のみで液晶素子を作成し、それ以外のツイスト角についてはピッチを４．５μｍと５．０μｍの２条件で液晶素子を作成した。そして、これら５条件の液晶素子のそれぞれについて透過率を測定し、コントラストを算出した。透過率については、液晶素子の法線方向から光を入射させ、スプレイツイスト状態およびリバースツイスト状態のそれぞれにおける透過率を測定した（リファレンス：Air）。また、各条件の液晶素子についての反射率およびコントラストは透過率から推察される計算値である。

図７に示すように、実施例の各液晶素子の透過型でのコントラストは１．５７〜２．５０であり、反射型でのコントラストは２．４７〜６．２５であった。ツイスト角に対する明確な依存性は見られなかったが、コントラストの面ではツイスト角１３５°でピッチ５．０μｍも条件が優れ、明るさの面ではツイスト角１５０°でピッチ５．０μｍの条件が優れていた。また、反射率（計算値）については、一般的な新聞紙の特性（概ね反射率４５％、コントラスト５）と同等であった。また、いずれの条件の液晶素子についても、スプレイツイスト状態とリバースツイスト状態のどちらも電界を印加しない限り非常に安定的に状態を維持できることが分かった。具体的には、各液晶素子のいずれも室温において少なくとも１ヶ月以上、配向状態を維持できることを確認した。

なお、理論的な面からは、ツイスト角が大きいほどリバースツイスト状態における透過率が高くなり、スプレイツイスト状態における透過率が低くなると予測される。これはリバースツイスト状態における液晶層の層厚方向の中央における液晶分子の長軸方向が垂直により近づくこととツイスト角が小さいことによる。本実施例の条件範囲ではこのような理論的予測は必ずしも妥当していないが、ツイスト角やカイラルピッチ（およびプレティルト角）の最適化によりコントラストや透過率はさらに改善されると考えられる。

以上のように、本実施形態並びに各実施例によれば、２つの配向状態間の遷移を利用する液晶素子における透過率および反射率を向上することが可能となる。

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ほぼ同じであり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、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。

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
７１、７２、７３：ドライバー
７４：画素部
Ａ１〜Ａｎ、Ｂ１〜Ｂｍ、Ｃ１〜Ｃｎ、Ｄ１〜Ｄｎ：制御線

Claims

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２０°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するとともに、１種類以上の二色性色素を含有しており、前記第２配向状態における前記液晶層の液晶分子のツイスト角が９０°以上である、
液晶素子。
前記ツイスト角が１２０°以上１５０°以下である、請求項１に記載の液晶素子。
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。
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。