JP6001959B2 - 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、液晶層の液晶分子の配向状態を第２旋回方向へ捻れた状態から第１旋回方向へ捻れた状態へ遷移させる際に要する時間が長いという点で未だ改良の余地があった。この点は、特に表示の書き込みと消去を比較的短時間に行う必要がある多くの用途（例えば、時計の表示部、車両用情報表示パネル等）において改良が望まれる。

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並びにこれを用いる液晶表示装置における液晶層の状態遷移に要する時間を低減させ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と、（ｃ）液晶層に対して、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ垂直な方向の第１電界と当該各一面にほぼ平行な方向の第２電界を与えるための電極と、（ｄ）電極に対して駆動電圧を供給する駆動回路、を含み、（ｅ）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ており、（ｆ）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ており、（ｇ）駆動回路から供給される駆動電圧は、少なくとも、電極を介して第１配向状態の液晶層に対して第１電界を与えた後に第２電界を与えるものであり、（ｈ）液晶層は、第１電界と第２電界が与えられることにより第１配向状態から第２配向状態へ遷移する、ことを特徴とする液晶素子である。

上記構成によれば、２種類の電界を組み合わせて液晶層へ与えることにより、第１配向状態から第２配向状態への遷移に要する時間を低減することができる。

上記の液晶素子においては、第１電界を与えた後に続けて第２電界が与えられてもよい。

それにより、第１電界によって生じた配向状態の遷移が元に戻り始める前に第２電界を与えることができる。

上記の液晶素子においては、第１電界を与える期間と第２電界を与える期間とが少なくとも一部において重複することも好ましい。これにより、重複期間において、第１電界と第２電界が同時に与えられることになり、配向状態の遷移に要する時間をより低減することができる。

上記の液晶素子においては、第１電界を与える期間と第２電界を与える期間との間に３秒間以下の電界０の期間が存在してもよい。

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、かつ液晶層の配向状態の遷移に要する時間の低減された（すなわち表示切り替え時間を低減された）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、リバースツイスト状態からスプレイツイスト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（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。 図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、液晶素子の液晶層をリバースツイスト状態とした後に縦電界を印加した際の顕微鏡観察像を示す図である。また、図５（Ｄ）はこの観察に用いた液晶素子のラビング方向および偏光板の透過軸の方向を示す図である。 図６は、一時的な配向状態の遷移を生じさせる縦電界の大きさと透過率の関係を示す図である。 図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、駆動回路から供給される駆動電圧を説明するための波形図である。 図８は、駆動電圧を用いて実施例の液晶素子を駆動した場合の透過率の経時変化を示す図である。 図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、実施例の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図であり、図９（Ｄ）は偏光板の透過軸およびラビング方向を示す図である。 １０（Ａ）〜図１０（Ｄ）は、比較例の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図であり、図１０（Ｅ）は偏光板の透過軸およびラビング方向を示す図である。 図１１は、駆動電圧の周波数と遷移時間の関係を示す図である。 図１２は、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。

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）に捻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に対してその層厚方向へ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、リバースツイスト状態からスプレイツイスト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状態からスプレイツイスト状態へ遷移する。なお、リバースツイスト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、リバースツイスト状態からスプレイツイスト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、基本的には、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ことが好ましい。これらの縦電界と横電界を自在に与えるための電極構造を備えたリバースＴＮ型液晶素子について、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とともに、この液晶層６０へ駆動電圧を供給するための駆動部６５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、例えば電極幅が２０〜３０μｍ程度であり、電極間隔が２０〜２００μｍ程度である。

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。各配向膜５３、５７により液晶層６０との界面において液晶層６０の液晶分子に付与されるプレティルト角は比較的高く、例えば２０°以上である。

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。この液晶材料には液晶分子をねじれ配向させるためのカイラル材が添加されている。

駆動回路６５は、第１電極５３、第２電極５６、第３電極５８および第４電極５９と接続されており、これらの電極に駆動電圧を供給する。

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。これらの図を参照しながら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。

図４（Ａ）に示すように、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、駆動回路６５によって第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（第１電界）」である。

また、図４（Ｃ）に示すように、駆動回路６５によって第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（第２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４（Ｄ）に示すように、駆動回路６５によって絶縁膜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（第２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傾向にある。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と考えられる。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に近い状態に配向する。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、液晶素子の実施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。

次に、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。櫛歯状の電極は、例えば、電極枝の幅を２０μｍ〜３０μｍ、電極間隔２０μｍ〜２００μｍとすることができる。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１６０〜２６０℃、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、初期状態（スプレイツイスト状態）におけるツイスト角φが例えば７０°になるように設定する。

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上には粒径約４μｍのロッド状ガラススペーサーが略２ｗｔ％混入したシール材をディスペンサーにて所望のパターンに塗布する。また、第２基板５４上には乾式散布法にて粒径約４μｍのプラスティックスペーサーを散布する。両基板を貼り合わせた後には、熱圧着によりシール材を硬化させる。

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。カイラル材の添加量は、ｄ／ｐが０．２０〜０．５３となるようにする。

最後に、第１基板５１と第２基板５４の各外側に偏光板を貼り合わせる。偏光板はクロスニコル配置とする。ここでは各偏光板の透過軸とラビング方向とが１０°の角度をもつように偏光板を配置する。

以上により、実施例の液晶素子が完成する。この液晶素子は、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）が高く、明る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）が低く、暗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、本実施形態の液晶素子の駆動方法について詳細に説明する。

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、液晶素子の液晶層をリバースツイスト状態とした後に縦電界を印加した際の顕微鏡観察像を示す図である。また、図５（Ｄ）はこの観察に用いた液晶素子のラビング方向および偏光板の透過軸の方向を示す図である。図５（Ｄ）に示すように、この液晶素子は、各偏光板の透過軸が図中時計回りに４５°方向と反時計回りに４５°方向にそれぞれ設定され、第１基板５１のラビング方向ＲＬが時計回りに３５°に設定され、第２基板５４のラビング方向ＲＵが反時計回りに３５°に設定されている。本願発明者らが検討したところ、図５（Ａ）に示すようなリバースツイスト状態である液晶層に対して縦電界を印加した後に電界をオフにすると、図５（Ｂ）に示すように液晶層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一時的に遷移し、数秒間後には図５（Ｃ）に示すように再びリバースツイスト状態へ戻り始めるという知見を得た。なお、ここでは縦電界として、第１電極５２と第２電極５５の間に２．５Ｖの電圧を与えた後に０Ｖとしている。詳細に観察したところ、一時的なスプレイツイスト状態からリバースツイスト状態への再遷移は、スペーサー（ギャップ材）を起点として生じ始めることが分かった。

図６は、一時的な配向状態の遷移を生じさせる縦電界の大きさと透過率の関係を示す図である。図６において横軸は経過時間、左側縦軸は液晶素子の正面方向から計測した透過率、右側縦軸は縦電界の大きさ（印加電圧）に対応しており、実線が透過率を示し、棒グラフ状のバーが印加電圧を示している。経過時間０〜１５秒までの間は、液晶素子の液晶層は初期状態（スプレイツイスト状態）であり、このときの透過率は比較的高い。経過時間１５〜３０秒の間は、液晶素子の液晶層は縦電界の印加によりリバースツイスト状態に遷移しており、このときの透過率は比較的低い。経過時間３０〜５０秒の間は、液晶素子の液晶層へは電圧無印加状態であり、リバースツイスト状態が維持されているため透過率は低い。経過時間５０秒以降は１０秒間隔で１０Ｖ（ボルト）、９Ｖ、８Ｖ、７Ｖ、６Ｖ、５Ｖ、４Ｖ、３．５Ｖ、３Ｖ、２．５Ｖ、２Ｖ、１Ｖの交流電圧がそれぞれ液晶層に印加された。なお、印加される交流電圧の周波数は２０Ｈｚ、印加する時間はそれぞれ略１秒間である。図示のように本実験例では、印加電圧２．５Ｖ〜３．５Ｖの場合に、電界オフ後、瞬間的に透過率が初期状態と同等に大きくなり、この透過率が上昇した状態は概ね３秒間維持されることが分かった。しかし、印加電圧２Ｖの条件および３．５Ｖ以上の条件では電界オフ後に透過率が急激に上昇する現象は現れなかった。すなわち、リバースツイスト状態の液晶層へ比較的低い縦電界を与えることにより、瞬間的にスプレイツイスト状態へ遷移させることが可能であり、しかもその一時的な遷移に要する時間は比較的に短いという知見が得られた。

このような知見のもとに本願発明者が検討したところ、リバースツイスト状態である液晶層に対して縦電界を印加して一時的にスプレイツイスト状態へ遷移させた後、さらに横電界を印加することにより、このスプレイツイスト状態へ遷移した状態を安定させることが可能であり、かつ、リバースツイスト状態である液晶層へ縦電界を印加することなく横電界を印加する場合に比べてスプレイツイスト状態へ遷移させるために要する時間を短縮し得るという着想を得た。次に、この着想を具現化するための駆動方法について詳細に説明する。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、駆動回路から供給される駆動電圧を説明するための波形図である。本実施形態の駆動回路６５には、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧出力があり、いずれも矩形波である。液晶素子の液晶層６０の配向状態をスプレイツイスト状態からリバースツイスト状態へ遷移させるときには、駆動回路６５により第１電極５２と第２電極５５の間に電圧Ｖ１を印加する（縦電界）。一方、液晶素子の液晶層６０の配向状態を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させるときには、駆動回路６５により、まず第１電極５２と第２電極５５の間に電圧Ｖ２を印加し（縦電界）、次いで第３電極５８と第４電極５９の間に電圧Ｖ３を印加する（横電界）。

詳細には、まず図７（Ａ）に示すように第１電極５２と第２電極５５の間に電圧Ｖ２が時間ｔ１の間印加される。次いで、図７（Ｂ）に示すように、電圧Ｖ２の印加時から時間ｔ２が経過した後に第３電極５８と第４電極５９の間に電圧Ｖ３が時間ｔ３の間印加される。このとき、時間ｔ１よりも時間ｔ２を小さく設定した場合には、図示の例のように電圧Ｖ２の印加期間と電圧Ｖ３の印加期間が一時的に重複する。すなわち、液晶層６０には一時的に縦電界と横電界が同時に印加される。なお、電圧Ｖ１〜Ｖ３のいずれについても周波数および電圧の大きさは適宜調整することができる。電圧Ｖ３が電圧Ｖ１、Ｖ２よりも大きい場合には、ノイズとして電圧Ｖ３が第１電極５２および第２電極５５に混入するのを防ぐためにグラウンド駆動よりもハイインピーダンス駆動が好ましい。

このような駆動電圧を用いる場合の詳細な駆動条件の検討を行ったところ、リバースツイスト状態からスプレイツイスト状態への遷移時間をより短縮するには、ｔ１＞ｔ２の条件を満たすことが好ましいと分かった。すなわち、縦電界と横電界が同時に印加される期間が存在したほうが好ましいことが分かった。なお、ｔ１＝ｔ２としてもよく、その場合には電圧Ｖ２の印加後に続けて電圧Ｖ３が印加される。それにより、液晶層６０には縦電界が与えられた後、続けて横電界が与えられる。また、ｔ１＜ｔ２としてもよく、その場合には電圧Ｖ１の印加後に電圧無印加の期間を挟んで電圧Ｖ２が印加される。それにより、液晶層６０には縦電界が与えられた後、電界０の期間を挟んで横電界が与えられる。この場合、縦電界と横電界の組み合わせによる応答性向上の効果をより大きく発現させるためにはｔ１＋３（秒間）≧ｔ２の条件を満たす必要がある。この時間ｔ１に加算する「３秒間」については、上記した図６に示したように、電界オフ後、瞬間的に透過率が初期状態と同等に大きくなった状態が維持される時間が概ね３秒間であることが根拠となる。

図８は、上記した駆動電圧を用いて実施例の液晶素子を駆動した場合の透過率の経時変化を示す図である。ここでは、駆動電圧を電圧Ｖ１＝１０Ｖ、電圧Ｖ２＝２．５Ｖ、電圧Ｖ３＝１０Ｖ、時間ｔ１＝１．０秒間、時間ｔ２＝０．５秒間、時間ｔ３＝１．０秒間に設定し、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際の透過率の経時変化を計測した。また、比較例として横電界だけを用いた場合の透過率の経時変化も計測した。このときの電圧Ｖ３は１０Ｖとした。図示のように、横電界のみを印加する比較例の液晶素子では液晶層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し、それに伴って透過率が変化するまでに約２５秒間を要していたのに対して、実施例の液晶素子ではこの時間が約６秒間と大幅に短縮された。

図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、実施例の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図であり、図９（Ｄ）は偏光板の透過軸およびラビング方向を示す図である。実施例の液晶素子では、図９（Ａ）に示すように液晶層がリバースツイスト状態であるところへ上記した縦電界と横電界を組み合わせた駆動電圧を供給したところ、縦電界により瞬間的にスプレイツイスト状態へ遷移し（図９（Ｂ））、その後、横電界によりスプレイツイスト状態への遷移が安定化した様子が観察された（図９（Ｃ））。

図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）は、比較例の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図であり、図１０（Ｅ）は偏光板の透過軸およびラビング方向を示す図である。比較例の液晶素子では、図１０（Ａ）に示すように液晶層がリバースツイスト状態であるところへ横電界の駆動電圧を供給したところ、櫛歯状の第３電極および第４電極の電極枝間でスプレイツイスト状態へ遷移した領域がランダムに発生し（図１０（Ｂ））、その後スプレイツイスト状態へ遷移した領域が徐々に拡大し（図１０（Ｃ）：５秒間経過後）、さらにスプレイツイスト状態へ遷移した領域が全体へ及ぶ様子が観察された（図１０（Ｄ）：２５秒間経過後）。

上記した実施例の液晶素子と比べると、比較例では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際の様子が異なる。すなわち、実施例では始めの縦電界の印加によりスプレイツイスト状態へ遷移した領域が広域的に発生し、その後の横電界の印加によりそれが維持される。このため、外観上見栄えがよい。これに対して、比較例ではスプレイツイスト状態へ遷移した領域が電極枝間で局所的に発生した後にその領域が拡大する。このため、外観上見栄えがよくない。

図１１は、駆動電圧の周波数と遷移時間の関係を示す図である。実施例の液晶素子に対し、電圧Ｖ２の周波数ｆ２と電圧Ｖ３の周波数ｆ３をそれぞれ２０Ｈｚ〜１００Ｈｚの間で可変に設定して駆動電圧を供給した場合における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時間を計測した。なお、遷移時間は透過率の変化が飽和するまでの時間とした。また、周波数以外の条件については、電圧Ｖ２を２．５Ｖと３．０Ｖの２種類に設定し、電圧Ｖ３をいずれの場合も１０Ｖに設定し、時間ｔ１を１．０秒間、時間ｔ２を０．５秒間、時間ｔ３を１．０秒間と設定した。図示のように、周波数が比較的高い場合、具体的には５０Ｈｚ〜１００Ｈｚの場合には遷移時間Ｔの周波数への依存性はほとんど見られなかったが、周波数が比較的低い場合、具体的には２０Ｈｚ〜４０Ｈｚの場合には周波数が低いほど遷移時間Ｔが短縮される傾向が見られた。

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１２は、液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。図１２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４（Ｂ）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１２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１２においては図示省略）と接続されている。

図１２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・・・Ｂｍ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、相対的に暗い表示（リバースツイスト状態）としたい画素部７４には縦電界の駆動電圧を印加し、相対的に明るい表示（スプレイツイスト状態）としたい画素部７４には縦電界と横電界を組み合わせた駆動電圧を印加すればよい。

このような駆動電圧を制御線Ｂ２、Ｂ３・・・を順次選択し、対応する画素部７４へ印加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、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液晶層の状態遷移に要する時間を低減させ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。例えば、上記した実施形態等では配向処理の具体例としてラビング処理を揚げていたが、これ以外の配向処理（例えば、光配向法、斜方蒸着法等）を用いることもできる。また、説明中に挙げた数値条件等についても好適な一例に過ぎず、必ずしもそれらに限定されない。

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
６５：駆動回路
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と、
   前記液晶層に対して、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の第１電界と当該各一面にほぼ平行な方向の第２電界を与えるための電極と、
   前記電極に対して駆動電圧を供給する駆動回路と、
   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ており、
   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ており、
   前記駆動回路から供給される前記駆動電圧は、少なくとも、前記電極を介して前記第１配向状態の前記液晶層に対して前記第１電界を与えた後に前記第２電界を与えるものであり、
   前記液晶層は、前記第１電界と前記第２電界が与えられることにより前記第１配向状態から前記第２配向状態へ遷移する、
   液晶素子。
2. 前記第１電界を与えた後に続けて前記第２電界が与えられる、請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記第１電界を与える期間と前記第２電界を与える期間とが少なくとも一部において重複する、請求項１に記載の液晶素子。
4. 前記第１電界を与える期間と前記第２電界を与える期間との間に３秒間以下の電界０の期間が存在する、請求項１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。