JP2986756B2 - 電気光学的表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 【０００１】この発明は液晶層、および液晶層を新たな
配向に再配向させる再配向手段からなり、かつ各種の光
透過率を有する電気光学的液晶切換素子（エレメント）
であって、再配向手段が再配向を行う電界を発生する電
界発生構造からなり、上記の電界発生構造の電界が、主
として液晶層と平行に配列された電界成分を有する電気
光学的液晶切換素子及び同素子により構成された電気光
学的液晶表示装置に関する。 【０００２】上記の種類の電気光学的液晶切換素子とし
ては米国特許第３,８５４,７５１号のものが知られてい
る。この液晶切換素子では、電界発生構造により２種類
の電界を発生する。一方は主として液晶層と平行に配列
された電界成分を有し、他方は主として液晶層に垂直に
配列された電界成分を有しており、その液晶は、液晶層
に垂直な一方の電界と、液晶層と平行な他方の電界とに
よって、液晶の光軸を配向させることによって、一方の
電界で最小光透過率の状態に切り換えられおよび他方の
電界で最大透過率の状態に切り換えられる。補償コレス
テリック液晶が用いられ、電界がない時この液晶が自発
的に配向して、その光軸が液晶層に垂直に配向される場
合には、一方の電界は任意に省略される。しかし米国特
許第３,８５４,７５１号によれば、上記の場合も両方の
電界を用いる方が好ましい。というのは、自己配向性液
晶の固有配向期間が比較的長いので非常に不利だからで
ある。 【０００３】西独特許願公開第２４５９５３３Ａ１号お
よび西独特許願公告第２３２８５８１Ｂ２号も、電界
が、主として液晶層と平行に配列された電界成分を有す
る電界発生構造を具備する再配向手段を備えた電気光学
的液晶切換素子を開示している。しかし米国特許第３,
８５４,７５１号による液晶切換素子と同様に、互いに
直角の２つの電界が、西独特許願公告第２３２８５８１
Ｂ２号による液晶切換素子に発生し、液晶層の光軸を、
互いに直角にのびる２つの配列に配向させ、その配向の
一方は液晶層と平行にのび、他方の配向は液晶層に対し
て垂直にのびる。液晶の光軸のこの種の再配向は、西独
特許願公開第２４５９５３３Ａ１号による液晶切換素子
にも起こり、液晶の光軸の強制配向が、液晶のホメオト
ロピックバウンダリー配向（homeotropic boundary ori
entation）によって、液晶層に対して垂直に起こる。 【０００４】最後に国際特許願公開第８４／０４６０１
号は、液晶について、電界が、主として液晶層に対して
平行に配列された電界成分を有するくし状電界発生構造
を開示している。しかし、この引用文献の手段は、光の
カップリングアウト（coupling-out）が、液晶で構成さ
れた核の有効屈折の変化、または電界発生構造により液
晶で形成されたカバーの変化で制御される光ガイドであ
る。 【０００５】さらに日本国特許願公開平１−３３５２１
号（Pat. Abstr. Jap. P-875、１９８９年５月２３日、
１３巻、２１９号）は、電極を、平行な面に配列するこ
とを開示しているが、これは光液晶変調器中にストーリ
ングスキャタリング状態（storing scattering conditi
on）を発生させるのを目的とするものである。 【０００６】さらに日本国特許願公開平１−１７９９１
２号（Pat. Abstr. Jap. P946、１９８９年１０月１８
日、１３巻、４６０号）および日本国特許願公開平１−
１６１２１７号（Pat. Abstr. Jap. P-936、１９８９年
９月２５日、１３巻、４２８号）は、ある種の配向を有
するツイスト液晶が使用される場合に、表示のブロッキ
ング状態を改善するのに役立つ液晶切換素子を開示して
いる。その外、日本国特許願公開平１−４４４２２号
（Pat. Abstr. Jap. P-880、１９８９年６月７日、１３
巻、２４２号）は、ネマチック液晶が２０°〜３０°の
プレチルト角（pretilt angle）の配向を有する液晶切
換素子を開示している。しかしこれは、液晶の光軸を電
界をかけることによって、液晶層に対し平行の方向と垂
直の方向に切換えることができる通常の液晶構造であ
る。 【０００７】最後に、英国特許第１，５０６，５７０号
と、日本国特許願公開昭５４−１７７５６（Pat. Abst
r. Jap. E-101、１９７９年３月３０日、３巻、３８
号）は、光補償器もしくは反射器および二色性染料を有
する液晶表示を開示している。さらに公知の電気光学的
液晶切換素子が、例えば、M. SchadtとF. Leenhouts、A
ppl. Phys. Lett.、５０巻、２３６頁以後、１９８７
年；T.J. SchefferとJ.Nehring、J. Appl. Phys.、５８
巻、３０２２頁以後、１９８５年；L. Phl.、G. Webe
r、R. Eidenschink、G. BaurおよびW. Fehrenbach、App
l. Phys. Lett.、３８巻、４９７頁以後、１９８１年；
およびM. SchadtとW. Helfrich、Appl. Phys. Lett.、
１８巻、１２７頁以後、１９７１年に開示されている。 【０００８】電気光学的液晶切換素子は、特に、以下の
ような液晶表示装置に用いられる。例えば、テレビセッ
ト、コンピュータ、流通センターなどの施設、この液晶
表示装置の映像スポットを変化させるすなわち映像スポ
ットの輝度および／または色を変化させる装置などの表
示スクリーンである。液晶ディスプレイと呼ばれる、す
でに公知で現在市販されている液晶表示装置の場合、視
角すなわち視角の範囲、すなわち液晶表示装置が発生し
た映像を実質の光学的な誤表示なしで見ることができる
角度範囲はかなり制限される。その理由は、映像のコン
トラストが視角に著しく強く依存しているからである。 【０００９】本願に開示した試験結果から分かるよう
に、公知の液晶表示装置のコントラストの視角に対する
この依存性は、液晶層に対して平行な配向と、液晶層に
対して垂直な配向との間の、液晶層の光軸の上記の再配
向が原因である。この発明の適用範囲内で行った試験
は、液晶切換素子の透光性つまりコントラストが視角に
著しく依存する原因が、かような再配向で行われる液晶
の変形であると決定するのに役立った。 【００１０】この発明によって、透光性つまりコントラ
ストの視角に対する依存性は、電気光学的液晶切換素子
を次のような方式でこの発明にしたがって製造すれば、
最初に述べた種類の、特に非強誘電性液晶を有する電気
光学的液晶切換素子では殆ど除去されることが見出され
たものである。すなわち（ａ）液晶はツイストし得る構
造を有し、液晶を通過する光の透過量はそのツイスト度
に依存し、（ｂ）液晶は、非ツイスト状態もしくはツイ
スト状態である初期の状態におけるアラインメントに固
定され、そのツイスト軸は液晶層に対して垂直のままか
または実質的に垂直のままであり、および（ｃ）主とし
て液晶層に対して平行に配列される再配向手段の電界成
分は、各種光透過度に調節するために、液晶のツイスト
度を、液晶層と平行もしくは実質的に平行にその光軸を
ツイストすることによって変化させることができる、と
いう方式である。 【００１１】この方法により、上記の再配向で起こる液
晶の不利な変形はほとんどなくなり、透光性とコントラ
ストは、特に視角と無関係になる。ツイスト軸が液晶層
に対して“実質的に”垂直のままであり、光軸が液晶層
と“実質的に”平行にツイストされているということ
は、プレチルト角α0 が０°〜３０°の範囲にあること
を意味し、この角は、液晶層と平行な面に対して、少な
くとも、電界発生構造に対面する液晶層の層面上の液晶
層の初期の状態におけるアラインメントから構成され
る。本願で用いる液晶層の初期の状態におけるアライン
メントという用語は、液晶層の初期配向状態における液
晶の分子軸の好ましい方向を意味する。 【００１２】この発明の液晶切換素子は、次のような方
式で作製するのが好ましい。すなわち、主として液晶層
と平行に配列される、再配向手段の電界成分は、特に最
大と最小の光透過率の間の範囲で光透過度を変える連続
的もしくは段階的な調節を行うために液晶のツイスト度
を連続的もしくは段階的に変化させるように、変えるこ
とができる。 【００１３】この発明の液晶切換素子の場合の透光性の
視角に対する依存性について本願に開示した試験結果か
ら分かるように、この発明の液晶切換素子の場合、公知
の液晶切換素子と比べて、その透光性は、もはやほとん
ど視角に依存しない。主として液晶層と平行に配列され
る電界成分を有する電界は、電界発生構造が、互いに平
行に延びかつ液晶層と平行な帯状もしくは線状の電極で
構成され、異なる電位差を交互に印加することによって
得ることができる。 【００１４】上記の電界発生構造の好ましい製造法は次
のとおりである。 （ａ）帯状もしくは線状の電極を、液晶層と平行な少な
くとも２つの面に交互に配列し、この２つの面は特に、
絶縁シート、薄いプレート、層などの２つの対向する面
で形成されているかまたは（ｂ）異なる電位差を印加さ
れた帯状もしくは線状の電極を同じ面にくし状状態で配
列し、この面は、特に液晶層に対面する面で形成され、
その面は液晶層を封じこめる基板または、この基板に用
いられる絶縁シート、薄いプレートもしくは層などの面
である。 【００１５】この発明による液晶切換素子の重要な特徴
点は、少なくとも電界発生構造に対面するその層面に、
液晶層の初期状態におけるアラインメントが液晶層と平
行な面と０°〜３０°の範囲のプレチルト角を有すると
いう点である。このことは、電界が、液晶の固定層に直
接隣接して加えられるときに、液晶の有利な変形性を得
るのに役立つ。そして、このことにより、液晶表示装置
のコントラストの視角に対する依存性が大幅に改善され
る。 【００１６】この発明の電気光学的液晶切換素子の更に
好ましい態様は、主として液晶層と平行に配列される電
界成分が、初期状態におけるそのアラインメントで電界
発生構造に対面するその層面上に液晶層がもっている好
ましい方向と０°より大で９０°より小さい配向角を形
成するものである。この態様において、一方では、隣接
する液晶切換素子間または素子領域内の異なる回転方向
によるドメインの生成が、防止され、他方では切換え期
間が短かくなり、応答速度が速くなる。その理由は、主
として液晶層と平行に伸びる電界成分と、電界発生構造
と対面する層面上の液晶層の初期状態におけるアライン
メントとが鋭角をなしているため、電界が切換えられる
と充分な量の明らかに方向の定まった初期トルクが生成
するからである。回転方向はこのトルクによって与えら
れるので、液晶切換素子は最短時間内で切換えられる。 【００１７】この液晶切換素子は次の方式で製造するこ
とが好ましい。すなわち（ａ）配向角は、液晶の誘電異
方性が正の場合７０°より大で９０°より小さく、また
は（ｂ）液晶が負の誘電異方性を有する場合、配向角は
２０°より小さく０°より大きい、という方式である。 【００１８】正の誘電異方性を有する液晶物質が用いら
れる場合、液晶の好ましい方向（ディレクタ）を、電界
の方向に回転させるトルクが誘発される。一方負の誘電
異方性を有する液晶物質が用いられる場合、電界の方向
に垂直な面内へ好ましい方向（ディレクタ）を回転させ
るトルクが誘発される。先に述べたように、電気光学的
特性と切換え時間について、配向角は、正のΔεの場合
｜７０°｜より小ではならず、負のΔεの場合｜２０°
｜より大でないほうがよい。 【００１９】液晶物質としては、負の誘電異方性Δεを
有する特に非強誘電性液晶物質が、この発明の液晶切換
素子に特に好ましい。というのは、液晶層と平行に配列
される成分に加えて、電界が液晶層に垂直に配列される
成分をもっている場合、上記液晶物質によって他の種類
のドメイン形成をなくすことができるからである（この
ことは通常実際に起こることである）。例えば、上記の
ことは、電界が（好ましくは、）帯状もしくは線状の電
極によって生じるときに起こる。というのは高い電界の
場合に有効な成分は、液晶層と平行もしくはほとんど平
行にのびる成分とともに液晶層に垂直にも存在するから
である。液晶物質が正のΔεをもっている場合、これ
は、高い電界の場合液晶の再配向をもたらし、高い電界
では、好ましい方向は液晶層の面から回転される。これ
にはドメインの形成が付随し、多くの場合望ましくない
ので、電気光学的特性の低い範囲だけが使用可能にな
る。負のΔεを有する物質の場合、この電界成分は、液
晶の好ましい方向を、液晶層の面内において回転させる
トルクを誘発する。したがって上記の再配向は防止さ
れ、その電気光学的特性のかなり大きな部分が使用可能
になる。 【００２０】液晶の初期配向状態については次のことが
好ましい。すなわち、（ａ）液晶は、初期配向状態にお
いて非ツイスト構造を有し、主として液晶層と平行に配
列した電界成分によってツイスト構造に再配向させるこ
とができ、そのツイスト構造においてツイスト軸は液晶
層に垂直であるか、または（ｂ）液晶は、ツイスト軸が
液晶層に対して垂直な初期配向状態においてツイスト構
造を有し、そのツイスト構造は、主として液晶層と平行
に配列された電界成分によって脱ツイストすることがで
きる。 【００２１】この発明の液晶切換素子の他の基本的構造
は次の方式で作るのが好ましい。すなわち（１） 偏光
子が、液晶層の一方の面側に設けられ、直接光モードで
電気光学的液晶切換素子を作動させ、アナライザが他方
の面側に設けられるか、または（２） 電気光学的液晶
切換素子を反射モードで作動させるために、偏光子／ア
ナライザが液晶層の一方の面側に設けられおよび反射器
が他方の面側に設けられる。 【００２２】この場合、複屈折光補償器を、液晶層と偏
光子の間に設けることができる。別のアナライザを前者
の場合に設ける場合、光補償器を、代わりに液晶層とア
ナライザの間に設けることができる。特に、液晶層は二
色性染料を含有していてもよく、偏光子は液晶層の少な
くとも一方の面側に設けることができる。この発明の液
晶切換素子は、その光透過度が液晶層の初期配向状態に
おいて、その最大値または最小値を有し、液晶層の再配
向された状態で他方の極値まで変えることができる方式
で作ることが好ましい。 【００２３】電気光学的表示装置の映像スポットの輝度
および／または色を変えるために、この発明の液晶切換
素子を使うことは特に好ましく、表示装置としては表示
スクリーンが好ましい。電気光学的表示装置の液晶切換
素子は、特に、トランジスタマトリックスか、または時
間多重使用法（Zeitmultiplexverfahren）、即ち時分割
駆動法による直接駆動手段で制御することができる。 【００２４】この発明の上記およびその外の利点と特徴
は、図１〜８を参照してこの発明の電気光学的液晶切換
素子の好ましい実施態様によって以下により詳細に説明
する。これらの図面はこの発明の電気光学的液晶切換素
子の好ましい実施態様の構造に関連する限り、例証を目
的とするものでこの発明を限定するものではない。 【００２５】図１はこの発明の電気光学的液晶切換素子
の実施態様の部分断面図を示す。その素子は好ましくは
電気光学的表示装置の映像スポットを形成し、表示装置
はこの映像スポットの輝度および／または色を制御し、
電気光学的表示装置の表示スクリーンは二次元マトリッ
クスの配列に集積された複数のかような液晶切換素子で
構成されている。 【００２６】図２は、直接光モード用の、この発明の電
気光学的液晶切換素子の実施態様の斜視図を示す。液晶
は配向の矢印だけで示し、個々の部分は分解図で示して
ある。図３は、反射モード用の、この発明の電気光学的
液晶切換素子の実施態様の斜視図を示す。液晶は配向の
矢印だけで示し、個々の部分は分解図で示してある。図
４は、この発明の他の実施態様の斜視図を示す。 【００２７】図５は、液晶層の初期状態のアラインメン
トと液晶層に平行な面とで形成されるプレチルト角
α0 、ならびに液晶を再配向する電界の、液晶層に平行
に配列された電界成分と液晶層が電界発生構造に対面す
るその層面上にもっている初期状態のアラインメントと
で形成される配向角β0 のダイアグラムを示す。図６
は、この発明の電気光学的液晶切換素子の代表的な実施
態様の場合の、垂直入射光の透過率を印加電圧の関数と
して示す、実験で測定した曲線を示す。図７は、この発
明の電気光学的液晶切換素子の代表的な実施態様の場合
の、計算によって決定した透過率の値を示す。またこの
図は、透過率したがってコントラストの視角に対する依
存性はこの電気光学的液晶切換素子ではほとんどなくな
っていることを示している。 【００２８】図８は、公知の電気光学的液晶切換素子で
あるいわゆるＴＮセルの場合の計算で決定された透過率
の値を示す。この図は、透過率の視角に対する依存性を
極座標で示すが、表示の目盛は図７と正確に同じであ
る。図８と図７を比較すると、公知の電気光学的液晶切
換素子の場合、透過率が視角に対して高度に依存してい
るが、これに比ベてこの発明の電気光学的液晶切換素子
の場合、透過率の視角に対する依存性は、大きな領域内
には事実上存在しないことを示している。 【００２９】この発明の好ましい実施態様について、ま
ず図１と図２を参照して以下に詳紬に説明する。図１
は、直接光モードの電気光学的液晶切換素子の実施態様
の、集積された状態の断面図を示し、図２は図１につい
て縮尺した同じ液晶切換素子の個々の部分の分解図であ
る。さらに、図２に示す下方の配向層と下方の絶縁層
は、説明のために図１と対照して平面層として示してあ
る。 【００３０】図１と図２に示す直接光モード用の電気光
学的液晶切換素子１は、図面に対応して下部基板および
上部基板として以後称呼する２つの基板３と４の間には
さまれた液晶層２で構成されている。またこれらの基板
は実際には各種の位置を採用できる。これらの基板３と
４としてはガラス基板が好ましいが、例えばプラスチッ
ク類のような他の適切な透明で好ましくは絶縁性の材料
でもよい。さらに、基板３と４は互いに平行な平面とし
て製造するのが好ましく、その結果、液晶層２は好まし
くは実質的に平面の層かまたは平面層である。 【００３１】液晶層２を、液晶切換素子の中で、初期状
態の予めきめられたアラインメントに保持するために、
液晶層は２つの基板３と４に直接隣接させずにむしろそ
れぞれ１つの配向層５と６に直接隣接させる。これら配
向層は、図面に対応して、今後下部配向層および上部配
向層と称呼する。上部配向層６は上部基板４に直接形成
される。一方電界発生構造７と任意に絶縁層８が、下部
基板３と下部配向層５の間に設けられ、その結果、電界
発生構造７、絶縁層８および下部配向層５は、この順に
下部基板３に形成される。 【００３２】電界発生構造７は、互いに平行にのびかつ
液晶層２と平行な帯状もしくは線状の電極９と１０で構
成されている。ここでは図１と図２に示すように、帯状
もしくは線状の電極９と帯状もしくは線状の電極１０と
が交互に設けられている。帯状もしくは線状の電極９は
帯状もしくは線状の電極１０に対して各種の電位差で接
続され、その結果、各々１つの電界が帯状もしくは線状
の電極９と１０の間に発生し、その電界は、主として液
晶層２に平行に配列された電界成分をもっている。例え
ば、図２に示すように、帯状もしくは線状の電極９は、
電圧源１１の一方の電極に接続され、帯状もしくは線状
の電極１０は、電圧源１１の一方の電極に接続される。
電圧源１１は、原理上直流電源として示してあり、原則
としてこのような直流電源であってもよいが、液晶層の
劣化と、これに伴う障害を回避するために、実際には交
流電圧源１１が用いられる。 【００３３】帯状もしくは線状の電極９と１０は、ここ
に示している液晶切換素子の実施態様の同じ平面すなわ
ち絶縁ベース層１２の表面上にくし状状態に形成される
がこの絶縁ベース層は基板３の表面で形成させてもよ
い。そして帯状もしくは線状の電極９は互いに電気的に
接続されて、横方向特に垂直方向にのびる帯状もしくは
線状の横電極によって第１くし構造を提供し、また帯状
もしくは線状の電極１０は互いに電気的に接続され、横
方向特に垂直方向にのびる帯状もしくは線状の横電極に
よって第２くし構造を提供し、さらにその２つのくし構
造は、図２と図３にとくに充分示しているようにかみ合
い状態で配置されている。 【００３４】上記の図に示されていない他の可能な構成
では、帯状もしくは線状の電極９が絶縁ベース層１２の
上面に配列され、一方帯状もしくは線状の電極１０が絶
縁ベース層１２の下面に配列され、またはその逆に配列
される。この場合、帯状もしくは線状の電極は、くし状
構造を必要とせずに、単純な平行の帯状体もしくは線状
体として作ることができる。 【００３５】さらに、図１と図２に示す液晶切換素子１
は、基板３の外部側に偏光子１５、および基板４の外部
側にアナライザ１６を備ている。光の通過方向によっ
て、偏光子とアナライザはいれかえてもよい。最後に、
光補償器１７が偏光子１５と基板３の間に設置される。
またこの光補償器１７は、かわりに、アナライザ１６と
基板４の間に配置してもよい。 【００３６】図３は反射モード用の電気光学的液晶切換
素子の実施態様の斜視図であり、個々の部分を分解図で
示してある。この素子１８は、その外側の設計が図１と
図２の液晶切換素子１と異なる。すなわち図１に示すア
ナライザ１６の代わりに反射器１９が設けられている点
だけが異なり、その反射器は、この実施態様では、例え
ばガラス基板の基板２０と、液晶層２に対面する基板２
０の面状に設けられた反射層２１とで構成されている。
この構造に対応して、残っている偏光子は同時にアナラ
イザであるので、図１と図２の偏光子と区別するため偏
光子／アナライザ２２と呼称する。 【００３７】反射モード用の電気光学的液晶切換素子の
他の実施態様を図４に示すが、この素子２８が図１と図
２の電気光学的液晶切換素子１と異なるのは、例えば図
１と図２の絶縁層８の代わりに誘電ミラー８ａが設けら
れ、かつ複屈折光補償器１７が任意に基板４とアナライ
ザ１６の間に設けられている点である。アナライザ／偏
光子２２はアナライザ１６として設けられており、偏光
子およびアナライザとして作動する。したがって図１と
図２の偏光子は省略される。この実施態様は次のような
特別な利点がある。すなわち図４に示すように、液晶層
２と、電極構造７及び基板３の組合せとの間に誘電ミラ
ー８ａが設けられる場合、電極構造７と基板３が透明で
なくてもよいという利点である。この場合、配向層５は
液晶層２と誘電ミラー８ａの間に位置している。また配
向層５は誘電ミラー８ａの構成部材であってもよい。ま
た電極構造７は、誘電ミラー８ａの上に、特にその液晶
層２に対面する側に設置することができる。 【００３８】さらに、液晶切換素子１８と２８の外側構
造が液晶切換素子１のそれと等しい場合は、図１と図２
と同じ参照番号を用いている。したがって繰返しを避け
るために図１と図２の対応する説明を参照する。液晶切
換素子１、１８および２８の内部構造について、すなわ
ち液晶層、配向層、偏光子、電界発生構造などのそれぞ
れのパラメータを用いてより詳細に説明する。これらの
パラメータはすべて液晶切換素子１、１８および２８を
作動させるのに重要である。これらパラメータは下記に
示しかつ図２ないし図４にできるだけ記載してある。 【００３９】以下のパラメータは、液晶切換素子の好ま
しい実施態様を、その物理的状態について説明するのに
用いる。β＝初期配向状態における液晶層２内の液晶の
ツイスト角、すなわち、基板３もしくは配向層５におけ
るディレクタと、基板４もしくは配向層６におけるディ
レクタとの間の角。 【００４０】β0 ＝液晶層と平行な面（ｘ，ｙ）上に配
列された電界成分の方向（ｙ）と、分子軸の好ましい方
向を上記（ｘ，ｙ）面に投影してできた方向とのなす
角。その電界成分は、電界発生構造７によって発生し、
その液晶層２は、その層面上に液晶層２の初期状態のア
ラインメントの分子軸を有し、液晶層は、電界発生構造
７に対面しすなわち配向層５の上にある。あるいは、こ
の角は、基板３もしくは配向層５におけるディレクタ
と、帯状もしくは線状の電極９、１０の面内のこれら電
極の長さ方向に対する法線との間の角に等しい。α0 ＝
液晶層２の層面上の液晶層２の初期状態におけるアライ
ンメント、および液晶層２に平行な面（ｘ，ｙ）とで形
成されるプレチルト角。液晶層の初期状態におけるアラ
インメントは、ここでは、液晶層の初期配向状態におけ
る液晶層２の分子軸の好ましい方向を意味すると解され
る。 【００４１】ψ＝基板３もしくは配向層５におけるディ
レクタと偏光子１５または偏光子／アナライザ２２の透
過方向との間の角。 ψ′＝基板３もしくは配向層５におけるディレクタと、
アナライザ１６の透過方向との間の角。 ｜ψ−ψ′｜＝偏光子およびアナライザの透過方向の間
の角。 ｄ＝液晶層２の厚み ε‖．ε⊥＝液晶のディレクタにそれぞれ平行および垂
直の比誘電率。 Δε＝液晶の誘電異方性＝ε‖とε⊥との差、すなわち
Δε＝ε‖−ε⊥ ｎo ，ｎe ＝各々液晶の常光屈折率と異常光屈折率 λ＝光の波長 Δｎ＝ｎe−ｎo 【００４２】 図２ないし図４の矢印２３と２７は液晶層
２の液晶分子の好ましい方向を示し、配向層５の好まし
い方向は特に矢印２３で示し、配向層６の好ましい方向
は特に矢印２７で示してある。一方矢印２４，２５およ
び２６は中間領域の好ましい方向を示し、液晶のツイス
トを旨く示すために記載してある。プレチルト角α0 と
配向角β0 は図５に示し、Ｘ軸とＹ軸は液晶層２と平行
に延びる面を定義する。一方Ｚ軸は液晶層２に垂直に延
び、すなわち液晶層の厚みの方向に相当する。Ｘ軸とＹ
軸は液晶層２の幅と長さの方向に相当する。 【００４３】下記の表１と表２はそれぞれ、直接光モー
ドと反射モードの好ましい初期状態を示し、この初期状
態は電界が電界発生構造７を通じて加えられていないと
きに存在する状態を意味すると解される。 【００４４】 【表１】 【００４５】 【表２】 【００４６】表に記載された記号について説明する。ｄ
×Δｎ／λ、α0 およびβ0 の値は範囲で示してある。記
号≧，≦および＞，＜で示される２つの値は各々２つの
範囲を示し、前者の２つの記号は限界値を含み後者の２
つは限界値を含まない。電気光学的液晶切換素子１、１
８もしくは２８が電気光学的表示装置の映像スポットの
輝度および／または色を変えるために用いられる場合、
図１、２または３それぞれの液晶切換素子１または１８
は単一の映像スポットを形成し、その結果、このような
液晶切換素子１、１８または２８が多数表示スクリーン
に組込まれる。基板、配向層、偏光子、アナライザと偏
光子／アナライザ、反射器、および光補償器はすべて、
図１〜４に説明のために個々の部品として示してあり、
各々、全映像スポットに対する好ましくは一体のコンポ
ーネントジョイントを形成し、一方個々の映像スポット
は各々それ自体の電界発生構造７を備えている。その電
界発生構造が図１〜４に示す種類のくし状構造のもので
ない場合、この電界発生構造は、電気光学的表示装置が
例えば時分割駆動法によって対応するしかたで交叉式で
制御されるとき、電気光学的表示装置の全領域を通じて
全体としてのびる帯状もしくは線状の電極で構成されて
いてもよい。 【００４７】液晶切替素子の好ましい数値は下記のとお
りであり、これは、液晶切換素子が電気光学的表示装置
の映像スポットとして使用される場合に特に当てはま
る。 液晶層の厚み：１μｍ〜１０μｍ １つの映像スポットに対応する電界発生構造の面積：辺
の長さが１０μｍ〜１ｍｍの正方形 隣接する帯状もしくは線状の電極間の距離：２μｍ〜５
０μｍ 最高コントラストの場合の隣接する帯状もしくは線状の
電極間の電圧：１ボルト〜８０ボルト 【００４８】偏光板、すなわち反射式液晶切換素子１８
または２８の前方の偏光子／アナライザ２２の利用は、
平行配置される偏光子１５、とアナライザ１６と等価で
ある（すなわち透過方向において、アナライザ１６は偏
光子１５と平行である）。偏光ビームスプリッター（Mc
Neille prism）と組合わせて反射式液晶切換素子１８ま
たは２８を使用することは、透過式液晶切換素子１の交
叉配置される偏光子１５、とアナライザ１６に相当す
る。この装置は特に、大形の光透過式投射器に適してい
る。 【００４９】上記の液晶切換素子１、１８および２８の
機能、とくにその光学的挙動は、計算器シミュレーショ
ンによって試験し、対応して作製した液晶切換素子につ
いて行った実験で確認された。これらの試験の結果を図
６と図７に示す。図８は、ＴＮ液晶切換素子、すなわち
ヘリカルネマチック液晶を有する公知の液晶切換素子で
行った比較試験の結果を示す。図６の試験結果に基づい
て、図１と図２によって設計された液晶切換素子は以下
の設計数値をもっている。 【００５０】 液晶層の厚み ＝６.９μｍ 誘電異方性 ＝−１.５ 光路長ｄ×Δｎ／λ ＝０.８６５ 初期ツイスト角 β ＝０° 配向角 β0 ＝５° プレチルト角 α0 ＝５° 偏光子とアナライザ間の角 ＝９０° 【００５１】次に図７と図８について説明する。これら
の図を比較すると、この発明の電気光学的液晶切換素子
の、公知の液晶切換素子を越える驚くべき特性を明確に
示している。ツェータ（THETA）の角は、観察方向およ
び液晶層に対する法線との間の角である。透過光の強度
は極座標表示の軸に示す。透過率は垂直プレチルトの約
２５％である。 【００５２】図１と図２の電気光学的液晶切換素子１に
おいて、配向層６と基板４は、例えば液晶ポリマーが用
いられる場合、任意に省略することができる。反射モー
ドの電気光学的液晶切換素子の実施態様は、対応して改
変することができる。それ故に、本願明細書および特許
請求の範囲で用いる“液晶”という用語には液晶ポリマ
ー類または他の液晶物質が含まれる。しかし、この発明
に用いられる液晶としては、限定されないが、ネマチッ
ク液晶類もしくはネマチック液晶ポリマー類が好まし
い。
配向に再配向させる再配向手段からなり、かつ各種の光
透過率を有する電気光学的液晶切換素子（エレメント）
であって、再配向手段が再配向を行う電界を発生する電
界発生構造からなり、上記の電界発生構造の電界が、主
として液晶層と平行に配列された電界成分を有する電気
光学的液晶切換素子及び同素子により構成された電気光
学的液晶表示装置に関する。 【０００２】上記の種類の電気光学的液晶切換素子とし
ては米国特許第３,８５４,７５１号のものが知られてい
る。この液晶切換素子では、電界発生構造により２種類
の電界を発生する。一方は主として液晶層と平行に配列
された電界成分を有し、他方は主として液晶層に垂直に
配列された電界成分を有しており、その液晶は、液晶層
に垂直な一方の電界と、液晶層と平行な他方の電界とに
よって、液晶の光軸を配向させることによって、一方の
電界で最小光透過率の状態に切り換えられおよび他方の
電界で最大透過率の状態に切り換えられる。補償コレス
テリック液晶が用いられ、電界がない時この液晶が自発
的に配向して、その光軸が液晶層に垂直に配向される場
合には、一方の電界は任意に省略される。しかし米国特
許第３,８５４,７５１号によれば、上記の場合も両方の
電界を用いる方が好ましい。というのは、自己配向性液
晶の固有配向期間が比較的長いので非常に不利だからで
ある。 【０００３】西独特許願公開第２４５９５３３Ａ１号お
よび西独特許願公告第２３２８５８１Ｂ２号も、電界
が、主として液晶層と平行に配列された電界成分を有す
る電界発生構造を具備する再配向手段を備えた電気光学
的液晶切換素子を開示している。しかし米国特許第３,
８５４,７５１号による液晶切換素子と同様に、互いに
直角の２つの電界が、西独特許願公告第２３２８５８１
Ｂ２号による液晶切換素子に発生し、液晶層の光軸を、
互いに直角にのびる２つの配列に配向させ、その配向の
一方は液晶層と平行にのび、他方の配向は液晶層に対し
て垂直にのびる。液晶の光軸のこの種の再配向は、西独
特許願公開第２４５９５３３Ａ１号による液晶切換素子
にも起こり、液晶の光軸の強制配向が、液晶のホメオト
ロピックバウンダリー配向（homeotropic boundary ori
entation）によって、液晶層に対して垂直に起こる。 【０００４】最後に国際特許願公開第８４／０４６０１
号は、液晶について、電界が、主として液晶層に対して
平行に配列された電界成分を有するくし状電界発生構造
を開示している。しかし、この引用文献の手段は、光の
カップリングアウト（coupling-out）が、液晶で構成さ
れた核の有効屈折の変化、または電界発生構造により液
晶で形成されたカバーの変化で制御される光ガイドであ
る。 【０００５】さらに日本国特許願公開平１−３３５２１
号（Pat. Abstr. Jap. P-875、１９８９年５月２３日、
１３巻、２１９号）は、電極を、平行な面に配列するこ
とを開示しているが、これは光液晶変調器中にストーリ
ングスキャタリング状態（storing scattering conditi
on）を発生させるのを目的とするものである。 【０００６】さらに日本国特許願公開平１−１７９９１
２号（Pat. Abstr. Jap. P946、１９８９年１０月１８
日、１３巻、４６０号）および日本国特許願公開平１−
１６１２１７号（Pat. Abstr. Jap. P-936、１９８９年
９月２５日、１３巻、４２８号）は、ある種の配向を有
するツイスト液晶が使用される場合に、表示のブロッキ
ング状態を改善するのに役立つ液晶切換素子を開示して
いる。その外、日本国特許願公開平１−４４４２２号
（Pat. Abstr. Jap. P-880、１９８９年６月７日、１３
巻、２４２号）は、ネマチック液晶が２０°〜３０°の
プレチルト角（pretilt angle）の配向を有する液晶切
換素子を開示している。しかしこれは、液晶の光軸を電
界をかけることによって、液晶層に対し平行の方向と垂
直の方向に切換えることができる通常の液晶構造であ
る。 【０００７】最後に、英国特許第１，５０６，５７０号
と、日本国特許願公開昭５４−１７７５６（Pat. Abst
r. Jap. E-101、１９７９年３月３０日、３巻、３８
号）は、光補償器もしくは反射器および二色性染料を有
する液晶表示を開示している。さらに公知の電気光学的
液晶切換素子が、例えば、M. SchadtとF. Leenhouts、A
ppl. Phys. Lett.、５０巻、２３６頁以後、１９８７
年；T.J. SchefferとJ.Nehring、J. Appl. Phys.、５８
巻、３０２２頁以後、１９８５年；L. Phl.、G. Webe
r、R. Eidenschink、G. BaurおよびW. Fehrenbach、App
l. Phys. Lett.、３８巻、４９７頁以後、１９８１年；
およびM. SchadtとW. Helfrich、Appl. Phys. Lett.、
１８巻、１２７頁以後、１９７１年に開示されている。 【０００８】電気光学的液晶切換素子は、特に、以下の
ような液晶表示装置に用いられる。例えば、テレビセッ
ト、コンピュータ、流通センターなどの施設、この液晶
表示装置の映像スポットを変化させるすなわち映像スポ
ットの輝度および／または色を変化させる装置などの表
示スクリーンである。液晶ディスプレイと呼ばれる、す
でに公知で現在市販されている液晶表示装置の場合、視
角すなわち視角の範囲、すなわち液晶表示装置が発生し
た映像を実質の光学的な誤表示なしで見ることができる
角度範囲はかなり制限される。その理由は、映像のコン
トラストが視角に著しく強く依存しているからである。 【０００９】本願に開示した試験結果から分かるよう
に、公知の液晶表示装置のコントラストの視角に対する
この依存性は、液晶層に対して平行な配向と、液晶層に
対して垂直な配向との間の、液晶層の光軸の上記の再配
向が原因である。この発明の適用範囲内で行った試験
は、液晶切換素子の透光性つまりコントラストが視角に
著しく依存する原因が、かような再配向で行われる液晶
の変形であると決定するのに役立った。 【００１０】この発明によって、透光性つまりコントラ
ストの視角に対する依存性は、電気光学的液晶切換素子
を次のような方式でこの発明にしたがって製造すれば、
最初に述べた種類の、特に非強誘電性液晶を有する電気
光学的液晶切換素子では殆ど除去されることが見出され
たものである。すなわち（ａ）液晶はツイストし得る構
造を有し、液晶を通過する光の透過量はそのツイスト度
に依存し、（ｂ）液晶は、非ツイスト状態もしくはツイ
スト状態である初期の状態におけるアラインメントに固
定され、そのツイスト軸は液晶層に対して垂直のままか
または実質的に垂直のままであり、および（ｃ）主とし
て液晶層に対して平行に配列される再配向手段の電界成
分は、各種光透過度に調節するために、液晶のツイスト
度を、液晶層と平行もしくは実質的に平行にその光軸を
ツイストすることによって変化させることができる、と
いう方式である。 【００１１】この方法により、上記の再配向で起こる液
晶の不利な変形はほとんどなくなり、透光性とコントラ
ストは、特に視角と無関係になる。ツイスト軸が液晶層
に対して“実質的に”垂直のままであり、光軸が液晶層
と“実質的に”平行にツイストされているということ
は、プレチルト角α0 が０°〜３０°の範囲にあること
を意味し、この角は、液晶層と平行な面に対して、少な
くとも、電界発生構造に対面する液晶層の層面上の液晶
層の初期の状態におけるアラインメントから構成され
る。本願で用いる液晶層の初期の状態におけるアライン
メントという用語は、液晶層の初期配向状態における液
晶の分子軸の好ましい方向を意味する。 【００１２】この発明の液晶切換素子は、次のような方
式で作製するのが好ましい。すなわち、主として液晶層
と平行に配列される、再配向手段の電界成分は、特に最
大と最小の光透過率の間の範囲で光透過度を変える連続
的もしくは段階的な調節を行うために液晶のツイスト度
を連続的もしくは段階的に変化させるように、変えるこ
とができる。 【００１３】この発明の液晶切換素子の場合の透光性の
視角に対する依存性について本願に開示した試験結果か
ら分かるように、この発明の液晶切換素子の場合、公知
の液晶切換素子と比べて、その透光性は、もはやほとん
ど視角に依存しない。主として液晶層と平行に配列され
る電界成分を有する電界は、電界発生構造が、互いに平
行に延びかつ液晶層と平行な帯状もしくは線状の電極で
構成され、異なる電位差を交互に印加することによって
得ることができる。 【００１４】上記の電界発生構造の好ましい製造法は次
のとおりである。 （ａ）帯状もしくは線状の電極を、液晶層と平行な少な
くとも２つの面に交互に配列し、この２つの面は特に、
絶縁シート、薄いプレート、層などの２つの対向する面
で形成されているかまたは（ｂ）異なる電位差を印加さ
れた帯状もしくは線状の電極を同じ面にくし状状態で配
列し、この面は、特に液晶層に対面する面で形成され、
その面は液晶層を封じこめる基板または、この基板に用
いられる絶縁シート、薄いプレートもしくは層などの面
である。 【００１５】この発明による液晶切換素子の重要な特徴
点は、少なくとも電界発生構造に対面するその層面に、
液晶層の初期状態におけるアラインメントが液晶層と平
行な面と０°〜３０°の範囲のプレチルト角を有すると
いう点である。このことは、電界が、液晶の固定層に直
接隣接して加えられるときに、液晶の有利な変形性を得
るのに役立つ。そして、このことにより、液晶表示装置
のコントラストの視角に対する依存性が大幅に改善され
る。 【００１６】この発明の電気光学的液晶切換素子の更に
好ましい態様は、主として液晶層と平行に配列される電
界成分が、初期状態におけるそのアラインメントで電界
発生構造に対面するその層面上に液晶層がもっている好
ましい方向と０°より大で９０°より小さい配向角を形
成するものである。この態様において、一方では、隣接
する液晶切換素子間または素子領域内の異なる回転方向
によるドメインの生成が、防止され、他方では切換え期
間が短かくなり、応答速度が速くなる。その理由は、主
として液晶層と平行に伸びる電界成分と、電界発生構造
と対面する層面上の液晶層の初期状態におけるアライン
メントとが鋭角をなしているため、電界が切換えられる
と充分な量の明らかに方向の定まった初期トルクが生成
するからである。回転方向はこのトルクによって与えら
れるので、液晶切換素子は最短時間内で切換えられる。 【００１７】この液晶切換素子は次の方式で製造するこ
とが好ましい。すなわち（ａ）配向角は、液晶の誘電異
方性が正の場合７０°より大で９０°より小さく、また
は（ｂ）液晶が負の誘電異方性を有する場合、配向角は
２０°より小さく０°より大きい、という方式である。 【００１８】正の誘電異方性を有する液晶物質が用いら
れる場合、液晶の好ましい方向（ディレクタ）を、電界
の方向に回転させるトルクが誘発される。一方負の誘電
異方性を有する液晶物質が用いられる場合、電界の方向
に垂直な面内へ好ましい方向（ディレクタ）を回転させ
るトルクが誘発される。先に述べたように、電気光学的
特性と切換え時間について、配向角は、正のΔεの場合
｜７０°｜より小ではならず、負のΔεの場合｜２０°
｜より大でないほうがよい。 【００１９】液晶物質としては、負の誘電異方性Δεを
有する特に非強誘電性液晶物質が、この発明の液晶切換
素子に特に好ましい。というのは、液晶層と平行に配列
される成分に加えて、電界が液晶層に垂直に配列される
成分をもっている場合、上記液晶物質によって他の種類
のドメイン形成をなくすことができるからである（この
ことは通常実際に起こることである）。例えば、上記の
ことは、電界が（好ましくは、）帯状もしくは線状の電
極によって生じるときに起こる。というのは高い電界の
場合に有効な成分は、液晶層と平行もしくはほとんど平
行にのびる成分とともに液晶層に垂直にも存在するから
である。液晶物質が正のΔεをもっている場合、これ
は、高い電界の場合液晶の再配向をもたらし、高い電界
では、好ましい方向は液晶層の面から回転される。これ
にはドメインの形成が付随し、多くの場合望ましくない
ので、電気光学的特性の低い範囲だけが使用可能にな
る。負のΔεを有する物質の場合、この電界成分は、液
晶の好ましい方向を、液晶層の面内において回転させる
トルクを誘発する。したがって上記の再配向は防止さ
れ、その電気光学的特性のかなり大きな部分が使用可能
になる。 【００２０】液晶の初期配向状態については次のことが
好ましい。すなわち、（ａ）液晶は、初期配向状態にお
いて非ツイスト構造を有し、主として液晶層と平行に配
列した電界成分によってツイスト構造に再配向させるこ
とができ、そのツイスト構造においてツイスト軸は液晶
層に垂直であるか、または（ｂ）液晶は、ツイスト軸が
液晶層に対して垂直な初期配向状態においてツイスト構
造を有し、そのツイスト構造は、主として液晶層と平行
に配列された電界成分によって脱ツイストすることがで
きる。 【００２１】この発明の液晶切換素子の他の基本的構造
は次の方式で作るのが好ましい。すなわち（１） 偏光
子が、液晶層の一方の面側に設けられ、直接光モードで
電気光学的液晶切換素子を作動させ、アナライザが他方
の面側に設けられるか、または（２） 電気光学的液晶
切換素子を反射モードで作動させるために、偏光子／ア
ナライザが液晶層の一方の面側に設けられおよび反射器
が他方の面側に設けられる。 【００２２】この場合、複屈折光補償器を、液晶層と偏
光子の間に設けることができる。別のアナライザを前者
の場合に設ける場合、光補償器を、代わりに液晶層とア
ナライザの間に設けることができる。特に、液晶層は二
色性染料を含有していてもよく、偏光子は液晶層の少な
くとも一方の面側に設けることができる。この発明の液
晶切換素子は、その光透過度が液晶層の初期配向状態に
おいて、その最大値または最小値を有し、液晶層の再配
向された状態で他方の極値まで変えることができる方式
で作ることが好ましい。 【００２３】電気光学的表示装置の映像スポットの輝度
および／または色を変えるために、この発明の液晶切換
素子を使うことは特に好ましく、表示装置としては表示
スクリーンが好ましい。電気光学的表示装置の液晶切換
素子は、特に、トランジスタマトリックスか、または時
間多重使用法（Zeitmultiplexverfahren）、即ち時分割
駆動法による直接駆動手段で制御することができる。 【００２４】この発明の上記およびその外の利点と特徴
は、図１〜８を参照してこの発明の電気光学的液晶切換
素子の好ましい実施態様によって以下により詳細に説明
する。これらの図面はこの発明の電気光学的液晶切換素
子の好ましい実施態様の構造に関連する限り、例証を目
的とするものでこの発明を限定するものではない。 【００２５】図１はこの発明の電気光学的液晶切換素子
の実施態様の部分断面図を示す。その素子は好ましくは
電気光学的表示装置の映像スポットを形成し、表示装置
はこの映像スポットの輝度および／または色を制御し、
電気光学的表示装置の表示スクリーンは二次元マトリッ
クスの配列に集積された複数のかような液晶切換素子で
構成されている。 【００２６】図２は、直接光モード用の、この発明の電
気光学的液晶切換素子の実施態様の斜視図を示す。液晶
は配向の矢印だけで示し、個々の部分は分解図で示して
ある。図３は、反射モード用の、この発明の電気光学的
液晶切換素子の実施態様の斜視図を示す。液晶は配向の
矢印だけで示し、個々の部分は分解図で示してある。図
４は、この発明の他の実施態様の斜視図を示す。 【００２７】図５は、液晶層の初期状態のアラインメン
トと液晶層に平行な面とで形成されるプレチルト角
α0 、ならびに液晶を再配向する電界の、液晶層に平行
に配列された電界成分と液晶層が電界発生構造に対面す
るその層面上にもっている初期状態のアラインメントと
で形成される配向角β0 のダイアグラムを示す。図６
は、この発明の電気光学的液晶切換素子の代表的な実施
態様の場合の、垂直入射光の透過率を印加電圧の関数と
して示す、実験で測定した曲線を示す。図７は、この発
明の電気光学的液晶切換素子の代表的な実施態様の場合
の、計算によって決定した透過率の値を示す。またこの
図は、透過率したがってコントラストの視角に対する依
存性はこの電気光学的液晶切換素子ではほとんどなくな
っていることを示している。 【００２８】図８は、公知の電気光学的液晶切換素子で
あるいわゆるＴＮセルの場合の計算で決定された透過率
の値を示す。この図は、透過率の視角に対する依存性を
極座標で示すが、表示の目盛は図７と正確に同じであ
る。図８と図７を比較すると、公知の電気光学的液晶切
換素子の場合、透過率が視角に対して高度に依存してい
るが、これに比ベてこの発明の電気光学的液晶切換素子
の場合、透過率の視角に対する依存性は、大きな領域内
には事実上存在しないことを示している。 【００２９】この発明の好ましい実施態様について、ま
ず図１と図２を参照して以下に詳紬に説明する。図１
は、直接光モードの電気光学的液晶切換素子の実施態様
の、集積された状態の断面図を示し、図２は図１につい
て縮尺した同じ液晶切換素子の個々の部分の分解図であ
る。さらに、図２に示す下方の配向層と下方の絶縁層
は、説明のために図１と対照して平面層として示してあ
る。 【００３０】図１と図２に示す直接光モード用の電気光
学的液晶切換素子１は、図面に対応して下部基板および
上部基板として以後称呼する２つの基板３と４の間には
さまれた液晶層２で構成されている。またこれらの基板
は実際には各種の位置を採用できる。これらの基板３と
４としてはガラス基板が好ましいが、例えばプラスチッ
ク類のような他の適切な透明で好ましくは絶縁性の材料
でもよい。さらに、基板３と４は互いに平行な平面とし
て製造するのが好ましく、その結果、液晶層２は好まし
くは実質的に平面の層かまたは平面層である。 【００３１】液晶層２を、液晶切換素子の中で、初期状
態の予めきめられたアラインメントに保持するために、
液晶層は２つの基板３と４に直接隣接させずにむしろそ
れぞれ１つの配向層５と６に直接隣接させる。これら配
向層は、図面に対応して、今後下部配向層および上部配
向層と称呼する。上部配向層６は上部基板４に直接形成
される。一方電界発生構造７と任意に絶縁層８が、下部
基板３と下部配向層５の間に設けられ、その結果、電界
発生構造７、絶縁層８および下部配向層５は、この順に
下部基板３に形成される。 【００３２】電界発生構造７は、互いに平行にのびかつ
液晶層２と平行な帯状もしくは線状の電極９と１０で構
成されている。ここでは図１と図２に示すように、帯状
もしくは線状の電極９と帯状もしくは線状の電極１０と
が交互に設けられている。帯状もしくは線状の電極９は
帯状もしくは線状の電極１０に対して各種の電位差で接
続され、その結果、各々１つの電界が帯状もしくは線状
の電極９と１０の間に発生し、その電界は、主として液
晶層２に平行に配列された電界成分をもっている。例え
ば、図２に示すように、帯状もしくは線状の電極９は、
電圧源１１の一方の電極に接続され、帯状もしくは線状
の電極１０は、電圧源１１の一方の電極に接続される。
電圧源１１は、原理上直流電源として示してあり、原則
としてこのような直流電源であってもよいが、液晶層の
劣化と、これに伴う障害を回避するために、実際には交
流電圧源１１が用いられる。 【００３３】帯状もしくは線状の電極９と１０は、ここ
に示している液晶切換素子の実施態様の同じ平面すなわ
ち絶縁ベース層１２の表面上にくし状状態に形成される
がこの絶縁ベース層は基板３の表面で形成させてもよ
い。そして帯状もしくは線状の電極９は互いに電気的に
接続されて、横方向特に垂直方向にのびる帯状もしくは
線状の横電極によって第１くし構造を提供し、また帯状
もしくは線状の電極１０は互いに電気的に接続され、横
方向特に垂直方向にのびる帯状もしくは線状の横電極に
よって第２くし構造を提供し、さらにその２つのくし構
造は、図２と図３にとくに充分示しているようにかみ合
い状態で配置されている。 【００３４】上記の図に示されていない他の可能な構成
では、帯状もしくは線状の電極９が絶縁ベース層１２の
上面に配列され、一方帯状もしくは線状の電極１０が絶
縁ベース層１２の下面に配列され、またはその逆に配列
される。この場合、帯状もしくは線状の電極は、くし状
構造を必要とせずに、単純な平行の帯状体もしくは線状
体として作ることができる。 【００３５】さらに、図１と図２に示す液晶切換素子１
は、基板３の外部側に偏光子１５、および基板４の外部
側にアナライザ１６を備ている。光の通過方向によっ
て、偏光子とアナライザはいれかえてもよい。最後に、
光補償器１７が偏光子１５と基板３の間に設置される。
またこの光補償器１７は、かわりに、アナライザ１６と
基板４の間に配置してもよい。 【００３６】図３は反射モード用の電気光学的液晶切換
素子の実施態様の斜視図であり、個々の部分を分解図で
示してある。この素子１８は、その外側の設計が図１と
図２の液晶切換素子１と異なる。すなわち図１に示すア
ナライザ１６の代わりに反射器１９が設けられている点
だけが異なり、その反射器は、この実施態様では、例え
ばガラス基板の基板２０と、液晶層２に対面する基板２
０の面状に設けられた反射層２１とで構成されている。
この構造に対応して、残っている偏光子は同時にアナラ
イザであるので、図１と図２の偏光子と区別するため偏
光子／アナライザ２２と呼称する。 【００３７】反射モード用の電気光学的液晶切換素子の
他の実施態様を図４に示すが、この素子２８が図１と図
２の電気光学的液晶切換素子１と異なるのは、例えば図
１と図２の絶縁層８の代わりに誘電ミラー８ａが設けら
れ、かつ複屈折光補償器１７が任意に基板４とアナライ
ザ１６の間に設けられている点である。アナライザ／偏
光子２２はアナライザ１６として設けられており、偏光
子およびアナライザとして作動する。したがって図１と
図２の偏光子は省略される。この実施態様は次のような
特別な利点がある。すなわち図４に示すように、液晶層
２と、電極構造７及び基板３の組合せとの間に誘電ミラ
ー８ａが設けられる場合、電極構造７と基板３が透明で
なくてもよいという利点である。この場合、配向層５は
液晶層２と誘電ミラー８ａの間に位置している。また配
向層５は誘電ミラー８ａの構成部材であってもよい。ま
た電極構造７は、誘電ミラー８ａの上に、特にその液晶
層２に対面する側に設置することができる。 【００３８】さらに、液晶切換素子１８と２８の外側構
造が液晶切換素子１のそれと等しい場合は、図１と図２
と同じ参照番号を用いている。したがって繰返しを避け
るために図１と図２の対応する説明を参照する。液晶切
換素子１、１８および２８の内部構造について、すなわ
ち液晶層、配向層、偏光子、電界発生構造などのそれぞ
れのパラメータを用いてより詳細に説明する。これらの
パラメータはすべて液晶切換素子１、１８および２８を
作動させるのに重要である。これらパラメータは下記に
示しかつ図２ないし図４にできるだけ記載してある。 【００３９】以下のパラメータは、液晶切換素子の好ま
しい実施態様を、その物理的状態について説明するのに
用いる。β＝初期配向状態における液晶層２内の液晶の
ツイスト角、すなわち、基板３もしくは配向層５におけ
るディレクタと、基板４もしくは配向層６におけるディ
レクタとの間の角。 【００４０】β0 ＝液晶層と平行な面（ｘ，ｙ）上に配
列された電界成分の方向（ｙ）と、分子軸の好ましい方
向を上記（ｘ，ｙ）面に投影してできた方向とのなす
角。その電界成分は、電界発生構造７によって発生し、
その液晶層２は、その層面上に液晶層２の初期状態のア
ラインメントの分子軸を有し、液晶層は、電界発生構造
７に対面しすなわち配向層５の上にある。あるいは、こ
の角は、基板３もしくは配向層５におけるディレクタ
と、帯状もしくは線状の電極９、１０の面内のこれら電
極の長さ方向に対する法線との間の角に等しい。α0 ＝
液晶層２の層面上の液晶層２の初期状態におけるアライ
ンメント、および液晶層２に平行な面（ｘ，ｙ）とで形
成されるプレチルト角。液晶層の初期状態におけるアラ
インメントは、ここでは、液晶層の初期配向状態におけ
る液晶層２の分子軸の好ましい方向を意味すると解され
る。 【００４１】ψ＝基板３もしくは配向層５におけるディ
レクタと偏光子１５または偏光子／アナライザ２２の透
過方向との間の角。 ψ′＝基板３もしくは配向層５におけるディレクタと、
アナライザ１６の透過方向との間の角。 ｜ψ−ψ′｜＝偏光子およびアナライザの透過方向の間
の角。 ｄ＝液晶層２の厚み ε‖．ε⊥＝液晶のディレクタにそれぞれ平行および垂
直の比誘電率。 Δε＝液晶の誘電異方性＝ε‖とε⊥との差、すなわち
Δε＝ε‖−ε⊥ ｎo ，ｎe ＝各々液晶の常光屈折率と異常光屈折率 λ＝光の波長 Δｎ＝ｎe−ｎo 【００４２】 図２ないし図４の矢印２３と２７は液晶層
２の液晶分子の好ましい方向を示し、配向層５の好まし
い方向は特に矢印２３で示し、配向層６の好ましい方向
は特に矢印２７で示してある。一方矢印２４，２５およ
び２６は中間領域の好ましい方向を示し、液晶のツイス
トを旨く示すために記載してある。プレチルト角α0 と
配向角β0 は図５に示し、Ｘ軸とＹ軸は液晶層２と平行
に延びる面を定義する。一方Ｚ軸は液晶層２に垂直に延
び、すなわち液晶層の厚みの方向に相当する。Ｘ軸とＹ
軸は液晶層２の幅と長さの方向に相当する。 【００４３】下記の表１と表２はそれぞれ、直接光モー
ドと反射モードの好ましい初期状態を示し、この初期状
態は電界が電界発生構造７を通じて加えられていないと
きに存在する状態を意味すると解される。 【００４４】 【表１】 【００４５】 【表２】 【００４６】表に記載された記号について説明する。ｄ
×Δｎ／λ、α0 およびβ0 の値は範囲で示してある。記
号≧，≦および＞，＜で示される２つの値は各々２つの
範囲を示し、前者の２つの記号は限界値を含み後者の２
つは限界値を含まない。電気光学的液晶切換素子１、１
８もしくは２８が電気光学的表示装置の映像スポットの
輝度および／または色を変えるために用いられる場合、
図１、２または３それぞれの液晶切換素子１または１８
は単一の映像スポットを形成し、その結果、このような
液晶切換素子１、１８または２８が多数表示スクリーン
に組込まれる。基板、配向層、偏光子、アナライザと偏
光子／アナライザ、反射器、および光補償器はすべて、
図１〜４に説明のために個々の部品として示してあり、
各々、全映像スポットに対する好ましくは一体のコンポ
ーネントジョイントを形成し、一方個々の映像スポット
は各々それ自体の電界発生構造７を備えている。その電
界発生構造が図１〜４に示す種類のくし状構造のもので
ない場合、この電界発生構造は、電気光学的表示装置が
例えば時分割駆動法によって対応するしかたで交叉式で
制御されるとき、電気光学的表示装置の全領域を通じて
全体としてのびる帯状もしくは線状の電極で構成されて
いてもよい。 【００４７】液晶切替素子の好ましい数値は下記のとお
りであり、これは、液晶切換素子が電気光学的表示装置
の映像スポットとして使用される場合に特に当てはま
る。 液晶層の厚み：１μｍ〜１０μｍ １つの映像スポットに対応する電界発生構造の面積：辺
の長さが１０μｍ〜１ｍｍの正方形 隣接する帯状もしくは線状の電極間の距離：２μｍ〜５
０μｍ 最高コントラストの場合の隣接する帯状もしくは線状の
電極間の電圧：１ボルト〜８０ボルト 【００４８】偏光板、すなわち反射式液晶切換素子１８
または２８の前方の偏光子／アナライザ２２の利用は、
平行配置される偏光子１５、とアナライザ１６と等価で
ある（すなわち透過方向において、アナライザ１６は偏
光子１５と平行である）。偏光ビームスプリッター（Mc
Neille prism）と組合わせて反射式液晶切換素子１８ま
たは２８を使用することは、透過式液晶切換素子１の交
叉配置される偏光子１５、とアナライザ１６に相当す
る。この装置は特に、大形の光透過式投射器に適してい
る。 【００４９】上記の液晶切換素子１、１８および２８の
機能、とくにその光学的挙動は、計算器シミュレーショ
ンによって試験し、対応して作製した液晶切換素子につ
いて行った実験で確認された。これらの試験の結果を図
６と図７に示す。図８は、ＴＮ液晶切換素子、すなわち
ヘリカルネマチック液晶を有する公知の液晶切換素子で
行った比較試験の結果を示す。図６の試験結果に基づい
て、図１と図２によって設計された液晶切換素子は以下
の設計数値をもっている。 【００５０】 液晶層の厚み ＝６.９μｍ 誘電異方性 ＝−１.５ 光路長ｄ×Δｎ／λ ＝０.８６５ 初期ツイスト角 β ＝０° 配向角 β0 ＝５° プレチルト角 α0 ＝５° 偏光子とアナライザ間の角 ＝９０° 【００５１】次に図７と図８について説明する。これら
の図を比較すると、この発明の電気光学的液晶切換素子
の、公知の液晶切換素子を越える驚くべき特性を明確に
示している。ツェータ（THETA）の角は、観察方向およ
び液晶層に対する法線との間の角である。透過光の強度
は極座標表示の軸に示す。透過率は垂直プレチルトの約
２５％である。 【００５２】図１と図２の電気光学的液晶切換素子１に
おいて、配向層６と基板４は、例えば液晶ポリマーが用
いられる場合、任意に省略することができる。反射モー
ドの電気光学的液晶切換素子の実施態様は、対応して改
変することができる。それ故に、本願明細書および特許
請求の範囲で用いる“液晶”という用語には液晶ポリマ
ー類または他の液晶物質が含まれる。しかし、この発明
に用いられる液晶としては、限定されないが、ネマチッ
ク液晶類もしくはネマチック液晶ポリマー類が好まし
い。
【図１】 この発明の電気光学的液晶切換素子の実施態
様の部分断面図を示す。
様の部分断面図を示す。
【図２】 直接光モード用の、この発明の電気光学的液
晶切換素子の実施態様の斜視図を示す。液晶は配向の矢
印だけで示し、個々の部分は分解図で示してある。
晶切換素子の実施態様の斜視図を示す。液晶は配向の矢
印だけで示し、個々の部分は分解図で示してある。
【図３】 反射モード用の、この発明の電気光学的液晶
切換素子の実施態様の斜視図を示す。液晶は配向の矢印
だけで示し、個々の部分は分解図で示してある。
切換素子の実施態様の斜視図を示す。液晶は配向の矢印
だけで示し、個々の部分は分解図で示してある。
【図４】 この発明の他の実施態様の斜視図を示す。
【図５】 液晶の初期状態のアラインメントと液晶層に
平行な面で形成されるプレチルト角α0、ならびに液晶
を再配向する電界の液晶層に平行に配列された電界成分
と液晶層が電界発生構造に対面するその層面上にもって
いる初期状態のアラインメントとで形成される配向角β
0のダイアグラムを示す。
平行な面で形成されるプレチルト角α0、ならびに液晶
を再配向する電界の液晶層に平行に配列された電界成分
と液晶層が電界発生構造に対面するその層面上にもって
いる初期状態のアラインメントとで形成される配向角β
0のダイアグラムを示す。
【図６】 この発明の電気光学的液晶切換素子の代表的
な実施態様の場合の、垂直入射光の透過率を印加電圧の
関数として示す、実験で測定した曲線を示す。
な実施態様の場合の、垂直入射光の透過率を印加電圧の
関数として示す、実験で測定した曲線を示す。
【図７】 この発明の電気光学的液晶切換素子の代表的
な実施態様の場合の、計算によって決定した透過率の値
を示す。またこの図は、透過率したがってコントラスト
の視角に対する依存性はこの電気光学的液晶切換素子で
はほとんどなくなっていることを示している。
な実施態様の場合の、計算によって決定した透過率の値
を示す。またこの図は、透過率したがってコントラスト
の視角に対する依存性はこの電気光学的液晶切換素子で
はほとんどなくなっていることを示している。
【図８】 公知の電気光学的液晶切換素子であるいわゆ
るＴＮセルの場合の計算で決定された透過率の値を示
す。
るＴＮセルの場合の計算で決定された透過率の値を示
す。
１，１８，２８・・・液晶切換素子 ２・・・液晶
層 ３，４，２０・・・基板 ５，６・・・配向層
７・・・電界発生構造（電極構造） ８・・・絶
縁層 ８ａ・・・誘電ミラー ９，１０・・・電極 １１・・・電源 １２・
・・絶縁ベース層 １５・・・偏光子 １６・・・アナライザ １
７・・・光補償器 １９・・・反射器 ２１・・・反射層 ２２・
・・偏光子／アナライザ
層 ３，４，２０・・・基板 ５，６・・・配向層
７・・・電界発生構造（電極構造） ８・・・絶
縁層 ８ａ・・・誘電ミラー ９，１０・・・電極 １１・・・電源 １２・
・・絶縁ベース層 １５・・・偏光子 １６・・・アナライザ １
７・・・光補償器 １９・・・反射器 ２１・・・反射層 ２２・
・・偏光子／アナライザ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴンドシャイド，フリードリッヒ ドイツ国，Ｄ−7800 フライブルグ−テ ィーケン，エツマッテンストラッセ 24 (72)発明者 キーファー，ルドルフ ドイツ国，Ｄ−7801 フェルステッテ ン，イム ゴットザッカー 20 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/137 G02F 1/1343
Claims (21)
- 【請求項１】ツイスト可能な構造を有する液晶分子から
形成された液晶層を有し、該液晶層は、相互に対向する
一対の表面を有し、該表面とほぼ平行な成分を持つ電界
により映像を表示する液晶切換素子から構成される電気
光学的表示装置において、 液晶切換素子が、前記一対の表面のそれぞれの初期配向
方向がなすツイスト角βが０度±１５度の範囲内の方向
であり、該表面と平行な電界成分に対する配向角β０が
０度を越え、９０度未満であり、プレチルト角α０が０
度を超え、３０度未満である液晶分子を有することを特
徴とする、前記電気光学的表示装置。 - 【請求項２】液晶切換素子の構造が、（ａ）基板と、
（ｂ）液晶層表面とほぼ平行な成分を持つ電界を発生さ
せる電極構造とによって構成されていることを特徴とす
る、請求項１に記載の電気光学的表示装置。 - 【請求項３】液晶切換素子の構造が更に、（ｃ）液晶層
と光学的関係に位置する少なくとも一つの偏光子と、
（ｄ）電極構造に接続される電圧源とによって構成され
ていることを特徴とする、請求項２に記載の電気光学的
表示装置。 - 【請求項４】液晶切換素子の構造が更に、液晶分子に配
向角β０を与える（ｅ）配向層を有し、該配向層か、液
晶層の少なくとも一方の表面上に形成されていることを
特徴とする、請求項３に記載の電気光学的表示装置。 - 【請求項５】液晶層がネマチック液晶層であることを特
徴とする、請求項４に記載の電気光学的表示装置。 - 【請求項６】液晶層のΔｎ・ｄ／λの値が、０を越え４
未満であることを特徴とする、請求項５に記載の電気光
学的表示装置。 - 【請求項７】液晶分子のツイスト軸が、基板面に対し
て、実質的に垂直となっていることを特徴とする、請求
項６に記載の電気光学的表示装置。 - 【請求項８】液晶切換素子の映像スポット内において、
電極構造が、基板と液晶層との間に形成された、電極間
に間隙がある少なくとも一対の電極からなることを特徴
とする、請求項７に記載の電気光学的表示装置。 - 【請求項９】一対の電極が、各々線状又は帯状の形状と
なっており、その間に空間を形成して延在していること
を特徴とする、請求項８に記載の電気光学的表示装置。 - 【請求項１０】一対の電極間の間隙が、２μｍから５０
μｍの範囲内であることを特徴とする、請求項９に記載
の電気光学的表示装置。 - 【請求項１１】液晶層の厚みが、１μｍから１０μｍの
範囲内であることを特徴とする、請求項１０に記載の電
気光学的表示装置。 - 【請求項１２】複数の液晶切換素子の各々の映像スポッ
トの面積が、１０μｍ２から１ｍｍ２の範囲内であるこ
とを特徴とする、請求項１１に記載の電気光学的表示装
置。 - 【請求項１３】複数の液晶切換素子がマトリクス状に形
成され、時間多重使用法で制御されることを特徴とす
る、請求項１２に記載の電気光学的表示装置。 - 【請求項１４】電極構造を構成する複数の電極が、液晶
層の表面とほぼ平行な同一平面に形成され、異なる電位
を印加されることを特徴とする、請求項１３に記載の電
気光学的表示装置。 - 【請求項１５】複数の電極が、交互にかみ合う状態でく
し状状態に形成され、交互に異なる電位を印加されるこ
とを特徴とする、請求項１４に記載の電気光学的表示装
置。 - 【請求項１６】複数の液晶切換素子がマトリクス状に形
成され、更にアクティブマトリクスを有することを特徴
とする、請求項１５に記載の電気光学的表示装置。 - 【請求項１７】アクティブマトリクスが、トランジスタ
マトリクスであることを特徴とする、請求項１６に記載
の電気光学的表示装置。 - 【請求項１８】偏光子側の液晶層の表面の液晶分子の初
期配向方向と、偏光子の光透過方向とのなす角度が、約
０度であり、該偏光子の光透過方向とアナライザの光透
過方向とのなす角度が、約０度又は約９０度であること
を特徴とする、請求項１７に記載の電気光学的表示装
置。 - 【請求項１９】偏光子側の液晶層の表面の液晶分子の初
期配向方向と、偏光子の光透過方向とのなす角度が、約
９０度であり、該偏光子の光透過方向とアナライザの光
透過方向とのなす角度が、約０度又は約９０度であるこ
とを特徴とする、請求項１７に記載の電気光学的表示装
置。 - 【請求項２０】液晶層及び偏光子と光学的関係に位置す
る複屈折光補償器を更に有することを特徴とする、請求
項１７に記載の電気光学的表示装置。 - 【請求項２１】複数の液晶切換素子が、複数の映像スポ
ットの輝度および／または色を変化させることを特徴と
する、請求項２０に記載の電気光学的表示装置。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
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| JP3464570B2 (ja) * | 1995-08-21 | 2003-11-10 | 株式会社 日立ディスプレイズ | カラー液晶表示素子 |
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