JP5647875B2 - 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。

特許第２５１０１５０号公報（特許文献１）には、対向配置された一対の基板のそれぞれに施された配向処理の方向の組み合わせで規制される旋回方向とは逆の旋回方向に液晶分子を捻れ配向させることにより、電気光学特性を向上させた液晶表示装置が開示されている（先行例１）。

また、特開２００７−２９３２７８号公報（特許文献２）には、対向配置された一対の基板のそれぞれに施された配向処理の方向の組み合わせで規制される旋回方向（第１旋回方向）とは逆の旋回方向（第２旋回方向）に捻れるカイラル剤を添加しながらも、液晶分子を上述の第１旋回方向にねじれ配向させることによって液晶層内の歪みを増加させ、それによりしきい値電圧を低下させて低電圧駆動を可能とする液晶素子が開示されている（先行例２）。

また、特開２０１０−１８６０４５号公報（特許文献３）には、初期状態ではスプレイツイスト配向であるが縦電界を１回印加するとリバースツイスト配向で安定するリバースＴＮ（Reverse Twisted Nematic）型の液晶素子に関する技術が開示されている（先行例３）。

ところで、上記した先行例１の液晶表示装置は、逆ねじれの配向状態が不安定であり、液晶層に対して比較的高い電圧を印加することにより逆ねじれの配向状態を得ることは可能であるものの、時間経過とともに順ねじれの配向状態に遷移してしまうという不都合がある。また、先行例２の液晶素子は、上記したようにしきい値電圧を低下させるメリットがあるが、電圧をオフにするとすぐに（例えば数秒程度）順ねじれの配向状態に遷移してしまい、逆にしきい値電圧を高くしてしまうという不都合がある。また、いずれの先行例においても、順ねじれと逆ねじれの２つの配向状態を表示等の用途として積極的に利用することについては想定されていかなった。すなわち、双安定性を積極利用するために必要な構成、駆動方法等の技術思想についての開示、示唆は、ともに全く存在しなかった。特に、通常最も電力を消費するバックライトあるいはフロントライトを使用せずにすむ反射型の液晶素子において上記の双安定性を活用することは考えられていなかった。これについて本願発明者らが検討したところ、単に液晶セルの背面側に反射板を配置しただけでは反射率やコントラストの高い表示を得られないという不都合が見いだされた。

特許第２５１０１５０号公報 特開２００７−２９３２７８号公報 特開２０１０−１８６０４５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新規な反射型の液晶素子を提供することを目的の１つとする。
また、本発明に係る具体的態様は、新規な反射型の液晶素子を用い、低消費電力駆動が可能な液晶表示装置を提供することを他の目的の１つとする。

［１］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た第１基板及び第２基板と、（ｂ）前記第１基板の一面と前記第２基板の一面の間に設けられた液晶層と、（ｃ）少なくとも前記第１基板の外側に配置された偏光手段と、（ｄ）前記第２基板の外側に配置された反射板と、（ｅ）前記偏光手段と前記第１基板の間、又は前記第２基板と前記反射板の間、のいずれかに配置された光拡散手段と、（ｆ）前記液晶層に電圧を印加するための電圧印加手段と、を含み、（ｇ）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を第１方向へ捻れさせるように前記配向処理の方向を配置されており、（ｈ）前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１方向とは逆の第２方向に捻れさせる性質のカイラル材を含有しており、（ｉ）前記電圧印加手段は、前記第１基板に設けられた第１電極、前記第２基板に設けられ、前記第１電極と対向する第２電極、及び前記第２基板の前記第２電極の上側に絶縁層を介して設けられた櫛歯状の第３電極を有する、ことを特徴とする液晶素子である。
［２］本発明に係る他の態様の液晶素子は、（ａ）各々の一面に配向処理が施された第１基板及び第２基板と、（ｂ）前記第１基板の一面と前記第２基板の一面の間に設けられた液晶層と、（ｃ）少なくとも前記第１基板の外側に配置された偏光手段と、（ｄ）前記第２基板の一面側に配置された反射板と、（ｅ）前記偏光手段と前記第１基板の間に配置された光拡散手段と、（ｆ）前記液晶層に電圧を印加するための電圧印加手段と、を含み、（ｇ）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を第１方向へ捻れさせるように前記配向処理の方向を配置されており、（ｈ）前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１方向とは逆の第２方向に捻れさせる性質のカイラル材を含有しており、（ｉ）前記電圧印加手段は、前記第１基板に設けられた第１電極、前記第２基板に設けられ、前記第１電極と対向する第２電極、及び前記第２基板の前記第２電極の上側に絶縁層を介して設けられた櫛歯状の第３電極を有する、ことを特徴とする液晶素子である。

上記構成によれば、配向処理の方向の設定により定まる配向状態とカイラル材の作用によって生じる配向状態の遷移を利用し、反射率やコントラストなどの特性に優れ、かつ消費電力の極めて低い反射型の液晶素子が実現される。

上記の液晶素子においては、配向処理により生じるプレチルト角が２０°以上であることが好ましい。

上記の液晶素子においては、配向処理により決定される前記液晶層における液晶分子のツイスト角が４５°以上１１０°以下であることが好ましく、７０°±５°であることがさらに好ましい。

上記の液晶素子において、カイラル材は、液晶層の層厚とカイラルピッチの比が０．１以上０．２５未満となる量を添加されていることが好ましい。

上記の液晶素子における光拡散手段は、例えば、重ねて配置された複数の拡散板を有することも好ましい。

上記の液晶素子において、偏光手段は、例えば偏光板又は円偏光板である。

上記［２］の液晶素子においては、例えば、反射板が第２電極を兼ねてもよい。

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、液晶素子の双安定性（メモリー性）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、かつバックライトやフロントライトも基本的には必要としないので、低消費電力駆動が可能な液晶表示装置が得られる。

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ることが可能な電界について説明する模式的な断面図である。 ラビング方向と横電界の方向との関係を説明するための模式図である。 液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。 ラビング時の条件とプレチルト角との関係を示す図である。 実施例１の液晶素子の観察像を示す図である。 実施例１の液晶素子の光学特性（反射特性）の測定方法を示す図である。 実施例１の液晶素子の光学特性（反射特性）の測定時における偏光板などの配置状態を示す図である。 実施例１の液晶素子の反射特性の測定結果を示す図である。 実施例２の液晶素子の反射特性を測定した結果をまとめた図である。 実施例３の液晶素子の反射率およびコントラスト比とツイスト角との関係を示す図である。 実施例３の液晶素子の反射率およびコントラスト比とツイスト角との関係を示す図である。 実施例３の液晶素子の反射率およびコントラスト比とツイスト角と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°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ＴＮ型液晶素子の構成例を示す断面図である。図２（Ａ）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、１／４波長板６３および散乱板６４が配置され、第２基板５４の外側には第２偏光板６２および反射板６５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）。なお、第２偏光板６２は省略される場合もある。

１／４波長板（位相差板）６３は、第１偏光板６１と第１基板５１との間に配置されている。この１／４波長板６３と第１偏光板６１を組み合わせることにより全体として円偏光板として機能する。なお、１／４波長板６３は省略される場合もある。

散乱板（拡散板）６４は、液晶素子に入射する光を均一にするためのものである。図２（Ａ）に示す構成の液晶素子においては、散乱板６４は、第１偏光板６１と第１基板５１の間であって、１／４波長板６３よりも第１基板５１に近い側に配置されている。また、図２（Ｂ）に示すように、散乱板６４は第２基板５４の外側に配置されていてもよい。図示の例では、散乱板６４は、第２偏光板６２を挟んで第２基板５４の外側に配置されている。なお、散乱板６４は、複数枚の散乱板を重ねて構成されていてもよい。

反射板６５は、第２偏光板６２を挟んで第２基板５４の外側に配置されている。散乱板６４が第２基板５４側に設けられる場合には、反射板６５はこの散乱板６４と第２偏光板６２を挟んで第２基板５４の外側に配置される。

図３は、液晶層に対して各電極を用いて与えることが可能な電界について説明する模式的な断面図である。図３（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３（Ｂ）〜図３（Ｄ）は、第１〜第４電極の配置を断面で示した模式図である。図示のように、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３（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３（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３（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。

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モードが適しているといえる。

配向状態のスイッチングが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横に寝ているが、縦電界によってリバースツイスト状態になり、当該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。

図４は、ラビング方向と横電界の方向との関係を説明するための模式図である。各図中には、液晶素子の第３電極５８および第４電極５９、あるいはこれらと第２電極５５を組み合わせて発生させる電界の方向と、第１基板５１および第２基板５４のそれぞれにおけるラビング方向との対応関係が示されている。図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、電界方向とラビング方向とが略４５°に交差する場合を示している。図４（Ｃ）、図４（Ｄ）は、電界方向に対して一方のラビング方向が略直交、他方のラビング方向が略平行となる場合を示している。

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った。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４０００〜８０００Å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、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℃で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５００〜８００Å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０．４〜０．８ｍｍ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４５°〜１１０°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０．１以上０．２５未満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、１／４波長板６３、散乱板６４、反射板６５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ー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の光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、光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の光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、光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）
液晶素子の光学特性のプレチルト角への依存性を検証した。図６にラビング時の条件とプレチルト角（Pretilt angle）との関係を示す。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。焼成温度は１８０℃または２００℃とし、ラビング時の押し込み量は０．４ｍｍまたは０．８ｍｍとした（図中では押し込み量０．４ｍｍを「−０．４」と表記し、押し込み量０．８ｍｍを「−０．８」と表記している）。焼成温度を２００℃、押し込み量を０．８ｍｍとした場合には１０°のプレチルト角が得られた。また、焼成温度を１８０℃、押し込み量を０．８ｍｍとした場合には３５°のプレチルト角が得られ、焼成温度を１８０℃、押し込み量を０．４ｍｍとした場合には６２°のプレチルト角が得られた。第１基板５１と第２基板５４のそれぞれへのラビング処理の方向がなす角（ツイスト角φ）は７０°または９０°に設定した。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）。カイラル材の添加量は、ｄ／ｐ＝０．１８２となる量（φ＝９０°の場合）、またはｄ／ｐ＝０．１４３（φ＝７０°の場合）となる量にした。ツイスト角φが９０°の場合、第１偏光板６１と第２偏光板６２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た。ツイスト角φが７０°の場合、第１偏光板６１と第２偏光板６２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７は、実施例１の液晶素子の観察像を示す図である。図７（Ａ）は図６における高プレチルト（６２°）の条件で作製された液晶素子の観察像である。この液晶素子は、初期状態（スプレイツイスト状態）でも見た目に暗い状態であった。ラビング時の押し込み量が小さく、高プレチルト角になったため、液晶層６０の配向状態が垂直配向に近い状態になっているのではないかと考えられる。図７（Ｂ）は図６に示す中プレチルト（３５°）の条件で作製された液晶素子の観察像である。この液晶素子は、リバースツイスト状態で非常に暗い黒表示が見られた。図７（Ｃ）は図６に示す低プレチルト（１０°）の条件で作製された液晶素子の観察像である。スプレイツイスト状態とリバースツイスト状態の間で大きな透過率の差は見られなかった。

図７（Ｂ）に示した中プレチルトの液晶素子についてさらに検討を進めた結果、配向膜の形成条件として焼成条件が１５０℃から１８０℃で押し込み量が０．４〜０．８ｍｍの場合にこのような黒表示を示すことがわかった。このとき、プレチルト角を測定してみると２３°〜３５°程度のプレチルト角を示していることがわかった。一方、比較的暗い黒表示を示すに至らず、水色の表示を示す条件（低プレチルトの条件）の液晶素子についてさらに検討を進めた結果、プレチルト角は８°〜１５°程度であることがわかった。したがって、リバースツイスト配向におけるオフ状態で比較的暗い黒表示を示すためにはプレチルト角を２０°以上とすることが望ましいといえる。他方、高プレチルトの液晶素子では配向欠陥が出やすい傾向がある。このため、あまりプレチルト角を高くしすぎるのは望ましくないといえる。

上記のような特性を示す理由については完全には解明できていないが、リバースＴＮ型の液晶素子では、立ち下がり時（リバースツイスト状態）のしきい値が立ち上がり時（スプレイツイスト配向）より低くなる性質を持っており、特殊な条件によりしきい値が０Ｖより低くなったことに起因するものと考えられる。一般に、リバースツイスト状態では液晶層内部に界面のプレチ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略中央付近の液晶分子は基板平面に対して傾いた状態になる。一般に、リバースツイスト状態では界面のプレチルト角よりもバルクでの傾斜角の方が高くなる。このことは連続対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。本実施例の液晶素子では、プレチルト角を非常に高くすることにより液晶層の中央付近の液晶分子の傾き角を比較的高くしたことによる、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比較的暗い黒表示を得られるものと考えられる。

図８は、液晶素子の光学特性（反射特性）の測定方法を示す図である。図８（Ａ）に示すように、反射特性の視角依存性を測定する際には、液晶素子の正面（観測側）から見て１２時方向を基準（０°）とし、反時計回りに回転角を定めた。また、図８（Ｂ）に示すように、液晶素子の基板面の法線方向を基準（０°）とし、３０°傾けた方向から光源による光照射を行い、法線方向（または法線から傾いた方向）から反射光を受光した。

図９は、実施例１の液晶素子の光学特性（反射特性）の測定時における偏光板などの配置状態を示す図である。光学特性の測定時には、第１基板５１、第２基板５４および液晶層６０からなる液晶セル（LC Cell）の前面側に１／４波長板（λ／４ Plate）、散乱板（Scattering plate）および偏光板（Polarizer）を配置し、液晶セルの背面側に反射板（Reflecter）を配置した。ここでの反射板は銀フィルム、散乱板はヘイズ値４３−４５％のもの、位相差板は位相差が約１３７ｎｍのものをそれぞれ用いた。光源（Light source）は基板面法線から３０°の位置に配置し、受光素子（Photo detector）は基板面法線方向に配置した。なお、１／４波長板や散乱板の配置は一例であり、これに限らない。

図１０は、実施例１の液晶素子の反射特性の測定結果を示す図である。図示のように、プレチルト角（Pretilt Angle）が上がるにつれてコントラスト比（Contrast ratio）も向上する傾向が見られた。なお、反射率そのもの（絶対値）の比較では中プレチルト条件の液晶素子が良い値を示す。高プレチルト条件の液晶素子は上記のように配向欠陥（ラビング筋）が観察されてしまうため、好ましくないと判断した。

（実施例２）
次に、液晶素子の光学特性と散乱板の位置との関係を検証した。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）については上記した実施例１における中プレチルト角の条件とした。ツイスト角φは９０°と７０°の２種類に設定した。カイラル材の添加量はツイスト角に応じて変えた。具体的には、ツイスト角をφ＝９０°とする場合にはｄ／ｐが０．１５となるようにし、ツイスト角をφ＝７０°とする場合にはｄ／ｐが０．１２５となるようにした。

図１１は、実施例２の液晶素子の反射特性を測定した結果をまとめた図である。図１１（Ａ）は散乱板の枚数（２〜４枚）と反射率およびコントラスト比の関係を示す。図示のように散乱板の枚数により反射率およびコントラスト比に差が生じる。反射率の観点では散乱板の枚数が多いほど反射率が上昇する傾向が見られた。また、図示のようにコントラスト比については、今回の条件では散乱板を３枚としたときが最もよい値を示した。図１１（Ｂ）は散乱板の位置と反射特性との関係を示す。今回の条件では、散乱板を上（第１基板側に配置：図２（Ａ）参照）に配置した場合には視角依存性が少ないがコントラストが低くなり、反対に、散乱板を下（第２基板側に配置：図２（Ｂ）参照）に配置した場合には視角依存性が大きいがコントラスト比が高くなる傾向が見られた。したがって、液晶素子に求める製品特性等を考慮し、適宜、散乱板の枚数や位置を決めればよい。

（実施例３）
上記した実施例１、２を踏まえ、今回検証した条件の中において良好な光学特性が得られる条件で液晶素子を作製した。具体的には、プレチルト角については中プレチルトの条件を採用し（実施例１参照）、散乱板については３枚を用いて配置は上側とした（実施例２参照）。なお、ツイスト角φは４５°〜１１０°とした。

図１２は、反射率およびコントラスト比のツイスト角依存性を示す図である。なお、ここでの液晶素子は、Δｎ＝０．１３の液晶材料を用い、散乱板を上側に３枚配置し、１／４波長板を用いず、偏光板は上下にそれぞれ配置した。図１２に示すように、リバースツイスト状態における反射率（図中「Ｒ−ｔ」と表記）はツイスト角による依存性が強く、図１２におけるツイスト角が７０°を超えたあたりから（実質的なリバースツイスト状態におけるツイスト角でいうと１１０°を下回ったあたりから）反射率が高くなる傾向が見られた。これに対して、スプレイツイスト状態における反射率（図中「Ｓ−ｔ」と表記）はツイスト角に対する依存性が弱い。このため、コントラスト比もツイスト角に対する依存性がみられ、ツイスト角が７０°±５°の付近でコントラスト比が最もよい値を示している。

図１３は、反射率およびコントラスト比のツイスト角依存性を示す図である。なお、ここでの液晶素子は、Δｎ＝０．０６６の液晶材料を用い、散乱板を上側に３枚配置し、偏光板は上のみに配置し、かつ当該偏光板に隣接して１／４波長板を配置した（すなわち円偏光板として機能するようにした）。図１３に示すように、リバースツイスト状態における反射率（図中「Ｒ−ｔ」と表記）とスプレイツイスト状態における反射率（図中「Ｓ−ｔ」と表記）の間には反射率の値に十分な差がある。ツイスト角依存性の結果より、図１３におけるツイスト角７０°のときにコントラスト比が最も高く、スプレイツイスト状態（白表示）の反射率も高く、明るくくっきりした反射表示を実現できることがわかる。Δｎが０．０６６の場合でも、構成の最適化（散乱板、偏光板の条件）により優れた反射表示が可能になる。

図１４は、反射率およびコントラスト比のツイスト角依存性を示す図である。なお、ここでの液晶素子は、Δｎ＝０．０８０の液晶材料を用い、散乱板を上側に３枚配置し、偏光板は上のみに配置し、かつ当該偏光板に隣接して１／４波長板を配置した（すなわち円偏光板として機能するようにした）。図１４に示すように、リバースツイスト状態における反射率（図中「Ｒ−ｔ」と表記）はツイスト角に対する依存性が強く、図１４におけるツイスト角の上昇（実質的なリバースツイスト状態におけるツイスト角は小さくなる）とともに反射率が高くなる傾向が見られた。これに対して、スプレイツイスト状態における反射率（図中「Ｓ−ｔ」と表記）はツイスト角に対する依存性が弱い。このため、コントラスト比はツイスト角に対する依存性がみられ、ツイスト角が６０°〜６５°の付近でコントラスト比が最もよい値を示している。

以上のように、本実施形態並びに各実施例によれば、明表示の反射率が高くコントラストも高い反射型の双安定性リバースＴＮ型の液晶素子を実現することができる。特に暗表示が暗くはっきりとした表示を行いやすい利点がある。また、明表示と暗表示を切り替えるとき以外は電力を必要としないので、極めて低い消費電力での駆動が可能である。

また、メモリー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ため、ＴＦＴ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。

また、このような双安定性リバースＴＮ型の液晶素子の製造工程は、基本的には一般的なＴＮ型液晶素子の製造工程と共通しているため、コストアップの要因は少なく、一般的なＴＮ型液晶素子と同様に安価に製造が可能である。

なお、本発明は上述した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、反射板は第２電極と兼用してもよい。この場合には、アルミニウム膜などの金属膜によって第２電極を構成すればよい。この場合、偏光板は第１基板側の第１偏光板のみとして第２偏光板を省略し、かつ散乱板も第１基板側へ配置すればよい。この構成であれば反射表示の視差が少なくなるというメリットもある。また、上記した実施形態等では特段に言及しなかったが、夜間表示用にはフロントライトを組み合わせてもよい。もしくは、反射板を半透過型の反射板としてバックライトを配置してもよい。

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
６０：液晶層
６１：第１偏光板
６２：第２偏光板
６３：１／４波長板
６４：散乱板
６５：反射板
７１、７２、７３：ドライバー
７４：画素部
Ａ１〜Ａｎ、Ｂ１〜Ｂｍ、Ｃ１〜Ｃｎ、Ｄ１〜Ｄｎ：制御線

Claims (9)

1. 各々の一面に配向処理が施された第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の一面と前記第２基板の一面の間に設けられた液晶層と、
   少なくとも前記第１基板の外側に配置された偏光手段と、
   前記第２基板の外側に配置された反射板と、
   前記偏光手段と前記第１基板の間、又は前記第２基板と前記反射板の間、のいずれかに配置された光拡散手段と、
   前記液晶層に電圧を印加するための電圧印加手段と、
   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を第１方向へ捻れさせるように前記配向処理の方向を配置されており、
   前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１方向とは逆の第２方向に捻れさせる性質のカイラル材を含有しており、
   前記電圧印加手段は、前記第１基板に設けられた第１電極、前記第２基板に設けられ、前記第１電極と対向する第２電極、及び前記第２基板の前記第２電極の上側に絶縁層を介して設けられた櫛歯状の第３電極を有する、
   液晶素子。
2. 各々の一面に配向処理が施された第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板の一面と前記第２基板の一面の間に設けられた液晶層と、
   少なくとも前記第１基板の外側に配置された偏光手段と、
   前記第２基板の一面側に配置された反射板と、
   前記偏光手段と前記第１基板の間に配置された光拡散手段と、
   前記液晶層に電圧を印加するための電圧印加手段と、
   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を第１方向へ捻れさせるように前記配向処理の方向を配置されており、
   前記液晶層は、前記液晶分子を前記第１方向とは逆の第２方向に捻れさせる性質のカイラル材を含有しており、
   前記電圧印加手段は、前記第１基板に設けられた第１電極、前記第２基板に設けられ、前記第１電極と対向する第２電極、及び前記第２基板の前記第２電極の上側に絶縁層を介して設けられた櫛歯状の第３電極を有する、
   液晶素子。
3. 前記配向処理により生じるプレチルト角が２０°以上である、
   請求項１又は２に記載の液晶素子。
4. 前記配向処理により決定される前記液晶層における液晶分子のツイスト角が４５°以上１１０°以下である、
   請求項１又は２に記載の液晶素子。
5. 前記カイラル材は、前記液晶層の層厚とカイラルピッチの比が０．１以上０．２５未満となる量を添加された、
   請求項１又は２に記載の液晶素子。
6. 前記光拡散手段が重ねて配置された複数の拡散板を有する、
   請求項１又は２に記載の液晶素子。
7. 前記偏光手段が偏光板又は円偏光板である、
   請求項１又は２に記載の液晶素子。
8. 前記反射板が前記第２電極を兼ねる、
   請求項２に記載の液晶素子。
9. 複数の画素部を備え、当該複数の画素部の各々が請求項１〜８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。
   

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