(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶層と、前記液晶層を挟持するように設けられた一対の基板と、マトリクス状に配列された複数の画素とを有し、
前記液晶層は、らせん構造を有し、印加電圧に応じて少なくともプレーナー状態およびフォーカルコニック状態の２つの安定な状態を呈し、
前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記液晶層の厚さｄは連続的に変化し、且つ、前記液晶層はプレーナー状態からフォーカルコニック状態へ転移させる第１しきい値電圧の値が互いに異なる複数の領域を有する液晶表示素子。
【請求項２】
前記液晶層の厚さｄは、前記らせん構造のらせんピッチＰと、１＜ｄ／Ｐ＜１５の関係を満足する請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記液晶層の厚さｄの値がもっとも大きい領域に含まれる前記液晶層をプレーナー状態からフォーカルコニック状態に転移させる前記第１しきい値電圧をＶｔｈＦｍａｘとし、前記液晶層の厚さｄの値がもっとも小さい領域に含まれる前記液晶層をフォーカルコニック状態からホメオトロピック状態に転移させる第２しきい値電圧をＶｔｈＨｍｉｎとするとき、
前記液晶層の厚さｄは、ＶｔｈＦｍａｘがＶｔｈＨｍｉｎよりも小さくなるように規定されている請求項１または２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】
前記一対の基板の前記液晶層側に設けられた一対の配向層を有し、
前記一対の配向層のうち、一方は水平配向層であり、他方は垂直配向層である請求項１から３のいずれか１つに記載の液晶表示素子。
【請求項５】
前記一対の基板の少なくとも一方が、前記液晶層側に凹凸状の表面を有する請求項１から４のいずれか１つに記載の液晶表示素子。
【請求項６】
前記一対の基板の両方が、前記液晶層側に凹凸状の表面を有する請求項１から５のいずれか１つに記載の液晶表示素子。
【請求項７】
前記一対の基板の少なくとも一方は、前記液晶層側の表面が連続する波状に形成されている請求項１から６のいずれか１つに記載の液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子に関し、特に、らせん構造を有する液晶層を備えた液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示素子は、薄型で低消費電力であるという特徴を生かして、ワードプロセッサやパーソナルコンピュータなどのＯＡ機器、電子手帳などの携帯情報機器、あるいは液晶モニターを備えたカメラ一体型ＶＴＲなどに広く用いられている。特に、反射型液晶表示素子は、携帯性や低消費電力性に優れるだけでなく、屋外での使用にも有利であることから、最近活発に開発されている。
【０００３】
しかしながら、このように多くの利点を有しているものの、現在実用化されている反射型液晶表示素子は、その反射率（入射光強度に対する反射光強度の比）が低く、周囲光が比較的暗い場合には、視認性が極端に低下するという問題点を有している。
【０００４】
このように反射率が低いことの主要因としては、現在実用化されている反射型液晶表示素子は何れの方式においても偏光子を一枚あるいは二枚用いる構成となっているために、入射光の５０％以上がこれらの偏光子により吸収されて表示に利用されることなく損失してしまっている、ということが挙げられる。
【０００５】
そこで、偏光子を使用しない反射型液晶表示素子として、特定の波長領域の光を選択的に反射する液晶層（コレステリック液晶層などのらせん構造を有する液晶層）を備えた反射型液晶表示素子が提案されている。
【０００６】
コレステリック液晶層がそのらせんピッチに対応した波長の光を選択的に反射する現象は、例えば、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．７巻９号１７２９ページ（１９６８年）、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．５巻９号５７７ページ（１９７０年）等の文献に記載されている。
【０００７】
例えば、右巻きのコレステリック液晶層は、ｎｏ・ｐ＜λ＜ｎｅ・ｐの範囲の波長λをもつ右回りの円偏光（右円偏光）のみを選択的に反射し、それ以外の波長の右回りの円偏光や全ての波長の左回りの円偏光（左円偏光）は透過する。ここで、ｎｏおよびｎｅは液晶層の常光および異常光に対する屈折率、ｐは螺旋ピッチ、λは反射波長である。また、このときの反射中心波長λｍは、液晶層の平均屈折率をｎａとすれば、λｍ＝ｎａ・ｐで表される。一方、左巻きのコレステリック液晶層は、上述した右巻きの場合とは逆に、特定の波長領域の左回りの円偏光のみを選択的に反射する。
【０００８】
このように特定の波長領域の光を選択的に反射する液晶層としては、既に挙げたコレステリック液晶層の他に、通常のネマチック液晶材料に光学的に活性なカイラル剤を添加したカイラルネマチック液晶層や、カイラルスメクチック液晶層等が挙げられる。なお、コレステリック液晶層が一般的に雰囲気または紫外線による刺激に対し不安定で信頼性が低いのに対して、カイラルネマチック液晶層は耐光性に優れ、安定であるとともに、らせんピッチの調節が比較的容易であり、選択的に反射する波長領域（以下、「選択反射領域」と記す。）の幅の調節もしやすく材料選択の幅が広いため、実用には一般的にカイラルネマチック液晶層が使用される。
【０００９】
これらの液晶層を備えた液晶表示素子においては、液晶層に電圧が印加されることによって、液晶層の配向状態が次のように変化する。まず、電圧が印加されていないときには、液晶層はらせん軸が基板に対して垂直なプレーナー状態である。そして、所定のしきい値を超える電圧が印加されると、液晶層はらせん軸が基板に対してランダム（あるいはほぼ平行）なフォーカルコニック状態となる。
【００１０】
上述の液晶層は、可視光領域に選択反射領域を有する場合には、プレーナー状態では可視光を反射し、フォーカルコニック状態では可視光を透過する。従って、上述の液晶層を備えた液晶表示素子は、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦによって液晶層の光学特性を選択反射と透過とに切り替えて表示を行う反射型液晶表示素子として機能する。
【００１１】
また、上述の液晶層は、可視光領域に選択反射領域を有しない場合、例えば、赤外領域に選択反射領域を有する場合には、プレーナー状態では可視光を透過し、フォーカルコニック状態では可視光を散乱する。従って、上述の液晶層を備えた液晶表示素子は、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦによって液晶層の光学特性を透過と散乱とに切り替えて表示を行う反射型液晶表示素子として機能する。
【００１２】
さらに、上述の液晶層は、プレーナー状態およびフォーカルコニック状態の両方の状態で安定である。このような双安定性を有しているために、上述の液晶層はメモリー性を有しており、書き込み時に印加された電圧による配向状態が、電圧が除去された後にも維持される。
【００１３】
しかしながら、上述の液晶表示素子においては、プレーナー状態とフォーカルコニック状態との中間の状態を安定に制御することは難しく、中間調表示や多階調表示を行うことが困難であるという問題がある。
【００１４】
この問題を解決するために、特開平１０−３０７２８８号公報は、画素領域内に複数の樹脂壁を形成し、樹脂壁の密度、配列ピッチおよび形状の少なくとも一つが互いに異なる複数の領域を画素ごとに設ける方法を開示している。
【００１５】
この公報に開示されている液晶表示素子においては、画素領域内に樹脂壁が形成されているので、液晶分子の動きは樹脂壁との相互作用により制限される。従って、樹脂壁の密度、配列ピッチまたは形状が互いに異なる複数の領域では、樹脂壁との相互作用により液晶分子の動きが制限される程度がそれぞれ異なる。
【００１６】
その結果、上述の公報に開示されている液晶表示素子においては、実質的なしきい値電圧が互いに異なる複数の領域が画素ごとに存在し、そのことによって中間調表示や多階調表示を行うことが可能となる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−３０７２８８号公報に開示されている液晶表示素子においては、光重合反応および相分離過程を経て樹脂壁を形成するので、製造工程が複雑になるという問題がある。また、画素領域内に樹脂壁が形成されているので、開口率が低下し、コントラスト比が低下するという問題もある。
【００１８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、中間調表示および多階調表示が可能な液晶表示素子を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明による液晶表示素子は、液晶層と、前記液晶層を挟持するように設けられた一対の基板と、マトリクス状に配列された複数の画素とを有し、前記液晶層は、らせん構造を有し、印加電圧に応じて少なくともプレーナー状態およびフォーカルコニック状態の２つの安定な状態を呈し、前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記液晶層の厚さｄは連続的に変化し、且つ、前記液晶層はプレーナー状態からフォーカルコニック状態へ転移させる第１しきい値電圧の値が互いに異なる複数の領域を有し、そのことによって上記目的が達成される。
【００２０】
前記液晶層の厚さｄは、前記らせん構造のらせんピッチＰと、１＜ｄ／Ｐ＜１５の関係を満足することが好ましい。
【００２１】
前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記液晶層の厚さｄの値がもっとも大きい領域に含まれる前記液晶層をプレーナー状態からフォーカルコニック状態に転移させる前記第１しきい値電圧をＶｔｈＦｍａｘとし、前記液晶層の厚さｄの値がもっとも小さい領域に含まれる前記液晶層をフォーカルコニック状態からホメオトロピック状態に転移させる第２しきい値電圧をＶｔｈＨｍｉｎとするとき、前記液晶層の厚さｄは、ＶｔｈＦｍａｘがＶｔｈＨｍｉｎよりも小さくなるように規定されていることが好ましい。
【００２２】
前記一対の基板の前記液晶層側に設けられた一対の配向層を有し、前記一対の配向層のうち、一方は水平配向層であり、他方は垂直配向層である構成を有することが好ましい。
【００２３】
前記一対の基板の少なくとも一方が、前記液晶層側に凹凸状の表面を有していてもよい。
【００２４】
前記一対の基板の両方が、前記液晶層側に凹凸状の表面を有することが好ましい。
【００２５】
前記一対の基板の少なくとも一方は、前記液晶層側の表面が連続する波状に形成されていることが好ましい。
【００２６】
以下、本発明の作用を説明する。
【００２７】
本発明の液晶表示素子においては、複数の画素のそれぞれにおいて、液晶層の厚さｄは連続的に変化し、且つ、液晶層はプレーナー状態からフォーカルコニック状態へ転移させる第１しきい値電圧の値が互いに異なる複数の領域を有しているので、液晶層に所定の電圧を印加することによって、画素内のある領域に含まれる液晶層はプレーナー状態のままで、同じ画素内の他の領域に含まれる液晶層をフォーカルコニック状態に転移させることが可能になる。その結果、らせん構造を有し、印加電圧に応じて少なくともプレーナー状態およびフォーカルコニック状態の２つの安定な状態（双安定性）を呈する液晶層を用いて、面積階調法による中間調表示及び多階調表示が可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による実施形態の液晶表示素子を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
（参考例１）
図１に本発明による参考例１の液晶表示素子１００を模式的に示す。液晶表示素子１００においては、複数の画素がマトリクス状に配列されており、図１は、液晶表示素子１００の１画素に対応する部分を模式的に示す断面図である。
【００２９】
液晶表示素子１００は、液晶層３０と、液晶層３０を挟持するように設けられた第１基板１０および第２基板２０とを有しており、第２基板２０側から入射する外光を用いて表示を行う反射型液晶表示素子である。
【００３０】
第１基板１０は、絶縁性基板１１上に階段状に形成された樹脂層１２ａと、樹脂層１２ａを覆うように形成された画素電極１３と、画素電極１３上に形成された配向層１４とを有している。
【００３１】
第１基板１０と対向するように設けられた第２基板２０は、透明基板２１上に形成された対向電極２３と、対向電極２３上に形成された配向層２４とを有している。
【００３２】
液晶層３０としては、らせん構造を有する液晶層である、コレステリック液晶層、カイラルネマチック液晶層またはカイラルスメクチック液晶層を用いることができる。本参考例においては、液晶層３０として、耐光性、安定性、らせんピッチの調節の容易さ、選択反射領域の幅の調節の容易さおよび材料選択の幅の広さの観点から、カイラルネマチック液晶層を用いる。勿論、コレステリック液晶層またはカイラルスメクチック液晶層を用いてもよい。
【００３３】
この液晶層３０は、らせん軸が基板に対して垂直なプレーナー状態と、らせん軸が基板に対してランダム（あるいはほぼ平行）なフォーカルコニック状態との２つの安定な状態を呈し、所定の第１しきい値電圧以上の電圧が印加されることによってプレーナー状態からフォーカルコニック状態に転移する。液晶層３０は、プレーナー状態およびフォーカルコニック状態の両方の状態で安定（双安定）である。このような双安定性を有しているために、上述の液晶層３０はメモリー性を有しており、書き込み時に印加された電圧による配向状態が、電圧が除去された後にも維持される。
【００３４】
また、液晶層３０は、プレーナー状態を呈しているときとフォーカルコニック状態を呈しているときとでは、光学特性が異なる。具体的には、例えば、プレーナー状態における液晶層３０の選択反射領域を可視光領域に設定すると、液晶層３０はプレーナー状態では可視光を選択反射し、フォーカルコニック状態では可視光を透過する。また、液晶層３０の選択反射領域を赤外領域に設定すると、液晶層３０はプレーナー状態では可視光を透過し、フォーカルコニック状態では可視光を散乱する。
【００３５】
本発明による液晶表示素子１００においては、複数の画素のそれぞれにおいて、液晶層３０の厚さｄは互いに異なる複数の値を有し、且つ、液晶層３０はプレーナー状態からフォーカルコニック状態へ転移させる第１しきい値電圧の値が互いに異なる複数の領域を有しているので、液晶層に所定の電圧を印加することによって、画素内のある領域に含まれる液晶層はプレーナー状態のままで、同じ画素内の他の領域に含まれる液晶層をフォーカルコニック状態に転移させることが可能になる。その結果、面積階調法による中間調表示及び多階調表示が可能となる。
以下に、さらに詳しく説明する。
【００３６】
液晶層３０をプレーナー状態からフォーカルコニック状態に転移させる第１しきい値電圧の値は、液晶層３０の厚さｄに応じた大きさを有することが本願発明者によって実験的に確認されている。より厳密には、この第１しきい値電圧の値は、液晶層３０が有するらせん構造のらせんピッチをＰとした場合に、らせん旋回数ｄ／Ｐの値が大きくなるにつれて大きくなり、第１しきい値電圧をＶｔｈＦとすると、ＶｔｈＦ＝ａ・（ｄ／Ｐ）＋ｂで表される。ここで、ａおよびｂは、液晶材料や配向処理等による定数である。
【００３７】
本発明による液晶表示素子１００においては、図１に示すように、液晶層３０は、１画素内に、厚さが互いに異なる領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４を有しており、領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４における液晶層３０の厚さｄA1、ｄA2、ｄA3およびｄA4は、ｄA1＜ｄA2＜ｄA3＜ｄA4の関係を満足している。
【００３８】
さらに、領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４における第１しきい値電圧をそれぞれＶｔｈＦA1、ＶｔｈＦA2、ＶｔｈＦA3およびＶｔｈＦA4とすると、ＶｔｈＦA1＜ＶｔｈＦA2＜ＶｔｈＦA3＜ＶｔｈＦA4の関係を満足するように、液晶層の厚さｄ1、ｄ2、ｄ3およびｄ4は規定されている。
【００３９】
上述のように第１しきい値電圧が互いに異なる複数の領域を有する液晶層３０は、印加された電圧に応じて、その配向状態が以下のように変化する。
【００４０】
まず、液晶層３０に電圧が印加されていないとき（ＶｔｈA1未満の電圧が印加されている場合を含む）は、画素内の全ての領域の液晶層３０は、プレーナー状態である。
【００４１】
次に、液晶層３０にＶｔｈA1以上ＶｔｈA2未満の電圧が印加されたときは、図２に示すように、領域Ａ１に含まれる液晶層３０は、プレーナー状態からフォーカルコニック状態に転移する。なお、図２は液晶表示素子１００の画素内の液晶分子の配向状態を模式的に示す図である。一方、領域Ａ２、Ａ３およびＡ４に含まれる液晶層３０は、図２に示したように、プレーナー状態のままである。
【００４２】
さらに、液晶層３０にＶｔｈA2以上ＶｔｈA3未満の電圧が印加されたときは、領域Ａ１およびＡ２に含まれる液晶層３０がフォーカルコニック状態に転移し、領域Ａ３およびＡ４に含まれる液晶層３０はプレーナー状態のままである。
【００４３】
また、液晶層３０にＶｔｈA3以上ＶｔｈA4未満の電圧が印加されたときは、領域Ａ１、Ａ２およびＡ３に含まれる液晶層３０がフォーカルコニック状態に転移し、領域Ａ４に含まれる液晶層３０はプレーナー状態のままである。
【００４４】
そして、液晶層３０にＶｔｈA4以上の電圧が印加されたときは、画素内の全ての領域の液晶層３０がフォーカルコニック状態に転移する。
【００４５】
このように、本発明による液晶表示素子１００においては、ある画素に含まれる液晶層３０に所定の電圧を印加することによって、この画素内のある領域に含まれる液晶層３０はプレーナー状態のままで、この画素内の他の領域に含まれる液晶層３０をフォーカルコニック状態に転移させることができる。
【００４６】
従って、この画素における可視光領域の光に対する反射率（以下、「可視光領域の光に対する反射率」を単に「反射率」と記す。）を、画素内の全ての領域の液晶層がプレーナー状態であるときの反射率の値と、画素内の全ての領域の液晶層がフォーカルコニック状態であるときの反射率の値との間の値にすることが可能となるとともに、液晶層３０に印加する電圧の大きさを制御し、プレーナー状態を呈している領域とフォーカルコニック状態を呈している領域との面積比を変化させることによって、上述の反射率を制御することが可能となる。その結果、面積階調法による中間調表示および多階調表示が可能となる。
【００４７】
液晶表示素子１００は、例えば、以下のようにして製造される。
【００４８】
まず、図３（ａ）に示すように、絶縁性基板（例えば、ガラス基板）１１上に、第１樹脂層１６となるポジ型感光性樹脂（例えば、東京応化工業社製ＯＦＰＲ−８００）１５をスピンコート法により所望の厚さに塗布する。次に、フォトマスク４０を図３（ｂ）に示すように配置して露光を行う。このフォトマスク４０の遮光部の形状は、所望する第１樹脂層１６の形状（基板法線方向から見た形状）に応じて適宜決定すればよく、典型的には円形または多角形である。続いて、現像液（例えば、東京応化工業社製ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド））を用いて現像を行い、その後、約２００℃で約１時間焼成を行うことによって、図３（ｃ）に示すように第１樹脂層１６が得られる。本参考例においては、第１樹脂層１６が約３μｍの厚さを有するように形成する。
【００４９】
次に、この第１樹脂層１６上に、同様の方法を用いて第２樹脂層１７および第３樹脂層１８を積層することによって、階段状の樹脂層１２ａが得られる。本参考例においては、第２樹脂層１７および第３樹脂層１８がそれぞれ約３μｍの厚さを有するように形成する。第１樹脂層１６、第２樹脂層１７および第３樹脂層１８のそれぞれの形状（基板法線方向から見た形状）は、適宜決定すればよく、典型的には円形または多角形である。なお、本参考例においては、ポジ型感光性樹脂を用いて樹脂層１２ａを形成するが、勿論、ネガ型感光性樹脂を用いてもよい。
【００５０】
続いて、樹脂層１２ａを覆うように絶縁性基板１１上に画素電極（例えばＩＴＯ層）１３を、スパッタリング法により厚さが約１００ｎｍとなるように形成する。その後、水平配向層（例えば、ＪＳＲ社製オプトマーＡＬ−４５５２）１４をスピンコート法により厚さが約５０ｎｍとなるように形成し、この水平配向層１４にラビング処理を施す。上述のようにして、第１基板１０が得られる。
【００５１】
次に、以下のようにして第２基板２０を製造する。まず、透明基板（例えば、ガラス基板）２１上に対向電極（例えばＩＴＯ層）２３をスパッタリング法により厚さが約１００ｎｍとなるように形成する。その後、対向電極２３上に水平配向層（例えば、ＪＳＲ社製オプトマーＡＬ−４５５２）２４をスピンコート法により厚さが約５０ｎｍとなるように形成し、この水平配向層２４にラビング処理を施す。このようにして、第２基板２０が得られる。
【００５２】
続いて、第１基板１０の樹脂層１２ａが形成されていない領域にスペーサーを配置し、第１基板１０と第２基板２０とを貼り合わせる。本参考例においては、樹脂層１２ａが形成されていない領域におけるセルギャップが約１５μｍとなるように貼り合わせる。
【００５３】
その後、貼り合わされた第１基板１０と第２基板２０との間に、液晶材料を注入し、液晶層３０を形成する。液晶層３０の材料としては、本参考例においては、ネマチック液晶材料Ｅ７（メルク社製）にカイラル剤Ｓ−８１１（メルク社製）を約８．９ｗｔ％混合し、らせん構造の自発的ならせんピッチが約１．１μｍとなり、選択反射領域が赤外領域となるように設定したカイラルネマチック液晶材料を用いる。
【００５４】
また、本参考例においては、画素内の全ての領域の液晶層３０がプレーナー状態を呈している場合に黒表示となるように、第１基板１０に可視光領域の光を吸収する光吸収層（不図示）が設けられている。光吸収層は、透明基板１１の外側（液晶層３０側でない側）に設けてもよいし、透明基板１１と画素電極１３との間に設けてもよい。勿論、画素電極１３を、例えば顔料を分散させた有機導電性材料のような光吸収性材料を用いて形成することによって、光吸収層としてもよい。
【００５５】
樹脂層１２ａを構成する第１樹脂層１６、第２樹脂層１７および第３樹脂層１８は、それぞれ約３μｍの厚さを有しているので、液晶層３０は、１画素内に、液晶層３０の厚さがそれぞれ約６μｍ、約９μｍ、約１２μｍおよび約１５μｍの領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４を有している。このように、本参考例においては、領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４における液晶層３０の厚さは、実質的に第１樹脂層１６、第２樹脂層１７および第３樹脂層１８によって規定されている。また、これらの領域の形状および面積も、第１樹脂層１６、第２樹脂層１７および第３樹脂層１８によって実質的に規定されている。
【００５６】
上述のようにして、液晶表示素子１００が得られる。図４は、このようにして得られた液晶表示素子１００の領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４における反射率を縦軸に、液晶層３０に印加された電圧を横軸に示す図である。なお、図４における反射率の値は、図５に示すように、液晶層が約６μｍ、約９μｍ、約１２μｍおよび約１５μｍの厚さを有する液晶表示素子をそれぞれ作製し、基板法線方向と約３０°の角度をなす方向から光を入射させ、反射された光を基板法線方向にて受光することによって測定した値である。液晶表示素子の背面側に光吸収層として設けられた黒色吸収板４４と基板とはシリコンオイルを用いてマッチングされており、印加する電圧としては、１００ｍｓ、１０ｋＨｚのパルス電圧を用いている。反射率の値は、ＭｇＳＯ4標準白色板を用いて測定した値を１００％とする。
【００５７】
図４に示したように、液晶表示素子１００の領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４に含まれる液晶層３０は、それぞれ互いに異なる第１しきい値電圧を有しており、液晶層３０に印加される電圧を制御することによって、以下のように液晶層３０の配向状態および光学特性が変化する。
【００５８】
まず、液晶層３０に電圧が印加されていないときは、画素内の全ての領域の液晶層３０は、プレーナー状態であり、入射する可視光を透過する。
【００５９】
次に、液晶層３０に約６Ｖの電圧が印加されたときは、領域Ａ１に含まれる液晶層３０がフォーカルコニック状態に転移し、入射する可視光を散乱する。一方、領域Ａ２、Ａ３およびＡ４に含まれる液晶層３０はプレーナー状態のままであり、入射する可視光を透過する。
【００６０】
さらに、液晶層３０に約７．４Ｖの電圧が印加されたときは、領域Ａ１およびＡ２に含まれる液晶層３０がフォーカルコニック状態に転移し、可視光を散乱する。一方、領域Ａ３およびＡ４に含まれる液晶層３０はプレーナー状態のままであり、可視光を透過する。
【００６１】
また、液晶層３０に約８．８Ｖの電圧が印加されたときは、領域Ａ１、Ａ２およびＡ３に含まれる液晶層３０がフォーカルコニック状態に転移し、可視光を散乱する。一方、領域Ａ４に含まれる液晶層３０はプレーナー状態のままであり、可視光を透過する。
【００６２】
そして、液晶層３０に約１０．２Ｖの電圧が印加されたときは、画素内の全ての領域の液晶層３０がフォーカルコニック状態に転移し、可視光を散乱する。
【００６３】
上述のように本発明による液晶表示素子１００においては、液晶層３０の第１しきい値電圧は画素内において４つの異なる値を有しており、５階調表示が可能である。一般に、液晶層の第１しきい値電圧が画素内においてｎ個の異なる値を有していると、（ｎ＋１）階調表示が実現される。
【００６４】
本発明による液晶表示素子１００において、ある画素における反射率Ｒは、液晶層３０がプレーナー状態である領域の面積および反射率をＳｐおよびＲｐとし、液晶層３０がフォーカルコニック状態である領域の面積および反射率をＳｆおよびＲｆとすると、Ｒ＝（Ｒｐ・Ｓｐ＋Ｒｆ・Ｓｆ）／（Ｓｐ＋Ｓｆ）で表される。従って、各階調における反射率Ｒの値は、液晶層３０の厚さが互いに異なる複数の領域の面積比を適宜設定することによって、制御することができる。表１に、液晶表示素子１００のある画素における印加電圧に対する反射率Ｒの値を示す。なお、表１においては、画素の面積を４とし、領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４の面積をそれぞれ１としている。
［表１］
印加電圧(Ｖ)  Ｒｆ(％)  Ｓｆ(％)  Ｒｐ(％)  Ｓｐ(％)  反射率Ｒ(％)  
０         ０．５      ０    ０．５      ４         ０．５      
６．０     １２．０      １    ０．５      ３         ３．３      
７．４     １５．０      ２    ０．５      ２         ７．０      
８．８     １５．５      ３    ０．５      １       １０．８      
１０．２     １６．０      ４    ０．５      ０       １４．６      
らせん構造を形成する液晶層３０を備えた本発明による液晶表示素子１００においては、液晶層３０の厚さｄは、らせん構造のらせんピッチＰと、１＜ｄ／Ｐ＜１５の関係を満足することが好ましい。
【００６５】
ｄ／Ｐ≦１であると、プレーナー状態での選択反射強度やフォーカルコニック状態での散乱強度が弱くなりすぎ、コントラスト比が低くなるので好ましくない。なお、液晶層の両側に設けられている配向層が両方とも垂直配向層である場合には、ｄ／Ｐ≦１であると液晶層はらせん構造を形成しない。
【００６６】
また、ｄ／Ｐ≧１５であると、駆動電圧が高くなりすぎるので好ましくない。この理由を以下に説明する。
【００６７】
本発明による液晶表示素子１００においては、プレーナー状態からフォーカルコニック状態に転移させた液晶層３０を再びプレーナー状態にする際、第１しきい値電圧よりも大きい第２しきい値電圧以上の電圧を印加することによって、液晶層３０をフォーカルコニック状態から一旦ホメオトロピック状態に転移させる。なお、ホメオトロピック状態においては、液晶層３０のらせん構造がほどけ、液晶分子は基板に対して垂直に配向している。
【００６８】
上述の第２しきい値電圧をＶｔｈＨとすると、第２しきい値電圧ＶｔｈＨはｄ／Ｐに比例し、ＶｔｈＨ＝ｄ・（π2／Ｐ）・（ｋ22／（ε０・Δε））1/2で表される。ここで、Ｐは電圧無印加時（プレーナー状態）におけるらせんピッチ、ｋ22は液晶材料のツイスト弾性率、ε0は真空の誘電率、Δεは比誘電率異方性である。
【００６９】
液晶表示素子は液晶層３０に電圧を印加するためのドライバを備えるが、４０Ｖを越える電圧を印加するためのドライバは価格が高く、液晶表示素子の製造コストが高くなる。このため、第２しきい値電圧を４０Ｖ以下にすることが好ましく、本願発明者は、上述の材料を用いた液晶表示素子１００において、ｄ／Ｐ＜１５であれば第２しきい値電圧が４０Ｖ以下になることを実験的に確認している。
【００７０】
また、コントラスト比が高い表示を行うためには、複数の画素のそれぞれにおいて、液晶層３０の厚さｄの値がもっとも大きい領域に含まれる液晶層３０をプレーナー状態からフォーカルコニック状態に転移させる第１しきい値電圧をＶｔｈＦｍａｘとし、液晶層３０の厚さｄの値がもっとも小さい領域に含まれる液晶層３０をフォーカルコニック状態からホメオトロピック状態に転移させる第２しきい値電圧をＶｔｈＨｍｉｎとするとき、液晶層３０の厚さｄは、ＶｔｈＦｍａｘがＶｔｈＨｍｉｎよりも小さくなるように規定されていることが好ましい。
【００７１】
上述のように液晶層３０の厚さｄが規定されていると、液晶層３０に所定の電圧、具体的にはＶｔｈＦｍａｘ以上ＶｔｈＨｍｉｎ未満の電圧を印加することによって、画素内の全ての領域の液晶層がフォーカルコニック状態を呈することが可能になる。従って、コントラスト比の高い表示が実現される。以下にさらに詳しく説明する。
【００７２】
図６は、本参考例の液晶表示素子１００の領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４における反射率を縦軸に、液晶層３０に印加された電圧を横軸に示す図である。図６に示したように、液晶表示素子１００の領域Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４に含まれる液晶層３０は、それぞれ互いに異なる第１しきい値電圧および第２しきい値電圧を有しており、領域Ａ４における第１しきい値電圧が上述のＶｔｈＦｍａｘに相当し、領域Ａ１における第２しきい値電圧が上述のＶｔｈＨｍｉｎに相当する。
【００７３】
図６からわかるように、液晶表示素子１００においては、ＶｔｈＦｍａｘがＶｔｈＨｍｉｎよりも小さい。従って、ＶｔｈＦｍａｘ以上ＶｔｈＨｍｉｎ未満の電圧、具体的には約１１Ｖ〜約１６Ｖの範囲の電圧を印加することによって、画素内の全ての領域の液晶層３０がフォーカルコニック状態を呈することが可能になり、このとき画素内の全ての領域の液晶層３０は可視光を散乱する。一方、電圧無印加時および約５Ｖ以下の電圧が印加されたときは、画素内の全ての領域の液晶層３０はプレーナー状態であり、画素内の全ての領域の液晶層３０は可視光を透過する。そのため、ある画素がもっとも明るい状態およびもっとも暗い状態における反射率の値の差を大きくすることができるので、コントラスト比の高い表示が実現される。
【００７４】
本参考例の液晶表示素子１００においては、図１に示したように、第１基板１０上に階段状の樹脂層１２ａが設けられており、画素内において液晶層３０の厚さｄの値は不連続に変化する。このように、液晶層３０の厚さｄの値が不連続に変化する構成を有していると、画素内のある領域における第１しきい値電圧の値と、同じ画素内にあって液晶層３０の厚さｄが異なる他の領域における第１しきい値電圧の値との差を大きくすることが容易である。従って、液晶層３０に印加される電圧の誤差に拘わらず、所望の領域の液晶層３０のみをフォーカルコニック状態に転移させることが容易であり、その結果、所望の反射率の値をより確実に得ることが可能となる。
【００７５】
上述のように液晶層３０の厚さｄの値が不連続に変化する構成を有している場合には、液晶層３０の厚さｄの異なる値の差Δｄは、らせん構造のらせんピッチＰと、０．５Ｐ≦Δｄの関係を満足することが好ましい。以下、その理由を説明する。
【００７６】
本参考例の液晶表示素子１００のように、液晶層の両側に水平配向層が設けられている場合、液晶層の上面および下面近傍の液晶分子は、それぞれの水平配向層の配向規制力に従って特定の方位角方向に配向する。水平配向層の配向規制力の方向は、一般にラビング処理によって規定される。
【００７７】
上述のように液晶層の上面および下面近傍の液晶分子はそれぞれ特定の方位角方向に配向するような配向規制力を受けているので、液晶層の厚さが変化してもその方向は変化しない。このため、液晶層のらせん構造のらせん旋回数は連続的に変化できない。一方、らせん構造を有する液晶層の液晶分子の局所的な配向方向は、らせんが半旋回するごとに一致する。このため、液晶層の厚さの変化に伴ってらせん旋回数は不連続に０．５（半旋回）ずつ変化することとなる。
【００７８】
従って、例えば、液晶層の厚さが互いに異なる２つの領域においてΔｄがらせんピッチの値の半分よりも小さい場合（Δｄ＜０．５Ｐの場合）、上述の２つの領域においてらせん旋回数が同じであることがあり得るので、上述の２つの領域において第１しきい値電圧の値が同じであることがあり得る。そのため、上述の２つの領域のうちの一方の領域に含まれる液晶層はプレーナー状態のままで、他方の領域に含まれる液晶層をフォーカルコニック状態に転移させることができないことがあり得る。
【００７９】
それに対して、液晶層３０の厚さｄの異なる値の差Δｄが、らせん構造のらせんピッチＰと、０．５Ｐ≦Δｄの関係を満足するような構成を有していると、液晶層３０の厚さｄが互いに異なる複数の領域ごとに第１しきい値電圧の値をより確実に異ならせることができる。従って、所望の階調数の表示がより確実に実現される。
【００８０】
なお、上述したように、液晶層の両側に水平配向層が設けられている場合には、液晶層の厚さの変化に伴ってらせん旋回数が連続的に変化することができないので、画素内において局所的にらせんピッチが引き伸ばされている領域や縮められている領域が存在し得る。従って、画素内においてらせんピッチの値にばらつきが生じ得るとともに、らせんピッチの値は液晶層を形成する液晶材料に設定された自発的ならせんピッチの値とは異なり得るが、Δｄが自発的ならせんピッチの値の半分以上に大きければ、上述の効果が十分に得られると考えられる。
【００８１】
本参考例においては、液晶層３０の両側に水平配向層１４および２４が設けられている場合について説明したが、水平配向層１４および２４のいずれか一方を垂直配向層としてもよい。このような構成を採用すると、垂直配向層の表面において、液晶層の液晶分子は方位角方向の配向規制力を受けないので、らせん旋回数ｄ／Ｐは、液晶層の厚さの変化に伴って連続的に変化することができる。従って、液晶層３０の厚さｄが不連続に変化する場合のΔｄが、らせんピッチの値の半分よりも小さくても、液晶層３０の厚さｄが互いに異なる複数の領域のらせん旋回数および第１しきい値電圧の値は互いに異なる。そのため、Δｄが比較的小さい構成とすることによって階調数を多くすることが容易である。なお、液晶層の両側に設けられている配向層の一方が垂直配向層である場合には、らせんピッチの値は、自発的ならせんピッチの値とほぼ同じである。
【００８２】
なお、本参考例においては、５階調表示が可能な液晶表示素子について説明したが、階調数はこれに限定されず、所望する階調数に応じて適宜設定すればよい。比較的階調数が少ない場合には、第１しきい値電圧の値が同じである領域が画素内で離散的に分布していると、目視の際に違和感を感じない中間調表示が実現される。
【００８３】
例えば、３階調表示が可能な液晶表示素子の場合には、図７に示すように、１画素内に複数の樹脂層１２ｂを離散的に（島状に）形成することによって、上述の効果が得られる。上述の樹脂層１２ｂは、例えば、図８に示すような、１画素に対応する領域内に複数の遮光部４３を有するフォトマスク４２を用いてフォトリソグラフィプロセスによって形成することができる。フォトマスク４２の遮光部４３の形状は、図８に示したような円形であってもよいし、多角形であってもよい。
（実施形態）
図９に本発明による実施形態の液晶表示素子２００を模式的に示す。液晶表示素子２００は、第１基板１０の液晶層側に設けられた樹脂層１２ｃが連続する波状に形成されている点において液晶表示素子１００と異なる。以下の図面においては、液晶表示素子１００の構成要素と実質的に同一の機能を有する構成要素には同一の参照符号を付し、その説明をここでは省略する。
【００８４】
液晶表示素子２００においては、第１基板１０の液晶層側に設けられた樹脂層１２ｃが連続する波状に形成されており、画素内において、液晶層３０の厚さｄが連続的に変化する。このように、液晶層の厚さｄが連続的に変化する構成を有していると、階調数を多くすることが容易である。以下、さらに詳しく説明する。
【００８５】
まず、液晶層３０の両側に水平配向層が設けられている場合には、液晶層３０の厚さｄの連続的な変化に伴って、らせん旋回数が０．５ずつ不連続に変化する。従って、樹脂層１２ｃの勾配の緩急に拘わらず、らせん旋回数が０．５ずつ異なる複数の領域が存在し、これらの領域では液晶層３０の第１しきい値電圧が互いに異なる。そのため、製造工程において、らせんピッチに応じた精度で画素内における液晶層３０の厚さｄの変化を制御する必要がなく、階調数を多くすることが容易である。図１０は、液晶層３０の両側に水平配向層が設けられている液晶表示素子２００のある画素における反射率を縦軸に、液晶層３０に印加された電圧を横軸に示す図である。図１０中の実線５１、５２、５３、５４、５５、５６および５７は、図９中の領域ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆおよびｇにおける反射率を示し、実線５０は１画素全体での反射率を示す。
【００８６】
また、液晶層３０の両側に設けられた配向層の一方を垂直配向層とすると、液晶層３０の厚さの連続的な変化に伴って、らせん旋回数も連続的に変化する。従って、さらに階調数を多くすることが可能になるとともに、印加電圧の値の連続的な変化に応じて反射率の値も連続的に変化し、実質的に無段階的な階調表示が可能になる。図１１は、液晶層３０の両側に設けられた配向層の一方が垂直配向層である液晶表示素子２００のある画素における反射率を縦軸に、液晶層３０に印加された電圧を横軸に示す図である。図１１中の実線５８は、１画素全体での反射率を示す。
【００８７】
実施形態の液晶表示素子２００に設けられている連続する波状の樹脂層１２ｃは、例えば、参考例１の液晶表示素子１００に設けられている樹脂層１２ａと同様にして階段状の樹脂層を形成した後に、スピンコート法によってさらに樹脂材料（例えば、東京応化工業社製ＯＦＰＲ−８００）を塗布することにより形成することができる。また、階段状の樹脂層を形成した後に、約２００℃で約６０分の熱処理を施し、熱だれ現象によって樹脂層を変形させて形成してもよい。
【００８８】
また、本実施形態においては、画素電極１３が、上述のようにして形成された連続する波状の樹脂層１２ｃ上に形成されている。樹脂層１２ｃは基板法線方向に平行な表面を有しないため、画素電極１３を形成する際に電極材料を均一に塗布することができ、画素電極１３の断線が抑制される。
【００８９】
なお、参考例１および本実施形態においては、樹脂層が背面側の第１基板１０上に設けられている場合について説明したが、勿論これに限定されず、観察者側の第２基板２０上に樹脂層が設けられていてもよい。
【００９０】
また、参考例１においては、画素内で液晶層３０の厚さｄが不連続に変化する構成を有している場合について説明し、実施形態においては、画素内で液晶層３０の厚さｄが連続的に変化する構成を有している場合について説明したが、これに限定されず、複数の画素のそれぞれにおいて、液晶層３０の厚さｄが不連続に変化する領域と、液晶層３０の厚さｄが連続的に変化する領域とが混在してもよい。
（参考例２）
図１２（ａ）〜（ｃ）に、本発明による参考例２の液晶表示素子３００を模式的に示す。図１２（ａ）は、本発明による参考例２の液晶表示素子３００の１画素に対応する部分を模式的に示す断面図であり、図１２（ｂ）は斜視図であり、図１２（ｃ）は、上面図である。液晶表示素子３００は、第１基板１０および第２基板２０の両方が凹凸状の表面を有している点において液晶表示素子１００と異なる。以下の図面においては、液晶表示素子１００の構成要素と実質的に同一の機能を有する構成要素には同一の参照符号を付し、その説明をここでは省略する。
【００９１】
液晶表示素子３００においては、図１２（ａ）および（ｂ）に示したように、液晶層３０を挟持する第１基板１０および第２基板２０の両方が、液晶層３０側に凹凸状の表面を有している。このような構成を有していると、液晶層３０の厚さｄが、第１基板１０および第２基板２０の両方の凹凸状の表面によって規定されるので、比較的少ない製造工程数で比較的多くの階調数とすることが可能である。そのため、製造工程を簡略化（製造工程数を削減）することができ、液晶表示素子の製造コストを低くすることができる。以下、例示しながらさらに詳しく説明する。
【００９２】
本発明による液晶表示素子３００においては、図１２（ａ）および（ｂ）に示したように、絶縁性基板１１上にストライプ状の樹脂層１２ｄが設けられている。また、透明基板２０上には、樹脂層１２ｄと交差するようにストライプ状の樹脂層２２が設けられている。本参考例においては、樹脂層１２ｄおよび２２は、参考例１の液晶表示素子１００に設けられた樹脂層１２ａと同様の方法を用いてそれぞれ約６μｍおよび約３μｍの厚さを有するように形成されている。
【００９３】
上述のように樹脂層１２ｄおよび２２が設けられている液晶表示素子３００においては、液晶層３０は、図１２（ｃ）に示すように、１画素内に、液晶層３０の厚さが互いに異なる領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４を有しており、これらの領域Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３およびＢ４における液晶層３０の厚さｄB1、ｄB2、ｄB3およびｄB4の値は、それぞれ約６μｍ、約９μｍ、約１２μｍおよび約１５μｍである。従って、液晶表素子３００においては５階調表示が実現される。
【００９４】
一方、上述の樹脂層１２ｄおよび２２と同じ厚さを有する樹脂層が一方の基板上に階段状に積層されている液晶表示素子においては、液晶層は、１画素内に、液晶層の厚さが約６μｍ、約９μｍおよび約１５μｍの領域を有することとなるので、４階調表示が実現される。
【００９５】
本発明による液晶表示素子３００と上述の液晶表示素子とは、ほぼ同じ工程数の製造工程により製造されるが、液晶表示素子３００においては、上述のようにより多階調の表示が実現されている。従って、本発明による液晶表示素子３００においては、より少ない製造工程数で所定の階調数の表示が実現される。その結果、製造工程を簡略化（製造工程数を削減）することができ、液晶表示素子の製造コストを低くすることができる。
【００９６】
なお、上述の実施形態および参考例においては、基板上に設けられた樹脂層によって実質的に液晶層の厚さｄが規定される場合について説明したが、これに限定されず、画素内において液晶層の厚さｄが互いに異なる複数の値を有する構成とすればよい。
【００９７】
また、上述の実施形態および参考例においては、感光性樹脂を用いてフォトリソグラフィプロセスにより樹脂層を形成したが、樹脂層の形成方法及び材料はこれに限定されない。上述の実施形態のように感光性樹脂を用いてフォトリソグラフィプロセスにより形成すると、凹凸状表面の形状の制御を容易かつ再現性良く行うことができる。
【００９８】
さらに、上述の実施形態および参考例においては、液晶層３０を形成する液晶材料として、選択反射領域が赤外領域となるように設定された液晶材料を用いたが、勿論、選択反射領域が可視光領域となるように設定された液晶材料を用いてもよい。選択反射領域が赤外領域であると、可視光を散乱することによって表示を行うので、紙に近い白黒表示が容易に実現される。選択反射領域が可視光領域であると、例えば、選択反射領域がそれぞれ赤、緑および青に相当する波長領域に設定された３つの液晶セルを積層することによりカラー表示が容易に実現される。
【００９９】
【発明の効果】
本発明によると、中間調表示および多階調表示が可能であり且つ階調数を容易に増大できる液晶表示素子が提供される。本発明は、らせん構造を有するとともに特定の波長領域の光を選択的に反射する液晶層を備えた反射型液晶表示素子に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による参考例１の液晶表示素子１００を模式的に示す断面図である。
【図２】  本発明による参考例１の液晶表示素子１００における所定の電圧印加時の液晶層の配向状態を模式的に示す図である。
【図３】  本発明による参考例１の液晶表示素子１００が有する樹脂層の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図４】  本発明による参考例１の液晶表示素子１００のある画素における反射率を印加電圧に対して示すグラフである。
【図５】  本発明による液晶表示素子の反射率の測定方法を模式的に示す図である。
【図６】  本発明による参考例１の液晶表示素子１００のある画素における反射率を印加電圧に対して示すグラフである。
【図７】  本発明による参考例１の液晶表示素子１００の他の構成を模式的に示す断面図である。
【図８】  本発明による参考例１の液晶表示素子１００の他の構成の製造工程において用いるフォトマスク４２を模式的に示す図である。
【図９】  本発明による実施形態の液晶表示素子２００を模式的に示す断面図である。
【図１０】  本発明による実施形態の液晶表示素子２００のある画素における反射率を印加電圧に対して示すグラフである。
【図１１】  本発明による実施形態の液晶表示素子２００のある画素における反射率を印加電圧に対して示すグラフである。
【図１２】  本発明による参考例２の液晶表示素子３００を模式的に示す図である。（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は上面図をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１０    第１基板
１１    絶縁性基板
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ    樹脂層
１３    画素電極
１４    配向層
１５    感光性樹脂
１６    第１樹脂層
１７    第２樹脂層
１８    第３樹脂層
２０    第２基板
２１    透明基板
２２    樹脂層
２３    透明電極
２４    配向層
３０    液晶層
４０、４２    フォトマスク
４３    遮光部
１００    液晶表示素子
２００    液晶表示素子
３００    液晶表示素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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