(57)【要約】【課題】誘電率異方性が負となるネマティック液晶材料の等方相温度領域において、外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象に基づく電気光学効果を利用した電気光学装置を実現すること。【解決手段】電気光学装置１０は、誘電率異方性が負となるネマティック液晶材料を挟持して対向配置された第１の透明基板１１及び第２の透明基板２１と、第１の透明基板１１及び第２の透明基板２１の少なくとも一方のネマティック液晶材料側に形成された一対の画素電極２０及び共通電極２３と、第１の透明基板１１及び第２の透明基板２１のネマティック液晶材料とは反対側にそれぞれ配置された第１の偏光板２４及び第２の偏光板２５一対の偏光板と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電率異方性が負となるネマティック液晶材料を挟持して対向配置された第１基板及び第２基板と、
前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも一方の前記ネマティック液晶材料側に形成された一対の電極と、
前記第１基板及び前記第２基板の前記ネマティック液晶材料とは反対側にそれぞれ配置された一対の偏光板と、
を含み、前記ネマティック液晶材料の等方相温度領域において、前記一対の電極間に印加される電圧に応じた等方相からネマティック相への相転移に基づく光透過率の変化を利用した、電気光学装置。
【請求項２】
前記第１基板及び前記第２基板はそれぞれ前記ネマティック液晶材料の界面に界面配向処理が施される、請求項１に記載の電気光学装置。
【請求項３】
電界方向に対して垂直な方向に前記界面配向処理が施される、請求項２に記載の電気光学装置。
【請求項４】
前記ネマティック液晶材料の臨界温度以上の温度、かつ前記ネマティック液晶材料の臨界電場以上の範囲で用いられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気光学装置。
【請求項５】
前記一対の電極間に印加される電圧は、オーバードライブ又は周波数変調法により制御される、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気光学装置。
【請求項６】
前記ネマティック液晶材料の温度に基づき、前記ネマティック液晶材料の温度を調整する温度調整部を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の電気光学装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の電気光学装置を表示装置として備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は等方相温度領域の液晶材料における外部電界の有無によるネマティック相の発現及び消失現象を利用した電気光学装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶を用いた電気光学装置の一つである液晶表示装置は、従来からＣＲＴ（陰極線管）と比較して軽量、薄型及び低消費電力という特徴があるため、表示用として多くの電子機器に使用されている。従来の液晶表示装置としては、液晶層に電界を印加する方法で分類すると、縦電界方式のものと横電界方式のものとがある。縦電界方式の液晶表示装置は、液晶層を挟んで配置される一対の電極により、概ね縦方向の電界を液晶分子に印加するものである。この縦電界方式の液晶表示装置としては、ＴＮ（Twisted  Nematic）モード、ＶＡ（Vertical  Alignment）モード、ＭＶＡ（Multi-domain  Vertical  Alignment）モード、ＥＣＢ（Electrically  Controlled  Birefringence）モード等のものが知られている。
【０００３】
また、横電界方式の液晶表示装置は、液晶層を挟んで配置される一対の基板のうち一方の内面側に一対の電極が互いに絶縁して設けられており、概ね横方向の電界を液晶分子に対して印加するものである。この横電界方式の液晶表示装置としては、一対の電極が平面視で重ならないＩＰＳ（In-Plane  Switching）モードのものと、重なるＦＦＳ（Fringe  Field  Switching）モードのものとが知られている。
【０００４】
これらの液晶表示装置は、所定方向に配向した液晶のダイレクターの配向方向を電界により変化させ、光の透過量を変化させて画像を表示させるものである。これに対して、近年は、誘電率異方性が正のネマティック液晶材料の液体（等方相）温度領域における外部電界の有無によるネマティック相の発現及び消失現象を利用して画像を表示させる装置が提案されている（例えば、特許文献１）。等方相温度領域の誘電率異方性が正のネマティック液晶材料における外部電界の有無によるネマティック相の発現及び消失現象を利用した液晶表示装置は、従来から所定方向に配向したダイレクターの配向方向を電界により変化させ、光の透過量を変化させる液晶表示装置に比べて高速な応答特性を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−０４３７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、誘電率異方性が正の液晶材料を対象としている。しかし、誘電率異方性が負の液晶材料を用い、ネマティック相の誘起及び消失現象に基づく電気光学効果を利用した電気光学装置を実現できるか否かは明らかになっていない。
【０００７】
本開示は、誘電率異方性が負となる液晶材料の等方相温度領域において、外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象に基づく電気光学効果を利用した電気光学装置及び電子機器を提供し、かつ外部電界の有無による応答特性を誘電率異方性が正の液晶材料と同様の高速性を有することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、誘電率異方性が負となるネマティック液晶材料を挟持して対向配置された第１基板及び第２基板と、前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも一方の前記ネマティック液晶材料側に形成された一対の電極と、前記第１基板及び前記第２基板の前記ネマティック液晶材料とは反対側にそれぞれ配置された一対の偏光板と、を含み、前記ネマティック液晶材料の等方相温度領域において、前記一対の電極間に印加される電圧に応じた等方相からネマティック相への相転移に基づく光透過率の変化を利用した、電気光学装置である。
【０００９】
本開示は、前述した電気光学装置を表示装置として備えた電子機器である。
【００１０】
一般に、ネマティック液晶材料は、固体と液体（等方相）との中間相状態すなわち、液晶相状態を示す。ネマティック液晶材料によって決まる温度（相転移温度）において、等方相から又は等方相への相転移、例えば、等方相とネマティック相との間で相転移が生じる。本開示の電気光学装置は、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料の等方相温度領域において、一対の電極間に印加される電圧に応じた等方相からの相転移、例えばネマティック相の誘起及び消失現象に基づく電気光学効果である屈折率異方性の誘起及び消失現象に起因した光透過率の変化を利用している。すなわち、一対の電極間に電圧を印加しないと、ネマティック液晶材料は等方相のままであるが、一対の電極間に所定の電圧を印加すると等方相のネマティック液晶材料はネマティック相に相転移し、このネマティック相は一対の電極間に印加されていた電圧を取り除くと消失して元の等方相に戻る。
【００１１】
ネマティック液晶材料における電圧の有無による等方相からのネマティック相の誘起及び消失現象にともない、液晶層は電気光学効果として位相差変化の発生及び消失現象を示す。電気光学装置では、光透過率の変化となる。すなわち、ネマティック液晶材料が等方相であると、液晶層は光学的な位相差変化が発生しないために、電気光学装置は一対の偏光板によって定まる条件に依存した透過率となる。それに対し、外部電場（外部電界）によってネマティック液晶材料が等方相からネマティック相に相転移すると、電気光学効果による屈折率異方性が生じる。そのために、液晶層を透過する光の位相差変化が生じ、電気光学装置の透過率が変化する。
【００１２】
また、誘電率異方性が負となるネマティック液晶材料を挟持して対向配置された第１基板及び第２基板に電極が配置された、いわゆる対向電極構成での直視型の表示装置構成でも、電圧の有無による等方相からのネマティック相の誘起及び消失現象を利用した透過率の変化が確認された。さらに、電圧印加によって生じたネマティック相の消失速度が、従来のネマティック液晶材料のネマティック相温度域におけるダイレクターの再配向速度よりも大幅に速いことが明らかになった。このように、本開示は、ネマティック液晶材料の等方相温度領域において、等方相からの相転移、例えば外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象に基づく電気光学効果を利用した電気光学装置を提供し、かつ外部電界の有無による応答特性である外部電場が消失時での応答特性を誘電率異方性が正の液晶材料と同等とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本開示によれば、誘電率異方性が負となるネマティック液晶材料の等方相温度領域において、外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象に基づく電気光学効果を利用した電気光学装置を提供し、かつ外部電界の有無による応答特性を誘電率異方性が正のネマティック液晶材料と同様の高速性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態に係る縦電界方式の電気光学装置が備える１画素のアレイ基板の概要を示す平面図である。
【図２】図２は、図１ＡのＩＢ−ＩＢ線に沿った断面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係る電気光学装置の等方相温度領域における誘電率異方性が負のネマティック液晶材料の状態を示す模式図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る電気光学装置の誘電率異方性が負のネマティック液晶材料に電界を印加した際に誘起されるダイレクターの配置状態を示す模式図である。
【図５】図５は、透過率と印加電圧との関係を示す図である。
【図６】図６は、電場の有無における液晶層と配向膜との界面を示す模式図である。
【図７】図７は、液晶相に対して一対の電極を対向配置した直視型表示装置に対応する液晶表示装置の断面図である。
【図８】図８は、誘電率異方性が正、負と異なるネマティック液晶材料の液晶層における電界の有無によるダイレクターの変化を示した図である。
【図９】図９は、透過率と印加電圧との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、温度センサを備えた電気光学装置の一例を示す断面図である。
【図１１】図１１は、本開示が適用されるテレビジョン装置の外観を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、本開示が適用されるディジタルカメラの外観を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、本開示が適用されるディジタルカメラの外観を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、本開示が適用されるビデオカメラの外観を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、本開示が適用されるノート型パーソナルコンピュータの外観を示す斜視図である。
【図１６】図１６は、本開示が適用される携帯電話機を示す、開いた状態の正面図である。
【図１７】図１７は、本開示が適用される携帯電話機を示す側面図である。
【図１８】図１８は、本開示が適用される携帯電話機を示す、閉じた状態の正面図である。
【図１９】図１９は、本開示が適用される携帯電話機を示す左側面図である。
【図２０】図２０は、本開示が適用される携帯電話機を示す右側面図である。
【図２１】図２１は、本開示が適用される携帯電話機を示す上面図である。
【図２２】図２２は、本開示が適用される携帯電話機を示す下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本開示の技術を実施するための形態（以下、実施形態と記述する）について図面を用いて、次に示す手順で詳細に説明する。
１．本開示が適用される電気光学装置
１−１．概略
１−２．光学特性及び電場応答性
１−３．界面配向処理
１−４．直視型の表示装置
１−５．電気光学装置の駆動方法
１−６．温度制御の一例
１−７．他の構成における電気光学装置
２．電子機器
３．本開示の構成
【００１６】
＜１．本開示が適用される電気光学素子装置＞
本実施形態で説明するアレイ基板及びカラーフィルター基板の「表面」とは、各種の配線が形成された面又は液晶材料と対向する側の面を示すものとする。また、本実施形態において説明のために用いられた各図面は、各層及び各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせて表示しており、必ずしも実際の寸法に比例して表示されているものではない。
【００１７】
以下に述べる各実施形態の電気光学装置及び液晶表示装置は、それぞれ本開示の動作原理を確認するためのものであるため、カラーフィルター基板のカラーフィルター層としては透明なオーバーコート層のみを形成したものを用いている。また、誘電率異方性（ε）が負である材料のうち、いくつかのネマティック液晶材料を用いたが、以下の実施形態の電気光学装置では、誘電率異方性が負の材料として、メルク社製の製品名ＭＪ０５２９９６を用いた。この液晶材料は約６０℃でネマティック相と等方相との間で相転移する。なお、本実施形態に係る電気光学装置及び液晶表示装置に適用可能な液晶材料は、誘電率異方性が負であるネマティック液晶材料であればよく、前述した製品名ＭＪ０５２９９６に限定されるものではない。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る縦電界方式の電気光学装置が備える１画素のアレイ基板の概要を示す平面図である。図２は、図１ＡのＩＢ−ＩＢ線に沿った断面図である。電気光学装置１０は、図２に示すように、互いに対向配置されたアレイ基板ＡＲ及びカラーフィルター基板ＣＦ間に液晶材料１を封入している。液晶層ＬＣの界面における界面配向処理の具体的な方法として、本実施形態では配向膜を形成する方式を用いた。
【００１９】
以下においては、電気光学装置１０は縦電界方式を利用するものを例とするが、これに限定されるものではない。例えば、電気光学装置１０は、ＦＦＳモード又はＩＰＳモード等の横電界方式を利用するものであってもよい。
【００２０】
＜１−１．概略＞
電気光学装置１０のアレイ基板ＡＲは、絶縁性を有する透明なガラス等を用いた第１基板としての第１の透明基板１１の表面に、アルミニウム又はモリブデン等の金属を用いた複数の走査線１２が等間隔で平行に形成されている。また、アレイ基板ＡＲは、隣り合う走査線１２間の略中央に、補助容量線１３が平行して形成されている。各画素の形成予定位置の補助容量線１３は幅広に形成されて補助容量電極１３ａとなっている。走査線１２は、ＴＦＴ（Thin  Film  Transistor：薄膜トランジスタ）のゲート電極Ｇの形成予定位置が部分的に幅広に形成されている。
【００２１】
走査線１２、補助容量線１３及び透明基板１１の露出部分を覆うようにして窒化ケイ素又は酸化ケイ素等を用いたゲート絶縁膜１４が積層されている。ゲート電極Ｇの形成予定位置におけるゲート絶縁膜１４の表面には、非晶質シリコン又は多結晶シリコン等を用いた半導体層１５が形成されている。ゲート絶縁膜１４の表面には、アルミニウム又はモリブデン等の金属を用いた複数の信号線１６が走査線１２と交差するようにして形成されている。信号線１６からはＴＦＴのソース電極Ｓが延設され、ソース電極Ｓは半導体層１５の表面と部分的に接触している。平面視で走査線１２と信号線１６とによって囲まれた領域が１画素の領域に相当する。
【００２２】
信号線１６及びソース電極Ｓと同一の材料で同時に形成されたドレイン電極Ｄがゲート絶縁膜１４の表面に設けられている。ドレイン電極Ｄは、ソース電極Ｓと近接して配置されて半導体層１５と部分的に接触している。ドレイン電極Ｄは、ゲート絶縁膜１４の表面で補助容量電極１３ａを部分的に被覆するように、補助容量電極１３ａの信号線１６側の両端部が露出するように延在されている。ドレイン電極Ｄと補助容量電極１３ａの平面視における重畳部分とによって、各画素の補助容量が形成される。ゲート電極Ｇ、ゲート絶縁膜１４、半導体層１５、ソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄによってスイッチング素子となるＴＦＴが形成され、それぞれの画素にこのＴＦＴが設けられている。
【００２３】
信号線１６、ＴＦＴ及びゲート絶縁膜１４の露出部分を覆うようにして、例えば、窒化ケイ素又は酸化ケイ素等を用いたパッシベーション膜１７が積層される。パッシベーション膜１７の表面は、フォトレジスト等の透明樹脂材料が用いられており、表面が平坦とされた層間膜１８が積層されている。パッシベーション膜１７及び層間膜１８には、ＴＦＴのドレイン電極Ｄに対応する位置にコンタクトホール１９が形成されている。
【００２４】
それぞれの画素毎に、コンタクトホール１９の内面及び層間膜１８表面を被覆するようにＩＴＯ（Indium  Thin  Oxide）又はＩＺＯ（Indium  Zinc  Oxide）等の透明導電性材料を用いた画素電極２０が形成されている。電気光学装置１０のアレイ基板ＡＲには、画素電極２０の表面に第１配向膜３１が形成されている。本実施形態において、第１配向膜３１として、ラビング処理された垂直配向膜を用いた。
【００２５】
カラーフィルター基板ＣＦは、絶縁性を有する透明なガラス等を用いた第２基板としての第２の透明基板２１の表面に、カラーフィルター層に代わる透明なオーバーコート層２２が設けられている。オーバーコート層２２の表面には、カラーフィルター基板ＣＦの全面にわたって共通電極２３が積層されている。電気光学装置１０のカラーフィルター基板ＣＦには、共通電極２３の表面に第２配向膜３２が形成されている。本実施形態において、第２配向膜３２として、ラビング処理された垂直配向膜を用いた。本実施形態において、第２配向膜３２のラビング方向は、第１配向膜３１のラビング方向とは逆方向（アンチラビング処理）となっている。
【００２６】
このようにして形成されたアレイ基板ＡＲ及びカラーフィルター基板ＣＦを互いに対向させ、両基板の周囲にシール材を設けることにより両基板を貼り合せ、両基板間に上述の液晶材料１を封入して液晶層ＬＣとする。その後、アレイ基板ＡＲの裏面側（例えば、光源が配置される側）に第１の偏光板２４を、カラーフィルター基板ＣＦの裏面側に第２の偏光板２５を、それぞれクロスニコル配置となるように一対の偏光板として配置することにより、縦電界方式の電気光学装置１０が得られる。液晶層の層厚は任意に変更することができるが、本実施形態において、電気光学装置１０の液晶層の層厚は例えば３μｍとされている。次に、電気光学装置１０の動作原理を説明する。
【００２７】
図３は、本実施形態に係る電気光学装置の等方相温度領域における誘電率異方性が負のネマティック液晶材料の状態を示す模式図である。図３に示すように、画素電極２０と共通電極２３との間に電圧を印加しない状態（電圧無印加状態）では、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料が等方相となる。等方相では、液晶状態で見られるようなダイレクターが存在しない。このため、ネマティック液晶材料での等方相では、屈折率異方性も生じないことから、仮に光（偏光）が液晶層を通過しても位相差変化は発生しない。これは、ネマティック液晶材料の誘電率異方性が負でも正でも同様である。また、図２（図３も含む）には、電気光学装置１０が備える一対の偏光板（第１の偏光板２４及び第２の偏光板２５）はクロスニコル配置されている。このため、等方相の場合、一方の偏光板を透過してきた直線偏光に変換された光は他方の偏光板を透過することができない。
【００２８】
図４は、本実施形態に係る電気光学装置の誘電率異方性が負のネマティック液晶材料に電界を印加した際に誘起されるダイレクターの配置状態を示す模式図である。図４のダイレクターの長軸Ｚｌは屈折率異方性の方向を表したものである。図４に示すように、一対の電極間（電気光学装置１０が備える画素電極２０と共通電極２３との間）に電圧を印加すると、電界Ｅは矢印のように形成される。誘電率異方性が負であるネマティック液晶材料であることから、電界Ｅの方向（電界方向）と直交する方向にダイレクターの長軸Ｚ１が配向する。一般に、等方相のような等方性媒質では電気光学効果として知られる屈折率異方性が電界強度の２乗に比例するＫｅｒｒ効果に起因した屈折率異方性が生じる。本実施形態でも一定の電場未満の電界強度下ではＫｅｒｒ効果に起因した屈折率異方性が生じる。一方、一定の電圧以上では電界強度Ｅに起因する相転移によってネマティック相が形成され、Ｋｅｒｒ効果以上の屈折率異方性が生じ、ネマティック相温度で示す屈折率異方性と同程度となる。
【００２９】
誘電率異方性が負であるネマティック液晶材料を用い、図２の電気光学装置１０が備える一対の偏光板（第１の偏光板２４及び第２の偏光板２５）をクロスニコル配置する。図４に示すような、電場に起因するＫｅｒｒ効果及び相転移現象に起因する屈折率異方性は、ネマティック相温度領域での屈折率異方性と同程度となることから、液晶層を通過する光は位相差変化も同様の光学効果が得られる。その結果、一方の偏光板（例えば、第１の偏光板２４）を透過して直線偏光に変換された光は、ネマティック相を透過する間に位相差が変化するため、他方の偏光板（例えば、第２の偏光板２５）を透過することができるようになる。一方、図３のように等方相の場合、液晶層を通過する光の位相差が変化しないため、第１の偏光板２４を透過した光は第２の偏光板２５を透過できない。結果として、ノーマリーブラック型の電気光学装置となる。この場合の電気光学装置は、黒表示が液晶層において等方相となり、白表示では従来と同程度の透過率を示すことから、所定方向に配向したダイレクターの配向方向を電界により変化させ、光の透過量を変化させる液晶表示装置に比べて、高いコントラストを示す。本開示は、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料の、外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象に基づく電気光学効果を利用した電場応答性及び光学特性が良好な電気光学装置１０を提供するものである。
【００３０】
＜１−２．光学特性及び電場応答性＞
図２に示す電気光学装置１０は、誘電率異方性が負の液晶材料を備えている。本実施形態では、電気光学装置１０が備える第１配向膜３１及び第２配向膜３２は、界面配向が基板面に垂直となる垂直配向処理が施されている。垂直配向処理を施した理由は、ネマティック相温度領域及び等方相温度領域の両者において、電気光学装置としてノーマリーブラック型での光学特性及び応答特性を評価できるからである。まず、光学特性である透過率―電圧依存性について説明する。
【００３１】
図５は、透過率と印加電圧との関係を示す図である。図５に示すように、電気光学装置１０が備えるネマティック液晶材料が等方相となる温度において、電圧無印加でネマティック液晶材料は等方相となるため、偏光板のクロスニコルの条件である透過率０％を示した。また、一対の電極間に電圧が印加されると、電気光学装置１０は、電圧の上昇及び一定の電圧以上で急峻な透過率の上昇が確認され、ネマティック液晶材料がネマティック相となる温度に近い透過率を示すことが確認された。この急峻な透過率上昇となる電圧が、外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象の閾値電圧であり、電場によってネマティック相へ相転移が発生していることを示している。
【００３２】
電場応答性について、相転移温度ＴＮＩ−０．２℃及び相転移温度ＴＮＩ＋０．２℃の条件において、電圧を除去した後での透過率の時間依存性を評価した。この結果、ネマティック相温度（相転移温度ＴＮＩ−０．２℃のとき）において電圧を除去した後の透過率の時間変化は３０ｍｓ〜８０ｍｓであるのに対し、等方相温度（相転移温度ＴＮＩ＋０．２℃）において電圧を除去した後の透過率の時間変化は０．２ｍｓ程度となった。このように、等方相温度において電圧を除去した後の透過率の時間変化は、ネマティック相温度での透過率の時間変化の約１／１００以下となる。この応答特性の潜在能力は、２ｎｓ程度となると予想される。なお、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料は、電圧を印加した後における透過率の時間変化は、高電圧になるほど短時間となる電圧依存性を示す。このような電圧依存性は、従来の電気光学装置、すなわち、ネマティック相温度領域において、所定方向に配向したネマティック液晶材料のダイレクターの配向方向を電界により変化させ、光の透過量を変化させる電気光学装置と同様の傾向を示した。
【００３３】
図２に示すような電気光学装置１０の電場応答特性は、電圧を印加し電気光学装置１０の透過率が上昇し一定値となるまでの立ち上がり時間と、電圧を除去して透過率が低下して０%となるまでの立ち下がり時間との和が小さい程、高速な応答特性を有するといえる。前述した、電圧を除去した後での透過率の時間依存性の結果から、等方相温度において誘電率異方性が負のネマティック液晶材料を備える電気光学装置１０は、立ち下がり時間が非常に短い。このため、等方相温度において誘電率異方性が負のネマティック液晶材料を備える電気光学装置１０は、所定方向に配向したダイレクターの配向方向を電界により変化させることにより光の透過量を変化させる液晶表示装置と比較して、高速な応答特性を有している。結果として、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料を備える電気光学装置１０は、外部電場が消失したときにおける応答特性を、誘電率異方性が正のネマティック液晶材料と同等とすることができた。
【００３４】
＜１−３．界面配向処理＞
誘電率異方性が正のネマティック液晶材料において、等方相のような液晶分子が等方的に分散している系でも、界面配向の影響があることが知られている。この界面配向の影響は、界面配向処理を施すことによって、界面には少なからず何らかのダイレクターが形成されていることに起因すると考えられる。次に、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料を用いた場合における界面配向の処理について説明する。
【００３５】
図２に示す第１の透明基板１１及び第２の透明基板２１のそれぞれ又は少なくとも一方に、例えば、配向膜の界面配向処理を施すことにより、温度上昇にともなう外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象の閾値電圧の高電圧シフトが抑制される。駆動電圧に制約がある場合には、動作可能な温度域も広がる。このため、界面配向処理を施した電気光学装置１０は、特に温度上昇が生じても、界面配向処理が施されていない場合よりも印加電圧の増大が抑制され、かつ、駆動電圧に制約がある場合には動作可能な温度域も広くなる。
【００３６】
図６は、電場の有無における液晶層と配向膜との界面を示す模式図である。図６中の「／／」は、基板面に水平配向処理を施したことを表し、「⊥」は垂直配向処理を施したことを示す。図６中の複数の短い直線は、ダイレクターの長軸Ｚｌを示す。図９に示すように、等方相でも液晶層と基板面との界面近傍には、界面配向処理によってこの処理に起因するダイレクターが形成される。また、そのダイレクターは界面配向処理によって異なる。
【００３７】
電圧が印加されると、等方相の領域には電場に起因するダイレクターが形成される。誘電率異方性が負であるネマティック液晶材料の場合には、発生する電界方向に対し、法線方向にダイレクターが形成される。このため、垂直配向処理では液晶層内のダイレクターと界面とのダイレクターとの間に弾性ひずみが生じる。この弾性ひずみが生じると、同一の温度においても弾性ひずみが生じない場合に比べ、外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象の閾値電圧が高い電圧を示す。つまり、弾性エネルギーが生じない方向に界面配向処理を施すことにより、閾値電圧を低下させることができる。
【００３８】
外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象の界面処理による閾値電圧は、水平配向、垂直配向、無配向の順に大きくなった。この結果から、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料は、電界方向に対して法線方向に界面配向処理を施す、すなわち、水平配向処理を施すことが好ましい。このようにすれば、前述した弾性ひずみを抑制できるので、閾値電圧を低下させ、電気光学装置１０の低電圧駆動を実現できる。
【００３９】
外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象の閾値電圧は、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料においても界面配向処理の影響を受け、無配向処理よりも低い駆動電圧を実現できる。このことから、界面配向処理を施すことは配向処理をしないよりも好ましい。
【００４０】
界面処理は、一般的にポリイミド材料によって製造された配向膜を用い、必要に応じてラビング布でラビング処理を施したりすることで実現できる。このような方法を用いれば、比較的容易に界面配向処理を実現することができる。この他にも、例えば、蒸着又は光配向用の膜等を用いて界面配向処理を実現してもよい。また、界面を制御するための膜を形成せずに、電極表面に凹凸を形成したり、電極表面にラビング布でラビング処理を施したりすることで、界面配向処理を実現してもよい。
【００４１】
＜１−４．直視型の表示装置＞
図７は、液晶相に対して一対の電極を対向配置した直視型表示装置に対応する液晶表示装置の断面図である。図７に示す液晶表示装置１０Ａは、図１、図２に示す電気光学装置１０のアレイ基板ＡＲ側に、光源としてのバックライト４を配置したものである。液晶表示装置１０Ａにおいて対向する電極である画素電極２０と共通電極２３との間には、電極面に対して法線方向に電界が生じる。液晶表示装置１０Ａは、バックライト４から直接表示光を視認することとなる。このように、液晶表示装置１０Ａは、直視型の表示装置である。
【００４２】
図８は、誘電率異方性が正、負と異なるネマティック液晶材料の液晶層における電界の有無によるダイレクターの変化を示した図である。図８に示すように、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料と誘電率異方性が正のネマティック液晶材料とでは、電界Ｅの方向に対して形成されるダイレクター（符号２、２’が対応）の長軸が異なる。その結果、図７のバックライト４から入射され、偏光板２４を通して形成された偏光は誘電率異方性が正のネマティック液晶材料で形成された液晶層を通過する際には、電圧の有無によらず位相差変化が生じない。結果として、液晶表示装置１０Ａの透過率変化が起こらない。一方、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料で形成された液晶層を通過する際には、電圧の有無により位相差変化が生じるために、液晶表示装置１０Ａにおいて、異なる透過率変化を視認することになる。
【００４３】
図８に示す例において、誘電率異方性が正の液晶材料の場合でも、対向する画素電極２０と共通電極２３との間には、電界Ｅによってダイレクター（符号２’が対応）は生じる。しかし、バックライト４から入射される光の方向に対してはダイレクターによる液晶層の位相差変化の効果が生じない。したがって、誘電率異方性が正の液晶材料１’を用いた液晶表示装置１０Ａは、液晶表示装置として必要な調光作用が発生しない。誘電率異方性が負の液晶材料１を用いると、ダイレクターによる液晶層の位相差変化の効果による調光作用が発生する。このため、誘電率異方性が負の液晶材料１を用いた液晶表示装置１０Ａは、直視型の表示装置として機能する。このように、誘電率異方性が負の液晶材料を用いることにより、画素電極２０と共通電極２３との間に液晶層ＬＣを有する液晶表示装置を直視型の表示装置として使用することができる。
【００４４】
本実施形態においては、誘電率異方性が負となるネマティック液晶材料を用いた、いわゆる直視型の液晶表示装置１０Ａにおいて、電圧の有無による等方相からのネマティック相の誘起及び消失現象を利用した透過率変化が確認された。結果として、本開示によれば、主として誘電率異方性が正のネマティック液晶材料の等方相温度領域において、外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象に基づく電気光学効果を利用した電気光学装置では実現が困難である直視型液晶表示装置を容易に実現できる。
【００４５】
前述した通り、誘電率異方性が負の液晶材料を用いることにより、外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象を利用して、画素電極２０と共通電極２３との間の間に液晶層ＬＣが設けられた液晶表示装置１０Ａのような直視型表示装置が実現できる。このことは液晶表示装置だけでなく、電気光学装置としての汎用性を拡大することとなる。誘電率異方性が負の液晶材料いることにより、例えば、誘電率異方性が正のネマティック液晶材料を用いた場合には実現が困難な電気光学装置である３Ｄ等の液晶バリア、光学シャッター等を容易に実現できる。
【００４６】
仮に、誘電率異方性が正のネマティック液晶材料を用いて、いわゆる直視型液晶表示装置等を実現しようとした場合、光源の指向性を制御するプリズム等を用いる方法がある。しかし、このような方法を用いると、液晶表示装置等は製造困難かつ製造コストの大幅な増加を招く可能性がある。誘電率異方性が負の液晶材料を用いることにより、光源の指向性を制御するプリズム等を使用する必要はないため、液晶表示装置等を容易に製造でき、かつその製造コストも低減できる。
【００４７】
外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象の光学特性には、誘電率異方性が正のネマティック液晶材料における外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象の臨界点ＣＰが存在することが知られている。誘電率異方性が正のネマティック液晶材料の等方相温度領域において、臨界点ＣＰが示す臨界温度ＴＣＰ及び臨界電場ＥＣＰが存在すると考えられている。すなわち、臨界温度ＴＣＰ未満の温度及び臨界電場ＥＣＰ未満の電界強度の環境下では、電気光学装置において透過率―電圧依存性にヒステリシスが生じることを示す。
【００４８】
また、外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象は、厳密には相転移現象としては区別することができなくなる。しかし、光学特性である屈折率異方性の電界効果は消失しないことから、臨界点ＣＰを上回る、すなわち臨界温度ＴＣＰ及び臨界電場ＥＣＰを上回る環境下における現象も、外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象の一部とみなす。
【００４９】
誘電率異方性が負のネマティック液晶材料においても、前述したヒステリシスと同様のヒステリシスが発生する可能性がある。このため、図５に示した温度よりも高温で、透過率と印加電圧との関係を求めた。
【００５０】
図９は、透過率と印加電圧との関係を示す図である。図９は、誘電率異方性が負のネマティック液晶材料を用い、かつ一対の対向電極（画素電極２０及び共通電極２３）の間に液晶層を備えた電気光学装置１０（図１、図２参照）を用い、電気光学装置１０の対向電極間の印加電圧を変化させたときにおける電気光学装置１０の透過率の変化を示している。図９中の実線は、印加電圧を増加させたときにおける透過率の変化を示し、点線は、印加電圧を低下させたときにおける透過率の変化を示している。図９に示すＡ、Ｂ、Ｃは、この順に液晶材料１の温度を高くしてある。
【００５１】
図９に示すように、温度が臨界温度ＴＣＰよりも低いときには、印加電圧の増加と低下との間で透過率の変化が異なるため、ヒステリシス特性を有していることを示す。臨界温度ＴＣＰ以上になると、前述したヒステリシス特性を有さなくなる。また、温度が臨界温度ＴＣＰよりも低く、かつ、電界Ｅの大きさが臨界電場ＥＣＰよりも低いときには、前述したヒステリシス特性を有し、臨界電場ＥＣＰ以上になると、温度Ｔに関係なく前述したヒステリシス特性を有さなくなる。また、図５及び図９に示すような印加電圧と透過率との関係は、例えば、ネマティック液晶材料の温度及び電界Ｅ中の電場を変更した数値シミュレーションも可能である。なお、本実施形態においては、図５及び図９に示す印加電圧と透過率との関係を実験により求めた。
【００５２】
＜１−５．電気光学装置の駆動方法＞
ネマティック液晶材料を用いた外部電界の有無によるネマティック相の誘起及び消失現象を利用した電気光学装置は、従来からの所定方向に配向したダイレクターの配向方向を電界により変化させ、光の透過量を変化させる液晶表示装置の駆動方法を用いて駆動も可能である。しかし、ネマティック液晶材料の温度Ｔが、ＴＮＩ＜Ｔ＜ＴＣＰの範囲では前述したヒステリシスが発生することから、電気光学装置１０の駆動電圧の印加方法を考慮する必要がある。この場合、例えば、オーバードライブ、周波数変調（例えば、二値の周波数変調）又は面積変調によって一対の対向電極間に印加する電圧を制御して、電気光学装置１０を駆動することが好ましい。オーバードライブは、対向する一対電極間に印加する電圧を、短時間、所定の電圧よりも高い電圧とした後に前述した所定の電圧とする駆動方式である。また、電気光学装置１０は、臨界温度ＴＣＰ以上かつ臨界電場ＥＣＰ以上の条件で用いられるように設計したり、ネマティック液晶材料の温度を制御したりしてもよい。
【００５３】
＜１−６．温度制御の一例＞
図１０は、温度センサを備えた電気光学装置の一例を示す断面図である。図１０に示す電気光学装置１０Ｂは、図１、図２に示す電気光学装置１０に、温度センサ４０を備えたものである。等方相温度領域での負の誘電率異方性を有するネマティック液晶材料における電場誘起相転移を利用した電気光学装置の場合、相転移温度を下回る温度では、使用ができなくなる。このため、電気光学装置１０Ｂは、使用環境の温度の影響を受けないように、液晶層に用いられるネマティック液晶材料の温度を制御することが好ましい。さらに、電気光学装置１０Ｂは、駆動方法が容易な温臨界温度ＴＣＰ以上で用いられることが好ましい。
【００５４】
また、図１０に示す電気光学装置１０Ｂは、温度センサ４０を有している。温度センサ４０が取り付けられる場所は特に限定されないが、本実施形態では、第１の透明基板１１の液晶層とは反対側に取り付けられている。温度調整部としての制御装置５０は、温度センサ４０によって検出された温度Ｔｓ（液晶層に用いられるネマティック液晶材料の温度に相当）に基づいて、ネマティック液晶材料の温度を調整する。
【００５５】
例えば、制御装置５０は、温度センサ４０によって検出された温度Ｔｓが、等方相温度ＴＮＩ未満にならないように制御する。この場合、制御装置５０は、例えば、Ｔｓ＜相転移温度になる可能性が発生したら、ヒーター４１によって電気光学装置１０Ｂを昇温させ、ネマティック液晶材料の温度を等方相温度以上に保持する。
【００５６】
電気光学装置１０Ｂの冷却機構を設ける、例えば、液晶プロジェクタに用いられているファンによる冷却を用いてネマティック液晶材料の温度を制御してもよい。さらに、電気光学装置１０Ｂを、例えば、テレビ等で用いられている温度を放出するシート又はヒートシンク等を用いてネマティック液晶材料の温度を調整してもよい。このような冷却構造に基づき、電気光学装置１０Ｂに昇温及び冷却機構設け、温度センサによる温度制御を行うことで、一定の温度範囲内での電圧駆動とすると、所望とする透過率を電圧によって安定して提供することができる。
【００５７】
制御装置５０は、温度センサ４０によって検出された温度Ｔｓに基づいて、電気光学装置１０Ｂの駆動方式を切り替えてもよい。この場合、例えば、Ｔｓ＜ＴＣＰである場合、ネマティック液晶材料が等方相温度領域にあるが、ヒステリシスが生じる。このため、制御装置５０は、一対の画素電極２０と共通電極２３との間に、オーバードライブ、周波数変調（例えば、二値の周波数変調）又は面積変調等の駆動方法を用いた、ネマティック液晶材料からのネマティック相の誘起及び消失現象に基づく光透過率の変化が生じる電圧を印加する。Ｔｓ≧ＴＣＰである場合、ネマティック液晶材料の温度がヒステリシスを生じない温度領域にあるため、ネマティック液晶材料を用いたネマティック液晶材料からのネマティック相の誘起及び消失現象を利用した電気光学装置１０Ｂは、所定方向に配向したダイレクターの配向方向を電界により変化させ、光の透過量を変化させる駆動方法と同一にすることができる。液晶材料１のダイレクターの配置の変化に基づく光透過率の変化が生じる電圧を印加する。このように、ネマティック液晶材料の温度が臨界温度ＴＣＰ以上かＴＣＰ未満かによって電気光学装置１０Ｂの駆動方式を変更することにより、ヒステリシスの影響を考慮して適切に電気光学装置１０Ｂを駆動することができる。
【００５８】
＜１−７．他の構成における電気光学装置＞
前述した説明では、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａにおいて、カラーフィルター基板ＣＦにカラーフィルター層に代えてオーバーコート層を備えている例を示したが、通常の電気光学装置及び液晶表示装置のように各種の色のカラーフィルター層を備えているものとすれば、前述した効果を奏しながらも各種のカラー表示が可能な電気光学装置及び液晶表示装置が得られる。さらに、前述した電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａは、一対の偏光板をクロスニコル配置した例を示したが、一対の偏光板を平行ニコル配置となるように配置してもよい。この場合、前述した電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａは、ノーマリーホワイト型となる。さらに、前述した電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａは、ＴＮ（Twisted  Nematic）モード、ＶＡ（Vertical  Alignment）モード、ＭＶＡ（Multi-domain  Vertical  Alignment）モード、ＥＣＢ（Electrically  Controlled  Birefringence）モード等の縦電電界方式の電気光学装置及び液晶表示装置と同様の電極配置とした例を示したが、ＦＦＳモード、ＩＰＳモード等の横電界方式の電気光学装置及び液晶表示装置と同様の電極配置とすることもできる。
【００５９】
＜２．電子機器＞
次に、本開示に係る電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａを表示部として用いる電子機器、すなわち、本開示に係る電子機器の具体例について説明する。
【００６０】
図１０〜図２２は、本実施形態に係る電気光学装置を備えた電子機器の一例を示す図である。電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａは、テレビジョン装置、ディジタルカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯端末装置又はビデオカメラ等のあらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。言い換えると、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａは、外部から入力された映像信号又は内部で生成した映像信号を、画像又は映像として表示するあらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。
【００６１】
（適用例１）
図１０及び図１１に示す電子機器は、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａが適用されるテレビジョン装置である。このテレビジョン装置は、例えば、フロントパネル５１１及びフィルターガラス５１２を含む映像表示画面部５１０を有しており、この映像表示画面部５１０に、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａが適用される。
【００６２】
（適用例２）
図１２及び図１３に示す電子機器は、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａが適用されるディジタルカメラである。このディジタルカメラは、例えば、フラッシュ用の発光部５２１、表示部５２２、メニュースイッチ５２３及びシャッターボタン５２４を有しており、その表示部５２２には、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａが適用されている。
【００６３】
（適用例３）
図１４に示す電子機器は、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａが適用されるビデオカメラの外観を表すものである。このビデオカメラは、例えば、本体部５３１、この本体部５３１の前方側面に設けられた被写体撮影用のレンズ５３２、撮影時のスタート／ストップスイッチ５３３及び表示部５３４を有している。そして、表示部５３４には、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａが適用されている。
【００６４】
（適用例４）
図１５に示す電子機器は、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａが適用されるノート型パーソナルコンピュータである。このノート型パーソナルコンピュータは、例えば、本体５４１、文字等の入力操作のためのキーボード５４２及び画像を表示する表示部５４３を有している。表示部５４３は、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａが適用されている。
【００６５】
（適用例５）
図１６〜図２２に示す電子機器は、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａが適用される携帯電話機である。この携帯電話機は、例えば、上側筐体５５１と下側筐体５５２とを連結部（ヒンジ部）５５３で連結したものであり、ディスプレイ５５４、サブディスプレイ５５５、ピクチャーライト５５６及びカメラ５５７を有している。そのディスプレイ５５４は、電気光学装置１０、１０Ｂ及び液晶表示装置１０Ａが取り付けられている。
【００６６】
＜３．本開示の構成＞
本開示は以下のような構成を採ることができる。
（１）誘電率異方性が負となるネマティック液晶材料を挟持して対向配置された第１基板及び第２基板と、
前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも一方の前記ネマティック液晶材料側に形成された一対の電極と、
前記第１基板及び前記第２基板の前記ネマティック液晶材料とは反対側にそれぞれ配置された一対の偏光板と、
を含み、前記ネマティック液晶材料の等方相温度領域において、前記一対の電極間に印加される電圧に応じた等方相からネマティック相への相転移に基づく光透過率の変化を利用した、電気光学装置。
（２）前記第１基板及び前記第２基板はそれぞれ前記ネマティック液晶材料の界面に界面配向処理が施される、前記（１）に記載の電気光学装置。
（３）電界方向に対して垂直な方向に前記界面配向処理が施される、前記（２）に記載の電気光学装置。
（４）前記ネマティック液晶材料の臨界温度以上の温度、かつ前記ネマティック液晶材料の臨界電場以上の範囲で用いられる、前記（１）から前記（３）のいずれか１つに記載の電気光学装置。
（５）前記一対の電極間に印加される電圧は、オーバードライブ又は周波数変調法により制御される、前記（１）から前記（４）のいずれか１つに記載の電気光学装置。
（６）前記ネマティック液晶材料の温度に基づき、前記ネマティック液晶材料の温度を調整する温度調整部を有する、前記（１）から前記（５）のいずれか１つに記載の電気光学装置。
（７）前記（１）から前記（６）のいずれか１つに記載の電気光学装置を表示装置として備えた電子機器。
【００６７】
以上、本開示について説明したが、上述した内容により本開示が限定されるものではない。また、上述した本開示の構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、上述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本開示の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００６８】
１、１’  ネマティック液晶材料
２  液晶分子
４  バックライト
１０、１０Ｂ  電気光学装置
１０Ａ  液晶表示装置
１１  第１の透明基板
２０  画素電極
２１  第２の透明基板
２２  オーバーコート層
２３  共通電極
２４  第１の偏光板
２５  第２の偏光板
３１  第１配向膜
３２  第２配向膜
４０  温度センサ
４１  ヒーター
５０  制御装置
ＡＲ  アレイ基板
ＣＦ  カラーフィルター基板
ＬＣ  液晶層
ＴＮＩ  等方相温度
【図１】
2014157293.tif 000003
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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