(57)【特許請求の範囲】
【請求項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複数の柱状スペーサーと、
前記液晶層に電界を印加するための電界印加手段と、
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、かつ、それぞれが前記液晶層との界面において当該液晶層の液晶分子に付与するプレティルト角が２０°以上であり、
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するものであり、
前記電界印加手段は、前記第１基板及び前記第２基板の厚さ方向に沿った電界である縦電界を印加するための電極と、前記第１基板及び前記第２基板の各一面にほぼ平行な方向の電界である横電界を印加するための電極とを有しており、
前記複数の柱状スペーサーは、前記縦電界を印加するための電極の端部に配置されている、
液晶素子。
【請求項２】
前記複数の柱状スペーサーの各々は、平面視においてライン状又はドット状の外形を有する、請求項１に記載の液晶素子。
【請求項３】
前記電界印加手段によって、前記縦電界が印加されたことにより前記液晶層が前記第１配向状態へ遷移し、前記横電界が印加されたことにより前記液晶層が前記第２配向状態へ遷移する、請求項１又は２に記載の液晶素子。
【請求項４】
複数の画素部を備え、当該複数の画素部の各々が請求項１〜３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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
しかしながら、上記した先行例の液晶表示素子は、室温でのメモリ性は高いものの周辺温度が高くなると（例えば６０℃以上）、メモリ性が低下して部分的に表示状態が保持されなくなる場合がある。このため、例えば車載用、航空機用、屋外用など比較的に周辺温度の変化が大きい使用条件においてはメモリ性が不十分となる。また、先行例の液晶表示素子では、基板間に散布したギャップ材の間に生じるディスクリネーション筋により、上記した第２旋回方向へねじれたスプレイツイスト配向の領域での透過率が低下する場合があるという点で改良の余地がある。さらに、上記した第１旋回方向へねじれたリバースツイスト配向の領域とスプレイツイスト配向の領域との境界線がディスクリネーション筋の形状を反映することで境界線が凹凸状になり、表示品位が低下する場合があるという点でも改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２０３５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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の高温環境下におけるメモリ性を向上す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ディスクリネーション筋に起因する表示品位の低下を防ぐことが可能な技術を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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）第１基板の一面と第２基板の一面との間に設けられた複数の柱状スペーサーを含み、（ｄ）液晶層に電界を印加するための電界印加手段と、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、かつ、それぞれが液晶層との界面において当該液晶層の液晶分子に付与するプレティルト角が２０°以上であり、（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するものであり、（ｇ）電界印加手段は、第１基板及び第２基板の厚さ方向に沿った電界である縦電界を印加するための電極と、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ平行な方向の電界である横電界を印加するための電極とを有しており、（ｈ）複数の柱状スペーサーは、縦電界を印加するための電極の端部に配置されている、ことを特徴とする液晶素子である。
【０００７】
上記の液晶素子では、複数の柱状スペーサーを用いて第１基板と第２基板の間隙を保持するように構成したことにより、第１配向状態の領域と第２配向状態の領域との境界付近に配置された柱状スペーサーが隔壁のように作用して２つの配向状態の不連続な状態とすることができる。それにより、配向状態の遷移を双方向的に遮断することができ、メモリ性を向上させることができるため、高温状態においてもそれぞれの配向状態を安定して保持することが可能となる。したがって、車載用、航空機用、屋外用など高い信頼性を要求される用途にも適用できるようになる。また、球状スペーサーをギャップ材として用いる場合に比べ、ギャップ材間のディスクリネーション筋がなくなるので、ディスクリネーション筋の形状に起因する表示品位の低下を回避することができる。さらに、ディスクリネーション筋に起因する弱い散乱が無くなるため、第２配向状態（スプレイツイスト状態）の領域における透過率が増加し、第１配向状態と第２配向状態の各領域間でのコントラスト比が向上する。
【０００８】
上記の液晶素子において、複数の柱状スペーサーの各々は、例えば平面視においてライン状又はドット状の外形を有する。
【０００９】
上記の液晶素子は、電界印加手段によって、縦電界が印加されたことにより液晶層が第１配向状態へ遷移し、横電界が印加されたことにより液晶層が第２配向状態へ遷移する。
【００１０】
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。
【００１１】
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、かつ高温下においてもメモリ性が低下せず、表示品位にも優れた液晶表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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】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】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】図４は、柱状スペーサーの平面視における形状を示す模式図である。
【図５】図５は、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模式的な断面図である。
【図６】図６は、液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。
【図７】図７は、実施例１の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図である。
【図８】図８は、実施例２の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。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。
【００１５】
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、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必要がある。これらの縦電界と横電界を自在に与えるための素子構造について、以下に具体例を挙げて説明する。
【００１６】
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。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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
柱状スペーサー６１は、第１基板５１と第２基板５４の間に配置されており、両者間の間隙を所定のセル厚（例えば数μｍ）に保持する。これらの柱状スペーサー６１は、例えば感光性樹脂材料を用いて形成される。本実施形態では、各柱状スペーサー６１は予め第１基板５１上に形成される。
【００２４】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、それぞれ、柱状スペーサーの平面視における形状を示す模式図である。各柱状スペーサー６１は、例えば図４（Ａ）に示すようにそれぞれが第１方向へ延在するライン状（図示の例では長尺の矩形状）に形成され、第２方向において等間隔で配置される。なお、柱状スペーサー６１の配置間隔は等間隔でなくてもよい。また、各柱状スペーサー６１は、例えば図４（Ｂ）に示すようにそれぞれがドット状（図示の例では正方形状）に形成され、等間隔マトリクス状に配置することができる。なお、各柱状スペーサー６１の形状は正方形状に限られないし、配置間隔も等間隔でなくてもよい。いずれの形状の柱状スペーサー６１を用いる場合でも、表示等の光変調に用いるエリア内における各柱状スペーサー６１の平面視における合計面積がエリアの全面積に対して３．８％以上であることがセル厚をより安定させる観点からは望ましい。
【００２５】
図５は、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模式的な断面図である。図５（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５（Ｂ）〜図５（Ｄ）は、第１〜第４電極の配置を断面で示した模式図である。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。
【００２６】
図５（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、すなわち「縦電界」である。
【００２７】
また、図５（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、すなわち「横電界」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。
【００２８】
また、図５（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、すなわち「横電界」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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
第１基板５１の第１電極５２上に柱状スペーサー６１を形成する。例えば、透明ネガ型感光性樹脂を第１基板５１の一面上にスピンナーにて塗布し（例えばスピンナーを３０秒間回転）、仮焼成する（例えば１００℃、１２０秒間）。なお、スピンナーの回転数を調整することにより膜厚０．５μｍ〜５μｍ程度の範囲で均一に成膜することができる。スピンナー塗布に代えてスリットコート装置を用いてもよい。この場合は膜厚１０μｍ程度まで均一に成膜することができる。成膜後、所望形状の柱状スペーサー６１に対応する露光パターンを有するフォトマスクを介して、高圧水銀ランプを光源とする密着露光機にて感光性樹脂膜に紫外線を照射する。露光条件は、例えば照度５．７９ｍＷ／ｃｍ２で３５秒間照射（２００ｍＪ／ｃｍ２）とする。その後、濃度１％の水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液に浸漬することにより感光性樹脂を現像し、純水にてリンスし、基板乾燥後、クリーンオーブン内にて２２０℃で３０分間の本焼成を行う。以上により、第１基板５１の一面上に複数の柱状スペーサー６１が形成される。
【００３４】
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（ＳｉＯ２膜）の積層膜を絶縁膜５６として用いる。
【００３５】
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ＳｉＯ２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、ＳｉＯ２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、ＳｉＯ２膜の絶縁性と透明性を上げるためである。ＳｉＯ２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ＳｉＯ２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ＳｉＯ２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。
【００３６】
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５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。
【００３７】
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。
【００３８】
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℃、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。。
【００３９】
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上にはあらかじめシール材を印刷する。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。
【００４０】
以上により、本実施形態の液晶素子が完成する。このような本実施形態の液晶素子は、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）が低く、暗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）が高く、明る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。
【００４１】
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。
【００４２】
図６は、液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。図６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。
【００４３】
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６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６においては図示省略）と接続されている。
【００４４】
図６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（リバースツイスト状態）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（スプレイツイスト状態）としたい画素部７４には横電界を印加すればよい。
【００４５】
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。
【００４６】
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、透過率が変化しない。
【００４７】
また、制御線Ｃ１〜ＣｎおよびＤ１〜Ｄｎのうち、暗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、透過率が変化しない。
【００４８】
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。
【００４９】
（実施例１）
一方向に延在するライン状の柱状スペーサーを有する液晶素子を製造した。本実施例では、高さが４μｍ程度の柱状スペーサーを片側の基板上に形成した。感光性樹脂材料を塗布時にはスピンナーの回転数を６００ｒｐｍとした。また、柱状スペーサーの形状に対応してライン状に開口されたネガタイプのフォトマスク（ライン幅４０μｍ、ラインピッチ４００μｍ）を用いて露光を行った。それ以外の工程は上記した実施形態と同様である。このライン状の柱状スペーサーは液晶層を封止するためのメインシール材の部分には形成されないことが望ましい。次いで、配向膜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適度なプレティルト角が付与できるように調整したポリイミド膜を用いた。焼成温度を１６０℃〜２６０℃の間で設定した。配向膜の形成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たが、他の方式を用いても結果は同様である。配向膜の膜厚は５００Å〜８００Åとした。次にラビング処理を行った。ラビング時の押し込み量は０．８ｍｍ、ツイスト角φは７０°とした。セル厚ｄは４μｍとした。注入する液晶材料にはカイラル材を添加した。カイラル材の添加量はｄ／ｐ＝０．２０〜０．５３となるようにした。偏光板は互いの透過軸が略直交するようにし、かつ各偏光板の透過軸とラビング方向とが１５°となるように配置した。
【００５０】
図７（Ａ）〜図７（Ｄ）は、実施例１の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図である。各図中では、相対的に明るく見える領域がスプレイツイスト状態（初期配向）、暗く見える領域がリバースツイスト状態（縦電界によりスイッチングされた領域）に対応している。従来は２つの領域の境界が乱れてジグザグ状になっており、その部分を詳細に観察すると、ランダム散布された球状スペーサーを結ぶように領域の境界線が形成されており、球状スペーサーの位置に依存して配向のメモリ状態が保たれている様子が観察された。一方、図７（Ａ）〜図７（Ｄ）に示すように実施例１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の遷移がライン状の柱状スペーサーに沿ってせき止められる様子が観察された。詳細には、電界印加時の状態が図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）、図７（Ｄ）の順に時系列で示されている。縦電界を発生させるための電極の位置にもよるが、スプレイツイスト状態の領域とリバースツイスト状態の領域との境界部（すなわち縦電界をかけることのできる電極の端部）に延在方向を合わせた柱状スペーサーによる隔壁を設けることにより、これら２つの配向の領域を非連続な状態とし、柱状スペーサーで配向状態の遷移を双方向的に遮断することができ、配向状態のメモリ性を向上させることができることがわかった。この実施例１の液晶素子について配向状態の保持の安定性を調べるため、９０℃で３０分間程度加熱して観察したところ、それぞれの配向状態（スプレイツイスト状態もしくはリバースツイスト状態）が安定して保持されており、加熱前後でスプレイツイスト領域とリバースツイスト領域との境界部に変化がないことも確認した（図７（Ｄ）参照）。なお、従来の液晶素子のスプレイツイスト配向領域で見られたディスクリネーション筋が実施例１の液晶素子では全く見られないことが分かった。ディスクリネーション筋はギャップコントロール材である球状スペーサーを結ぶように形成されることが分かっており、ギャップコントロール材が不要な本実施例１の液晶素子ではディスクリネーション筋を無くすことができるものと思われる。
【００５１】
（実施例２）
マトリクス状に配置されたドット状の柱状スペーサーを有する液晶素子を製造した。本実施例では、高さが４μｍ程度の柱状スペーサーを片側の基板上に形成した。感光性樹脂材料を塗布時にはスピンナーの回転数を６００ｒｐｍとした。また、柱状スペーサーの形状に対応してドット状に開口されたネガタイプのフォトマスク（ドットサイズ４０μｍφ、ドット密度３．８％程度）を用いて露光を行った。それ以外の工程は上記した通りである。このドット状の柱状スペーサーは液晶層を封止するためのメインシール材の部分には形成されないことが望ましい。それ以外の製造条件は実施例１の場合と同様である。
【００５２】
図８は、実施例２の液晶素子の顕微鏡観察像を示す図である。図中では、相対的に明るく見える領域がスプレイツイスト状態（初期配向）、暗く見える領域がリバースツイスト状態（縦電界によりスイッチングされた領域）に対応している。図８より、スプレイツイスト状態の領域とリバースツイスト状態の領域との境界線がきれいな直線状になっていることが分かる。ここでは図８で見られる境界線と縦電界を印加するための電極の端部はほぼ一致しており、このようにドット状の柱状スペーサーの位置と電極の位置を合わせることにより、スプレイツイスト状態とリバースツイスト状態の境界線をシャープにすることができることが分かる。なお、上記のような柱状スペーサーの配置を得るには柱状スペーサーの形成時の露光においてフォトマスクの位置を電極の位置に対応させて調整すればよく、特に工程の追加にはならない。ここでは電極の端部形状が直線状の場合について説明したが、電極の端部形状が曲線状であってもよい。その場合、曲線の位置にあわせてドット状の柱状スペーサーを配置するように設計したフォトマスクを用いればよい。なお、柱状スペーサーの位置が多少変わったとしてもドット密度をほぼ同じにしてやれば性能や表示品位に影響はない。また、このとき柱状スペーサーの位置については、電極端部に対し電極の内側に向かって最短距離の柱状スペーサーは１００μｍ以内の位置に配置されることが望ましい。なお、図８の実施例のように柱状スペーサーが１００μｍピッチで平面配置されるのであれば、どの位置であっても前記条件を満たすため、電極と柱状スペーサーの位置を精度良く合わせる必要はない。柱状スペーサーのピッチが１００μｍよりも大きい、もしくは不規則な場合でも、画素を形成する電極の端部から内側に向かって１００μｍ以内の領域で、最短距離にある柱状スペーサーが電極の端部形状にあった配置をしていれば構わない。また、本実施例２のようにドット状の柱状スペーサーを用いた場合には、実施例１のようなライン状の柱状スペーサーを用いた場合に比べ、液晶材料の注入がより容易になる。これは、液晶材料の流動を妨げる要素が少ないからである。
【００５３】
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の高温環境下におけるメモリ性を向上することが可能となり、かつディスクリネーション筋に起因する表示品位の低下を防ぐことが可能となる。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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
【００５７】
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。また、液晶層を構成する液晶材料中に紫外線等によって重合可能な材料（モノマー）を添加しておき、基板間へ液晶材料を注入した後に紫外線等を照射することにより上記モノマーを重合させてもよい。この場合、配向状態のメモリ性をさらに改善することができる。
【符号の説明】
【００５８】
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
６１：柱状スペーサー
７１、７２、７３：ドライバー
７４：画素部
Ａ１〜Ａｎ、Ｂ１〜Ｂｍ、Ｃ１〜Ｃｎ、Ｄ１〜Ｄｎ：制御線
【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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