(57)【要約】      （修正有）【課題】２つの配向状態間の遷移を利用する新規なＴＮ型液晶素子を提供する。【解決手段】各々の一面に配向処理が施されており、相互に対向配置された第１基板11及び第２基板15と、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14と、液晶層に電界を印加するための電界印加手段12,16,18,19と、を含み、第１基板及び第２基板は、液晶分子に対して第１旋回方向へ捻れた第１配向状態が生じやすいように配置されており、液晶層は、液晶分子に対して第１旋回方向とは逆の第２旋回方向に捻れた第２配向状態を生じさせるカイラル剤が添加されており、電圧印加手段によって、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ垂直な方向に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、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ平行な電界の印加により液晶層が第２配向状態へ遷移する、構成とする。【選択図】図１
2011107376.tif 000002
【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、相互に対向配置された第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に対して第１旋回方向へ捻れた第１配向状態が生じやすいように相対的に配置されており、
前記液晶層は、前記液晶分子に対して前記第１旋回方向とは逆の第２旋回方向に捻れた第２配向状態を生じさせる性質を有するカイラル剤が添加されており、
前記電圧印加手段によって、前記第１基板及び前記第２基板の各一面にほぼ垂直な方向に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、前記第１基板及び前記第２基板の各一面にほぼ平行な方向に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、
液晶素子。
【請求項２】
前記液晶層は、前記電界印加手段により電界が印加されていないときに、前記第１配向状態又は前記第２配向状態を維持する、
請求項１に記載の液晶素子。
【請求項３】
前記電界印加手段は、
前記第１基板の一面側に設けられた第１電極と、
前記第２基板の一面側に設けられた第２電極と、
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、相互に離間して配置された第３電極及び第４電極と、を有する、
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それぞれが請求項１〜３の何れか１項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、液晶素子およびこれを備える液晶表示装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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、それにより閾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）。
【０００４】
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、上記したように閾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、逆に閾値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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２５１０１５０号公報
【特許文献２】特開２００７−２９３２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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ＴＮ型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ＴＮ型液晶素子を用い、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、相互に対向配置された第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）液晶層に電界を印加するための電界印加手段と、を含み、（ｄ）第１基板及び第２基板は、液晶層の液晶分子に対して第１旋回方向へ捻れた第１配向状態が生じやすいように相対的に配置されており、（ｅ）液晶層は、液晶分子に対して第１旋回方向とは逆の第２旋回方向に捻れた第２配向状態を生じさせる性質を有するカイラル剤が添加されており、（ｆ）電圧印加手段によって、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ垂直な方向に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、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ平行な方向に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、液晶素子である。
【０００８】
上記の構成によれば、２つの配向状態間の遷移を利用して、透過光の状態を２つの異なる状態に制御することができる。２つの配向状態のいずれかに遷移させるとき以外には基本的に電界印加が不要であるため、極めて低い消費電力で液晶素子を駆動することができる。特に、反射型の液晶素子とした場合には低消費電力のメリットが大きい。また、この液晶素子は一般的なＴＮ型液晶素子と同様に比較的優れた視角特性を有する。視角補償を行う場合には、一般的なＴＮ型液晶素子に用いられるものと同様の安価な光学補償フィルムを活用できる。製造工程についても一般的なＴＮ型液晶素子と基本的に同じであるため、本発明に係る液晶素子を低コストに製造することが可能である。
【０００９】
好ましくは、上記した液晶層は、電界印加手段により電界が印加されていないときにおいても第１配向状態又は第２配向状態を維持する。
【００１０】
上述した電界印加手段は、例えば、第１基板の一面側に設けられた第１電極と、第２基板の一面側に設けられた第２電極と、第２基板の第２電極の上側に絶縁膜を介して設けられ、相互に離間して配置された第３電極及び第４電極と、を有して構成される。
【００１１】
第１電極と第２電極の間に電圧を印加することにより、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ垂直な方向に電界を発生することができる。また、第３電極と第４電極の間に電圧を印加することにより、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ平行な方向に電界を発生することができる。また、第３電極及び第４電極と第２電極との間に電圧を印加することによっても、第１基板及び第２基板の各一面にほぼ平行な方向に電界を発生することができる。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態の液晶素子の構造を示す模式的な断面図である。
【図２】各電極の構造を模式的に示した平面図である。
【図３】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４】電圧無印加時における液晶層の液晶分子の配向状態を説明するための模式的な斜視図である。
【図５】電圧無印加時における液晶層の液晶分子の配向状態を説明するための模式的な斜視図である。
【図６】双安定性を得られる条件についてより詳細に説明するための図である。
【図７】液晶素子について、各電極を用いて液晶層に電界を印加し、スイッチングしたときの様子を観察した図（顕微鏡写真）である。
【図８】実施例の液晶素子の電気光学特性（電圧−透過率特性）の測定結果を示す図である。
【図９】実施例の液晶素子の電気光学特性（電圧−透過率特性）の測定結果を示す図である。
【図１０】実施例の液晶素子の電気光学特性（電圧−透過率特性）の測定結果を示す図である。
【図１１】ケースIおよびケースIIについて、配向の安定性とセル条件との関係を理論計算により求めた結果を示す図である。
【図１２】ケースIIIについて、配向の安定性とセル条件との関係を理論計算により求めた結果を示す図である。
【図１３】ラビング方向と横電界の方向との関係について実験により検討した結果を説明するための図である。
【図１４】実施例の液晶素子の透過率特性の測定例を示す図である。
【図１５】透過率特性の測定結果をまとめた特性表を示す図である。
【図１６】透過率特性の測定結果をまとめた特性表を示す図である。
【図１７】透過率特性の測定結果をまとめた特性表を示す図である。
【図１８】液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は、一実施形態の液晶素子の構造を示す模式的な断面図である。図１に示す本実施形態の液晶素子は、対向配置された第１基板１１と第２基板１５と、両基板の間に配置された液晶層１４と、を基本構成として備える。第１基板１１の外側には第１偏光板２１が配置され、第２基板１５の外側には第２偏光板２２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１４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１１は、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。第２基板１５は、第１基板１１と同様に、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。第１基板１１と第２基板１５との相互間には、例えば多数のスペーサー（粒状体）が分散して配置されており、それらのスペーサーによって第１基板１１と第２基板１５との相互間隔が保たれる。
【００１８】
第１電極１２は、第１基板１１の一面側に設けられている。同様に、第２電極１６は、第２基板１５の一面側に設けられている。また、第３電極１８および第４電極１９は、第２基板１５の第２電極１６の上側に絶縁層１７（例えば酸化珪素膜等）を介して設けられており、相互に離間している。第１電極１２、第２電極１６、第３電極１８及び第４電極１９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】
配向膜１３は、第１基板１１の一面側に、第１電極１２を覆うようにして設けられている。同様に、配向膜２０は、第２基板１５の一面側に、第２電極１６を覆うようにして設けられている。本実施形態においては、配向膜１３および配向膜２０としては、液晶層１４の初期状態（電圧無印加時）における配向状態を水平配向状態に規制するもの（水平配向膜）が用いられている。これらの配向膜１３、２０に対して、典型的にはラビング処理を施すことにより、液晶層１４に対する配向規制力を生じるとともにプレティルト角を付与する効果を発揮する。すなわち、第１基板１１、第２基板１５のそれぞれの一面に配向処理が施されたことになる。
【００２０】
液晶層１４は、第１基板１１の第１電極１２と第２基板１５の第２電極１６との相互間に設けられている。本実施形態においては、誘電率異方性Δεが正（Δε＞０）の液晶材料（ネマティック液晶材料）を用いて液晶層１４が構成されている。液晶層１４に図示された楕円は、液晶層１４内の液晶分子を模式的に示したものである。電圧無印加時における液晶分子は、第１基板１１および第２基板１５の各基板面に対して所定のプレティルト角を有してほぼ水平に配向する。本実施形態では、第１基板１１と第２基板１５のそれぞれにおける配向規制力が生じる方向を交差させることにより、液晶層１４における液晶分子の配向方位が第１基板１１と第２基板１５との間で徐々に捻れるツイステッド・ネマチック型の配向状態としている。これについては更に詳細を後述する。
【００２１】
図２は、各電極の構造を模式的に示した平面図である。図２に示すように、第３電極１８および第４電極１９は、それぞれ櫛歯状の形状を有しており、両者の電極枝が互い違いとなるように配置されている。第１電極１２および第２電極１６は、それぞれ、第３電極１８および第４電極１９の各電極枝と重なるように配置されている。第１電極１２と第２電極１６とは、互いの少なくとも一部が重なるように配置されている。これらの各電極は液晶層１４に対して電界を与えるための電界印加手段として機能する。
【００２２】
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では説明の便宜上、各電極だけを模式的に示している。図３（ａ）に示すように、第１電極１２と第２電極１６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１１および第２基板１５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。
【００２３】
また、図３（ｂ）に示すように、第３電極１８と第４電極１９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１１および第２基板１５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「ＩＰＳモード」と称する場合もある。
【００２４】
また、図３（ｃ）に示すように、第３電極１８および第４電極１９と第２電極１６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１１および第２基板１５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。
【００２５】
図４および図５は、電圧無印加時における液晶層の液晶分子の配向状態を説明するための模式的な斜視図である。本実施形態の液晶素子は、電圧無印加時における配向状態として２つの安定的な配向状態を有する、いわゆる双安定性の液晶素子である。そして、上記した各電極を用いて液晶層１４に電界を印加することにより、一方の配向状態から他方の配向状態へ遷移させることが可能である。
【００２６】
具体的には、図４に示す液晶素子は、液晶層１４の液晶分子が第１旋回方向へ捻れた配向状態（第１配向状態）となっている。この液晶層１４の液晶分子を第１基板１１側から平面視したとすれば、反時計回りに捻れが生じている。このような第１配向状態は、第１基板１１および第２基板１５の各一面に施された配向処理によって生じるプレティルト角の相対的な関係に基づいて捻れやすい方向（優位な方向）に液晶分子が捻れることによって実現されるものである。この第１配向状態は、電圧無印加時においても安定的に維持される。一方、図５に示す液晶素子は、液晶層１４の液晶分子が上記の第１旋回方向とは逆の第２旋回方向へ捻れた配向状態（第２配向状態）となっている。この液晶層１４の液晶分子を第１基板１１側から平面視したとすれば、時計回りに捻れが生じている。このような第２配向状態は、第１基板１１および第２基板１５の各一面に施された配向処理によって生じるプレティルト角の相対的な位置関係に基づいて捻れやすい方向とは逆方向への捻れを生じさせる性質を有するカイラル剤を液晶層１４に添加することによって実現されるものである。この第２配向状態についても電圧無印加時においても安定的に維持される。
【００２７】
上述した各電極を用いて液晶層１４に横電界または縦電界を適宜に印加することにより、第１配向状態から第２配向状態に、またはその反対に配向状態の遷移を生じさせることができる。具体的には、第１電極１２と第２電極１６を用いて（図３（ａ）参照）、第１基板１１と第２基板１５の各一面にほぼ垂直な方向に電界（縦電界）が印加されたことにより、液晶層１４の配向状態が第１配向状態へ遷移する（図４参照）。また、第３電極１８と第４電極１９を用い（図３（ｂ）参照）、あるいは第３電極１８、第４電極１９と第２電極１６を組み合わせて用いて（図３（ｃ）参照）、第１基板１１と第２基板１５の各一面にほぼ水平な方向に電界（横電界）が印加されたことにより、液晶層１４の配向状態が第２配向状態へ遷移する（図５参照）。いずれの場合においても、電界を印加後、電界無印加としても第１配向状態または第２配向状態が維持される。すなわち、双安定性を呈する。
【００２８】
双安定性を得られる条件についてより詳細に説明する。上記のような双安定性は、第１基板１１および第２基板１５の各一面におけるプレティルト角や液晶層１４の液晶分子の捻れ角（ツイスト角）の関係と液晶層１４に添加するカイラル剤の捻れ力（カイラリティ）をある特定範囲に設定したときに得られる特殊な状態を利用することによって得られる。この「特殊な状態」について図６の表を使って説明する。特殊な状態とは、図示のようなケース（CASE）I〜IIIに分類したときに、第１配向状態と第２配向状態のいずれも極めて安定的に維持される状態をいう。具体的には、ケースIは、配向膜１３、２０のそれぞれに対するラビング方向のなす角度を１００°とし、セル厚（液晶層１４の層厚）ｄとカイラル剤のカイラルピッチｐの比ｄ／ｐを０．０４とした条件をいう。ケースIIは、ラビング方向のなす角度を８７°、ｄ／ｐを０とした条件をいう。また、ケースIIIは、ラビング方向のなす角度を７５°、ｄ／ｐを０．０４とした条件をいう。
【００２９】
以下に、より具体的な実施例を通じて本発明をさらに詳述する。
【００３０】
まず、液晶素子の製造方法の具体例について説明する。
第１基板１１、第２基板１５として、透明導電膜の１つであるＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜が予め形成されたガラス基板を用いた。第１基板１１については、このＩＴＯ膜付きガラス基板のＩＴＯ膜をフォトリソ等の手法によってパターニングすることにより、第１電極１２を形成した。エッチング方法としては、第二塩化鉄溶液によるウェットエッチングを用いた。ここでのパターニングは、図示しない取り出し電極部分と、第１電極１２に該当する部分とが残るようにした。第２基板１５についても同様にパターニングすることにより第２電極１６を形成した。
【００３１】
次いで、第２基板１５の第２電極１６の上側に絶縁層１７を形成した。その際、取り出し電極部分には絶縁層１７が形成されないように工夫する必要がある。例えば、取り出し電極部分に予めレジストを形成しておき、絶縁層１７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等の成膜方法を用いて絶縁層１７を形成する方法などが挙げられる。絶縁層１７としては、有機絶縁膜、酸化珪素膜や窒化珪素膜等の無機絶縁膜、およびこれらの組みあわせ（積層膜）等が挙げられる。本実施例では、アクリル系有機絶縁膜と酸化珪素膜の積層膜を絶縁層１７として用いた。なお、成膜方法としてはスパッタ法以外にスピンコート法、スリットコート法、インクジェット法などの版を用いない印刷法や、フレキソ印刷に代表される版を用いる印刷法を採用し得る。また、真空蒸着法、イオンビーム法、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）など種々の成膜方法を採用し得る（以下も同様）。
【００３２】
ガラス基板上の取り出し電極部分（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材料をガラス基板上にスピンコートした。2000rpmにて30秒間スピンさせる条件で、膜厚１μｍの膜を得た。これをクリーンオーブンにて220℃、１時間の条件で焼成した。次に、耐熱性のフィルムを貼ったままでスパッタ法（交流放電）によって酸化珪素膜を成膜した。ガラス基板を80℃に加熱し、1000オングストロームの酸化珪素膜を形成した。ここで耐熱性のフィルムを剥がすと、有機絶縁膜、酸化珪素膜ともにきれいに剥がすことができた。このガラス基板をさらにクリーンオーブンにて220℃、１時間の条件で焼成した。これは酸化珪素膜の絶縁性と透明性を上げるための処理である。
【００３３】
なお、酸化珪素膜は必ずしも形成しなくてもよいが、酸化珪素膜を形成することにより、その後に形成するＩＴＯ膜等の透明導電膜の密着性およびパターン精度が向上するという効果が得られる。また、絶縁層１７全体としての絶縁性も向上する。一方で、有機絶縁膜を形成せずに、酸化珪素膜のみで絶縁層１７を形成することも考えられる。その場合、酸化珪素膜は多孔質になりやすいため、膜厚を十分に厚くする（例えば4000〜8000オングストローム程度とする）ことが望ましい。また、窒化珪素膜と酸化珪素膜との積層膜にしてもよい。この場合には、例えばスパッタ法などにより両者を交互に成膜すればよい。
【００３４】
続いて、第２基板１５としてのガラス基板の絶縁層１７上に、スパッタ法（交流放電）にてＩＴＯ膜を形成した。詳細には、100℃に基板加熱を行い、約1200オングストロームのＩＴＯ膜を基板全面に形成した。このＩＴＯ膜をフォトリソ等によってパターニングした。フォトマスクとしては、最終的に得たい第３電極１８および第４電極１９の形状（図２参照）に対応した櫛歯状のマスクパターンを有するものを用いた。第３電極１８および第４電極１９のそれぞれは、櫛歯状に形成された各電極枝の幅が20,30μｍの２種類のいずれかに設定され、各電極枝の相互間隔を20,30,50,100,200μｍの５種類のいずれかに設定された。なお、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膜が除去されるので、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た。以上により、第２電極１６、第３電極１８および第４電極１９を有する第２基板１５が完成した。
【００３５】
次いで、上記のようにして作製した第１基板１１と第２基板１５を用いて液晶素子（液晶セル）を作製した。具体的には、まず、第１基板１１と第２基板１５に対して水洗浄（ブラシ洗浄もしくはスプレー洗浄、純水洗浄等）、水切り、紫外線洗浄、乾燥の各工程を行った。
【００３６】
その後、第１基板１１と第２基板１５のそれぞれの一面に配向膜材料を塗布した。配向膜として、本実施例では一般にＳＴＮ型液晶素子用の配向膜として用いられる比較的に高いプレティルト角を示すポリイミド膜を用いた。第１基板１１と第２基板１５の各一面に配向膜材料を塗布し、それらをクリーンオーブンにて180℃で１時間焼成した。配向膜材料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法など種々の方法を採用し得る。本実施例ではスピンコート法を用いた。スピンコートの条件については、配向膜の膜厚が500〜800オングストロームとなるように調整した。その後、第１基板１１の配向膜１３、第２基板１５の配向膜２０のそれぞれに対して配向処理の１つであるラビング処理を行った。ラビング時の押し込み量は0.4ｍｍとしたが、一般にストロングアンカリング条件と呼ばれる条件であれば特に差はない。このときに各配向膜によって液晶分子に付与されるプレティルト角は６°〜１２°程度であった。
【００３７】
次いで、第１基板１１と第２基板１５を相互の一面が向かい合う状態にして貼り合わせた。捻れ角（ツイスト角）については、ケースIではラビング方向のなす角度である100°、ケースIIでは87°、ケースIIIでは75°とした。また、第１基板１１と第２基板１５の隙間、すなわち液晶層１４の層厚（セル厚）については４μｍとなるようにした。その後、第１基板１１と第２基板１５の隙間に液晶材料を注入することにより液晶層１４を形成した。液晶材料にはカイラル剤が添加された。このカイラル剤の添加量については、上述したように、ケースIではｄ／ｐが0.04、ケースIIではｄ／ｐが0、ケースIIIではｄ／ｐが0.04、となるように調整した。
【００３８】
その後、第１基板１１の外側に第１偏光板２１を貼り合わせ、第２基板１５の外側に第２偏光板２２を貼り合わせた。各偏光板の吸収軸については、一方（例えば第１偏光板２１）についてはラビング方向と吸収軸を平行にし、他方（例えば第２偏光板２２）についてはラビング方向と吸収軸とを45°ずらすようにした。一般的には、ラビング方向と偏光板の吸収軸とは平行もしくは直交となるように配置されることが多いが、本実施例の場合にはそのような配置では第１配向状態と第２配向状態との間で透過率の差が得られにくいため、敢えて吸収軸の配置をラビング方向に対して平行または直交のいずれからもずらした。
【００３９】
以上のようにして作製した液晶素子について、各電極を用いて液晶層１４に電界を印加し、スイッチングしたときの様子を観察した顕微鏡写真を図７に示す。図７に示す顕微鏡写真は、上記したケースII（図６参照）の液晶素子であって、第３電極１８および第４電極１９の各電極枝の幅を20μｍ、電極枝の相互間隔を20μｍとし、ラビング方向のなす角度を87°とした液晶素子に関するものである。なお、図示を省略するがケースI、ケースIIIの場合でも同様な結果であった。
【００４０】
液晶素子が完成した状態では液晶層１４の配向状態は上述した第２配向状態（スプレイツイスト状態）であった。その顕微鏡写真が図７（ａ）である。そして、第１電極１２と第２電極１６を用いて液晶層１４に縦電界を印加したときの顕微鏡写真が図７（ｂ）である。図７（ｂ）に示されるように、縦電界の印加により液晶層１４の配向状態が上述した第１配向状態（リバースツイスト状態）へと遷移している。このことから、第１電極１２と第２電極１６との間に絶縁層１７を挟んで第３電極１８および第４電極１９が存在する状態であっても、縦電界が印加されていることが確認される。
【００４１】
液晶層１４を第１配向状態に遷移させた後に、第３電極１８および第４電極１９を用いて、第１基板１１および第２基板１５の各一面にほぼ平行な電界を印加したとき（ＩＰＳモード）の顕微鏡写真が図７（ｃ）である。この場合には、初期状態である第２配向状態へ遷移したことが分かる。
【００４２】
また。液晶層１４を第１配向状態に遷移させた後に、第２電極１６、第３電極１８および第４電極１９を用いて、第１基板１１および第２基板１５の各一面にほぼ平行な電界を印加したとき（ＦＦＳモード）の顕微鏡写真が図７（ｄ）である。この場合にも、初期状態である第２配向状態へ遷移したことが分かる。
【００４３】
ここで、ＩＰＳモードとＦＦＳモードとの違いについて考察する。ＩＰＳモードでは、基本的には第３電極１８と第４電極１９の相互間だけに横電界が発生するので（図３（ｂ）参照）、横電界が発生した領域において優先的に配向状態の遷移が生じていると考えられる。このため、図７（ｃ）に示すように、配向状態の異なる部分がライン状に発生しているものと考えられる。これに対して、ＦＦＳモードでは、第３電極１８および第４電極１９の上側にも横電界が発生するため（図３（ｃ）参照）、一様に配向状態の遷移が生じているものと考えられる。したがって、本実施形態の液晶素子を開口率（透過率、コントラスト比）の面から評価するとＦＦＳモードのほうがＩＰＳモードよりも優位であるといえる。
【００４４】
配向状体の遷移（スイッチング）が可能となった理由について考察する。第２配向状態（スプレイツイスト状態）においては液晶層１４のセル厚方向における中央の液晶分子がほぼ水平になっているが、縦電界によって第１配向状態（リバースツイスト状態）になると、中央の液晶分子が少し傾く。その後、横電界（ＩＰＳモードまたはＦＦＳモード）によって第１配向状態のセル厚中央の液晶分子に横電界がかかり、第２配向状態におけるセル厚中央の液晶分子があるべきダイレクタ方向に向いたため、再び初期状態の第２配向状態へと遷移したものと考えられる。
【００４５】
次に、実施例の液晶素子の電気光学特性（電圧−透過率特性）の測定結果について説明する。図８は上記したケースIの液晶素子の電気光学特性であり、図９は上記したケースIIの液晶素子の電気光学特性であり、図１０は上記したケースIIIの液晶素子の電気光学特性である。いずれの図も、第１偏光板２１の透過軸が第１基板１１のラビング方向と平行、第２偏光板２２の透過軸が第２基板１５のラビング方向と平行になるように設定し、第１配向状態（リバースツイスト状態：図中「R-TN」と標記）または第２配向状態（スプレイツイスト状態：図中「S-TN」と標記）の液晶層１４に対して第１電極１２と第２電極１６を用いて縦電界を印加したときの電気光学特性を示している。各図において、点線が第１配向状態での特性を示し、実線が第２配向状態での特性を示している。
【００４６】
図８に示すケースIの液晶素子においては、上記した偏光板配置では第１配向状態における電気光学特性と第２配向状態における電気光学特性とがほとんど重なっていることが分かる。一方、図９に示すケースII、図１０に示すケースIIIの液晶素子においては、第１配向状態と第２配向状態のそれぞれにおける電気光学特性に違いが見られることが分かる。印加電圧２Ｖ付近の特性に注目すると、配向状態の相違による電気光学特性における閾値電圧の違いにより、第２配向状態の場合には相対的に明るい（すなわち透過率の高い）状態が得られ、第１配向状態の場合には相対的に暗い（すなわち透過率の低い）状態が得られていることが分かる。したがって、本実施例のような液晶素子を複数設けておき、各液晶素子において２つの配向状態を電界印加によって任意に切り替え、その後、第１電極１２および第２電極１６を用いて２Ｖ程度の電圧（保持電圧と呼ぶ）を液晶層１４に印加しておくことにより、明暗の２値画像（静止画）をより鮮明に表示可能な液晶表示装置を構成することができる。
【００４７】
ところで、上記の説明においては第１配向状態で安定な条件として３つの場合を例示したが、安定な条件はこれに限定されない。以下に、安定な条件についての理論的な検証結果を図１１および図１２に基づいて説明する。図１１は、ケースIおよびケースIIについて、配向の安定性とセル条件との関係を理論計算により求めた結果を示す図である。同様に、図１２は、ケースIIIについて、配向の安定性とセル条件との関係を理論計算により求めた結果を示す図である。
【００４８】
図１１および図１２の図中には上記の実施例における条件（第１配向状態で安定な条件）を丸印で示している。このように、上記実施例はあくまで第１配向状態で安定な条件の一例に過ぎず、理論的にはさらに広い範囲で第１配向状態の配向の安定性を得られることが示されている。丸印の位置を詳細に検討すると、プレティルト角が８°の場合における理論曲線より僅かに下の位置にあることが分かる。理論曲線より上の位置では第１配向状態で安定に保持できない領域となるため、少なくともその位置よりも下側が望ましい。また、理論曲線より大きく下側の領域になると第２配向状態に戻しにくくなる、もしくは第２配向状態とならないため、丸印の位置より僅かに下側の領域が好適であり、あるｄ／ｐにおける理論曲線でのラビング方向のなす角度をΦｘとしたとき、おおよそΦｘ−１０°の範囲であれば、双安定スイッチングが可能であると考えられる。
【００４９】
したがって、ケースIとケースIIの場合、ラビング方向のなす角度ΦＩ（°）とｄ／ｐの関係が下記（１）式のような関係にあるときに、双安定スイッチングが可能である。
80≦ΦＩ−（（ｄ／ｐ）×350）≦90（但しプレティルト角は８°以下）    …（１）
【００５０】
一方、ケースIIIの場合、ラビング方向のなす角度ΦＩ（°）とｄ／ｐの関係が下記（２）式のような関係にあるときに、双安定スイッチングが可能である。
80≦ΦＩ＋（（ｄ／ｐ）×360）≦90（但しプレティルト角は８°以下）    …（２）
【００５１】
なお、上記（１）式と（２）式はプレティルト角が概ね８°以下の場合に成り立つ関係であり、例えばプレティルト角が１５°の場合、（１）式は以下のように補正される。
75≦ΦＩ−（（ｄ／ｐ）×350）≦85    …（１）’
【００５２】
また、例えばプレティルト角が２５°の場合、（１）式は以下のように補正される。
68≦ΦＩ−（（ｄ／ｐ）×350）≦78    …（１）”
【００５３】
なお、（２）式についても同様であり、プレティルト角により上限値、下限値が変化する。
【００５４】
次に、ラビング方向と横電界の方向との関係について実験により検討した結果を説明する。図１３は検討結果を説明するための模式図である。図中左側には、液晶素子の第３電極１８および第４電極１９、あるいはこれらと第２電極１６とを組み合わせて発生させる電界の方向と、第１基板１１および第２基板１５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。また、図中右側には、液晶層１４の液晶分子の配向状態を上側から見た様子が模式的に示されている。図示のように、横電界の電界方向とラビング方向との関係によっては、配向状態の遷移が生じるものと生じないものとがみられた。
【００５５】
具体的には、横電界の電界方向と、第２配向状態（右ねじれS-TN配向）での液晶層１４中央付近もしくは下側基板（例えば第２基板１５）の界面付近における液晶分子の方向とが平行である場合には、第１配向状態（左ねじれR-TN配向）から第２配向状態へと遷移しやすいことが分かった（図１３（ａ）、図１３（ｂ）参照）。一方、横電界の電界方向と、第２配向状態での液晶層１４中央付近もしくは下側基板の界面付近における液晶分子の方向とが直交する場合には第２配向状態へと遷移しにくいことが分かった（図１３（ｃ）、図１３（ｄ）参照）。
【００５６】
配向状態の遷移が生じやすい条件の場合、横電界７Ｖが閾値であり、１０Ｖ印加した場合、１分間ほど経過すると元の配向状態へ戻った。第２電極１６、第３電極１８および第４電極１９を組み合わせて横電界を発生させた場合（ＦＦＳモード）のほうがより強く電界がかかるので、配向状態の遷移が生じやすい傾向が見られた。ただし、第３電極１８および第４電極１９の各電極枝の相互間隔が広い場合には、第３電極１８および第４電極１９を組み合わせて横電界を発生させた場合（ＩＰＳモード）のほうが配向状態の遷移が生じやすかった。
【００５７】
次に、第１偏光板２１と第２偏光板２２の各光学軸のなす角度と透過率およびコントラストとの関係について説明する。透過率の測定には標準光源Ｃ（色温度6740K）を用いた。代表的な測定例を図１４に示す。この測定例はケースIIの液晶素子についてのものである。この液晶素子は、コントラストについては低い（２以下）ものの、目視で違いが認識できた。それは色調の違いによるものであり、具体的にはピンクに近い赤系の色調と青系の色調の２種類が視認された。測定結果をまとめた特性表を図１５〜図１７に示す。
【００５８】
図１５では、ケースIIの液晶素子について、上側偏光板（例えば第１偏光板２１）と下側偏光板（例えば第２偏光板２２）の角度（単位：°）、ある波長における第１配向状態と第２配向状態との透過率の差（単位：％）。コントラスト比（Ｃｒ）、透過率を示している。それぞれ、青色付近（440-480nm）もしくは赤色付近（610-650nm）の波長で良い結果を示したものを表の左側に示し、同じ条件における逆側の波長での特性を表の右側に示す。波長を限って比較すると、透過で２〜３程度のコントラスト比を得られていることが分かる。この結果は、バックライトを青色もしくは赤色の単色光源にすると比較的に高いコントラストの表示が得られることを示している。また、光源を青色と赤色の間で切り替えた場合にもそれなりのコントラストが得られることも分かる。この場合には、ネガ／ポジ反転表示を行うことができる。偏光板同士のなす角度を考察すると、30°、45°、60°のいずれかであり、0°や90°の場合には良い結果が得られていないことが分かる。このことから、本実施形態並びに実施例の液晶素子において色調の差をより鮮明にするには、偏光板同士のなす角度を30°〜60°の範囲で設定することが望ましいといえる。
【００５９】
図１６はケースIの液晶素子についての結果、図１７はケースIIIの液晶素子についての結果をそれぞれ示している。ケースIの液晶素子については上記したケースIIの液晶素子とよく似た傾向を示すことが分かる。また、ケースIIIの液晶素子については上記したケースIIの液晶素子とは若干傾向は異なるが、色調によるコントラストはある程度得られていることが分かる。
【００６０】
以上のように、本実施形態並びに実施例によれば、２つの配向状態間の遷移を利用する新規なＴＮ型液晶素子が提供される。また、この液晶素子は広い温度範囲（例えば-20℃〜80℃）で安定した閾値特性およびシャープネス特性を得られることが確認されている。
【００６１】
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。
【００６２】
図１８は、液晶表示装置の構成例を模式的に示す図である。図１８に示す液晶表示装置は、複数の画素部３４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３４として上記した実施形態等に係る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３１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３２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３３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３４と、を含んで構成されている。
【００６３】
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１２および第２電極１６として機能する（図２参照）。また、制御線Ｃ１〜Ｃｎについては、各画素部３４に相当する領域に設けられ第３電極１８としての櫛歯状の電極枝（図１８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３４に相当する領域に設けられ第３電極１８としての櫛歯状の電極枝（図１８においては図示省略）と接続されている。
【００６４】
図１８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３４には縦電界を印加し、相対的に暗い表示としたい画素部３４には横電界を印加すればよい。
【００６５】
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1.5Ｖ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1.5Ｖ程度で150Ｈｚ）を印加する。
【００６６】
詳細には、制御線Ａ１〜Ａｎのうち、明るい表示としたい画素部３４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３４の液晶素子には実効的に3.0Ｖ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１４に配向状態の遷移を生じさせ、当該画素部３４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３４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３４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１４には配向状態の遷移が生じず、光透過率が変化しない。
【００６７】
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３４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３４の液晶素子には実効的に3.0Ｖ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１４に配向状態の遷移を生じさせ、当該画素部３４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３４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３４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１４には配向状態の遷移が生じず、光透過率が変化しない。
【００６８】
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、閾値に対して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。
【００６９】
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。上記した実施形態並びに実施例においては、配向処理の具体例としてラビング処理を挙げていたが、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それらに限定されない。
【符号の説明】
【００７０】
１１…第１基板、１２…第１電極、１３、２０…配向膜、１４…液晶層、１５…第２基板、１６…第２電極、１７…絶縁層、１８…第３電極、１９…第４電極、２１…第１偏光板、２２…第２偏光板、３１、３２、３３…ドライバー、３４…画素部
【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７】
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