(57)【要約】【課題】低電圧駆動が可能な液晶表示装置を提供する。【解決手段】液晶表示装置１は、電極１２が取り付けられる電極面１１ａを有する基板１１と、電極１２と異なる電極２２が取り付けられ、電極面１１ａと対向する電極面２１ａを有する基板２１と、電極１２及び電極２２の間に挟持され、液晶分子３１〜３３が封入される液晶層３０と、基板１１の液晶層３０側とは反対側に設置される偏光板４０と、基板２１の液晶層３０側とは反対側に設置される偏光板５０と、を備える。電極１２には配向方向１３ａに配向処理される配向膜１３、電極２２には配向方向１３ａと直交する配向方向２３ａに配向処理される配向膜２３が形成される。配向膜１３のアンカリング力は配向膜２３のアンカリング力よりも弱く、電極１２、２２間に電圧が印加されて生じる電界によって、配向膜１３及び液晶層３０の界面における液晶分子３１が電極面１１ａに平行な面内で回転する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極が取り付けられる第１電極面を有する第１基板と、前記第１電極と異なる第２電極が取り付けられ、前記第１電極面と対向する第２電極面を有する第２基板と、前記第１電極及び前記第２電極の間に挟持され、液晶分子が封入される液晶層と、前記第１基板の前記液晶層側とは反対側に設置される第１偏光板と、前記第２基板の前記液晶層側とは反対側に設置される第２偏光板と、を備える液晶表示装置であって、
前記第１電極には、第１配向方向に配向処理される第１配向膜が形成され、
前記第２電極には、前記第１配向方向と直交する第２配向方向に配向処理される第２配向膜が形成され、
前記第１配向膜による前記第１配向膜及び前記液晶層の界面における前記液晶分子の配向を拘束するアンカリング力は、前記第２配向膜による前記第２配向膜及び前記液晶層の界面における前記液晶分子の配向を拘束するアンカリング力よりも弱く、
前記第１電極及び前記第２電極の間に電圧が印加されて生じる電界によって、前記第１配向膜及び前記液晶層の界面並びに前記第２配向膜及び前記液晶層の界面以外における前記液晶分子が、前記第１基板と前記第２基板が対向する方向に沿うように回転するとともに、前記第１配向膜及び前記液晶層の界面における前記液晶分子が、前記第１電極面に平行な面内で回転する
ことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記第１配向膜及び前記液晶層の界面並びに前記第２配向膜及び前記液晶層の界面以外における前記液晶分子が、前記第１電極及び前記第２電極の間に印加される電圧の変化に応じて９０度回転する前に、前記第１偏光板と前記第２偏光板との間を透過する光の割合を示す透過率が最小値から最大値まで又は最大値から最小値まで変化する
ことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記第１配向膜の前記アンカリング力は、前記第１配向膜及び前記液晶層の界面における前記液晶分子に対する、前記第１電極面に平行な方向の配向を拘束する力であり、
前記液晶分子のねじれ弾性定数をＫ２２とし、前記液晶層の厚さをｄとすると、前記第１配向膜の前記アンカリング力は、２×Ｋ２２／ｄ以下である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記第１電極及び前記第２電極の間に電圧が印加されていない場合、全ての前記液晶分子の向きが前記第２配向方向と平行である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低電圧駆動を目的とする液晶表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタル化技術の進歩に伴い、新聞、雑誌などの文字情報や画像情報が電子データとして提供されている。これらの電子データは、テレビ、パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」と表記する。）、電子ペーパー、携帯情報端末等が備える表示装置によって閲覧することができる。特に、モバイルＰＣ、携帯情報端末等は、街中で持ち運びながら使用する機会が増えており、それらの低消費電力化が重要な課題となっている。更に、災害時に刻々と被災状況等を伝える災害向けデジタルサイネージでは、可能な限りの低消費電力化が求められる。
【０００３】
液晶表示素子を用いた主な表示方法は、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）方式、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｃｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式の３種類がある。このうち、ＴＮ方式は、他の方式よりも低電圧駆動が可能な表示方法である。
【０００４】
図７は、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置において生じる現象を説明する図である。従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００は、液晶表示素子２００（液晶パネルとも言う。）と、液晶表示素子２００に光を照射する光源３００と、を備える。液晶表示素子２００は、２枚の基板１１１、１２１と、ネマティック液晶分子１３１〜１３３が封入される液晶層１３０と、２枚の偏光板１４０、１５０とによって構成される。２枚の偏光板１４０、１５０は、透過軸１４０ａ、１５０ａが互いに直交するように配置される。２枚の基板１１１、１２１は２枚の偏光板１４０、１５０に挟まれ、各基板１１１、１２１の電極１１２、１２２が取り付けられる電極面１１１ａ、１２１ａは互いに対向する。電極面１１２ａ、１２２ａの間には液晶層１３０が挟まれ、電極面１１１ａ、１２１ａには配向処理が施された配向膜１１３、１２３が塗布されている。配向膜１１３の配向方向１１３ａは、偏光板１４０の透過軸１４０ａと平行、すなわち紙面に垂直な方向である。配向膜１２３の配向方向１２３ａは、偏光板１５０の透過軸１５０ａと平行、すなわち図の左右方向である。従って、配向膜１１３、１２３の配向方向１１３ａ、１２３ａは互いに直交する。
【０００５】
ここで、図７（ａ）は電圧無印加時又は電圧が１．１Ｖより小さい状態を示し、図７（ｂ）は電圧が２．２Ｖより大きい電圧印加時の状態を示している。図７（ａ）に示すように、液晶層１３０の液晶分子１３１〜１３３は９０°ねじれ構造を有する配向状態、すなわち２つの配向膜１１３、１２３間で９０度ねじれている。より詳細には、配向膜１１３及び液晶層１３０の界面における液晶分子１３１は、配向膜１１３の配向方向１１３ａとほぼ平行に配向され、配向膜１２３及び液晶層１３０の界面における液晶分子１３２は、配向膜１２３の配向方向１２３ａとほぼ平行に配向され、配向膜１１３及び液晶層１３０の界面並びに配向膜１２３及び液晶層１３０の界面以外における液晶分子１３３は、２つの配向膜１１３、１２３の間を、配向膜１１３の配向方向１１３ａから配向膜１２３の配向方向１２３ａまで徐々にねじれるように配向される。
【０００６】
従って、図７（ａ）に示す状態では、光源３００から偏光板１５０に向かって照射される光は、偏光板１５０を通過すると、透過軸１５０ａの方向の偏光になり、その光が液晶層１３０に侵入すると、液晶分子１３１〜１３３のねじれに沿うように偏光方向が９０度変わる。そして、液晶層１３０を出てくるときには配向膜１１３の配向方向１１３ａの偏光になるので、光が偏光板１４０を透過する。
【０００７】
一方、電圧を印加すると、配向膜１１３及び液晶層１３０の界面並びに配向膜１２３及び液晶層１３０の界面以外における液晶分子１３３は、電界の方向に沿うように回転していく。ここで、電界の方向は、２枚の基板１１１、１２１が対向する方向、すなわち図の上下方向である。そして、図７（ｂ）に示す状態では、液晶分子１３３の向きが完全に図の上下方向と平行になる。この状態では、偏光板１５０を通過した光は、偏光方向を変えずに液晶層１３０を通過し、透過軸１４０ａが偏光板１５０の透過軸１５０ａと直交する偏光板１４０を通過することができず、偏光板１４０を透過する光はほぼ０％になる。
【０００８】
このように、液晶表示装置は、配向膜によって電圧無印加時の光の透過率を定め、印加する電圧の値によって光の透過率を連続的に制御している。液晶分子の配向を制御する方法としては、対向する基板上にポリイミド等からなる配向膜を形成し、レーヨン、綿等の布によって配向膜の表面を所定の方向に擦るラビング法、偏光紫外線を照射してポリイミド等からなる配向膜の表面に異方性を発生させる光配向法等が実用化されている。
【０００９】
また、電場、磁場によって状態を記憶するメモリ機能を有する液晶表示装置も提案されている。このような液晶表示装置を実現するためには、基板表面における液晶分子の配向を拘束する力、すなわちアンカリング力を弱くする必要がある。アンカリング力を弱くする手法としては、特許文献１が提案されている。また、アンカリング力を制御してＩＰＳ方式の液晶表示装置に応用する手法としては、特許文献２、非特許文献１が提案されている。特許文献２に示すＩＰＳ方式の液晶表示装置は、弱いアンカリング力の配向膜が形成された基板と、強いアンカリング力の配向膜が形成された基板とによって構成され、弱いアンカリング力の配向膜上の面内電界によって、配向膜上の液晶分子の面内回転を制御しようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１４−２１５４２１号公報
【特許文献２】特開２０１７−１００３０号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】DENIS ANDRIENKO, FRANCOES BARBET, DENIS BORMANN, YURIY KURIOZ, SOON-BUM KWON, YURIY REZNIKOV and MARK WARENGHEM, Electrically controlled director slippage over a photosensitive aligning surface; in-plane sliding mode, Liquid Crystals, 2000, Vol. 27, No. 3, 365-370
【非特許文献２】Rumiko Yamaguchi and Susumu Sato, Continuous grey scale image printing on the liquid crystal cell, APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 031913, 2005
【非特許文献３】Rumiko Yamaguchi, Yutaka Waki and Susumu Sato, Reverse Mode and Wide Viewing angle properties in polymer dispersed Liquid Crystal Cells Prepared using a UV curable liquid crystal, JJAP Vol. 36, pp. 2771-2774, 1997
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献２によるＩＰＳ方式の液晶表示装置では、駆動電圧が数Ｖ以下にはならない。これは、そもそもＩＰＳ方式自体が低電圧駆動に限界があるためである。本発明者は、ＴＮ方式の液晶表示装置の研究を長年実施してきた（非特許文献２、３参照）。そして、本発明者は、液晶表示装置における新しい低電圧駆動の実現方法を考案した。
【００１３】
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、低電圧駆動が可能な液晶表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前述した目的を達成するための本発明は、第１電極が取り付けられる第１電極面を有する第１基板と、前記第１電極と異なる第２電極が取り付けられ、前記第１電極面と対向する第２電極面を有する第２基板と、前記第１電極及び前記第２電極の間に挟持され、液晶分子が封入される液晶層と、前記第１基板の前記液晶層側とは反対側に設置される第１偏光板と、前記第２基板の前記液晶層側とは反対側に設置される第２偏光板と、を備える液晶表示装置であって、前記第１電極には、第１配向方向に配向処理される第１配向膜が形成され、前記第２電極には、前記第１配向方向と直交する第２配向方向に配向処理される第２配向膜が形成され、前記第１配向膜による前記第１配向膜及び前記液晶層の界面における前記液晶分子の配向を拘束するアンカリング力は、前記第２配向膜による前記第２配向膜及び前記液晶層の界面における前記液晶分子の配向を拘束するアンカリング力よりも弱く、前記第１電極及び前記第２電極の間に電圧が印加されて生じる電界によって、前記第１配向膜及び前記液晶層の界面並びに前記第２配向膜及び前記液晶層の界面以外における前記液晶分子が、前記第１基板と前記第２基板が対向する方向に沿うように回転するとともに、前記第１配向膜及び前記液晶層の界面における前記液晶分子が、前記第１電極面に平行な面内で回転することを特徴とする液晶表示装置である。本発明によって、低電圧駆動が可能な液晶表示装置を提供することができる。
【００１５】
第１の発明における前記第１配向膜及び前記液晶層の界面並びに前記第２配向膜及び前記液晶層の界面以外における前記液晶分子が、前記第１電極及び前記第２電極の間に印加される電圧の変化に応じて９０度回転する前に、前記第１偏光板と前記第２偏光板との間を透過する光の割合を示す透過率が最小値から最大値まで又は最大値から最小値まで変化しても良い。これによって、駆動電圧を低く抑えることが可能となる。
【００１６】
また、前記第１配向膜の前記アンカリング力は、前記第１配向膜及び前記液晶層の界面における前記液晶分子に対する、前記第１電極面に平行な方向の配向を拘束する力であり、前記液晶分子のねじれ弾性定数をＫ２２とし、前記液晶層の厚さをｄとすると、前記第１配向膜の前記アンカリング力は、２×Ｋ２２／ｄ以下であっても良い。これによって、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置よりも低駆動電圧とすることができる。
【００１７】
また、前記第１電極及び前記第２電極の間に電圧が印加されていない場合、全ての前記液晶分子の向きが前記第２配向方向と平行であっても良い。これによって、電圧無印加時における透過率が安定的に，２枚の偏光板の透過軸が直交の場合は最小，又は２枚の偏光板の透過軸が平行の場合は最大となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、低電圧駆動が可能な液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態における液晶表示装置の概略構成を示す断面図
【図２】本発明の実施形態の液晶表示装置において生じる現象を説明する図
【図３】本発明の実施形態の液晶表示装置及び従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置における印加電圧と光の透過率の関係を示す図
【図４】一方の配向膜のアンカリング力を変化させた場合の印加電圧と光の透過率の関係を示す図
【図５】光の波長を変化させた場合の印加電圧と光の透過率の関係を示す図
【図６】本発明の実施形態の液晶表示装置における印加電圧と光の透過率の関係の実測値を示す図
【図７】従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置において生じる現象を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態における液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、液晶表示装置１は、液晶表示素子２と、液晶表示素子２に光を照射する光源３と、を備える。液晶表示素子２は、電極１２が取り付けられる電極面１１ａを有する基板１１と、電極１２と異なる電極２２が取り付けられ、電極面１１ａと対向する電極面２１ａを有する基板２１と、電極１２及び電極２２の間に挟持され、液晶分子３１〜３３が封入される液晶層３０と、基板１１の液晶層３０側とは反対側に設置される偏光板４０と、基板２１の液晶層３０側とは反対側に設置される偏光板５０と、を備える。
【００２１】
液晶表示装置１は、例えば、ＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）液晶表示装置であり、この場合、基板１１はカラーフィルタ基板、基板２１はＴＦＴアレイ基板である。また、液晶表示装置１の駆動方法は、例えば、ＴＦＴをアクティブ素子とするＴＦＴ方式、又はアクティブ素子がない単純マトリクス方式等が挙げられる。また、液晶分子３１〜３３は、例えば、ネマティック液晶分子である。但し、本発明の実施形態の液晶表示装置１は、これらの例に限定されるものではない。
【００２２】
図１に示す例では、液晶表示装置１は、光源３をバックライトとする透過型液晶装置である。但し、液晶表示装置１は、光源３を備えない反射型液晶表示装置でも良いし、半透過型液晶表示装置でも良い。
【００２３】
電極１２には、所定の配向方向１３ａに配向処理される配向膜１３が形成される。電極２２には、配向方向１３ａと直交する配向方向２３ａに配向処理される配向膜２３が形成される。
【００２４】
図１に示す例では、偏光板４０の透過軸４０ａは紙面に垂直な方向であり、偏光板５０の透過軸５０ａは図の左右方向なので、偏光板４０の透過軸４０ａと偏光板５０の透過軸５０ａは直交する。但し、偏光板４０の透過軸４０ａと偏光板５０の透過軸５０ａは平行であっても良い。また、偏光板４０の透過軸４０ａは図の左右方向であっても良いし、偏光板５０の透過軸５０ａは紙面に垂直な方向であっても良い。
【００２５】
また、図１に示す例では、偏光板４０の透過軸４０ａは紙面に垂直な方向であり、配向膜１３の配向方向１３ａも紙面に垂直な方向なので、偏光板４０の透過軸４０ａと配向膜１３の配向方向１３ａは平行である。また、偏光板５０の透過軸５０ａは図の左右方向であり、配向膜２３の配向方向２３ａも図の左右方向なので、偏光板５０の透過軸５０ａと配向膜２３の配向方向２３ａは平行である。但し、偏光板４０の透過軸４０ａと配向膜１３の配向方向１３ａは垂直でも良いし、偏光板５０の透過軸５０ａと配向膜２３の配向方向２３ａも垂直でも良い。
【００２６】
配向膜１３による配向膜１３及び液晶層３０の界面における液晶分子３１の配向を拘束するアンカリング力（以下、「配向膜１３のアンカリング力」と略記する。）は、配向膜２３による配向膜２３及び液晶層３０の界面における液晶分子３２の配向を拘束するアンカリング力（以下、「配向膜２３のアンカリング力」と略記する。）よりも弱い。ここで、一般に、アンカリング力には、方位角アンカリング力と極角アンカリング力があるが、本発明の実施の形態では、アンカリング力とは、方位角アンカリング力、すなわち電極面１１ａや電極面２１ａに平行な方向の液晶分子３１や液晶分子３２の配向を拘束する力を意味するものとする。
【００２７】
液晶分子３１〜３３のねじれ弾性定数をＫ２２とし、液晶層の厚さをｄとすると、配向膜１３のアンカリング力はＫ２２／ｄが望ましい。図１に示す例では、液晶分子３１〜３３のねじれ弾性定数Ｋ２２が４×１０−１２Ｎ（ここで、１０−１２は１０の−１２乗を意味する。以下同じ。）、液晶層の厚さｄが８×１０−６ｍ、液晶分子３１〜３３の誘電異方性が１１である。そして、配向膜１３の材質がＰＶＣｉ（polyvinyl cinnamate：ポリビニルシンナメート）、配向膜１３のアンカリング力が５×１０−７〔Ｎ／ｍ〕であり、配向膜２３の材質がＰＩ（polyimide：ポリイミド）、配向膜２３のアンカリング力が１×１０−５〔Ｎ／ｍ〕よりも大きい。
【００２８】
ここで、方位角アンカリング力の測定方法は、公知のトルクバランス法やネールウォール法を用いることができる。配向膜１３のように、５×１０−７〔Ｎ／ｍ〕程度の弱いアンカリング力の配向膜を形成する方法は、例えば、「Rumiko Yamaguchi and Susumu Sato, Continuous grey scale image printing on the liquid crystal cell, APPLIED PHYSICS LETTERS 86, 031913, 2005」（＝非特許文献２）に記載の方法を用いることができる。非特許文献２に記載のアンカリング力の配向膜を形成する方法は、配向膜の材質をＰＶＣｉとし、ＰＶＣｉで被覆された基板を擦り、非偏光ＵＶ光に露光する。露光時間を調整することによって、８×１０−８〜２×１０−５〔Ｎ／ｍ〕の範囲のアンカリング力を有する配向膜を形成することができる。また、配向膜２３のように、１×１０−５〔Ｎ／ｍ〕以上の強いアンカリング力の配向膜を形成する方法は、例えば、公知のラビング法や光配向法等の方法を用いることができる。
【００２９】
図１に示す例では、電極１２及び電極２２の間に電圧が印加されていない場合、配向膜２３のアンカリング力の影響によって、全ての液晶分子３１〜３３の向きが配向方向２３ａと平行である。これによって、液晶表示装置１は、電圧無印加時において、偏光板４０と偏光板５０との間を透過する光の割合を示す透過率が安定的に最小又は最大となる。例えば、図１に示す透過軸４０ａ、５０ａであれば、透過率がほぼ０となる。
【００３０】
ここで、液晶分子３１〜３３の向きとは、液晶分子３１〜３３の誘電率異方性が正、すなわち液晶分子３１〜３３がポジティブ型の場合、液晶分子３１〜３３の長軸方向を意味する。但し、液晶分子３１〜３３の誘電率異方性が負、すなわち液晶分子３１〜３３がネガティブ型でも良く、その場合、液晶分子３１〜３３の向きは、液晶分子３１〜３３の短軸方向を意味する。
【００３１】
図２は、本発明の実施形態の液晶表示装置において生じる現象を説明する図である。図３は、本発明の実施形態の液晶表示装置及び従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置における印加電圧と光の透過率の関係を示す図である。図３において、グラフＡが本発明の実施形態の液晶表示装置１における印加電圧と光の透過率の関係を示し、グラフＢが従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００における印加電圧と光の透過率の関係を示している。
【００３２】
図３の例では、グラフＡによって示される本発明の実施形態の液晶表示装置１の物性値は、前述の図１に示す例と同様である。また、グラフＢによって示される従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００の物性値は、配向膜１１３のアンカリング力が１×１０−５〔Ｎ／ｍ〕であることを除くと、前述の図１に示す例と同様である。尚、図３に示す光の透過率は、理論上の計算値であり、実際の液晶表示装置では吸収、反射等によって一部の光量が失われる。
【００３３】
Ｓｔａｔｅ−Ａ１〜Ｓｔａｔｅ−Ａ４は本発明の実施形態の液晶表示装置１における各状態を示している。Ｓｔａｔｅ−Ａ１は電圧が１Ｖ未満の場合であり、光の透過率が０％、すなわち最小値の状態である。Ｓｔａｔｅ−Ａ２は電圧が１〜１．５Ｖの場合であり、光の透過率が０％から１００％まで増加する状態、すなわち最小値から最大値まで変化する状態である。Ｓｔａｔｅ−Ａ３は電圧が１．５Ｖ〜２．５Ｖの場合であり、光の透過率が１００％から０％まで減少する状態、すなわち最大値から最小値まで変化する状態である。Ｓｔａｔｅ−Ａ４は電圧が２．５Ｖよりも大きい場合であり、光の透過率が０％の状態、すなわち最小値の状態である。
【００３４】
一方、Ｓｔａｔｅ−Ｂ１〜Ｓｔａｔｅ−Ｂ３は従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００における各状態を示している。Ｓｔａｔｅ−Ｂ１は電圧が１．１Ｖ未満の場合であり、光の透過率がほぼ１００％、すなわち最大値の状態である。Ｓｔａｔｅ−Ｂ２は電圧が１．１Ｖ〜２．２Ｖの場合であり、光の透過率が１００％から０％まで減少する状態、すなわち最大値から最小値まで変化する状態である。Ｓｔａｔｅ−Ｂ３は電圧が２．２Ｖよりも大きい場合であり、光の透過率が０％の状態、すなわち最小値の状態である。
【００３５】
ここで、図２を参照しながら、本発明の実施形態の液晶表示装置１において生じる現象を説明する。図２（ａ）に示すように、Ｓｔａｔｅ−Ａ１の状態では、液晶分子３１〜３３の配向に関して、配向膜１３のアンカリング力は影響を与えない。そして、配向膜２３のアンカリング力の影響によって、液晶分子３１〜３３は配向膜２３の配向方向２３ａに一様に並び、液晶層３０における液晶分子３１〜３３の配列はねじれない。この状態では、光源３から偏光板５０に向かって照射される光は、偏光板５０を通過して透過軸５０ａの方向の偏光になった後、その光が液晶層３０に侵入しても偏光方向が変わらない。従って、液晶層３０から出てくる光は、透過軸５０ａと直交する透過軸４０ａを有する偏光板１４０を透過しない。
【００３６】
Ｓｔａｔｅ−Ａ２の状態では、電極１２及び電極２２の間に電圧が印加されて生じる電界によって、配向膜１３及び液晶層３０の界面並びに配向膜２３及び液晶層３０の界面以外における液晶分子３３が、電界の方向に沿うように回転する。これは、いわゆる液晶分子３３が立ち上がり始めることを意味する。ここで、電界の方向は、基板１１と基板２１が対向する方向、すなわち図の上下方向である。このとき、液晶分子３１〜３３のねじれ弾性力は小さくなるため、配向膜１３及び液晶層３０の界面における液晶分子３１が、配向膜１３のアンカリング力による本来の配向方向１３ａ、すなわち紙面に垂直な方向に沿うように回転する。言い換えると、電極１２及び電極２２の間に電圧が印加されて生じる電界（＝面外電界）によって、配向膜１３及び液晶層３０の界面における液晶分子３１が、電極面１１ａに平行な面内で回転する。そして、液晶分子３１〜３３の配向にねじれが出現する。従って、液晶層３０から出てくる光は、電圧に応じた透過率で偏光板４０を透過する。
【００３７】
図２（ｂ）に示すように、電圧が１．５Ｖの状態では、透過軸５０ａの方向の偏光になった光が液晶層３０に侵入すると、液晶分子３１〜３３のねじれ角と位相差との関係から、偏光方向が９０度変わる。そして、液晶層３０から出てくる光は、最大値の透過率で偏光板４０を透過する。
【００３８】
Ｓｔａｔｅ−Ａ３の状態では、更に、液晶分子３３が基板１１と基板２１が対向する方向に沿うように回転し、液晶分子３１が電極面１１ａに平行な面内で回転する。液晶層３０から出てくる光は、電圧に応じた透過率で偏光板４０を透過する。
【００３９】
図２（ｃ）に示すように、Ｓｔａｔｅ−Ａ４の状態では、配向膜１３及び液晶層３０の界面における液晶分子３１が完全に本来の配向方向１３ａ、すなわち紙面に垂直な方向になる。この液晶分子３１〜３３の配列は、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００の図７（ｂ）に示すＳｔａｔｅ−Ｂ３の状態と同様であり、液晶層３０から出てくる光は、透過軸５０ａと直交する透過軸４０ａを有する偏光板１４０を透過しない。
【００４０】
Ｓｔａｔｅ−Ａ１の状態から電圧が１．５Ｖの状態までの変化を参照すると、配向膜１３及び液晶層３０の界面並びに配向膜２３及び液晶層３０の界面以外における液晶分子３３の向きが、電極１２及び電極２２の間に印加される電圧の変化に応じて基板１１と基板２１が対向する方向と平行になる前に、すなわち９０度回転する前に、偏光板４０と偏光板５０との間を透過する光の透過率が最小値から最大値まで又は最大値から最小値まで変化する。従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００であれば、図７に示すＳｔａｔｅ−Ｂ１の状態からＳｔａｔｅ−Ｂ３の状態までの変化を見ると分かるように、透過率が最小値から最大値まで変化する間に、液晶分子１３３が、基板１１１と基板１２１が対向する方向と平行になっている、すなわち９０度回転している。従って、透過率を最小値から最大値まで変化させるためには、本発明の実施形態の液晶表示装置１は、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００よりも少ない角度、すなわち９０度よりも少ない角度だけ液晶分子３３を回転させる電圧を印加すれば良いので、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００よりも駆動電圧を低く抑えることが可能となる。
【００４１】
図３に示すように、本発明の実施形態の液晶表示装置１は、透過率を最小値から最大値まで変化させるために、２つの電極１２、２２間に印加する電圧を１Ｖ〜１．５Ｖで制御することになるので、バイアス電圧を１Ｖとすると、０．５Ｖの駆動電圧で十分である。一方、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００は、透過率を最小値から最大値まで変化させるために、２つの電極１１２、１２２間に印加する電圧を１．１Ｖ〜２．２Ｖで制御することになるので、バイアス電圧を１．１Ｖとすると、１．１Ｖの駆動電圧が必要となる。このように、本発明の実施形態の液晶表示装置１は、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００よりも半分以下の低電圧駆動が可能となる。
【００４２】
また、図３に示すように、本発明の実施形態の液晶表示装置１は、透過率が最小値から最大値まで変化するＳｔａｔｅ−Ａ２の状態と、透過率が最大値から最小値まで変化するＳｔａｔｅ−Ａ３の状態とを有する。これは、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００には無い特性である。
【００４３】
図４は、一方の配向膜のアンカリング力を変化させた場合の印加電圧と光の透過率の関係を示す図である。図４では、前述の図１の例における配向膜１３のアンカリング力を変化させ、他の物性値は図１の例と同様である。尚、図４に示す光の透過率は、理論上の計算値であり、実際の液晶表示装置では吸収、反射等によって一部の光量が失われる。
【００４４】
アンカリング力が１×１０−５〔Ｎ／ｍ〕の場合、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００と同様である。アンカリング力が１×１０−６〔Ｎ／ｍ〕の場合、電圧が０〜１Ｖでは透過率が６７％であり、電圧が１Ｖを超えると、透過率は増加する。そして、電圧が１．４Ｖで透過率が最大値である９５％になった後、電圧増加とともに透過率は減少していき、電圧が２．５Ｖで透過率が最小値である０％になる。アンカリング力が５×１０−６〔Ｎ／ｍ〕の場合、図３に示す本発明の実施形態の液晶表示装置１と同様である。アンカリング力が１×１０−７〔Ｎ／ｍ〕の場合、電圧が０〜１．９Ｖでは透過率が最小値である０％であり、電圧が１．９Ｖを超えると、透過率は増加する。そして、電圧が２．１Ｖで透過率が最大値である６０％になった後、電圧増加とともに透過率は減少していき、電圧が２．８Ｖで透過率が最小値である０％になる。
【００４５】
アンカリング力が１×１０−５〔Ｎ／ｍ〕の場合、図３のグラフＢに示す従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００の説明として前述した通り、透過率を最小値から最大値まで変化させるために、２つの電極間に印加する電圧を１．１Ｖ〜２．２Ｖで制御することになるので、バイアス電圧を１．１Ｖとすると、１．１Ｖの駆動電圧が必要となる。また、アンカリング力が１×１０−６〔Ｎ／ｍ〕の場合、透過率を最大値から最小値まで変化させるために、２つの電極間に印加する電圧を１．４Ｖ〜２．５Ｖで制御することになるので、バイアス電圧を１．４Ｖとすると、１．１Ｖの駆動電圧が必要となる。従って、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００よりも低電圧駆動とするためには、液晶分子３１〜３３のねじれ弾性定数Ｋ２２が４×１０−１２Ｎ、液晶層の厚さｄが８×１０−６ｍのとき、配向膜１３のアンカリング力は１×１０−６〔Ｎ／ｍ〕以下が望ましい。すなわち、配向膜１３のアンカリング力は２×Ｋ２２／ｄ〔Ｎ／ｍ〕以下が望ましい。
【００４６】
一方、アンカリング力が１×１０−７〔Ｎ／ｍ〕の場合、透過率を最小値から最大値まで変化させるために、２つの電極間に印加する電圧を１．９Ｖ〜２．１Ｖで制御することになるので、バイアス電圧を１．９Ｖとすると、０．２Ｖの駆動電圧で十分である。しかしながら、透過率の最大値は６０％、すなわちアンカリング力が５×１０−７〔Ｎ／ｍ〕の場合の６割であり、コントラスト比が低下する。従って、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００よりも低駆動電圧とし、かつコントラスト比を許容範囲内とするためには、液晶分子３１〜３３のねじれ弾性定数Ｋ２２が４×１０−１２Ｎ、液晶層の厚さｄが８×１０−６ｍのとき、配向膜１３のアンカリング力は１×１０−７〔Ｎ／ｍ〕以上が望ましい。すなわち、配向膜１３のアンカリング力は０．２×Ｋ２２／ｄ〔Ｎ／ｍ〕以上が望ましい。
【００４７】
図５は、光の波長を変化させた場合の印加電圧と光の透過率の関係を示す図である。図５では、配向膜１３のアンカリング力が５×１０−７〔Ｎ／ｍ〕のとき、光源３から照射される光の波長が４４０ｎｍ、５５０ｎｍ及び６５０ｎｍの場合を示している。図５に示すように、透過率が０％から上昇を開始する電圧、透過率が最大値となる電圧、透過率が最大値から０％に到達する電圧は、いずれの波長であってもほぼ同一である。従って、本発明の実施形態の液晶表示装置１において、印加電圧と光の透過率の関係は、光の波長に依存しないことが分かる。
【００４８】
図６は、本発明の実施形態の液晶表示装置における印加電圧と光の透過率の関係の実測値を示す図である。グラフａは本発明の実施形態の液晶表示装置１、グラフｂは従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００を示している。図６に示すように、グラフａ、グラフｂは、それぞれ、光の透過率の最大値は異なるものの、図３に示すグラフＡ、グラフＢと同様の曲線であることが分かる。すなわち、透過率が０％から上昇を開始する電圧、透過率が最大値となる電圧、透過率が最大値から０％に到達する電圧は、ほぼ同様であることが分かる。従って、図３における理論上の計算値は、実測値によって裏付けられていると言える。尚、本発明の実施形態の液晶表示装置１を示すグラフａについては、電圧のヒステリシス性が見られる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態の液晶表示装置１によれば、従来の透過型ＴＮ方式の液晶表示装置１００と比較して低電圧駆動が可能となる。本発明の実施形態の液晶表示装置１は、テレビ、ＰＣ、携帯情報端末等の表示装置のみならず、低電圧駆動が必要とされる電子ペーパーや、災害時に災害情報を表示するデジタルサイネージ等に好適である。
【００５０】
以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る液晶表示装置の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００５１】
１、１００………液晶表示装置
２、２００………液晶表示素子
３、３００………光源
１１、２１、１１１、１２１………基板
１１ａ、２１ａ、１１１ａ、１２１ａ………電極面
１２、２２、１１２、１２２………電極
１３、２３、１１３、１２３………配向膜
１３ａ、２３ａ、１１３ａ、１２３ａ………配向方向
３０、１３０………液晶層
３１〜３３、１３１〜１３３………液晶分子
４０、５０、１４０、１５０………偏光板
４０ａ、５０ａ、１４０ａ、１５０ａ………透過軸
【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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