(57)【要約】【課題】本発明は、段差構造に起因する異常配向を抑制し、表示異常を低減できる液晶表示素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、一対の基板７，９と、それぞれの基板７，９に形成された電極４，５，１１と、それぞれの電極４，５，１１上に形成され、ラビング処理方向が互いに平行となる配向膜と、それぞれの基板７，９に形成された配向膜の間に挟持された液晶材料とを備える液晶表示素子である。そして、本発明は、少なくとも一方の電極４，５，１１が、段差構造を有し、液晶材料は、段差構造により生じる捩れを打ち消すために、カイラル材が添加されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板と、
それぞれの前記基板に形成された電極と、
それぞれの前記電極上に形成され、ラビング処理方向が互いに平行となる配向膜と、
それぞれの前記基板に形成された前記配向膜の間に挟持された液晶材料とを備える液晶表示素子であって、
少なくとも一方の前記電極は、段差構造を有し、
前記液晶材料は、前記段差構造により生じる捩れを打ち消すために、カイラル材が添加されていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
請求項１に記載の液晶表示素子であって、
前記段差構造により前記液晶材料が右に捩れる場合、左旋回性の前記カイラル材を添加し、
前記段差構造により前記液晶材料が左に捩れる場合、右旋回性の前記カイラル材を添加することを特徴とする液晶表示素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の液晶表示素子であって、
前記液晶材料に添加する前記カイラル材の添加量は、０．００１重量％から０．１重量％までのいずれかであることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の液晶表示素子であって、
前記カイラル材は、前記液晶材料に対して、前記配向膜の間の厚さｄとした場合に、６０ｄから６０００ｄまでのいずれかのピッチの旋回性を与えることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の液晶表示素子であって、
前記電極の段差構造は、四角形状の凹部又は凸部であり、当該四角形の辺と前記ラビング処理方向とのなす角度が１０度から８０度であることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の液晶表示素子であって、
前記電極の段差構造は、四角形状の凹部又は凸部であり、当該四角形の一辺の長さが５０μｍ以下で、段差の深さが０．５μｍより深いことを特徴とする液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示素子に係る発明であって、特に、電極に段差構造を有する液晶表示素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶を用いた電気光学素子は、一般的に液晶表示素子と呼ばれる。この液晶表示素子には、各画素に薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）ともいう）を設けて駆動するアクティブマトリクス駆動方式と、ＴＦＴを設けないパッシブ駆動方式とがある。以下、アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示素子について説明するが、本発明はこれに限られない。
【０００３】
まず、アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示素子は、アレイ基板と、対向基板とを備えている。そして、アレイ基板には、多数の画素電極及びこれらのスイッチングを制御するＴＦＴ、並びに画像信号や走査信号を供給するデータ線、走査線等の配線などが設けられている。アレイ基板に対向して設けられる対向基板には、対向電極、多色表示のためのカラーフィルタなどが設けられている。
【０００４】
液晶表示素子の動作時には、画素毎に画素電極と対向電極との間に駆動電圧が印加される。この駆動電圧により、電気光学物質である液晶の配向状態が変化し、所望の画像を表示する構成となっている。
【０００５】
液晶表示素子において、良好な表示を得るためには、液晶の分子の配向状態を均一にする必要がある。一般的に液晶表示素子は、電極の上に配向膜であるポリイミド樹脂を塗布し、その上を布で一方向に擦るラビング処理を施すことにより液晶分子を均一に配向している。液晶表示素子において、液晶分子の配向方向には、アレイ基板の配向方向と対向基板の配向方向との間で９０度異なるＴＮ（Twisted Nematic）配向や、アレイ基板の配向方向と対向基板の配向方向との間で１８０度逆向きにした平行配向などの種類がある。
【０００６】
ＴＮ配向の液晶表示素子に用いる液晶材料は、ラビング処理配向に液晶分子を合致させるために捩れ性を持たせる必要があり、カイラル（Chiral）材と呼ばれる物質が添加されている。一方、平行配向の液晶表示素子に用いる液晶材料は、対向基板からアレイ基板にかけて液晶分子を平行に配向させるため、捩れ性を持たせる必要がなく、カイラル材は添加されない。
【０００７】
最近の携帯機器には、屋内で視認性の高い透過型と、屋外で視認性の高い反射型の両方を合わせ持つ半透過型の液晶表示素子が用いられることがある。この半透過型の液晶表示素子は、一の画素に透過領域と反射領域とを合わせ持っており、透過領域の電極部分と、反射領域の電極部分とで、必要な液晶層の厚み（セルギャップ）が異なる。そのため、半透過型の液晶表示素子では、透明樹脂等を用いて透過領域と反射領域とで液晶層の厚みを変化させている。その結果、半透過型の液晶表示素子では、透過領域の電極部分と、反射領域の電極部分とで段差が生じる段差構造を有している。このように、一つの画素内に段差を有する液晶表示素子の例として、例えば特許文献１に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２４２２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
段差構造を有する半透過型の液晶表示素子では、段差のない平坦な部分における液晶分子は電界に応じて均質に立ち上がり、電界の消失により平行に配向する。しかし、段差のある部分では、液晶分子の配向が不均一であり、ここを起点に異常配向が発生する場合がある。段差構造を有する半透過型の液晶表示素子で最も発生しやすい異常配向に、ツイスト配向と呼ばれる捩れ異常配向がある。液晶分子が異常配向となっている部分は、光学特性が正常配向の部分と異なるため、表示画面の中では表示異常となる問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、段差構造に起因する異常配向を抑制し、表示異常を低減できる液晶表示素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る解決手段は、一対の基板と、それぞれの基板に形成された電極と、それぞれの電極上に形成され、ラビング処理方向が互いに平行となる配向膜と、それぞれの基板に形成された配向膜の間に挟持された液晶材料とを備える液晶表示素子であって、少なくとも一方の電極は、段差構造を有し、液晶材料は、段差構造により生じる捩れを打ち消すために、カイラル材が添加されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に記載の液晶表示素子は、液晶材料には、電極の段差構造により生じる捩れを打ち消すためにカイラル材が添加されているので、段差構造に起因する異常配向を抑制し、表示異常を低減できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施の形態１）
図１に、本実施の形態に係る半透過型の液晶表示素子の一画素分の平面図を示す。図２に、図１に示した平面図のＡ−Ａ’面での断面図を示す。まず、図１に示す液晶表示素子には、画像データ信号を供給するデータ信号配線１と、ＴＦＴ２と、ゲート選択信号を供給するゲート選択信号配線３と、反射表示用金属電極４と、透過表示用透明電極５とを備えている。また、図１に示す矢印６は、ラビング処理方向を示しており、四角形の透過表示用透明電極５の辺に対し所定のなす角を有している。なお、矢印６のうち実線は、アレイ基板側の配向方向、点線は対向基板側の配向方向である。
【００１４】
図２では、アレイ基板側のガラス基板７上に、液晶層の厚さを変えるためのレジスト８が設けられている。なお、レジスト８は、反射領域と透過領域とで液晶層の厚さを変えるために形成されるので、透過表示用透明電極５が設けられる部分には形成されない。図２に示す対向基板には、対向基板側のガラス基板９に画素に色をつけるための色材層１０と対向基板側の透明電極１１が積層されている。図２には示されていないが、アレイ基板及び対向基板には、電極等を覆って、液晶分子を配向させるためのポリイミド樹脂（配向膜）が塗布されている。そして、当該ポリイミド樹脂には、図１の矢印６に示す方向にラビング処理が施される。液晶材料は、このラビング処理が施された両基板のポリイミド樹脂間に挟持されている。また、図２には示されていないが、ポリイミド樹脂が形成された面と反対側のアレイ基板又は対向基板の面には偏光板が設けられている。
【００１５】
本実施の形態に係る液晶表示素子は、アレイ基板の反射表示用金属電極４及び透過表示用透明電極５と、対向基板の透明電極１１との間に所定の電圧を印加することで、液晶分子の配向を垂直にしたり水平にしたりして表示を行っている。特に、半透過型の液晶表示素子において、反射時も透過時も良好な表示特性を得るためには、光学設計上、反射領域の液晶層の厚みを、透過領域の液晶層の厚みの約１／２程度に薄くする必要がある。
【００１６】
図２で説明したように、本実施の形態に係る液晶表示素子では、液晶層の厚さを変えるために、反射表示用金属電極４の下にレジスト８が形成されている。その結果、本実施の形態に係る液晶表示素子では、アレイ基板において透過領域と反射領域とに段差が形成される。この段差での液晶分子の配向は、平坦な部分での液晶分子の配向と異なる。これは、段差部分（透過領域と反射領域の境界部分）が、斜面になっていること、ラビング処理が施し難いことから、平坦な部分と異なる液晶分子の配向となると考えられる。
【００１７】
液晶表示素子において、段差のない平坦な部分では電界に応じて液晶分子が均質に立ち上がり、電界の無印加時に液晶分子が均質に平行配向となる。しかし、段差のある部分では、液晶分子の配向が不均一であり、電界の無印加時に、当該箇所を起点にして異常配向が発生する場合がある。最も発生しやすい異常配向として、ツイスト配向と呼ばれる捩れ異常配向がある。
【００１８】
図３（ａ）〜（ｃ）に、正常な平行配向と異常配向であるツイスト配向の違いを示す。通常、電極間に電圧が印加されていない状態の液晶分子１２の配向は、図３（ａ）のようになる。図３（ａ）の配向は、液晶分子１２がほぼ水平方向を向き、対向基板１３からアレイ基板１４まで平行となる。なお、図３（ａ）に示すように液晶分子１２の向きは、対向基板１３又はアレイ基板１４から少し傾きを有している。この傾きはプレチルトと呼ばれ、一般的にプレチルト角度が２度から５度となるように配向処理が施されている。
【００１９】
図３（ａ）に示す配向の液晶分子１２に電圧を印加すると、液晶分子１２は電界の方向に立ち上がり、基板に対して９０度近い角度を持つ図３（ｂ）のような配向となる。そして、図３（ｂ）に示す配向の液晶分子１２から電圧を除去すると、液晶分子１２は、また図３（ａ）の配向に戻る。液晶表示素子は、図３（ａ）の配向の光学特性と、図３（ｂ）の配向の光学特性との差を利用して、所望の画像を表示している。
【００２０】
しかし、本実施の形態に係る液晶表示素子のように基板の電極に凹凸の段差がある場合や、近接する配線からの斜め方向の電界が影響する場合、図３（ｂ）の配向の液晶分子１２から電圧を除去しても液晶分子１２は図３（ａ）の配向に戻らないことがある。上記のような場合、液晶分子１２は捩れるように水平配列し、対向基板１３からアレイ基板１４までの間に１８０度捩れた図３（ｃ）のようなツイスト配向（異常配向）になることがある。ツイスト配向（異常配向）となっている部分は、液晶表示素子としての光学特性が正常配向の部分と異なるため、表示画面の中で表示異常となる。
【００２１】
図３（ｃ）のような１８０度の捩れ異常配向が発生する原因は、液晶分子の配向方向と段差部との対称性が関係していると考えられる。異常配向の発生について、図４（ａ）（ｂ）を用いて説明する。図４（ａ）（ｂ）で、矢印１５がアレイ基板での配向処理方向を示す。図４（ａ）のように、段差部１６の各辺と液晶分子の配向方向（矢印１５）とが平行もしくは直行している場合には、液晶分子１２の配向方向と段差部との対称性が良く、１８０度の捩れ異常配向が発生する可能性は小さい。
【００２２】
一方、図４（ｂ）のように段差部１６の各辺と液晶の配向方向（矢印１５）とが平行もしくは直行からずれている場合、段差部１６に位置する液晶分子には捩れ応力が発生する。そのため、当該位置の液晶分子には、１８０度の捩れ異常配向が発生する可能性が高くなる。例えば、図４（ｂ）のＡ領域とＢ領域とを比べた場合、Ａ領域は配線１に隣接するため、配線１の配向処理への影響が大きいが、Ｂ領域は配線１に隣接していないので、配線１の配向処理への影響は小さい。その結果、図４（ｂ）のように配向処理した液晶表示素子では、Ａ領域とＢ領域とで配向処理の効果が異なり、Ａ領域とＢ領域とで配向に差が生じて、１８０度の捩れ異常配向が発生すると考えられる。
【００２３】
液晶分子の配向方向（矢印１５）と段差部１６との対称性が図４（ｂ）のように悪い場合、段差部１６において、液晶分子に１８０度の捩れ異常配向が発生すると考えられる。図４（ｂ）では、四角形状の段差部１６の辺とラビング処理方向（矢印１５）とのなす角度は４５度程度であるが、少なくとも段差部１６の辺とラビング処理方向（矢印１５）とのなす角度が１０度から８０度の範囲であれば、異常配向が発生すると考えられる。
【００２４】
また、図１や図２に示す透過表示用透明電極５の凹部による段差構造は、透過領域と反射領域の液晶層の厚みを調整するためのものであるため、段差の深さは１μｍ〜３μｍ程度である。この段差の深さは、配線と電極とにより形成される段差（深さ０．１μｍ〜０．５μｍ）よりも深い。少なくとも０．５μｍよりも深い段差が画素内に存在する場合、液晶分子に１８０度の捩れ異常配向が発生する確率が高くなる。
【００２５】
さらに、図１や図２に示す透過表示用透明電極５の凹部による段差構造は、一辺が２０μｍ〜５０μｍ程度の四角形である。液晶分子に１８０度の捩れ異常配向が発生する確率は、段差構造の大きさ（凹部の面積）が小さければ小さいほど高くなることが分かっている。少なくとも一辺が５０μｍ以下の四角形状の段差構造が画素内に存在する場合、液晶分子に１８０度の捩れ異常配向が発生する確率が高くなる。
【００２６】
図１に示す本実施の形態に係る液晶表示素子にも段差構造が存在し、段差部と液晶分子の配向方向（矢印６）との関係が図４（ｂ）と同じであるため、液晶分子に１８０度の捩れ異常配向が発生する可能性が高い。そこで、本実施の形態では、異常配向の発生を低減させるために、液晶材料に所定量のカイラル材を添加している。
【００２７】
従来、平行配向させる液晶表示素子には、液晶材料にカイラル材を添加していない。しかし、本実施の形態に係る液晶表示素子は、平行配向させる液晶表示素子であるが、反射表示用金属電極４と透過表示用透明電極５とにより形成された段差部分に起因する液晶分子の配向の非対称性を打ち消すために、所定量のカイラル材を添加している。
【００２８】
カイラル材には、左旋回性を有するものと、右旋回性を有するものとがある。左旋回性を有するカイラル材として、例えばコレステロールノナノエイト、Ｓ−８１１（メルク社製）等がある。また、右旋回性を有するカイラル材として、例えばＣＢ１５等がある。
【００２９】
また、段差構造等による液晶分子の捩れ異常配向には、左捩れ異常配向と右捩れ異常配向とがある。液晶分子の配向が左捩れ異常配向になるのか、右捩れ異常配向になるのかは、液晶分子の配向方向と段差部とのなす角度により決まる。実際に液晶分子の捩れを判断する場合、カイラル材を添加していない液晶材料を用いた液晶表示素子を作成し、１８０度の捩れ異常配向の捩れ方向を確認することで、液晶分子の捩れ異常配向の方向を判断している。そして、液晶分子の捩れ異常配向が左方向であれば、右旋回性を有するカイラル材を液晶材料に添加し、液晶分子の右捩れ異常配向が右方向であれば、左旋回性を有するカイラル材を液晶材料に添加する。
【００３０】
液晶材料に添加するカイラル材の添加量は、０．００１重量％から０．１重量％程度が最も効果的である。そのため、本実施の形態に係る液晶表示素子は、１８０度の捩れ異常配向の発生を最も低減できるカイラル材の添加量を、当該範囲内から適切に選択すれば良い。なお、カイラル材の添加量を０．００１重量％以上にしているのは、この値より少なければ配向異常を抑制する効果が生じないためである。また、カイラル材の添加量を０．１重量％以下にしているのは、この値より大きければカイラル材の影響が正常な配向にも影響を与え、平行配向でなくなり表示上望ましくないためである。
【００３１】
また、カイラル材の添加量が０．００１重量％における液晶分子の捩れのピッチｐは、透過領域の液晶層の厚さをｄとすると、ピッチｐ＝約６０００ｄとなる。一方、カイラル材の添加量が０．１重量％における液晶分子の捩れのピッチｐは、透過領域の液晶層の厚さをｄとすると、ピッチｐ＝約６０ｄとなる。
【００３２】
次に、本実施の形態に係る液晶表示素子の具体例を示す。図１に示す液晶表示素子に、カイラル材であるコレステロールノナノエイトを０．０５重量％添加し、捩れ性を示すピッチが６００μｍの液晶材料を注入して本実施の形態に係る液晶表示素子を作成する。なお、０．０５重量％のカイラル材を添加した場合、上述したピッチｐと液晶層の厚さｄとの関係はｐ＝１２０ｄとなり、ｄ＝５μｍとすることでピッチ６００μｍを求めている。
【００３３】
比較のために、図１に示す液晶表示素子の構成に捩れ性を有しない液晶材料を注入して、別の液晶表示素子を作成する。別の液晶表示素子は、段差構造の影響により全表示画素の約２％に、１８０度の捩れ異常配向が発生した。しかし、本実施の形態に係る液晶表示素子では、１８０度の捩れ異常配向の発生が全表示画素の約０．０１％以下になり、良好な表示画面が得られた。
【００３４】
以上のように、本実施の形態に係る液晶表示装置は、液晶材料に、段差構造により生じる捩れを打ち消すためのカイラル材を添加しているので、段差構造に起因する異常配向を抑制し、表示異常を低減できる。
【００３５】
なお、本実施の形態に係る段差構造は、図２に示すように、全面にレジスト８が設けられ、透過表示用透明電極５のみが凹部となる構成であったが、本発明はこれに限られず、反射表示用金属電極４の下のみにレジスト８を設け、反射表示用金属電極４を凸部とする段差構造でも良い。
【００３６】
（実施の形態２）
実施の形態１に係る液晶表示素子では、アレイ基板側に凹構造の段差を設けることで、反射領域と透過領域との液晶層の厚みを調整している。一方、本実施の形態に係る液晶表示素子では、対向基板側に凹凸構造の段差を設けることで、反射領域と透過領域との液晶層の厚みを調整している。
【００３７】
本実施の形態に係る液晶表示素子の断面図を図５に示す。図５では、アレイ基板のガラス基板７上には反射表示用金属電極４及び透過表示用透明電極５を設けるが、レジスト８を設けない。一方、図５に示す対向基板のガラス基板９には、色材層１０にレジスト８と透明電極１１を積層している。レジスト８は、反射領域と透過領域とで液晶層の厚さを変えるために設けられるため、反射表示用金属電極４に対向する位置にのみ所定の厚みのレジスト８が形成される。
【００３８】
本実施の形態に係る液晶表示素子は、図５に示すようにレジスト８の形成位置が異なる以外は実施の形態１に係る液晶表示素子と同じである。そのため、本実施の形態に係る液晶表示素子のレジスト８の形成位置以外の構成については、詳細な説明を省略する。
【００３９】
図５に示すように構成された液晶表示素子に、捩れ性を有しない平行配向用の液晶材料を注入し表示を行うと、実施の形態１で説明したような段差構造の影響による１８０度の捩れ異常配向が生じる。当該液晶表示素子では、全表示画素の約１％に捩れ異常配向が発生する。
【００４０】
そこで、本実施の形態に係る液晶表示素子は、実施の形態１と同様、カイラル材であるコレステロールノナノエイトを０．０５重量％添加し、捩れ性を示すピッチが６００μｍの液晶材料を注入している。これにより、本実施の形態に係る液晶表示素子は、１８０度の捩れ異常配向の発生が全表示画素の約０．０１％以下になり、良好な表示画面が得られた。
【００４１】
なお、本実施の形態に係る液晶表示素子では、対向基板側にレジストを設け反射領域と透過領域との液晶層の厚さを変化させている。しかし、本発明はこれに限られず、アレイ基板及び対向基板の両方にレジストを設け反射領域と透過領域との液晶層の厚さを変化させる構成でも良い。具体的には、図２に示すアレイ基板と図５に示す対向基板とを組み合わせた液晶表示素子でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る液晶表示素子の平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る液晶表示素子の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る液晶表示素子の液晶分子の配向を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る液晶表示素子の段差と配向方向との関係を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る液晶表示素子の断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  データ信号配線、２  ＴＦＴ、３  ゲート選択信号配線、４  反射表示用金属電極、５  透過表示用透明電極、６，１５  矢印、７，９  ガラス基板、８  レジスト、１０  色材層、１１  透明電極、１２  液晶分子、１３  対向基板、１４  アレイ基板、１６  段差部。
【図１】
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【図２】
2007322593.tif 000004
【図３】
2007322593.tif 000005
【図４】
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【図５】
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