(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の基板と、
前記一対の基板間に挟持された液晶層と、
前記液晶層を挟んで互いに対向する一対の偏光子と
を備える液晶光学素子であって、
前記液晶層は、反強誘電相、フェリ誘電相、またはこれらの混在する相のうちのいずれかを示し、かつ、
前記液晶層に印加する電圧を０Ｖから増加または減少させたときに光透過率が略最大に達する電圧を第１の電圧とするとき、０Ｖと前記第１の電圧との間の所定の電圧が印加された場合において光透過率が極小値をとり、
前記液晶層は複数のスメクティック層を有し、前記基板の法線方向から見た場合において、互いに隣接するスメクティック層の液晶分子の長軸方向の為す角度が、電圧無印加時と前記所定の電圧の印加時とでは、前記所定の電圧の印加時の方がより９０°に近い、液晶光学素子。
【請求項２】
前記基板の法線方向から見た場合において、前記所定の電圧の印加時に、前記液晶層の互いに隣接するスメクティック層の液晶分子の長軸方向の為す角度は８４°から９６°の範囲にある、請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項３】
前記液晶層に印加される電圧を前記０Ｖから前記第１の電圧に変化させたとき、前記液晶層の少なくとも一部は、電圧無印加時において第１の相を示し、かつ、前記第１の電圧の印加時において前記第１の相とは異なる第２の相を示すように相転移し、
前記第１の相から前記第２の相への前記相転移が起きる電圧を第１のしきい値電圧とするとき、前記所定の電圧は、０Ｖと前記第１のしきい値電圧との間に存在する請求項１または２に記載の液晶光学素子。
【請求項４】
前記第１の相は反強誘電相である請求項３に記載の液晶光学素子。
【請求項５】
前記液晶層に印加する電圧を０Ｖから前記第１の電圧に変化させたときに印加電圧変化に対する光透過率の増加率が実質的に不連続に増大する電圧を第１のしきい値電圧とするとき、前記所定の電圧は、０Ｖと前記第１のしきい値電圧との間に存在する請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項６】
前記所定の電圧は、０Ｖと、前記液晶層に印加される電圧を０Ｖから前記第１の電圧に変化させたときに略最大の光透過率の１０パーセントの光透過率となる電圧との間に存在する請求項１に記載の液晶光学素子。
【請求項７】
前記基板の法線方向から見た場合において、前記液晶層の液晶分子のチルト角が、前記所定の電圧の印加時において、電圧無印加時よりも４５°に近くなる請求項１から６のいずれかに記載の液晶光学素子。
【請求項８】
前記液晶層に印加する電圧を前記１の電圧から０Ｖに変化させたときに前記光透過率が実質的に減少し始める電圧を第２のしきい値電圧とするとき、
前記所定の電圧は、前記第２のしきい値電圧と、前記第１の電圧との間に存在する請求項１から７のいずれかに記載の液晶光学素子。
【請求項９】
前記液晶層に印加する電圧を前記第１の電圧から０Ｖに変化させたときに印加電圧変化に対する前記光透過率の減少率が実質的に不連続に増大する電圧を第２のしきい値電圧とするとき、前記所定の電圧は、前記第２のしきい値電圧と前記第１の電圧との間に存在する請求項１から７のいずれかに記載の液晶光学素子。
【請求項１０】
前記液晶層に印加される電圧を前記第１の電圧から０Ｖに変化させたときに、前記第２の相から前記第１の相への相転移が起こる電圧を第２のしきい値電圧とするとき、
前記所定の電圧は、前記第２のしきい値電圧と、前記第１のしきい値電圧との間に存在する請求項２または３に記載の液晶光学素子。
【請求項１１】
前記液晶層を挟むように設けられた複数の行電極および複数の列電極を有し、前記複数の行電極および複数の列電極を用いて単純マトリクス駆動される請求項１から１０のいずれかに記載の液晶光学素子。
【請求項１２】
前記光透過率の変化を所定の期間抑制するための電圧として、前記所定の期間、前記所定の電圧が前記液晶層に印加される請求項１１に記載の液晶光学素子。
【請求項１３】
前記液晶層に印加する電圧と前記光透過率との関係を表す曲線のヒステリシスループが、０Ｖを中心として対称性を有する請求項１から１１のいずれかに記載の液晶光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、文字、図形等を表示する表示装置や、入射光の透過量を制御する調光装置あるいは光シャッターなどとして利用される液晶光学素子に関し、より具体的には、反強誘電性またはフェリ誘電性を示す液晶層を備えた液晶光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイは、薄型、軽量、低消費電力というような、ＣＲＴに比べて有利な特徴を有しているため、テレビジョンシステムやコンピュータ用のディスプレイ、あるいは携帯用機器のディスプレイなどとして広く利用されている。現在利用されている液晶ディスプレイの多くにはネマチック液晶が用いられている。しかし、ネマチック液晶は応答速度が遅いという欠点を有しているため、このような液晶ディスプレイは動画表示などの点ではＣＲＴよりも不利である。
【０００３】
そこで、応答速度が遅いネマチック液晶に代えて、高速応答が可能な液晶としてスメクチック液晶を使用することが提案されている。特に、強誘電性液晶や反強誘電性液晶は、自発分極を有しており、液晶分子のスイッチング動作が電場印加時の自発分極と電場との相互作用によって行なわれるため、１ｍｓ以下の高速応答が可能である。
【０００４】
強誘電性液晶の光スイッチング現象を利用した光学素子としては、表面安定化強誘電性液晶（ＳＳＦＬＣ）光学素子が知られている。ＳＳＦＬＣ光学素子は、印加電場に対し双安定性を示し、２状態間の光学応答が高速であるという特徴を有している。ただし、双安定性のため、ＳＳＦＬＣ光学素子の電気光学応答は明状態と暗状態の２状態のスイッチングに限定される。従って電圧制御による中間調の表示が困難である。
【０００５】
これに対し、表面安定化反強誘電性液晶は、電圧無印加時の反強誘電相と電圧印加時の強誘電相との電場誘起相転移に基づく３安定性を示し、さらに、３状態間の光学応答はＳＳＦＬＣ光学素子と同様に高速（１ｍｓ以下）であるという特徴を有している。この反強誘電性液晶をバイアス電場印加下でスイッチングさせれば、単純マトリクス方式での駆動が可能となる。また、反強誘電相と強誘電相との共存状態を電圧制御によって実現することができるので中間調表示が可能である。
【０００６】
このような反強誘電性液晶光学素子として、単純マトリクス駆動で動作する対角６インチのフルカラ−表示可能な反強誘電性液晶表示装置が、Y. Yamadaらによって報告されている（SID'95 Digest, 789 (1995)）。以下、図１および図２を参照しながら、反強誘電性液晶表示装置の動作原理を説明する。
【０００７】
まず、調光層として機能する表面安定化反強誘電性液晶層について説明する。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、表面安定化反強誘電性液晶層９０は、液晶層９０の面内で互いに隣接する複数のスメクティック層９２を有している。反強誘電性液晶層９０の法線方向（ｚ）は、スメクティック層９２の法線方向（ｘ）と直交する。各スメクティック層９２において液晶分子９４の長軸の方向は略揃っている。電圧無印加時において、隣接するスメクティック層９２の液晶分子９４の長軸（またはダイレクタ（液晶分子９４の平均配向方向））は、スメクティック層９２の法線方向ｎを対称軸とする２つの異なる方向を向く。これらの液晶分子の長軸は、基板面内において、スメクティック層９２の法線方向ｎに対して角度±θ（以下、チルト角と呼ぶ）だけ傾いており、自発分極の方向は互いに反対である。また、図１（ｂ）において破線で示すように、所定の電圧が印加された場合には、液晶分子の自発分極と電場との相互作用が働くため強誘電状態に誘起され、液晶層全体の液晶分子の長軸の方向が所定の方向に揃う。
【０００８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、電圧印加時または電圧無印加時における、反強誘電性液晶層９０の光学軸Ｏと、一対の偏光板の偏光軸ＰおよびＡのそれぞれとの関係を示す。なお、反強誘電性液晶表示装置には、液晶層を挟んで対向する一対の偏光板が設けられており、これらの偏光板の偏光軸ＰおよびＡは互いに直交（クロスニコル状態）している。
【０００９】
図２（ｂ）に示すように、電圧無印加時（Ｅ＝０）において、反強誘電性液晶層９０の光学軸Ｏはスメクティック層９２の法線方向ｎと平行であり、この光学軸Ｏと、偏光軸のいずれか一方（例えばＰ）とは略平行である。このような状態では、一方の偏光板を介して液晶層９０に入射した偏光は、液晶層の複屈折（屈折率異方性）による光変調作用を受けないため、液晶層９０をそのまま通過し、他方の偏光板で吸収される。従って、暗状態（黒表示）が得られる。
【００１０】
一方、図２（ａ）および（ｃ）に示すように、液晶層９０に対してｚ軸方向（図１（ａ）参照）に沿って所定の電圧を印加した場合（Ｅ＝±Ｅ1）、長軸とほぼ直交する方向に形成された液晶分子の自発分極と電界との直接的な相互作用によって、反強誘電相は強誘電相へと相転移する。その結果、液晶層の光学軸Ｏは液晶分子のダイレクタに沿った方向に形成され、偏光板の偏光軸ＡおよびＰと非平行な状態となる。このような状態では、一方の偏光板を介して液晶層に入射した光は液晶層の複屈折による光変調作用を受けるため、その少なくとも一部が他方の偏光板を通過する。従って、明状態（白表示）が得られる。
【００１１】
この白表示時における液晶層が強誘電状態での透過率Ｔferroは、Ｔferro＝（ｓｉｎ2２θ）×（ｓｉｎ2（πΔｎferro（ｄ／λ）））で与えられる。ここで、θは液晶分子のチルト角、Δｎferroは電場によって誘起された強誘電状態の液晶層の複屈折、ｄはセル厚、λは光の波長である。透過率Ｔferroの大きさは液晶分子のチルト角θに依存するが、白表示において透過率を最大にするためにはチルト角θが４５°である反強誘電性液晶材料を用いればよい。
【００１２】
しかしながら、従来の反強誘電性液晶表示装置では、反強誘電性液晶層の材料として、チルト角が３０°〜４０°程度の液晶材料が用いられることが多かった。その理由は、このような材料を用いた場合にも白表示時に十分な透過率が得られる（例えば、チルト角４０°の反強誘電性液晶材料を用いた場合、４５°のものを用いた場合に比べ、透過率が数％程度しか減少しない）うえに、液晶分子の電圧に対する応答速度は、チルト角が大きくなるにつれて遅くなるからである。このため、より高速応答が可能な表示装置を得るためには、上述のようにチルト角が４５°よりも小さい反強誘電性液晶材料を用いることが望ましい。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のようにチルト角が３０°〜４０°程度の反強誘電性液晶材料を用いた場合には、コントラスト比が低くなるという問題が生じていた。例えば、ネマチック液晶をアクティブマトリクス駆動するタイプの液晶表示装置のコントラスト比が１００以上であるのに対し、上述のSID'95 Digest, 789 (1995)に記載されている液晶表示装置ではコントラスト比が３０しか得られていない。
【００１４】
反強誘電性液晶表示装置においてコントラスト比が低下する原因としては、スメクティック層の配向の乱れによって、暗視野（黒表示）での光漏れが生じることが挙げられる。このような黒表示時での光漏れが生じる場合、白表示時に比較的高い透過率が得られる場合であっても、コントラスト比は大幅に低下する。コントラスト比は、“明状態での透過率／暗状態での透過率”で規定され、暗状態における透過率の上昇はコントラスト比に大きな影響を与える。
【００１５】
このような層の配向の乱れによる光漏れを解決する方法としては、チルト角が４５°の反強誘電性液晶を用いる方法が、K. D'haveらによって提案されている（Appl. Phys. Lett. 76, 3528 (2000)）。電圧無印加時の反強誘電状態では、スメクティック層ごとに層法線方向ｎを対称軸として液晶分子が異なる方向に傾いているが、電圧無印加時のチルト角が４５°の場合、図３に示すように、基板法線方向から見たときに隣接するスメクティック層の液晶分子の長軸が為す角度は９０°になる。
【００１６】
この場合、チルト角が４５°以外のものを用いる場合とは異なり、層の配向乱れによって層法線方向ｎと偏光板の偏光軸ＡまたはＰとの方向とが多少ずれている場合であっても、光漏れは抑えられる。これは、隣接するスメクティック層の液晶分子の長軸が為す角度が９０°であるため、隣接分子間でそれぞれの光学的異方性が打ち消され、基板法線方向からみた場合には光学的に等方的になるからである。言いかえると、チルト角が４５°の場合には、上述のようなチルト角が３０°〜４０°の場合と異なり、液晶層の光学軸は液晶層の略厚さ方向に沿った方向に規定されるため、たとえ層の配向の乱れに起因して液晶層の光学軸が多少傾くことがあったとしても、液晶層を通過する光は液晶層の複屈折による変調作用をほとんど受けない。従って、チルト角が４５°のものを用いた場合には、層法線方向ｎに拘わらず、クロスニコル下で好適な暗視野を実現し得る。
【００１７】
しかしながら、上述のような電圧無印加時におけるチルト角が４５°の反強誘電性液晶を用いた場合にも、単純マトリクス（またはパッシブマトリクス）方式で駆動すると、実際には、暗状態での光漏れが生じてしまうという問題があった。通常、単純マトリクス駆動する場合、信号電圧が印加されない期間（走査電極の非選択時）にはバイアス電圧が液晶層に印加される。このようなバイアス電圧が印加されていると、無電場印加時におけるチルト角が４５°の反強誘電性液晶を用いたとしても、暗状態での光漏れが生じる。これにより、コントラスト比を十分に向上することができない。
【００１８】
なお、このような暗状態での光漏れの問題は、反強誘電性またはフェリ誘電性を示す液晶層を用いて構成される種々の液晶光学素子において同様に生じていた問題である。
【００１９】
本発明は、上記問題を鑑みて為されたものであり、反強誘電性またはフェリ誘電性を示す液晶層を備える液晶光学素子において、暗状態での光漏れを低減することによってコントラスト比を向上させた液晶光学素子を提供することをその目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明による液晶光学素子は、互いに対向する一対の基板と、前記一対の基板間に挟持された液晶層と、前記液晶層を挟んで互いに対向する一対の偏光子とを備える液晶光学素子であって、前記液晶層は、反強誘電相、フェリ誘電相、またはこれらの混在する相のうちのいずれかを示し、かつ、前記液晶層に印加する電圧を０Ｖから増加または減少させたときに光透過率が略最大に達する電圧を第１の電圧とするとき、０Ｖと前記第１の電圧との間の所定の電圧が印加された場合において光透過率が極小値をとる。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記液晶層に印加される電圧が前記０Ｖから前記第１の電圧に変化するとき、前記液晶層の少なくとも一部は、電圧無印加時において第１の相を示し、かつ、前記第１の電圧の印加時において前記第１の相とは異なる第２の相を示すように相転移し、前記所定の電圧は、０Ｖと、前記第１の相から前記第２の相への前記相転移が起きる第１のしきい値電圧との間に存在する。ある好ましい実施形態では、前記第１の相は反強誘電相である。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記所定の電圧は、０Vと、前記液晶層に印加する電圧が０Ｖから前記第１の電圧に変化するときに光透過率の印加電圧に対する増加率が実質的に不連続に増大する第１のしきい値電圧との間に存在する。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記所定の電圧は、０Ｖと、前記液晶層に印加される電圧が０Ｖから前記第１の電圧に変化するときに、前記略最大の光透過率の１０パーセントの光透過率となる電圧との間に存在する。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記液晶層は複数のスメクティック層を有し、前記基板の法線方向から見た場合において、互いに隣接するスメクティック層の液晶分子の長軸方向の為す角度が、電圧無印加時と、前記所定の電圧の印加時とでは、前記所定の電圧の印加時の方がより９０°に近い。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記基板の法線方向から見た場合において、前記液晶層の液晶分子のチルト角が、前記所定の電圧の印加時において、電場無印加時よりも４５°に近くなる。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記液晶層に印加する電圧を前記第１の電圧から０Ｖに変化させたときに光透過率が低下し始める電圧を第２のしきい値電圧とするとき、前記所定の電圧は、前記第２のしきい値電圧と、前記第１の電圧との間に存在する。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記液晶層に印加される電圧が前記第１の電圧から０Ｖに変化するとき、前記第２の相から前記第１の相への相転移が第２のしきい値電圧において起こり、前記所定の電圧は、前記第２のしきい値電圧と、前記第１のしきい電圧との間に存在する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記所定の電圧は、前記液晶層に印加する電圧を前記第１の電圧から０Ｖに変化させたときに前記光透過率の印加電圧に対する減少率が実質的に不連続に増大する第２のしきい電圧と、前記第１のしきい電圧との間に存在する。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記液晶層を挟むように設けられた複数の行電極および複数の列電極を有し、前記複数の行電極および複数の列電極を用いて単純マトリクス駆動される。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、光透過率の変化を所定の期間抑制するための電圧として、前記所定の期間、前記所定の電圧が前記液晶層に印加される。
【００３１】
ある好ましい実施形態において、前記液晶層に印加する電圧と前記光透過率との関係を表す曲線のヒステリシスループが０Ｖを中心として対称性を有する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
まず、反強誘電性またはフェリ誘電性を示す液晶（すなわち、反強誘電相、フェリ誘電相、またはこれらの混在する相のうちのいずれかを示す液晶）を用いた液晶表示装置を単純マトリクス方式で駆動する場合における、暗状態での光漏れ発生の原因について説明する。
【００３３】
反強誘電性液晶を単純マトリクス方式で駆動する場合、所定の画素を駆動するためには、関連づけられた走査電極（行電極または列電極）が選択されている期間中において、所定の透過率を得るための信号電圧が信号電極（列電極または行電極）を介して印加される。また、非選択時にも、得られた透過率（表示色）を維持するためのバイアス電圧が印加される。このため、明状態、暗状態または中間調状態を規定する信号電圧の大きさは、例えば、バイアス電圧を基準として設定される。
【００３４】
このバイアス電圧は、図４に示すように、好適には、反強誘電相から強誘電相への相転移が起きるしきい値電圧Ｖth1（第１のしきい値電圧）と、強誘電相から反強誘電相への相転移が起きるしきい値電圧Ｖth2（第２のしきい値電圧）との間に設定される。このようにすれば、バイアス電圧印加時に相転移が起こることを防止することができる。
【００３５】
しかし、バイアス電圧Ｖbが印加された場合、反強誘電性液晶では、上述のような相転移は起きないが、前駆現象が生じる。この前駆現象とは、反強誘電相から強誘電相への電場誘起相転移が起こる前に、液晶層の光学軸の方向が層法線方向からずれる現象である。このように光学軸が層法線方向からずれる原因としては、印加された電場によって、液晶分子のチルト角や方位角が無電場時から変化することが考えられる。
【００３６】
このようにバイアス電圧の印加によって前駆現象が生じる場合、上記のような電圧無印加時に光学的な等方性が得られているチルト角４５°の反強誘電性液晶を用いたとしても、暗状態での光漏れが生じることになる。これは、図５に示すように、前駆現象によって液晶分子のチルト角が電圧無印加時から変化し、層間で隣接する液晶分子の長軸が為す角度が９０°からずれるためである。このようにして反強誘電性液晶層の光学的な等方性が維持されなくなった場合には、層の配向の乱れなどによって生じる偏光板の偏光軸と液晶層の光軸とずれが、光漏れを引き起こす要因となる。さらに、バイアス電圧印加時には、前駆現象によって層法線方向と液晶層の光学軸とのずれも発生するため、光学軸と偏光軸とのずれがさらに大きくなり得、これによって光漏れが増大する。このようなことから、電圧無印加時にチルト角が４５°の反強誘電性液晶を用いた場合、図６に示すように、電圧無印加時には、層法線方向と偏光軸とのずれに拘わらず光漏れを防止できるが、バイアス電圧印加時には光漏れが生じることになる。
【００３７】
以下、バイアス電圧印加時にチルト角が４５°からずれた場合に、暗状態での光透過率がどのように変化するかについて説明する。暗状態（反強誘電状態）での光透過率Ｔantiferroは、Ｔantiferro＝（ｓｉｎ2２α）×（ｓｉｎ2（πΔｎantiferro（ｄ／λ））で与えられる。ここで、αは、スメクティック層法線と偏光板の偏光軸のなす角度、Δｎantiferroは反強誘電状態での複屈折、ｄはセル厚、λは光の波長である。仮に、スメクティック層法線と偏光板の偏光軸とを完全に平行（すなわちα＝０）にできるのであれば光透過率Ｔantiferroは０となり、光漏れの問題は生じないが、実際には、スメクティック層法線と偏光軸との方向を完全に一致させることは非常に困難である。
【００３８】
この場合、暗状態（反強誘電状態）での光透過率Ｔantiferroは、複屈折Δｎantiferroに大きく依存することになる。この複屈折Δｎantiferroは液晶分子のチルト角θに応じて変化する。例えば、セル厚ｄが２μｍ、光の波長λが約６５０ｎｍのとき、（ｓｉｎ2（πΔｎantiferro（ｄ／λ））の値は、チルト角４０°の場合で約０．０５であり、チルト角４４．５°の場合で約０．０００５である。すなわち、チルト角の違いがもたらす明状態での透過率への影響は僅か（例えば、数％）であっても、暗状態での透過率への影響は非常に大きいものとなる。
【００３９】
このような知見に基づいて、本発明者は、無電圧印加時にチルト角が４５°に近い反強誘電性液晶を用いるのではなく、バイアス電圧印加時にチルト角が４５°により近づく反強誘電性液晶を用いることで、図７に示すように、バイアス電圧での光透過率が極小値をとるような液晶表示素子を実現することができた。これによって、単純マトリクス駆動される反強誘電性液晶光学素子において、高コントラスト比を実現することができた。
【００４０】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００４１】
（実施形態１）
本実施形態の反強誘電性液晶表示装置１００は、図８に示すように、互いに対向する一対の透明基板１０および１２と、これら基板間に挟持された調光層としての反強誘電性液晶層４０とを有している。また、この反強誘電性液晶層４０を挟むようにして、偏光方向が互いに直交するようにクロスニコル状態で配置された２枚の偏光板５０および６０が設けられている。一方の偏光板５０の偏光軸Ｐの方向と、反強誘電性液晶層４０が有するスメクティック層の法線方向ｎ（図１参照）とが、略平行になるように配置されている。つまり層法線方向ｎと他方の偏光板６０の偏光軸Ａとは、略直交する。
【００４２】
また、一方の基板１０の液晶層４０側には、複数の列電極２０が互いに略平行になるように形成されている。さらに、他方の基板１２の液晶層４０側には、列電極と交差（好ましくは直交）する複数の行電極２２が互いに略平行になるように形成されている。この列電極２０と行電極２２とを用い、単純マトリクス駆動することによって、液晶層４０の所定の領域（画素領域）に所定の電圧を印加することができ、これによって所望の画像を表示することが可能である。
【００４３】
なお、透明基板１０および１２は、例えば、ガラス、プラスチック、または金属などから形成される。また、カラーフィルターを有する基板や、顔料や色素等を基板中に分散させることによってカラー化された基板を用いても良い。
【００４４】
また、行電極および列電極は、インジウム−スズ−オキサイド（ＩＴＯ）や、ポリピロール等の有機導電性材料から形成され得る。また、基板自身が導電性を有している場合には、基板を電極として利用することも出来る。
【００４５】
これらの電極２０および２２が形成された基板１０および１２の液晶層４０側の表面には、液晶層４０の液晶分子に所定の配向規制力を付与するための配向膜３０および３２がそれぞれ設けられている。このとき、いずれの配向膜３０および３２も、液晶分子をホモジニアス配向させるように処理されていることが望ましい。この配向膜３０および３２としては、例えば、ＴＮ液晶、ＳＴＮ液晶等に対して用いられている公知のポリイミド等の配向膜を利用して行なうことができる。ポリイミド等の配向膜としては、ポリイミド等が溶剤に溶け込んでいる可溶性タイプを用いてもよいし、焼成してポリイミド化する焼成タイプを用いてもよい。また、配向膜３０および３２には、ラビング等の配向処理が行われることが望ましい。
【００４６】
基板の間隔設定には、ガラスまたは高分子樹脂からなるロッド状、球状、柱状のスペーサーを使用することができる。その間隔は、例えば、１μｍ程度から４μｍ程度に設定される。
【００４７】
このように構成された反強誘電性液晶表示装置１００は、従来の単純マトリクス方式と同様の方式によって駆動される。すなわち、暗状態を得るためには、図９（ａ）に示すように走査信号と図９（ｂ）に示すようなデータ信号とを用いて図９（ｃ）に示すような合成波形を有する電圧を液晶層に印加する。また、明状態を得るためには、図９（ａ）に示すように走査信号と図９（ｄ）に示すようなデータ信号とを用いて図９（ｅ）に示すような合成波形を有する電圧を液晶層に印加する。なお、図には示していないが、中間調表示を行なうときには、選択期間（すなわち、走査信号電圧がＶ0となる期間）において、上記の明状態の場合よりも低い電圧を印加し、その後は、その印加した電圧と同符号のバイアス電圧を印加するようにすればよい。
【００４８】
図９（ｃ）および（ｅ）からわかるように、明状態および暗状態の何れの場合においても、選択期間において所定の電圧を印加した後、１フレーム期間中、同じ状態を維持させるために、所定のバイアス電圧±Ｖｂが液晶層に印加される。また、１フレーム期間毎に、液晶層に印加される電圧の極性を反転させている。本実施形態の反強誘電性液晶表示装置では、図１２に示すように、印加電圧と光透過率との関係を示すヒステリシスループが０Ｖを中心として対称性を有するため、このような印加電圧の極性を所定期間毎に反転させる駆動方法を用いることができる。これにより、印加電圧が片方の極性に偏らず、液晶層の劣化を防止することができる。なお、本実施形態の反強誘電性液晶表示装置の駆動方法は、上述のものに限られず、例えば、特開平８−１３６８９９号公報に記載の方法などを採用してもよい。
【００４９】
本実施形態において、反強誘電性液晶層４０の材料としては、透明基板法線方向からみた時の隣接するスメクティック層の液晶分子のなす角度が９０°に近い材料が用いられ、特に、バイアス電場印加時において、電場無印加時よりも９０°に近づくものが利用される。また、バイアス電圧印加時に、隣接するスメクティック層の液晶分子のなす角度が８４°から９６°の範囲にあるような材料が好適に用いられる。
【００５０】
このような反強誘電性液晶材料としては、例えば、下記化学式１〜４に示すような材料を混合することで得られるチルト角約４５°の反強誘電性液晶材料（Ferroelectrics vol.244 pp115-128に記載）に対し、（１）各材料の混合比を代える、（２）下記の化学式５に示すような強誘電性液晶材料を加える、または、（３）特開平８−９２２５８号公報に記載のチルト角を増加させる添加剤（テトラリン化合物）を加えるというような処理を行なうことで得られる。このようにして得られた反強誘電性液晶材料は、電圧無印加時において、典型的には、４５°を超えるチルト角を有する。なお、上記（２）において加える材料としては、化学式５で示す材料に代えて、Ferroelectrics 149 171 (1993)に記載のphenyl-pyrimidine base液晶ＴＭ−Ｃ１０７を用いても良い。
【００５１】
【化１】
0003910438.tif 000002
【００５２】
【化２】
0003910438.tif 000003
【００５３】
【化３】
0003910438.tif 000004
【００５４】
【化４】
0003910438.tif 000005
【００５５】
【化５】
0003910438.tif 000006
【００５６】
図１０および図１１は、上記の材料から形成された反強誘電性液晶層４０の、電圧無印加時、および、バイアス電圧印加時における、前記基板の法線方向から見た場合の液晶分子の配列をそれぞれ示す。これらの図からわかるように、反強誘電性液晶層４０の隣接するスメクティック層の液晶分子の長軸がなす角度は、バイアス電圧を印加することにより、電場無印加時に比べてより９０°に近づく。または、液晶分子のチルト角が、バイアス電圧の印加時において、電圧無印加時よりも４５°に近くなる。この場合、バイアス電圧を印加したときの方が、電圧無印加時よりも、強誘電性液晶層は、透明基板法線方向において、光学的により等方的になる。従って、図１２に示すように、バイアス電圧Ｖbを印加した時に、電圧無印加時よりも、表示装置の透過率が低下する。
【００５７】
このように、本実施形態の反強誘電性液晶表示装置は、０Ｖよりも大きく、かつ、光透過率が最大となる明状態が実現される電圧ＶHよりも小さい所定の正の電圧（バイアス電圧Ｖｂ）が印加されたときに、透過率が極小値をとるように構成されている。あるいは、０Ｖよりも小さく、かつ、光透過率が最大となる明状態が実現される電圧ＶHよりも大きい所定の負の電圧（バイアス電圧Ｖｂ）が印加されたときに、透過率が極小値をとるように構成されている。
【００５８】
より好ましくは、液晶層に印加される電圧が０Ｖから明状態となる電圧ＶHへと変化するとき、液晶層が強誘電相から反強誘電相へと相転移する電圧Ｖth2と、反強誘電相から強誘電相へと相転移する電圧Ｖth1との間に、光透過率が最低となるような電圧が存在する。このようにすれば、暗状態または明状態を適切に維持し得るバイアス電圧として好適な電圧範囲内に、透過率が極小値をとる所定の電圧が存在するので、この所定の電圧をバイアス電圧として用いることで、バイアス電圧印加時における暗状態での光漏れを抑制することができる。
【００５９】
次に、バイアス電圧印加時における隣接するスメクティック層の液晶分子のなす角度が８４°以上９６°以下にしている理由を説明する。図１３は、隣接するスメクティック層の液晶分子の長軸がなす角度と、コントラスト比との関係を示す。図１３からわかるように、隣接する分子のなす角度を８４°以上にすれば、暗状態での光漏れが効果的に抑制されるため、コントラスト比を１００より大きくすることができる。また、図には示されていないが、この角度とコントラスト比との関係は、角度が９０°のときを中心として対称の関係が成立する。従って、隣接するスメクティック層の液晶分子のなす角度が、バイアス電圧印加時において、８４°以上９６°以下であれば、コントラスト比で１００より大きな値が得られる。
【００６０】
以上に説明したように、暗状態および明状態にする信号電圧が印加された後、バイアス電圧を印加することでこれらの状態を維持するためには、バイアス電圧は、上述の相転移が起きる第１のしきい値電圧Ｖth1と、第２のしきい値電圧Ｖth2との間に設定されることが望ましい。ただし、バイアス電圧として適切な電圧範囲は、必ずしも相転移が起こる電圧Ｖth1およびＶth2によって規定される必要はない。バイアス電圧Ｖｂは、暗状態にされた液晶層の透過率を上昇させない電圧値であって、かつ、明状態にされた液晶層の透過率を低下させない電圧値に設定可能であればよい。
【００６１】
このような観点から、上述の光透過率が極小値をとる電圧は、印加電圧が０Ｖから最大透過率電圧ＶH  に変化する過程において光透過率の印加電圧に対する増加率（すなわち、印加電圧−透過率曲線の傾き）が実質的に不連続に増大する電圧を第１のしきい値電圧Ｖth1`として、０Ｖと、この第１のしきい値電圧Ｖth1`との間に存在していてもよい。ここで、「印加電圧変化に対する光透過率の増加率が実質的に不連続に増大する」という場合、光透過率が減少から増加に変わるような場合（すなわち透過率の変化率の符号が変化する場合）を含まず、典型的には、一定または僅かに上昇する透過率の変化率が、ある電圧において急激に増大するような場合を意味する。
【００６２】
また、好ましくは、上述の光透過率が極小値をとる電圧は、液晶層に印加する電圧を最大透過率電圧ＶHから０Ｖに変化させたときに光透過率が実質的に減少し始める電圧を第２のしきい電圧Ｖth2`とするとき、第２のしきい電圧Ｖth2`と最大透過率電圧ＶH（より好ましくは、上述の第１のしきい値電圧Ｖth1）との間に存在する。さらに、液晶層に印加する電圧を最大透過率電圧ＶHから０Ｖに変化させたときに印加電圧変化に対する光透過率の減少率が実質的に不連続に増大する電圧を第２のしきい電圧Ｖth2`'とするとき、上述の光透過率が極小値をとる電圧は、第２のしきい電圧Ｖth2`'と最大透過率電圧ＶH（より好ましくは、上述の第１のしきい値電圧Ｖth1`）との間に存在する。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態では、反強誘電性液晶表示装置を単純マトリクス駆動する場合において、電圧無印加時ではなく、バイアス電圧として用いられ得る所定の電圧の印加時において表示装置が光透過率が極小値をとるようにしている。これによって、暗状態における光漏れを効果的に抑制することが可能になり、コントラスト比を大幅に上昇させることができる。
【００６４】
（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１と異なる形態を有する、反強誘電相またはフェリ誘電相を示す液晶材料を用いる場合について説明する。
【００６５】
図１４は、本実施形態における液晶セルの電圧無印加時における分子配列の一例を示す。図に示すように、スメクティック層（ａ）〜（ｆ）のうち、互いに隣接する（b）層と（c）層とで液晶分子の長軸方向が略同一であり、また、互いに隣接する（d）層と（e）層とで液晶分子の長軸方向が略同一である。すなわち、（b）層および（c）層、または、（d）層および（e）層が一つの構成単位を為している。また、（ａ）層の液晶分子の長軸の方向（ダイレクタ）と（ｂ）層のダイレクタとは、スメクティック層の法線方向を対称軸として２つの異なる方向を向いており、また、（ｃ）層のダイレクタと（ｄ）層のダイレクタとは、スメクティック層の法線方向を対称軸として２つの異なる方向を向いており、また、（ｅ）層のダイレクタと（ｆ）層のダイレクタとは、スメクティック層の法線方向を対称軸として２つの異なる方向を向いている。
【００６６】
本実施形態においても、実施形態１と同様に、バイアス電圧が印加されたときに、電圧無印加時よりも、基板法線方向における光学的な等方性が向上するように適切な液晶材料が用いられている。
【００６７】
図１５は、バイアス電圧印加時における分子配列を示す。図に示すように（a）層のダイレクタと（b）層または（c）層のダイレクタとの為す角度、（b）層または（c）層のダイレクタと（d）層または（e）層のダイレクタとの為す角度、（d）層または（e）層のダイレクタと（f）層のダイレクタとのなす角度が、電圧無印加時（図１４参照）に比べてより９０°に近づく。よってバイアス電場印加時に、隣接するスメクティック層の液晶分子のそれぞれの光学的異方性を打ち消しあい、透明基板法線方向からみた場合に、電場無印加時に比べて光学的により等方的になる。従って、印加電圧に対する光透過率のグラフは図１２に示した実施形態１の場合と同様になり、バイアス電場印加時の光漏れが抑えられ、低い透過率の暗状態が得られる。
【００６８】
また、隣接するスメクティック層（（ａ）層と（ｂ）層、（ｃ）層と（ｄ）層、（ｅ）層と（ｆ）層）の液晶分子のなす角度とコントラスト比の関係のグラフは実施形態１と同様に図１３のようになる。すなわち、実施形態１と同様に、上述の液晶分子のなす角度が８４°以上９６°以下でコントラスト比を１００より大きな値とすることができる。
【００６９】
しかし、上述のように単純マトリクス駆動を行う場合には、暗状態でもバイアス電圧を印加するために、前駆現象が起きて隣接分子のなす角度は無電場時から変化する。よって、無電場時で隣接分子のなす角度が９０°程度であっても、バイアス電場印加時に隣接分子のなす角度が８４°未満または９６°より大きい場合には、大きなコントラスト比が得られない。これに対して、電場印加時に隣接分子のなす角度が８４°以上９６°未満の範囲にある液晶を用いれば大きなコントラスト比が得られる。つまり各スメクティック層の液晶分子のチルト角が電圧無印加時より、バイアス電圧印加時に、より４５°に近づき、また、電圧印加時にチルト角が４２°以上４８°以下の範囲にある反強誘電相またはフェリ誘電相を示す液晶材料を用いれば、大きなコントラスト比が得られる。
【００７０】
（実施形態３）
本実施形態では、実施形態１と異なり、０Ｖと、液晶層に印加される電圧が０Ｖから最大の透過率が得られる電圧ＶHに変化するときに最大光透過率の１０パーセントの光透過率となる電圧との間に、光透過率が極小値をとる電圧が存在するように反強誘電性液晶表示装置が構成されている。
【００７１】
この場合にも、光透過率が極小値をとる電圧をバイアス電圧として用いて好適な暗状態を得ることができる。また、最大透過率の１０％よりも小さい透過率での暗状態が実現される。
【００７２】
さらに、光透過率が極小値をとる電圧は、上記最大の透過率が得られる電圧ＶHから０Ｖに印加電圧を変化させたときに最大光透過率の９０％の透過率となる電圧と、上記最大光透過率の１０パーセントの光透過率となる電圧との間において存在することが望ましい。このようにすれば、光透過率が極小値をとる電圧をバイアス電圧として用いて、光漏れをできるだけ低減しながら、明状態をも適切に維持することができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、反強誘電相、フェリ誘電相、またはこれらの混在する相のうちのいずれかを示す液晶層を備える液晶光学素子において、光透過率が極小値をとる電圧が、０Ｖと、光透過率が最大になる電圧との間に存在する。このような液晶光学素子では、単純マトリクス駆動した場合に、バイアス電圧が印加された状態で光透過率が最小となるように駆動することができる。従って、暗状態における光漏れを低減し、高コントラスト比を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】反強誘電性液晶相の層構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図２】従来の反強誘電性液晶表示装置の動作を説明するための図であり、（ａ）および（ｃ）は電圧印加状態、（ｂ）は電圧無印加状態を示す。
【図３】基板法線方向から見たときの、隣接するスメクティック層の液晶分子を示す平面図である。
【図４】従来の反強誘電性液晶表示装置の印加電圧−透過率曲線である。
【図５】従来の電圧印加状態における、基板法線方向から見たときの隣接するスメクティック層の液晶分子を示す平面図である。
【図６】従来の印加電圧−透過率曲線を部分的に示す図である。
【図７】本発明にかかる印加電圧−透過率曲線を部分的に示す図である。
【図８】本発明の実施形態にかかる反強誘電性液晶表示装置の断面図である。
【図９】図８に示す表示装置を駆動する信号の一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る、電圧無印加状態における基板法線方向から見たときの隣接するスメクティック層の液晶分子を示す平面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る、電圧印加状態における基板法線方向から見たときの隣接するスメクティック層の液晶分子を示す平面図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る反強誘電性液晶表示装置の印加電圧−透過率曲線を示す図である。
【図１３】隣接するスメクティック層の液晶分子のなす角度と、コントラスト比との関係をしめす図である。
【図１４】本発明の別の実施形態にかかる、電圧無印加状態における基板法線方向から見たときの隣接するスメクティック層の液晶分子を示す平面図である。
【図１５】本発明の別の実施形態にかかる、電圧印加状態における基板法線方向から見たときの隣接するスメクティック層の液晶分子を示す平面図である。
【符号の説明】
１０，１２  基板
２０，２２  行電極および列電極
３０，３２  配向膜
４０  液晶層
５０，６０  偏光板
１００  反強誘電性液晶表示装置
【図１】
0003910438.tif 000007
【図２】
0003910438.tif 000008
【図３】
0003910438.tif 000009
【図４】
0003910438.tif 000010
【図５】
0003910438.tif 000011
【図６】
0003910438.tif 000012
【図７】
0003910438.tif 000013
【図８】
0003910438.tif 000014
【図９】
0003910438.tif 000015
【図１０】
0003910438.tif 000016
【図１１】
0003910438.tif 000017
【図１２】
0003910438.tif 000018
【図１３】
0003910438.tif 000019
【図１４】
0003910438.tif 000020
【図１５】
0003910438.tif 000021