(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板が配置され、基板のうち一方の透明基板上に複数の走査電極と信号配線がマトリクス状に配設されて透明基板間の領域が各走査配線と各信号配線により複数の画素領域に分割されており、もう一方の透明基板上に複数の対向配線が走査電極と平行に配設されており、各画素領域間に一対の配向制御物質層と液晶組成物層が積層されている液晶表示素子において、各画素領域の１対の透明基板の各走査配線と対向配線がジグザグ状であり、かつ、それぞれが基板の法線方向に対して重ならない構造を持ち、直線偏光配置、パラレルニコルに配置されている２枚の偏光板の間に挟み込まれるように配置されていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
各画素領域の各走査電極と対向電極のジグザグの角度（θ）が６０゜ないし１２０゜であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
各画素領域の各走査電極と対向電極の幅（Ｗ）がそれぞれ独立して５〜３５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項４】
各画素領域の各走査電極同士あるいは各対向電極同士の間隔（Ｌ）がそれぞれ２０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項５】
液晶組成物層の厚み（Ｄ）が３〜２５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示装置に係り、特に偏光板を使用しない表示装置や投写型・反射型の表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液晶表示装置としては、旋光性を利用したツイストネマティック（ＴＮ）モード、光干渉性を利用した複屈折制御（ＥＣＢ）モードやスーパーツイストネマティック（ＳＴＮ）モードが良く知られているが、いずれのモードも偏光板が１枚ないし２枚必要であり、そのために充分なコントラストや視野角が得られず、また応答速度が遅いという欠点を有している。広視野角を改善する目的で、互い違い電極を有する液晶表示装置がSID International Symposium Digest of Technical Papers,vol.XX1X,p.718,(1998)で報告されている。この液晶表示装置は広視野角であるけれども応答速度が遅いという欠点を有している。また、ジグザグ電極を有する液晶表示素子がIDW Proceedings of The Fourth International Display Workshops,p.175,(1997)で報告されている。この液晶表示装置は広視野角で応答速度が速いが、輝度が低く駆動電圧が高いという欠点を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
複屈折制御（ＥＣＢ）モードやスーパーツイストネマティック（ＳＴＮ）モードのいずれもコントラストが低く、さらに応答速度が遅いことにより動画表示に不向きであるという欠点があった。ツイストネマティック（ＴＮ）モードは応答速度は速いが、視野角が非常に狭いという難点があった。ツイストネマティック（ＴＮ）モード、複屈折制御（ＥＣＢ）モードやスーパーツイストネマティック（ＳＴＮ）モードのいずれも偏光板が１枚ないし２枚必要であるために、偏光板で透過光若しくは反射光は一部吸収されてしまう。よって表示装置の輝度の低下が起こり、コントラストも低下してしまう。輝度を補うためにバックライトを強くするがそのために消費電力も大きくなってしまっていた。また、複屈折制御（ＥＣＢ）モードやスーパーツイストネマティック（ＳＴＮ）モードは複屈折により着色してしまうので光学補償フィルムなどが必要となり、光学設計が大変な上にコストアップの要因になっていた。
本発明の第一の目的は屈折または回折現象を利用して高コントラストや高速応答あるいは広視野角を実現する液晶表示装置を提供することにある。第二の目的は偏光板を減らすことにより高輝度化を実現する液晶表示装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の発明は、図１に示したように一対の基板が配置され、基板のうち一方の透明基板上に複数の走査電極と信号配線がマトリクス状に配設されて透明基板間の領域が各走査配線と各信号配線により複数の画素領域に分割されており、もう一方の透明基板上に複数の対向配線が走査電極と平行に配設されており、各画素領域間に一対の配向制御物質層と液晶組成物層が積層されている液晶表示素子において、各画素領域の１対の透明基板の各走査配線と対向配線がジグザグ状であり、かつ、それぞれが基板の法線方向に対して重ならない構造を持つことを特徴とする液晶表示素子に関する。
【０００５】
第２の発明は、図２に示したように第１の発明に記載の液晶表示素子に１枚の偏光板が配置されていることを特徴とする液晶表示素子に関する。
第３の発明は、図３に示したように第１の発明に記載の液晶表示素子に１枚の偏光板とλ／４波長板が併せて配置されていることを特徴とする液晶表示素子に関する。
第４の発明は、図４に示したように第１の発明に記載の液晶表示素子が２枚の偏光板の間に挟み込まれるように配置されていることを特徴とする液晶表示素子に関する。
【０００６】
第５の発明は、図５に示したように第１の発明に記載の液晶表示素子が１枚の偏光板と反対側に反射板を配置した構造に配置されていることを特徴とする液晶表示素子に関する。
第６の発明は、２枚の偏光板が直線偏光配置、パラレルニコルに配置されていることを特徴とする第４発明に記載の液晶表示素子に関する。
第７の発明は、２枚の偏光板が直線偏光配置、クロスニコルに配置されていることを特徴とする第４発明に記載の液晶表示素子に関する。
第８の発明は、各画素領域の各走査電極と対向電極のジグザグの角度（θ）が６０゜ないし１２０゜であることを特徴とする上記第１〜５の発明に記載の液晶表示素子に関する。
【０００７】
第９の発明は、各画素領域の各走査電極と対向電極の幅（Ｗ）がそれぞれ独立して５〜３５μｍであることを特徴とする上記第１〜５の発明に記載の液晶表示素子に関する。
第１０の発明は、各画素領域の各走査電極同士あるいは各対向電極同士の間隔（Ｌ）がそれぞれ２０〜２００μｍであることを特徴とする上記第１〜５の発明に記載の液晶表示素子に関する。
第１１の発明は、液晶組成物層の厚み（Ｄ）が３〜３０μｍであることを特徴とする上記第１〜５の発明に記載の液晶表示素子に関する。
【０００８】
本発明の液晶表示装置は図１に示すようなもので構成されている。一対のガラス基板（１）が配置され、基板のうち一方の透明基板（２）上に複数の走査電極（５）と信号配線（６）がマトリクス状に配設されて透明基板間の領域が各走査配線と各信号配線により複数の画素領域に分割されており、もう一方の透明基板（２）上に複数の対向配線（７）が走査電極と平行に配設されており、各画素領域間に一対の配向制御物質層（３）と液晶組成物層（４）が積層されている。この一画素の平面図と断面図を図６に示した。セル厚（Ｄ）の画素において電極幅（Ｗ）の走査配線と対向配線が重ならないように、走査電極同士、対向電極同士を電極間隔（Ｗ）を取って配置している。各走査配線と各信号配線にそれぞれ信号が印加されるに際して、各走査配線に走査信号が印加される毎に、各画素領域に属する一対の信号配線には電位差の異なる信号が印加される。各信号配線に電位差の異なる信号が印加されると、この電位差に従った電界が各画素領域の液晶に作用し、液晶分子が透明基板面に対してある仰角でもって起き上がる。これにより各画素領域の液晶の配向を図７のように制御することができる。このとき液晶組成物が基板に対して斜めに配向することから屈折または回折現象を生じ、光の伝搬路の制御が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の光学配置としてはおおよそ３つの配置が考えられる。まず偏光板を用いない回折配置があり、ランダム光を入射して電界で誘起された液晶分子による光回折効果を利用して出射光を取り出すものである。２つめに１枚の偏光板とλ／４波長板を併せて配置する円偏光配置があり、円偏光配置は円偏光を入射して電界で誘起された液晶分子による光回折効果を利用して出射光を取り出すものである。３つめに１枚ないし２枚の偏光板を用いる直線偏光配置がある。直線偏光の入射方向については直線偏光の光伝搬軸方向を入射側ガラス基板の液晶配向方向と一致させる（平行入射）方式と直交させる（垂直入射）方式がある。
【００１０】
さらに偏光板については入射光の異常光による回折効果を誘起する１枚偏光板配置と入射光の異常光による回折効果を誘起した上に出射光の常光を遮る２枚偏光板配置に区別される。液晶組成物層の配向がアンチパラレル（ＡＰ）配向またはツイストネマティック（ＴＮ）配向のいずれでも、平行入射のときは屈折現象が優勢であり、垂直入射のときは回折現象が優勢である。例えば、２枚偏光板を用いた直線偏光配置で、入射光が平行入射し、かつ液晶の配向がＴＮ配向の場合、電圧無印加時で光はまず入射光側の偏光板で、ある偏光軸の光に換わる。
【００１１】
そして入射側の液晶の配向軸と入射光の偏光軸が一致するため光は透過する。ＴＮ配向であるため液晶分子に沿って偏光軸は９０゜ねじ曲げられ、セルを通過し、反対側の偏光板に届く。このとき、２枚の偏光板がパラレルニコルであれば、出射光の偏光軸と出射光側の偏光板の偏光軸は９０゜ずれるので、出射光は透過せずにノーマリーブラックモードとなる。逆に２枚の偏光板がクロスニコルであれば、出射光の偏光軸と出射光側の偏光板の偏光軸は一致するので、出射光は偏光板を通過しノーマリーホワイトモードとなる。例えば、ノーマリーホワイトモードで電圧を印加すると、液晶が立ち上がり始め、液晶配向変形に伴い光屈折が見られるようになる。そして電圧上昇に従って出射光の屈折角は徐々に大きくなる。図７のように液晶が斜め約４５゜に配向したときに屈折角は最大となる。
【００１２】
液晶の配向がＡＰ配向の場合は、偏光板１枚か偏光板２枚でパラレルニコルの場合にコントラストが良好である。ＴＮ配向の場合は、偏光板１枚か偏光板２枚でクロスニコルの場合にコントラストが良好である。
従来のモードでは、１枚乃至２枚の偏光板を使用することで、コントラストが著しく低下していた。しかし、本願発明の方法を使用すると偏光板を使用しない場合は勿論のこと、偏光板を１枚乃至２枚使用しても高コントラストを実現できるのである。
各画素領域の各走査電極と対向電極のジグザグの角度（θ）は６０゜ないし１２０゜であるのが望ましい。好ましくは各画素領域の各走査電極と対向電極のジグザグの角度（θ）は８０゜ないし１００゜であるのが望ましい。特に各走査電極と対向電極のジグザグの角度（θ）が９０゜のときに屈折光の強度が最大となる。
【００１３】
各画素領域の各走査電極と対向電極の幅（Ｗ）はそれぞれ独立して５〜３５μｍであることが望ましい。好ましくは各画素領域の各走査電極と対向電極の幅（Ｗ）はそれぞれ独立して１０〜２５μｍであることが望ましい。
電極の幅が５μｍ未満であると電界がうまく発生しないで液晶分子がうまく配列しないので好ましくない。また、電極の幅が３５μｍより大きくなると開口率が著しく低下し、好ましくない。
【００１４】
各画素領域の各走査電極同士あるいは各対向電極同士の間隔（Ｌ）はそれぞれ２０〜２００μｍであることが望ましい。好ましくは各画素領域の各走査電極同士あるいは各対向電極同士の間隔（Ｌ）はそれぞれ４０〜１５０μｍであることが望ましい。電極の間隔が２０μｍ未満であると開口率が著しく低下し、好ましくない。また、電極の間隔が２００μｍより大きくなると電圧が印加されたとき液晶分子が十分に立ち上がらないので好ましくない。
【００１５】
液晶組成物層の厚み（Ｄ）は３〜３０μｍであることが望ましい。好ましくは液晶組成物層の厚み（Ｄ）は３〜２５μｍであることが望ましい。液晶組成物層の厚みが３μｍ未満であるとセルギャップの制御が困難になり歩留まりが著しく悪化するので好ましくない。また、液晶組成物層の厚みが３０μｍより大きくなると電圧が印加されたとき液晶分子が十分に立ち上がらないので好ましくない。
【００１６】
液晶は誘電率異方性（Δε）は電圧印加後に斜め４５゜の配向状態を得るという基本目的からは正でも負でも良く、初期配向状態としてはホモジニアス配向、ＴＮ配向、ホメオトロピック配向のいずれでも良い。配向制御物質としてはポリイミドタイプ配向膜、可溶性ポリイミドタイプ配向膜、ポリアミド酸タイプ配向膜が好ましい。また、配向制御物質層は金属やＳｉＯ2を蒸着したものでも問題はない。ホモジニアス配向やホメオトロピック配向では、条件によって屈折と回折がどちらか一方もしくは両方同時に起こる。屈折光と回折光の使い分けは偏光板の有無、配向の種類、入射光の偏光方向等を変えることで可能となる。
【００１７】
【作用】
前記した手段によれば、映像情報に従って各走査配線と各信号配線にそれぞれ信号が印加されるに際して、各走査配線に走査信号が印加される毎に、各画素領域に属する一対の信号配線には電位差の異なる信号が印加される。各信号配線に電位差の異なる信号が印加されると、この電位差に従った電界が各画素領域の液晶に作用し、液晶分子が透明基板面に対してある仰角でもって起き上がる。これにより各画素領域の液晶の配向を図７のように制御することができる。このとき液晶組成物が基板に対して斜めに配向することから屈折または回折現象を生じ、光の伝搬路の制御が可能となる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（実施例１）
配向膜はＴＮ配向で偏光板は使用していない。そのときの構成を図２に示した。電極幅（Ｗ）は１５μｍ、電極間隔（Ｌ）は５５μｍ、セル厚（Ｄ）は２５μｍ、電極のジグザグの角度（θ）は９０゜とした。液晶組成物としては透明点が１０３℃、屈折率異方性（Δｎ）が０．２１９、誘電率異方性（Δε）が２９．１のものを用い、配向膜はPSI-G-4001(チッソ社製,pretilt=4゜）を用いた。電圧−透過率測定は光源にＨｅ−Ｎｅレーザー、検出器にフォトダイオード、リニアアンプ、ディジタルマルチメーター(ADVANTEST、Ｒ６４５１Ａ)を用いて、任意波形発生器(ＨＰ、３３１２０Ａ)で１ＫＨｚの矩形波を印加した。ノーマリーホワイトモードで、透過率９０％のところをしきい値電圧(Ｖ90)とした。しきい値電圧(Ｖ90)は１．３８Ｖ、コントラスト比は４０：１であった。
【００１９】
（実施例２）
配向膜はアンチパラレル配向で、２枚の偏光板は直線偏光配置、かつ、パラレルニコルとした。そのときの構成を図５に示した。その他は実施例１と同様とした。しきい値電圧(Ｖ90)は１．０２Ｖ、コントラスト比は４６２：１であった。
【００２０】
（実施例３）
配向膜はＴＮ配向で、２枚の偏光板は直線偏光配置、かつ、クロスニコルとした。そのときの構成を図５に示した。その他は実施例１と同様とした。しきい値電圧(Ｖ90)は２．１０Ｖ、コントラスト比は１６８：１であった。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、各画素領域の液晶分子が透明基板面に対してある仰角でもって起き上がるときの液晶の配向から生じる屈折または回折現象を利用して高コントラストや高速応答あるいは広視野角化を実現する液晶表示装置を提供する。また、偏光板を減らすことにより高輝度化を実現する液晶表示装置を提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に記載した表示装置の説明図である。
【図２】請求項２に記載した表示装置の説明図である。
【図３】請求項３に記載した表示装置の説明図である。
【図４】請求項４に記載した表示装置の説明図である。
【図５】請求項１１に記載した表示装置の説明図である。
【図６】画素の平面図および断面図である。
【図７】電圧印加時の液晶分子の説明図である。
【符号の説明】
１  ガラス基板
２  透明基板
３  配向制御物質層
４  液晶組成物層
５  走査配線
６  信号配線
７  対向配線
８  偏光板
９  λ/4波長板
１０  反射板
【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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