JP2013195902A - 液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 表示品質の高い液晶表示素子を提供する。
【解決手段】 第１電極を備え、配向処理された第１基板と、第１基板と対向配置され、第２電極を備え、配向処理された第２基板と、第１、第２基板間に配置され、カイラル剤、及び重合体を含み、ツイスト配向する液晶層とを有し、重合体は、液晶層の質量に対し、５ｗｔ％以下の範囲で添加された重合可能材料から合成され、液晶層には、第１電極と第２電極とに電圧を印加することで、液晶層の厚さ方向の電界を生じさせることが可能であり、第１基板、第２基板の少なくとも一方には、電圧の印加により、液晶層の厚さ方向と直交する方向の電界を生じさせることが可能な電極が形成されており、第１基板ならびに第２基板に対する配向処理、及び、液晶層へのカイラル剤の添加は、液晶層に付加する電界の方向により、液晶層の液晶分子が、リバースツイスト配列状態と、スプレイツイスト配列状態との間で相互に遷移するように行われている液晶表示素子を提供する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、液晶表示素子、殊に液晶層に光学活性物質（カイラル剤）を含む液晶表示素子に関する。

一組の配向膜の配向処理方向とプレティルト角の組み合わせで定まる液晶分子の捩れ方向（第１旋回方向）と、カイラル剤によって誘起される液晶分子の捩れ方向（第２旋回方向）とが逆方向となるように作製された液晶層を有し、たとえば液晶層に物理的作用を与えることにより、液晶分子が各方向へ捩れる状態（第１旋回方向につきリバースツイスト配列状態、第２旋回方向につきスプレイツイスト配列状態）が可換的に実現可能な液晶表示素子を、リバースツイステッドネマチック(reverse twisted nematic;RTN)型液晶表示素子と呼ぶ。第１旋回方向は、液晶層にカイラル剤を添加しなかった場合に、液晶分子が捩れる旋回方向である。

たとえば特許文献１にリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子の記載がある。特許文献１記載のリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子においては、液晶分子が第１旋回方向に捩れる配列状態が不安定である。高電圧の印加によって第１旋回方向に捩れる配列状態を得ることは可能であるが、時間の経過とともに液晶分子は第２旋回方向に捩れる配列状態に転移する。

液晶分子を第２旋回方向に旋回させるカイラル剤を添加しながらも、基板の配向方向の組み合わせにより、液晶分子を第１旋回方向に配列させることで、液晶層内の歪を増大させ、駆動電圧の大幅な低減を可能にしたリバースツイステッドネマチック型液晶素子の発明が特許文献２に記載されている。しかしながら、特許文献２記載の発明においては、第２旋回方向に捩れる配列状態から、第１旋回方向に捩れる配列状態に転移させる電圧の印加を停止して数秒後には、もとの配列状態（第２旋回方向に捩れる配列状態）に再転移するため、第２旋回方向に捩れる配列状態で液晶素子を駆動する場合には、高い駆動電圧が必要となるという問題がある。

また、リバースツイステッドネマチック型液晶表示素子においては、一般的に、液晶分子が第１旋回方向に捩れる配列状態（リバースツイスト配列状態）と第２旋回方向に捩れる配列状態（スプレイツイスト配列状態）とで外観上の表示状態に大きな違いがなく、双安定性を与えても高いコントラスト比（透過率の差）が得られにくいという問題がある。

上下基板間でラビング方向のなす角度が９０°より大きく１２０°未満になるように配向処理を行い、かつ液晶層に、ラビング方向のなす角度と同じ方向になるように捩れる性質をもつカイラル剤を添加したことを特徴とするリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子の発明が特許文献３に開示されている。特許文献３記載のリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子は、通常のツイステッドネマチック型液晶表示素子と比較したとき、どの温度においてもシャープネスが優れている。また良好なシャープネスに起因し、特に単純マトリクス駆動液晶表示素子において、高デューティ駆動が可能であったり、同じデューティで駆動する場合のコントラストが高いといった特徴をもつ。更に、低温でのレスポンスが通常のツイステッドネマチック型液晶表示素子よりも速い、高温環境下でもオフ電圧時透過率が下がらず、明るい表示を実現できる等、単純マトリクス駆動液晶表示素子、及び、ＴＦＴ(thin film transistor)を用いた液晶表示素子双方の長所を有する。

特許文献３記載の液晶表示素子は、リバースツイスト配列状態が非常に安定で、かつ、その状態での電気光学特性が通常のツイステッドネマチック型液晶表示素子より優れている。しかしながら、リバースツイスト配列状態とスプレイツイスト配列状態の双安定性を積極的に利用する発明ではない。

リバースツイスト配列状態とスプレイツイスト配列状態の双安定表示が可能で、メモリ性が高く、コントラスト比も比較的高い、電気的スイッチング可能なリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子の発明が特許文献４に開示されている。これは本願発明者らが行った発明である。

特許文献４記載の液晶表示素子は、比較例を用いて後述するが、たとえば室温におけるメモリ性は高いものの、室温とは異なる温度では、リバースツイスト配列状態による表示を保持することができない場合が生じ、特に６０℃以上の高温状態では保持することが困難である。したがって、用途によっては、たとえば車載用、航空機用、屋外用の液晶表示素子として用いる場合は、表示のメモリ性が不十分となる場合がある。

特許２５１０１５０号公報 特開２００７−２９３２７８号公報 特開２０１０−１８６０４５号公報 特開２０１１−２０３５４７号公報

本発明の目的は、表示品質の高い液晶表示素子を提供することである。

本発明の一観点によると、第１の電極を備え、配向処理された第１の基板と、前記第１の基板と平行に対向配置され、第２の電極を備え、配向処理された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、カイラル剤、及び重合体を含み、ツイスト配向する液晶層とを有し、前記液晶層が前記カイラル剤を含まなかった場合に、液晶分子が捩れる旋回方向を第１旋回方向とするとき、前記カイラル剤は前記液晶層の液晶分子に、前記第１旋回方向とは反対の第２旋回方向への旋回性を与え、前記重合体は、前記液晶層の質量に対し、５ｗｔ％以下の範囲で添加された重合可能材料から合成され、前記液晶層には、前記第１の電極と前記第２の電極とに電圧を印加することで、前記液晶層の厚さ方向の電界を生じさせることが可能であり、前記第１の基板、前記第２の基板の少なくとも一方には、電圧の印加により、前記液晶層の厚さ方向と直交する方向の電界を生じさせることが可能な電極が形成されており、前記第１の基板ならびに前記第２の基板に対する配向処理、及び、前記液晶層へのカイラル剤の添加は、前記液晶層に付加する電界の方向により、前記液晶層の液晶分子が、リバースツイスト配列状態と、スプレイツイスト配列状態との間で相互に遷移するように行われている液晶表示素子が提供される。

本発明によれば、表示品質の高い液晶表示素子を提供することができる。

図１は、液晶層がリバースツイスト配列状態であるときの表示の保持性を、複数の温度について調べた結果を示す表である。 図２は、カイラル剤のピッチ長の温度依存性を示すグラフである。 図３は、リバースツイスト配列状態による表示保持（メモリ性）の温度依存性を、更に詳しく調査した結果を示す表である。 図４は、実施例による液晶表示素子を示す概略的な断面図である。 図５は、ＩＴＯ膜のエッチングに使用するフォトマスクを示す概略的な平面図である。 図６Ａ〜図６Ｄは、紫外線硬化性材料を２ｗｔ％添加した液晶表示素子のメモリ安定性について実験した結果を示す写真である。 図７は、図６Ｃに外観写真を示した液晶表示素子（９０℃で３０分の熱処理を施した後の液晶表示素子）を示す顕微鏡写真である。 図８Ａ〜図８Ｄは、異なる添加量（１ｗｔ％、２ｗｔ％、５ｗｔ％）で紫外線硬化性材料を添加した液晶表示素子のメモリ安定性について実験した結果を示す写真である。

以下、リバースツイステッドネマチック型液晶表示素子の比較例及び実施例について説明する。

本願発明者らは、まず、比較例によるリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子を複数作製して、その表示特性を調べた。

透明電極、たとえばＩＴＯ(indium tin oxide)電極が形成された透明基板を２枚準備する。ここでは平行平板タイプの電極をもつテストセルを用い、２枚の透明基板を洗浄、乾燥した。

透明基板上に、ＩＴＯ電極を覆うように配向膜材料を塗布する。配向膜材料の塗布は、スピンコートを用いて行った。フレキソ印刷やインクジェット印刷を用いて行ってもよい。本例においては、通常は垂直配向膜の形成に使用される、垂直配向膜材料としては低めの側鎖密度を有するポリイミド配向膜材料の側鎖密度をコントロールし、配向膜材料として用いた。側鎖密度のコントロールは、適度なプレティルト角の付与を可能とするためである。配向膜材料は、配向膜の厚さが５００Å〜８００Åとなるように塗布した。

配向膜材料を塗布した透明基板の仮焼成、及び本焼成を実施する。本焼成は１６０℃〜２６０℃の間の異なる焼成温度で行った。こうしてＩＴＯ電極を覆う配向膜が形成された。

次に、ラビング処理（配向処理）を行う。ラビング処理は、たとえば布を巻いた円筒状のロールを高速に回転させ配向膜上を擦る工程であり、これにより基板に接する液晶分子を一方向に並べる（配向する）ことができる。ラビング処理は、押し込み量を０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍとする３条件で行った。またラビング処理は、液晶表示素子のツイスト角が７０°または９０°となるように実施した。

続いて、液晶セルの厚さ（基板間距離）を一定に保つため、一方の透明基板面上にギャップコントロール材をたとえば乾式散布法にて散布した。ギャップコントロール材には粒径４μｍのプラスチックボールを使用し、液晶セルの厚さが４μｍとなるようにした。

他方の透明基板面上にはシール材を印刷し、メインシールパターンを形成した。たとえば粒径４μｍのグラスファイバーを含んだ熱硬化性のシール材を、スクリーン印刷法で印刷する。ディスペンサを用いてシール材を塗布することもできる。また、熱硬化性ではなく、光硬化性のシール材や、光・熱併用硬化型のシール材を使ってもよい。

透明基板を重ね合わせた。２枚の透明基板を所定の位置で重ね合わせてセル化し、プレスした状態で熱処理を施しシール材を硬化させた。たとえばホットプレス法を用い、シール材の熱硬化を行う。こうして空セルが作製される。

たとえば真空注入法で空セルにネマチック液晶を注入する。液晶中にはカイラル剤を添加した。カイラル剤には（株）メルク製のＣＢ１５またはＲ−８１１を使用した。カイラル剤は、カイラルピッチｐ、液晶層の厚さ（セル厚）ｄとしたとき、ｄ／ｐがたとえば０．３３〜０．５３となるように、複数の添加量条件で添加した。

液晶注入口を、たとえば紫外線硬化タイプのエンドシール材で封止し、液晶分子の配向を整えるため、液晶の相転移温度以上にセルを加熱した。なお、リバースツイステッドネマチック型液晶表示素子においては、たとえば液晶材料の注入後、または液晶の相転移温度以上に加熱すると、カイラル剤による捩れ力が発生する方向に捩れるスプレイツイスト配列状態となる。

その後、スクライバ装置で透明基板につけた傷に沿ってブレイキングし、個別のセルに小割した。

小割されたセルに対し、面取りと洗浄を実施した。

最後に、２枚の透明基板の液晶層と反対側の面に、偏光板を貼付した。２枚の偏光板はクロスニコルに、かつ透過軸の方向とラビング方向とが平行となるように配置した。直交するように配置することもできる。両透明基板のＩＴＯ電極間には電源を接続した。

こうして比較例による液晶表示素子が作製された。比較例による液晶表示素子は、液晶層の液晶分子が、初期状態においてスプレイツイスト配列状態を示し、縦電界（液晶層の厚さ方向の電界）の印加により、スプレイツイスト配列状態をリバースツイスト配列状態に遷移させることができ、横電界（液晶層の厚さ方向と直交する方向の電界、基板面内方向の電界）の印加により、リバースツイスト配列状態をスプレイツイスト配列状態に遷移させることのできる、リバースツイステッドネマチック型の液晶表示素子である。

本願発明者らは、比較例によるリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子の表示に関し、種々の調査を行った。

まず、表示の目視観察を実施した。比較例による液晶表示素子は、正面から観察した場合であっても、高いコントラスト比で表示が行われていた。また、室温で３ヶ月間放置した後においても、その表示が保持されていた。

次に、液晶層がリバースツイスト配列状態であるときの表示の保持性を、複数の温度について調べた。

図１は、調査結果を示す表である。図１には、添加したカイラル剤の種類とその添加量（カイラルピッチ）ごとに１つの液晶表示素子（比較例）を、−４０℃、４０℃、５０℃の各温度で２４時間放置した後に、リバースツイスト配列状態による表示が保持されているか否かを観察して判断した結果を示した。丸印は良好に保持されていた（液晶層内でほぼリバースツイスト配列状態が維持されていた）ことを示し、バツ印は保持されなかった（ほぼスプレイツイスト配列状態に遷移した）ことを示し、三角印はその中間状態（一部はリバースツイスト配列状態が維持され、一部はスプレイツイスト配列状態に遷移した状態）を示す。

カイラル剤としてＣＢ１５を使用し、カイラルピッチが８．０μｍとなるように添加量を調整した場合は、−４０℃、４０℃、５０℃のいずれの温度においても、リバースツイスト配列状態による表示が良好に保持されていることがわかる。このように比較例においても、カイラル剤の材料や添加量を選択することで、広い温度範囲で高いメモリ性を有する液晶表示素子とすることが可能である。しかしながら、Ｒ−８１１を、カイラルピッチが８．０μｍ、８．５μｍ、９．０μｍとなるように添加した液晶表示素子、及び、ＣＢ１５を、カイラルピッチが９．０μｍとなるように添加した液晶表示素子においては、リバースツイスト配列状態による表示が安定的に保持される温度範囲は広いとはいえないことがわかる。これはカイラル剤のピッチ長が温度によって変化することに起因すると考えられる。

図２は、カイラル剤のピッチ長の温度依存性を示すグラフである。グラフの横軸は、温度を単位「℃」で示し、縦軸はピッチ長を単位「μｍ」で示す。折れ線ａは、ＣＢ１５についてのピッチ長の温度依存性を示し、折れ線ｂは、Ｒ−８１１についてのそれを示す。温度に対するピッチ変化量はカイラル材料により異なるが、材料を選択しても少なからず変化することがわかる。

本願発明者らは、リバースツイスト配列状態による表示保持（メモリ性）の温度依存性を、更に詳しく調査した。

図３は、調査結果を示す表である。図３には、添加したカイラル剤の種類とその添加量（カイラルピッチｐ）ごとに４つの液晶表示素子（比較例）を、４０℃、５０℃、６０℃、７０℃、８０℃、９０℃の各温度で３０分熱処理した後に、リバースツイスト配列状態による表示が保持されているか否かを観察して判断した結果を示した。表中の数字は、表示が良好に保持されていた液晶表示素子の数を表す。たとえば「３／４」という表記は、４つの液晶表示素子のうち３つが良好に表示を保持していたことを示す。バツ印は良好に表示を保持していた液晶表示素子がなかったことを意味する。

熱処理温度が５０℃以下であれば、比較的多くの液晶表示素子でリバースツイスト配列状態による表示が保たれているが、６０℃以上になるとメモリ性が消失し、スプレイツイスト配列状態に遷移していることがわかる。

このように、比較例によるリバースツイステッドネマチック型の液晶表示素子は、たとえば室温におけるメモリ性は高いものの、室温とは異なる温度では、リバースツイスト配列状態による表示を保持することができない場合が生じ、特に６０℃以上の高温状態では保持することが困難である。

図４は、実施例による液晶表示素子を示す概略的な断面図である。

まず実施例による液晶表示素子の製造方法を説明する。

透明導電膜、たとえばＩＴＯ膜が形成された透明基板、たとえばガラス基板を２枚（上側透明基板１１ａ、下側透明基板１１ｂ）準備した。

上側透明基板１１ａ上のＩＴＯ膜をフォトリソ工程を用いてパターニングし、上側透明基板１１ａ上に上側ベタ電極１２ａを形成する。パターニングは、取り出し電極部分（端子部分）と表示の画素に当たる部分にＩＴＯ膜が残るように行った。ＩＴＯ膜のエッチングは、第二塩化鉄を用いたウェットエッチングで実施した。なお、レーザビームを照射し、ＩＴＯ膜を除去することでパターニングを行ってもよい。

下側透明基板１１ｂ上のＩＴＯ膜をフォトリソ工程を用いてパターニングし、下側透明基板１１ｂ上に下側ベタ電極１２ｂを形成する。形成方法は、上側透明基板１１ａ上の上側ベタ電極１２ａの形成方法と同様である。

下側ベタ電極１２ｂの形成後、下側ベタ電極１２ｂ上を含む下側透明基板１１ｂ上に絶縁膜１３を形成する。絶縁膜１３は、たとえば下側ベタ電極１２ｂの取り出し電極部分には形成しない。絶縁膜１３は、下側ベタ電極１２ｂの取り出し電極部分にレジストを形成し、絶縁膜１３成膜後にリフトオフでレジストを除去する方法、メタルマスクで取り出し電極部分を覆った状態でスパッタ等により形成する方法により形成可能である。絶縁膜１３は、有機絶縁膜やＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ等の無機絶縁膜とすることができる。それらの組み合わせで形成してもよい。実施例においては、アクリル系有機絶縁膜とＳｉＯ_２の積層膜を絶縁膜１３として用いた。

実施例においては、まず下側ベタ電極１２ｂの取り出し電極部分に耐熱性フィルム（ポリイミドテープ）を貼り、その状態で有機絶縁膜をスピンコートした。２０００ｒｐｍで３０秒間スピンさせる条件で、膜厚１μｍの有機絶縁膜を得た。

次に、有機絶縁膜が形成された下側透明基板１１ｂを、クリーンオーブンにて２２０℃で１時間焼成し、その後耐熱性フィルムを貼ったままで下側透明基板１１ｂを８０℃に加熱し、ＳｉＯ_２膜をスパッタ法（交流放電）により厚さ１０００Åに成膜した。ＳｉＯ_２膜は、真空蒸着法、イオンビーム法、ＣＶＤ法等を用いて成膜することもできる。

ここで耐熱性フィルムを剥がすと、耐熱性フィルムの貼付箇所につき、有機絶縁膜及びＳｉＯ_２膜を除去することができた。続いて、ＳｉＯ_２膜の絶縁性と透明性とを向上させるために、下側透明基板１１ｂをクリーンオーブンにて２２０℃で１時間焼成した。

ＳｉＯ_２膜の形成は必須ではないが、ＳｉＯ_２膜を成膜することで絶縁膜１３の絶縁性を向上させることができる。また、絶縁膜１３上に形成する第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄの密着性及びパターニング性を向上させることが可能である。

有機絶縁膜を形成せず、絶縁膜１３をＳｉＯ_２膜のみで構成してもよい。ＳｉＯ_２膜は多孔質になりやすいため、この場合には、ＳｉＯ_２膜の厚さを４０００Å〜８０００Åとすることが望ましい。ＳｉＯ_２膜とＳｉＮ_ｘ膜との積層からなる無機絶縁膜１３とすることもできる。

絶縁膜１３上にＩＴＯ膜を形成した。ＩＴＯ膜は、下側透明基板１１ｂを１００℃に加熱し、スパッタ法（交流放電）により基板全面に成膜した。膜厚は約１２００Åとした。このＩＴＯ膜をフォトリソ工程でパターニングし、第１櫛歯電極１２ｃ、第２櫛歯電極１２ｄ、及び電極１２ｃ、１２ｄの取り出し電極を形成した。

図５は、ＩＴＯ膜のエッチングに使用するフォトマスクを示す概略的な平面図である。フォトマスクは、第１櫛歯電極１２ｃ対応部分、第２櫛歯電極１２ｄ対応部分、第１櫛歯電極１２ｃの取り出し電極対応部分、及び、第２櫛歯電極１２ｄの取り出し電極対応部分を含む。エッチング時、各対応部分で覆われたＩＴＯ膜で、電極が形成される。なお、本願発明者らは、櫛状電極の櫛歯部分の電極幅を２０μｍ、３０μｍ、２つの櫛状電極の櫛歯部分を交互に配置したときの電極間隔を２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍとする複数の電極パターンで、第１櫛歯電極１２ｃ及び第２櫛歯電極１２ｄを作製した。

以上のような工程を経て、上側ベタ電極１２ａの形成された上側透明基板１１ａ、及び、下側ベタ電極１２ｂ及びその上方に絶縁膜１３を介して第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄが形成された下側透明基板１１ｂを準備した。そしてこの２枚の電極付透明基板１１ａ、１１ｂを洗浄、乾燥した。

電極付透明基板上１１ａ、１１ｂに、電極１２ａ、１２ｃ、１２ｄを覆うように配向膜材料を塗布する。配向膜材料の塗布は、スピンコートを用いて行った。フレキソ印刷やインクジェット印刷を用いて行ってもよい。実施例においては、通常は垂直配向膜の形成に使用される、垂直配向膜材料としては低めの側鎖密度を有するポリイミド配向膜材料の側鎖密度をコントロールし、配向膜材料として用いた。側鎖密度のコントロールは、適度なプレティルト角の付与を可能とするためである。配向膜材料は、配向膜の厚さが５００Å〜８００Åとなるように塗布した。

配向膜材料を塗布した基板１１ａ、１１ｂの仮焼成、及び本焼成を実施する。本焼成は１６０℃〜２６０℃の間の異なる焼成温度で行った。こうして上側ベタ電極１２ａを覆う上側配向膜１４ａ、及び第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄを覆う下側配向膜１４ｂが形成された。

次に、ラビング処理（配向処理）を行う。ラビング処理は、押し込み量を０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍとする３条件で行った。またラビング処理は、液晶表示素子のツイスト角が７０°または９０°となるように実施した。

こうして上側基板１０ａ、及び下側基板１０ｂが作製された。上側基板１０ａは、上側透明基板１１ａ、上側透明基板１１ａ上に形成された上側ベタ電極１２ａ、及び上側ベタ電極１２ａを覆うように形成された上側配向膜１４ａを備える。下側基板１０ｂは、下側透明基板１１ｂ、下側透明基板１１ｂ上に形成された下側ベタ電極１２ｂ、下側ベタ電極１２ｂ上に形成された絶縁膜１３、絶縁膜１３上に櫛歯部分がインターデジタルに配置された第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄ、及び第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄを覆うように形成された下側配向膜１４ｂを備える。

続いて、液晶セルの厚さを一定に保つため、基板１０ａ、１０ｂの一方の面上にギャップコントロール材をたとえば乾式散布法にて散布した。ギャップコントロール材には粒径４μｍのプラスチックボールを使用し、液晶セルの厚さが４μｍとなるようにした。

基板１０ａ、１０ｂの他方の面上にはシール材を印刷し、メインシールパターンを形成した。たとえば粒径４μｍのグラスファイバーを含んだ熱硬化性のシール材を、スクリーン印刷法で印刷する。ディスペンサを用いてシール材を塗布することもできる。また、熱硬化性ではなく、光硬化性のシール材や、光・熱併用硬化型のシール材を使ってもよい。

基板１０ａ、１０ｂを重ね合わせた。基板１０ａ、１０ｂを所定の位置で重ね合わせてセル化し、プレスした状態で熱処理を施しシール材を硬化させた。たとえばホットプレス法を用い、シール材の熱硬化を行う。こうして空セルが作製される。

たとえば真空注入法で空セルにネマチック液晶材料を注入する。液晶材料中にはカイラル剤を添加した。カイラル剤には（株）メルク製のＣＢ１５またはＲ−８１１を使用した。カイラル剤は、カイラルピッチｐ、液晶層の厚さ（セル厚）ｄとしたとき、ｄ／ｐがたとえば０．３３〜０．５３となるように、複数の添加量条件で添加した。

更に液晶材料中に、たとえば光や熱により重合可能な材料、一例としてＵＶキュアラブル液晶（液晶性を有する紫外線硬化性材料）、実施例においては（株）大日本インキ製のＵＣＬ−００１を添加した。材料はこれに限られない。後述するメモリ安定性の観点からは、紫外線硬化性の材料であることが望ましい。液晶性を有しない材料でも後述する効果と同様の効果を奏することができるが、配向性を考慮すると液晶性を有する紫外線硬化性材料を用いることが好ましい。

本願発明者らは、紫外線硬化性を有するモノマー材料の添加量を、液晶層１５に注入する材料（液晶材料、カイラル剤、及び紫外線硬化性を有するモノマー材料）の合計質量に対して、１ｗｔ％、２ｗｔ％、５ｗｔ％となる３条件として複数の液晶表示素子を作製した。

液晶注入口を、たとえば紫外線硬化タイプのエンドシール材で封止し、液晶分子の配向を整えるため、液晶の相転移温度以上にセルを加熱した。

その後、スクライバ装置で透明基板１１ａ、１１ｂにつけた傷に沿ってブレイキングし、個別のセルに小割した。

小割されたセルに対し、面取りと洗浄を実施した。

最後に、２枚の透明基板１１ａ、１１ｂの液晶層１５と反対側の面に、偏光板１６ａ、１６ｂを貼付した。２枚の偏光板１６ａ、１６ｂはクロスニコルに、かつ透過軸の方向とラビング方向とが平行となるように配置した。直交するように配置することもできる。電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ間には電源２０を接続した。

なお、カイラル剤及びＵＶキュアラブル液晶を含む液晶材料の注入後に、紫外線を照射し、ＵＶキュアラブル液晶の重合反応を生じさせ、液晶層１５内に重合体（ポリマー）を合成した（重合処理）。実験のため、紫外線照射は、液晶層１５の液晶分子がリバースツイスト配列状態であるとき、及び、スプレイツイスト配列状態であるときの双方について実施した。紫外線は、照射量１８ｍＷ／ｃｍ^２、積算露光量が１Ｊ／ｃｍ^２となる条件で照射したが、紫外線照射条件はこれに限られない。

こうして実施例による液晶表示素子が作製された。

実施例による液晶表示素子は、相互に平行に対向配置された上側基板１０ａ、下側基板１０ｂ、及び両基板１０ａ、１０ｂ間に挟持されたツイストネマチック液晶層１５を含んで構成される。

上側基板１０ａは、上側透明基板１１ａ、上側透明基板１１ａ上に形成された上側ベタ電極１２ａ、及び上側ベタ電極１２ａ上に形成された上側配向膜１４ａを含む。下側基板１０ｂは、下側透明基板１１ｂ、下側透明基板１１ｂ上に形成された下側ベタ電極１２ｂ、下側ベタ電極１２ｂ上に形成された絶縁膜１３、絶縁膜１３上に形成された第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄ、及び、第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄを覆うように絶縁膜１３上に形成された下側配向膜１４ｂを含む。

上側、下側透明基板１１ａ、１１ｂは、たとえばガラスで形成される。上側、下側ベタ電極１２ａ、１２ｂ、及び第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄは、たとえばＩＴＯ等の透明導電材料で形成される。第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄは、それぞれ複数の櫛歯部分を備える櫛状電極である。第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄの櫛歯部分は、図４の左右方向に沿って互い違いに配置されている。

液晶層１５は、上側基板１０ａの上側配向膜１４ａと、下側基板１０ｂの下側配向膜１４ｂとの間に配置される。

上側及び下側配向膜１４ａ、１４ｂには、ラビングにより配向処理が施されている。上側配向膜１４ａと下側配向膜１４ｂの配向処理方向は、上側及び下側基板１０ａ、１０ｂの法線方向から見たとき、たとえば相互に直交している。上側配向膜１４ａのラビング方向を第１の方向、下側配向膜１４ｂのラビング方向を第２の方向とすると、第２の方向は上側基板１０ａの法線方向から見て、第１の方向を基準に、右回り方向に９０°をなす方向である。上側及び下側基板１０ａ、１０ｂの配向処理方向とプレティルト角の組み合わせで規定される液晶層１５の液晶分子の配列状態は、第１旋回方向に捩れるリバースツイスト配列状態である。液晶層１５の液晶分子の配列状態がリバースツイスト配列状態であるとき、液晶層１５の厚さ方向の中央に位置する液晶分子の配向方向は、図４の紙面垂直方向と平行な方向となる。

液晶層１５を形成する液晶材料にはカイラル剤が添加されている。カイラル剤の影響力のもとで生じる液晶分子の配列状態は、第１旋回方向とは逆の第２旋回方向に捩れるスプレイツイスト配列である。

また、液晶層１５には、重合可能な材料、実施例においては、ＵＶキュアラブル液晶に紫外線が照射されることで合成された重合体（ポリマー）が含まれている。重合可能な材料は、液晶層１５の質量（液晶材料、カイラル剤、及び重合可能な材料の合計質量）に対し、５％以下の範囲で添加される。

電源２０が、上側、下側ベタ電極１２ａ、１２ｂ、及び第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄに、電気的に接続されている。電源２０によって、電極１２ａ〜１２ｄに電圧を印加することが可能である。液晶表示素子完成状態（初期状態）における液晶層の液晶分子の配列状態は、スプレイツイスト配列状態である。たとえば両ベタ電極１２ａ、１２ｂ間に、閾値電圧以上の交流電圧を印加することで、液晶層１５に縦電界を発生させ、液晶分子の配列状態を、スプレイツイスト配列状態からリバースツイスト配列状態に遷移させることができる。また、たとえば下側ベタ電極１２ｂ及び第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄに閾値電圧以上の交流電圧を印加することで、液晶層１５に横電界（図４においては左右方向に沿う電界）を発生させ、液晶分子の配列状態を、リバースツイスト配列状態からスプレイツイスト配列状態に遷移させることができる。なお、電極１２ｂ、１２ｃ、１２ｄへの電圧の印加により、液晶層に横電界を生じさせて、液晶表示素子を駆動する駆動モードをＦＦＳモード(fringe field switching mode)と呼ぶ。

また、第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄに閾値電圧以上の交流電圧を印加することで、液晶層１５に横電界を発生させ、液晶分子の配列状態を、リバースツイスト配列状態からスプレイツイスト配列状態に遷移させることも可能である。第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄへの電圧の印加により液晶層に横電界を生じさせて、液晶表示素子を駆動する駆動モードをＩＰＳモード(in-plane switching mode)と呼ぶ。

なお、リバースツイスト配列状態の液晶層に縦電界を付加した場合は、リバースツイスト配列状態が維持され、スプレイツイスト配列状態の液晶層に横電界を付加した場合は、スプレイツイスト配列状態が維持される。

実施例による液晶表示素子においては、上側基板１０ａ、下側基板１０ｂの液晶層１５と反対側の面に、それぞれ上側偏光板１６ａ、下側偏光板１６ｂが配置されている。両偏光板１６ａ、１６ｂは、クロスニコルに、かつ、光透過軸が、上側及び下側基板１０ａ、１０ｂのラビング方向と平行になるように配置される。

実施例による液晶表示素子は、リバースツイスト配列状態とスプレイツイスト配列状態とが、たとえば液晶層に付加する電界の方向により可換的に実現されるリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子である。

本願発明者らは、実施例によるリバースツイステッドネマチック型液晶表示素子の表示に関し、種々の調査を行った。

図６Ａ〜図６Ｄは、紫外線硬化性材料を２ｗｔ％添加した液晶表示素子のメモリ安定性について実験した結果を示す写真である。

図６Ａは、１Ｊ／ｃｍ^２の紫外線を照射して重合反応を生じさせ、液晶層１５内に重合体（ポリマー）を合成した後の液晶表示素子を示す外観写真である。左の写真は、スプレイツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子の外観を示し、右の写真は、リバースツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子の外観を示す。この点は、図６Ａ〜図６Ｄのすべてに共通する。

実施例による液晶表示素子は、スプレイツイスト配列状態時に白表示が行われ、リバースツイスト配列状態時に黒表示が行われる。紫外線照射時にスプレイツイスト配列状態であった液晶表示素子は、紫外線照射後もスプレイツイスト配列状態が維持され、紫外線照射時にリバースツイスト配列状態であった液晶表示素子は、紫外線照射後もリバースツイスト配列状態が維持されている。

図６Ｂは、上側ベタ電極１２ａと下側ベタ電極１２ｂに閾値電圧以上の電圧を印加し、液晶層１５に縦電界を付加した後の液晶表示素子を示す外観写真である。

左の写真に示す液晶表示素子は、スプレイツイスト配列状態からリバースツイスト配列状態に遷移していることがわかる。右の写真に示す液晶表示素子は、リバースツイスト配列状態が維持されている。

図６Ｃは、これらの液晶表示素子に９０℃で３０分の熱処理を施した後の外観写真である。９０℃という高温での熱処理後も、安定にリバースツイスト配列状態が保持されていることがわかる。

図６Ｄは、更に、下側ベタ電極１２ｂ及び第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄに閾値電圧以上の電圧を印加し、液晶層１５に横電界を付加した後の液晶表示素子を示す外観写真である。

左の写真（スプレイツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子）においても、右の写真（リバースツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子）においても、横電界の付加により、スプレイツイスト配列状態に遷移していることがわかる。

図６Ａ〜図６Ｄに示す結果から、実施例による液晶表示素子は、電界の付加による表示のスイッチング性（リバースツイスト配列状態とスプレイツイスト配列状態との間のスイッチング性）と、高いメモリ性（熱的な安定性）とをともに備える液晶表示素子であることがわかる。

図７は、図６Ｃに外観写真を示した液晶表示素子（９０℃で３０分の熱処理を施した後の液晶表示素子）を示す顕微鏡写真である。左はリバースツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子の顕微鏡写真を示し、右はスプレイツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子の顕微鏡写真を示す。左右とも、表示領域の角を撮影した写真を上に示し、表示領域の縁を撮影した写真を下に示す。顕微鏡観察によれば、表示領域（リバースツイスト配列状態）と非表示領域（スプレイツイスト配列状態）との境界で、数十μｍのがたつきはあるものの、表示領域では安定してリバースツイスト配列状態が保持されていることがわかる。また、リバースツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子（左の写真）と、スプレイツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子（右の写真）との間に有意差は認められず、どちらもリバースツイスト配列状態が安定的に保持されていることがわかる。

次に、本願発明者らは、紫外線硬化性材料の添加濃度とメモリ性の関係について実験を行った。

図８Ａ〜図８Ｄは、異なる添加量（１ｗｔ％、２ｗｔ％、５ｗｔ％）で紫外線硬化性材料を添加した液晶表示素子のメモリ安定性について実験した結果を示す写真である。図６Ａ〜図６Ｄに示した写真と同様に、図８Ａ〜図８Ｄについても、左列の写真は、スプレイツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子の外観を示し、右列の写真は、リバースツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子の外観を示す。また、図８Ａ〜図８Ｄに共通して、上段は紫外線硬化性材料の添加量を１ｗｔ％として作製した液晶表示素子の外観写真、中段は紫外線硬化性材料の添加量を２ｗｔ％として作製した液晶表示素子の外観写真、そして下段は紫外線硬化性材料の添加量を５ｗｔ％として作製した液晶表示素子の外観写真を示す。なお、添加量を１ｗｔ％、５ｗｔ％として作製した液晶表示素子にはセル厚ムラがあった。

図８Ａは、１Ｊ／ｃｍ^２の紫外線を照射して重合反応を生じさせ、液晶層１５内に重合体（ポリマー）を合成した後の液晶表示素子を示す外観写真である。

添加量が１ｗｔ％、２ｗｔ％、５ｗｔ％のいずれの場合も、紫外線照射時にスプレイツイスト配列状態であった液晶表示素子は、紫外線照射後もスプレイツイスト配列状態が維持され、紫外線照射時にリバースツイスト配列状態であった液晶表示素子は、紫外線照射後もリバースツイスト配列状態が維持されているといえる。

図８Ｂは、上側ベタ電極１２ａと下側ベタ電極１２ｂに閾値電圧以上の電圧を印加し、液晶層１５に縦電界を付加した後の液晶表示素子を示す外観写真である。

左列の写真に示す液晶表示素子は、スプレイツイスト配列状態からリバースツイスト配列状態に遷移していることがわかる。右列の写真に示す液晶表示素子は、リバースツイスト配列状態が維持されている。

図８Ｃは、これらの液晶表示素子に９０℃で３０分の熱処理を施した後の外観写真である。９０℃という高温での熱処理後も、紫外線硬化性材料の添加量（１ｗｔ％、２ｗｔ％、５ｗｔ％）にかかわらず、安定にリバースツイスト配列状態が保持されていることがわかる。

図８Ｄは、更に、下側ベタ電極１２ｂ及び第１、第２櫛歯電極１２ｃ、１２ｄに閾値電圧以上の電圧を印加し、液晶層１５に横電界を付加した後の液晶表示素子を示す外観写真である。

左列の写真（スプレイツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子）においては、紫外線硬化性材料の添加量が、１ｗｔ％、２ｗｔ％、５ｗｔ％のいずれの場合においても、横電界の付加により、スプレイツイスト配列状態に遷移している。

右列の写真（リバースツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子）を参照すると、紫外線硬化性材料の添加量が、１ｗｔ％、２ｗｔ％の液晶表示素子においては、横電界の付加により、スプレイツイスト配列状態に遷移しているが、５ｗｔ％の液晶表示素子においては、横電界を付加しても、リバースツイスト配列状態のままである（スプレイツイスト配列状態に遷移しない）ことがわかる。

図８Ａ〜図８Ｄに示す結果から、液晶層に重合可能な材料を添加し、これを重合させて、液晶層内に重合体（ポリマー）を合成した実施例による液晶表示素子は、電界の付加による表示のスイッチング性（リバースツイスト配列状態とスプレイツイスト配列状態との間のスイッチング性）と、高いメモリ性（熱的な安定性）とをともに備える液晶表示素子であるということができる。ただし、添加量が５ｗｔ％の場合、リバースツイスト配列状態時に紫外線を照射した液晶表示素子については、熱処理後の横電界付加で、リバースツイスト配列状態からスプレイツイスト配列状態に遷移させることができなかったことから、重合可能な材料の添加量は５ｗｔ％以下とすることが好ましいであろう。

なお、実施例による液晶表示素子は、比較例による液晶表示素子と同様に、正面から観察した場合であっても、高いコントラスト比で表示が行われていた。

実施例による液晶表示素子は、表示のメモリ性（熱的な安定性）が高く、温度によらず半永久的に表示を保持することが可能であり、たとえば９０℃程度の高温環境下においても、それぞれの配列状態（リバースツイスト配列状態、または、スプレイツイスト配列状態）での表示を安定して保持することができる。このため、車載用、航空機用、屋外用等、高い信頼性を要求される液晶表示素子にも利用可能である。また、高コントラスト比での表示と両立させることができる。このように実施例による液晶表示素子は、高い表示品質を有する液晶表示素子である。

また、実施例による液晶表示素子は、たとえば図４及び図５を参照して説明した製造方法で、安価に製造することができる。製造方法は、配向膜材料、ラビング条件（押し込み量の制御）、配向膜の焼成条件、液晶材料に重合可能な材料を添加し、たとえば紫外線を照射して液晶層内に重合体（ポリマー）を形成する点等を除き、一般的なツイステッドネマチック型液晶表示素子の製造方法とほぼ等しいため、一般的なツイステッドネマチック型液晶表示素子と比較してコストアップの要因は少ない。なお、紫外線の照射は、液晶表示素子に電圧を印加した状態で行う必要はない。２つの安定な配列状態（リバースツイスト配列状態またはスプレイツイスト配列状態）のいずれかの状態で紫外線を照射すればよい。

実施例による液晶表示素子は、表示の書き換え時以外は電力を消費しない、超低消費電力駆動が可能である。特に反射型ディスプレイに適用した場合、メリットは大きい。

駆動方法として、たとえば線順次書き換え法（線順次駆動法）等の、メモリ性を利用した駆動方法を適用することができる。したがって、高価なＴＦＴ等を用いることなく、単純マトリクス表示により、大容量のドットマトリクス表示を行うことができる。すなわち、低コストで大容量の表示を行うことが可能である。

更に、透過型ディスプレイ、透反ディスプレイ、反射型ディスプレイのいずれの場合にも好適なディスプレイを実現することができる。

以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、実施例においては、偏光板をクロスニコルに配置しノーマリホワイト表示の液晶表示素子としたが、偏光板を平行ニコルに配置しノーマリブラック表示の液晶表示素子としてもよい。ただノーマリホワイトとした方が高コントラスト比での表示を実現しやすいであろう。ノーマリホワイト表示の場合、良好な黒表示を得るためには、上側及び下側偏光板１６ａ、１６ｂの透過軸方向のなす角度は、９０°付近であることが望ましい。なお、実施例においてはツイスト角をたとえば９０°としたが、その他の角度とすることもできる。

また、実施例においては、配向処理をラビングで行ったが、たとえば光配向法、斜方蒸着法等、他の配向処理方法を用いて配向処理を行うことができる。

更に、実施例においては下側基板１０ｂにのみ、横電界を生じさせる電極を形成したが、下側基板１０ｂだけでなく、上側基板１０ａにも形成することができる。横電界を生じさせる電極は、上側基板１０ａ、下側基板１０ｂのうちの少なくとも一方に形成すればよい。

また、実施例においては、液晶層１５の質量に対し、１ｗｔ％、２ｗｔ％、５ｗｔ％となる条件で、重合可能な材料を添加した。１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の範囲に限らず、重合可能な材料の添加量が０．５ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の範囲であっても、同様の効果を得ることができるであろう。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。

液晶表示素子全般、たとえば単純マトリクス駆動を行う液晶表示素子全般に利用することができる。また、低消費電力、広い視角特性、低価格等が求められる液晶表示素子に利用可能である。

メモリ性を有する点からは、たとえば省電力で頻繁な書き換えを必要としない情報機器（パーソナルコンピュータ、携帯情報端末等）の表示面等、反射型、透過型、投射型のディスプレイに好ましく適用可能である。また、磁気記録ないし電気記録されたカードの情報表示面、児童用玩具、電子ペーパー等に利用することができる。

更に、災害発生時の停電に際しても表示を保つためのディスプレイに利用可能である。

また、熱的に高い表示安定性を備えるため、たとえば高温環境下で使用される液晶表示素子に好適に利用可能である。

１０ａ 上側基板
１０ｂ 下側基板
１１ａ 上側透明基板
１１ｂ 下側透明基板
１２ａ 上側ベタ電極
１２ｂ 下側ベタ電極
１２ｃ 第１櫛歯電極
１２ｄ 第２櫛歯電極
１３ 絶縁膜
１４ａ 上側配向膜
１４ｂ 下側配向膜
１５ 液晶層
１６ａ 上側偏光板
１６ｂ 下側偏光板
２０ 電源

Claims (5)

1. 第１の電極を備え、配向処理された第１の基板と、
   前記第１の基板と平行に対向配置され、第２の電極を備え、配向処理された第２の基板と、
   前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置され、カイラル剤、及び重合体を含み、ツイスト配向する液晶層と
   を有し、
   前記液晶層が前記カイラル剤を含まなかった場合に、液晶分子が捩れる旋回方向を第１旋回方向とするとき、前記カイラル剤は前記液晶層の液晶分子に、前記第１旋回方向とは反対の第２旋回方向への旋回性を与え、
   前記重合体は、前記液晶層の質量に対し、５ｗｔ％以下の範囲で添加された重合可能材料から合成され、
   前記液晶層には、前記第１の電極と前記第２の電極とに電圧を印加することで、前記液晶層の厚さ方向の電界を生じさせることが可能であり、
   前記第１の基板、前記第２の基板の少なくとも一方には、電圧の印加により、前記液晶層の厚さ方向と直交する方向の電界を生じさせることが可能な電極が形成されており、
   前記第１の基板ならびに前記第２の基板に対する配向処理、及び、前記液晶層へのカイラル剤の添加は、前記液晶層に付加する電界の方向により、前記液晶層の液晶分子が、リバースツイスト配列状態と、スプレイツイスト配列状態との間で相互に遷移するように行われている液晶表示素子。
2. 前記重合体は、前記液晶層の質量に対し、０．５ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の範囲で添加された重合可能材料から合成されている請求項１に記載の液晶表示素子。
3. 前記重合体は、前記液晶層の質量に対し、１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の範囲で添加された重合可能材料から合成されている請求項２に記載の液晶表示素子。
4. 前記重合体は、前記液晶層の液晶分子がリバースツイスト配列状態またはスプレイツイスト配列状態にあるときに重合処理がなされて合成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示素子。
5. 前記第２の基板は、
   透明基板と、
   前記透明基板上に形成された前記第２の電極と、
   前記第２の電極上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜上に形成された、第１及び第２の櫛歯電極であって、櫛歯部分が交互に配置されている第１及び第２の櫛歯電極と、
   前記第１及び第２の櫛歯電極を覆うように前記絶縁膜上に形成された配向膜と
   を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示素子。