JP3910370B2 - 液晶表示デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示デバイスに関する。より詳細には、本発明は、パイセルデバイスまたはスプレイ−ベンドデバイス（ＳＢＤ）などの表面モードＬＣＤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本明細書中において使用される「表面モードＬＣＤ」という用語は、液晶層にかかる電界を変化させることによって起こされる光学変化が主に基板近傍の液晶層において生じるＬＣＤを意味する。表面モードＬＣＤには、例えば、パイセルデバイス、スプレイ−ベンドデバイスなどがあるが、公知の他のタイプの表面モードＬＣＤもある。「Ｓｏｖ．Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」、１９７３年、第３巻、７８〜７９頁に、表面モードＬＣＤが開示される。
【０００３】
パイセル（あるいは、「光学補償複屈折デバイス」すなわち「ＯＣＢ」として公知）は、「Ｍｏｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．」、１９８４年、第１１３巻、３２９〜３３９頁、および米国特許第４，６３５，０５１号に記載される。図１に、パイセルの構造を模式的に示す。デバイスは、配向層２および２’上に配置される透明基板１および１’を含む。ネマチック液晶層３が、基板１および１’の間に配置される。
【０００４】
配向層２および２’によって、液晶層３の液晶分子が、配向層２および２’との境界において平行配向する。これは、平行ラビングされたポリイミド配向層を用いることによってなされ得る。
【０００５】
基板１および１’上にアドレッシング電極（図示せず）が設けられることによって、液晶層の選択された領域に電界が印加される。液晶層３は、直線偏光板４および４’の間に配置される。直線偏光板４および４’の透過軸は、互いに交差し、液晶層の光軸に対して４５°の角度を有する。
【０００６】
液晶層の光軸に直交する光軸を有する位相差板５を、必要に応じて設けることで、液晶層のリタデーションを補償し得る。位相差板によって、有限の印加電圧における液晶層のリタデーションを０にすることで、動作に必要な電圧レンジを下げる。
【０００７】
図１に、透過型ＬＣＤを示す。パイセルはまた、液晶層の下に反射板を設けることによって、おそらく下部基板上のアドレッシング電極を反射電極にすることによって、反射型デバイスとしても実施され得る。下部偏光板４’は、反射型パイセルには必要でない。
【０００８】
パイセルデバイスの動作原理を図２（ａ）〜２（ｄ）に示す。
【０００９】
液晶層への電界の非存在下で、液晶層はＨ状態（ホモジェニアス状態またはスプレイ状態）となる。この状態において、液晶層の中心付近の液晶分子は、基板に対して実質的に平行となる。この状態を図２（ａ）に示す。図中の短い線は、液晶分子のディレクタを表す。
【００１０】
閾値よりも大きい電界が液晶層に印加されると、液晶分子はＶ状態をとる（または、ベンド状態）。この状態において、液晶層の中心付近の液晶分子は、基板に対して実質的に垂直となる。図２（ｃ）は、液晶層に低い電圧を印加した際に生じる第１のＶ状態を示し、図２（ｄ）は、液晶層に高い電圧を印加した際に生じる第２のＶ状態を示す。パイセルは、液晶層を第１の低電圧Ｖ状態と第２の高電圧Ｖ状態の間でスイッチングすることによって動作される。
【００１１】
液晶層に印加される電界が閾値より低くなると、液晶層は、図２（ａ）のＨ状態に緩和する。デバイスの動作を開始するためには、液晶をＶ状態に戻す必要がある。これは、液晶分子のプレチルトが低いために、一般に大きな印加電圧を必要とする。プレチルトは、十分な光学変調および２つのＶ状態間の高速スイッチング（例えば、ミリ秒以下のオーダーである）を与えるように、通常は４５°より低く、典型的には２〜１０°の間である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
公知のＯＣＢデバイスの問題の１つは、Ｈ状態と位相幾何学的に異なるＶ状態の核形成化および安定化が難しいことである。１つの従来技術が英国特許出願第９５２１０４３．１／２３０６２２８号に記載される。この従来技術において、Ｖ状態は高電圧の印加によって核形成化され、そして高電圧の印加状態でネットワーク状の重合化によって安定化される。しかし、この従来技術は、ＴＦＴパネルの要求する大きさの電圧を印加することが困難なため、アクティブマトリクスデバイスの使用には適さない。さらに、層内での重合化が液晶層のイオン混入を招き、イメージ焼付を生じるという欠点がある。
【００１３】
また、表面モードデバイスであるＳＢＤデバイスが英国特許出願第９７１２３７８．０／２３２６２４５号に記載される。一般に、ＳＢＤデバイスの構造は、パイセルの構造と同様であるが、ＳＢＤデバイスにおける配向層のプレチルトは大きく、他方パイセルにおける配向層のプレチルトは小さいところが異なる。ＳＢＤデバイスは、負誘電異方性を有する液晶材料を使用し、他方パイセルは、正誘電異方性を有する液晶材料を使用する。
【００１４】
ＳＢＤの動作原理は、パイセルの動作原理に類似する。ＳＢＤは、液晶層への印加電圧の非存在下で、Ｖ状態が安定な液晶状態である。閾値よりも大きな電界が液晶層に印加されると、Ｈ状態が安定となる。ＳＢＤは、液晶層への低電圧の印加状態で生じる第１のＨ状態と液晶層への高電圧の印加状態で生じる第２のＨ状態との間での液晶のスイッチングによって動作される。液晶層にかかる電界が閾値より低くなると、液晶はＶ状態に緩和するので、動作を再開する前には液晶をＨ状態に戻す必要がある。
【００１５】
ＳＢＤが必要とする高プレチルト配向層は、例えば、反応性メソゲンの混合物を光重合することによって製造され得る。
【００１６】
ＳＩＤ９７ Ｄｉｇｅｓｔ、７３９頁に、パイセルにおけるＶ状態の核形成化を促進する方法が開示される。２０Ｖのオーダーの電圧を液晶層に印加し、液晶層をＨ状態からＶ状態にスイッチングする。しかし、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）基板においてこの大きさの電圧を与えることは困難である。
【００１７】
日本国特許出願公開番号平９−９０４３２（Ｔｏｓｈｉｂａ）は、パイセルパネル内における核形成部位を設けることを開示する。核形成部位は、パイセルパネル内にスペーサボールまたはピラーを含ませ、パネルに電界を印加しながら液晶材料を等方相からネマチック相へ冷却することによって設けられる。その結果、スペーサボール／ピラーのいくつかが、Ｖ状態を既存のＨ状態中へ成長させるための核形成部位として機能する。この従来技術は、多くの欠点を有する。まず、パネルの製造過程においてさらなる工程を要することである。なぜなら、印加電界の影響下で液晶分子を配向させる必要があるからである。これらのさらなる工程は、パネルの製造を複雑にする。さらに、スペーサボール／ピラーのいくつかが所望のＶ状態中にＨ状態を形成させるので、パネルの動作状態を不安定にする。
【００１８】
ＩＤＷ ９７−Ｄｉｇｅｓｔ、８５頁においてＭｉｗａらは、パイセル中のＶ状態の安定性を維持する方法を開示する。各フレームにリセット期間が設定され、かつこの期間に高電圧Ｖ状態が与えられる。これにより、液晶層が低駆動電圧を印加した際にＨ状態に緩和しないようにするが、Ｈ状態からＶ状態への初期核形成化は与えられない。
【００１９】
米国特許第４，５６６，７５８号は、液晶層がキラルドーパントを含む表面モードネマチック液晶表示デバイスを開示する。液晶層への印加電圧の非存在下で、液晶は、Ｈ状態でなくねじれ状態に緩和する。ねじれ状態は位相幾何学的にＶ状態に等価であるので、Ｖ状態を核形成化することに関連する問題は軽減または完全に排除される。しかし、このアプローチでは、液晶層の厚さｄと液晶分子のねじれのピッチｐとの比がｄ／ｐ＞０．２５でなければならず、そのような高いｄ／ｐの値は、表示の輝度を低減することが知られている。ｄ／ｐを０．２５より低くすることはできない。なぜなら、１８０°ねじれを得るためには、液晶分子を０°のねじれ角より１８０°のねじれ角となりやすいようにピッチを十分に偏らせる必要があり、このためには、ｄ／ｐの値が０．２５より大きくなる必要があるからである。２つの基板上の配向膜のラビング方向に液晶を整合させ、パイセル形状の液晶層が０°、１８０°、３６０°などのねじれを有するように拘束される必要がある。
【００２０】
同時係属中の英国特許出願第９８２２７６２．２号（ＧＢ２３４３０１１）の開示する表面モード液晶表示デバイスは、液晶層が、所望の動作状態が安定となるような核形成領域を含む。これらの核形成領域は、少なくとも１つの基板上に異なるプレチルト角を有する領域を設けることによって得られる。そのようなデバイスは、核形成領域を生成する異なったプレチルト角を有する領域を設けるためのさらなる工程が必要となる欠点を有する。
【００２１】
液晶の分野で周知なように、パイセルのＨおよびＶ状態は、互いに位相幾何学的に等価でないという性質を有する、すなわち、Ｈ状態のパイセルに電圧を印加してもパイセルからＶ状態へ（またはその逆）の滑らかかつ連続な状態変化を生成できない。その代りに、液晶中において、状態変化が起こり得る前に配向欠陥が形成されなければならない。Ｈ状態からＶ状態への状態変化を起こすパイセルを観察すると（例えば、偏光光学顕微鏡を使用する）、このような欠陥の核形成がはっきりと観察することができ、Ｖ状態がＨ状態に戻る場合、それらの液晶層における移動が観察される。
【００２２】
ＨおよびＴ状態（ねじれ状態）はまた、位相幾何学的に等価でなく、すなわち、Ｔ状態からＨ状態への状態変化は、液晶層内の欠陥の核形成および移動を必要とする。
【００２３】
位相幾何学的に等価でない状態間の状態変化を生成するために必要な、液晶配向における欠陥の核形成は、確実に獲得および制御することは困難であり得る。本発明の目的は、ある状態（例えば、Ｈ状態）から別の状態（Ｖ状態またはＴ状態）へのパイセルの状態変化を確実かつ制御可能に達成することである。
【００２４】
パイセルのＶ状態およびＴ状態は、位相幾何学的に等価である。例えば、初期Ｔ状態における一様なパイセル上の電圧がなめらかに増加すると、パイセルは、欠陥の核形成および移動を必要とせずに、一様かつ連続なＶ状態への状態変化を起こす。異なる電圧での２つのＶ状態の構成はまた、位相幾何学的に等価である。すなわち、いずれかの電圧でのＶ状態構成は、印加電圧を変化させることによって、第２の電圧でのＶ状態構成へ連続に状態変化され得る。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の液晶表示デバイスは、第１および第２の基板の間に配置されたキラル液晶材料の液晶層、ならびに該液晶層における表示のための動作領域に電圧を印加するための電圧印加手段を含み、該液晶層に対して電圧を印加することによって、該液晶層の液晶分子が第１のねじれ角を有するスプレイ状態または該第１のねじれ角と異なる第２のねじれ角を有するねじれ状態から第１のベント状態に転移し、さらに印加電圧を大きくすることによって該第１のベント状態から第２のベント状態にスイッチングし、該第１のベント状態と該第２のベント状態とで表示の切り換えが行われる表面モードの液晶表示デバイスであって、該液晶層の第１の領域は、前記動作領域であり、該液晶層の第２の領域は、該液晶層へ電圧を印加する時に該第１の領域に前記第１のベント状態および第２のベント状態を生成するために該第１の領域に隣接して設けられた核形成領域であり、そして該液晶層の厚さｄと、該液晶材料のピッチｐとの比が、該液晶層の該第１の領域において第１の値（ｄ／ｐ）_Ａを有し、該液晶層の該第２の領域において、該第１の値（ｄ／ｐ）_Ａと異なる第２の値（ｄ／ｐ）_Ｎを有するとともに、該第１の領域の液晶材料のピッチｐ_Ａが該第２の領域の液晶材料のピッチｐ_Ｎに等しく、該第１の領域の液晶層の厚さｄ_Ａが該第２の領域の液晶層の厚さｄ_Ｎとは異なり、該第２の領域の液晶層の厚さｄ_Ｎが該第１の領域の液晶層の厚さｄ_Ａよりも大きくなっており、該液晶層の前記第２の領域における該液晶層の厚さｄ _Ｎ と、該液晶材料のピッチｐ _Ｎ との比の値（ｄ／ｐ）_Ｎは、該液晶層への印加電圧の非存在下で、前記第１の領域において安定である前記スプレイ状態と、該スプレイ状態と位相幾何学的に非等価であって前記第２の領域において安定である前記ねじれ状態とが隣接して共存するように、また、該液晶層への印加電圧の非存在下で該液晶層の該第２の領域において安定である前記ねじれ状態が、前記第１の領域における印加電圧の存在下の前記第１のベント状態および第２のベント状態と位相幾何学的に等価であるように、（ｄ／ｐ） _Ａ ＜０．２５および０．２５≦（ｄ／ｐ） _Ｎ ≦０．７５とされる。
好ましくは、前記第１のねじれ角は、前記第２のねじれ角と１８０°異なる。
好ましくは、前記第１の液晶状態が０°ねじれ状態であり、前記第２の液晶状態が１８０°ねじれ状態である。
好ましくは、前記第１の基板の配向方向は前記第２の基板の配向方向に平行である。
好ましくは、前記液晶層の前記第１の領域における該液晶層の厚さｄと前記液晶材料のピッチｐとの比の値は、（ｄ／ｐ）_Ａ＜０．１２５を満たす。
好ましくは、前記液晶層の前記第１の領域における該液晶層の厚さｄと前記液晶材料のピッチｐとの比の値は、（ｄ／ｐ）_Ａ＜０．１を満たす。
好ましくは、前記デバイスは、パイセルである。
好ましくは、前記デバイスは、反射型液晶表示デバイスである。
好ましくは、前記第２の領域はバイアホールに配置される。
好ましくは、前記電圧印加手段は、前記第１および第２の領域に電圧を印加するように構成される。
好ましくは、前記第１の領域は、前記第２の領域を囲む。
前記電圧印加手段は、前記第２の領域に電圧を印加しないように構成してもよい。
好ましくは、前記第２の領域は、画素間ギャップ中に配置される。
好ましくは、前記核形成領域は、前記液晶表示デバイスの表示領域に電界が印加される時間と実質的に同じ時間電界が印加される。
好ましくは、補助容量電極部をさらに有し、前記核形成領域は、該補助容量電極部近傍に設けられる。
また、本発明の液晶表示デバイスは、第１および第２の基板の間に配置された液晶層と、該液晶層に電圧を印加するための手段を含み、該液晶層に対して電圧を印加することによって、該液晶層の液晶分子が第１のねじれ角を有するスプレイ状態または該第１のねじれ角と異なる第２のねじれ角を有するねじれ状態から第１のベント状態に転移し、さらに印加電圧を大きくすることによって該第１のベント状態から第２のベント状態にスイッチングし、前記第１のベント状態と前記第２のベント状態とで表示の切り換えが行われる表面モードの液晶表示デバイスであって、該液晶層は、第１の厚さｄ_Ａを有する第１の領域と、該第１の領域に隣接し、該第１の厚さと異なり該第１の厚さｄ_Ａよりも大きな第２の厚さｄ_Ｎを有する第２の領域とを備え、該液晶層への印加電圧の非存在下で、該第１の領域における該液晶層の前記スプレイ状態と、該第２の領域における該液晶層の前記ねじれ状態とが相互に隣接して共存しており、該液晶層の厚さｄと、該液晶材料のピッチｐとの比が、該液晶層の該第１の領域において第１の値（ｄ／ｐ）_Ａを有し、該液晶層の該第２の領域において、該第１の値（ｄ／ｐ）_Ａと異なり該第１の値（ｄ／ｐ）_Ａよりも大きな第２の値（ｄ／ｐ）_Ｎを有し、該液晶層の該第１の領域における液晶材料のピッチｐと該液晶層の該第２の領域における液晶材料のピッチｐが等しく、（ｄ／ｐ） _Ａ ＜０．２５および０．２５≦（ｄ／ｐ） _Ｎ ≦０．７５になっており、該スプレイ状態は、該液晶層への印加電圧の非存在下で、該ねじれ状態と位相幾何学的に異なっており、前記液晶層への印加電圧の存在下で、該第２の領域は、該第１の領域における該スプレイ状態から前記第１のベント状態への液晶分子の転移の核形成領域となる。
好ましくは、前記液晶層と前記第１の基板とによって該液晶層のチルト角が定義されており、前記第１の領域における該液晶層のチルト角と前記第２の領域における該液晶層のチルト角とが実質的に等しい。
【００２６】
第２の領域は、核形成領域として機能する。液晶層への印加電圧の非存在下での第２の領域における安定状態は、液晶層へ電圧を印加した場合、動作領域において所望の安定状態が容易に、かつ、繰り返し可能に生成されるように、選択される。
【００２７】
液晶層の第２の領域における液晶層の厚さｄと液晶材料のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Nは、液晶層への印加電圧の非存在下で、液晶層の第２の領域において安定である液晶状態が所望の液晶状態と位相幾何学的に等価であるように選択されてもよい。これによって、動作領域における所望の安定状態を核形成化するプロセスを容易にする。
【００２８】
液晶層の第１および第２の領域における液晶層の厚さｄと液晶材料のピッチｐとの比の値は、液晶層への印加電圧の非存在下で、第１のねじれ角を有する第１の液晶状態が液晶層の第１の領域において安定であり、第１のねじれ角と異なる第２のねじれ角を有する第２の液晶状態が液晶層の第２の領域において安定であるように選択されてもよい。
【００２９】
液晶層の第２の領域における液晶層の厚さｄと液晶材料のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Nは、液晶層の第１の領域における液晶層の厚さｄと液晶分子のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Aよりも大きくてもよい。第１の液晶状態が０°ねじれ状態であり、第２の液晶状態が１８０°ねじれ状態でもよい。０°ねじれ状態がＨ状態でもよい。
【００３０】
上記のように、１８０°ねじれ状態は、パイセルの所望の動作状態と位相幾何学的に等価である。本発明をパイセルに適用する場合、液晶層への印加電圧の存在下では、所望の動作状態が、核形成領域に含まれる１８０°ねじれ状態から成長する。
【００３１】
第１の基板の配向方向は、第２の基板の配向方向に平行でもよく、液晶層の第１および第２の領域における液晶層の厚さｄと液晶材料のピッチｐとの比の値は、（ｄ／ｐ）_A＜０．２５および０．２５≦（ｄ／ｐ）_N≦０．７５となるように選択されてもよい。これらの配向方向は、第１の領域における０°ねじれ状態および核形成領域における１８０°ねじれ状態を安定化する。
【００３２】
液晶層の第１の領域における液晶層の厚さｄと液晶材料のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Aは、０．１２５よりも小さくてもよく、０．１より小さくてもよい。低いｄ／ｐ比を使用することは、動作領域の輝度が著しくは低減されないことを意味する。
【００３３】
デバイスは、表面モード液晶表示デバイスでもよい。デバイスは、パイセルでもよい。動作領域における所望の液晶状態は、Ｖ状態でもよい。
【００３４】
デバイスは、反射型液晶表示デバイスでもよい。第２の液晶層領域は、バイアホールに配置され得る。通常、反射型液晶表示デバイスは、例えば、反射電極への電気的接続を可能にするためのバイアホールを含む。バイアホール領域における液晶層の厚さは、液晶層の他の領域の厚さよりも大きいので、厚さ対ピッチ比は、バイアホール領域が他の領域よりも大きい。したがって、バイアホール領域は、本発明の液晶表示デバイスにおける核形成領域として良好に使用され得る。この実施形態においては、核形成領域として働くように液晶層の厚さ対ピッチ比を増加させた領域を得るためのさらなる工程を必要としない。
【００３５】
液晶層の第２の領域の液晶層のねじれは、非ゼロでもよく、液晶分子の自然のねじれと反対でもよい。さらに、第２の液晶領域における液晶層の厚さｄと液晶分子のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Nは、液晶層の第１の領域における液晶層の厚さｄと液晶分子のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Aよりも小さくてもよい。
【００３６】
第１の基板の配向方向は、第２の基板の配向方向に対して角度φであってもよく、液晶層の第１および第２の領域における液晶層の厚さｄと液晶分子のピッチｐとの比の値は、
【００３７】
【数３】

【００３８】
【数４】

のように選択され得る。
【００３９】
液晶層の第１の領域における液晶分子のピッチｐ_Aは、液晶層の第２の領域における液晶分子のピッチｐ_Nに等しくなくてもよい。
【００４０】
液晶層の第１の領域における液晶層の厚さｄ_Aは、液晶層の第２の領域における液晶層の厚さｄ_Nに等しくなくてもよい。
【００４１】
電圧印加手段は、第１および第２の領域に電圧を印加するように構成されてもよい。例えば、第１の領域は、第２の領域を囲ってもよい。あるいは、電圧印加手段は、第２の領域に電圧を印加しないように構成されてもよい。例えば、第２の領域は、画素間ギャップ中に配置されてもよい。
【００４２】
本発明の液晶表示デバイスは、第１および第２の基板の間に配置されたキラル液晶材料の層、ならびに該液晶層に電圧を印加するための手段を含む液晶表示デバイスであって、該液晶層の第１の領域は、表示のための動作領域であり、該液晶層の第２の領域は、該液晶層へ電圧を印加する時に該第１の領域に所望の液晶状態を生成するための核形成領域であり、そして該液晶層の厚さｄと、該液晶材料のピッチｐとの比が、該液晶層の該第１の領域において第１の値（ｄ／ｐ）_Aを有し、該液晶層の該第２の領域において該第１の値と異なる第２の値（ｄ／ｐ）_Nを有し、該液晶層の前記第２の領域における該液晶層の厚さｄと、該液晶材料のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Nは、該液晶層への印加電圧の非存在下で、該液晶層の該第２の領域において安定である液晶状態が所望の液晶状態と位相幾何学的に等価であるように選択される。
【００４３】
前記液晶層の前記第１および第２の領域における該液晶層の厚さｄと前記液晶材料のピッチｐとの比の値は、該液晶層への印加電圧の非存在下で、第１のねじれ角を有する第１の液晶状態が該液晶層の該第１の領域において安定であり、該第１のねじれ角と異なる第２のねじれ角を有する第２の液晶状態が該液晶層の該第２の領域において安定であるように選択されてもよい。
【００４４】
前記第１のねじれ角は、前記第２のねじれ角と１８０°異なってもよい。
【００４５】
前記第２の領域における前記液晶層の厚さｄと前記液晶材料のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Nは、前記第１の領域における該液晶層の厚さｄと該液晶材料のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Aよりも大きくてもよい。
【００４６】
前記第２の領域における前記液晶層の厚さｄと前記液晶材料のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Nは、前記第１の領域における該液晶層の厚さｄと該液晶材料のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Aよりも大きく、前記第１の液晶状態が０°ねじれ状態であり、前記第２の液晶状態が１８０°ねじれ状態であってもよい。
【００４７】
前記０°ねじれ状態がＨ状態であってもよい。
【００４８】
前記第１の基板の配向方向は前記第２の基板の配向方向に平行であり、前記液晶層の前記第１および第２の領域における該液晶層の厚さｄと前記液晶材料のピッチｐとの比の値は、（ｄ／ｐ）_A＜０．２５および０．２５≦（ｄ／ｐ）_N≦０．７５となるように選択されてもよい。
【００４９】
前記液晶層の前記第１の領域における該液晶層の厚さｄと前記液晶材料のピッチｐとの比の値は、（ｄ／ｐ）_A＜０．１２５を満たしてもよい。
【００５０】
前記液晶層の前記第１の領域における該液晶層の厚さｄと前記液晶材料のピッチｐとの比の値は、（ｄ／ｐ）_A＜０．１を満たしてもよい。
【００５１】
前記デバイスは、表面モード液晶表示デバイスであってもよい。
【００５２】
前記デバイスは、パイセルであってもよい。
【００５３】
前記動作領域における所望の液晶状態は、Ｖ状態であってもよい。
【００５４】
前記デバイスは、反射型液晶表示デバイスであってもよい。
【００５５】
前記第２の領域はバイアホールに配置されてもよい。
【００５６】
前記デバイスは、透過・反射両用型液晶表示デバイスであってもよい。
【００５７】
前記第２の領域は、前記透過・反射両用型液晶表示デバイスの透過領域に設けられてもよい。
【００５８】
前記核形成領域および前記動作領域は、前記透過・反射両用型液晶表示デバイスの表示領域に設けられてもよい。
【００５９】
前記液晶層の前記第２の領域における該液晶層のねじれは非ゼロであり、前記液晶分子の自然のねじれと反対であり、該液晶層の該第２の領域における該液晶層の厚さｄと前記液晶材料のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Nは、該液晶層の前記第１の領域における該液晶層の厚さｄと該液晶分子のピッチｐとの比の値（ｄ／ｐ）_Aよりも小さくてもよい。
【００６０】
前記第１の基板の配向方向は、前記第２の基板の配向方向に対して角度φであり、前記液晶層の前記第１および第２の領域における前記液晶層の厚さｄと前記液晶分子のピッチｐとの比の値は、
【００６１】
【数５】

【００６２】
【数６】

であるように選択されてもよい。
【００６３】
前記液晶層の第１の領域における前記液晶材料のピッチｐ_Aは、該液晶層の前記第２の領域における該液晶材料のピッチｐ_Nに等しくなくてもよい。
【００６４】
前記液晶層の前記第１の領域における該液晶層の厚さｄ_Aは、該液晶層の前記第２の領域における該液晶層の厚さｄ_Nに等しくなくてもよい。
【００６５】
前記電圧印加手段は、前記第１および第２の領域に電圧を印加するように構成されてもよい。
【００６６】
前記第１の領域は、前記第２の領域を囲んでもよい。
【００６７】
前記電圧印加手段は、前記第２の領域に電圧を印加しないように構成されてもよい。
【００６８】
前記第２の領域は、画素間ギャップ中に配置されてもよい。
【００６９】
前記核形成領域は、前記液晶表示デバイスの表示領域に電界が印加される時間と実質的に同じ時間電界が印加されてもよい。
【００７０】
補助容量電極部をさらに有し、前記核形成領域は該補助容量電極部近傍に設けられてもよい。
【００７１】
本発明の液晶表示デバイスは、第１および第２の基板の間に配置された液晶層と、該液晶層に電圧を印加するための手段を含む液晶表示デバイスであって、該液晶層は、第１の厚さを有する第１の領域と、該第１の領域に隣接し、第２の厚さを有する第２の領域とを備え、所定の条件下で、該第１の領域における該液晶層の第１の状態と、該第２の領域における該液晶層の第２の状態とが共存しており、該第１の状態は、該第２の状態とは位相幾何学的に異なっている。
【００７２】
前記所定の条件は、前記液晶層への印加電圧が非存在であることであってもよい。
【００７３】
前記第１の状態はＨ状態であり、前記第２の状態がＴ状態であってもよい。
【００７４】
前記液晶層と前記第１の基板とによって該液晶層のチルト角が定義されており、前記第１の領域における該液晶層のチルト角と前記第２の領域における該液晶層のチルト角とが実質的に等しくてもよい。
【００７５】
前記液晶層への印加電圧の存在下で、前記第１の状態および第２の状態は、ともにＶ状態であってもよい。
【００７６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照しながら例示的な実施例を用いて説明する。
【００７７】
ここで、本発明の原理を説明する。本発明の対象となる液晶は印加電圧の大きさにより４つの異なる液晶状態を取り得る。ここで、４つの異なる液晶状態を、一般的な環境下で印加電圧が低くても存在し得る順番に第１の状態、第２の状態、第３の状態、第４の状態とよぶ。所定の条件下で、位相幾何学的に異なる第１の状態と第２の状態とが隣接した領域において共存するように構成する。所定の条件とは、例えば、電圧を印加しない場合を含む特定の電圧が印加されている場合を示す。この構成により、上記特定の電圧以上の電圧を印加すると、第２の状態は、第３の状態または第４の状態に転移する。この第２の状態の転移に誘因されて、第１の状態は、電圧の存在下で第３の状態または第４の状態に転移する。液晶表示デバイスは、第３の状態および第４の状態間で表示の切り換えを行う。本発明によれば、第１の状態と第２の状態を隣接して共存させるために、液晶層の液晶材料のピッチおよび液晶層の厚さの少なくとも一方を制御する。
【００７８】
図２は、本発明による液晶表示デバイスの具体例としてＯＣＢデバイスの動作を示す。上記のように、動作状態は、図２（ｃ）および（ｄ）に示す２つのＶ状態（上記、第３の状態および第４の状態に対応）であり、デバイスは、これら２つのＶ状態の間で液晶状態をスイッチングすることによって動作される。２つのＶ状態のいずれかを得るためには、有限電圧を液晶層に印加する必要がある。印加電圧が臨界閾値よりも低い場合、液晶は、図２（ａ）に示すＨ状態（上記、第１の状態に対応）に緩和する。デバイスの動作を再開するためには、液晶層をＶ状態に戻さなければいけない。
【００７９】
液晶層への印加電圧が閾値電圧よりも低減する場合は、まず図２（ｂ）に示す１８０°ねじれ状態（上記、第２の状態に対応）が現れ、その後、図２（ａ）に示すＨ状態が現れる。１８０°ねじれ状態（Ｔ状態）は、図２（ｃ）および（ｄ）に示すＶ状態に位相幾何学的に等価であるが、図２（ａ）のＨ状態とは位相幾何学的に異なる。１８０°ねじれ状態が安定なのは、印加電圧の微小範囲においてのみであり、印加電圧がゼロに低減されると、１８０°ねじれ状態はＨ状態にとってかわられる。なお、１８０°ねじれ状態はＴ状態の一例である。
【００８０】
Ｖ状態からＨ状態への転移の間に存在する１８０°ねじれ状態は、パイセルの動作との関連性とか、またはそれに有用であるとは、一般に考えられてこなかった。しかし、本発明は、所定の条件下で、液晶層の第１の状態（例えば、Ｈ状態）をとる領域に隣接する領域に第２の状態（例えば、Ｔ状態）を共存させることを目的とする。上記所定の条件時の電圧（電圧非存在状態を含む）以上の電圧を液晶層へ印加することで、第２の状態が存在していた領域は、核形成領域として働き、デバイスの動作領域に成長し得る第３および第４の状態（例えば、Ｖ状態）を生成する（核形成領域が動作領域内に配置されるならば、動作領域の残りの部分に成長する）。ここで、第１の状態としてＨ状態、第２の状態としてＴ状態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００８１】
また、上述したＯＣＢデバイスでは、ゼロ印加電圧下で、２つの状態（Ｈ状態およびＴ状態）をとる例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、長時間置かれた後のようなバージン状態で全面スプレイ（Ｈ状態）にある状態であっても、一度高い電圧でＶ状態にした後、印加電圧を０または有限の低い電圧にすることで、核形成領域がＴ状態に戻るするような状態であってもよい。このような構成であれば、さらに大きな電圧下では、核形成領域の液晶がＴ状態からＶ状態への転移することに起因して、動作領域の液晶は印加電圧の存在下でＶ状態に転移する。
【００８２】
図３（ａ）および（ｂ）に、本発明をＯＣＢデバイスに適用した具体例を模式的に示す。図３（ａ）および（ｂ）には、それぞれゼロ印加電圧状態および非ゼロ印加電圧状態における本発明の実施形態による液晶表示デバイスを示す。図３（ａ）および（ｂ）に示されるＯＣＢデバイスは、動作領域１０（第１の領域）と核形成領域として機能するバイアホール領域１１（第２の領域）を含む。
【００８３】
本発明は、ねじれ液晶材料を含む液晶層を使用する。これは、ネマチック液晶材料などの液晶材料およびキラルドーパントの組合せであるか、またはコレステリック液晶材料などの内在的にキラルが存在する液晶材料であり得る。
【００８４】
本発明によれば、液晶層の厚さと液晶材料のピッチとの比（以下、「厚さ対ピッチ比」と称する）は、全液晶層にわたっては一定でない。好ましくは、動作領域１０の厚さ対ピッチ比が、（ｄ／ｐ）_A＜０．２５を満たすように選択される。ここで、（ｄ／ｐ）_A＝ｄ_A／ｐ_A、ｄ_Aは動作領域１０における液晶層の厚さ、およびｐ_Aは動作領域１０における液晶層の液晶材料のピッチである。したがって、動作領域中の液晶状態は、ねじれ状態でなく、従来のパイセルと同様にＨ状態である。
【００８５】
図３（ａ）および３（ｂ）の実施形態において、核形成領域１１は、動作領域の厚さ対ピッチ比（ｄ／ｐ）_Aよりも大きな厚さ対ピッチ比（ｄ／ｐ）_Nを有する。比（ｄ／ｐ）_N＝ｄ_N／ｐ_Nである。ここで、ｄ_Nは核形成領域１１における液晶層の厚さであり、ｐ_Nは核形成領域１１における液晶層の液晶材料のピッチである。
【００８６】
好ましくは、核形成領域１１における液晶層の厚さｄ_Nおよび核形成領域における液晶材料のピッチｐ_Nは、０．２５≦（ｄ／ｐ）_N≦０．７５であるように選択される。その結果、１８０°ねじれ状態は、液晶層への印加電圧の非存在下で、核形成領域内で安定化される。ディスクリネーション１２は、核形成領域１１の１８０°ねじれ状態と動作領域１０のＨ状態との間の境界に存在する。
【００８７】
図３（ａ）および３（ｂ）の実施形態において、動作領域１０における液晶材料のピッチは、核形成領域１１における液晶材料のピッチに等しい。すなわち、ｐ_A＝ｐ_Nであり、厚さ対ピッチ比の変化は、ｄ_A≠ｄ_Nとすることによって得られる。
【００８８】
図３（ａ）のデバイスを動作状態にするためには、Ｈ状態およびＶ状態のギブス自由エネルギーが等価である閾値電圧よりも大きな電圧を液晶層へ印加する必要がある。この閾値電圧に等価な電圧を印加すると、状態の相対的な安定性は、Ｈ状態よりもＶ状態のほうが安定であるように変化する。次に、変形したねじれ状態とみなされ得るＶ状態は、核形成領域１１における１８０°ねじれ状態から動作領域１０に成長し、動作領域全体にわたってＨ状態を置き換える。
【００８９】
図３（ａ）および３（ｂ）の実施形態をアクティブマトリクスＴＦＴデバイスに適用する場合は、核形成領域１１をデバイスのブラックマスクの下に配置にしてもよい。
【００９０】
図３に示すタイプのデバイスの動作領域１０にＶ状態を核形成させるために必要な閾値電圧は通常、約２Ｖである。これは、核形成領域を設けない従来のパイセルにＶ状態を核形成させるのに必要な電圧に比べてかなり低い。
【００９１】
図３（ａ）および３（ｂ）に示す液晶デバイスの動作領域の厚さ対ピッチ比は通常、約０．１に低減され得る。好ましくは、図３（ａ）および３（ｂ）に示す液晶デバイスの動作領域の厚さ対ピッチ比は、０．２５より低く、より好ましくは０．１２５より低く、さらに好ましくは０．１よりも低い。したがって、デバイスの動作領域の輝度は、動作領域において１８０°ねじれ状態を安定化するためにｄ／ｐ比が少なくとも０．２５でなければいけない米国特許第４，５６６，７５８号に開示されるタイプのデバイスの動作領域の輝度よりも大きい。
【００９２】
特に、本発明は、反射型液晶表示デバイスに容易に適用される。なぜなら、このデバイスの液晶層は、反射電極を、例えば、スイッチング要素に接続できるようにバイアホールを設ける必要に応じて厚さを増加させた領域を含むからである。バイアホールを核形成領域として使用することによって、核形成領域の製造におけるさらなる処理工程は、必要でなくなる。
【００９３】
図３（ａ）ではゼロ印加電圧状態において、２つの状態（Ｈ状態およびＴ状態）をとる場合を説明したが、本発明は、ゼロ印加電圧状態の場合にのみ２つの状態（Ｈ状態、Ｔ状態）をとることに限定されるものではない。たとえ、ゼロ印加電圧状態で１つの状態（例えば、Ｈ状態）であっても、小さな印加電圧状態において２つの状態（例えば、Ｈ状態およびＴ状態）をとるような場合も上述したのと同様な効果を得ることができる。
【００９４】
図４は、本発明の実施形態である液晶表示デバイスの断面図である。図４は、動作領域１０内に配置されたバイアホール領域１１を示す。図４は、所定の条件下、具体的には、液晶層への印加電圧非存在下、または、小さな印加電圧存在下の液晶表示デバイスを示す。動作領域における液晶層の厚さは、ｄ_Aであり、バイアホール領域においては、ｄ_Nである。動作領域１０における液晶材料のピッチは、核形成領域１１における液晶材料のピッチに等しい。本発明のこの実施形態において、バイアホール領域は、より大きな厚さ対ピッチ比を有し、そのため核形成領域として使用され得る。
【００９５】
図４に示すデバイスは、上部および下部基板１および１’を含む。上部電極６は、上部基板１上に配置され、これは、上部配向層または膜２によって覆われる。電極６は、例えばインジウムすず酸化物（ＩＴＯ）から形成される透明電極である。上部配向層２は、従来の配向層であり、例えば上部配向膜２に接する液晶分子の配向方向およびプレチルト角度を定義するように１方向にラビングされた１層の重合材料から形成される。
【００９６】
反射電極層７は、下部基板１’上に配置される。下部配向層２’は、下部電極の上方に配置される。電極６’、例えばアクティブマトリクス表示デバイスの場合のスイッチング要素（図示せず）の出力電極、は、下部基板１’上に配置される。デバイスの動作領域において、反射電極７は、絶縁材料の層５によって電極６’から分離される。しかし、バイアホール領域において、絶縁層５は設けられないため、反射電極７が電極６’に電気的に接する。バイアホール領域１１において絶縁層５が存在しない結果、バイアホール領域における液晶層の厚さは、動作領域１０における液晶層の厚さよりも大きい。
【００９７】
図４の実施形態において、上部配向膜２のラビング方向は、下部配向膜２’のラビング方向と平行である。したがって、液晶層は、０°、１８０°、３６０°などのねじれ角を有する状態をとるように拘束される。
【００９８】
図４の実施形態において、液晶層は、ネマチック液晶およびキラルドーパントを含む。ネマチック液晶は、内在的なねじれを有さないが、キラルドーパントが存在すると液晶材料においてねじれを誘導する。適切な液晶材料は、例えば、材料ＺＬＩ６０００−１００であり、適切なキラルドーパントは、ドーパントＣＢ１５（Ｇｅｒｍａｎｙ、Ｄａｒｍｓｔａｄｔ所在のＭｅｒｃｋの製造による）である。
【００９９】
液晶層中のキラルドーパント量は、動作領域１０における厚さ対ピッチ比が０．２５より小さくなるように選択される。これは、液晶材料を１８０°ねじれ状態に偏らせるのに十分でないので、動作領域における安定な液晶状態は、０°ねじれ状態に拘束される。したがって、図４の動作領域は、従来のＯＣＢデバイスのように挙動し、安定な状態はＨ状態である。
【０１００】
液晶層への印加電圧非存在下で図４の構成をとる場合、液晶材料のねじれのピッチはまた、バイアホール領域１１における厚さ対ピッチ比が０．２５以上であるが０．７５より小さくなるように選択され、バイアホール領域における液晶材料が１８０°ねじれ状態に偏らされる。このように、バイアホール領域は、核形成領域として働く。
【０１０１】
上記のように、液晶層の輝度は、キラルドーパント量が増加するにつれて低減するので、核形成領域において１８０°ねじれ状態を安定化するために核形成領域のｄ／ｐ比が（ｄ／ｐ）_N≧０．２５でありながら、キラルドーパントの使用量をできるかぎり小さくするのに好ましい。
【０１０２】
ディスクリネーション１２は、バイアホール領域の１８０°ねじれ状態と動作領域のＨ状態との間の境界に存在する。
【０１０３】
図５は、図４の液晶表示デバイスに、より大きな電圧を印加した場合を示す。上記の臨界閾値電圧より大きな電圧が印加されると、Ｖ状態１３は、バイアホール領域１１から動作領域１０へ成長する。ディスクリネーション１２は、バイアホール領域と動作領域との間の境界から離れるように伝播し、やがてＶ状態は、動作領域１０の全体にわたる安定状態となる。バイアホール領域１１から動作領域へＶ状態を核形成させるには、原理的には、印加電圧が閾値電圧をちょうど超えるだけで十分である。しかし、Ｖ状態を核形成する成長速度は、閾値電圧をちょうど超えただけの電圧では非常に遅い。したがって、Ｖ状態が動作領域１０に核形成するのにかかる時間を低減するためには、閾値電圧より著しく大きな電圧を使用するのが好ましい。
【０１０４】
一旦Ｖ状態が動作領域に核形成すると、デバイスは、図２（ｃ）および２（ｄ）を参照して説明された従来例のように低電圧Ｖ状態と高電圧Ｖ状態との間で動作可能となる。
【０１０５】
動作領域１０の厚さｄ_A、バイアホール領域１１の厚さｄ_N、および液晶材料のねじれのピッチｐは、以下の制限を満たすような任意の値を与えるように選択され得る：
（ｄ／ｐ）_A＝ｄ_A／ｐ＜０．２５ （１）
０．２５≦（ｄ／ｐ）_N＝ｄ_N／ｐ≦０．７５ （２）
しかし、上記のように、キラルドーパント量をできるだけ低減し、かつ動作領域の輝度を向上させるには、動作領域におけるｄ／ｐ比が小さいのが好ましい。例えば、バイアホール領域１１における液晶層の厚さが６μｍ、液晶分子のピッチが２４μｍであり、ｄ_N／ｐ比が０．２５であってもよい。画素の動作領域における液晶層の厚さが３μｍならば、動作領域におけるｄ／ｐ比は０．１２５である。
【０１０６】
簡単のため、本発明は、１つの動作領域および１つの核形成領域を含む液晶表示デバイスを参照して上で説明されたが、本発明はこのような簡単な例に限定されない。実用的な表示デバイスは一般に、多くの動作領域を含み、各動作領域は、本発明によって核形成領域とともに設けられ得る。
【０１０７】
図６は、本発明による液晶表示デバイスの平面図である。図からわかるように、デバイスは、独立にアドレッシング可能な複数の動作領域１０を含む。例えば、動作領域は、独立にアドレッシング可能な（独立アドレッシング可能）電極を設けるように反射電極７をパターニングすることによって生成され得る。各反射電極７は、液晶表示デバイスの独立アドレッシング可能領域または画素を定義する。各動作領域１０における反射電極７にはバイアホール１１が設けられ、スイッチング要素との電気的接続を可能にする。このように、図６のデバイスは、核形成時間の短い反射型ピクセル化アクティブマトリクス液晶表示デバイスである。例えば、デバイスは、プロジェクション装置またはヘルメット装着表示デバイスとして使用され得る。
【０１０８】
本発明のさらなる利点は、動作領域に印加される電圧が、Ｈ状態を安定な状態にするような値に低減された場合に、Ｈ状態のランダムに核化された領域が動作領域に逆戻りに成長する速度は、従来のパイセルにおけるものよりも遅いことである。これは図７に示される。図７は、厚さ６．２μｍの液晶層を有するパイセルにおいて２５℃の温度で成長するＨ状態の境界の伝播速度を示す。図７は、液晶材料ＺＬＩ６０００−１００に関し、液晶材料のｄ／ｐ比がキラルドーパントＣＢ１５の添加によって変化される場合の境界速度の変化を示す。
【０１０９】
図７からわかるように、ｄ／ｐ比を増加させるとＨ状態の境界の伝播速度が低減する。したがって、図４のデバイスの動作領域１０におけるＨ状態領域の境界の伝播速度は、ｄ／ｐ＞０の場合に、ｄ／ｐ比が０である従来のパイセルにおける伝播速度よりも遅い。
【０１１０】
図８および９に示す参考例は、配向膜のラビング方向によって誘導されるねじれに対して反対方向のねじれを誘導するキラルドーパントを含む液晶層を有する液晶表示デバイスを含む。このようなデバイスは、同時係属中である１９９９年１２月２７日出願の日本国特許出願番号ＢＨ１１−３７１９６３に開示され、その内容は本明細書中にて参考として援用される。
【０１１１】
図８に示すデバイスは、反射型単偏光板タイプであり、例えば、ピクセル化液晶ディスプレイとして使用してもよい。デバイスは、上部および下部基板１および１’を含む。上部基板１は、その内側表面上に電極６および配向層２を搭載する。配向層２は、例えば、ラビングされたポリイミドである。
【０１１２】
下部基板１’は、その内側表面上に反射電極６’を搭載する。あるいは、別個の電極および反射板が設けられてもよい。配向層２’は、例えば上部基板１上の配向層２と同じタイプであり、反射電極６’上に形成される。上部基板１および下部基板１’ならびに関連する層は、例えばスペーサボール（図示せず）によって間隔をあけられ、液晶層３を含むセルを定義する。層３は、キラル液晶材料を含む。層３は、内在的なキラル液晶材料でもよく、または、キラルドーパントを添加されたネマチック液晶からなるものでもよい。
【０１１３】
図９に示すように、偏光板４は、直線偏光方向１５を有する。上部配向層２は、偏光板４の偏光方向１５に対して時計回りに角度θの方向を向く配向方向１６を有する。下部配向層２’は、時計回りに角度（θ＋φ）の方向を向く配向方向１７を有するので、液晶層３は、時計回りに、すなわち、正の方向に、φのねじれを有する。
【０１１４】
層３のネマチック液晶に付加されるキラルドーパントは、図８に示すデバイスにおいて反時計回り、すなわち、負の方向にねじれ効果を有するようなものである。したがって、層３の液晶材料が配向層２および２’によって拘束されなければ、キラルドーパントのために反時計回りのねじれをとり得る。しかし、配向層２および２’は、層３における液晶材料上で９０°よりも小さい正、すなわち、時計回りのねじれφを誘導する。
【０１１５】
液晶に添加されたキラルドーパントが多すぎて液晶層３のｄ／ｐの値があまりにも小さいと、液晶層３の材料のねじれエネルギーが配向層２および２’によって誘導されるねじれ状態のねじれエネルギーよりも大きくなり、φ＞０なので液晶層３のねじれがφ°から（φ−π）°に変化し得る。添加され得るキラルドーパント量は、ねじれ角度に依存し、ねじれ角度が９０°に近づくにつれて０に近づく。臨界ｄ／ｐ比（ｄ／ｐ）_Cは、以下に与えられる。
【０１１６】
【数７】

第１および第２の位相差板２０および２１は、偏光板４と液晶層３との間の光学経路に配置される。図８において、位相差板２０および２１は、デバイスの動作電圧に影響をあたえないように基板１と電極６との間に配置される。しかし、原理的には、位相差板２０および２１のいずれかまたは両方を電極６と配向層２との間に配置することも可能であり、この場合、デバイスの動作電圧は、増加し得る。あるいは、位相差板２０および２１のいずれかまたは両方を偏光板４と基板１との間に配置することも可能であり、この場合、ディスプレイの許容角度は低減され得る。
【０１１７】
位相差板２０は、偏光板４の偏光方向１５に対して角度αで位置される光軸２２を有し、他方、位相差板２１は、偏光方向１５に対して角度βで位置される光軸２３を有する。
【０１１８】
図１０は、図８および９に示すタイプの表示デバイスの反射率を示す。図１０の結果は、第１の位相差板２０が偏光板４の偏光方向１５に対して１５°の遅相軸、およびリタデーションΔｎ・ｄ＝２６０ｎｍを有するディスプレイについて得られたものである。第２の位相差板は、偏光板４の偏光方向１５に対して７５°の遅相軸、およびリタデーションΔｎ・ｄ＝９５ｎｍを有する。液晶層３は、ねじれ角φ＝７０°を有し、偏光方向１５と上部配向層２のラビング方向との間の角度θは、θ＝４０°である。液晶層のリタデーションは、Δｎ・ｄ＝２００ｎｍである。液晶層の厚さは、３μｍである。
【０１１９】
図１０からわかるように、最小反射率より上の特定の反射率を得るのに必要な電圧は、液晶層のｄ／ｐ比が０から低減されるにつれて低減される。最小反射率は、ｄ／ｐ比によって著しくは変化しない。
【０１２０】
配向層２および２’によって液晶層に誘導されるプレチルトの非存在下では、液晶層のねじれがφ°から（φ−π）°に変化するようなドーパントの限度は、上記式（３）によって与えられる。配向層が、配向層に隣接する液晶分子に非ゼロプレチルトを誘導すると、（ｄ／ｐ）_Cの大きさが増加する。
【０１２１】
本参考例は、所望の動作状態が０＜φ＜９０°であるねじれ角φを有する液晶表示デバイスに関する（φは、配向層２および２’の配向方向によって定義される）。図１０からわかるように、配向層によって誘導されるねじれに対して反対方向にねじれを誘導するキラルドーパントを添加すると（すなわち、ピッチｐが負であるキラルドーパントを添加すると）、反射率電圧が小さくなる。しかし、図１０からわかるように、ドーパント濃度が高いと（したがって、ｐが負なのでｄ／ｐの値がゼロよりもずっと小さいと）、反射率電圧はより小さくなる。このように、高いドーパント濃度により、ゼロ印加電圧で望ましくない（φ−π）°ねじれ状態が安定化する。したがって、デバイスを動作する前に、φ°ねじれ状態を核形成させる必要があり、この核形成は、φ°ねじれ状態が核形成領域から動作領域へ広がり、動作領域から望ましくない（φ−π）°ねじれ状態を置きかえるような核形成領域を設けることによって容易になる。
【０１２２】
φ＝７０°に対して、厚さ対ピッチ比の臨界値は、（ｄ／ｐ）_C＝−０．０５５である。液晶層がこの限度を超えて負の方向にドープされると、印加電圧の非存在下で安定なねじれ状態は、ねじれ（φ−π）°＝−１１０°を有する。液晶層が臨界値を超えて負の方向にドープされるようなデバイスにおいてねじれφを有する所望の動作状態をとるにためには、液晶層に対する閾値電圧より大きな電圧を印加することによって、まずφ°ねじれ状態を核形成させ、ゼロ印加電圧で（φ−π）°ねじれ状態が安定である動作領域に伝播しなければならない。
【０１２３】
本参考例によると、図８および９に示すデバイスは、φねじれ状態を核形成させるための核形成領域が設けられる。核形成領域における液晶層の厚さ対ピッチ比は、動作領域における液晶層の厚さ対ピッチ比と異なるが、この参考例においては、核形成領域における液晶層の厚さ対ピッチ比は、動作領域における液晶層の厚さ対ピッチ比より低い。動作領域における液晶材料のピッチが核形成材料中の液晶材料のピッチと等しいデバイスにおいては、核形成領域と動作領域との間の厚さ対ピッチ比の必要な変化には、核形成領域における液晶層の厚さを動作領域における液晶層の厚さより小さくすることによって得られる。
【０１２４】
核形成領域における液晶層の厚さを小さくするには、例えば、感光性のポリマーを小さなバンプまたはピラーを付加して動作領域よりも小さい厚さを有する核形成領域を生成することによってなされてもよい。ドーピング量は、ｄ／ｐ値が動作領域における臨界値（負値）と同じかまたはより低い（すなわち、より大きな負値）であるが、核形成領域における臨界値より大きいようにように選択され得る。
【０１２５】
ｄ_A＝３μｍを有する上記デバイスに対して、核形成領域は、配向膜のうちの１つの上に高さ２μｍの表面レリーフ（ｒｅｌｉｅｆ）を付加することによって設けられる。これによって、液晶層にほんの厚さ１μｍだけの領域を生成する。ドーピング量は、核形成領域における−０．０５５の臨界値（すなわち、−０．０５４以上）よりも大きなｄ／ｐ値を有するように選択され、ここで、厚さ３μｍの液晶層の領域のｄ／ｐ値の３倍に等しいｄ／ｐが与えられる。その結果、液晶層への印加電圧の非存在で、φ＝７０°のねじれ状態が核生成領域において安定し、他方、（φ―π）°＝−１１０°のねじれ状態が動作領域において安定となる。液晶層への印加電圧の存在下で、核形成領域におけるφ＝７０°のねじれ状態は、動作領域中に伝播し、（φ―π）°状態を置きかえる。
【０１２６】
本参考例は、動作領域に比べて核形成領域の厚さが小さいために（ｄ／ｐ）_Cよりも高い値のｄ／ｐを有する核形成領域を設けることによって、液晶層への適切な電圧の印加時にφ＝７０°のねじれ状態の核形成を確実にする。
【０１２７】
本参考例のさらなる用途は、マイクロ反射構造（ＭＲＳ）を含む反射型表示デバイスである。ＭＲＳは、アルミニウムなどの反射材料でコーティングされた滑らかに変化する表面レリーフからなる。この表面レリーフは、デバイス中に核形成領域を設けるために使用してもよい。
【０１２８】
１例として、Ｓｈａｒｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されるスーパーモバイルＨＲＴＦＴ反射型ＬＣＤは、液晶層に隣接するデバイスの後部基板上に設けられるＭＲＳを含む。ＭＲＳを設ける効果は、液晶層の厚さを２．４μｍ〜３．６μｍの間で変化させる。核形成領域を設けるために、液晶材料のｄ／ｐ比の値は、液晶層の厚さが２．４μｍでの（ｄ／ｐ）_Cよりも大きい値（より小さな負値）に設定されるべきである。これにより、ディスプレイの通常の厚さ（３μｍ）での（ｄ／ｐ）_Cよりも約１．２５倍大きな負値であるｄ／ｐ値を与えられる。このように、液晶層への印加電圧の存在下で、核形成領域において安定な状態であるφ＝７０°のねじれ状態が表示デバイスの動作領域中へ伝播する。
【０１２９】
上記の実施形態において、核形成領域と動作領域との間の厚さ対ピッチ比の変更は、動作領域における液晶層の厚さを核形成領域における液晶層の厚さと異ならせることによって得られる。上記の実施形態において、核形成領域における液晶材料のピッチは、動作領域における液晶材料のピッチに等しい。しかし、さらなる参考例では、動作領域における液晶材料のピッチが核形成領域における液晶材料のピッチと異なることも可能である。このような本参考例において、動作領域における液晶層の厚さは、核形成領域のおける液晶層の厚さと同じでもよく、液晶材料のピッチにおける違いは、液晶層の動作領域における厚さ対ピッチ比を核形成領域における液晶層の厚さ対ピッチと異ならせる。
【０１３０】
図１１（ｃ）に、一定の厚さを有する液晶層を有するデバイスを示す。このデバイスにおいて、１つの領域における液晶層のピッチは、別の領域における液晶材料のピッチと異なる。図１１（ａ）および１１（ｂ）に、このようなデバイスの製造方法を示す。
【０１３１】
まず、液晶層２５は、上部基板２４および下部基板２４’の間に配置される。上部基板２４上の配向方向は、下部基板２４’上の配向方向と平行である。
【０１３２】
液晶層は、液晶材料およびキラルドーパントを含む。図１１（ａ）において、参照符号２６は液晶分子を示し、参照符号２７はキラルドーパントを示す。キラルドーパント量は、液晶材料の厚さ対ピッチ比が０．２５より大きく０．７５より小さく、液晶材料が１８０°のねじれ角を有するように選択される。
【０１３３】
図１１（ａ）〜１１（ｃ）において、キラル材料は、キラルプレポリマー材料である。キラルプレポリマー材料は、適切な光イニシエータ材料が存在する場合、適切な波長の放射光に露光されてポリマーネットワークを形成するように架橋され得る特徴を有する。
【０１３４】
図１１（ｂ）において、選択的照射プロセスが実行される。ここで、液晶層の１つの領域が照射され、液晶層の別の領域は照射されない。例えば、これは、液晶層２５を適切なマスク２８を介して照射することによってなされ得る。これにより、液晶層の一部は、マスク２８によって保護され、放射光を受けない。
【０１３５】
図１１（ｂ）の選択的放射プロセスは、空間的に変化するようにキラルプレポリマー材料２７の選択的に重合させる。放射光を受ける領域中に拡散するキラルプレポリマー材料のいずれの分子も重合され、照射される領域内で固定して留まる。その結果、キラルドーパントの濃度は、照射されなかった領域よりも放射光によって照射された領域のほうが大きくなる。
【０１３６】
図１１（ｃ）に、図１１（ｂ）の選択的照射プロセスによって製造されたデバイスを示す。図１１（ｃ）からわかるように、照射された液晶層の領域Ａは、照射工程においてマスク２８によって保護された液晶層の領域Ｂよりも、ずっと高い濃度のキラルドーパント（この段階ですでに重合化されている）を有する。液晶層の領域Ａにおけるキラルドーパントの濃度が増加することは、液晶材料のピッチが領域Ｂよりも低く、厚さ対ピッチ比が領域Ｂよりも領域Ａのほうが大きいことを意味する。このように、キラルドーパントが、配向膜によって誘導されるねじれと同じ方向にねじれを誘導する場合、図３（ａ）のデバイスにおける厚さ対ピッチ比の増加した領域１１が核形成層として機能するのと同じように、厚さ対ピッチ比が増加した領域Ａは核形成領域として機能し、領域Ｂは動作領域として機能する。
【０１３７】
液晶材料のピッチを変化させるような本参考例の製造のために適切なキラルプレポリマーの１つの例は、ＢＡＳＦによって製造される光重合可能ジアクリレート材料ＬＣ５８９である。この材料は、約６７μｍ^-1のらせんねじれ力を有することが測定された。本参考例のための適切なネマチック液晶材料は、Ｍｅｒｃｋによって製造される液晶材料Ｅ７であり得る。適切な光イニシエータ材料の例は、Ｃｉｂａ Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＬｉｍｉｔｅｄからのＩｒｇａＣｕｒｅ３６９である。
【０１３８】
１つの例において、これらの材料は、１００：０．０４：０．０００４（Ｅ７：ＬＣ５８９：ＩｒｇａＣｕｒｅ３６９）の比で一緒に混合される。これにより、数十ミクロンのピッチを有するキラル液晶混合物が与えられ得る。この混合物は、紫外光を用いた選択的照射によって重合され得る。
【０１３９】
図１１（ｂ）の照射工程において、マスク２８は、実質的に放射光をブロックし、マスク２８によって保護される液晶の部分は、放射光を実質的に全く受けない。しかし、原理的に、マスク２８は、液晶層の保護された部分が受ける放射光の強度が液晶層の保護されない部分の放射光の強度よりも十分に低い場合は、完全に放射光をブロックする必要はない。
【０１４０】
あるいは、原理的に、選択的照射プロセスは、断面面積の小さい放射光ビームを用いて液晶層を照射し、照射したい液晶層の領域をそのビームで走査することによって実行され得る。
【０１４１】
図１１（ａ）〜１１（ｃ）を参照して説明された方法において、選択的照射プロセスは、液晶層内のキラルドーパントの濃度を空間的に変化させ、キラルドーパントの濃度のこの変化が、液晶材料のピッチを変化させる。ピッチの変化を含む液晶層を生成する別の方法において、らせんねじれ力が照射によって選択的に変更され得るキラルドーパントを使用する。この方法において、選択的照射プロセスは、選択的照射プロセスは、液晶層の照射部分におけるキラルドーパントのらせんねじれ力を変更する効果がある。このようなキラルドーパントを含む液晶層を選択的に照射することによってキラルドーパントのらせんねじれ力の空間的変化を生成し、これにより、液晶層の厚さ対ピッチ比の空間的変化を生成する。
【０１４２】
図１１（ａ）〜（ｃ）はまとめると以下のようである。図１１（ａ）は、キラルドーパントプレポリマーをドープした１８０°ねじれ状態ＬＣ（細い棒）である。いずれの領域でもｄ／ｐ＞０．２５である。
【０１４３】
図１１（ｂ）は、これらのキラル分子の重合を引きおこすフォトマスクを介するＵＶ露光によりＵＶ露光の領域を拡散させる。
【０１４４】
図１１（ｃ）は、ＵＶ露光の後、セルの右側部分のキラルドーパント濃度の減少により、ネジレのない構成に形成される。
【０１４５】
らせんねじれ力が照射によって選択的に変更され得るキラルドーパントの１つの例は、第１８回国際液晶会議、日本、仙台（２０００年）の要約集Ｐ５３６におけるＴ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉら、「Ｐｈｏｔｏ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｈｅｌｉｃａｌ ｔｗｉｓｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ａ ｃｈｉｒａｌ ｄｉａｒｙｌｅｔｈａｎｅ ｄｏｐａｎｔ ｉｎ ｃｈｉｒａｌ ｎｅｍａｔｉｃｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ」によって記載されるようなジアリールエタンキラルドーパントである。
【０１４６】
上記の実施形態および参考例において、動作領域の厚さ対ピッチは、液晶層の厚さまたは液晶材料のピッチのいずれかを動作領域と核形成領域で異ならせることによって、核形成領域の厚さ対ピッチ比と異ならせる。しかし、原理的に、厚さおよびピッチの両方を、核形成領域と動作領域との間で変化させることが可能である。
【０１４７】
らせんねじれ力が照射によって選択的に変更されるキラルドーパントを使用することによってピッチの変化を誘導させる参考例において、照射によって誘導される液晶材料のピッチの空間的変化が所定の方向構成を安定化するポリマーネットワークによって安定化され得る。ポリマーネットワークの重合は、ピッチの変化を誘導するために使用されるものと同じ照射工程によってなされてもよいし、または別個の照射工程を必要としてもよい。
【０１４８】
パイセル液晶デバイスの厚さの変化の点からパイセル核形成を実証するために、テストセルを構築した。ここで、厚さを段階的に変化させた。セルは、ネガティブフォトレジスト材料（ＳＵ−８、Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｇｒａｐｈｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）を使用した。１層のフォトレジストを１４００ｒｐｍの速度で２５秒間きれいなガラス基板上にスピンコーティングし、実質的に一様な３μｍ厚の膜を生成した。このガラス基板は、前もって１層の薄い透明な導電材料であるインジウムすず酸化物（「ＩＴＯ」）を用いて一様にコーティングしてあった。膜を６５℃で１分間、その後さらに９５℃で１分間ベーキングし、溶媒をすべて除去した。次に、適切なフォトマスクを介して、選択された領域をＵＶ光に７０秒間さらすことによって架橋した。その後、５０℃で１分間第２のベーキングを行い、つづいて９５℃で２分間ベーキングした後、溶媒溶液「ＥＣ」（Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｇｒａｐｈｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に６０秒間浸した。その後、新しいＥＣ溶媒でさらに３０秒間洗浄した。この溶媒は、これらの部分からＵＶ光に露光されたマスクであるＳＵ８膜を除去し、これにより、これらの領域のガラス基板を再度露出させる。最後に、架橋されたフォトレジストの３μｍ厚の階段状の領域を、１８０°で１時間硬化させる。
【０１４９】
テストセルにおける液晶の挙動を調べるために、上記のように調製された基板を配向材料（ＳＥ７７９２、Ｎｉｓｓａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）の薄い１層を用いてコーティングした。配向材料を溶媒中に溶解し、２０００ｒｐｍで２５秒間スピンコーティングして、約５０ｎｍ厚の膜を生成した。第２のきれいな、一様の、ＩＴＯコーティングされたガラス板をまた、この配向材料を用いてコーティングした。次に、両方のガラス板（一様なガラス板、およびパターニングされた階段状領域のＳＵ８を有するガラス板）を１８０℃で２時間ベーキングして配向層を硬化した。一旦冷却し、両方の基板を柔らかな布で一方向にラビングし、液晶の配向方向を規定した。次に、配向方向を平行になるように基板を組み立て（パイセルを製造し）、基板の周辺に１トラックの接着剤に溶着されるガラススペーサボールを使用して１０μｍの間隔をあけた。最後に、基板間のギャップを市販の液晶Ｅ７（Ｍｅｒｃｋ）を用いて充填した。基板間のギャップ（したがって、ＬＣ層の厚さ）は、１０μｍであった。但し、高さ３μｍのＳＵ８のフォトレジストパターンが存在するところは、層厚は、７μｍに低減された。液晶Ｅ７を、市販のドーパント材料Ｒ１０１１（Ｍｅｒｃｋ）を使用してキラルドーパントをドーピングし、２８μｍ＜ｐ＜４０μｍの範囲のピッチを生成した。その結果、液晶層の厚さが１０μｍであるセルのこれらの領域は、０．３５７＞ｄ／ｐ＞０．２５のｄ／ｐ値を有した。これにより、０Ｖで１８０°ねじれの領域が安定化した。比較すると、セルの厚さが７μｍのこれらの領域では、０．２５＞ｄ／ｐ＞０．１７５であり、安定な０Ｖ状態は、スプレイ（またはＨ）状態であった。この発明によると、完成したパイセルに電圧を印加すると、安定化されたねじれを有するより厚い領域が、Ｈ状態のより薄い領域の境界での核形成を促進する領域として機能することが実験的に観察された。
【０１５０】
以下に、本発明をＴＦＴ（薄膜トランジスタ）液晶パネルに適用する場合について、詳細を説明する。この場合、核形成領域がすぐにＶ状態（ベンド状態）になり、表示領域のＨ状態からＶ状態への転移（ベンド転移）を助けることが望まれる。したがって、核形成領域は、基本的に画素を取り囲むように位置付けられる。
【０１５１】
ＴＦＴ液晶パネルは、ＴＦＴ基板（すなわち、下側基板）と、対向基板（すなわち、上側基板）と、一対の基板の間に挿入される液晶層を含む。対向基板上には、画素開口部のカラーフィルタおよび非画素領域が形成される。ＴＦＴ基板上には、ＴＦＴ、ＴＦＴを制御するゲート電極、画素に信号を送るソース電極、画素電極（図示せず）、画素電極に電荷を送るドレイン電極が形成される。
【０１５２】
図１２は、ＴＦＴ液晶パネルの画素部を拡大した上面図である。画素の開口部分には、画素開口部１１１が設けられる。画素開口部１１１には、カラーフィルタ（図示せず）が形成される。１つの画素が、１つの画素開口部１１１と対応してもよいし、または、複数の画素開口部１１１と対応してもよい。逆に、複数の画素が１つの画素開口部１１１と対応してもよい。画素開口部１１１の周りには、非画素領域１１２が設けられる。非画素領域１１２は、通常、黒色の遮光膜から形成される。
【０１５３】
図１２において、対向基板の遮光領域１１２の輪郭だけを示し、輪郭線を通してＴＦＴ基板上に形成される電極、ＴＦＴを示す。
【０１５４】
ゲート電極１１３に電圧が印加されると、ソース電極１１４に印加された電荷はＴＦＴ１１７からドレイン電極１１５に流れ、画素電極（図示せず）に流れこむ。液晶層を介して対向基板上には透明電極が形成され、ＴＦＴ基板上の画素電極と対向基板上の透明電極とに挟まれた液晶層は流れこむ電荷によって生じる電界により、動作が行われる。
【０１５５】
ＴＦＴ液晶パネルを駆動する方法として、ソース電極１１４に信号を出力した後に、ゲート電極１１３を順次ＯＮにして、各画素に信号を書き込む方法、または、先にゲート電極１１３に信号を送り、ゲート電極１１３がＯＮになった後に、ソース電極１１４を介して画素に信号を書き込む方法がある。ゲート電極１１３は、１フィールド時間内に複数のＴＦＴ１１７を順次ＯＮにしていくため、実際に電圧が印加されている時間は概ね１フィールドを表示する時間を垂直走査線の数で割った時間にほぼ等しい。一方、ソース電極１１４は、一水平期間ごとに書きこまれるので、電圧が印加される時間はソース電極１１４の方が長くなる。ただし、ソース電極１１４にかかる電圧は信号電圧に対応するので、１つの画素に対して、例えば、ベンド状態の場合、一画素近傍のソース電極１１４に表示期間である１フィールド期間２．５Ｖ−６Ｖの範囲の電圧が印加されることになる。
【０１５６】
いずれの場合も一画素の観点では、液晶を動作させるための電荷の充電時間は、画素表示期間である１フィールド期間をパネルの画素数で割った時間である。したがって、画素に信号が書きこまれる時間は、画素表示時間と比較すると非常に短時間であり、ＴＦＴがＯＦＦになってからも液晶層が動作する間は、液晶に印加される電圧を保持しておく必要がある。そのため、ＴＦＴ基板上には、ＴＦＴ１１７がＯＦＦになった後も、画素にかかる電圧を維持するための補助容量電極１１６が設けられる。
【０１５７】
補助容量電極１１６は、ソース電極１１４およびゲート電極１１３とは異なり、本質的に、次の信号が書きこまれるまで印加電圧を保持するために設けられるため、補助容量電極１１６は、画素に電圧が印加されるタイミングと連動して電圧が印加される。液晶層が応答する期間は、画素電極に電圧が印加されている期間である。この期間に、動作領域である表示領域および非表示領域である核形成領域の両方に電圧が印加されることが好ましい。したがって、本発明の核形成領域を、補助容量電極部１１６の近傍に形成することは、ベンド状態を得るためには有用である。
【０１５８】
もちろん、ソース電極１１４およびゲート電極１１３は、間欠的に電圧が印加されるため、ソース電極１１４およびゲート電極１１３近傍の領域を核形成領域として用いることは有効である。ソース電極１１４およびゲート電極１１３近傍の領域だけでなく、さらに補助容量電極１１６近傍の領域を核形成領域とすればさらに有効である。
【０１５９】
図１３（ａ）〜（ｃ）は、ＴＦＴ液晶パネルの核形成領域を模式的に説明するための上面図である。図１３（ａ）〜（ｃ）に示される核形成領域を図１２と比較して説明する。
【０１６０】
図１３（ａ）は、画素開口部１１１、非表示領域である遮光部（ブラックマトリクス）１２０に対して、補助容量電極１１６が形成される位置にのみに核形成領域１２１が形成された構成を示す。上記のように、補助容量電極１１６は、核形成領域１２０として有効に機能する。しかし、画素全体にＶ状態に転移させる領域が足りない場合、以下に説明するように、ソース電極１１４またはゲート電極１１３に対応する位置にも核形成領域を設けることができる。
【０１６１】
図１３（ｂ）は、ソース電極１１４が形成される位置に対応した核形成領域１２２と、補助容量電極１１６が形成される位置に対応する核形成領域１２１とが形成される構成を示す。
【０１６２】
図１３（ｃ）は、ゲート電極１１３が形成される位置に対応した核形成領域１２３と、補助容量電極１１６が形成される位置に対応する核形成領域１２１とが形成される構成を示す。
【０１６３】
このように、核形成領域は、ゲート電極１１３、ソース電極１１４または補助容量電極１１６の領域の近傍に形成することができる。また、これらを任意に組み合わせてもよい。
【０１６４】
図１４は、本発明による高開口率ＴＦＴ液晶パネル１４００の上面図を示す。上面図の構成において、高開口率ＴＦＴ液晶パネル１４００の構成は、例えば、特開平９−１５２６２５号公報に開示されているものと類似している。
【０１６５】
画素の表示部分である画素電極１３２は、ソース電極１３３およびゲート電極１３５で囲まれる。図１４は、１つの画素を中心に図示しているが、高開口率ＴＦＴ液晶パネル１４００は複数の画素を備える。画素電極１３２は、透明電極（例えば、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ））で形成される。ソース電極１３３およびゲート電極１３５とが交差する交差部の近傍にＴＦＴ１３１が設けられる。画素電極１３２を囲む２つのソース電極１３３の間に、補助容量電極１３４が設けられる。補助容量電極１３４は、画素電極１３２の容量を補助するための電極である。補助容量電極１３４は、ＴＦＴ１３１のドレイン電極１３７からは、透明電極１３６が補助容量電極１３４の方向に伸び、補助容量電極１３４上で画素電極１３２と接続されている。
【０１６６】
図１５は、高開口率ＴＦＴ液晶パネル１４００の図１４におけるＡ−Ａ’に沿った断面構造である。ＴＦＴ基板１４８と対向基板１４９との間に、液晶層１４７が配置される。ＴＦＴ基板１４８上において、ソース電極１３３（図１４）、ゲート電極１３５、ＴＦＴ１３１（図１４）を覆うように、樹脂平坦化層１４１が設けられる。樹脂平坦化層１４１上に画素電極１３２が形成される。ＴＦＴ１３１のドレイン電極１３７（図１４）と接続する透明電極１３６は、補助容量電極１３４と層間絶縁膜１４５を介して、補助容量を形成すると同時に、コンタクトホール１４４において、画素電極１３２と接続されている。
【０１６７】
この構造では、ＴＦＴ１３１（図１４）上に樹脂平坦化層１４１を設けることで、ソース電極１３３およびゲート電極１３５を考慮することなく隣接する画素電極をできるだけ近接させることができ、高開口率が実現される。
【０１６８】
このように形成される高開口率ＴＦＴ液晶パネル１４００は、画素電極１３２が隣接する画素電極１３２と数ミクロン以下の距離まで近接しているため、画素間に核形成領域を十分設けることができない。
【０１６９】
しかし、この構造では、補助容量電極１３４と画素電極１３２との接触領域の樹脂平坦化層１４１が除かれ、コンタクトホール１４４が設けられている。図１５に示すように、コンタクトホール１４４の液晶層１４７の厚みを、予め上述の核形成領域のｄ／ｐの条件を満たす厚さに設定しておく。補助容量電極１３４は、Ｔａ，ＴｉまたはＴａとＴｉとＡｌとの積層等により形成される非光透過性電極である。このため、コンタクトホール１４４に設けられる核形成領域は、この補助容量電極１３４により光が遮られ、核形成領域が表示に影響を及ぼすことはない。そして、画素電極１３２に電界が印加される時は、同時に補助容量電極１３４にも電界が印加されるため、核形成領域をＶ状態にさせつつ、画素電極に対応する領域でもＨ状態からＶ状態への転移が進む。
【０１７０】
また、通常、補助容量電極１３４の線幅は、画素長手方向（すなわち、ソース電極１３３に平行な方向）の長さの数％〜２０％であるように設定されることが多いため、十分な核形成領域が確保される。このように、画素間に核形成領域を設けることのできない構造においても、補助容量電極１３４を用いて、有効な核形成領域としての機能を有効に果たすことができる。
【０１７１】
Ｖ状態への転移を助けるための、１８０°ねじれ（Ｔ状態）領域とＨ状態領域とを含む、液晶表示デバイスの例を図１６に示す。図１６（ａ）では、電圧が印加されない状態で、動作領域２１０の液晶分子はＨ状態を示し、核形成領域２２０の液晶分子は１８０°ねじれ状態を示す。図１６（ｂ）は、動作領域２１０の断面を示す。
【０１７２】
図１６（ａ）、（ｂ）に示される液晶表示デバイスは、上側基板２０１ａと下側基板２０１ｂとの間に液晶材料２０５が配置される。上側基板２０１ａ上に透明電極２０２ａが設けられ、その上に配向膜２０３ａが設けられる。動作領域２１０において、下側基板２０１ｂ上には段差材料２０４が設けられ、動作領域２１０と核形成領域２２０との間に段差ｄ₁が設けられる。さらにそれらを覆うように透明電極２０２ｂが設けられ、透明電極２０２ｂ上に配向膜２０３ｂが設けられる。ここで、液晶セルの厚さはｄ₂であり、核形成領域２２０の幅がＷである。
【０１７３】
図１６（ｂ）に示されるように、チルト角θ₁およびθ₂を有するように上側基板２０１ａ上の配向膜２０３ａおよび下側基板２０１ｂ上の２０３ｂを配向処理する。ここで、配向処理は、例えば、ラビング、紫外線による配向、ＳｉＯなどの斜方蒸着などを用いてもよい。ここでは、例として、図１６（ｂ）に矢印で示す方向にラビング処理を行った。配向膜２０３ａ、２０３ｂとチルト角θ₁、θ₂との関係を保つことが重要であり、配向の方向は任意に選択され得る。ここで、上側基板２０１ａ（または配向膜２０３ａ）と液晶層とによって決定される、動作領域の液晶層のチルト角と核形成領域の液晶層のチルト角とが実質的に等しくてもよい。また、同様に、下側基板２０１ｂ（または配向膜２０３ｂ）と液晶層とによって決定される、動作領域の液晶層のチルト角と核形成領域の液晶層のチルト角とが実質的に等しくてもよい。少なくとも上記のいずれかを満たす場合、上側基板２０１ａ全体および／または下側基板２０１ｂ全体を同じように配向処理すればよいため、製造コストを削減することができる。
【０１７４】
液晶表示デバイスに電圧を印加すると、動作領域２１０におけるスプレイ（Ｈ状態）領域がベンド状態（Ｖ状態）への転移は、１８０°ねじれ状態している核形成領域２２０に接する領域から起こる。表示領域として使用される動作領域２１０は、電圧印加時にベンド状態に転移していることが必要であるので、この転移の移動速度が速いことが望ましい。
【０１７５】
図１６のように、初期配向において、１８０°ねじれ状態とＨ状態とを共存させるためには、液晶材料に添加するキラル濃度とセル厚ｄ₂と段差ｄ₁の値が重要である。上述したように、キラルを添加した後の液晶材料の自然ピッチをｐとすると、１８０°ねじれ領域では、（ｄ₁＋ｄ₂）／ｐ＞０．２５、スプレイ（Ｈ状態）領域では、ｄ₂／ｐ＜０．２５である必要がある。キラル材料としてＣＮ（コレステリルノナノエイト）を用い、液晶材料として、フッ素系の液晶ＺＬＩ−４７９２を用い、１８０°ねじれ状態とＨ状態とが共存可能である場合を検討した。
【０１７６】
図１７は、段差ｄ₁と（ｄ₁＋ｄ₂）／ｐとによる共存可能領域の変化を示すグラフである。ここで、配向膜でのチルト角は約４°である。（ｄ₁＋ｄ₂）／ｐはキラル濃度を変化させることで調整することができる。図１７に示されるように、Ｈ状態と１８０°ねじれ状態とが安定に共存するためには、ある程度の段差が必要であるが、段差の大きさは製造プロセスを容易にするためになるべく小さいことが望ましい。また、キラル濃度が大きいと、液晶表示デバイスがノーマリーホワイトである場合、明るい場合の透過率が小さくなるので、良好な電圧−透過率特性を得るために、キラル濃度が小さいことが望ましい。これらのことを考慮して、（ｄ₁＋ｄ₂）／ｐは０．２５以上０．７５以下、段差の大きさｄ₁は０．４μｍ以上が好ましく、さらに好ましくは、（ｄ₁＋ｄ₂）／ｐは約０．２８、ｄ₁は約１．６μｍである。
【０１７７】
なお、図２２に示すようにチルト角θ₁およびθ₂が大きい場合、（ｄ₁＋ｄ₂）／ｐ＜０．２５を満たしても、１８０°ねじれ状態とＨ状態とが共存可能な範囲が存在可能な範囲がある。しかし、ここでは、チルト角が安定する角度を選択している。
【０１７８】
さらに、図１６（ａ）のＷの大きさによっても１８０°ねじれ状態とＨ状態の共存状態が変化する。具体的には、１８０°ねじれ状態の領域幅Ｗが小さいと、（ｄ₁＋ｄ₂）／ｐを０．２５以上０．７５以下、段差ｄ₁は０．４μｍ以上を満たしても共存できない場合がある。図１８は、（ｄ₁＋ｄ₂）／ｐ＝０．２８、ｄ₁＝１．６μｍとしたとき、Ｗの値による共存の可否を示している。この結果では、共存させるためには、Ｗが１０μｍ以上必要であり、好ましくは、約２０μｍ以上必要である。
【０１７９】
本発明を透過型液晶表示装置に適用する場合、Ｖ状態への転移を助けるために１８０°ねじれ状態の領域（すなわち、核形成領域）を遮光することで、表示領域として使用しないことを示した。これは、動作領域と核形成領域の双方の領域で液晶層の厚さが異なることから、両領域における位相差がことなるため、あえて１８０°ねじれ状態の領域、すなわち、核形成領域を非表示領域にした。しかし、参考例では、ベンド状態および１８０°ねじれ状態の両方を表示領域として使うこともできる。表示部分にしめる１８０°ねじれ状態領域の割合は任意である。最初に透過・反射両用型パネルに適用した場合の例を示す。
【０１８０】
透過・反射両用型液晶表示デバイスとして、反射表示領域と透過表示領域が１画素内に形成されたものが提案されている。このパネルを図１９に示す。この構造は、１つの画素の中に段差により厚さの異なる領域（例えば、バイアホール）を設け、液晶層の厚さの薄い領域に反射電極を設けて反射領域とし、段差部、すなわち、液晶層の厚い領域を透過表示領域とする。この構成により、周囲が暗い場合には、バックライトの光を使用して透過型液晶表示デバイスと同様に機能する。逆に周囲が明るい場合には、反射型液晶表示デバイスとしてバックライト無しでも表示が可能となる。
【０１８１】
本参考例において、液晶層の厚い部分の厚さｄ₂を６μｍ、段差ｄ₁を３μｍとした画素の上面図を図２０に示す。１つの画素の大きさは、縦Ｈ_P＝３００μｍ、横Ｗ_P＝１００μｍとし、１８０°ねじれ（Ｔ状態）状態の領域Ｈ_TとＨ状態領域Ｈ_Sは、Ｈ_T＝Ｈ_S＝１５０μｍとしたところ、良好な表示特性が得られることが分かった。なお、画素の大きさ、段差の大きさは、上で示した条件を満たせば任意である。
【０１８２】
次に、透過型液晶表示デバイスにおいて、１８０°ねじれ状態領域とＨ状態領域を共に表示領域とした場合を示す。この場合、上記のように、液晶層の厚さの変化に対し、位相差が異なる。またベンド状態のような配向を表示に用いる複屈折モードでは、例えば、電圧を印加して黒状態を表示する場合、印加可能な最大電圧で黒を表示するような光学補償板を用いる。つまり、最大印加電圧での液晶の位相差をちょうど相殺する位相差を有する位相差板により黒表示を行う。
【０１８３】
しかし、このような方式を使用する場合、黒表示を行う最適電圧を上回っても、下回っても位相差が生じる為、コントラストが下がる。一般に、所望のコントラスト以上を表示する電圧範囲を黒表示のためのマージン（暗電圧許容幅）とよぶが、このような複屈折モードにおいて、一般にマージンは狭い。
【０１８４】
このとき、１８０°ねじれ領域を共存させることにより、このマージンを広げることができる。図２０は、ある画素における１８０°ねじれ領域とＨ状態領域を模式的に示した上面図であり、これにより、Ｈ_S／Ｈ_Pはある画素に対して１８０ねじれ領域の割合を示す。図２１は、コントラスト２００：１以上を満たす暗電圧マージンと、画素に対する１８０°ねじれ領域の割合Ｈ_S／Ｈ_Pとを示すグラフである。
【０１８５】
段差ｄ₁の大きさに依存するが、ｄ₁＝１．０μｍの場合、１８０°ねじれ領域を５０％設け、ｄ₁＝０．５μｍの場合、１８０°ねじれ領域を２０％以上設けることで、約０．１Ｖ暗電圧マージンを広げることができる。
【０１８６】
したがって、１８０°ねじれ（Ｔ状態）領域とＨ状態領域とを共存させながら、暗電圧マージンを増やすことができるため、あえて１８０°ねじれ領域を表示領域に作成し、印加電圧のバラツキにたいするコントラストの変化を抑えることができる。さらに、Ｈ状態のみの暗電圧マージンを変えないように、段差領域を形成して、Ｔ状態領域を作ることも可能であるため、双方の領域を表示領域に設けることが可能となる。
【０１８７】
【発明の効果】
本発明による液晶表示デバイスは、第１および第２の基板の間に配置されたキラル液晶材料の層を含む。液晶層の動作領域は、厚さ対ピッチ（ｄ／ｐ）_Aを有する。液晶層はまた、液晶層の厚さ対ピッチ比が、（ｄ／ｐ）_Aではなく（ｄ／ｐ）_Nである核形成領域を含む。動作領域と核形成領域との間の液晶層の厚さ対ピッチ比の違いの結果、印加電圧の非存在下、または、小さな電圧の印加時で動作領域において安定である液晶状態は、核形成領域における安定状態と同じでない。
【０１８８】
本発明の１つの実施形態において、液晶層の厚さ対ピッチ比は、動作領域より核形成領域のほうが大きい。この実施形態は、核形成領域としてバイアホールを使用するバイアホールが設けられる反射型表示デバイスにおいて容易に実現され得る。
【０１８９】
本発明による液晶表示デバイスにより、高電圧の印加を必要とすることなく、液晶表示デバイスの操作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＯＣＢデバイス（パイセル）の模式図である。
【図２】図２の（ａ）〜（ｄ）は、ＯＣＢデバイスの動作原理を示す模式図である。
【図３】図３の（ａ）および（ｂ）は、本発明の動作を示す模式断面図である。
【図４】本発明の実施形態による液晶表示デバイスの、液晶層への印加電圧の非存在下、または、小さな印加電圧下における、模式断面図である。
【図５】図４の液晶表示デバイスの、液晶層への印加電圧の存在下、または、より大きな電圧の印加時における、模式断面図である。
【図６】本発明の実施形態による液晶表示デバイスの模式平面図である。
【図７】液晶材料における転位の伝播速度の依存性をｄ／ｐ比の関数として示す図である。
【図８】 参考例による液晶表示デバイスの模式断面図である。
【図９】図８の液晶表示デバイスの主な光学構成要素の模式斜視図である。
【図１０】種々のｄ／ｐ比について、反射型液晶表示の印加電圧対反射率の特性曲線を示す図である。
【図１１】 図１１（ａ）および（ｂ）は、さらなる参考例による液晶表示デバイスの製造方法を示す図であり、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）および（ｂ）の方法によって製造された液晶表示デバイスを示す図である。
【図１２】ＴＦＴ液晶パネルの画素部を拡大した上面図である。
【図１３】図１３（ａ）〜（ｃ）は、ＴＦＴ液晶パネルの核形成領域を模式的に説明するための上面図である。
【図１４】本発明による高開口率ＴＦＴ液晶パネル１４００の上面図を示す。
【図１５】高開口率ＴＦＴ液晶パネルの図１４におけるＡ−Ａ’に沿った断面構造である。
【図１６】図１６（ａ）および（ｂ）は、１８０°ねじれ領域とＨ状態領域とを含む、液晶表示デバイスを示す。
【図１７】チルト角が小さい場合の段差ｄ₁と（ｄ₁＋ｄ₂）／ｐとによる共存可能領域の変化を示すグラフである。
【図１８】ねじれ領域幅とＨ状態−１８０°ねじれの共存状態の関係を示す表である。
【図１９】透過・反射両用型液晶表示デバイスとして、反射表示領域と透過表示領域が１画素内に形成された構成を示す。
【図２０】ある画素における１８０°ねじれ領域とスプレイ領域を模式的に示した上面図である。
【図２１】コントラスト２００：１における１８０°ねじれ領域の割合と暗表示の電圧許容幅を示すグラフである。
【図２２】チルト角が大きい場合の段差ｄ₁と（ｄ₁＋ｄ₂）／ｐとによる共存可能領域の変化を示すグラフである。

Claims (17)

1. 第１および第２の基板の間に配置されたキラル液晶材料の液晶層、ならびに該液晶層における表示のための動作領域に電圧を印加するための電圧印加手段を含み、該液晶層に対して電圧を印加することによって、該液晶層の液晶分子が第１のねじれ角を有するスプレイ状態または該第１のねじれ角と異なる第２のねじれ角を有するねじれ状態から第１のベント状態に転移し、さらに印加電圧を大きくすることによって該第１のベント状態から第２のベント状態にスイッチングし、該第１のベント状態と該第２のベント状態とで表示の切り換えが行われる表面モードの液晶表示デバイスであって、
   該液晶層の第１の領域は、前記動作領域であり、該液晶層の第２の領域は、該液晶層へ電圧を印加する時に該第１の領域に前記第１のベント状態および第２のベント状態を生成するために該第１の領域に隣接して設けられた核形成領域であり、そして該液晶層の厚さｄと、該液晶材料のピッチｐとの比が、該液晶層の該第１の領域において第１の値（ｄ／ｐ）_Ａを有し、該液晶層の該第２の領域において、該第１の値（ｄ／ｐ）_Ａと異なる第２の値（ｄ／ｐ）_Ｎを有するとともに、該第１の領域の液晶材料のピッチｐ_Ａが該第２の領域の液晶材料のピッチｐ_Ｎに等しく、該第１の領域の液晶層の厚さｄ_Ａが該第２の領域の液晶層の厚さｄ_Ｎとは異なり、該第２の領域の液晶層の厚さｄ_Ｎが該第１の領域の液晶層の厚さｄ_Ａよりも大きくなっており、
   該液晶層の前記第２の領域における該液晶層の厚さｄ _Ｎ と、該液晶材料のピッチｐ _Ｎ との比の値（ｄ／ｐ）_Ｎは、該液晶層への印加電圧の非存在下で、前記第１の領域において安定である前記スプレイ状態と、該スプレイ状態と位相幾何学的に非等価であって前記第２の領域において安定である前記ねじれ状態とが隣接して共存するように、また、該液晶層への印加電圧の非存在下で該液晶層の該第２の領域において安定である前記ねじれ状態が、前記第１の領域における印加電圧の存在下の前記第１のベント状態および第２のベント状態と位相幾何学的に等価であるように、（ｄ／ｐ） _Ａ ＜０．２５および０．２５≦（ｄ／ｐ） _Ｎ ≦０．７５とされる、液晶表示デバイス。
2. 前記第１のねじれ角は、前記第２のねじれ角と１８０°異なる、請求項１に記載の液晶表示デバイス。
3. 前記スプレイ状態が０°ねじれ状態であり、前記ねじれ状態が１８０°ねじれ状態である、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記第１の基板の配向方向は前記第２の基板の配向方向に平行である、請求項３に記載の液晶表示デバイス。
5. 前記液晶層の前記第１の領域における該液晶層の厚さｄ _Ａ と前記液晶材料のピッチｐ _Ａ との比の値は、（ｄ／ｐ）_Ａ＜０．１２５を満たす、請求項１に記載の液晶表示デバイス。
6. 前記液晶層の前記第１の領域における該液晶層の厚さｄ _Ａ と前記液晶材料のピッチｐ _Ａ との比の値は、（ｄ／ｐ）_Ａ＜０．１を満たす、請求項５に記載の液晶表示デバイス。
7. 前記デバイスは、パイセルである、請求項１に記載の液晶表示デバイス。
8. 前記デバイスは、反射型液晶表示デバイスである、請求項１〜７のいずれかに記載の液晶表示デバイス。
9. 前記第２の領域はバイアホールに配置される、請求項８に記載の液晶表示デバイス。
10. 前記電圧印加手段は、前記第１および第２の領域に電圧を印加するように構成される、請求項１〜９のいずれかに記載の液晶表示デバイス。
11. 前記第１の領域は、前記第２の領域を囲む、請求項１０に記載の液晶表示デバイス。
12. 前記電圧印加手段は、前記第２の領域に電圧を印加しないように構成される、請求項１〜９のいずれかに記載の液晶表示デバイス。
13. 前記第２の領域は、画素間ギャップ中に配置される、請求項１２に記載の液晶表示デバイス。
14. 前記核形成領域は、前記液晶表示デバイスの表示領域に電界が印加される時間と実質的に同じ時間電界が印加される、請求項１に記載の液晶表示デバイス。
15. 補助容量電極部をさらに有し、
    前記核形成領域は、該補助容量電極部近傍に設けられる、請求項１に記載の液晶表示デバイス。
16. 第１および第２の基板の間に配置された液晶層と、該液晶層に電圧を印加するための手段を含み、該液晶層に対して電圧を印加することによって、該液晶層の液晶分子が第１のねじれ角を有するスプレイ状態または該第１のねじれ角と異なる第２のねじれ角を有するねじれ状態から第１のベント状態に転移し、さらに印加電圧を大きくすることによって該第１のベント状態から第２のベント状態にスイッチングし、前記第１のベント状態と前記第２のベント状態とで表示の切り換えが行われる表面モードの液晶表示デバイスであって、
    該液晶層は、第１の厚さｄ_Ａを有する第１の領域と、該第１の領域に隣接し、該第１の厚さと異なり該第１の厚さｄ_Ａよりも大きな第２の厚さｄ_Ｎを有する第２の領域とを備え、
    該液晶層への印加電圧の非存在下で、該第１の領域における該液晶層の前記スプレイ状態と、該第２の領域における該液晶層の前記ねじれ状態とが相互に隣接して共存しており、
    該液晶層の厚さｄと、該液晶材料のピッチｐとの比が、該液晶層の該第１の領域において第１の値（ｄ／ｐ）_Ａを有し、該液晶層の該第２の領域において、該第１の値（ｄ／ｐ）_Ａと異なり該第１の値（ｄ／ｐ）_Ａよりも大きな第２の値（ｄ／ｐ）_Ｎを有し、該液晶層の該第１の領域における液晶材料のピッチｐと該液晶層の該第２の領域における液晶材料のピッチｐが等しく、（ｄ／ｐ） _Ａ ＜０．２５および０．２５≦（ｄ／ｐ） _Ｎ ≦０．７５になっており、
    該スプレイ状態は、該液晶層への印加電圧の非存在下で、該ねじれ状態と位相幾何学的に異なっており、前記液晶層への印加電圧の存在下で、該第２の領域は、該第１の領域における該スプレイ状態から前記第１のベント状態への液晶分子の転移の核形成領域となる、液晶表示デバイス。
17. 前記液晶層と前記第１の基板とによって該液晶層のチルト角が定義されており、
    前記第１の領域における該液晶層のチルト角と前記第２の領域における該液晶層のチルト角とが実質的に等しい、請求項１６記載の液晶表示デバイス。

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