JP4476137B2

JP4476137B2 - 液晶装置および電子機器

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Publication number: JP4476137B2
Application number: JP2005054822A
Authority: JP
Inventors: 欣也小澤; 秀男島村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: US7843540B2; JP2006243036A; KR100736349B1; TW200638136A; CN1828373A; CN100451750C; KR20060095467A; US20060203169A1

Description

本発明は、液晶装置および電子機器に関するものである。

現在、フラットパネルディスプレイはパソコン用などの各種モニタ、携帯電話用表示素子等に広く普及しており、今後は大画面テレビ用途への展開が図られる等、ますます普及の一途をたどることが予測されている。中でも最も広く普及しているのが液晶ディスプレイであって、これら液晶ディスプレイにおけるカラー表示方式として広く使用されているのが、マイクロカラーフィルタ方式と呼ばれるカラー表示方式である。

マイクロカラーフィルタ方式は、ひとつの画素を少なくとも３つの副画素に分割し、それぞれに３原色の赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）のカラーフィルタを形成することによってフルカラー表示を行うものであり、高い色再現性能を容易に実現することができる。しかしながら、マイクロカラーフィルタ方式では、カラーフィルタによる光の吸収等により、光の利用効率を十分に高めるのが困難である。光利用効率の悪さは、バックライトを有する透過型液晶装置やフロントライトを有する反射型液晶装置においては、バックライトやフロントライトの消費電力が高くなってしまう原因となっている。

一方、カラーフィルタを用いないカラー液晶装置として、ＥＣＢ（electrically controlled birefringence）型の液晶装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。液晶セルに電圧を印加すると、液晶の誘電異方性により、液晶分子配列が変化し、その結果、セル中の複屈折率が変化する。そして、液晶セルを２枚の偏向板間に置くと、この複屈折率の変化が光透過率の変化として現れる。これをＥＣＢ（electrically controlled birefringence）効果といい、ＥＣＢ型の液晶装置では、このような効果を利用して表示を行う。
なお、本明細書で用いる屈折率とは一般的な屈折率を意味するものであるとともに、上記の複屈折率を示す意味であってもよく、いずれかに限定するものではない。

以下、ＥＣＢ型の液晶装置の動作原理について説明する。
屈折率異方性Δｎをもつ液晶を用いたセル厚ｄのホモジニアスセルを、２枚の偏光板（偏光子、検光子）の間に置き、液晶分子のディレクタ軸と偏向子、検光子とがなす角をそれぞれψ、χとすると、光が、セル中を通過する間に生じる異常光と常光の間のリタデーションＲ、位相差δは、それぞれ、下記式（１）、（２）で表される。

Ｒ＝Δｎ・ｄ・・・（１）
δ＝２πＲ／λ＝２π・Δｎ・ｄ／λ ・・・（２）
また、セルに垂直に入射する光の透過強度（Ｊ）は下記式（３）で表される。
Ｊ＝Ａ^２｛cos^２(ψ−χ)−sin２ψsin２χsin^２(δ／２)｝・・・（３）
そして、２枚の偏光板が互いに直交しており、（χ−ψ＝π／２）、かつψ＝π／４であるとき、透過光強度Ｊは、下記式（４）で表される。
Ｊ＝Ａ^２sin^２(δ／２)＝Ａ^２sin^２(πΔｎｄ／λ) ・・・（４）

上記式から、単色光を用いた場合、透過光強度は、リタデーションＲに依存し、また、光源に白色光を用いた場合、リタデーションＲによってさまざまな色相を呈することがわかる。液晶セルに電圧を印加した場合、セル中の実効的な屈折率異方性は、液晶分子配列とともに変化するので、リタデーションＲが変化する。ＥＣＢ型の液晶装置では、上記のような原理により、透過光強度や表示色を印加電圧によって制御し、表示を行う。

一般に用いられている、カラーフィルタと組み合わせた液晶ライトバルブ方式等のカラー液晶装置では、１枚のセルや１つの画素で１色のみの表示を行うのに対して、ＥＣＢ型のカラー液晶装置では、１枚のセルと２枚の偏光板という単純な構成により、比較的安定にカラー表示ができる。
しかしながら、従来のＥＣＢ型のカラー液晶装置では、表示すべき色相を変化させるためには、印加する電圧の大きさを厳密に制御しなければならなかった。
また、従来のＥＣＢ型のカラー液晶装置では、画素を色毎の表示領域に分割したとしても、各領域間で光が干渉し合ってしまい、鮮明なカラー表示が困難であった。また、リタデーションＲが視角によって大きく変化するので、表示色の視角依存性が大きいといった問題があった。

日本学術振興会第１４２委員会監修「液晶デバイスハンドブック」日刊工業新聞社発行、１９９５年、第３４６〜３４８頁

本発明の目的は、光の利用効率を向上させるとともに広視野角を有し、優れた視認性を発揮することができ、信頼性に優れた液晶装置を提供すること、また、当該液晶装置を備えた電子機器を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の液晶装置は、第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた液晶層と、表示領域をそれぞれ有する複数の画素と、を備える液晶装置であって、
前記各画素には第１の電極と第２の電極とが形成され、
前記第１の電極および前記第２の電極は前記第１の基板に設けられており、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより前記第１の基板の面内方向の電場を生じさせるものであり、
前記液晶層は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が印加されるときは光学的に非等方性であり、前記電圧が印加されないときは光学的に等方性であり、かつ、前記電場の強さにより屈折率異方性が変化する材料を含んで形成され、
前記複数の画素として、赤色の表示を行う赤色画素と、緑色の表示を行う緑色画素と、青色の表示を行う青色画素とを備えており、
前記赤色画素、前記緑色画素および前記青色画素は、それぞれの前記液晶層での前記屈折率異方性を互いに異なるものとすることにより、カラーフィルタを用いることなく、互いに異なる表示色を呈するものであり、
前記赤色画素での第１の電極と第２の電極との距離Ｌｒ、前記緑色画素での第１の電極と第２の電極との距離Ｌｇ、および、前記青色画素での第１の電極と第２の電極との距離Ｌｂは、Ｌｂ＞Ｌｇ＞Ｌｒの関係を満足し、
前記液晶層に含まれる前記材料は、低分子量液晶材料と、非液晶性のモノマーが重合することにより形成され、前記低分子量液晶材料の構成分子間に形成された高分子ネットワークとを含む複合系液晶組成物で構成されたものであり、
前記非液晶性のモノマーが、側鎖としてアルキル基を有する枝分かれ構造のアクリレート系モノマーであることを特徴とする。
これにより、光の利用効率を向上させるとともに広視野角（広視角）を有し、優れた視認性を発揮することができ、信頼性に優れた液晶装置を提供することができる。
また、液晶の応答速度を特に速いものとすることができるとともに、連続性の高い高分子ネットワークを形成することができ、青色相が発現される温度範囲をより広いものとすることができる。

本発明の液晶装置では、前記非液晶性のモノマーが、２−エチルヘキシルアクリレート、または、１，３，３−トリメチルヘキシルアクリレートであることが好ましい。
本発明の電子機器は、本発明の液晶装置を備えたことを特徴とする。
これにより、光の利用効率を向上させるとともに広視野角を有し、優れた視認性を発揮することができ、信頼性に優れた液晶装置（表示部）を備えた電子機器を提供することができる。

以下、本発明の液晶装置および電子機器の好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
［液晶装置］
まず、本発明の液晶装置について説明する。
＜＜第１実施形態＞＞
図１は第１実施形態の液晶装置のＴＦＴアレイ基板の電極構成を示す平面図、図２は、本実施形態の液晶装置を模式的に示す図であり、図２（ａ）は本実施形態の液晶装置の、３原色に対応する３つの表示領域を説明するための平面模式図で、図２（ｂ）は図２（ａ）の平面図の断面模式図である。なお、図１、図２においては、１つの画素領域（１画素）を拡大して示すとともに、図面を見やすくするため、特定の部位を強調して示してあり、各構成要素の膜厚や寸法の比率等は適宜異ならせてある。

本実施形態の液晶装置は、スイッチング素子として薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、以下、ＴＦＴと略記する）を用いたアクティブマトリクス型の液晶装置の例である。
液晶装置１は、図２に示すように、ＴＦＴアレイ基板１０とこれに対向配置された対向基板２０との間に、例えば、後に詳述するような擬等方性液晶材料等で構成された液晶層３０が挟持されている。ＴＦＴアレイ基板１０においては、基板に対して面内方向（基板の面方向に平行な方向）の電場（横電界）を発生させ、この横電界で液晶材料の配向状態を変化させることで光スイッチング機能を持たせるインプレイン・スイッチング（In-Plane Switching、以下、「ＩＰＳ」と略記する。）方式の電極構成が採用されている。

ＩＰＳ方式では、電圧が印加されると液晶材料の配向状態が基板と平行方向に変化するため、広視野角（広視角）に加え、見る方向による色調変化や白から黒までの全階調での色調変化が少なく、広い視野角（例えば、上下左右１７０度程度）が得られ、自然な画像を表示することができる。
ＴＦＴアレイ基板１０における電極構成を図１に示す。図中縦方向に延在する複数のデータ線２と、図中横方向に延在する複数のゲート線３とが互いに交差するようにマトリクス状に設けられている。データ線２は、画像信号を各列の画素に伝える機能を有しており、ゲート線３は、各行の画素のＴＦＴを順次オンさせる機能を有している。図中各画素の左下の部分においてゲート線３が画素の内側に向けて分岐してゲート電極４となり、画素スイッチング用のＴＦＴ５を構成している。

各画素のＴＦＴはソースおよびドレインの一方の端子がデータ線２に接続され、他方の端子は、第１電極６に接続されている。この第１電極６は、図１中縦方向に延在する複数本の電極指（画素電極）６ａを有し、ＴＦＴ５のドレイン端子に接続されている。
そして、図１中縦方向に延在する複数本の電極指（共通電極）７ａを有する櫛歯状の第２電極７が設けられている。第２電極７の電極指７ａは、平面的に第１電極６の電極指６ａの間の位置に配置されている。そして、各電極指７ａは、共通電極線７ｂに接続している。第２電極７は、各画素間で互いに接続されており、表示領域全体において一定の電位に保たれる構成となっている。すなわち、第１電極６（電極指６ａ）は画素電極であり、第２電極７（電極指７ａ）は共通電極である。そして、データ線２、ゲート線３、第１電極６（電極指６ａ）、第２電極７（電極指７ａ、共通電極線７ｂ）、ＴＦＴ５は、いずれも、ＴＦＴアレイ基板１０上に設けられている。
なお、図１では共通電極線７ｂはデータ線２と交差し、ゲート線３と並行するよう形成されているが、これに限られず、電極指６ａと電極指７ａとが櫛歯状に配置されるのであれば、例えばゲート線３と交差し、データ線２と並行するよう形成されていても他の態様であってもよい。

そして、データ線２とゲート線３で囲まれた領域が本実施形態の液晶装置の一の画素を構成している。
ここで、画素、あるいは画素領域といった場合、データ線２とゲート線３とで囲まれた範囲をひとつだけ含むものであればよく、該データ線２または該ゲート線３と重なる領域を含めても含めなくても構わない。

図２（ａ）では、図１における３原色に対応する各画素の断面図が示されている。そして各画素の各表示領域、すなわち青色表示領域Ｄ１、緑色表示領域Ｄ２、および、赤色表示領域Ｄ３が設けられている。
ＴＦＴアレイ基板１０は、石英、ガラス等の透光性材料で構成された基板本体１１の表面にアルミニウム等の反射率の高い金属材料で構成された反射膜１３が、樹脂材料等で構成された絶縁層１２を介して形成された構成をなしている。

基板本体１１上に形成された絶縁層１２は、その表面に凹凸形状１２ａを具備してなり、その凹凸形状１２ａに対応して、反射膜１３の表面は凹凸部を有する。このような凹凸により反射光が散乱されるため、外部からの映り込みが防止され、広視野角の表示を得ることが可能とされている。凹凸形状１２上はさらに樹脂層１４で被覆されている。
そして、ＴＦＴアレイ基板１０の表面には、画素電極として、インジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide、以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電性材料で構成された第１電極６および第２電極７が形成されている。

なお、本実施形態では、反射膜１３と画素電極とを別個に設けて積層したが、金属材料で構成された反射膜を画素電極として用いることも可能である。
対向基板２０側には、ガラスや石英等の透光性材料で構成された基板本体２１上（基板本体２１の液晶層側）に、ブラックマトリクスＢＭが設けられており、このブラックマトリクスＢＭにより、各表示領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の境界が形成されている（図２（ａ）参照）。

また、ＴＦＴアレイ基板１０の外面側（液晶層３０を挟持する面とは異なる側）には位相差板１６および偏光板１７が、対向基板２０の外面側にも位相差板２４および偏光板２５が形成されており、基板内面側（液晶層３０側）に円偏光を入射可能に構成されており、これら位相差板１６および偏光板１７、位相差板２４および偏光板２５が、それぞれ円偏光板を構成している。

偏光板１７、２５は、所定方向の偏光軸を備えた直線偏光のみを透過させる構成とされ、位相差板１６、２４としてはλ／４位相差板が採用されている。
ここで、本実施形態の液晶装置を構成する各部の寸法は、特に限定されないが、例えば、一画素のピッチは３０〜１００μｍ程度であるのが好ましく、セルギャップｄは３〜５μｍ程度であるのが好ましい。

また、第１電極６の各電極指６ａおよび第２電極７の各電極指７ａの幅は、１〜４μｍ程度であるのが好ましい。
より具体的には、一画素のピッチが３０μｍ程度で、各表示領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３について、第１電極６の各電極指６ａ、第２電極７の各電極指７ａの数は、それぞれ、３〜５本程度であるのが好ましい。また、第１電極６の各電極指６ａおよび第２電極７の各電極指７ａの幅は、２μｍ程度であるのが好ましい。

上述した液晶装置１では、ＴＦＴ基板１０に、第１電極６と第２電極７とを同一面内に配したＩＰＳ方式の電極構成を採用している。したがって、液晶は、第１電極６（６ａ）と第２電極７（７ａ）とで発生する横電界Ｆによって駆動される。
ここで、ＥＣＢ型の液晶装置において、透過光強度Ｊは、下記式（４）で表される。
Ｊ＝Ａ^２sin^２(δ／２)＝Ａ^２sin^２(πΔｎｄ／λ) ・・・（４）
δはここでの位相差値であり、δ＝２πΔｎｄ／λである。この式より、δ、すなわち液晶の屈折率異方性Δｎを変えることで表示色や透過光強度を変えることができることがわかる。

ところで、通常の液晶材料では、上述したような、１画素内に複数個の表示領域（３原色に対応する３つの表示領域）を有する液晶装置に適用したとしても、各表示領域で、液晶の屈折率異方性Δｎを大きく変えるのは困難である。より詳しく説明すると、通常の液晶材料では、電界の印加時において、液晶分子は、周囲の他の液晶分子の配向状態の影響を強く受け、自身の向きも変わってしまうため、各表示領域（青色表示領域、緑色表示領域、赤色表示領域）で、液晶の屈折率異方性Δｎを大きく変えるのは困難である。このため、通常の液晶材料を用いた場合には、各表示領域で表示色を十分に異なるものとするのは困難であった。

従来の液晶材料では、電場を印加しても、液晶分子の向きが変わり、螺旋状に配列することにより、液晶セル内の一方向から見た時の屈折率は変化するが、材料そのものの屈折率は変化しない。これに対し、本発明で用いる擬等方性液晶材料では、電場を印加することで、光学的異方性を持たせることができ、材料そのものの屈折率を変化させることができる。そして、本発明で用いる擬等方性液晶材料では、電場を印加した際に、材料自体のマクロ的な配向挙動、移動を伴わずに、屈折率を変化させることができる。さらに、この屈折率の変化量は、電場の大きさに依存するので、各表示領域（青色表示領域、緑色表示領域、赤色表示領域）での電場の大きさを異なるものとすることにより、各表示領域で、液晶の屈折率異方性Δｎを異なるものとすることが可能である。したがって、本発明では、各色の表示領域間での干渉を確実に防止することができ、鮮明なカラー表示を行うことができる。また、本発明では、各色の表示を、各色の表示領域ごとに電場の大きさが異なるように設定することに行うため、制御性に優れている。

また、本発明においては、液晶材料（擬等方性液晶材料）の屈折率異方性により、鮮明なカラー表示を行うことができるため、カラーフィルタを用いる必要がない。これにより、光の利用効率を特に優れたものとすることができ、高コントラストで明るい画像を得ることができる。また、印加電圧が比較的低い場合であっても、十分に明るい画像を得ることができるため、省電力の観点からも有利である。

反射型の液晶装置において、前記式（４）より、Δｎ・ｄ＝λ／４のときに、透過光強度Ｊは、最大になる。そこで、この液晶装置では、各表示領域ごとに、Δｎ・ｄ＝λ／４となるように電場の大きさを設定するのが好ましい。これにより、より明るい表示を実現することができる。
具体的には、例えば赤色表示領域では、λ_ｒ＝６３０ｎｍとして、Δｎ・ｄ＝１６０ｎｍ程度であるのが好ましい。緑色表示領域では、λ_ｇ＝５５０ｎｍとして、Δｎ・ｄ＝１４０ｎｍ程度であるのが好ましい。また、青色表示領域では、λ_ｂ＝４５０ｎｍとして、Δｎ・ｄ＝１２０ｎｍ程度であるのが好ましい。

さらに、擬等方性液晶は、基板に対して略平行な横電界Ｆによって駆動される。これにより、面内でリタデーション（Ｒ＝Δｎ・ｄ）が変化するため、視角によるリタデーション値の変化が少ない。これにより、従来のＥＣＢ型の液晶装置における表示色の視角依存性の問題を解決することができる。また、これにより、光の利用効率をさらに高くし、より視認性に優れた表示が可能になるとともに、液晶装置の信頼性（耐久性）の更なる向上を図ることができる。

基板（ＴＦＴアレイ基板、対向基板）の液晶層と対向する面側のセル厚は、２０μｍ以下であるのが好ましく、１０μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、前述した効果はさらに顕著なものとして発揮される。
そして、本実施形態においては、横電界方式において、電極間の距離（第１電極６の電極指６ａと第２電極７の電極指７ａとの距離）を赤色表示領域、緑色表示領域、青色表示領域においてそれぞれ異なるものとなっている。このような構成により、容易かつ確実に、赤色表示領域、緑色表示領域、青色表示領域における電場の大きさを異なるものとすることができる。

このように、赤色表示領域における電極間距離（図中のＬｒ）、緑色表示領域における電極間距離（図中のＬｇ）および青色表示領域における電極間距離（図中のＬｂ）を異なるものとする場合、Ｌｂ＞Ｌｇ＞Ｌｒとするのが好ましい。このような構成により、容易（例えば、各表示領域で、印加電圧を実質的に同一となるような単純な構成で）かつ確実に、電場の強さが、赤色表示領域、緑色表示領域、青色表示領域の順に弱くなるようにすることができる。

赤色表示領域における電極間距離Ｌｒは、印加電圧等により異なるが、０．２〜１０μｍ程度であるのが好ましく、０．５〜５μｍ程度であるのがより好ましく、１〜３μｍ程度であるのがさらに好ましい。また、緑色表示領域における電極間距離Ｌｒは、印加電圧等により異なるが、０．４〜２０μｍ程度であるのが好ましく、１．０〜１０μｍ程度であるのがより好ましく、２〜６μｍ程度であるのがさらに好ましい。また、青色表示領域における電極間距離Ｌｒは、印加電圧等により異なるが、０．６〜３０μｍ程度であるのが好ましく、１．５〜１５μｍ程度であるのがより好ましく、３〜９μｍ程度であるのがさらに好ましい。

具体的には、例えば、各電極幅（電極指幅）が２μｍ程度、印加電圧が７〜８Ｖである場合、赤色表示領域における電極間距離Ｌｒは、２μｍ程度であるのが好ましく、緑色表示領域における電極間距離Ｌｇは、４μｍ程度であるのが好ましく、青色表示領域における電極間距離Ｌｒは、６μｍ程度であるのが好ましい。このような構成によれば、ＥＣＢ型の液晶装置において、各色の表示領域において鮮明な表示を安定して行うことができるとともに、透過光強度を特に大きいものとすることができる。また、光の利用効率を向上でき、表示が特に明るい構成とすることができる。また、コントラストの高い表示を得ることができる。さらに、特に優れた視認性を確保することができる。

＜擬等方性液晶材料＞
次に、液晶装置１を構成する擬等方性液晶材料について詳細に説明する。
図３は、本発明で用いることのできる擬等方性液晶材料の分子構造を模式的に示す図である。
本発明で用いる擬等方性液晶材料は、電場の非印加時には光学的に等方性で、かつ、電場の印加時には光学的に非等方性であり、電場の強さにより屈折率が変化するものである。

このような擬等方性液晶材料は、前述したように、通常の液晶材料とは全く異なるものであり、特に、反射型または透過型の液晶装置に適用した際に、通常の液晶材料とは全く異なる挙動を示すものである。すなわち、従来の液晶材料では、電場を印加しても、液晶分子の向きが変わり、螺旋状に配列することにより、液晶セル内の一方向から見たときの屈折率は変化するが、材料そのものの屈折率は変化しないのに対し、本発明で用いる擬等方性液晶材料では、電場を印加することで、光学的異方性を持たせることができ、材料そのものの屈折率を変化させることができる。そして、本発明で用いる擬等方性液晶材料では、電場を印加した際に、材料自体のマクロ的な配向挙動、移動を伴わずに、屈折率を変化させることができる。

本発明で用いる擬等方性液晶材料は、上記のようなものであればいかなるものであってもよいが、低分子量液晶材料と、非液晶性のモノマーが架橋剤とともに重合することにより形成され、前記低分子量液晶材料の構成分子間に形成された高分子ネットワークとを含む複合系液晶組成物で構成されたものであるのが好ましい。これにより、液晶の応答速度を特に速いものとすることができる。

以下の説明では、擬等方性液晶材料がこのような複合系液晶組成物で構成されたものとして説明する。
上記のような複合系液晶組成物（擬等方性液晶材料）は、一般に、図３に示すように、分子ラテラル方向の全方位に対してねじれ配列をとり、図３（ａ）に示す二重ねじれシリンダーと呼ばれる素構造を形成する。さらに、二重ねじれシリンダー（ｂ）は互いに交差して図３（ｃ）の体心立方晶系を単位格子とする超構造となる。この構造では、分子は三次元空間を連続に配列することができず、図のような周期的線欠陥を伴う。このような複合系液晶組成物（擬等方性液晶材料）は、光学的に等方性であるが、電圧を印加すると、高速で異方性となり、一定方向からの光を透過させたり、遮ることができる。

そして、複合系液晶組成物では、低分子量液晶材料との相溶性が低いモノマー分子を（架橋剤とともに）重合させることにより形成された高分子ネットワークを有している。これにより、青色相が発現される温度範囲（例えば、１００℃以上の範囲）を拡大することができるとともに、液晶の応答速度を特に速いものとすることができる。
高分子ネットワークを形成するのに用いられるモノマーは、非液晶性のモノマーである。ここで、非液晶性のモノマーとは、光重合または熱重合によって重合することができるモノマーであって、よく知られた液晶を呈する棒状の分子構造（例えば、ビフェニル基またはビフェニル・シクロヘキシル基等の末端にアルキル基、シアノ基、フッ素等が付いたような分子構造）を有しないモノマーを指称し、例えば、分子構造中にアクリロイル基、メタクリロイル基、ビニル基、エポキシ基、フマレート基、シンナモイル基等の重合性基を含むモノマーが挙げられるが、これらに限られるものではない。

高分子ネットワークを形成するのに用いられる非液晶性モノマーとしては、例えば、分子構造中にアクリロイル基またはメタクリロイル基を含むアクリレート系モノマーが挙げられ、特に、側鎖としてアルキル基を有する枝分かれ構造のアクリレート系モノマーが好ましい。アルキル基は、一般に、炭素数１〜４のアルキル基であり、このようなアルキル基からなる側鎖をモノマー単位当たり少なくとも１個有するモノマーを用いるのが好ましい。非液晶性の分子構造を有するモノマーであっても枝分かれしていないモノマーから高分子ネットワークが形成される場合には、青色相を発現する温度幅の拡大効果が比較的小さくなる。アクリレート系モノマーとしては、例えば、シクロヘキシルアクリレート等が挙げられ、また、側鎖としてアルキル基を有するアクリレート系モノマーとしては、例えば、２−エチルヘキシルアクリレート、１，３，３−トリメチルヘキシルアクリレート等が挙げられる。

上述したようなモノマーが、架橋剤とともに重合に供されることにより、高分子ネットワークが形成されることになる。この架橋剤は、液晶性または非液晶性の化合物のいずれでもよく、用いたモノマーに対応してそのモノマー分子間を結合して網状構造を形成し得るような反応性部位を有するものを使用すればよい。例えば、モノマーとしてアクリレート系モノマーを用いる場合には、架橋剤として液晶性のジアクリレートモノマーを使用することもできる。ただし、架橋剤を用いず、または架橋剤の濃度が低過ぎると、例えば、青色相の発現温度範囲（温度幅）を十分に広くするのが困難になる可能性がある。また、高分子ネットワークの濃度も重要であり、青色相の発現温度幅を広くするには十分量のモノマーと架橋剤を用いて連続性の高い高分子ネットワークが形成されるようにすることも必要である。

複合系液晶組成物を構成する低分子量液晶材料は、特に限定されないが、コレステリック相（カイラルネマチック相）と等方相の間で青色相を発現し得るものであるのが好ましい。これにより、液晶の応答速度をさらに速いものとすることができる。このような低分子量液晶材料は、ビフェニル、ターフェニル、ビフェニル・シクロヘキシル等の分子構造を含み、不斉原子の存在によりそれ自身がカイラリティー（キラリティー）を有するか、または、カイラルな物質（カイラルドーパント）を添加されることにより、コレステリック相（カイラルネマチック相）を発現し得る物質であって、そのコレステリック相（カイラルネマチック相）におけるらせんのピッチ長が約５００ｎｍ以下となるようなものから選択されるものであるのが好ましい。このような液晶は、低温でコレステリック相（カイラルネマチック相）を発現し、それより高温で等方相を発現するとともに、コレステリック相（カイラルネマチック相）と等方相の間のわずかな温度領域において青色相を発現する。これらの低分子量液晶材料としては、複数の種類を混合して使用してもよい。

本実施形態において用いられる擬等方性液晶材料は、上述したような低分子量液晶材料と高分子ネットワークとを含む（高分子ネットワーク／低分子量液晶材料）複合系液晶組成物で構成されたものである。
このような複合系液晶組成物は、例えば、以下のようにして得ることができる。すなわち、低分子量液晶材料中にモノマーと架橋剤を分散させ、青色相が保持されている温度下に重合反応を行うことによって得られる。

青色相が保持されていることは、偏光顕微鏡による観察および反射スペクトルの測定により確認することができる。すなわち、青色相が出現していると、青色相に特徴的な青色および黄緑色のplatelets（小板状組織）が偏光顕微鏡によって観察され、また、この黄緑色のplateletsに対応する約５５０ｎｍの波長において反射スペクトルにピークが認められる。

重合は、例えば、熱重合、光重合等により行うことができるが、熱重合の場合は、青色相が保持される温度と重合温度（加熱温度）とが重なる範囲に限界があり、また、高分子ネットワークの形態が加熱により変化する可能性があるので、紫外光を用いる光重合によるのが好ましい。また、重合に際しては、重合速度を速めるために、低分子量液晶材料中に、モノマーと架橋剤に加えて重合開始剤も分散させておくのが好ましい。光重合開始剤としては、例えば、アセトフェノン系、ベンゾフェノン系、ベンゾインエーテル系、チオキサントン系等の各種の開始剤が使用可能であり、具体的には、２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン等を用いることができる。

このように、複合系液晶組成物で構成された液晶材料（擬等方性液晶材料）を作製するには、以上のように、低分子量液晶材料中にモノマーと架橋剤、さらには、必要に応じて重合開始剤やカイラルドーパントを分散させた混合溶液を適当なセルに注入して以下のように重合反応に供する。
まず、重合前の試料（混合溶液）を降温または昇温させて青色相が発現していることを、上述のように偏光顕微鏡観察および／または反射スペクトル測定により確認する。

次に、青色相発現が確認された温度から試料を昇温または降温しplateletsの黄緑色の輝度が弱くなったことが（偏光顕微鏡観察および／または反射スペクトル測定により）認められた時点で紫外光を照射し、黄緑色の輝度が強くなったら紫外光照射を一旦停止する。
その後、試料をさらに降温または昇温し、再びplateletsの黄緑色の輝度が弱くなった温度において紫外光を照射し、plateletsの黄緑色の輝度が強くなると紫外光照射を一旦停止する。

この操作を繰り返し、青色相を発現する温度（plateletsの黄緑色の輝度が強くなる温度）が低分子量液晶材料単独の系の青色相発現温度とほぼ一致した後、さらに、一定時間（例えば、１時間）紫外光を照射することにより重合を完了させる。
以上の操作は光重合によるものであるが、熱重合による場合は、同様に偏光顕微鏡観察および／または反射スペクトル測定により青色相発現が確認されかつ重合反応が進行する温度下に系を維持することにより重合を行うことができる。

以上のような重合反応により得られる複合系液晶組成物で構成される擬等方性液晶材料は、きわめて広い温度範囲（温度幅）にわたり安定な青色相を呈する。例えば、好ましい例であるアルキル基側鎖を有するアクリレート系モノマーから形成された高分子ネットワークを含む液晶材料には室温（１５〜２５℃）を挟んで６０℃以上の温度幅にわたり青色相を発現することができるものもある。得られた液晶材料の青色相発現も既述したような偏光顕微鏡観察と反射スペクトル測定により確認することができる。
このようにして得られる擬等方性液晶材料は、電場の非印加時には光学的に等方性であるが、電圧を印加すると、高速で光学的に異方性となり、一定方向からの光を透過させたり、遮ることができる。また、応答速度は１０〜１００μ秒である。

＜＜第２実施形態＞＞
以下、本発明の液晶装置の第２実施形態について図面を参照しながら説明する。
図４は、本実施形態の液晶装置を模式的に示す図であり、図４（ａ）は本実施形態の液晶装置の、３原色に対応する３つの表示領域を説明するための平面模式図で、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面模式図である。なお、図４においては、画素領域を拡大して示すとともに、図面を見やすくするため、特定の部位を強調して示してあり、各構成要素の膜厚や寸法の比率等は適宜異ならせてある。

上述した第１実施形態の液晶装置が反射型の液晶装置（カラー液晶装置）であったのに対し、本実施形態の液晶装置は、透過型の液晶装置（カラー液晶装置）であり、また、前述した実施形態とは、電極構成が異なる等の点で異なる以外は、本実施形態は、前述した実施形態と同様である。よって、図４においては、図２と同様の構成要素については、同じ符号を付し、共通部分の詳細な説明を省略する。

上述した第１実施形態では、ＩＰＳ方式の電極構成を採用した反射型の液晶装置の例を説明したが、本実施形態では、ＩＰＳ技術をさらに改良した形のフリンジフィールド・スイッチング（Fringe-Field Switching, 以下、「ＦＦＳ」と略記する。）方式の電極構成を採用した透過型の液晶装置の例を説明する。
本実施形態の液晶装置１では、ＴＦＴアレイ基板１０において、絶縁層１２上に、ＩＴＯ等の透明導電膜からなる第１電極６０が形成され、画素スイッチング用のＴＦＴと電気的に接続されている。
また、第１電極６０上には、透光性材料からなる層間絶縁層１５が形成され、層間絶縁層１５上には、数１０００ｎｍ程度の膜厚を有するＩＴＯ等の透明導電膜からなり、図４において紙面を貫通する方向に延在する複数本の電極指７０ａを有する第２電極７０が形成されている。

本実施形態の液晶装置１では、ＴＦＴ基板１０に、第１電極６０の上方に層間絶縁層１５を介して第２電極７０を積層したＦＦＳ方式の電極構成を採用している。したがって、液晶は、の第１電極６０と第２電極７０とで発生する横電界Ｆによって駆動される。
なお、ＴＦＴアレイ基板１０に形成された偏光板１７の外側には透過表示用の光源たるバックライト４０が設けられている。
る。

そして、本実施形態では、画素電極（第２電極７０（７０ａ））−共通電極（第１電極６０）間の印加電圧が、赤色表示領域、緑色表示領域、青色表示領域について、それぞれ、異なる値となるように電圧を印加するような構成になっている。より詳しく説明すると、画素電極−共通電極間の印加電圧は、赤色表示領域、緑色表示領域、青色表示領域の順に小さくなるように構成されている。このような構成により、容易かつ確実に、赤色表示領域、緑色表示領域、青色表示領域における電場の大きさを異なるもの（より詳しくは、赤色表示領域、緑色表示領域、青色表示領域の順に電場の強さが弱くなるもの）とすることができる。また、各表示領域での画素電極−共通電極間距離をほぼ一定にすることができるため、液晶装置の製造が容易である。そして、各色の表示領域ごとに電場の大きさが異なるように設定することで、制御性がよくなり、光が干渉しあうことなく鮮明なカラー表示が可能になる。

透過型の液晶装置において、前記式（４）より、Δｎ・ｄ＝λ／２のときに、透過光強度Ｊは、最大になる。そこで、この液晶装置では、各表示領域ごとに、Δｎ・ｄ＝λ／２となるように電場の大きさを設定するのが好ましい。これにより、より明るい表示を実現することができる。
具体的には、例えば赤色表示領域では、λｒ＝６３０ｎｍとして、Δｎ・ｄ＝３１０ｎｍ程度であるのが好ましい。また、緑色表示領域では、λｇ＝５５０ｎｍとして、Δｎ・ｄ＝２７０ｎｍ程度であるのが好ましい。また、青色表示領域では、λｂ＝４５０ｎｍとして、Δｎ・ｄ＝２２０ｎｍ程度であるのが好ましい。

このような構成によれば、ＥＣＢ型の液晶装置において、各色の表示領域において鮮明な表示を安定して行うことができるとともに、透過光強度を特に大きいものとすることができる。また、光の利用効率を向上でき、表示が特に明るい構成とすることができる。また、コントラストの高い表示を得ることができる。さらに、特に優れた視認性を確保することができる。

なお、第２電極７０（７０ａ）−第１電極６０間の距離は、特に限定されないが、２〜８μｍであるのが好ましく、２〜５μｍであるのがより好ましく、１〜３μｍであるのがさらに好ましい。
以上説明したように、本発明の液晶装置では、電場を印加することにより異方性を示すいわゆる擬等方性液晶材料を用いるとともに、赤色表示領域、緑色表示領域、青色表示領域での電場の強さを好適に異なるものとすることができる。これにより、従来のＥＣＢ型の液晶装置が有する光利用効率や視野角依存の問題を解決することができる。

また、本発明の液晶装置では、擬等方性液晶材料を用いているので、製造において配向膜を形成したり、ラビング処理を施す必要が無くなる。これにより、液晶装置の生産性を向上することができ、コスト低下につながる。
また、上述した液晶装置１では横電界方式を採用しているので、どこから見ても視認性がよいという効果が得られる。

［電子機器］
以下、上記の実施形態の液晶装置を備えた電子機器の例について説明する。図５は、携帯電話の一例を示した斜視図である。図５において、符号１０００は携帯電話本体を示し、符号１００１は上記の液晶装置を用いた液晶表示部を示している。
図６は、腕時計型電子機器の一例を示した斜視図である。図６において、符号１１００は時計本体を示し、符号１１０１は上記の液晶装置を用いた液晶表示部を示している。

図７は、ワープロ、パソコン等の携帯型情報処理装置の一例を示した斜視図である。図７において、符号１２００は情報処理装置、符号１２０２はキーボード等の入力部、符号１２０４は情報処理装置本体、符号１２０６は上記の液晶装置を用いた液晶表示部を示している。
図５〜図７に示す電子機器は、上記実施形態の液晶装置を用いた液晶表示部を備えているので、視野角が広く、明るく表示品質に優れた表示部を備えた電子機器を実現することができる。

以上、本発明について、好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、前述した実施形態では、第１電極と画素スイッチング用のＴＦＴとが電気的に接続された構成を例に挙げたが、この構成に限らず、第２電極と画素スイッチング用のＴＦＴとが電気的に接続された構成としてもよい。

さらに、第１電極および第２電極、データ線、ゲート線等の各構成要素の形状、寸法、電極指の数等の具体的な記載に関しては、前記実施形態の例に限ることなく、適宜設計変更が可能である。
また、前述した実施形態では、液晶装置は、配向膜を有さないものとして説明したが、例えば、電極の液晶層と対向する面側に配向膜が設けられていてもよい。また、電極と液晶層との間には、電極と液晶材料との接触を防止するための層（パッシベーション膜）等が設けられていてもよい。上記のような構成にすることにより、液晶材料の耐久性を特に優れたものとすることができ、液晶装置全体としての信頼性が向上する。このような膜を構成する材料としては、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ、ＳｉＯ２等）等が挙げられる。

また、前述した実施形態では、液晶装置は、カラーフィルタを有さないものとして説明したが、カラーフィルタを有するものであってもよい。これによりＥＣＢ表示の色を、より純度の高いものとすることができる。このようにカラーフィルタを有する場合、その濃度（色の濃さ）が比較的低いものを用いたとしても、上記のような効果が十分に得られるため、光の利用効率を十分に高いものとすることができる。

また、前述した実施形態では、ＦＦＳ方式の電極構成として、第１電極上に絶縁層を介して第２電極を積層する構成を例に挙げて説明したが、この構成に限定されず、ＩＰＳと同様の層構成を用いて電極間距離をセルギャップ以下に接近させる構成を採用してもよい。
また、前述した実施形態では、ＩＰＳ方式の電極構成を有する反射型の液晶装置およびＦＦＳ方式の電極構成を有する透過型の液晶装置を例に挙げて説明したが、これらの構成に限定されず、例えば、ＩＰＳ方式の電極構成を有する透過型の液晶装置、ＦＦＳ方式の電極構成を有する反射型の液晶装置であってもよい。また、本発明は、例えば、ＶＡ（Virtical Alignment）方式の液晶装置等、他の方式の液晶装置に適用してもよい。また、本発明は、半透過型の液晶装置に適用してもよい。

＜液晶材料の作製＞
光重合性モノマーとして、非液晶性の２−エチルヘキシルアクリレート（２ＥＨＡ）（Aldrich社製）、ヘキシルアクリレート（ＨＡ）（Aldrich社製）、および１，３，３−トリメチルヘキシルアクリレート（ＴＭＨＡ）（Aldrich社製）、ならびに液晶性の６−（４'−シアノビフェニル−４−イルオキシ）ヘキシルアクリレート（６ＣＢＡ）を用いた。架橋剤として液晶性ジアクリレートモノマー（ＲＭ257）（Merck社製）、光重合開始剤として２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン（Aldrich社製）を用いた。低分子量液晶材料として、フッ素系ネマチック混合液晶ＪＣ−1041ＸＸ（７）（チッソ社製）およびシアノビフェニル系ネマチック液晶４−シアノ−４'−ペンチルビフェニル（５ＣＢ）（Aldrich社製）を等モルで混合したものを用い、カイラルドーパントとしてＺＬＩ−4572（９）（Merck社製）を用いた。

上記の構成成分を所定の組成で調製した混合溶液を等方相状態で無配向、セル厚１４μｍのサンドイッチ型セルに注入した。各サンプルが注入されたセルをクロスニコル下の偏光顕微鏡で観察し、既述した方法に従いＢＰが保持された状態であることを確認しながらメタルハライドランプから得られる照射強度１．５ｍＷ・ｃｍ^−２の紫外光を１時間以上照射することにより光重合を行った。

（実施例１）
上記で得られた擬等方性液晶材料を用いて、図２に示した液晶装置と同様の、ＩＰＳ方式の反射型液晶装置を作製した。
この際、液晶層の位相差はΔｎｄ＝λ／４に設定した。偏光板の吸収軸を透明電極の長手方向から４５°をなす方向とした。また、電極指幅は２μｍであり、赤色表示領域における電極間距離は２μｍとし、緑色表示領域における電極間距離は４μｍとし、青色表示領域における電極間距離は６μｍとした。
そして、この液晶装置に７．５Ｖの電圧を印加して、所定パターンのカラー画像の表示を行った。その結果、高コントラストで、鮮明なカラー画像を表示することができた。

（実施例２）
上記で得られた擬等方性液晶材料を用いて、図４に示した液晶装置と同様の、ＦＦＳ方式の透過型液晶装置を作製した。
この際、液晶層の位相差はΔｎｄ＝λ／２に設定した。偏光板の吸収軸を透明電極の長手方向に平行に設置した。位相差板は、長手方向から１５°に設置した。また、電極指幅は２μｍであり、赤色表示領域、緑色表示領域、青色表示領域における電極間距離は、いずれも、３μｍとした。
そして、この液晶装置において、表示すべき赤色表示領域に６Ｖ、緑色表示領域に４Ｖ、青色表示領域に３Ｖの電圧を印加して、所定パターンのカラー画像の表示を行った。その結果、高コントラストで、鮮明なカラー画像を表示することができた。

（比較例１）
液晶材料として、誘電異方性正のネマティック液晶を用いた以外は、前記実施例１と同様にして、液晶装置を製造した。
そして、この液晶装置において、前記実施例１と同様にして、所定パターンのカラー画像の表示を試みた。その結果、得られた画像には、いわゆるにじみを生じており、鮮明なカラー画像を表示することができなかった。

（比較例２）
電極間距離（隣接する第１電極の電極指と第２電極の電極指間の距離）を、３原色に対応する各色の表示領域（赤色表示領域、緑色表示領域、青色表示領域）で一定となるようにし、各色の表示領域に、それぞれに対応するカラーフィルタを設けた以外は、前記比較例１と同様にして液晶装置を製造した。各色の表示領域における電極間距離（隣接する第１電極の電極指と第２電極の電極指間の距離）は、いずれも、３μｍであった。
そして、この液晶装置において、印加電圧を３０Ｖとした以外は、前記実施例１と同様にして、所定パターンのカラー画像の表示を試みた。その結果、得られた画像は、極めて暗く、十分なコントラストが得られなかった。

本発明の液晶装置の電極構成の一例を模式的に示す平面図である。本発明の液晶装置の一例を模式的に示す平面図および断面図である。擬等方性液晶材料の分子構造を模式的に示す図である。本発明の液晶装置の他の一例を模式的に示す平面図および断面図である。本発明の液晶装置を備えた電子機器の一例を示す図である。本発明の液晶装置を備えた電子機器の他の一例を示す図である。本発明の液晶装置を備えた電子機器の他の一例を示す図である。

符号の説明

１…液晶装置１０…ＴＦＴアレイ基板２…データ線３…ゲート線４…ゲート電極５…ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）６、６０…第１電極６ａ…電極指（画素電極）７、７０…第２電極７ａ、７０ａ…電極指（共通電極）７ｂ…共通電極線１１…基板本体１２…絶縁層１３…反射膜１２ａ…凹凸形状１４…樹脂層１５…層間絶縁層１６…位相差板１７…偏光板２０…対向基板２１…基板本体２４…位相差板２５…偏光板３０…液晶層４０…バックライトＢＭ…ブラックマトリクスＦ…電場１０００…携帯電話本体１００１…液晶表示部１１００…時計本体１１０１…液晶表示部１２００…情報処理装置１２０２…入力部１２０４…情報処理装置本体１２０６…液晶表示部

Claims

第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた液晶層と、表示領域をそれぞれ有する複数の画素と、を備える液晶装置であって、
前記各画素には第１の電極と第２の電極とが形成され、
前記第１の電極および前記第２の電極は前記第１の基板に設けられており、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより前記第１の基板の面内方向の電場を生じさせるものであり、
前記液晶層は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が印加されるときは光学的に非等方性であり、前記電圧が印加されないときは光学的に等方性であり、かつ、前記電場の強さにより屈折率異方性が変化する材料を含んで形成され、
前記複数の画素として、赤色の表示を行う赤色画素と、緑色の表示を行う緑色画素と、青色の表示を行う青色画素とを備えており、
前記赤色画素、前記緑色画素および前記青色画素は、それぞれの前記液晶層での前記屈折率異方性を互いに異なるものとすることにより、カラーフィルタを用いることなく、互いに異なる表示色を呈するものであり、
前記赤色画素での第１の電極と第２の電極との距離Ｌｒ、前記緑色画素での第１の電極と第２の電極との距離Ｌｇ、および、前記青色画素での第１の電極と第２の電極との距離Ｌｂは、Ｌｂ＞Ｌｇ＞Ｌｒの関係を満足し、
前記液晶層に含まれる前記材料は、低分子量液晶材料と、非液晶性のモノマーが重合することにより形成され、前記低分子量液晶材料の構成分子間に形成された高分子ネットワークとを含む複合系液晶組成物で構成されたものであり、
前記非液晶性のモノマーが、側鎖としてアルキル基を有する枝分かれ構造のアクリレート系モノマーであることを特徴とする液晶装置。
前記非液晶性のモノマーが、２−エチルヘキシルアクリレート、または、１，３，３−トリメチルヘキシルアクリレートである請求項１に記載の液晶装置。
請求項１または２に記載の液晶装置を備えたことを特徴とする電子機器。