CN1106932A

CN1106932A - 液晶显示装置及其制造方法

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Publication number: CN1106932A
Application number: CN94109589A
Authority: CN
Inventors: 山元良高; 田川晶; 石井裕; 向殿充浩; 四宫时彦
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1994-08-26
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2014-08-26
Also published as: TW338173B; CN1052079C; US5617229A; KR0171232B1; JPH0764051A; KR950006505A

Abstract

一种液晶显示装置，包括：在一表面上具有单晶硅层的第一基板；位于该第一基板对面的透明第二基板，该具有单晶硅层的第一基板的表面面对该第二基板，其间夹持有铁电液晶层；以及形成在单晶硅层中的复数电路元件，该复数电路元件与形成在面对铁电液晶层的第一基板上的复数像素区域的每一区域呈对应关系。

Description

本发明涉及一种液晶显示装置。具体而言，本发明涉及一种高清晰度、高亮度的场序制彩色液晶显示装置以及该装置的驱动方法。

液晶显示装置（以下简称LCD），因其具有与阴极射线管（以下简称CRT）匹敌的优良显示性能，薄型轻量节约空间，以及耗电量低等其它有用的特征，已广泛应用于从计算机到携带式电视机（以下简称TV）等商业领域。尽管液晶显示装置还存在需要解决的问题，尤其是应答时间和可视性的问题，但因LCD是可望在不久的将来取代CRT的可靠的显示装置，故已对LCD技术进行了各种改良。在这些改良中，对彩色LCD技术的改良涉及各种显示性能，在该技术的发展中占有重要位置。

彩色显示的原理基于称作"加色混合法（additive color mixing process）"的方法。当两种以上颜色的光束进入到人眼时，这些光束结合在视网膜上，从而看见各种颜色。根据这一原理，可以将R（红），G（绿）以及B（蓝）三原色以适当的比例进行加色混合，得到任意的色彩。实际的显示装置中的彩色显示，是采用基于该加色混合法的原理的两种制式中的一种而实现的。

一种是利用"并列加色混合法"原理的国家电视体制委员会（NTSC，美国）制式。在该制式中，微小的滤色器互相接近，以矩阵状态，排列在单板显示板的显示区域中。这些滤色器的面积比人眼的空间分辨限度要小，故微小色点的集合，作为一种颜色能为人眼所见。因NTSC制式也适合于单色电视，故目前是彩色TV的标准制式。但是，根据这种"并列加色混合法"，除非像素的尺寸比人眼的空间分辨限定小，否则，所看到的将是R、G和B三原色，即分离的颜色。因此，当将并列加色混合法用于将显示的图象扩大投影的投影LCD上时，将存在图象质量下降的问题。

另一种制式是利用"同时加色混合法"的制式。为使该制式适用于彩色LCD，须将R、G和B三片滤色器与三块LCD板组合，并将三种颜色同时投影到屏幕，在屏幕上，彩色图象重叠，合并成一个彩色图象。这种制式能够解消并列加色混合法中所需微小滤色器之制造上的困难。但是，只要三块LCD板中的任何一块存在缺陷，R、G和B颜色中的一种或其混合颜色，将作为亮点，出现在受影响的像素部位，由此使缺陷变得瞩目。此外，三块LCD板的使用，将导致显示系统的大型化，并使成本增高。

彩色LCD具有上述不足。在要求克服这些不足之外，为使作为下一代可见媒介的高清晰度TV的实现，对提高彩色LCD的分辨度和亮度的要求正在不断增加。

高分辨度和高亮度是互相抵触的特性。一方面，为提高分辨度而增加像素的密度，将增加开关元件区域对像素区域的比例，从而使孔径比下降，导致亮度下降。相反，如果增加孔径比，必然会使像素区域增加，导致分辨度降低。今天，虽然NTSC制式仍然是彩色电视的标准制式，但是，为克服上述问题，基于以下所述理由，场序彩色制式，作为一种彩色制式，已经到了重新引起人们注意的时候。场序彩色制式，在高分辨度和高亮度特性上，具有以下优点。

（1）该场序制式利用称为"连续加色混合法"的原理。这种制式利用人眼在时间畴上的分辨力的限度。具体而言，这种制式利用当连续彩色变化太快，人眼不能分辨这种变化时，前一种颜色的残影将与后一种颜色的混合，这些混合颜色将作为一种颜色而出现在人眼的现象。与同时加色混合法一样，可以在各像素中得到任何所需颜色，所以，通过该该制式能够获得高度的图象清晰度，并提供优良的彩色再现性。最初的彩色TV标准制式采用了这种场序制式。

（2）如果在LCD板中存在欠缺像素，受损的像素将变成黑或白，而不象彩色亮点那样引人注目。因此，一定程度的像素欠缺的存在，不会导致图象质量的下降。

（3）可以用单一LCD板，显示全色或多色图象，由此可降低显示系统的尺寸和重量。因不需要一块以上的LCD板，故不会增加成本。而同时加色混合法，则需要一块以上的LCD板。

以下，将对基于这种场序制式的彩色技术进行说明。图19显示能用于调整连续切换彩色的滤色板。在该图中，青色滤色器29C，品红滤色器29M，以及黄色滤色器29Y依次重叠成一整体。

青色滤色器29C含有一对透明基板20和21，在该基板20与21对面的整个表面上形成有透明电极（图中未显示），且含有液晶和青色二向色性染料的液晶层22，夹持在两基板20和21之间。

品红滤色器29M含有一对透明基板23和24，在该基板23与24对面的整个表面上形成有透明电极（图中未显示），且含有液晶和品红二向色性染料的液晶层25，夹持在两基板23和24之间。

黄色滤色器29Y含有一对透明基板26和27，在该基板26与27对面的整个表面上形成有透明电极（图中未显示），且含有液晶和黄色二向色性染料的液晶层28，夹持在两基板26和27之间。

青色滤色器29C，品红滤色器29M，以及黄色滤色器29Y，从AC电源31，经各自的开关电路30C，30M以及30Y，各自供有AC电压。根据来自显示控制电路16的选择信号，开关电路30C，30M，以及30Y，有选择地向青色滤色器29C，品红滤色器29M，以及黄色滤色器29Y供应AC电压，以驱动各滤色器。

通过这种方式，控制各滤色器的开与关状态，产生三原色的光束，即红色光束，绿色光束，以及蓝色光束。表1表示，滤色器开或者关的组合状态与所产生的入射光束颜色的关系。

表1

组合状态			入射光的颜色
				29C	29M	29Y
开	关	关					红色
			关	开	关	绿色
关	关	开					蓝色

以下，对使用上述滤色器的场序彩色制式的动作进行详细说明。图20显示一种时间选择图，用以说明光束选择元件15的基本动作。如图所示，在时间t1至时间t3的周期中，向青色滤色器29C施加电压。电压施加后，液晶的定向并不立即变化，需要经过一定的过渡周期τ。该过滤周期τ与液晶分子对所施加的电场的应答时间相对应。因此，即使在时间t1开始施加电压，青色滤色器29C中的液晶，不会应答这一电压，立即改变定向，并且变化后的定向，直到时间t2，即，直到过渡周期τ经过后才会安定下来。结果，在开始于时间t2，持续到时间t3的周期TR中，光束选择元件15将透过红色光束。

以同样的方式，将电压依次施加到品红滤色器29M，黄色滤色器29Y，以及青色滤色器29C时，光束选择元件15将透过绿色光束，蓝色光束，以及红色光束。

光束选择元件并不局限于已说明的结构。应该认识到，还存在能够产生所需的彩色的其它可能的结构。例如，可以使用包括含有红、蓝和绿二向色染料的三种类的液晶的结构，包括与彩色偏光板组合的液晶板的结构，或者包括与中性偏光板组合的液晶板的结构。

以上，对基于场序制式的彩色技术作了说明。如上所述，根据场序制式，可以获得小型、轻量，具有优良的图象显示质量，以及高分辨度，高亮度的彩色LCD。

然而，在LCD上实现基于场序制式的彩色显示，需要满足下列要求。

（1）增加LCD的应答速度和信号保持的稳定性。

（2）增加开关元件的动作速度。

以下，首先对（1）增加LCD的应答速度和信号保持的稳定性进行说明。图21显示常规液晶驱动电路的等效电路，用于在由薄膜晶体管（以下简称TFT）构成的主动矩阵型液晶显示装置中的各单位像素。所示的驱动电路包括TFT103，像素电极107，液晶电容器LC，反电极108，以及附加电容器Cs。TFT103具有，连接扫描线101的门电极104，连接数据线102的源电极105，以及连接像素电极107和附加电容器Cs的漏电极106。将与被显示图象相当的数据信号供向数据线102，当通过向相关的扫描线101供应扫描信号而选择像素时，该数据信号被写入像素。具体而言，当扫描信号供向扫描线101时，连接扫描线101的TFT103呈开通状态，以便有选择地驱动像素电极107。将电压供向被选择的像素电极107和反电极103之间时，数据信号将作为电荷，写入两电极107和03之间的液晶电容器LC，以及附加电容器Cs。

在具有上述液晶驱动电路的显示装置中，如果最小画面切换频率（在该频率，画面的浮现不为人眼所察觉）为30Hz以上，为了按照场序彩色制式获得全色显示，R、G和B的原色图象必须在1/30秒内，即一个画面周期内依次显示。通过利用人眼的残像将这三种图象合成，其结果，可以看到全色图象。具体而言，如果显示频率为30Hz，R、G和B的原色图象必须各以90Hz的频率进行显示，这意味着LCD必须在大约11毫秒内显示各色图象。LCD必须能够在该周期内显示高质量的图象。这也意味着，存储的数据信号必须在11毫秒的周期内保持稳定状态。此外，为了显示用于高清晰度系统（High-Vision system）的1125根扫描线，需要有非常快的应答速度。换言之，必须在大约10微秒内，将扫描信号供给每一扫描线。

以下，对（2）场序彩色制式的液晶驱动电路所需的开关元件的动作速度进行说明。

为了获得用于通常高清晰度播放的图象，需要1125根扫描线和1875根数据线。在该场合，驱动扫描线的驱动电路所需开关元件的动作速度大约为102KHz，驱动数据线的驱动电路所需动作速度大约为190MHz以上。

因此，场序制式的彩色显示的实现，需要非常快的开关元件。

以下，对实现这种调整切换动作所需开关元件的材料进行说明。

液晶显示装置通常采用玻璃基板。在主动矩阵型LCD中，开关元件，例如TFT，设置在这种玻璃基板上。TFT的特性取决于用来形成该TFT的薄膜的种类。一般，可以将用于薄膜的材料分类成以下三种类型中的一种。

（1）非晶硅

（2）低温多晶硅

（3）高温多晶硅

以下，对由各种材料形成的薄膜进行说明。

（1）因为非晶硅薄膜能够在相对较低的温度（大约350℃）形成，这些薄膜可以设置在低价玻璃基板上，例如，用Corning公司的Corning 7059制成的基板。但是，通常的低价玻璃不能承受600℃以上的温度。因此，在由这种玻璃制成的基板上，不可能形成具有高绝缘强度以及对针孔的发生具有高低抗作用的热氧化膜。此外，在非晶硅薄膜中，存在许多捕获状态。例如，非晶硅薄膜的场效应迁移率μe为大约0.1至0.5cm²V^-1S^-1。所以，形成在低价玻璃基板上的非晶型TFT具有大的开（ON）阻抗，这意味着，驱动电路等需要复杂和高性能的晶体管的电路，不可能作为显示部形成在相同的基板上。

（2）低温多晶硅是经长时间退火或激光退火处理结晶而成。其最大加工温度为550至600℃。因多晶硅TFT的形成温度比非晶硅高，多晶硅TFT一般具有良好的晶体管性能。换言之，其场效应迁移率μe（电子迁移率）大约为50cm²V^-1S^-1，且μh（空穴迁移率）大约为15cm²V^-1S^-1。

（3）当将高温多晶硅形成在具有优良耐热性能的石英基板上时，因其能够在高至1200℃的温度下加工，故在三种类的TFT之中，用高温多晶硅制成的TFT性能。最佳。可以获得的场效应迁移率μe，大约为100cm²V^-1S^-1。因能够获得性能优于非晶硅TFT的TFT，多晶硅薄膜具有以下优点：IC制作过程可以用于薄膜制作过程，以及一部分的驱动电路可以作为显示部形成在相同的玻璃基板上。

但是，用多晶硅制成的晶体管（用非晶硅制成的晶体管更不待说），其动作速度缓慢。例如，当在TFT制成的CMOS移位寄存器上测定最大动作频率时，其结果是，低温多晶硅一般为5MHz，即使是高温多晶硅也只有15MHz。这些动作速度低于采用场序制式的彩色LCD所需的动作速度。因此，迫切需要一种具有高度动作速度的TFT。此外，因TFT具有相对较大的漏电流，故必须加大TFT的尺寸，以提供较大的开/关比，或者必须将TFT串联连接。其结果，使LCD的小型化变得困难。

本发明的液晶显示装置包括：在一表面上具有单晶硅层的第一基板;位于该第一基板对面的透明第二基板，该具有单晶硅层的第一基板的表面面对该第二基板，其间夹持有铁电液晶层;以及形成在单晶硅层中的复数电路元件，该复数电路元件与形成在面对铁电液晶层的第一基板上的复数像素区域的每一区域呈对应关系。

在本发明一种实施例中，该铁电液晶层包括手性近晶相的铁电液晶层，该手性近晶相的螺旋性结构具有比第一和第二基板之间的间隙小的间隔（pitch），藉此抑制该螺旋形构造。

在本发明另一实施例中，在面对该铁电液晶层的第一和第二基板的至少一表面上，形成有有机高分子制成的定向膜，该定向膜施有摩擦处理。

在本发明另一实施例中，定向膜形成在第一和第二基板之上，并且仅对形成在第二基板上的定向膜进行摩擦处理。

在本发明另一实施例中，在不施加电压时，该铁电液晶层只有一种稳定的定向状态。

在本发明另一实施例中，定向膜形成在第一和第二基板上，形成在第一基板上的定向膜材料与形成在第二基板上的定向膜不同。

在本发明另一实施例中，用不同的定向处理条件，处理形成在第一基板上的定向膜和形成在第二基板上的定向膜。

根据本发明另一实施方案，是提供一种驱动液晶显示装置的方法。该液晶显示装置包括：在一表面上具有单晶硅层的第一基板，位于该第一基板对面的透明第二基板，该具有单晶硅层的第一基板的表面面对该第二基板，其间夹持有铁电液晶层，形成在单晶硅层中的复数电路元件，该复数电路元件与形成在面对铁电液晶层的第一基板上的复数像素区域的每一区域呈对应关系，以及连接电路元件的电源。在该驱动方法中，通过经由该电路元件施加来自电源的电场，使该铁电液晶层处于一种存储状态，并将灰度显示信号施加到该铁电液晶层，同时改变该信号的能级，从而进行灰度显示。

在本发明另一实施例中，扫描一完整的图象，以供显示的时间在11毫秒以内。

根据本发明另一实施方案，是提供一种驱动液晶显示装置的方法。该液晶显示装置包括：

在一表面上具有单晶硅层的第一基板，

位于该第一基板对面的透明第二基板，该具有单晶硅层的第一基板的表面面对该第二基板，其间夹持有铁电液晶层，

形成在该单晶硅层中的矩阵状扫描线和信号线，

形成在矩阵状复数像素区域的各区域中的单晶硅层中的第一开关元件，第二开关元件，以及存储电容器，

设置在保护膜上的像素电极，该保护膜形成在第一基板的单晶硅层的整个表面上，并复盖扫描线与信号线、第一开关元件、第二开关元件、以及存储电容器，在复数像素区域的各区域中，设有像素电极，第一开关元件与扫描线、信号线、以及该存储电容器的一电极，还有第二开关元件相连，且第二开关元件与存储电容器的一电极以及像素电极相连，以及

设置在面对第一基板的第二基板表面上的透明反电极。

在该液晶显示装置的驱动方法，当将扫描信号通过扫描线施加到第一开关元件，使第一开关元件开通时，数据信号将通过第一开关元件施加到第二开关元件，使第二开关元件开通，由此，将电压施加到连接第二开关元件的像素电极和相对于该像素电极的透明反电极之间的铁电液晶层的区域，使该区域持有一定的电位，同时将数据信号保持在存储电容器中，以及

在第一开关元件关闭期间中，用在第一开关元件开通期间保持在存储电容器中的数据信号，使第二开关元件开通，由此，将来自电源的电压供向像素电极和透明反电极之间的铁电液晶，以使该铁电液晶层持有与第一开关元件呈开通状态时实质上相同的电位。

因此，本说明书记载的发明具有以下优点：（1）提供一种采用场序制式的彩色液晶显示装置，和（2）提供一种驱动该装置的方法。

当熟悉本领域的技术人员阅读和理解以下详细的说明和参考附图后，本发明的上述优点和其它优点将显而易见。

图1A至1E是铁电液晶分子的双稳定状态示意图。

图2A、2B和2C是用于说明铁电液晶显示装置中的灰度显示原理的图。

图3是显示施加到铁电液晶的电压与输出电压（透光率）的关系图。

图4是显示施加到铁电液晶的电压与透光率的关系图。

图5是显示施加到铁电液晶的电压与透光率的关系图。

图6是显示施加到铁电液晶的电压与透光率的关系图。

图7是显示施加到铁电液晶的电压与透光率的关系图。

图8是显示施加到铁电液晶的电压与透光率的关系图。

图9是显示施加到铁电液晶的电压与透光率的关系图。

图10是显示施加到铁电液晶的电压与透光率的关系图。

图11是显示施加到铁电液晶的电压与透光率的关系图。

图12是显示施加到铁电液晶的电压与透光率的关系图。

图13A和13B是显示各自施加到铁电液晶的单稳定状态和双稳定状态的电压与透光强度的关系图。

图14是显示施加到铁电液晶的电压与应答速度的关系图。

图15是显示施加到铁电液晶的电压与应答速度的关系图。

图16是显示施加到铁电液晶的电压与应答速度的关系图。

图17A和17B是本发明实施例的液晶显示装置中的单位像素区域的剖面图和平面图。

图18是用于本发明液晶显示装置中的单位像素的液晶驱动电路的等效电路图。

图19是显示高速彩色连续切换用滤色器的图。

图20是彩色快门的基本动作的时间选择图。

图21是现有技术中，用于主动矩阵型液晶显示装置的驱动电路的等效电路图。

以下，通过实施例并参照附图和表，对本发明进行说明。

根据本发明的液晶显示装置，因使用铁电液晶作为液晶材料，故可以获得高速应答性能。此外，本发明的铁电液晶显示装置，采用透光率在稳定的状态随施加电压连续变化的显示方式，故使得灰度显示成为可能。

因采用单晶硅基板作为基础基板，且开关晶体管形成在单晶硅层中，故该开关晶体管具有大的电流-驱动容量，小的尺寸，并有可能实现高速切换动作。

因单晶硅层能增加电路元件的装载密度，根据本发明，在每一单位像素区域内，可以设置两个晶体管和一个存储电容器。第一晶体管连接于扫描线和信号线。第一晶体管的漏极连接于存储电容器的一各电极以及第二晶体管。存储电容器的另一电极接地。第二晶体管还连接于电源和像素电极。

第一晶体管将数据信号供向第二晶体管。存储电容器具有存储来自第一晶体管的数据信号的功能。当第一晶体管接通时，第二晶体管是用于从电源将数据信号供向液晶的开关晶体管。该第二晶体管根据存储在存储电容器中数据信号，将电压连续供向第一晶体管关闭后的液晶，直到第一晶体管再次接通为止。

铁电液晶具有自发极化性能，当施加电压时，过渡电流将因液晶的分子定向变化而流动。作为将数据写入扫描线所需的时间，如果在1/30秒内对1125根扫描线进行扫描，为实现场序彩色制式，一根扫描线所允许的写入时间大约为10微秒。铁电液晶的分子定向变化需要数十微秒时间，这意味着过渡电流将流经长于该写入时间的期间。根据本发明的上述结构，因为在一个场周期中，是按照存储在存储电容器中的数据信号向液晶施加电压的，故该过渡电流不会影响液晶的电位。

实施例

以下，对本发明的一实施例进行说明。在LCD的应用上，特别是在要求清晰显示的场合，在每一像素位置，使用具有开关晶体管的主动矩阵型LCD。用于主动矩阵型LCD的典型显示方式是扭曲向列方式（以下简称TN方式）。在该TN方式，液晶单元中的液晶分子在初期扭曲大约90°，液晶单元设置在一对偏光板之间，利用该单元的光学性质，即，电场不存在时的旋光特性，以及电场存在时的旋光消除特性，而进行显示。

场效应向列液晶显示装置利用液晶分子的介电各向异性，而铁电液晶显示装置则利用铁电液晶分子具有自发极化的特性，以及铁电液晶分子以自发极化的极性与施加电场的极性相对称的方式进行开关的特性，而进行显示。使用铁电液晶的显示装置，例如，开示于N.A.Clark和S.T.Lagerwall，Appl.Phys.Lett.，36，899（1980），日本公开专利公报第56-107216号，以及美国专利第4，367，924号。图1A至1E是显示铁电液晶层中的自发极化状态，以及相关的光电效果的示意图。如图1A所示，铁电液晶层中的液晶分子定向成螺旋形结构。当铁电液晶填入厚度小于螺旋间隔的单元时，该螺旋形构造受到抑制，形成两种稳定状态。为抑制该螺旋形构造，得到具有双稳定状态的铁电液晶单元，日本公开专利公报第56-107216号和美国专利4，367，924开示了使螺旋间隔大于单元的厚度，抑制螺旋形构造的方法。这些方法利用液晶分子倾向于与基板界面平行的强性质。这种铁电液晶单元被称为表面安定铁电液晶单元（SSFLC单元）。在图1B，参照符号900表示近晶层的法线方向，参照符号901表示铁电液晶分子的长轴方向（定向方向）。900和901之间的角为该液晶分子的倾斜角θ。如图1C所示，将电场施向铁电液晶，该铁电液晶分子的自发极化能够定向在电场的方向。如图1D所示，改变施加电场的极性，液晶分子的定向状态能够从一种状态转向另一种状态。如图1E所示，即使在施加电压除去后，各状态中分子轴的定向方向将能继续维持。此为存储效果，是铁电液晶所显示的光电效果的一种。

两种状态间的切换将改变单元中铁电液晶层的双折射性。因此，通过将铁电液晶单元夹持在两偏光板之间，可以对透过的光线进行控制。因液晶的自发极化与电场直接作用，得到切换动作，故可以获得非常快的、微秒级的应答时间。在本实施例，使用手性近晶C相的铁电液晶，以获得场序制式的快速应答彩色LCD。

如上所述，因常规的使用铁电液晶材料的显示装置只能在两种状态之间切换，不能用这种装置实现灰度显示。至今为止，人们普遍认为，不可能获得介于这两种稳定状态之间的中间状态。

然而，最近发现，可以根据施加到铁电液晶的电场条件，获得中间状态。具体而言，使用AC波形的电压，改变其峰值，生成中间状态，从而获得灰度显示。以下参照图2，对该灰度显示的原理作进一步详细说明。

图2A显示，在铁电液晶中，存储角与施加电场存在时之倾斜角的关系。在该图中，参照符号900表示近晶层的法线方向，901和901′表示无电场施加时，双稳定状态中铁电液晶分子的长轴的定向方向。存储角θm和θm′，定义为铁电液晶分子的长轴方向901和901′与近晶层的法线900之间的角度。图中的参照符号902和902′各表示在正与负方向施加足够的电压时，铁电液晶分子的表观长轴方向，902或902′与900之间的角度为倾斜角θ和θ′。如图所示，存储角θm和θm′通常小于将足够的电场施加到铁电液晶分子时所得的倾斜角θ和θ′。当将电压施加到铁电液晶分子时，该液晶分子根据施加电压的极性，转向图的右侧或左侧。当施加足够大的电压时，该液晶分子将全部转向902（或902′）的位置，而施加较小的电压时，该液晶分子的转向角将停留在902（902′）和900之间的一定位置上。

此外，如图2B所示，当铁电液晶层夹持在两块偏光板之间，一稳定状态的长轴方向901与一偏光板的偏光轴951平行，而与另一偏光板的偏光轴952垂直时，可以获得中间状态。藉此，可以得到灰度显示。

以下，对铁电液晶显示装置的产生灰度显示的实施例进行说明。

实施例1

首先，用一对玻璃基板作液晶单元的基板，且将导电ITO膜设置在各基板的表面上并组成图案。

接着，将绝缘膜形成在各基板的整个表面上，使其复盖导电膜。

然后，用离心涂布法（spin coating），将聚酰亚胺PSI-A-2001（Chisso公司制）涂布在绝缘膜的整个表面上，然后进行摩擦处理。将这一对玻璃基板设置在相反的位置，使其聚酰亚胺膜互相面朝内侧，并使其摩擦方向互相平行，并将这一对基板固定在一起，以获得2μm的单元厚度。

最后，将铁电液晶混合物1真空注入该空单元，形成铁电液晶单元。该铁电液晶混合物的物理性质列示于表2。

表2

通过施加电场，使该铁电液晶处于存储状态后，将两块偏光板设置成交叉尼科尔状态。使一偏光轴与该铁电液晶层的消光方向平行。在该势态下，在施加60Hz的矩形波的同时，于25℃对透过光的强度进行测定。测定结果表示于图3。从该图可以看到，透光率随电压的上升而持续增大。可以用这一特性获得连续的浓度。因施加到液晶的电压平衡于正负极性之间，故不存在可靠性方面的问题。

实施例2

然后，用离心涂布法（spin coating），将尼龙66涂布在绝缘膜的整个表面上，然后进行摩擦处理。将这一对玻璃基板设置在相反的位置，使其尼龙膜互相面朝内侧，并将这一对基板固定在一起，以获得1.2μm的单元厚度。

最后，将铁电液晶混合物FLC-6430（Hoffman-LaRoche）真空注入该空单元，形成铁电液晶单元。该铁电液晶混合物的物理性质列示于表3。

表3

FLC-6430的物理性质

自发极化量 90nC/cm²

螺旋形间隔 0.43μm

倾斜角 θ 27°

存储角2 θ 46°

将该铁电液晶单元置于偏光显微镜下，在施加60Hz的矩形波的同时，于20.5℃对透过光的强度进行测定。测定结果表示于图4。从该图可以看到，透光率随电压的上升而持续增大。

实施例3

在实施例3，除上述实施例1和2之外，还制作了各种其它铁电液晶单元，并就各铁电液晶单元的施加电压与透光率之间，以及施加电压与应答速度之间的关系进行了调查。各单元的两侧，均采用玻璃基板，ITO膜形成在各基板相反的表面上并组成图案。此外，绝缘膜和定向膜依次形成在各基板相反表面的ITO膜上，并复盖该ITO膜。在一些单元上没有形成这种膜。其它试验条件和试验结果，例如透光率和应答特性表示在表4。表中，"O"表示有绝缘膜，"X"表示没有绝缘膜。

表4

表5给出了6种化合物（化合物1至6）的结构和相转变温度，这些化合物构成液晶混合物2至4。

表5

表6给出了用表5所示的化合物1至6的重量百分比所表示的混合物2至4的组成，以及混合物2至4的相转变温度。

表6

混合物No.	化合物（wt%)						转变温度（℃）
								1	2	3	4	5	6	K Sc S_A N I
	混合物2混合物3混合物4	24.524.522.5	24.524.522.5	24.524.522.5	24.524.522.5	2.0	2.010.0								·＜RT · 66 · 81 · 86··＜RT · 69 · 81 · 87··＜RT · 67 · 79 · 85·

表7给出了混合物2至4的自发极化量，倾斜角，存储角，以及应答时间。

表7

混合物No.	自发极化（nC/cm²)	倾斜角θ(°)	存储角2θ(°)	应答时间(μsec)
					混合物2混合物3混合物4	-1.5＜0.51.1	242324	231920	170147172

表8给出了构成混合物5的化合物的种类，以及这些化合物的重量百分比，相转变温度和自发极化量。

表8

混合物No.	化合物，（wt%)	转变温度（℃）	自发极化(nC/cm²)
				SCE-13R SCE-13(Merck)(Merck)	K Sc S_A N I
	混合物5	90.0 10.0				·＜RT · 60 · 87 · 105·	0.7

将60Hz的矩形波施加到各单元，对透光率进行测定。结果显示于图5至12。从各图可以看到，透光率随施加电压而连续变化。本发明以这种方式，可以在用显示铁电性的液晶材料构成的液晶单元上，获得连续的灰度。

众所周知，铁电液晶中存在两种稳定状态，一种是上面已介绍的双稳定方式，另一种是下面将要介绍的单稳定方式。上述连续灰度的产生，可以在双稳定和单稳定两种方式中获得。但是，当将双稳定装置与单稳定装置进行比较时，显示单稳定型装置比双稳定型装置具有更稳定的特性。其原因如下。

在铁电液晶显示装置上使用偏光板的场合，该偏光板的偏光轴与无电压施加时的稳定状态中的液晶分子的定向方向一致。单稳定装置和双稳定装置两者均是如此。对与双稳定装置而言，偏光轴与两种稳定状态中更稳定侧的分子定向一致。但是，在双稳定装置的场合，存在以下问题。

（1）当该装置长时间不施加电压时，液晶层中将出现倾向于转移到另一稳定状态的区域。这将使显示中最暗的区域逐渐变亮，导致显示不稳定。

（2）因存在两种稳定状态，当施加电场除去时，透光率将因分子所返回的稳定状态的不同而不同。

上述问题点（1），对于被设计成连续更新显示的本发明的液晶显示装置而言，不是大问题。而上述问题点（2）将会带来严重问题。以下，对该问题作进一步详细说明。

在由铁点液晶构成的本发明的液晶显示装置中，当将显示从图象显示状态的最亮状态切换到最暗状态（或从最暗状态至最亮状态）时，施加到液晶的电压设定在OV。

在双稳定装置的场合，当施加到液晶的电压变成OV时，液晶分子将转向图2A和2B所示的两种稳定状态901和901′中的一种状态。此时，如果液晶转向稳定状态901′，将得到所需的最暗状态。另一方面，如果液晶转向状态901，尽管需要最暗状态，但显示将转向最亮状态。当电压变成OV时，液晶层中的分子定向是转向901还是转向901′，将取决于电压变成OV跟前施加到液晶的电压的极性和大小。

另一方面，在单稳定装置的场合，如图2C所示，分子定向只有一种稳定状态903。换言之，当施加到液晶的电压变成OV时，液晶分子只能获得唯一的稳定状态903。因此，偏光板的偏光方向只能与903的方向平行。

图13A和13B，各显示单稳定和双稳定装置的透光强度对施加电压的变化。在单稳定装置，如图13A所示，当施加电压变成OV时，均将能获得最暗状态，而不论眼前施加电压的正负极性如何。

另一方面，对于双稳定装置，如图13B所示，在施加负电压后将施加电压设定在OV时，可以获得最暗状态，而在施加正电压后将施加电压设定在OV时，将得不到最暗状态。这是由于当跟前电压为负电压时，液晶分子定向在图2B的901′方向（与偏光板的偏光方向951一致），而当跟前电压为正电压时，液晶分子将定向在图2B的901方向，因此，液晶分子的定向方向将与偏光板的偏光方向951不一致。因该原因，单稳定型在实用上比双稳定型有利。

参照表4中铁电液晶分子的存储效果的栏目（该表将上述实施例的试验条件和结果归纳在一起），可以发现，在任一单稳定装置中，两基板可以根据摩擦处理或根据各基板上绝缘膜的有无，而设置成互不对称。例如，对于第2和第3单元而言，仅一基板施有摩擦处理，而对于第4单元而言，两基板均施有摩擦处理，其摩擦方向互相逆平行。对于第8和第11单元而言，仅在一块基板上设有绝缘膜。第10单元，仅在一块基板上施有摩擦处理，并且，绝缘膜仅形成在一块基板上。因此，本申请的发明人通过试验确认，两基板之间定向处理的不对称性或者绝缘膜形成的不对称性，对于单稳定铁电液晶的获得是有效的。

应指出的是，在本发明的铁电液晶显示装置的制作中，除摩擦处理之外，斜向蒸发（oblique evaporation）也是一种有效的定向处理技术。

在为获得铁电液晶层的单稳定状态，而仅对一块基板进行摩擦处理时，最好是对两基板中没有设置有效元件的那块基板进行摩擦处理。这是因为摩擦产生的静电会引起晶体管或其它元件性能的变化，或者导致连接点绝缘性的损坏。

在SID 90 Digest，106（1990）上，开示有一种铁电液晶单元，该单元不象上述SSFLC单元（表面稳定铁电液晶单元），尽管其螺旋形间隔实际上比单元厚度小，但具有抑制该螺旋形间隔的作用，故能显示双稳定状态。相对于SSFLC，这种单元称为短间隔双稳定铁电液晶（SBFLC）单元。这种短间隔铁电液晶方式具有以下优点。

（1）在常规的铁电液晶方式中，如要增加应答速度，须将自发极化变大。但是，随自发极化的变大，螺旋形间隔将倾向于变短。因此，需要将基板间的间歇缩小，以抑制该螺旋。但是，基板间的间隙的缩小，会造成液晶单元制作的困难，降低产品的合格率。

而在短间隔铁电液晶方式中，可以不缩小基板间的间隙，而获得螺旋抑制状态。因此，即使在为增加应答速度而使自发极化变大时，不会有上述困难。

（2）在常规的铁电液晶方式中，应答时间和存储角等特性对温度的依存性大，需要控制液晶板的温度。而在短间隔铁电液晶方式中，这些特性对温度的依存性小。

还有，虽然并不直接影响显示性能，常规的铁电液晶方式在耐冲击性方面存在着问题。因此，必须设置冲击吸收装置，以保护液晶板免受冲。这将成为显示装置小型化的巨大障碍。相比之下，短间隔液晶方式具有优良的耐冲击特性，可以省略冲击吸收装置以及其它与显示性能无关的元件。

对于在短间隔铁电液晶中，尽管螺旋形间隔小于单元厚度，但能够抑制螺旋形结构的原因至今尚未解明。开示在上述论文，并用于本发明一些实施例的铁电液晶材料FLC-6430，是目前已知SBFLC的唯一实例。表4所示的第2和第4单元，是采用这种液晶材料构成的。

实施例4

在实施例4，对各种铁电液晶的施加电压与应答时间之间的关系进行了调查。图13显示，施加到表4的第2至第4的各铁电液晶单元的电压波形。根据此时观察到的透光率的变化，测定应答时间。此处，应答时间是指，相对于正脉冲电压的透过光强度的变化速度（从10%至90%，或从90%至10%）。结果表示于图14至16。在这些图中，黑圆点表示从暗到亮所需时间（上升时间），黑方点表示从亮到暗所需时间（下降时间）。

本发明的目的在于获得11毫秒以下的帧显示时间（frame display time）。为达到该目的，写入所允许的时间必须大大短于11毫秒。实际上，应答时间最好是保持在1毫秒以下。

图14显示，当施加电压为1V时，可以获得大约为1毫秒的应答时间。同样，图15显示，当施加电压大于10V时，以及图16显示，当施加电压大于7V时，可以获得1毫秒以下的应答时间。因此，用铁电液晶作液晶材料，可以获得1毫秒以内的应答时间。

上述实验是使用手性近晶C相液晶进行的，但是已确认，用其它相，例如手性近晶F相，手性近晶I相等铁电液晶，也可以获得同样的结果。

在本发明，为获得具有高度动作速度，足以实现场序彩色制式的开关元件，用于驱动像素电极的开关晶体管形成在单晶硅中。因单晶硅具有高迁移率（大约为1500cm²V^-1S^-1），因此，所获得的TFT，其性能远远超过对现有技术进行时说明时所列示非晶硅TFT或多晶硅TFT。表9显示各种类型的晶体管的性能比较。

表9

从表9可以看到，形成在单晶硅中的晶体管，可以提供具有较大的电流驱动能力，和较大的电流开/关比。

如上所述，用铁电液晶作为液晶材料，可以获得调整应答和灰度显示，并且形成在单晶硅中的开关晶体管能够提供高度动作速度。这能解决为提供场序制式的彩色显示所伴随的一些问题。剩下的问题涉及到LCD信号保持的稳定化。以下，就如何解决该问题进行说明。

图17A和17B显示，本实施例的彩色液晶显示装置中一单位像素区域的电路结构。图17B为平面图，图17A为沿图17B中A-A′线的剖面图。如图17A所示，该液晶显示装置用p-型单晶硅形成基础基板1，在该基板上，设有NMOS开关电路。该显示装置，对于每一单位像素区域，使用第一晶体管Q1和第二晶体管Q2两个晶体管。晶体管Q1和Q2的源电极Q1s和Q2s以及漏极Q1d和Q2d，作为n-型扩散层2形成在p-型单晶硅层中。晶体管Q1和Q2的门电极Q1g和Q2g，设置在源电极Q1s和Q2s与漏极Q1d和Q2d之间的基础基板的硅层上，且各门电极Q1g和Q2g全体围有绝缘膜3。在本实施例中，门电极Q1g和Q2g由多晶硅制成，且门绝缘膜3g为氧化硅膜。晶体管Q1和Q2的门电极Q1g和Q2g，藉氧化硅膜6和多晶硅电极7a，隔开在基础基板1上。在该单位像素区域中，沿着两晶体管Q1和Q2，设有存储电容器Cs。该存储电容器Cs，由设置在邻接于第二晶体管的氧化硅膜6中的铝线7b，设置在对应位置的硅层中的n-型扩散层2，以及设在它们之间的门绝缘膜3g构成。

保护膜8形成在基础基板1的整个表面上，并复盖门绝缘膜3g、绝缘膜3（包括各门电极）、氧化膜6、多晶硅电极7a、以及铝线7b。该保护膜8用来保护设置在基础基板1的电路。

在多晶硅电极7a（该多晶硅电极7a设置在晶体管Q2和邻接晶体管Q2的氧化硅膜6之间）伸展于氧化硅膜6之位置的保护膜8上，开有贯通孔9。在各单位像素区域中的保护膜指定区域上，设有像素电极10。该像素电极10通过贯通孔9，与下层的多晶硅电极7a相连，并藉此与晶体管Q2的漏极Q2d电相连。

此外，如图17B所示，第一晶体管Q1的门电极Q1g连接于扫描线4，而第一晶体管Q1的源电极Q1s则连接于与该扫描线4交叉的信号线5。第一晶体管Q1的漏电极Q1d，第二晶体管的门电极Q2g，以及与存储电容器Cs相关的多晶硅电极7a连接于设置在氧化硅膜6之共通铝线7b。

透明反电极12，设置在面对基础基板1的玻璃基板11的整个表面区域上。在该透明反电极12上，设有定向膜（图中未显示）。

玻璃基板11与基础基板1互相对置，在两基板1和11之间，封入有铁电液晶层13。玻璃基板11位于入射光一侧。（液晶层13的材料，定向膜等具体内容参照表4）。

以下，对本实施例中的液晶显示装置的驱动电路，以及驱动该装置的方法进行说明。图18显示，图17所示实施例中的液晶驱动开关电路的等效电路。图18所示电路，说明一单位像素区域的构成。

第一晶体管Q1在扫描线4和信号线5的交叉点附近，与该扫描线4和信号线5相连。具体而言，第一晶体管Q1的门电极Q1g连接于扫描线4，且第一晶体管Q1的源电极Q1s连接于信号线5。第一晶体管Q1的漏极Q1d连接于存储电容器Cs的一个电极，以及第二晶体管Q2的门电极Q2g。存储电容器Cs的另一电极接地。而第二晶体管Q2的源电极Q2s连接于电源，第二晶体管Q2的漏极Q2d则连接于像素电极10。

第二晶体管Q2具有，漏极Q2d的电位实质上与门电极Q2g的电位呈直线变化的特性。因第一晶体管Q1的作用是将数据信号供向第二晶体管Q2，故须使关闭（off）时的漏电流尽可能小。存储电容器Cs具有保持来自第一晶体管Q1的数据信号的作用。第二晶体管Q2用于将电压施加到液晶LC。因电压直接施加到该液晶LC，故要求第二晶体管Q2能够承受切换该液晶LC所需的电压。

这种电路以下述方式驱动。首先，当数据信号输入到信号线5，并将扫描信号施加到第1根扫描线4时，连接扫描线4的各像素电极中的第一晶体管Q1将接通（on），数据信号将依次供向连接扫描线4的第一晶体管Q1，同时，该数据信号将存储在各相关的存储电容器Cs。因第二晶体管Q2具有将电源电压控制在与扫描信号电压呈直线关系的特性，相对于该扫描信号的数据信号能够施加到液晶LC。此外，施加到液晶LC的电压受控于存储电容器Cs中保持的电压，因这种电压能够保持到下半帧，故能将一定的电压连续供向液晶LC。第一晶体管Q1关闭后，第二晶体管Q2仍保持开的状态，直到第一晶体管Q1再次接通。因此，第二晶体管Q2能够将对应于来自存储电容器Cs的数据信号电压的电压，连续供向液晶LC。

在本发明，用铁电液晶作为液晶LC。如上所述，铁电液晶具有自发极化特性。当施加到液晶LC的电压具有大的自发极化时，过渡电流将因液晶的分子定向变化而流动。在铁电液晶的场合，该定向的变化将需要数十微秒的时间，过渡电流将在该时间内流动。对于将数据写入扫描线4所需的时间而言，如果1125根扫描线4在1/30秒内全部扫描完毕，每线的扫描时间大约30微秒。为实现这种场序彩色制式，需要将写入时间缩短至该时间的三分之一，这意味着对于一根扫描线4的所允许的写入时间大约为10微秒。因过渡电流流动的周期比该写入时间长，施加到液晶LC的电压因写入期间后过渡电流的流动而变化，故常规的行顺序方法不可能产生正确的显示。

但是，如上所述，根据本发明的驱动电路的构成和驱动方法，可以将一定的电压在写入期间之后供向液晶LC（铁电液晶）。这能防止过渡电流引起的电压变化，使正确的显示成为可能。

在扫描信号写入第1根扫描线4之后，将该扫描信号关闭，然后将该扫描信号施加到第2根扫描线4，以将数据信号写入连接第2根扫描线4的各像素。当第2根扫描线4上的数据写入结束后，接着再进行对第3根扫描线4的写入动作。以这种方式，将数据写入整个显示区域，完成一帧显示。

在上述实施例中，用两个晶体管和一个存储电容器构成电路，但是，只要具有与上述电路同样的作用，也可以使用具有适当构成的其它电路。

根据本发明，可以使基于场序彩色制式的彩色显示得以实现。因此，通过本发明，可以有效地获得具有超高清晰度的单板式全色液晶显示装置。

对熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，对本发明进行各种修改是显而易见的并且也容易做到。因此，本说明书所附权利要求书的范围不应局限在这里所介绍的内容，而应该有更广泛的理解;。

Claims

1、一种液晶显示装置，包括：在一表面上具有单晶硅层的第一基板；位于该第一基板对面的透明第二基板，该具有单晶硅层的第一基板的表面面对该第二基板，其间夹持有铁电液晶层；以及形成在单晶硅层中的复数电路元件，该复数电路元件与形成在面对铁电液晶层的第一基板上的复数像素区域的每一区域呈对应关系。

2、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，所述铁电液晶层包括手性近晶相的铁电液晶，该手性近晶相的螺旋形结构具有比第一和第二基板之间的间隙小的间隔，藉此抑制该螺旋形结构。

3、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，在面对所述铁电液晶层的第一和第二基板的至少一表面上，形成有有机高分子制成的定向膜，该定向膜施有摩擦处理。

4、根据权利要求3所述的液晶显示装置，其特征在于，所述定向膜形成在第一和第二基板之上，并且仅对形成在第二基板上的定向膜进行摩擦处理。

5、根据权利要求1所述的液晶显示装置，其特征在于，在不施加电压时，所述铁电液晶层只有一种稳定的定向状态。

6、根据权利要求3所述的液晶显示装置，其特征在于，所述定向膜形成在第一和第二基板上，形成在第一基板上的定向膜材料与形成在第二基板上的定向膜不同。

7、根据权利要求3所述的液晶显示装置，其特征在于，用不同的定向处理条件，处理形成在第一基板上的定向膜和形成在第二基板上的定向膜。

8、一种用于液晶显示装置的驱动方法，该液晶显示装置包括：

在一表面上具有单晶硅层的第一基板，

形成在单晶硅层中的复数电路元件，该复数电路元件与形成在面对铁电液晶层的第一基板上的复数像素区域的每一区域呈对应关系，

以及连接电路元件的电源，

该驱动方法的特征在于，通过经由所述电路元件施加来自电源的电场，使该铁电液晶层处于一种存储状态，并将灰度显示信号施加到该铁电液晶层，同时改变该信号的能级，从而进行灰度显示。

9、根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，在不施加电压时，所述铁电液晶层只有一种稳定的定向状态。

10、根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，扫描一完整的图象，以供显示的时间在11毫秒以内。

11、一种用于液晶显示装置的驱动方法，该液晶显示装置包括：在一表面上具有单晶硅层的第一基板，

形成在该单晶硅层中的矩阵状扫描线和信号线，

设置在面对第一基板的第二基板表面上的透明反电极，

该驱动方法的特征在于，当将扫描信号通过扫描线施加到第一开关元件，使第一开关元件开通时，数据信号将通过第一开关元件施加到第二开关元件，使第二开关元件开通，由此，将电压施加到连接第二开关元件的像素电极和相对于该像素电极的透明反电极之间的铁电液晶层的区域，使该区域持有一定的电位，同时将数据信号保持在存储电容器中，以及