JP2000275651A - 液晶素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カイラルスメクチック液晶素子において、階
調性と同時にフリッカを抑制して鮮明な画像表示を行
う。 【解決手段】 電圧無印加時に単安定状態を有し、印加
する電圧の極性に応じて異なる角度β１、β２でチルト
するカイラルスメクチック液晶素子において、互いにス
メクチック層法線方向が異なり、β１＞β２であるＤ１
領域とβ２＞β１であるＤ２領域を走査ライン毎に互い
違いに配置し、アクティブ素子を用いてフレーム反転駆
動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はフラットパネルディ
スプレイ、プロジェクションディスプレイ、プリンター
等に用いられるライトバルブに使用される液晶素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ネマチック液晶素子におい
て、画素毎にトランジスタ（例えば薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ））のようなアクティブ素子を配置した、アク
ティブマトリクスタイプの液晶素子の開発が行われてい
る。現在、このアクティブマトリクスタイプの液晶素子
に用いられるネマチック液晶のモードとしては、例えば
Ｍ．シャット（Ｍ．Ｓｃｈａｄｔ）とＷ．ヘルフリッヒ
（Ｗ．Ｈｅｌｆｒｉｃｈ）著、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第１８巻、第４号（１９７
１年２月１５日発行）第１２７頁〜第１２８頁において
示されたツイステッドネマチック（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎ
ｅｍａｔｉｃ）モードが広く用いられている。また、最
近では横方向電圧を利用したインプレインスイッチング
（Ｉｎ−Ｐｌａｉｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードが発
表されており、ツイステッドネマチックモード液晶ディ
スプレイの欠点であった視野角特性の改善がなされてい
る。

【０００３】その他、上述したＴＦＴ等のアクティブ素
子を用いない、ネマチック液晶素子の代表例として、ス
ーパーツイステッドネマチックモードがある。このよう
に、ネマチック液晶を用いた液晶素子は様々なモードが
存在するが、そのいずれのモードの場合にも液晶の応答
速度が数十ミリ秒以上かかってしまうという問題があっ
た。

【０００４】上記のような従来型のネマチック液晶素子
の応答速度を改善するものとして、クラーク（Ｃｌａｒ
ｋ）及びラガウェル（Ｌａｇｅｒｗａｌｌ）により提案
された表面安定化型強誘電性液晶素子（特開昭５６−１
０７２１６号公報、米国特許第４３６７９２４号明細
書）がある。この素子においては液晶分子の自発分極に
より反転スイッチングを行うため、非常に速い応答速度
が得られることから、高速表示素子、或いはライトバル
ブとして適していると考えられる。さらにこの素子は、
明状態を複屈折を利用して光を透過させるのが一般的で
あり、比較的広い視野角特性を有することも特徴となっ
ている。

【０００５】一方、最近では液晶が３安定状態を示す反
強誘電性液晶が注目されている。この反強誘電性液晶も
強誘電性液晶同様に、液晶分子の自発分極への作用によ
り分子の反転スイッチングがなされるため、非常に速い
応答速度が得られる。この液晶材料は、電圧無印加時に
は液晶分子が互いに自発分極を打ち消し合うような分子
配列構造をとるため、電圧を印加しない状態では自発分
極は存在しないことが特徴となっている。

【０００６】こうした自発分極による反転スイッチング
を行う強誘電性液晶や反強誘電性液晶は、いずれもカイ
ラルスメクチック液晶相を示す液晶（カイラルスメクチ
ック液晶）である。即ち、従来ネマチック液晶が抱えて
いた応答速度の関する問題点を解決できるという意味に
おいて、スメクチック液晶を用いた液晶表示素子の実現
が期待されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、高速応
答性能など次世代のディスプレイ等に自発分極を有する
スメクチック液晶が期待されているが、特に上述の双安
定性状態や、３安定状態を用いるモードでは、一画素内
での階調表示の実現が原理的に困難であった。

【０００８】そこで、近年、カイラルスメクチック液晶
を用いて階調制御を行うモードとして、「ショートピッ
チタイプの強誘電性液晶」、「高分子安定型強誘電性液
晶」、「無しきい値反強誘電性液晶」などが提案されて
いるが、いずれも実用に十分なレベルに至っているもの
ではない。そこで、本発明者等は、高温側より、等方相
（Ｉｓｏ）−コレステリック相（Ｃｈ）−カイラルスメ
クチックＣ相（ＳｍＣ^*）、或いは、Ｉｓｏ−ＳｍＣ^*の
相転移系列の材料に着目し、鋭意検討した結果、高速
性、量産性等の実用レベルに近い特性を得ることができ
た。

【０００９】以下に、上記Ｉｓｏ−Ｃｈ−ＳｍＣ^*或い
はＩｓｏ−ＳｍＣ^*の相転移系列を示す液晶材料を用い
た素子について概略を説明する。上記液晶材料を一軸配
向規制されたセル中に注入して配向させた場合、スメク
チック層法線方向が一軸配向処理方向からずれた方向に
形成される。そこで、このスメクチック層のズレ方向を
一方向に制御することにより、ＳｍＣ^*相において基板
に平行になりうる２状態のち一方のみが一軸配向規制方
向と実質的に一致した方向へと配向する。これにより、
分子が一方向に単安定化され、且つ印加電圧に応じた中
間調状態を取ることができる、高速応答の液晶素子を得
ることができる。

【００１０】しかしながら、こうした優れた特徴を有す
る液晶素子ではあるが、本素子を交流駆動した場合、一
方の極性では印加電圧量に応じた表示状態が得られるも
のの、逆の極性については相対的に暗い状態となるよう
な表示特性を示す。従って、入力映像信号のフレーム周
波数が例えば６０Ｈｚであった場合も、実際に表示され
るフレーム周波数は３０Ｈｚとなってしまい、フリッカ
が顕著になるという問題が発生していた。

【００１１】この問題に対する解決策として、（１）表
示フレーム周波数を２倍にする方法、（２）１Ｈ反転駆
動を用いる方法、などが考えられる。しかしながら、
（１）については、フレームメモリ分のコストアップ
や、ゲート選択期間が半減することによる波形遅延が新
たな問題として発生する。一方、（２）については前記
（１）のような問題は発生しないものの、１Ｈ反転駆動
を行うと、映像信号をサンプリングする毎に、セグメン
トドライバのサンプリングコンデンサに充電する電圧の
極性が変わるため、特にＣＳ−ｏｎゲート駆動及びソー
ス反転駆動を行う場合は、データ線（情報信号線）から
画素電極に印加する電圧とは逆極性の電圧を対向電極に
印加することができない。そのため、液晶に印加する電
圧をサンプリングコンデンサにそのまま充電しなければ
ならない。その結果、サンプリングコンデンサに充電す
る電圧が映像信号のサンプリング毎に大きく変化するた
め、サンプリングに要する時間が長くなり、結局、サン
プリングコンデンサに十分な充電が行えず、鮮明な画像
が得られなくなる。

【００１２】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、その課題とするところは、フリッカを抑制
し、且つ高い階調再現性及び鮮明な画像を表示しうる液
晶素子を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記本発明の課題は以下
の構成によって達成される。

【００１４】本発明は、複数画素を個々に制御して画像
を表示する液晶素子であり、カイラルスメクチック液晶
と、該液晶を狭持して対向すると共に少なくとも一方の
液晶との界面に一軸配向処理が施された一対の基板と、
画素毎に液晶を駆動する電極及び該電極に接続されたア
クティブ素子と、少なくとも一方の基板の外側に配置し
た偏光板と、を備え、アナログ階調表示を行う液晶素子
であって、電圧無印加時には、上記液晶の平均分子軸が
単安定化された第一の状態を示し、第一の極性の電圧印
加時には、上記液晶の平均分子軸が印加電圧値に応じた
角度で上記第一の状態から一方の側にチルトし、上記第
一の極性とは逆極性の第二の極性の電圧印加時には、上
記液晶の平均分子軸が印加電圧値に応じた角度で上記第
一の状態から上記第一の極性の電圧印加時にチルトした
側とは逆側にチルトし、上記第一の極性の電圧印加時と
第二の極性の電圧印加時の液晶の平均分子軸の、上記単
安定化された第一の状態の位置を基準とした最大チルト
状態のチルト角をそれぞれβ１，β２としたとき、素子
内に、互いにスメクチック層法線方向が異なる、β１＞
β２となるＤ１領域の画素とβ１＜β２となるＤ２領域
の画素が走査ライン毎に互い違いに存在することを特徴
とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の液晶素子においては、図
１５に模式的に示すように、Ｄ１領域とＤ２領域が走査
ライン（ゲート線Ｇ₁〜Ｇ₂）毎に互い違いに存在する。
即ち、例えば偶数行ラインＧ₂、Ｇ₄の画素にはＤ１領域
を形成し、奇数行ラインＧ₁、Ｇ₃の画素にはＤ２領域を
形成する。さらに、Ｄ１領域における暗状態を示す分子
位置ＢＬ１が当該領域の層法線方向から時計回りに回転
した位置、Ｄ２領域における暗状態を示す分子位置ＢＬ
２が当該領域の層法線方向から反時計回りに回転した位
置であり、ＢＬ１及びＢＬ２の平均分子軸が一軸配向処
理方向と若干ずれた方向に配向している。また、電圧を
印加した場合に、Ｄ１における明状態を示す位置ＷＨ１
は例えば正極性の電圧を印加した時にＢＬ１から反時計
回りに回転した位置、Ｄ２における明状態を示す分子位
置ＷＨ２は負極性の電圧を印加した時にＢＬ２から時計
回りに回転した位置に存在する。

【００１６】こうした素子に対し、例えばフレーム反転
駆動を行うと、正極性印加フレームではＤ１領域内の液
晶分子が十分応答し、Ｄ２領域内の液晶分子はＤ１領域
内の液晶分子の数分の１から数十分の１程度のチルト角
でスイッチングする。一方、負極性印加フレームではＤ
２領域内の液晶分子が十分に応答し、Ｄ１領域内の液晶
分子はＤ２領域内の液晶分子の数分の１から数十分の１
程度のチルト角でスイッチングする。これにより、正極
性印加フレームでは偶数行ラインが主に応答し、負極性
印加フレームでは奇数行ラインが主に応答するため、実
質的に１Ｈ反転駆動を行った場合と同じ表示状態を得る
ことができる。そのため、１Ｈ反転駆動による弊害を受
けることなく、１Ｈ反転駆動を行った場合と同じ表示状
態を得ることができ、フリッカを抑制することが可能と
なる。

【００１７】以下、本発明の液晶素子におけるカイラル
スメクチック液晶の配向状態及びスイッチング過程につ
いて、従来型のＳＳＦＬＣタイプと対比しながら図面に
沿って説明する。

【００１８】尚、以下に説明するモデルにおいては、液
晶分子と該液晶分子の位置の範囲となり得る仮想コー
ン、スメクチック層法線、平均一軸配向処理軸の関係に
基づいて説明しているが、当該液晶分子は液晶素子内で
は複数存在し、例えば基板法線方向である程度ツイスト
しており、光学的には（例えば偏光顕微鏡観察によれ
ば）平均分子軸の挙動として観察される。即ち、上述し
た本発明で規定する平均分子軸は実質的には単独の液晶
分子の挙動に相応する。

【００１９】ＳＳＦＬＣでは、ＳｍＣ^*相（カイラルス
メクチックＣ相）において、液晶分子を２状態に安定化
させることによって、双安定性即ちメモリ性を発現させ
ている。このメモリ状態に関して図１及び図２に示すモ
デルを用いて説明する。

【００２０】図１はＳＳＦＬＣタイプの素子における液
晶分子及び液晶の層構造（スメクチック層の構造）につ
いて模式的に示した図である。当該素子においては、図
１（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板１１及び１２間
に狭持された液晶１３の部分において、液晶分子１４
は、基板１１または１２の界面付近では各基板の一軸配
向処理方向Ｒに沿って基板から所定のプレチルト角αで
立ち上がり（本例では両基板の一軸配向処理方向Ｒが平
行であり且つ同方向、即ち基板に対して同方向に液晶分
子を立ち上がらせるような設定とした）、基板１１及び
１２間で基板法線に対して傾斜角δをなすシェブロン構
造のスメクチック層１６を形成している。

【００２１】一方、液晶分子１４は、電圧印加により２
Θ（Θ：液晶材料に固有の物性であるコーン角）の頂角
を有する仮想コーン１５の壁面の２位置間でスイッチン
グし且つ電圧無印加の状態で、当該２位置の近傍で安定
的に存在する。尚、同図（ａ）及び（ｂ）に示すスメク
チック層１６がシェブロン構造をなす配向状態は、それ
ぞれ、基板間の液晶分子１４のプレチルトの方向とスメ
クチック層１６のシェブロン構造の折れ曲がり方向の関
係により種別されるもので、（ａ）の配向状態をＣ１配
向、（ｂ）の配向状態をＣ２配向と呼ぶ。

【００２２】ここで、図１に示すＳＳＦＬＣの配向状態
では、Ｃ１配向状態及びＣ２配向状態共に一般的にΘ＞
δの関係を満たすことで、電圧無印加時に基板１１及び
１２間でシェブロン構造のスメクチック層１６のキンク
位置（基板間中央の折れ曲がり部分）を含むほぼ全厚み
方向で、液晶分子１４が仮想コーン１５内で安定的に２
位置をとることができ、双安定状態が発現する。

【００２３】図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図１
（ａ）及び（ｂ）に示すＣ１配向状態とＣ２配向状態の
それぞれにおける仮想コーン１５の底面１７上への液晶
分子の射影を示すものであり、液晶分子が１４ａ及び１
４ｂの双安定状態（射影１８ａ、１８ｂ）をとることを
示している。

【００２４】液晶が上記のような双安定性の配向状態を
呈する素子では、一対のクロスニコル下の偏光板のう
ち、双安定状態の一方の平均分子軸（液晶分子の位置）
に偏光軸を合わせて、双安定状態間のスイッチングを行
い、黒（暗状態）及び白（明状態）の表示を行う。この
スイッチングは、例えば一方の状態から他方の状態のド
メインの生成により、即ちドメインウォールの生成及び
消滅を伴ってなされる。但し、このようなスイッチング
メカニズムを用いて表示を行う場合、基本的には黒及び
白の２値表示しかできず、黒白間の階調（中間調）の表
示は困難である。

【００２５】これに対し、本発明の液晶素子において
は、カイラルスメクチック液晶を用いた素子において階
調表示を実現すべく、図１及び図２に示すようなメモリ
性（双安定性）を消失させ、印加電圧によって液晶分子
の位置が連続的に可変となるようにしたものである。こ
の設定のため、本発明においては好ましくは等方相（Ｉ
ｓｏ）−コレステリック相（Ｃｈ）−ＳｍＣ^*、或い
は、Ｉｓｏ−ＳｍＣ^*の相転移系列を示す液晶材料を用
いる。

【００２６】図３（ａ）に、液晶素子において、少なく
とも降温下でＣｈ−ＳｍＡ−ＳｍＣ^*相転移系列を示す
液晶材料の層（スメクチック層）構造の形成過程を、図
３（ｂ）に少なくとも降温下でＣｈ−ＳｍＣ^*相転移系
列を示す液晶材料の層構造形成過程を示す。同図におい
て、矢印Ｒは素子における平均一軸配向処理軸の方向で
ある。液晶分子１４は、電圧を印加した際に仮想コーン
１５域の壁面に沿ってスイッチングし得ることとする。

【００２７】ここで、”平均一軸配向処理軸”とは、素
子を構成する両基板の液晶に接する面において一軸配向
処理が施され、その方向（例えばラビング方向）が平行
で同一方向であるか互いに逆方向（反平行）である場
合、並びに一方の基板にのみ一軸配向処理が施されてい
る場合では、その一軸配向処理の軸自体に相当し、両基
板において一軸配向処理が施された方向（例えばラビン
グ方向）が互いにクロスしている場合には、両方の一軸
配向処理軸の中心方向の軸、即ちクロス角の１／２の方
向に相当する。また、平均一軸配向処理軸の”方向”と
は、例えば当該配向処理がなされた基板近傍における液
晶分子の基板に対して立ち上がっている、即ちプレチル
トを生じる側への方向であり、一方の基板にのみ一軸配
向処理が施されている場合及び両基板において一軸配向
処理が施され、その方向（例えばラビング方向）が平行
で同一方向である場合は、その処理方向自体であり、両
基板に互いに平行で逆方向の処理が施されている（反平
行）場合、いずれか一方の基板での処理方向であり、両
基板において一軸配向処理が施された方向（例えばラビ
ング方向）が互いにクロスしている場合では、その中心
軸の方向である。

【００２８】図３（ａ）に示すように、相転移系列中に
ＳｍＡ相を有する液晶材料の場合、ＳｍＡ相においてス
メクチック層法線方向（紙面横方向矢印ＬＮ）と一軸配
向処理方向が一致するように液晶分子１４が配列しスメ
クチック層構造を形成する。そして、ＳｍＣ^*相では、
液晶分子１４はスメクチック層法線方向ＬＮからチルト
し、仮想コーン１５のエッジ近傍もしくはその若干内側
の位置で安定化する。

【００２９】一方、本発明で好適に用いられる図３
（ｂ）に示すようにＳｍＡ相を含まない相転移系列で
は、例えばＣｈ相からＳｍＣ^*相に相転移する過程で、
液晶分子１４はスメクチック層法線方向ＬＮに対して傾
くように、且つ平均一軸配向処理方向Ｒから若干傾くよ
うに配列しスメクチック層構造が形成される。

【００３０】そして本発明では、液晶分子１４がＳｍＣ
^*相内の使用温度域で、仮想コーン１５のエッジ部より
内側の位置で安定化するように調整される。ここで「仮
想コーン１５のエッジより内側の位置で安定化」する場
合として、スメクチック層がシェブロン構造または斜め
ブックシェルフ構造等となる傾斜角を有する構造が考え
られるが、完全なブックシェルフ構造であった場合でも
プレチルト角が高い場合や、基板界面の極性相互作用が
強くバルク分子がねじれている場合等はコーンエッジの
内側で安定化することがある。また、エレクトロクリニ
ック効果が顕著な材料では、電界によって仮想コーンエ
ッジのさらに外側にまで分子が傾斜することになるが、
本発明の液晶素子は、電界印加時の分子配向方向と層法
線方向とのズレ角が、電界無印加時の分子配向と層法線
方向とのズレ角より大きいこと、即ち例えば電界無印加
時の液晶分子の方向とクロスニコルの一方の偏光軸とを
一致させ最暗状態とした場合、正負いずれの極性の電圧
の印加時においても液晶の光軸がずれ、複屈折を発現さ
せていることを特徴とするため、こうした電圧印加によ
って液晶分子が仮想コーンのエッジの外側にまで分子が
傾斜する材料に関しても、本発明では適用可能である。

【００３１】ここで、本発明の一態様として、シェブロ
ン構造または斜めブックシェルフ等の層傾斜角を有する
場合に関して、モデルを利用して図４を用いて詳述す
る。図４（ａ）は図３（ｂ）と同様にＳｍＡ相を含まな
い相転移系列における液晶分子の配列の変化を示してお
り、例えばＣｈ相からＳｍＣ^*相に相転移する過程で
（特にＳｍＣ^*相への転移温度直下で）、液晶分子１４
はスメクチック層法線方向ＬＮに対して傾くように配列
しスメクチック層構造が形成される。

【００３２】但し、図４（ａ）ではＳｍＣ^*相内の、例
えば高温側（ＴＥＭＰ₁）と低温側（ＴＥＭＰ₂）におい
てコーン角Θ（仮想コーン１５の頂角の１／２）に違い
が存在する。

【００３３】ここで、高温側ＴＥＭＰ₁におけるコーン
角をΘ₁、低温側ＴＥＭＰ₂におけるコーン角をΘ₂と
し、Θ₁＜Θ₂なる関係を満たすような材料を用いる時、
通常の場合、これら各温度におけるスメクチック層の層
間隔ｄ₁及びｄ₂間にはｄ₁＞ｄ₂なる関係が成立する。従
って、仮に温度ＴＥＭＰ₁においてブックシェルフ構造
の層構造を有しているとした場合、温度ＴＥＭＰ₂では
少なくとも関係式δ＝ｃｏｓ^-1（ｄ₂／ｄ₁）を満たす層
傾斜角δを有することになる。

【００３４】よって、温度ＴＥＭＰ₂においてはシェブ
ロン構造または斜めブックシェルフ構造を形成すること
になる。これらのうちシェブロン構造をとる場合の層構
造及びｃ−ダイレクタの様子及び仮想コーン底面への射
影を図４（ｂ）及び（ｃ）に示す（符号は図２と同
様）。同図に示されるとおり、通常の双安定型ＳＳＦＬ
Ｃと同様に、ラビング方向と層傾斜角の関係からＣ１，
Ｃ２を定義することができる。以上述べた原理により、
液晶分子１４が、仮想コーン１５のエッジより内側の位
置で安定化するように調整される。

【００３５】図３（ａ）及び（ｂ）、図４（ａ）のいず
れの場合も、例えば図１及び図２に示すような液晶分子
１４がシェブロン構造の双安定配向状態、即ち基板と実
質的に平行な２状態で安定になるべきであるが、図３
（ｂ）、図４（ａ）に示す場合、一軸配向処理の束縛力
が強くなり、この２状態のうちの一方のみが安定とな
り、メモリ性が消失することになる。また、図３
（ｂ）、図４（ａ）に示すＣｈ−ＳｍＣ^*相転移の際
（ＳｍＣ^*相への転移温度直下）、図５に示すように２
通りの異なった層法線方向（ＬＮ₁及びＬＮ₂）を示すス
メクチック層構造が形成することが考えられる。この
時、カイラルスメクチック液晶を狭持するセルの上下一
対の基板の一軸配向処理の状態（処理方向等の条件、配
向材料等）が完全に対称であれば上記図５に示すような
２つのスメクチック層構造が均等な割合で形成される。
本発明では一方をＤ１領域、他方をＤ２領域としてこの
２つの領域を素子内に共存させることに特徴を有する。

【００３６】即ち、各領域において、平均一軸配向処理
軸とスメクチック層法線方向のズレ方向が一定となるよ
うにし、図４（ｂ）または（ｃ）に示すように電圧無印
加の状態で液晶分子１４を仮想コーン１５の一エッジの
内側に安定化させ、そのメモリ性を消失させたＳｍＣ^*
相の配向状態を得ている。

【００３７】次いで、本発明の液晶素子のＤ１領域、即
ち図５に示すようなＳｍＣ^*相での層構造の一方を優先
的に形成した配向状態を有するセルにおいて、電圧に対
する液晶分子２１の反転挙動のモデル（素子の上面、側
面、コーン底面への射影）について図６を参照して説明
する。尚、図６ではパラレルラビングセル（両基板に平
行且つ同一方向のラビング処理を施したセル）における
Ｃ２配向状態を用いて電界に対する反転挙動を説明する
が、Ｃ１配向、斜めブックシェルフ配向、アンチパラレ
ルセルでの配向等も同様の考え方で議論することができ
る。

【００３８】図６では、電圧印加の状態における、セル
上方から見た場合の挙動（Ｉ）、セル断面方向での挙動
（ＩＩ）、ＳｍＣ^*相での仮想コーン底面への射影（Ｉ
ＩＩ）のそれぞれを示している。Ｉの場合は、セル断面
方向の液晶分子の平均的な分子軸を示していることにな
る。

【００３９】先ず、図６（ｂ）に示すように電圧無印加
時においては液晶分子１４（仮想コーンの底面１７での
射影１８は平均一軸配向処理方向（矢印Ｒ）とは若干ず
れて配向している。液晶の自発分極１９は基板間で実質
的に略同様の方向を向いているここで、電圧無印加時の
液晶分子の位置に偏光軸の一方（Ｐ）を一致させたクロ
スニコル（ｄ）下にセルを配置し、液晶を透過する光量
を最低の状態（最小透過率）にして暗状態（黒状態）を
表示する。

【００４０】そして、この配向状態に対し、電圧を印加
した時には図６（ａ），（ｃ）に示すように、液晶分子
１４は、電圧無印加時の位置に対して電圧Ｅの極性に応
じた方向に自発分極１９が揃いチルト（スイッチング）
する。電圧無印加時の液晶分子位置を基準したチルトの
角度（ＩＩを参照）は印加電圧の大きさ（電圧の絶対
値）に応じたものとなるが、図６（ａ），（ｃ）に示す
ように一方の極性の電圧を加えた場合（正極性の電圧印
加の場合）のチルトの角度（β１）と、他方の極性の電
圧を加えた場合（負極性の電圧印加の場合）のチルトの
角度（β２）は、電圧の極性が逆であれば同じ電圧絶対
値であっても大きく異なっている。

【００４１】ここで、Ｄ１領域において、電圧無印加の
状態での透過率を第一の透過率、液晶に第一の極性の電
圧を加えた場合に液晶が呈する透過率を第二の透過率、
液晶に第二の極性の電圧を加えた場合に液晶が呈する透
過率を第三の透過率、とする。尚、本発明において「透
過率」とは「光透過率」を示すものである。

【００４２】図６の場合、電圧を印加していない場合に
おいて既に分子はスメクチック層法線方向からは傾いた
方向に位置して単安定化しており、且つ正負それぞれに
十分大きな電界を印加した場合には、図６（ａ）或いは
（ｃ）の状態からさらに基板界面近傍分子の自発分極の
向きもバルク部分同様に電界方向を向くよう分子配列し
ようとする結果、ほぼ全てのセル中分子がコーンエッジ
上に存在することとなり電圧無印加時の位置を基準とし
て最大のチルト状態が得られる。それにより、層法線軸
を対称軸とした分子位置にほぼねじれのないユニフォー
ムな配向状態が形成される。そして、液晶分子の最大チ
ルト状態は、一方の極性の電圧印加による電圧無印加時
の位置を基準とした最大チルトの状態におけるチルトの
角度と、他方の極性の電圧印加による最大チルトの状態
におけるチルトの角度が異なるように、図６では正極性
電圧印加時での最大チルト状態での角度が負極性電圧印
加時での最大チルト状態での角度より大きくなるように
調整される。即ち、Ｄ１領域においてはβ１＞β２であ
る。

【００４３】ここで、例えば液晶の有する屈折率異方性
Δｎ、セル厚をｄとし、Δｎｄを可視光の２分の１波長
近傍に設定した場合、図６（ｃ）に示すような正極性の
印加電圧時には、電圧（絶対値）が大きくなるに伴い、
液晶素子からの出射光量、即ち素子を透過する光量が連
続的に変化して大きくなり、同図のような配向状態とな
り所定のチルト状態が得られる。そして、当該チルト状
態（第二の透過率の最大値状態）で電圧無印加時の透過
光量と最も異なる（正極性の電圧印加の範囲で最も異な
る）光量、最大透過光量を得ることができる。

【００４４】一方、図６（ａ）に示すように、負の電圧
を印加した時には、液晶素子を透過する光量は上昇する
が、その光学応答量は微小であり、所定の電圧（正極性
の電圧側と同じ絶対値の電圧）で液晶分子が所定のチル
ト状態となった際（第三の透過率の最大値状態）に、電
圧無印加時の透過光量と最も異なる（負極性の電圧印加
の範囲で最も異なる）透過光量、即ち最大透過光量とな
る。但し、当該負極性電圧印加時の最大透過光量と図６
（ｂ）に示す電圧無印加時の透過光量との差は、図６
（ｃ）の場合の正極性電圧印加時の最大透過光量と圧無
印加時の透過光量との差に比較して小さく、即ち正極性
の電圧印加時に、当該液晶素子における最大の透過光量
を得ることができる。

【００４５】ここで、例えば図６（ｄ）に示すような一
対の偏光板を用いる場合、正極性電圧印加時における液
晶分子１４の最大チルトの状態における、電圧無印加時
の液晶分子１４の位置を基準としたチルトの角度が４５
°以下である場合には、液晶分子１４が仮想コーン１５
のエッジにある時、即ち最大チルトの状態（第一の透過
率の最大値状態）において、正極性電圧印加時での最大
透過光量が得られる。一方、上記チルトの角度が４５°
より大きい場合には、液晶分子１４が仮想コーン１５の
エッジの内側にある時において、正極性電圧印加の際の
最大透過光量が得られる。負極性電圧印加時は、上記い
ずれの場合でも最大チルト状態（第二の透過率の最大値
状態）で負極性電圧印加の際の最大透過光量が得られ
る。

【００４６】上述したような液晶分子のスイッチング挙
動を示す素子の電圧（Ｖ）−光透過率（Ｔ）特性の例、
特に正極性電圧印加の際に液晶分子が最大チルト状態と
なるときに最大透過率が得られる場合の素子の例を図７
に示す。正極性の電圧印加時にはその電圧値に沿って液
晶分子のチルトにより透過率が上昇し、電圧Ｖ₁以上で
最大透過率Ｔ₁を示す。一方、負極性の電圧印加時に
は、その電圧値に沿って液晶分子がチルトし、若干の透
過率が上昇するが、電圧−Ｖ₁以下でＴ₁より遙かに小さ
い最大透過率Ｔ₂に飽和する。

【００４７】一方、本発明の液晶素子のＤ２領域におけ
る液晶分子は、上記Ｄ１領域の液晶分子とは印加電圧の
極性が逆である以外は全く同じ反転挙動を示す。即ち、
第一の極性（例えば正極性）の電圧印加によるチルト角
β１が第二の極性（例えば負極性）の電圧印加によるチ
ルト角β２よりも小さく、上記第一の極性の電圧印加で
上記第三の透過率を、第二の極性の電圧印加によって上
記第二の透過率を示し、該第二の透過率の最大値が当該
領域の最大透過率、即ち素子の最大透過率となる。

【００４８】特に、Ｄ１領域におけるβ１とβ２、Ｄ２
領域におけるβ２とβ１の比については好ましくは５以
上とし、そしてＤ１領域における第一の極性（正極性）
の電圧印加時における液晶分子（平均分子軸）の所定の
チルト状態での液晶素子からの最大透過光量（例えば図
７の特性でのＴ₁における透過光量）と、第二の極性
（負極性）の電圧印加時における液晶分子（平均分子
軸）の最大チルト状態での液晶素子からの最大透過光量
（例えば図７の特性でのＴ₂における透過光量）の比、
及び、Ｄ２領域における第二の極性（負極性）の電圧印
加時における液晶分子の所定のチルト状態での液晶素子
からの最大透過光量と、第一の極性（正極性）の電圧印
加時における液晶分子の最大チルト状態での液晶素子か
らの最大透過光量の比、について好ましくは５以上に調
整する（即ち、第三の透過率の最大値と第一の透過率と
の差が第二の透過率の最大値と第一の透過率との差の１
／５以下）ことで、実質的に１Ｈ反転駆動表示とする効
果が最も顕著に得られる。

【００４９】次いで、本発明の液晶素子の配向状態にお
ける液晶分子の反転メカニズムについて説明する。

【００５０】図１及び図２に示すＳＳＦＬＣでの液晶分
子の配向状態では、液晶分子１４が双安定状態間をスイ
ッチングするためには、所定の高さのエネルギー障壁を
超えることが必要であり、このエネルギー障壁の存在が
双安定性の起源となっている。これに対し、本発明の液
晶素子における、例えば図５に示すような配向状態で
は、液晶分子１４がＳＳＦＬＣでの双安定ポテンシャル
の一方側に近い位置で極端に安定化された状態となって
いる。これにより、安定状態が一つしか存在せず、印加
電圧の大きさに応じた安定状態がアナログ的に存在し、
且つ印加電圧と安定な分子位置が一対一で対応するた
め、連続的且つドメインの生成を伴わない反転が実現で
きる。

【００５１】上記エネルギー障壁（ポテンシャル）の状
態のモデルを図８及び図９に示す。

【００５２】図８（ａ）及び（ｂ）はＳＳＦＬＣにおけ
る双安定配向状態でのポテンシャルの状態をＣ１配向状
態、Ｃ２配向状態のそれぞれについて示したものであ
る。Ａ１及びＡ２は双安定状態のそれぞれの状態のポテ
ンシャルを示す。これらの図より明らかなように、Ｃ１
配向、Ｃ２配向によって上記ポテンシャルの状態が若干
異なってくる。ＳＳＦＬＣにおいてＣ１配向である場
合、液晶−基板界面での液晶分子の開き角はＣ２配向で
ある場合よりも大きくなるため（図２（ａ）及び（ｂ）
における基板界面付近の射影参照）、エネルギー障壁の
高さも高くなる。

【００５３】一方、図９（ａ）及び（ｂ）には、本発明
の液晶素子における配向状態でのポテンシャルの状態を
Ｃ１配向状態、Ｃ２配向状態のそれぞれについて示した
ものである。Ｂ１は、電圧無印加での液晶分子のポテン
シャル（図６（ｂ）の場合）、Ｂ２は一方の極性の電圧
の印加による最大チルトでの液晶分子のポテンシャル
（図６（ｃ）の場合）を、Ｂ３は他方の極性の電圧の印
加による最大チルトでの液晶分子のポテンシャル（図６
（ａ）の場合）を示す。

【００５４】上述のＳＳＦＬＣの場合で示したようなＣ
１配向、Ｃ２配向という双安定状態間のエネルギー障壁
の高さが異なる配向状態のそれぞれに対し、双安定状態
の一方を安定化させた場合にはそれぞれの駆動特性が異
なったものになってしまう。特にエネルギー障壁の高い
Ｃ１配向状態においては、図９（ａ）に示すように、双
安定ポテンシャルの一方（Ｂ１）が極端に安定化された
状態とした場合においても、双安定状態が２つ残ったま
ま、或いは一方が準安定状態（Ｂ２もポテンシャルのレ
ベルは高いが周囲に比して安定）となってしまう状態が
発生する。これにより電圧印加による応答の際、ある一
定のポテンシャルに達するまでは印加電圧の大きさに応
じた安定状態がアナログ的に存在し、且つ印加電圧と安
定な分子位置が一対一で対応するため、連続的且つドメ
インの生成を伴わない反転が実現できるものの、ある一
定のポテンシャルを超えた際に不連続な配向状態を形成
する、即ちドメインウォールの生成を伴った不連続な反
転挙動となることがある。

【００５５】これに対し、Ｃ２配向状態では、双安定の
ＳＳＦＬＣである場合のエネルギー障壁が低いことか
ら、図９（ｂ）に示すように、一方（Ｂ１）が極端に安
定化された状態とした場合にもＢ２の状態まで連続的且
つドメインの生成を伴わない反転が実現できている。さ
らに、これらの図からＣ１配向の方が駆動電圧が高くな
り易いことが理解できる。

【００５６】以上述べた点から、本発明の液晶素子にお
ける配向状態については、アナログ階調性能及び低駆動
電圧化の観点から、平行ラビングしたセルにおいてはＣ
２配向を用いることが望ましい。或いは、Ｃ１配向及び
Ｃ２配向が混在している配向状態の場合は、これらの特
性ばらつきを最小限に抑えるためにもプレチルト角が低
いことが望ましい。或いは、反平行ラビングであること
が望ましい。

【００５７】上述したような図６（ａ）〜（ｃ）、図９
に示すような、電圧無印加の状態で液晶分子１４を仮想
コーン１５の一エッジの内側に安定化させ、そのメモリ
性を消失させたＳｍＣ^*相での配向状態及び電圧印加時
のスイッチング挙動を示し、図７に示すような光学応答
特性を示す液晶素子は、例えば適切な液晶材料を用い、
セルの設計を調整し、さらに液晶材料のＣｈ−ＳｍＣ^*
相転移の過程においてセル内の内部電位に偏りを持たせ
るような処理を施すことによって実現される。

【００５８】上記カイラルスメクチック液晶材料として
は、例えばそれらがフェニルピリミジン骨格、ビフェニ
ル骨格、フェニルシクロヘキサンエステル骨格を有する
炭化水素系の液晶材料のようにカイラルスメクチック相
の温度範囲の中でスメクチック層の層間隔ｄが変化し
（カイラルスメクチック相の上限温度での層間隔ｄ_tcが
最大の値である（ｄ＜ｄ_tc、ｄ：カイラルスメクチック
相の温度範囲内での層間隔））、セル内でのシェブロン
構造を有する材料の場合は、３°＜δ＜Θ（δ：液晶材
料のセル内での基板法線に対するスメクチック層の傾斜
角、Θ：前述した液晶材料固有のコーン角、即ち仮想コ
ーンの頂角の１／２）となるように成分を適宜選択して
配合した液晶組成物を用いることもできる。

【００５９】また、ナフタレン骨格を有する炭化水素系
の液晶材料やポリフッ素系の液晶材料のようにカイラル
スメクチック相の温度範囲の中で層間隔ｄがほぼ一定で
あり、セル内でδ≦３°となる材料であって、高温側か
らカイラルスメクチック相への相転移温度直下でのΘに
対しカイラルスメクチック相の温度範囲の中での温度降
下に伴いΘが大きくなるような成分配合を行った液晶組
成物を用いる。

【００６０】液晶材料のカイラルスメクチック相でのΘ
は、スイッチングによる最大光量の状態と最小光量の状
態間のコントラスト、例えば図７に示すような特性下で
の最大透過率Ｔ₁をより高くするために２２．５°以上
となることが理想的である。また、Θが非常に大きい場
合には、逆極性への電界印加による単安定状態からのチ
ルト、即ち図６（ａ）の側へのチルトも大きな角度にな
り、例えば図７の逆極性電圧印加の際の最大透過率Ｔ₂
も大きくなり、実質的な時間開口率が１００％になって
しまう恐れがある。従って、Θは３０°未満が好まし
い。また、Θの温度による変化が大きいと、クロスニコ
ル下の偏光板間で設定された最暗状態が一定に保たれな
い恐れがある。このため、液晶素子の駆動温度範囲でΘ
の温度による最大変化幅は３°以下に設定することが好
ましい。

【００６１】尚、一般のＳｍＣ^*相を示す材料と同様に
液晶分子がスメクチック層の法線からチルトすることに
よって層間隔が減少する、即ち低温側ほどコーン角Θが
大きくなる材料の場合、低温になるに連れて層間隔の減
少要因が大きくなるのであるが、例えばポリフッ素系液
晶材料の場合のように自発的にブックシェルフ層構造を
とる液晶材料であった場合、低温側ほどバルクで測定さ
れる層間隔が長くなるというこの材料固有の特徴によっ
て層間隔ｄの変化が極めて小さくなることが、シェブロ
ン構造をとりづらい理由と考えられている。この場合、
界面分子は一軸配向規制力によってラビング方向を向
き、バルクの分子はチルト角の温度特性に応じてラビン
グ方向からずれた方向へと配向する場合がある。この時
電界印加によって界面近傍分子もラビング方向からずれ
た方向へと配向する。

【００６２】一方、Ｄ１領域及びＤ２領域をそれぞれ、
図５に示すように発現される２つの層構造のうちの一方
の層構造のみに揃え、即ち各領域において平均一軸配向
処理軸とスメクチック層法線方向のズレ方向が一定で且
つＤ１領域とＤ２領域では該ズレ方向が逆となるように
するための素子内の内部電位の偏りの持たせ方として、 １）Ｃｈ−ＳｍＣ^*相転移の際、またはＩｓｏ−ＳｍＣ^*
相転移の際に一対の基板間に正負いずれかのＤＣ電圧を
印加する。 ２）上下一対の基板に異なる材料からなる配向膜（配向
制御膜）を用いる。 ３）上下一対の基板の配向膜の処理法（膜の形成条件、
ラビング強度、ＵＶ照射等の処理条件）を変える。 ４）上下一対の基板の配向膜の下地に設ける層の膜種ま
たは膜厚を変える。 など、様々な方法が考えられるが、いずれの手段を用い
ても良い。

【００６３】特に１）によるＤＣ印加条件としては、Ｄ
Ｃを長時間印加することによって配向膜自体が永久双極
子を有する変化（エレクトレット化）を避けるために、
ＤＣはＣｈ−ＳｍＣ^*相転移近傍において、層方向を一
方向に揃えるのに必要且つ最小限の印加時間にとどめて
おくことが好ましい。具体的には１００ｍＶ以上１０Ｖ
以下の範囲でのＤＣ電圧を印加することが好ましい。

【００６４】上述したような液晶材料及び上記２）〜
４）で設定される配向膜及び液晶材料中のイオンはＴＦ
Ｔ駆動に悪影響を及ぼさないよう極力低減しておくこと
が望ましい。

【００６５】本発明の液晶素子において、電圧無印加時
の液晶分子（平均分子軸）の単安定化のためには一軸配
向規制力が大きいことが必要となる。この配向規制力に
関して、コレステリック液晶を用いて配向規制力を評価
する方法が内田ら（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ，
５，ｐ．１１２７（１９８９））によって提案されてい
る。即ち、コレステリック相でのらせんピッチと配向規
制力とのトルクバランスによって決定される「実効ねじ
れ角」を評価することにより配向規制力が評価できる。
本発明でもこの考えを用いてこの一軸配向規制力を以下
のように定義する。

【００６６】本発明の液晶素子においてＣｈ相が存在す
る場合、Ｃｈ相におけるコレステリックピッチをｐ、及
びセル厚をｄ_gとすると、配向規制力が存在しない場
合、セル内でのねじれ角をφとすると、ｄ_g／ｐ＝φ／
２πの関係となる。また、上下基板において平行に一軸
配向規制されており、配向規制力が無限大である場合に
はφはゼロになる。尚、このφの値は内田等の報告と同
様に、偏光顕微鏡下において旋光性を測定することによ
り容易に評価できる。すなわち、セル中では配向規制力
によって本来のピッチｐより大きい仮想ピッチｐ^*（＝
２π・ｄ_g／φ）を有しており、ｐ^*＝ｐの時配向規制力
はゼロ、ｐ^*＝無限大の時配向規制力も無限大であると
言い換えることができる。

【００６７】本発明では単安定化のためには少なくとも
ｐ^*≧２×ｐとなることが好ましい。ｐ^*≧１０×ｐとな
ることがより好ましい。これらの値となるようなことを
考慮して上記２）〜４）の条件で、一軸配向処理条件
（ラビング条件等）、配向膜厚、配向膜種、焼成条件等
を適宜調整することが好ましい。

【００６８】本発明の液晶素子では、三角波印加時の電
圧−透過率曲線を求めた場合においてヒステリシスが存
在する場合がある。しかしながら、本発明の液晶素子は
フレーム反転駆動されるため、白状態から中間調状態へ
と連続的に光学変調されることはないため、特に問題に
なることはない。即ち、印加される極性に応じて常に白
黒の反転をしながら光学変調されることから、例えば白
から中間調へと光学変調される際には、白状態から黒の
配向状態を経由した後中間調の配向状態へと変調される
ため、前状態の履歴の影響をかなりの程度抑制すること
ができる。

【００６９】以下、本発明の液晶素子の実施形態を挙げ
てその構成を説明する。図１０は本発明の液晶素子の一
実施形態の１画素の構成を模式的に示す断面図である。
同図に示す液晶素子８０は、一対のガラス、プラスチッ
ク等透明性の高い材料からなる基板８１ａ，８１ｂ間に
液晶層８５、好ましくはカイラルスメクチック液晶を狭
持してなる。

【００７０】基板８１ａ，８１ｂには、それぞれ液晶層
８５に電圧を印加するためのＩｎ₂Ｏ₃、ＩＴＯ等の材料
からなる電極８２ａ、８２ｂが設けられている。本発明
の液晶素子は、アクティブマトリクスタイプであり、一
方の基板に画素毎に画素電極をドット状に配置し、各画
素電極にＴＦＴやＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔ
ｏｒ−Ｍｅｔａｌ）等のアクティブ素子（スイッチング
素子）を接続し、他方の基板には一面或いは所定のパタ
ーン状に共通電極を設けてアクティブマトリクス電極構
造を形成する。

【００７１】電極８２ａ，８２ｂ上には、必要に応じて
これらの電極間でのショートを防止する等の機能を持た
せたＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等の材料からなる絶縁
膜８３ａ、８３ｂがそれぞれ設けられる。

【００７２】さらに、絶縁膜８３ａ，８３ｂ上には、液
晶層８５に接し、その配向状態を制御するべく機能する
配向膜８４ａ，８４ｂが設けられている。かかる配向膜
８４ａ、８４ｂの少なくとも一方には一軸配向処理が施
されている。かかる膜としては、例えば、ポリイミド、
ポリイミドアミド、ポリアミド、ポリビニルアルコール
等の有機材料を溶液塗工した膜の表面にラビング処理を
施したもの、或いはＳｉＯ等の酸化物、窒化物を基板に
対し斜め方向から所定の角度で蒸着した無機材料の斜法
蒸着膜を用いることができる。

【００７３】尚、配向膜８４ａ，８４ｂについては、そ
の材料の選択、処理（一軸配向処理等）の条件等によ
り、液晶層８５の液晶分子のプレチルト角（液晶分子の
配向膜付近で膜面に対してなす角度）が調整される。

【００７４】尚、配向膜８４ａ，８４ｂがいずれも一軸
配向処理がなされた膜である場合、それぞれの膜の一軸
配向処理方向（特にラビング方向）を、用いる液晶材料
に応じて平行、反平行、或いは４５°以下の範囲でクロ
スするように設定することができる。

【００７５】また、本発明の液晶素子においては、一対
の基板の少なくとも一方の液晶との界面に一軸配向処理
が施されていれば良く、上記配向膜に限定されるもので
はない。

【００７６】基板８１ａ，８１ｂは、スペーサー８６を
介して対向している。かかるスペーサー８６は、基板８
１ａ，８１ｂの間の距離（セルギャップ）を決定するも
のであり、シリカビーズ等が用いられる。ここで決定さ
れるセルギャップについては、液晶材料の違いによって
最適範囲及び上限値が異なるが、均一な一軸配向性、ま
たは電圧無印加時に液晶分子の平均分子軸をほぼ配向処
理軸の平均方向の軸と実質的に同一にする配向状態を発
現させるべく、０．３〜１０μｍの範囲に設定すること
が好ましい。

【００７７】スペーサー８６に加えて、基板１１ａ及び
１１ｂ間の接着性を向上させ、カイラルスメクチック液
晶の耐衝撃性を向上させるべく、エポキシ樹脂等の樹脂
材料等からなる接着粒子を分散配置することもできる
（図示せず）。

【００７８】上記構造の液晶素子８０では、液晶層８５
としてカイラルスメクチック液晶を用いる場合について
は、その材料の組成を調整し、さらに液晶材料の処理や
素子構成、例えば配向膜８４ａ及び８４ｂの材料、処理
条件等を適宜設定することにより、前述の図６に示すよ
うに、電圧無印加時では、該液晶の平均分子軸（液晶分
子）が単安定化されている配向状態を示し、駆動時では
一方の極性（第一の極性）の電圧印加時に印加電圧の大
きさに応じて平均分子軸の単安定化される位置を基準と
したチルト角が連続的に変化し、他方の極性（第二の極
性）の電圧印加時には液晶の平均分子軸は、印加電圧の
大きさに応じた角度でチルトし、且つ第一の極性の電圧
印加による最大チルト角が、第二の極性の電圧印加によ
る最大チルト角より大きいような特性を示すようにす
る。好ましくは、カイラルスメクチック液晶材料とし
て、降温下でＩｓｏ−Ｃｈ−ＳｍＣ^*の相転移系列、或
いはＩｓｏ−ＳｍＣ^*の相転移系列を示すものを用い、
前述した１）〜４）の処理によりＳｍＣ^*でメモリ性を
消失させた状態を形成する。

【００７９】そして、カイラルスメクチック液晶として
は、前述のような特性（液晶材料固有の物性値であるコ
ーン角Θ、スメクチック層の層間隔ｄ、傾斜角δについ
ての特性）を示すようなビフェニル骨格やフェニルシク
ロヘキサンエステル骨格、フェニルピリミジン骨格等を
有する炭化水素系液晶材料、ナフタレン系液晶材料、ポ
リフッ素系液晶材料を適宜選択して調整した組成物を用
いる。

【００８０】このような特性下において、基板８１ａ及
び８１ｂの少なくとも一方の外側に偏光板を設け、電圧
無印加の状態で最暗状態となるようにセルを配置し、電
圧印加時には上記したようなチルト角の連続的な変化に
伴う透過率変化によって、例えば図７に示すような特性
で素子の透過光量をアナログ的に制御することができ
る。

【００８１】当該液晶素子には、基板８１ａ及び８１ｂ
の一方に少なくとも、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の
カラーフィルタを設け、カラー液晶素子とすることもで
きる。

【００８２】尚、本発明の液晶素子は、基板８１ａ及び
８１ｂの両側に偏光板（図示せず）を設けた透過型の素
子、即ち基板８１ａ及び８１ｂのいずれも透光性基板で
あり、一方の基板側からの入射光（例えば外部光源によ
る光）を変調し、他方側に出射するタイプの素子、或い
は、少なくとも一方の基板側に偏光板を設けた反射型の
液晶素子、即ち基板８１ａ及び８１ｂの少なくとも一方
の側に反射板を設けるかもしくは一方の基板自体または
基板に別途設ける部材として反射性の材料を用いること
によって、入射光及び反射光を変調し、入射側に光を出
射するタイプの素子、のいずれにも適用することができ
る。

【００８３】本発明の液晶素子には、階調信号を供給す
る駆動回路を接続し、上述したような電圧の印加により
液晶の平均分子軸の単安定位置からの連続的なチルト角
の変化及び素子からの透過光量が連続的に変化する特性
を利用し、階調表示を行うことができる。即ち、液晶素
子の一方の基板を前述したようなＴＦＴ等を備えたアク
ティブマトリクス基板とし、駆動回路で振幅変調による
アクティブマトリクス駆動を行うことでアナログ階調表
示が可能となる。

【００８４】以下に本発明の液晶素子の一実施形態を挙
げ、図１１〜図１３を参照して説明する。

【００８５】図１１は、本発明の液晶素子の一実施形態
に駆動手段を接続した形で、一方の基板（アクティブマ
トリクス基板）の構成を中心に模式的に示した平面図で
ある。

【００８６】図１１に示す構成では、液晶素子に相当す
るパネル部９０において、駆動手段である走査信号ドラ
イバ９１に接続された走査信号線に相当する図面上水平
方向のゲート線Ｇ₁、Ｇ₂、…と、駆動手段である情報信
号ドライバ９２に接続された情報信号線に相当する図面
上縦方向のソース線Ｓ₁、Ｓ₂、…が互いに絶縁された状
態で直交するように設けられており、その各交点の画素
に対応してアクティブ素子（スイッチング素子）である
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）９４及び画素電極９５が設
けられている。尚、図１１では便宜上、５×５画素の領
域のみを示す。スイッチング素子としては、ＴＦＴの他
に、ＭＩＭ素子も用いることができる。

【００８７】ゲート線Ｇ₁、Ｇ₂、…はＴＦＴ９４のゲー
ト電極（図示せず）に接続され、ソース線Ｓ₁、Ｓ₂、…
はＴＦＴ９４のソース電極（図示せず）に接続され、画
素電極９５はＴＦＴ９４のドレイン電極（図示せず）に
接続されている。

【００８８】かかる構成において、走査信号ドライバ９
１によりゲート線Ｇ₁、Ｇ₂、…が例えば線順次に走査選
択されてゲート電圧が供給され、このゲート線の走査選
択に同期して情報信号ドライバ９２から、各画素に書き
込み情報に応じた情報信号電圧がソース線Ｓ₁、Ｓ₂、…
に供給され、ＴＦＴ９４を介して各画素電極に印加され
る。

【００８９】図１２は、図１１に示したようなパネル構
成における各画素部分（１ビット分）の断面構造の一例
を示す模式図である。同図に示す構造では、ＴＦＴ９４
及び画素電極９５を備えたアクティブマトリクス基板２
０と共通電極４２を備えた対向基板４０間に、自発分極
を有する液晶層４９が狭持され、液晶容量（Ｃ_lc）３１
が構成されている。

【００９０】図１１のアクティブマトリクス基板２０に
ついては、ＴＦＴ９４としてアモルファスＳｉＴＦＴを
用いた例を示している。ＴＦＴ９４はガラス等からなる
基板上に形成され、図１１に示すゲート線Ｇ₁、Ｇ₂、…
に接続されたゲート電極２２上に窒化シリコン（ＳｉＮ
_x）等の材料からなる絶縁膜（ゲート絶縁膜）２３を介
してａ−Ｓｉからなる半導体層２４が設けられており、
該半導体層２４上に、それぞれｎ⁺ａ−Ｓｉからなるオ
ーミックコンタクト層２５，２６を介してソース電極２
７、ドレイン電極２８が互いに離間して設けられてい
る。ソース電極２７は図１１に示すソース線Ｓ₁、Ｓ₂、
…に接続され、ドレイン電極２８はＩＴＯ等の透明導電
膜からなる画素電極９５に接続されている。また、ＴＦ
Ｔ９４における半導体層２４上をチャネル保護膜２９が
被覆している。このＴＦＴ９４は、該当するゲート線が
走査選択された期間においてゲート電極２２にゲートパ
ルスが印加されオン状態となる。

【００９１】さらに、アクティブマトリクス基板２０に
おいては、画素電極９５と、該電極の基板２１側に設け
られた保持容量電極３０により絶縁膜２３（ゲート電極
２２上の絶縁膜と連続的に設けられた膜）を狭持した構
造により保持容量（Ｃ_s）３２が液晶容量３１と並列の
形で設けられている。保持容量電極３０はその面積が大
きい場合、開口率を低下させるため、ＩＴＯ膜等の透明
導電膜により形成される。

【００９２】また、アクティブマトリクス基板２０のＴ
ＦＴ９４及び画素電極９５上には液晶の配向状態を制御
するための例えばラビング処理等の一軸配向処理が施さ
れた配向膜４３ａが設けられている。一方、対向基板４
０では、ガラス等の基板４１上に、全面同様の厚みで共
通電極４２、及び液晶の配向状態を制御するための配向
膜４３ｂが積層されている。尚、本発明においては、一
対の基板の少なくとも一方の液晶との界面に一軸配向処
理が施されていれば良く、上記配向膜に限定されるもの
ではない。

【００９３】尚、上記セル構造は、互いに偏光軸が直交
した関係にある一対の偏光板（図示せず）間に狭持され
て用いられる。

【００９４】上記構造のセルの画素部分において、液晶
層４９としては、図１０で説明したように、自発分極を
有するカイラルスメクチック液晶が用いられ、図６に示
すようなスイッチング動作及び図７に示す光学特性を示
すように設定される。

【００９５】尚、図１１、図１２に示したＴＦＴ９４と
しては、多結晶Ｓｉ（ｐ−Ｓｉ）ＴＦＴを用いることも
できる。

【００９６】図１２のパネルの画素部分の等価回路を図
１３に、駆動波形の一例を図１４に示し、本発明の液晶
素子におけるアクティブマトリクス駆動について説明す
る。

【００９７】本発明の液晶素子におけるアクティブマト
リクス駆動では、フレーム毎に液晶に印加される電圧の
極性を反転させる。図１４は、同じソース線に接続され
た隣接する２画素にかかる駆動波形である。

【００９８】図１４（ａ−１）、（ａ−２）は、同じソ
ース線に接続された任意の隣り合う２画素に着目した際
に、当該２画素にそれぞれ接続された走査信号線となる
ゲート線に印加される電圧を示す。図１１、図１２に示
された構造の液晶素子では、各フレーム毎にゲート線Ｇ
₁、Ｇ₂、…が例えば線順次で選択され、一ゲート線には
選択期間Ｔ_onにおいて所定のゲート電圧Ｖ_gが印加さ
れ、ゲート電極２２に電圧Ｖ_gが加わり、ＴＦＴ９４が
オン状態となる。他のゲート線が選択されている期間に
相当する非選択期間Ｔ_offにはゲート電極２２に電圧が
加わらずＴＦＴ９４は高抵抗状態（オフ状態）となる。

【００９９】図１４（ｂ）は、当該２画素の情報信号線
（ソース線）に印加される電圧Ｖ_sを示す。図１４（ａ
−１）、（ａ−２）で示すように各フレームで選択期間
Ｔ_onでゲート電極２２にゲート電圧が印加された際、こ
れに同期して当該画素に接続されたソース線Ｓ₁、Ｓ₂、
…からソース電極２７に、所定のソース電圧（情報信号
電圧）Ｖ_s（基準電位を共通電極４２の電位Ｖ_cとする）
が印加される。

【０１００】ここで、当該画素に書き込まれる情報、例
えば用いる液晶に応じた図７に示すような電圧−透過率
特性を基に当該画素で得ようとする光学状態または表示
情報（透過率）に応じたＶ_x或いは−Ｖ_x（基準電位を共
通電極４２の電位Ｖ_cとする）のソース電圧（情報信号
電圧）が各画素の液晶に印加される。この時、ＴＦＴ９
４がオン状態である画素においては、上記ソース電極２
７に印加される電圧Ｖ_x或いは−Ｖ_xがドレイン電極２８
を介して画素電極９５に印加され、液晶容量（Ｃ_ls）３
１及び保持容量（Ｃ_s）３２に充電がなされ、画素電極
９５の電位が情報信号電圧Ｖ_x或いは−Ｖ_xになる。続い
て当該画素の属するゲート線の非選択期間Ｔ_offにおい
てＴＦＴ９４は高抵抗（オフ状態）となるため、この非
選択期間には、液晶容量（Ｃ_lc）３１及び保持容量（Ｃ
_s）３２では選択期間Ｔ_onで充電された電荷が蓄積され
た状態を維持し、電圧Ｖ_x或いは−Ｖ_xが保持される。そ
して、当該画素における液晶層４９に１フレーム期間を
通して電圧Ｖ_x或いは−Ｖ_xが印加され、当該画素の液晶
部分ではこの電圧値に応じた光学状態（透過光量）が得
られる。

【０１０１】図１４（ｃ−１）、（ｃ−２）は、上述し
たような画素の液晶容量及び保持容量に実際に保持され
液晶層４９に印加される電圧値Ｖ_pix1（Ｄ１領域）及び
Ｖ_pix2（Ｄ２領域）を、図１４（ｄ−１）、（ｄ−２）
は当該画素での液晶の実際の光学応答（透過型液晶素子
とした場合での光学応答）を模式的に示す（（ｄ−１）
はＤ１領域、（ｄ−２）はＤ２領域））。

【０１０２】本発明の液晶素子においては、Ｄ１領域及
びＤ２領域のそれぞれにおいて印加される電圧の極性に
応じて示される透過率の大きさが逆になる。従って、Ｄ
１領域においては正極性印加フレームでは例えば図７に
示す特性に基づいてＶ_xに応じた階調表示状態（透過光
量）が得られるが、負極性印加フレームでは、例えば図
７に示すような特性によれば実際にはわずかな透過光量
の変化しか得られず、透過光量Ｔ_xより小さく、０レベ
ルに近いＴ_yとなる。またＤ２領域では上記Ｄ１領域と
は逆に、負極性印加フレームで−Ｖ_xに応じた階調表示
状態が得られ、正極性印加フレームでは０レベルに近い
Ｔ_yとなる。

【０１０３】このように、各フレームにおいて１走査ラ
イン毎に実質的に０レベルに近い表示が行われるため、
実質的に１Ｈ反転駆動と同じ表示状態が得られる。

【０１０４】

【実施例】〔液晶セルの作製〕透明電極として厚さ７０
０ÅのＩＴＯ膜を形成した厚さ１．１ｍｍの一対のガラ
ス基板を用意した。該基板の透明電極上に、下記の繰り
返し単位ＰＩ−ａを有するポリイミド前駆体をスピンコ
ート法により塗布し、その後、８０℃で５分間の前乾燥
を行った後、２００℃で１時間加熱焼成を施し、膜厚２
００Åのポリイミド被膜を得た。

【０１０５】

【化１】

【０１０６】続いて、当該基板上のポリイミド膜に対し
て一軸配向処理としてナイロン布によるラビング処理を
施した。ラビング処理の条件は、直径１０ｃｍのロール
にナイロン（帝人社製「ＮＦ−７７」）を貼り合わせた
ラビングロールを用い、押し込み量０．３ｍｍ、送り速
度１０ｃｍ／ｓ、回転数１０００ｒｐｍ、送り回数４回
とした。

【０１０７】次いで、一方の基板上にスペーサーとし
て、平均粒径２．０μｍのシリカビーズを散布し、各基
板のラビング処理方向が互いに反平行（アンチパラレ
ル）となるように対向させ、均一なセルギャップのセル
（単画素の空セル）を得た。

【０１０８】〔アクティブマトリクスセルの作製〕上記
同様の材料、及び条件の透明電極、ポリイミド配向膜を
用い、さらに、一方の基板をゲート絶縁膜として窒化シ
リコン膜を備えたａ−ＳｉＴＦＴを有するアクティブマ
トリクス基板とし、他方の基板にＲ、Ｇ、Ｂのカラーフ
ィルタを形成し、図１２に示す画素構造のアクティブマ
トリクスセル（パネル）を作製した。尚、ＴＦＴにおけ
る保持容量（Ｃ_s）はそれぞれの液晶の容量（Ｃ_lc）の
５倍となるように設定した。画面サイズは１０．４イン
チ、画素数は８００×６００×ＲＧＢとした。

【０１０９】〔液晶組成物の調製〕下記液晶性化合物を
混合して液晶組成物ＬＣ−１を調製した。構造式に併記
した数値は混合の際の重量比率である。

【０１１０】

【化２】

【０１１１】上記液晶組成物ＬＣ−１の物性パラメータ
を以下に示す。

【０１１２】

【化３】

【０１１３】上記のプロセスで作製した単画素セル及び
アクティブマトリクスセルのそれぞれに液晶組成物ＬＣ
−１をＩｓｏ相の温度で注入し、液晶をカイラルスメク
チック相を示す温度まで冷却し、この冷却の際、Ｃｈ−
ＳｍＣ^*相転移前後においてオフセット（直流）電圧を
印加して冷却する処理を施し、液晶素子サンプルを作製
した。サンプルは、上記冷却時に−５ＶのＤＣオフセッ
ト電圧を印加した単画素のサンプルＡ及びアクティブマ
トリクス素子サンプルＢ、及び、アクティブマトリクス
パネルのｍ行ｎ列の画素への電圧印加方法として、ｍが
偶数の画素には＋５ＶのＤＣオフセット電圧を、ｍが奇
数の画素には−５ＶのＤＣオフセット電圧を印加したア
クティブマトリクス素子サンプルＣを作製した。かかる
サンプルについて下記の評価を行った。

【０１１４】１−１．配向状態 素子サンプルＡの液晶の配向状態について偏光顕微鏡観
察を行った。

【０１１５】その結果、３０℃では、電圧無印加で最暗
軸がラビング方向と若干ずれた状態であり、且つ層法線
方向がセル全体で一方向しかないほぼ均一な配向状態が
観測された。

【０１１６】１−２．配向状態 素子サンプルＣの液晶の配向状態について偏光顕微鏡観
察を行った。

【０１１７】その結果、各画素については３０℃では、
電圧無印加で最暗軸がラビング方向と実質的に一致した
方向であり、且つ層法線方向が同一行内では一方向しか
ないほぼ均一な配向状態が観測された。また、隣り合っ
た行では層法線方向が互いに異なる配向状態となってい
た。

【０１１８】２．光学応答 液晶素子が示す電気光学応答を測定するために、素子サ
ンプルＡについてセルをクロスニコル下でフォトマルチ
プライヤー付き偏光顕微鏡に、偏光軸を電圧無印加状態
で暗視野となるように配置した。

【０１１９】これに３０℃において±５Ｖ、０．２Ｈｚ
の三角波を印加した際の光学応答を観測すると、正極性
の電圧印加に対しては、印加電圧の大きさに応じて徐々
に透過光量（透過率）が増加していった。一方、負極性
の電圧印加の際の光学応答の様子は、電圧レベルに対し
て透過光量が変化しているものの、その最大光量は、正
極性電圧印加の際の最大透過率と比較すると１／１０程
度であった。

【０１２０】３．矩形波応答 素子サンプルＡについて、三角波応答と同様の装置を用
いて、６０Ｈｚ、±５Ｖの矩形波電圧を印加して電圧値
を変化させながら光学レベルを測定した。

【０１２１】その結果、正極性の電圧には十分光学応答
し、その光学応答は前状態には依存せずに安定した中間
調状態が得られることが確認できた。また、負極性の電
圧に対しても同じで且つ絶対値の正極性電圧印加の場合
の１／１０程度の光学応答が確認され、正負の電圧に対
する光学応答の平均値は前状態に依存せず安定した中間
調が得られることが確認できた。

【０１２２】４−１．フリッカ特性評価 ＴＦＴを用いたアクティブマトリクスパネルであるサン
プルＢを用いてフリッカ特性評価を行った。この時、１
Ｈ反転駆動を行わずフレーム反転駆動を行った。その結
果、フリッカが顕著に観測された。

【０１２３】４−２．フリッカ特性評価 ＴＦＴを用いたアクティブマトリクスパネルであるサン
プルＢを用いてフリッカ特性評価を行った。この時、１
Ｈ反転駆動を行ない、且つフレーム反転駆動を行った。
その結果、フリッカは観測されなかったものの、中間調
の色再現性が悪く、鮮明な画像が得られなかった。

【０１２４】４−３．視野角特性評価 ＴＦＴを用いたアクティブマトリクスパネルであるサン
プルＣを用いてフリッカ特性評価を行った。この時、１
Ｈ反転駆動を行わずフレーム反転駆動を行った。その結
果、フリッカは観測されず、且つ中間調の色再現性の良
い、鮮明な画像を得ることができた。

【０１２５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
カイラルスメクチック液晶素子において、高速応答と階
調制御が可能であり、同時に、フリッカの発生が防止さ
れ鮮明な画像の優れた液晶素子が安価に得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳＳＦＬＣタイプの液晶素子における液晶配向
状態での液晶分子及び液晶層構造を示す模式図である。

【図２】図１の液晶配向状態における液晶分子の仮想コ
ーン底面への射影を示す模式図である。

【図３】ＳＳＦＬＣタイプの液晶素子及び本発明の液晶
素子の一実施形態の各液晶相での配向状態を示す模式図
である。

【図４】本発明の液晶素子の一実施形態におけるカイラ
ルスメクチック液晶相での配向状態を示す模式図であ
る。

【図５】カイラルスメクチックＣ相での配向状態を示す
模式図である。

【図６】本発明の液晶素子の一実施形態におけるカイラ
ルスメクチック液晶相での電圧印加による液晶分子の反
転挙動を示す模式図である。

【図７】本発明の液晶素子における電圧−透過率特性の
一例を示す図である。

【図８】ＳＳＦＬＣにおける双安定配向状態でのポテン
シャルの状態を示す模式図である。

【図９】本発明の液晶素子における配向状態でのポテン
シャルの状態を示す模式図である。

【図１０】本発明の液晶素子の一実施形態の一画素の構
造を模式的に示す断面図である。

【図１１】本発明の液晶素子の構成例を示す平面模式図
である。

【図１２】本発明の液晶素子の一画素の構成例を示す断
面模式図である。

【図１３】図１２に示した素子構造の等価回路を示す図
である。

【図１４】本発明の液晶素子をアクティブマトリクス駆
動する際の駆動波形及び光学応答の一例を示す図であ
る。

【図１５】本発明の液晶素子におけるＤ１領域とＤ２領
域の配置を示す平面模式図である。

【符号の説明】

１１，１２ 基板 １３ 液晶 １４，１４ａ，１４ｂ 液晶分子 １５ コーン １６ スメクチック層 １７ コーン底面 １８，１８ａ，１８ｂ 液晶分子の仮想コーン底面への
射影 １９ 自発分極 ２０ アクティブマトリクス基板 ２１ 基板 ２２ ゲート電極 ２３ ゲート絶縁膜 ２４ 半導体層 ２５，２６ オーミックコンタクト層 ２７ ソース電極 ２８ ドレイン電極 ２９ チャネル保護膜 ３０ 保持容量電極 ３１ 液晶容量 ３２ 保持容量 ４０ 対向基板 ４１ 基板 ４２ 共通電極 ４３ａ，４３ｂ 配向膜 ４９ 液晶層 ５０ 自発分極 ８０ 液晶素子 ８１ａ，８１ｂ 基板 ８２ａ，８２ｂ 電極 ８３ａ，８３ｂ 絶縁膜 ８４ａ，８４ｂ 配向膜 ８５ 液晶層 ８６ スペーサー ９０ パネル部 ９１ 走査信号ドライバ ９２ 情報信号ドライバ ９４ ＴＦＴ ９５ 画素電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 門叶 剛司 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2H088 EA02 FA02 FA10 GA04 HA03 HA04 HA06 HA08 HA21 JA19 KA12 KA14 KA15 KA16 KA20 KA21 KA25 LA04 LA06 LA07 LA08 MA01 MA10 MA13 2H090 HA03 HB02X HB02Y HB03X HB03Y HB08Y HC05 KA14 LA04 LA20 MA11 MA16 MB01 MB13 MB14 2H092 JA03 JA26 JB07 JB09 JB66 KA04 KA05 KA07 NA01 NA05 PA02 PA06 QA13

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数画素を個々に制御して画像を表示す
   る液晶素子であり、カイラルスメクチック液晶と、該液
   晶を狭持して対向すると共に少なくとも一方の液晶との
   界面に一軸配向処理が施された一対の基板と、画素毎に
   液晶を駆動する電極及び該電極に接続されたアクティブ
   素子と、少なくとも一方の基板の外側に配置した偏光板
   と、を備え、アナログ階調表示を行う液晶素子であっ
   て、電圧無印加時には、上記液晶の平均分子軸が単安定
   化された第一の状態を示し、第一の極性の電圧印加時に
   は、上記液晶の平均分子軸が印加電圧値に応じた角度で
   上記第一の状態から一方の側にチルトし、上記第一の極
   性とは逆極性の第二の極性の電圧印加時には、上記液晶
   の平均分子軸が印加電圧値に応じた角度で上記第一の状
   態から上記第一の極性の電圧印加時にチルトした側とは
   逆側にチルトし、上記第一の極性の電圧印加時と第二の
   極性の電圧印加時の液晶の平均分子軸の、上記単安定化
   された第一の状態の位置を基準とした最大チルト状態の
   チルト角をそれぞれβ１，β２としたとき、素子内に、
   互いにスメクチック層法線方向が異なる、β１＞β２と
   なるＤ１領域の画素とβ１＜β２となるＤ２領域の画素
   が走査ライン毎に互い違いに存在することを特徴とする
   液晶素子。
2. 【請求項２】 Ｄ１領域においてはβ１≧５×β２、Ｄ
   ２領域においてはβ２≧５×β１である請求項１記載の
   液晶素子。
3. 【請求項３】 上記Ｄ１領域及びＤ２領域において、ス
   メクチック層法線方向が各領域内で一方向である異なる
   請求項１または２に記載の液晶素子。
4. 【請求項４】 電圧無印加時に各画素の液晶が第一の透
   過率を呈し、Ｄ１領域における第二の極性の電圧印加及
   びＤ２領域における第一の極性の電圧印加によって、各
   画素の液晶が第二の透過率を呈し、Ｄ１領域における第
   一の極性の電圧印加及びＤ２領域における第二の極性の
   電圧印加によって各画素の液晶が第三の透過率を呈し、
   印加される電圧の大きさにより、液晶の平均分子軸の上
   記単安定化された位置からのチルトの角度を変化させる
   ことで、上記第二の透過率の最大値と第一の透過率との
   間で透過率を連続的に変化させる請求項１〜３のいずれ
   かに記載の液晶素子。
5. 【請求項５】 上記第一の透過率が素子における最小透
   過率であり、上記第二の透過率の最大値が素子の最大透
   過率である請求項４記載の液晶素子。
6. 【請求項６】 上記カイラルスメクチック液晶の相転移
   系列が、高温側より、等方相−コレステリック相−カイ
   ラルスメクチックＣ相、或いは、等方相−カイラルスメ
   クチックＣ相である請求項１〜５いずれかに記載の液晶
   素子。
7. 【請求項７】 上記カイラルスメクチック液晶のバルク
   状態でのらせんピッチがセル厚の２倍より長い請求項１
   〜６のいずれかに記載の液晶素子。
8. 【請求項８】 透過型液晶素子である請求項１〜７のい
   ずれかに記載の液晶素子。
9. 【請求項９】 反射型液晶素子である請求項１〜７のい
   ずれかに記載の液晶素子。