JP3054042B2 - 反強誘電性液晶素子およびその駆動方法 - Google Patents

反強誘電性液晶素子およびその駆動方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示装置やシャッ
タ部などに用いられる反強誘電性液晶素子およびその駆
動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、反強誘電性液晶（ＡＦＬＣ）が東
京工業大学・福田研究室のＣｈａｎｄａｎｉらにより発
見され（A.D.L.Chandani, E.Gorecka, Y.Ouchi, H.Take
zoe and A.Fukuda, Jpn.J.Appl.Phys.,28,L1265(198
9)）、この液晶を用いた表示方式の検討が始まってい
る。
【０００３】図１４（ａ）〜図１４（ｃ）に上記反強誘
電性液晶の動作原理を示す。この反強誘電性液晶は、バ
ルク状態では螺旋構造を有しているが、螺旋ピッチより
も薄いセル厚の液晶セルに注入すると、螺旋がほどけて
図１４（ａ）に示すような層構造の分子配列になる。こ
のように、反強誘電性液晶相においては分子が層構造と
なっており、各層で分子が層に対して傾いて配列してい
るが、強誘電性液晶の場合とは異なって、分子の傾く方
向が１層毎に逆方向になっており、暗状態になってい
る。この液晶セルに電界を印加すると、電界の方向に自
発分極を揃えるように分子が再配列して、図１４（ａ）
から図１４（ｂ）または図１４（ｃ）に示すような分子
配列となり、暗状態から明状態になる。この反強誘電性
液晶相の層法線に偏光板の偏光軸を合わせることによ
り、図１５に示すような２重ヒステリシス特性の電圧−
透過率曲線が得られる。このようなヒステリシス特性を
利用すると、単純マトリクス表示が可能であり、例えば
日本電装と昭和シェル石油とは共同で反強誘電性液晶表
示素子を試作している（Y.Yamada, N.Yamamoto, M.Yama
waki,I.Kawamura and Y.Suzuki, Proc. Japan Display
'92,57(1992)）。さらに、反強誘電性液晶相を用いた
単純マトリクス駆動の階調表示も報告されている（N.Ya
mada et al.,Ferroelectrics,149,295(1993)）。
【０００４】図１６に上記反強誘電性液晶素子の基本構
造の一例を示す。この反強誘電性液晶素子においては、
２枚のガラスなどからなる基板１、１上にそれぞれＩＴ
Ｏ（Indium Tin Oxide）からなる電極膜２、２がそれぞ
れ形成され、その上に絶縁膜５、５さらに配向膜３、３
がそれぞれ形成されて各基板部が形成されている。この
配向膜３としては、通常ポリイミドなどの高分子膜が用
いられ、その表面はラビング処理される。これら２枚の
基板部は配向膜３を内側にして配置され、セル厚を２μ
ｍ程度にしてシール材６により貼り合わせられて、その
基板部間隙に液晶材料４が注入されて封止され、液晶セ
ルが構成されている。この液晶セルの両面には一対の偏
光板７、７が設けられ、各電極膜２、２には駆動回路
（図示せず）が接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の反強誘電性
液晶素子においては、コントラストが低いという問題が
あった。この理由としては以下の２つが考えられる。
【０００６】（１）実際の反強誘電性液晶セルのヒステ
リシス特性においては、図１７の実線に示すような低電
圧側での透過光量の持ち上がりがある。つまり、図１７
の点線で示すようなヒステリシス特性が理想的である
が、実際には、反強誘電性液晶のソフトモードによる分
子の揺らぎが原因と考えられる分子運動によって透過光
量が持ち上がる。このため、単純マトリクス駆動した場
合にバイアス電圧によって光の漏れが生じ、十分に透過
光量の低い黒状態が得られにくい。このため、実際に、
日本電装と昭和シェルとが試作した反強誘電性液晶表示
素子においても、２０程度のコントラストしか得られて
いない。
【０００７】（２）一般に、反強誘電性液晶材料はネマ
ティック相を有していない。反強誘電性液晶素子の製造
においては、通常、液晶注入後、等方性液体から冷却し
て分子を配向させるが、等方性液体から直接スメクティ
ック相が出現するため、細かいドメインが生じやすく、
良好な初期配向が得られにくい。この初期状態が暗状態
の表示、電圧印加時が明状態の表示に相当するが、上記
細かいドメインのために初期状態で光の漏れが生じ、コ
ントラスト低下の原因となる。
【０００８】以上の理由から、従来の単純マトリクス反
強誘電性液晶素子においては、コントラストが１００：
１以上の高品位な液晶表示を実現することが困難と予想
される。
【０００９】一方、反強誘電性液晶セルを２つ以上重ね
合わせた素子として、例えば、特開平４−１２２９１３
号公報および特開平１４２５８３号公報が報告されてい
る。この特開平４−１２２９１３号公報においては、そ
れぞれ２色性色素を含む２つの反強誘電性液晶セルの層
法線を一致させると共に電界印加によるチルト方向を逆
にしたゲストホスト型素子が開示されている。この反強
誘電性液晶表示素子は、電界無印加時に明状態、電界印
加時に暗状態が得られるものである。しかし、この素子
は、高いコントラストを得るために、電界印加時に第１
のセルの分子長軸と第２のセルの分子長軸のなす角度と
を９０°以上にする必要がある。周知のように、反強誘
電性液晶のチルト角には温度依存性があり、また、上記
方法ではチルト角が４５°以下の反強誘電性液晶を用い
た場合に９０°の角度が得られないので、高いコントラ
ストが得られない。
【００１０】また、特開平１４２５８３号公報において
は、２つの反強誘電性液晶セルの電圧無印加時における
光学軸（反強誘電性液晶は光学軸と層法線とが一致す
る）を一致させ、２層のセルを挟んで設置された一対の
偏光板の一方の偏光軸とセルの光学軸とを一致させる素
子が開示されている。この反強誘電性液晶表示素子は、
電界無印加時に暗状態、電界印加時に明状態が得られる
ものである。しかし、この素子は、高いコントラストを
得るために電界無印加時における消光性が重要であり、
１層型の反強誘電性液晶表示素子と同様なコントラスト
の問題が解決されていない。
【００１１】さらに、２つの強誘電性液晶セルを、その
層法線が直交するように重ね合わせた素子として、例え
ば特開平４−１８６２３０号公報および第１７回液晶討
論回予稿集 ４０８頁〜４０９頁（１９９１）が報告さ
れている。
【００１２】この特開平４−１８６２３０号公報におい
ては、２つの双安定型強誘電性液晶セルをその層法線が
直交するように重ね合わせた光学変調素子が開示されて
いる。この素子においては、２層のセルを重ね合わせる
ことにより液晶分子のコーン角度の温度依存性が打ち消
され、温度が変化しても良好な黒状態が得られる。しか
し、この素子では、双安定性の強誘電性液晶を用いてい
るので階調表示が得られない。
【００１３】また、第１７回液晶討論回予稿集 ４０８
頁〜４０９頁（１９９１）には、２つの強誘電性液晶セ
ルをその層法線が直交するように重ね合わせた液晶表示
素子が開示されている。しかし、この素子は、２つのセ
ルに印加される方形波の位相をずらすことにより階調表
示を得るものであり、また、この報告では反強誘電性液
晶については言及されていない。
【００１４】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、高コントラストで階調表示が可能な反強誘電性液晶
素子およびその駆動方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の反強誘電性液晶
素子は、少なくとも第１の反強誘電性液晶セルと、第２
の反強誘電性液晶セルとを備え、該第１および第２の反
強誘電性液晶セルは、各々電極膜と配向制御層とが形成
された一対の電極基板の間に反強誘電性液晶材料が狭持
されてなり、該第１の反強誘電性液晶セルにおける反強
誘電性液晶相の層法線と、該第２の反強誘電性液晶セル
における反強誘電性液晶相の層法線とが直交するよう
に、該第１および第２の反強誘電性液晶セルが配置され
ており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１６】前記第１および第２の反強誘電性液晶セル
を挟んで、一対の偏光板が各々の偏光軸を直交させるよ
うに配置されているのが望ましい。
【００１７】前記偏光板の一方の偏光軸が、前記第１お
よび第２の反強誘電性液晶セルの一方における反強誘電
性液晶相の層法線と一致しているのが望ましい。
【００１８】前記第１および第２の反強誘電性液晶セル
の少なくとも一方が、二色性色素を含んでいてもよい。
【００１９】また、本発明の反強誘電性液晶素子の駆動
方法は、少なくとも第１の反強誘電性液晶セルと、第２
の反強誘電性液晶セルとを備え、該第１および第２の反
強誘電性液晶セルが、各々電極膜と配向制御層とが形成
された一対の電極基板の間に反強誘電性液晶材料が狭持
されてなり、該第１の反強誘電性液晶セルにおける反強
誘電性液晶相の層法線と、該第２の反強誘電性液晶セル
における反強誘電性液晶相の層法線とが直交するよう
に、該第１および第２の反強誘電性液晶セルが配置され
た反強誘電性液晶素子に対して、該第１および第２の反
強誘電性液晶セルの一方に、分子が反強誘電性液晶状態
から強誘電性液晶状態に転移するのに十分な所定の極性
の電圧を印加して、該一方の反強誘電性液晶セルの光軸
を傾けると共に、該第１および第２の反強誘電性液晶セ
ルの他方に、任意の電圧を印加することにより階調表示
を得ており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２０】また、本発明の反強誘電性液晶素子の駆動
方法は、少なくとも第１の反強誘電性液晶セルと、第２
の反強誘電性液晶セルとを備え、該第１および第２の反
強誘電性液晶セルが、各々電極膜と配向制御層とが形成
された一対の電極基板の間に反強誘電性液晶材料が狭持
されてなり、該第１の反強誘電性液晶セルにおける反強
誘電性液晶相の層法線と、該第２の反強誘電性液晶セル
における反強誘電性液晶相の層法線とが直交するよう
に、該第１および第２の反強誘電性液晶セルが配置され
た反強誘電性液晶素子に対して、該第１および第２の反
強誘電性液晶セルの一方に、分子が反強誘電性液晶状態
から強誘電性液晶状態に転移するのに十分な所定の極性
の電圧を印加する第１の期間と、該所定の極性の電圧と
同じ強さの逆の極性の電圧を該第１の期間と同じ時間だ
け印加する第２の期間とを繰り返しており、そのことに
より上記目的が達成される。
【００２１】
【作用】本発明においては、第１の反強誘電性液晶セル
における反強誘電性液晶相の層法線と、第２の反強誘電
性液晶セルにおける反強誘電性液晶相の層法線とが直交
している。
【００２２】これら第１および第２のセルの一方に、分
子が反強誘電性液晶状態から強誘電性液晶状態に転移す
るのに十分な所定の極性の電圧を印加すれば、そのセル
の光軸がθだけ傾く。その状態で他方のセルに任意の電
圧を印加すれば、その電圧値と極性の符号によりそのセ
ルの光軸がθから−θの間で変化する。その結果、電圧
に応じた透過光量が得られ、階調表示を行うことが可能
となる。また、２θ＝４５°の時に最も明るい表示が得
られるが、このような材料は、１層型の素子で必要とさ
れるθ＝４５°の材料に比べて容易に得られる。
【００２３】反強誘電性液晶相は電圧無印加時に光軸と
層法線とが一致するので、２枚の偏光板を偏光軸を直交
させて設けると、電界無印加時には暗状態が得られる。
この状態を表示に使用しないので、従来の素子のような
光漏れによるコントラスト低下は生じない。
【００２４】このとき、一方の偏光板の偏光軸を一方の
セルの層法線に一致させると、特性を対称にすることが
できる。
【００２５】一方のセルに２色性色素を含ませると、偏
光板を用いなくても階調表示が得られるが、偏光板を用
いるとさらにコントラストを向上させることができる。
【００２６】セルの一方に、分子が反強誘電性液晶状態
から強誘電性液晶状態に転移するのに十分なある極性の
電圧と、同じ強さの逆の極性の電圧とを、一定の期間毎
に切り換えて印加すると、直流成分が残らないので素子
の動作信頼性が向上する。
【００２７】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。な
お、以下の各実施例によって、本発明が限定されるもの
ではない。
【００２８】（実施例１）図１は、本発明の実施例１に
おける反強誘電性液晶素子の構成を示す断面図である。
図１に示すように、この液晶素子は、第１の反強誘電性
液晶セル８ａと第２の反強誘電性液晶セル８ｂとを上下
に備えた２層型であり、各セル８ａ、８ｂは、一対の基
板１、１上にそれぞれ、電極膜２、２さらに配向制御層
３、３がそれぞれ形成された一対の基板部が、配向制御
層３側を内側にして対向配設されており、これら基板部
間隙に反強誘電性液晶材料４がそれぞれ狭持されてい
る。
【００２９】このように、第１の反強誘電性液晶セル８
ａと第２の反強誘電性液晶セル８ｂとは、同一の反強誘
電性液晶材料４が狭持され、反強誘電性液晶相の層法線
方向が直交するように配置されている。
【００３０】これらセル８ａ、８ｂを構成する基板１と
しては、ガラス基板、Ｓｉ基板などが用いられる。ま
た、電極膜２は、２個のセル８ａ、８ｂの表面側から少
なくとも３枚は透明電極である必要があるので通常ＩＴ
Ｏなどが用いられ、必要に応じて所定の形状にパターニ
ングされている。ここでは、透過型素子とするために４
枚とも透明電極とした。さらに、配向制御層３として
は、液晶分子を基板にほぼ水平に配列させるものが好ま
しく、液晶分子を基板にほぼ垂直に配向させるものは好
ましくない。例えばＳｉＯ斜法蒸着膜やポリイミド膜な
どを用いることができる。この配向制御層３としてポリ
イミド膜を用いる場合には、成膜後、一軸配向性を付与
するためにその表面をラビングする。最近では、ラビン
グ以外の方法で分子を配列させる方法も多数報告されて
おり、これらを適宜用いてもよい。この配向制御層３と
電極膜２との間には必要に応じて絶縁膜（図示せず）が
形成される。
【００３１】この状態の基板部が、ギャップ２μｍ程度
で貼り合わせられている。このとき、基板ギャップを制
御するためにスペーサの散布などを行ってもよい。この
基板部間隙に反強誘電性液晶材料４を注入して封止する
ことにより反強誘電性液晶素子が作製される。
【００３２】さらに、図２（ａ）に示すように、２個の
セル８ａ、８ｂを挟むように２枚の偏光板７ａ、７ｂが
配置されている。
【００３３】電界無印加時の光軸の配置を図２（ｂ）に
示している。この電界無印加時には、反強誘電性液晶相
の層法線と各々の光軸１０３ｂ、１０４ｂとが一致して
おり、第１のセル８ａと第２のセル８ｂの光軸１０３
ｂ、１０４ｂが直交するようにセル８ａ、８ｂを配置し
ているので、その偏光板７ａ、７ｂを偏光軸１０１、１
０２が直交するように配置すれば暗状態が得られる。
【００３４】この第２のセル８ｂに、分子が反強誘電性
液晶状態から強誘電性液晶状態に転移するのに十分な所
定の極性の電圧を印加すると、図２（ｃ）に示すよう
に、第２のセル８ｂの光軸１０４ｃが角θだけ傾く。こ
の角θは材料により異なり、また、傾く向きは、用いる
反強誘電性液晶材料の自発分極の符号と電圧の符号の関
係で決まる。このとき、第１のセル８ａに同じ値、同じ
極性の電圧を印加すると、図２（ｃ）に示すように、第
１のセルの光軸１０３ｃが角度θだけ傾く。このとき、
第１のセル１０３ｃと第２のセルの光軸１０４ｃが直交
しているので、暗状態が得られる。
【００３５】また、この第２のセル８ｂに、上述と同様
の電圧を印加し、第１のセル８ａに同じ値で逆極性の電
圧を印加すると、図２（ｄ）に示すように、第１のセル
８ａの光軸１０３ｄが角度（−θ）だけ傾く。このと
き、第１のセル８ａの光軸１０３ｄと第２のセル８ｂの
光軸１０４ｄとがなす角度２θが９０°でなければ
（明）状態が得られ、２θが４５°の時に最も明るい
（明）表示が得られる。
【００３６】よって、この第２のセル８ｂに、分子が反
強誘電性液晶状態から強誘電性液晶状態に転移するのに
十分な所定の極性の電圧を印加し、その状態で第１のセ
ル８ａに任意の所望の電圧を印加すると、その印加電圧
値と極性の符号によりそのセルの光軸がθから−θの間
で変化する。その結果、その印加電圧に応じた透過光量
が得られ、第１のセル８ｂに印加する電圧を負〜正の任
意の値に変化させることにより任意の明るさを得ること
ができる。例えば、第１のセル８ａへの電圧印加を０Ｖ
としたときには、光軸１０３ｅが図２（ｅ）のようにな
って、中間的な明るさが得られることになる。したがっ
て、所望の透過光量に応じて適切な電圧を第１のセル８
ｂに印加することにより階調表示を得ることができる。
【００３７】１層型反強誘電性液晶表示素子の場合には
θが４５°の時に最も明るい表示が得られ、このような
材料の作製は容易ではないが、本実施例の場合にはθ＝
２２．５°の材料により最も明るい表示を得ることがで
きるので、作製が比較的容易である。
【００３８】このように、上記実施例１においては、２
つの反強誘電性液晶セル８ａ、８ｂの層法線を直交する
ように重ね合わせることにより、高コントラストで階調
表示可能な反強誘電性液晶素子を得ることができた。
【００３９】本実施例１においては、第１の反強誘電性
液晶セル８ａと第２の反強誘電性液晶セル８ｂとは入れ
換えて配置してもよい。
【００４０】また、第１の偏光板７ａの偏光軸を第１の
セル８ａの層法線に一致させたが、その他の配置でもよ
い。また、２枚の偏光板７ａ、７ｂの偏光軸が直交する
ことは必要であるが、偏光板の偏光軸とセルの層法線と
は角度を有して配置してもよい。ただし、素子特性の対
称性の点からは、偏光板の偏光軸を一方のセルの層法線
に一致させる方が好ましい。
【００４１】また、本実施例１においては、素子の両表
面に２枚の偏光板７ａ、７ｂを配置したが、第１のセル
８ａおよび第２のセル８ｂに２色性色素を含ませて偏光
板を用いない構成とすることもできる。この場合、１枚
または２枚の偏光板を用いると、さらにコントラストを
向上させることができる。ただし、２枚の偏光板を用い
た場合には、偏光軸を直交させる必要がある。また、第
１のセル８ａおよび第２のセル８ｂの一方または両方に
２色性色素を用いて２枚の偏光板を用いてもコントラス
トを向上させることができる。
【００４２】また、第１のセル８ａおよび第２のセル８
ｂに狭持される反強誘電性液晶材料４は、厳密に同一で
なくてもよく、電圧−透過光量特性がほぼ同じ材料であ
れば、用いることができる。
【００４３】上記第２の反強誘電性液晶セル８ｂに、例
えば図３に示すように、時間的に正負の極性を切り換え
て電圧を印加し、第１の反強誘電性液晶セル８ａに所望
の透過光量に応じて適切な電圧を印加してもよい。この
ようにして駆動を行うと、直流成分が残らないようにす
ることができるので、素子の動作信頼性を向上させるこ
とができる。
【００４４】さらに、本発明の反強誘電性液晶表示素子
は、セルの電極膜をＸ−Ｙマトリクス型に形成すること
によりＸ−Ｙマトリクス型表示素子とすることもでき
る。なお、２つの反強誘電性液晶セルの各々をＸ−Ｙマ
トリクス型としてもよい。
【００４５】Ｘ−Ｙマトリクス表示を行う一般的な方法
としては、例えば素子をアクティブ駆動する方法が考え
られる。このアクティブ駆動型素子においては、例えば
電極膜と配向制御層とを有する透光性基板と、電極膜と
配向制御層と回路素子とを有するＳｉ基板との間に、反
強誘電性液晶材料を狭持してセルを構成する。このＳｉ
基板に組み込まれた回路素子を通して反強誘電性液晶に
印加される電圧値を変えることにより、階調表示を得る
ことができる。なお、Ｓｉ基板は透光性を有さないの
で、第１または第２のセルのうち、観察者側と反対側の
セルにＳｉ基板を用いて反射型液晶素子として用いるこ
とができる。
【００４６】以下、実施例２において、本発明の反強誘
電性液晶表示素子などの反強誘電性液晶素子をアクティ
ブ駆動する方法について説明する。
【００４７】（実施例２）本実施例２では、第１の反強
誘電性液晶セルをシリコンゲートＮＭＯＳ（Ｎ型金属−
酸化膜−シリコン）のスイッチング回路素子を搭載した
基板を用いてＸ−Ｙマトリクス型のセルとし、第２の反
強誘電性液晶セルをＸ−Ｙマトリクス型でないセルとし
て反射型の反強誘電性液晶表示素子を作製した。
【００４８】図４は本実施例２の反強誘電性液晶表示素
子の１画素分の断面図、図５は図４の第１のセル１８ａ
の平面図を示している。この反強誘電性液晶表示素子に
おいて、第１のセル１８ａは、Ｐ型単結晶シリコンから
なる基板１７上にシリコン酸化膜１６が形成され、シリ
コン酸化膜１６は、各画素毎に５箇所の貫通孔１６ａ、
１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅが形成されている。各
貫通孔１６ａ〜１６ｅの下部を含む基板１７の複数の領
域にはＮ型拡散層が形成されており、各々Ｎ型拡散領域
３８、ソース領域３９、４２、ドレイン領域４０、４１
となっている。ポリシリコン膜からなるゲート電極４７
およびゲート電極４８は、それぞれソース領域３９とド
レイン領域４０とに亘り、ソース領域４２とドレイン領
域４１とに亘って基板１７上に形成され、シリコン酸化
膜１６がゲート電極４７、４８を覆っている。このゲー
ト電極４７、ソース領域３９、ドレイン領域４０により
トランジスタＱ１が構成され、ゲート電極４８、ソース
領域４２、ドレイン領域４１によりトランジスタＱ２が
構成されている。
【００４９】これら各トランジスタＱ１、Ｑ２のゲート
電極４７、４８は、基板１７上でシリコン酸化膜１６と
接続用アルミニウム電極４４とで隔てられている。各単
位画素領域には、これら２つのトランジスタＱ１、Ｑ２
と共に補助容量５３が設けられている。この補助容量５
３は、トランジスタＱ１に近接してシリコン酸化膜１６
中に形成されたポリシリコン電極４６とこの位置に対応
して基板１７中に設けられたＮ型拡散層３８と、これら
に挟まれた絶縁膜１６ｆとで構成されている。上記貫通
孔１６ａ〜１６ｅの上縁部周辺のシリコン酸化膜１６上
には、基板１７表面に達する状態で、それぞれアルミニ
ウムなどからなる接地電極３２、ソース電極３３、３
７、ドレイン電極３５、３６が形成されている。この接
地電極３２は接地ライン４３に接続され、ソース電極３
３は電源ライン３４に接続され、ソース電極３７はデー
タライン６３に接続されている。各電極３２、３３、３
５、３６、３７、走査ライン６２およびデータライン６
３の全面を被覆して、基板１７上に形成された回路を保
護するための酸化シリコンなどの電気絶縁性材料からな
る保護膜５０が形成されている。
【００５０】この保護膜５０は接続用電極４４に相当す
る位置に貫通孔５１が形成され、保護膜５０上に、各画
素毎に反射電極４５が形成されている。この反射電極４
５の一部は貫通孔５１を介して接続用電極４４に接続さ
れている。このため、ドレイン電極４０は、接続用電極
３５、４４を介して反射電極４５に接続されている。本
実施例２では反射電極４５として反射率の高いアルミニ
ウムを用いたが、それ以外のものを用いてもよい。
【００５１】トランジスタＱ２のゲート電極４８は走査
線６２に接続され、トランジスタＱ、２のソース領域４
２は走査ライン６２に交差するデータライン６３に接続
されている。このトランジスタＱ２のドレイン領域４１
とトランジスタＱ１のゲート電極４７と補助容量５３の
ポリシリコン電極４６とはシリコン酸化膜１６上に形成
された共通のアルミニウム配線４９に接続されている。
【００５２】本実施例２では、ゲート電極４７、４８、
電極４５としてポリシリコン膜を用いたが、それ以外の
ものを用いてもよい。
【００５３】この単結晶シリコン基板１７をベースにし
た基板部は、その最上面に配向膜（図示せず）が形成さ
れている。この基板部と、透明ガラス基板１上に透明電
極２からなる対向電極さらに配向膜（図示せず）が形成
された基板部とが、配向膜（図示せず）側を対向させて
貼り合わせられ、その基板間隙に反強誘電性液晶材料４
が狭持されて第１の反強誘電性液晶セル１８ａが構成さ
れている。
【００５４】次に、第２の反強誘電性液晶セル１８ｂ
は、透明ガラス基板１、１上にそれぞれ、透明電極２、
２さらに配向膜３、３が形成された基板部を、配向膜３
側が対向するように配置され、その基板間隙に反強誘電
性液晶材料４が狭持されている。この第２の反強誘電性
液晶セル１８ｂと上記第１の反強誘電性液晶セル１８ａ
とを重ね合わせて２層型の反強誘電性液晶表示素子が構
成される。この素子は、第２のセル１８ｂの第１のセル
１８ａと反対側表面には後述するフィルタ５２が配置さ
れ、第２のセル１８ｂ側を光入射側にして用いられる。
【００５５】上記反射電極４５と接続用電極４４との接
続抵抗を抑制するためには、反射電極４５の形成後に熱
処理を行う。このとき、反射電極４５の表面に凹凸が生
じて反射率の低下をもたらすことがある。よって、本実
施例２では、反射電極４５の表面を平滑にして反射率を
高めるために、保護膜５０を形成後と、反射電極４５の
形成後に行う上記熱処理後とに、それぞれ反射電極４５
の表面を研磨して平滑化した。このように反射電極表面
４５を平滑化することは、液晶の配向の向上にもつなが
る。特に、反強誘電性液晶材料のように配向制御が困難
で基板の微小な凹凸により欠陥が生じる場合には、反射
電極の平滑化は配向を良好にするために極めて有効であ
る。
【００５６】この実施例２では、各画素を構成する反射
電極４５を図６に示すようにマトリクス状に配置した
が、画素をデルタ配列としてもよい。
【００５７】本実施例２においては、基板１７として単
結晶Ｓｉ基板を用いているので、ＩＣ製造技術をそのま
ま第１の反強誘電性液晶セル１８ａの製造に適用するこ
とが可能である。即ち、微細加工技術、高品質薄膜形成
技術、高精度不純物導入技術、結晶欠陥制御技術、製造
技術、装置および回路設計技術、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔ
ｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎｅ）技術など高度に発
達した先端技術を適用することができる。これに加え
て、既設のＩＣ工場のクリーンルームで他のＩＣと同時
に製造することもできるので、新たな設備投資を殆ど必
要とせず、製造コストを低くすることができる。
【００５８】次に、本実施例２におけるフィールド順次
方式のカラー化技術について、図７を参照しながら説明
する。
【００５９】図７は図４のフィルタ５２の構成を示す断
面図である。このフィルタ５２は、平板型で色彩順次切
り替えが高速で可能なカラーフィルタである。このフィ
ルタ５２は、シアンフィルタ２９Ｃ、マゼンタフィルタ
２９Ｍ、黄色フィルタ２９Ｙがこの順に積層されてい
る。このシアンフィルタ２９Ｃは、一対の透明基板２
０、２１の対向する表面の全面に渡って透明電極（図示
せず）をそれぞれ形成し、基板２０、２１間に後述する
シアン色を発色可能な２色性色素を含む液晶２２を介在
させて構成されている。また、マゼンタフィルタ２９Ｍ
は、一対の透明基板２３、２４の対向する表面の全面に
渡って透明電極（図示せず）をそれぞれ形成し、基板２
３、２４間に後述するマゼンタ色を発色可能な２色性色
素を含む液晶２５を介在させて構成されている。さら
に、黄色フィルタ２９Ｙは、一対の透明基板２６、２７
の対向する表面の全面に渡って透明電極（図示せず）を
それぞれ形成し、基板２６、２７間に後述する黄色を発
色可能な２色性色素を含む液晶２８を介在させて構成さ
れている。
【００６０】これら各シアンフィルタ２９Ｃ、マゼンタ
フィルタ２９Ｍおよび黄色フィルタ２９Ｙは、入射光か
らシアン、マゼンタおよび黄色の帯域の光を各々吸収す
るフィルタである。したがって、シアンフィルタ２９
Ｃ、マゼンタフィルタ２９Ｍおよび黄色フィルタ２９Ｙ
を透過した透過光は各々赤色、緑色および青色となる。
本実施例２の反強誘電性液晶表示素子においては、シア
ンフィルタ２９Ｃ、マゼンタフィルタ２９Ｍ、黄色フィ
ルタ２９Ｙの各透明電極に、ぞれぞれスイッチング回路
３０Ｃ、３０Ｍ、３０Ｙを介して交流電源３１から交流
電圧が供給される。スイッチング回路３０Ｃ、３０Ｍ、
３０Ｙは各々表示制御回路１６からの切り替え信号に基
づいてシアンフィルタ２９Ｃ、マゼンタフィルタ２９
Ｍ、黄色フィルタ２９Ｙに選択的に交流電圧を印加して
各フィルタをオン／オフ制御し、表示を行わせる。この
ように各フィルタをオン／オフ制御することにより、３
原色である赤色光、緑色光、青色光を生成することがで
きる。
【００６１】下記（表１）に各フィルタの駆動状態と透
過光の色彩との対応関係を示している。
【００６２】
【表１】
【００６３】図８は、図７のフィルタ５２の基本的動作
を示すタイミングチャートである。図８に示すように、
時刻ｔ１からｔ３までの期間にシアンフィルタ２９Ｃに
電圧が印加される。液晶分子は電圧を印加しても直ちに
配向状態が変化するわけではなく、一定の遷移期間τを
必要とし、この期間τは液晶分子の電界に対する応答回
復速度に対応している。このため、時刻ｔ１に電圧印加
が開始されても実際にシアンフィルタ２９Ｃがその電圧
に応答して配向状態の変化が安定するのは遷移期間τを
経過した後の時刻ｔ２である。したがって、時刻ｔ２か
ら時刻ｔ３のまでの期間ＴＲにおいてフィルタ５２の透
過光は赤色光となる。その後、同様に、シアンフィルタ
２９Ｃ、マゼンタフィルタ２９Ｍ、黄色フィルタ２９Ｙ
の順で各フィルタへの電圧印加が繰り返され、フィルタ
５２の透過光が赤色光、緑色光、青色光となる。
【００６４】なお、このフィルタ５２の構成は、上記構
成に限らず、赤、青、緑の２色性色素を含む３種類の液
晶で構成してもよく、カラー偏光板と液晶パネルの積層
構造やニュートラル偏光板と液晶パネルとの積層構造な
ど、基本的に所望の色を高速変換できるものであれば使
用可能である。
【００６５】以下に、フィルタ５２に用いられる各液晶
２２、２５、２８に求められる応答特性を示す。実用的
な映像表示を行う場合のフレーム周波数の下限は約３０
Ｈｚであるので、上記実施例においては赤、青、緑の各
色に対応して表示される許容時間は約１０ミリ秒であ
る。１０ミリ秒で十分な表示を行わせるためには、フィ
ルタ５２は各々応答時間数ミリ秒以下で色変調および表
示が実現可能であるものが求められる。本実施例２で
は、特に高速応答可能な液晶表示モードを利用した。
【００６６】次に、液晶駆動電圧について説明する。
【００６７】図９に、本実施例２の反強誘電性液晶表示
素子の画素配置図を示しており、簡単のために、画素Ｐ
１／１〜画素Ｐ１／３、画素Ｐ２／１〜画素Ｐ２／３
（以下、総称する場合には画素Ｐという）からなるマト
リクスにより動作を説明するが、実際には必要とされる
走査ライン数とデータライン数とを備えた構成とする。
この素子は、複数の画素Ｐ１／１〜画素Ｐ１／３、画素
Ｐ２／１〜画素Ｐ２／３が単結晶シリコン基板７上に形
成され、各画素Ｐ毎に図１０の等価回路に示すような駆
動電圧供給回路５４を備えている。各画素Ｐには行方向
にゲート信号ＳＧ１、ＳＧ２（以下、総称する場合には
ゲート信号ＳＧという）を供給する複数の走査ライン６
２ａ、６２ｂと、電源を供給する複数の電源ライン３４
とが接続されており、列方向にはデータ信号ＳＤ１、Ｓ
Ｄ２（以下、総称する場合にはデータ信号ＳＤという）
を供給する複数のデータライン６３ａ〜６３ｃが接続さ
れている。
【００６８】複数の画素Ｐ１／１〜画素Ｐ１／３には電
源ライン３４ａにより第１電源からの電圧が共通に供給
され、走査ライン６２ａにより走査信号ＳＧ１が共通に
入力される。複数の画素Ｐ２／１〜画素Ｐ２／３には他
の電源ライン３４ｂにより第２電源からの電圧が共通に
供給され、他の走査ライン６２ｂにより走査信号ＳＧ２
が共通に入力される。画素Ｐ１／１および画素Ｐ２／１
にはデータライン６３ａにより信号ＳＤ１が供給され、
画素Ｐ１／２および画素Ｐ２／２には他のデータライン
６３ｂにより信号ＳＤ２が供給され、画素Ｐ１／３およ
び画素Ｐ２／３には更に他のデータライン６３ｃにより
信号ＳＤ３が供給される。
【００６９】次に、画素Ｐ毎に設けられた液晶駆動回路
について説明する。
【００７０】図１０は図４の反強誘電性液晶層４を駆動
するスイッチング回路５４の一例を示す回路図である。
図１０において、液晶に電圧を印加するトランジスタＱ
１としては、ゲート電位とドレイン電位とがほぼ直線的
な関係を示す性能を有するトランジスタを利用すること
が望ましい。また、トランジスタＱ１は液晶層４の液晶
ＬＣに直接電圧を供給するので、液晶のスイッチングに
必要な電圧に対する耐圧が必要である。また、トランジ
スタＱ２はデータ信号ＳＤをトランジスタＱ１に供給す
るトランジスタであり、オフ時のリーク電流が少ないこ
とが望ましい。補助容量ＣSはトランジスタＱ２からの
データ信号ＳＤを保持する。データライン６３にデータ
信号ＳＤが供給されると、走査ライン６２に走査信号Ｓ
Ｇを印加して、トランジスタＱ２をオンさせる。このと
き、データ信号ＳＤがトランジスタＱ２を介してトラン
ジスタＱ１のゲートに印加される。これと同時に補助容
量ＣSにデータ信号ＳＤが保持される。トランジスタＱ
１はデータ信号ＳＤに対応した電圧を液晶層４の液晶Ｌ
Ｃに印加するようにスイッチングする。
【００７１】このトランジスタＱ１のオン状態は、補助
容量ＣSに蓄積された電荷によりトランジスタＱ２がオ
フ状態となった後でもそのまま保持される。このように
本実施例２のスイッチング回路５４を用いると、液晶材
料の抵抗値が低い場合や自己分極が大きい場合でも良好
な表示品位を得ることができる。
【００７２】このように、シリコン単結晶基板１７を利
用することにより複数のトランジスタやコンデンサを利
用した回路を構成することができ、従来のＴＦＴでは実
現できなかった機能を備えた反強誘電性液晶表示素子を
実現することができる。なお、図１０に示した等価回路
は基本的な概念を示すものであり、トランジスタや他の
素子などを付加することによりさらに望ましいものにす
ることができる。
【００７３】このようにして構成を簡略化、小型化して
カラーフィルタを用いないでもフルカラープロジェクタ
とすることが可能な高速応答の反強誘電性液晶表示素子
が得られた。
【００７４】（実施例３）本実施例３では、フィールド
順次カラー方式を実現するために図１１に示すような他
のフィルタ５２を用いた。このフィルタ５２において、
液晶表示装置１１０は光源１１１を備え、光源１１１か
らの光は例えば２次曲面の反射鏡１１６により反射さ
れ、かつ集光される。反射鏡１１６からの反射光の集光
位置には、光を３成分に分離するファイバ１１２の光入
射端部が配置されている。集光された光は、ファイバ１
１２により例えば赤色、緑色、青色の３成分に分離され
る。
【００７５】このファイバ１１２の光出射側には光の各
成分毎に色フィルタ１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃと光
スイッチ素子１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃとからなる
光シャッタ１１８が設けられ、その背後に光スイッチ素
子１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃから出射される光を合
成する光学系として例えばファイバ１４５が設置されて
いる。ファイバ１４５から出射された光は、レンズ１１
７によって変調される。上記色フィルタ１１３ａ、１１
３ｂ、１１３ｃとしては、染料や顔料を用いたカラーフ
ィルター、無機または有機光学薄膜を積層した干渉フィ
ルタなどが使用され、光スイッチ素子１１４ａ、１１４
ｂ、１１４ｃとしては、液晶またはＰＬＺＴなどのセラ
メックスなどが使用される。
【００７６】上述の光分離部や光合成部には、他の方式
を用いてもよい。例えば、光分離の場合には、図１２に
示すように３組のレンズ１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｂ
とファイバ１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｎとを用い、こ
れにより単一光源１１１から上記３成分の光を取り出し
てもよい。または、図示は省略するが、３つの光源から
ファイバを介して個別に光をフィルタに導いてもよく、
さらには単一光源１１１とビームスプリッタやダイクロ
イックミラーを組み合わせてもよい。
【００７７】以下に、図９を参照しながら本実施例３の
反強誘電性液晶表示素子の動作を説明する。例えば１つ
の電源ライン３４ａには第１電源１から＋５Ｖの電圧を
供給し、走査ライン６２ａには走査信号ＳＧ１として＋
６Ｖを供給する。また、各データライン６３ａ、６３
ｂ、６３ｃには各画素Ｐに供給するデータ信号ＳＤ１、
ＳＤ２、ＳＤ３を各々供給する。このとき、データ信号
ＳＤは正電位の符号とする。この走査により第１行目の
画素Ｐ１／１、Ｐ１／２、Ｐ１／３に表示データが書き
込まれる。このときに書き込まれるデータに対応する印
加電圧の極性は正である。
【００７８】次に、走査信号ＳＧ１をオフし、走査信号
ＳＧ２をオンする。電源ライン３４ｂに第２電源２から
−５Ｖの電圧を供給し、走査ライン６２ａには走査信号
ＳＧ２として＋６Ｖを供給する。この時、第２電源２の
極正に応じて走査信号ＳＧ２の電圧を変化させてもよ
い。また、各データライン６３ａ、６３ｂ、６３ｃには
各画素Ｐに供給するデータ信号ＳＤ１、ＳＤ２、ＳＤ３
を各々供給する。このとき、データ信号ＳＤは正電位の
符号とする。この走査により第２行目の画素Ｐ２／１、
Ｐ２／２、Ｐ２／３に表示データが書き込まれる。この
ときに書き込まれるデータに対応する印加電圧の極性は
負である。
【００７９】以下、同様にして奇数行の画素列には印加
電圧が正の極正の信号を書き込み、偶数行の画素列には
印加電圧が負の極正の信号を書き込む。この走査を第１
の表示フレームの期間にわたって行うことにより第１の
表示フレームに必要な表示データを書き込む。第１の表
示フォレームに続く第２の表示フレームでは、上記第１
のフレームの極正と反転した極正で表示データを書き込
む。これにより液晶に交流電圧を印加することができ
る。
【００８０】このように反強誘電性液晶表示素子を駆動
することにより、１画素行毎に極性の異なった電圧を画
素に印加することができる。各画素に実際に印加される
駆動波形は、例えば図１３に示すようなものとすること
ができる。この場合、第２のセルには分子が反強誘電性
液晶状態から強誘電性液晶状態に転移するのに十分なあ
る極性の電圧と、同じ強さの逆の極性の電圧とを、一定
の期間（Ｒ、Ｇ、Ｂの各表示期間）毎に切り換えて印加
している。また、第２のセルには、所望の透過光量に応
じた電圧を印加している。このように駆動を行うことに
より、高速応答で信頼性に優れたフルカラー表示を得る
ことができる。
【００８１】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、第１の反
強誘電性液晶セルと第２の反強誘電性液晶セルとを層法
線方向を直交させて配置することにより、高コントラス
トで階調表示が可能な反強誘電性液晶素子を得ることが
できる。
【００８２】また、第２のセルに、分子が反強誘電性液
晶状態から強誘電性液晶状態に転移するのに十分なある
極性の電圧と、同じ強さの逆の極性の電圧とを、一定の
期間毎に切り換えて印加することにより、信頼性に優れ
た反強誘電性液晶素子が得られる。
【００８３】この反強誘電性液晶セルを構成する基板と
して単結晶Ｓｉ基板を用いるとＩＣ製造技術をそのまま
反強誘電性液晶素子の製造に適用することができ、製造
コストを低くすることができる。また、小型化・簡略化
した構造により高速応答で高性能な反強誘電性液晶素子
を得ることができる。
【００８４】この反強誘電性液晶素子はアクティブ駆動
することにより、カラーフィルターが不要な単板フルカ
ラープロジェクタとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の反強誘電性液晶素子の構成を示す断
面図である。
【図２】実施例１の反強誘電性液晶素子の配置図であ
る。
【図３】実施例１の反強誘電性液晶素子の駆動方法を説
明するためのタイミングチャートである。
【図４】実施例２の反強誘電性液晶表示素子の構成を示
す断面図である。
【図５】図４の第１のセル１８ａの平面図である。
【図６】実施例２の反強誘電性液晶表示素子の画素の配
置図である。
【図７】実施例２で用いられるフィルタ５２の構成例を
示す断面図である。
【図８】実施例２で用いられるフィルタ５２の動作を示
すタイミングチャートである。
【図９】実施例２の反強誘電性液晶表示素子の画素構成
図である。
【図１０】 実施例２の反強誘電性液晶表示素子の１画
素分の透過回路図である。
【図１１】実施例３で用いられるフィルタ５２の一例を
示す図である。
【図１２】実施例３で用いられるフィルタ５２の他の例
を示す図である。
【図１３】実施例３の反強誘電性液晶素子の駆動方法を
説明するためのタイミングチャートである。
【図１４】反強誘電性液晶の動作原理を示す図である。
【図１５】反強誘電性液晶の電圧−透過率曲線を示すグ
ラフである。
【図１６】従来の反強誘電性液晶素子の基本構造を示す
断面図である。
【図１７】従来の反強誘電性液晶素子の実際の電圧−透
過率曲線と理想的な電圧−透過率曲線を示すグラフであ
る。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 電極膜 ３ 配向制御層 ４ 反強誘電性液晶層 ５ 絶縁膜 ７ａ、７ｂ 偏光板 ８ａ、１８ａ 第１の反強誘電性液晶セル ８ｂ、１８ｂ 第２の反強誘電性液晶セル １７ 単結晶Ｓｉ基板 ５２ カラーフィルタ １０１、１０２ 偏光板の偏光軸 １０３ｂ〜１０３ｅ 第１のセルの光軸 １０４ｂ〜１０４ｅ 第１のセルの光軸
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/1347 G02F 1/141

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも第１の反強誘電性液晶セル
    と、第２の反強誘電性液晶セルとを備え、 該第１および第２の反強誘電性液晶セルは、各々電極膜
    と配向制御層とが形成された一対の電極基板間に反強誘
    電性液晶材料が狭持され、 該第１の反強誘電性液晶セルにおける反強誘電性液晶相
    の層法線と、該第２の反強誘電性液晶セルにおける反強
    誘電性液晶相の層法線とが直交するように、該第１およ
    び第２の反強誘電性液晶セルが配置されている反強誘電
    性液晶素子。
  2. 【請求項２】 前記第１および第２の反強誘電性液晶セ
    ルを挟んで、一対の偏光板が各々の偏光軸を直交させる
    ように配置されている請求項１記載の反強誘電性液晶素
    子。
  3. 【請求項３】 前記偏光板の一方の偏光軸が、前記第１
    および第２の反強誘電性液晶セルの一方における反強誘
    電性液晶相の層法線と一致している請求項２記載の反強
    誘電性液晶素子。
  4. 【請求項４】 前記第１および第２の反強誘電性液晶セ
    ルの少なくとも一方が、２色性色素を含む請求項１〜３
    のうちいずれかに記載の反強誘電性液晶素子。
  5. 【請求項５】 少なくとも第１の反強誘電性液晶セル
    と、第２の反強誘電性液晶セルとを備え、該第１および
    第２の反強誘電性液晶セルが、各々電極膜と配向制御層
    とが形成された一対の電極基板間に反強誘電性液晶材料
    が狭持され、該第１の反強誘電性液晶セルにおける反強
    誘電性液晶相の層法線と、該第２の反強誘電性液晶セル
    における反強誘電性液晶相の層法線とが直交するよう
    に、該第１および第２の反強誘電性液晶セルが配置され
    た反強誘電性液晶素子に対して、 該第１および第２の反強誘電性液晶セルの一方に、分子
    が反強誘電性液晶状態から強誘電性液晶状態に転移する
    のに十分な所定極性の電圧を印加して、該一方の反強誘
    電性液晶セルの光軸を傾けると共に、 該第１および第２の反強誘電性液晶セルの他方に、任意
    の電圧を印加することにより階調表示を得る反強誘電性
    液晶素子の駆動方法。
  6. 【請求項６】 少なくとも第１の反強誘電性液晶セル
    と、第２の反強誘電性液晶セルとを備え、該第１および
    第２の反強誘電性液晶セルが、各々電極膜と配向制御層
    とが形成された一対の電極基板の間に反強誘電性液晶材
    料が狭持され、該第１の反強誘電性液晶セルにおける反
    強誘電性液晶相の層法線と、該第２の反強誘電性液晶セ
    ルにおける反強誘電性液晶相の層法線とが直交するよう
    に、該第１および第２の反強誘電性液晶セルが配置され
    た反強誘電性液晶素子に対して、 該第１および第２の反強誘電性液晶セルの一方に、分子
    が反強誘電性液晶状態から強誘電性液晶状態に転移する
    のに十分な所定極性の電圧を印加する第１の期間と、該
    所定極性の電圧と同じ強さの逆の極性の電圧を該第１の
    期間と同じ時間だけ印加する第２の期間とを繰り返す反
    強誘電性液晶素子の駆動方法。
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