JP3551702B2 - 液晶表示素子とその駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は反強誘電性液晶（ＡＦＬＣ、Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）を用いた液晶表示素子に関し、特に、階調表示が可能な反強誘電性液晶表示素子及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電性液晶を用いる強誘電性液晶表示素子は、ネマティック液晶を用いるＴＮモードの液晶表示素子と比較して、高速応答、広い視野角が得られる等の点で注目されている。
強誘電性液晶表示素子としては、強誘電性液晶を用いた強誘電性液晶表示素子と反強誘電性液晶を用いた反強誘電性液晶表示素子とが知られている。
反強誘電性液晶表示素子は、反強誘電性液晶が備える配向状態の安定性を利用して画像を表示するものである。
【０００３】
より詳しく説明すると、反強誘電性液晶は、液晶分子の配向に３つの安定状態を有し、（１）第１のしきい値以上の電圧を該液晶に印加したとき、印加電圧の極性に応じて液晶分子が第１の方向に配列する第１の強誘電相または第２の方向に配列する第２の強誘電相に配向し、（２）前記第１のしきい値より低い第２のしきい値以下の電圧を印加したとき、第１と第２の強誘電相とは異なる配列状態である反強誘電相に配向する。液晶表示素子の両側に配置された一対の偏光板の透過軸の方向を反強誘電相における光学軸を基準にして設定することにより、印加電圧により光の透過率を制御して画像を表示することができる。
【０００４】
反強誘電性液晶は、印加電圧が変化しても、上記第１と第２のしきい値の間の範囲であれば、第１または第２の強誘電相または反強誘電相に配向した状態を維持する。即ち、メモリ性を有している。従来の反強誘電性液晶表示素子は、このメモリ性を利用して単純マトリクス駆動されている。
【０００５】
反強誘電性液晶のメモリ性は、液晶が第１または第２の強誘電相から反強誘電相に相転移する電圧と、反強誘電相から第１または第２の強誘電相に相転移する電圧との電圧差によって定まる。そして、この電圧差が大きいほど、配向状態のメモリ性が高い。即ち、光学特性のヒステリシスが大きい程メモリ性が高い。
【０００６】
このため、従来の単純マトリクス駆動される反強誘電性液晶表示素子では、反強誘電性液晶として、上記電圧差が大きい液晶を用いている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、メモリ性の高い反強誘電性液晶を用いる従来の反強誘電性液晶表示素子は、光の透過率を任意に制御することができない。即ち、表示階調の制御がほとんど不可能で、階調表示を実現することはできなかった。
【０００８】
この発明は上記実状に鑑みてなされたもので、明確な階調表示を実現できる反強誘電性液晶表示素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の第１の観点にかかる液晶表示素子は、
画素電極と前記画素電極に接続されたアクティブ素子がマトリクス状に複数配列された一方の基板と、
前記画素電極に対向する共通電極が形成された他方の基板と、
前記基板の間に封入され、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成し、前記一方の基板と前記他方の基板間においてフェリ相を形成し、且つ電界の印加により前記フェリ相における液晶分子の平均的な配向方向が制御される液晶層と、
から構成されることを特徴とする。
【００１０】
また、この発明の第２の観点に係る液晶表示素子は、
電極が形成された一方の基板と、
前記電極に対向する電極が形成された他方の基板と、
前記基板の間に封入され、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成し、前記一方の基板と前記他方の基板間においてフェリ相を形成する液晶層と、
前記一方の基板の電極と前記他方の基板の電極に接続され、前記電極間に電圧を印加することにより、前記フェリ相の液晶分子をカイラルスメクティックＣＡ相の分子の描くコーンに沿って移動させることにより、前記フェリ相における前記液晶層のダイレクタを制御して階調表示を行う駆動手段と、
から構成されることを特徴とする。
【００１１】
また、この発明の第３の観点に係る液晶表示素子の駆動方法は
一対の基板間に、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成し、前記一方の基板と前記他方の基板間において、第１の配向状態に配向した液晶分子と第２の配向状態に配向した液晶分子とが混在するフェリ相を形成する液晶層を封入し、前記液晶層に電圧を印加することにより、第１の配向状態に配向した液晶分子と第２の配向状態に配向した液晶分子との一方を他方にスイッチングさせる電界を印加することにより、前記フェリ相において第１と第２の配向状態の割合を制御することにより、前記液晶層のダイレクタを制御して階調を表示する、ことを特徴とする。
【００１２】
この液晶表示素子に使用される液晶は、バルクの状態では、カイラルスメクテックＣＡ相を形成するいわゆる反強誘電性液晶である。しかし、基板間に封入されると、第１の配向状態の液晶分子（第１の強誘電相）の液晶分子と第２の配向状態の液晶分子（第２の強誘電相）の液晶分子とが混在するフェリ相を形成する。この状態では、液晶層中に、第１の配向状態の微小領域と第２の配向状態の微小領域とが混在する。
この液晶層に電圧を印加すると、その極性と大きさに応じて、第１の配向状態と第２の配向状態の液晶分子の一方がカイラルスメクテックＣＡ相の液晶分子が描くコーンに従って、他方にスイッチングし、第１の配向状態の液晶分子と第２の配向状態の液晶分子の割合が変化する。このため、液晶層のダイレクタは、印加された電界に応じて連続的に変化し、階調表示が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態に係る中間調を表示することができる反強誘電性液晶表示素子について図面を参照して説明する。
【００１４】
この反強誘電性液晶表示素子は、アクティブマトリクス方式のものであり、一対の透明基板（例えば、ガラス基板）１１、１２を備える。図１において下側の基板（以下、下基板）１１には透明な画素電極１３と画素電極１３に接続されたアクティブ素子１４とがマトリクス状に配列形成されている。
【００１５】
アクティブ素子１４は、例えば、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ１４）から構成される。ＴＦＴ１４は、基板１１上に形成されたゲート電極と、ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上に形成された半導体層と、半導体層の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、から構成される。
【００１６】
さらに、下基板１１には、図２に示すように、画素電極１３の行間にゲートライン（走査ライン）１５が配線されている。また、画素電極１３の列間にデータライン（階調信号ライン）１６が配線されている。各ＴＦＴ１４のゲート電極は対応するゲートライン１５に接続され、ドレイン電極は対応するデータライン１６に接続されている。
【００１７】
ゲートライン１５は、端部１５ａを介して行ドライバ（行駆動回路）３１に接続されている。データライン１６は端部１６ａを介して列ドライバ（列駆動回路）３２に接続される。行ドライバ３１は、後述するゲート信号を印加して、ゲートライン１５をスキャンする。一方、列ドライバ３２は、表示データ（階調データ）を受け、データライン１６に表示データに対応するデータ信号を印加する。
【００１８】
ゲートライン１５は端部１５ａを除いてＴＦＴ１４のゲート絶縁膜（透明膜）で覆われている。データライン１６はゲート絶縁膜の上に形成されている。画素電極１３は、ＩＴＯ等からなり、ゲート絶縁膜の上に形成されており、その一端部においてＴＦＴ１４のソース電極に接続されている。
【００１９】
図１において、上側の基板（以下、上基板）１２には、下基板１１の各画素電極１３と対向する透明な共通電極１７が形成されている。共通電極１７は、ＩＴＯ等から構成され、表示領域全体にわたる面積の１枚の電極から構成され、基準電圧が印加されている。画素電極１３と共通電極１７は、その間の液晶層２１に電圧を印加することにより液晶分子の配向方向を制御して、そのダイレクタ（液晶分子の長軸の平均的な方向）を連続的に変化させ、これにより液晶層の光学軸を連続的に制御させ、これにより表示階調を制御する。
【００２０】
下基板１１と上基板１２の電極形成面には、それぞれ配向膜１８、１９が設けられている。
配向膜１８、１９は水平配向膜であり、同一方向（後述する図３の第３の方向２１Ｃ）にラビングによる配向処理が施されており、近傍の液晶分子を配向処理の方向２１Ｃに配列させようとする配向規制力を有する。
配向膜１８、１９は、例えば、厚さが２５〜３５ｎｍ程度のポリイミド等の有機高分子化合物からなり、ラビング等の配向処理が施されており、分散力ｅｓｄが３０〜５０，極性力ｅｓｐが比較的弱く３〜２０程度のものを使用できる。
【００２１】
下基板１１と上基板１２は、その外周縁部において枠状のシール材２０を介して接着されている。基板１１、１２間のシール材２０で囲まれた領域に液晶層２１が封入され、液晶セル２５を形成している。液晶層２１の層の厚さは、液晶のナチュラルピッチと同等又はそれ以下、例えば、１．５μｍ程度の厚さに設定されており、透明なスペーサ２２により規制されている。スペーサ２２は液晶封入領域内に点在状態で配置されている。
【００２２】
液晶層２１は、（１）バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ＊（ＳｍＣＡ＊）相を形成し、（２）基板１１と１２の間に封入された状態で、フェリ相を形成し、（３）基板１１と１２の間に封入され、且つ、十分大きい電圧が印加された状態では、印加電圧の極性に応じて、液晶分子が図３に示す第１の方向２１Ａ又は第２の方向２１Ｂをほぼ向いた強誘電相を形成する、液晶材料から構成される。
液晶層２１の詳細については後述する。
【００２３】
液晶表示素子の上下には、一対の偏光板２３、２４が配置されている。図３に示すように、下側の偏光板２３の光学軸（以下、透過軸とする）２３Ａは第３の方向２１Ｃにほぼ一致するスメクティック層の法線方向とほぼ平行に設定されている。上偏光板２４の光学軸（以下、透過軸とする）２４Ａは下偏光板２３の透過軸２３Ａにほぼ直角に設定されている。
【００２４】
偏光板２３、２４の透過軸を図３に示すように設定した反強誘電性液晶表示素子は、液晶層２１のダイレクタが第１又は第２の配向方向２１Ａ、２１Ｂにほぼ配向した時に透過率がほぼ最大（表示が最も明るく）になる。また、液晶層２１のダイレクタが第３の方向２１Ｃに向くようにほぼ配向した時に透過率がほぼ最小（表示が最も暗く）になる。
【００２５】
即ち、液晶分子が第１または第２の方向２１Ａ、２１Ｂを向いた状態では、入射側の偏光板２３の透過軸２３Ａを通過した直線偏光状態の光は液晶層２１の複屈折作用により偏光状態が変化して出射側偏光板２４に入射し、出射側偏光板２４の透過軸２４Ａと平行な成分の光が透過し、表示は明るくなる。
ダイレクタが第３の方向２１Ｃを向いた状態では、入射側の偏光板２３の透過軸２３Ａを通った直線偏光は液晶層２１の複屈折作用をほとんど受けない。このため、入射側の偏光板２３を通った直線偏光は、直線偏光のまま液晶層２１を通過し、出射側の偏光板１４でほとんど吸収され、表示が暗くなる。
また、液晶層２１が光学的中間状態の時は、ダイレクタの方向に応じた階調が得られる。
【００２６】
次に、配向膜１８、１９と液晶層２１について詳細に説明する。
液晶層２１は、例えば、化学式１に示す骨格構造を有する液晶組成物を主成分とする液晶であり、表１に示すような物性を有する。
【００２７】
【化１】
【００２８】
【表１】
相系列
結晶−３０℃−ＳｍＣＡ＊−６９℃−ＳｍＡ−８０℃−ＩＳＯ
自発分極 ２２９ｎＣ／ｃｍ２
コーン角θ ３２゜
螺旋ピッチ １．５μｍ
【００２９】
ここで、コーン角とは、液晶が描くコーンの軸とコーンのなす角度であり、第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂとの交差角はコーン角θの２倍の２θに相当する。
【００３０】
この液晶材料は、バルクの状態では、図４に示すように、分子配列の層構造と螺旋構造を有しており、隣接する液晶分子は層毎に仮想的なコーン上でほぼ１８０゜シフトして螺旋を描いた二重螺旋構造を有し、隣接するスメクティック層の液晶分子同士でその自発分極をキャンセルする。
【００３１】
この液晶材料は、螺旋構造の１ピッチ（ナチュラルピッチ）とほぼ等しい（１．５ミクロン）ため、二重螺旋構造が消失した状態で液晶セル２５に封入されている。
【００３２】
また、配向膜１８、１９の配向規制力と液晶層２１を構成する液晶材料の反強誘電相を維持しようとする分子間力と配向規制力はほぼ等しい。また、この液晶材料の反強誘電的分子配列のエネルギーと強誘電的分子配列のエネルギーとの差が比較的小さく、しかも、そのしきい値が明確である。
このため、液晶分子の一部は、配向膜１８、１９の界面の効果である配向規制力を受けて反転し、微小領域内で液晶分子が同一方向に配向したフェリ相を形成する。
【００３３】
フェリ相では、図５に斜視図で、図６に基板平面への投影図で示すように、液晶分子は、第１の方向２１Ａ又は第２の方向２１Ｂのいずれかにその長軸を向けて配列している。
このため、液晶層２１は、図７に示すように、液晶分子が第１の方向を向いた第１の配向状態にある微小領域と、液晶分子が第２の方向を向いた第２の配向状態にある微小領域とが混在する状態となる。このため、空間的に平均された液晶層２１のダイレクタ（光学軸）は、図８（Ａ）に示すように、スメクティック層の法線方向（又は第３の方向２１Ｃ）にほぼ一致する。
【００３４】
図８（Ａ）に示す分子配列を有するフェリ相の液晶層２１に、正極性で十分高い電圧（飽和電圧以上の電圧）を印加することにより、図８（Ｂ）に示すように、液晶分子が第１の方向２１Ａにほぼ配列した状態に配向する。この状態では、液晶分子の自発分極はほぼ同一方向を向き、液晶は第１の強誘電相を示す。
一方、液晶層２１に、負極性で十分高い電圧（飽和電圧以下の電圧）を印加することにより、図８（Ｃ）に示すように、液晶分子は第２の方向２１Ｂにほぼ配列した状態に配向する。この状態では、液晶分子の自発分極はほぼ同一方向を向き、液晶は第２の強誘電相を示す。
これらの状態では、液晶層２１の光学軸は第１の方向２１Ａ又は第２の方向２１Ｂにほぼ一致する。
【００３５】
一方、中間の電圧を印加すると、その極性に応じて、液晶分子の一部は、図９に示すように、カイラルスメクティックＣＡ相の分子の描くコーンに沿って移動して、その配向方向が反転する。このため、図８（Ｄ）又は（Ｅ）に示すように、第１の方向２１Ａ又は第２の方向２１Ｂに配列した液晶分子の数が減少し、第２の方向２１Ｂ又は第１の方向２１Ａに配列した液晶分子が増加する。このため、第１の方向２１Ａを向いた第１の配向状態の液晶分子と第２の方向２１Ｂを向いた第２の配向状態の液晶分子の割合が印加電圧の極性及び値に応じて連続的に変化する。
【００３６】
このため、液晶層２１のダイレクタ（液晶分子の平均的な配向方向）は、図８（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、印加電圧に応じて第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂとの間で連続的に変化する。
【００３７】
従って、この液晶表示素子の光学特性は、印加電圧０Ｖ近傍において平坦な部分がなく、印加電圧の絶対値の上昇に伴って光学特性も連続的になめらかに変化するものとなる。さらに、印加電圧の極性に対して透過率のカーブも対称となる。また、絶対値が飽和電圧以上の電圧が印加されると、透過率は飽和する。
【００３８】
一例として、この実施の形態の液晶表示素子（実施例１）の三角波の印加電圧に対する透過率の関係を図１０（Ａ）に示す。
この液晶表示素子は、化学式１に示す骨格構造を有する液晶を主成分とし、表１に示すような物性を有する液晶組成物を調整し、この液晶組成物を液晶層２１として用い、セルギャップを１．５ミクロンとし、液晶層２１の分子の描く螺旋構造を解いた状態で封入したものである。
また、配向膜１８、１９を、厚さが２５〜３５ｎｍ程度のポリイミド等の有機高分子化合物から構成し、ラビングを施し、分散力ｅｓｄを３８〜４１，極性力ｅｓｐを９〜１４程度とした。
【００３９】
比較例として、セルギャップを５ミクロンとして、液晶分子の描く螺旋構造を維持した状態で液晶を封入した液晶表示素子（比較例１）の印加電圧に対する透過率の関係を図１０（Ｂ）に示す。
【００４０】
図１０（Ａ）に示すように、実施例１の液晶表示素子の印加電圧−透過率特性は、明確なしきい値を有さず、透過率が連続的に変化し、印加電圧の極性に対して対称であり、ヒステリシスが非常に小さく、コントラストが大きい。従って、印加電圧に対する透過率がほぼ一義的に定まり、中間階調を安定的に表示でき、しかも、コントラストの高い画像を安定的に表示することができる。
【００４１】
一方、図１０（Ｂ）に示すように、比較例１では、印加電圧−透過率特性がしきい値を持つと共にヒステリシスが大きく、滑らかな印加電圧−透過率特性が得られない。また、コントラストが小さい。
【００４２】
実施例１の液晶表示素子において、印加電圧に応じて、液晶分子が上述のように挙動していることは、例えば、図１１に示すコノスコープ像及びこの液晶表示素子の表示面の拡大図から判別することができる。
【００４３】
図１１はバルクの状態の液晶材料のコノスコープ像を示す。この図では、メラノープ（輝点）が、電界Ｅにほぼ垂直な方向に２つ発生しており、さらに、ほぼ左右対称である。このことは、液晶分子が二重螺旋構造を有する反強誘電相であることを示している。
【００４４】
一方、液晶材料を基板間に封入した状態の液晶層２１では、無電界状態で、ほぼ全体が黒く表示される。次に、電圧を高くすると、ほぼ全体が白くなり、液晶分子が第１又は第２の方向に揃っていることがわかる。一方、中間の電圧を印加した状態では、微小領域単位で明暗が変化し、印加電圧に応じて、明の領域と暗の領域が順次変化する。従って、中間の電圧で、液晶分子の配向が、微小領域単位で変化していることがわかる。
【００４５】
このように、この実施の形態の液晶表示素子は、液晶層２１がフェリ相を形成し、電界を印加すると、そのダイレクタが印加電圧に応じて、第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂとの間で連続的に滑らかに変化する。従って、任意の階調を安定して表示することができる。
【００４６】
図３では、下偏光板２３の透過軸２３Ａを液晶層２１のスメクティック層の法線方向とほぼ平行に、上偏光板２４の透過軸２４Ａを透過軸２３Ａに直角に配置したが、下偏光板２３の透過軸２３Ａ及び上偏光板２４の透過軸２４Ａは、要求される液晶表示素子の電気光学特性に応じて種々の配置に決定される。
【００４７】
例えば、コーン角θが２２．５°程度の液晶材料を用いる場合は、図１２（Ａ）に示すように、下偏光板２３の透過軸２３Ａを第２の方向２１Ｂに平行とし、上偏光板２４の透過軸２４Ａを下偏光板２３の透過軸２３Ａに直交するように配置してもよい。この構成では、液晶層２１に負極性の十分大きい（しきい値以上の）電圧を印加した時に、ダイレクタが第２の方向２１Ｂを向くため、表示が最も暗くなる。一方、正極性の十分大きい（しきい値以上の）電圧を印加した時に、ダイレクタが第１の方向２１Ａを向くため、表示が最も明るくなる。
【００４８】
また、コーン角が２２．５°より大きい液晶材料を用いる場合は、図１２（Ｂ）に示すように、下偏光板２３の透過軸２３Ａ及び上偏光板２４の透過軸２４Ａの一方を、液晶層２１のスメクティック層の法線に対してコーン角θより小さい角度の範囲内に配置し、他方の光学軸を一方の光学軸とほぼ直交させて配置させてもよい。このような光学配置を使用することにより、液晶を強誘電相に設定することなく、駆動することが可能となり、表示の焼き付き等を防止し、フリッカを抑えることができる。
【００４９】
例えば、化学式１に示したようにコーン角が３２°の液晶材料を用いる場合は、図１２（Ｂ）に示したように、下偏光板２３の透過軸２３Ａを、液晶層２１のスメクティック層の法線方向（ほぼ２１Ｃの方向）に対して例えば２２．５°で交差する方向に配置する。また、上偏光板２４の透過軸２４Ａを透過軸２３Ａにほぼ直交させて配置する。
【００５０】
そして、この液晶材料により形成された液晶層のダイレクタが、スメクティック層の法線方向（ほぼ２１Ｃの方向）に対してそれぞれ２２．５°の角度範囲（２３Ａ及び２１Ｄの間の範囲の）で変化するように、対向する電極間に前記液晶層が強誘電相を形成するよりも低い電圧範囲の電圧を印加することにより、透過光量を制御する。
この構成とすれば、ダイレクタが透過軸の方向２３Ａに一致した時に表示が最も暗くなり、ダイレクタが透過軸の方向２３Ａに対して４５°傾いた方向２１Ｄを向いた時に最も明るくなる。従って、最小階調から最大階調を得るためにダイレクタを第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂに設定する必要がない。即ち、液晶を強誘電相に設定することなく、駆動することができる。
【００５１】
この光学配置を採用した場合でも、印加電圧に対する液晶層２１内での分子の挙動及び相変化等は上述の通りであり、液晶層２１のダイレクタは第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂとの間で、連続的に変化する。従って、任意の階調を表示することができる。また、図３の光学配置に比較して、フリッカが少なくなり、しかも液晶層２１に強誘電相が形成されないので、画面の焼き付きが抑制され、表示画面のコントラストを高く且つ表示品質を高くすることができる。
【００５２】
上述の液晶セル（化学式１に示すに示す骨格構造を有する液晶を主成分とし、表１に示す物性を有する液晶組成物を１．５ミクロンのセルギャップに封入したセル）に図１２（Ｂ）に示す光学配置を適用した液晶表示素子（実施例２）の印加電圧に対する透過率の関係を図１３（Ａ）に示す。
比較例として、セルギャップを５ミクロンとした点以外は実施例２と同一構成の液晶表示素子（比較例２）の印加電圧に対する透過率の関係を図１３（Ｂ）に示す。
【００５３】
図１３（Ａ）、（Ｂ）の特性は、対向する電極１３と１７との間に三角波を印加して得られたものである。
図１３（Ａ）に示すように、実施例２の液晶表示素子の印加電圧−透過率特性は、明確なしきい値を有さず、透過率が連続的に変化し、印加電圧の極性に対して対称であり、ヒステリシスが小さく、コントラストが大きい。これに対し、図１３（Ｂ）に示すように、比較例２では、印加電圧−透過率特性がしきい値を持つと共にヒステリシスが大きく、滑らかな印加電圧−透過率特性が得られない。また、コントラストが小さい。
【００５４】
図１３（Ａ）、（Ｂ）からも、この実施の形態の液晶表示素子が優れた階調表示能力を有することが確認できる。
【００５５】
次に、上記構成の表示素子の駆動方法を図１４を参照して説明する。
図１４（Ａ）は行ドライバ３１が任意の行のゲートライン１５に印加するゲート信号を、図１４（Ｂ）は列ドライバ３２がゲートパルスに同期して各データライン１６に印加するデータ信号を示す。データ信号の電圧は液晶層２１を強誘電相に配向させない電圧、即ち、ＶＴｍａｘとＶＴｍｉｎとの間で、表示したい透過率に対応する電圧に設定されている。図１４（Ｃ）は、図１４（Ｂ）に示すデータパルスが印加された時の透過率の変化を示す。
【００５６】
各ゲート信号は、対応する行の選択期間にゲートパルスとしてオンする。このゲートパルスにより選択された行のＴＦＴ１４がオンする。ＴＦＴ１４がオンしている期間、即ち、書き込み期間に、そのＴＦＴ１４を介して表示階調に対応するデータ信号が画素電極１３と対向電極１７との間に印加される。ゲートパルスがオフするとＴＦＴ１４がオフし、それまで画素電極１３と対向電極１７との間に印加されていた電圧が、画素電極１３と対向電極１７とその間の液晶層２１により形成される画素容量に保持される。このため、図１４（Ｃ）に示すように、この保持電圧に対応する表示階調がこの行の次の選択期間まで保持される。従って、この駆動方法によれば、データパルスの電圧を制御することにより任意の階調画像を表示することができる。
【００５７】
実施例２の液晶表示素子を図１４（Ａ）、（Ｂ）に示す駆動方法で駆動し、データ信号の電圧を−５Ｖから＋５Ｖに順次増加し、さらに、＋５Ｖから−５Ｖに順次低下させたときの、透過率の変化を図１５に示す。図１５から、図１４（Ａ），（Ｂ）の駆動方法を使用することにより、任意の階調を安定的に表示できることが理解できる。
【００５８】
次に、このような駆動を可能とする列ドライバ３２の構成例を図１６を参照して説明する。
列ドライバ３２は、図１６に示すように、第１のサンプル・ホールド回路４１と、第２のサンプル・ホールド回路４２と、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器４３と、タイミング回路４４と、電圧変換回路４５とから構成される。
【００５９】
第１のサンプル・ホールド回路４１は、外部から供給されるアナログ表示信号のうち対応する画素用の信号成分（１つの画像データ）ＶＤ’をサンプル・ホールドする。第２のサンプル・ホールド回路４２は第１のサンプル・ホールド回路４１のホールド信号ＶＤ’をサンプル・ホールドする。
Ａ／Ｄ変換器４３は、第２のサンプルホールド回路４２のホールド信号をＡ／Ｄ変換してディジタル階調データに変換する。
タイミング回路４４は、各選択期間ＴＳに、第１と第２のサンプルホールド回路４１、４２にサンプリング及びホールディングを指示するタイミング制御信号を供給する。
【００６０】
電圧変換回路４５は、Ａ／Ｄ変換器４３が出力するディジタル階調データを対応する電圧（該ディジタル階調データが指示する階調を表示するために必要な駆動系の電圧）ＶＤを有するデータパルスに変換して、対応するデータライン１６に出力する。この電圧変換回路４５により、信号処理系の電源系統と駆動系の電源系統とが分離されている。電圧変換回路４５の出力電圧ＶＤは対応する行のＴＦＴ１４がオンしている書き込み期間に液晶層２１に印加され、ＴＦＴ１４がオフしている間は対向する電極１３と１７の間に保持される。
【００６１】
第１のサンプル・ホールド回路４１と、第２のサンプル・ホールド回路４２と、Ａ／Ｄ変換器４３と、電圧変換回路４５は、画素の列毎に配置され、タイミング回路４４は複数列に共通に配置される。
【００６２】
なお、列ドライバ３２の構成は、図１６の構成に限定されるものではない。例えば、Ａ／Ｄ変換器４３が内蔵するサンプルホールド回路を第２のサンプルホールド回路４２として使用しても良い。さらに、Ａ／Ｄ変換器４３の出力データに一定の処理を行った後、処理後のデータを電圧変換回路４５に供給して駆動系の電圧に変換してもよい。また、処理後のデータを一旦信号処理系の電圧を有する階調信号に変換した後、電圧変換回路４５で駆動系の電圧に変換してもよい。
各種タイミング信号を列ドライバ３２の外部から供給してもよい。また、画像データ自体をディジタルデータで構成してもよい。
【００６３】
この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、この発明の反強誘電性液晶は、化学式１に示した骨格構造を有するものを主成分とするものに限定されず、他のフェリ相を形成する任意の液晶を使用できる。その物性についても同様である。また、配向膜の材質、厚さ等も適宜変更可能である。
【００６４】
また、実施の形態では、偏光板２３の透過軸２３Ａと偏光板２４の透過軸２４Ａを直角に配置したが、これらが平行になるように偏光板２３と２４を配置してもよい。また、偏光板の光学軸は吸収軸でもよい。
【００６５】
また、本発明はＴＦＴをアクティブ素子とする反強誘電性液晶表示素子に限らず、ＭＩＭをアクティブ素子とする反強誘電性液晶表示素子にも適用可能である。
さらに、この発明は、図１７に示すように、対向する基板１１と１２の対向面に走査電極７１と、走査電極７１に直交する信号電極７２を配置した単純マトリクス型（パッシブマトリクス型）の表示素子にも適用可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、反強誘電性を示す液晶を用いた液晶表示素子でありながら、表示階調を連続的に変化させて、任意の階調で画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施の形態にかかる液晶表示素子の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す液晶表示素子の下基板の構成を示す平面図である。
【図３】偏光板の透過軸と液晶分子の配向方向の関係を示す図である。
【図４】バルクの状態の液晶の液晶分子の描く二重螺旋構造を説明するための図である。
【図５】フェリ相での液晶分子の配向状態を説明するための図である。
【図６】フェリ相での液晶分子の配向状態を説明するための図である。
【図７】フェリ相での液晶分子の配向状態を説明するための図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｅ）は、印加電圧と液晶分子の配向との関係を示す図である。
【図９】電圧を印加したときの液晶分子の挙動を説明するための図である。
【図１０】（Ａ）は、図３の光学配置を採用した実施例１の液晶表示素子に低周波の三角波電圧を印加した時の、印加電圧−透過率特性を示すグラフであり、（Ｂ）は、ギャップ長を５ミクロンとした比較例１の印加電圧−透過率特性を示すグラフである。
【図１１】バルクの状態の液晶のコノスコープ像である。
【図１２】（Ａ）と（Ｂ）は、偏光板の透過軸と液晶分子の配向方向の関係の他の例を示す図である。
【図１３】（Ａ）は、図１２（Ｂ）の光学配置を採用した実施例２の反強誘電性液晶表示素子に低周波の三角波電圧を印加した時の、印加電圧−透過率特性を示すグラフであり、（Ｂ）は、ギャップ長を５ミクロンとした比較例２の印加電圧−透過率特性を示すグラフである。
【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）は、この発明の反強誘電性液晶表示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１５】図１４に示す駆動方法を用いて実施例２の液晶表示素子を駆動した時の印加電圧−透過率特性を示す図である。
【図１６】図１４に示す駆動方法を実現するためのドライバ回路の構成例を示すブロック図である。
【図１７】単純マトリクスタイプの液晶表示素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１・・・透明基板（下基板）、１２・・・透明基板（上基板）、１３・・・画素電極、１４・・・アクティブ素子（ＴＦＴ）、１５・・・ゲートライン（走査ライン）、１６・・・データライン（階調信号ライン）、１７・・・共通電極、１８・・・配向膜、１９・・・配向膜、２０・・・シール材、２１・・・液晶層、２２・・・スペーサ、２３・・・偏光板（下偏光板）、２４・・・偏光板（上偏光板）、２５・・・液晶セル、３１・・・行ドライバ、３２・・・列ドライバ、７１・・・走査電極、７２・・・信号電極
【発明の属する技術分野】
この発明は反強誘電性液晶（ＡＦＬＣ、Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）を用いた液晶表示素子に関し、特に、階調表示が可能な反強誘電性液晶表示素子及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強誘電性液晶を用いる強誘電性液晶表示素子は、ネマティック液晶を用いるＴＮモードの液晶表示素子と比較して、高速応答、広い視野角が得られる等の点で注目されている。
強誘電性液晶表示素子としては、強誘電性液晶を用いた強誘電性液晶表示素子と反強誘電性液晶を用いた反強誘電性液晶表示素子とが知られている。
反強誘電性液晶表示素子は、反強誘電性液晶が備える配向状態の安定性を利用して画像を表示するものである。
【０００３】
より詳しく説明すると、反強誘電性液晶は、液晶分子の配向に３つの安定状態を有し、（１）第１のしきい値以上の電圧を該液晶に印加したとき、印加電圧の極性に応じて液晶分子が第１の方向に配列する第１の強誘電相または第２の方向に配列する第２の強誘電相に配向し、（２）前記第１のしきい値より低い第２のしきい値以下の電圧を印加したとき、第１と第２の強誘電相とは異なる配列状態である反強誘電相に配向する。液晶表示素子の両側に配置された一対の偏光板の透過軸の方向を反強誘電相における光学軸を基準にして設定することにより、印加電圧により光の透過率を制御して画像を表示することができる。
【０００４】
反強誘電性液晶は、印加電圧が変化しても、上記第１と第２のしきい値の間の範囲であれば、第１または第２の強誘電相または反強誘電相に配向した状態を維持する。即ち、メモリ性を有している。従来の反強誘電性液晶表示素子は、このメモリ性を利用して単純マトリクス駆動されている。
【０００５】
反強誘電性液晶のメモリ性は、液晶が第１または第２の強誘電相から反強誘電相に相転移する電圧と、反強誘電相から第１または第２の強誘電相に相転移する電圧との電圧差によって定まる。そして、この電圧差が大きいほど、配向状態のメモリ性が高い。即ち、光学特性のヒステリシスが大きい程メモリ性が高い。
【０００６】
このため、従来の単純マトリクス駆動される反強誘電性液晶表示素子では、反強誘電性液晶として、上記電圧差が大きい液晶を用いている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、メモリ性の高い反強誘電性液晶を用いる従来の反強誘電性液晶表示素子は、光の透過率を任意に制御することができない。即ち、表示階調の制御がほとんど不可能で、階調表示を実現することはできなかった。
【０００８】
この発明は上記実状に鑑みてなされたもので、明確な階調表示を実現できる反強誘電性液晶表示素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の第１の観点にかかる液晶表示素子は、
画素電極と前記画素電極に接続されたアクティブ素子がマトリクス状に複数配列された一方の基板と、
前記画素電極に対向する共通電極が形成された他方の基板と、
前記基板の間に封入され、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成し、前記一方の基板と前記他方の基板間においてフェリ相を形成し、且つ電界の印加により前記フェリ相における液晶分子の平均的な配向方向が制御される液晶層と、
から構成されることを特徴とする。
【００１０】
また、この発明の第２の観点に係る液晶表示素子は、
電極が形成された一方の基板と、
前記電極に対向する電極が形成された他方の基板と、
前記基板の間に封入され、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成し、前記一方の基板と前記他方の基板間においてフェリ相を形成する液晶層と、
前記一方の基板の電極と前記他方の基板の電極に接続され、前記電極間に電圧を印加することにより、前記フェリ相の液晶分子をカイラルスメクティックＣＡ相の分子の描くコーンに沿って移動させることにより、前記フェリ相における前記液晶層のダイレクタを制御して階調表示を行う駆動手段と、
から構成されることを特徴とする。
【００１１】
また、この発明の第３の観点に係る液晶表示素子の駆動方法は
一対の基板間に、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成し、前記一方の基板と前記他方の基板間において、第１の配向状態に配向した液晶分子と第２の配向状態に配向した液晶分子とが混在するフェリ相を形成する液晶層を封入し、前記液晶層に電圧を印加することにより、第１の配向状態に配向した液晶分子と第２の配向状態に配向した液晶分子との一方を他方にスイッチングさせる電界を印加することにより、前記フェリ相において第１と第２の配向状態の割合を制御することにより、前記液晶層のダイレクタを制御して階調を表示する、ことを特徴とする。
【００１２】
この液晶表示素子に使用される液晶は、バルクの状態では、カイラルスメクテックＣＡ相を形成するいわゆる反強誘電性液晶である。しかし、基板間に封入されると、第１の配向状態の液晶分子（第１の強誘電相）の液晶分子と第２の配向状態の液晶分子（第２の強誘電相）の液晶分子とが混在するフェリ相を形成する。この状態では、液晶層中に、第１の配向状態の微小領域と第２の配向状態の微小領域とが混在する。
この液晶層に電圧を印加すると、その極性と大きさに応じて、第１の配向状態と第２の配向状態の液晶分子の一方がカイラルスメクテックＣＡ相の液晶分子が描くコーンに従って、他方にスイッチングし、第１の配向状態の液晶分子と第２の配向状態の液晶分子の割合が変化する。このため、液晶層のダイレクタは、印加された電界に応じて連続的に変化し、階調表示が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態に係る中間調を表示することができる反強誘電性液晶表示素子について図面を参照して説明する。
【００１４】
この反強誘電性液晶表示素子は、アクティブマトリクス方式のものであり、一対の透明基板（例えば、ガラス基板）１１、１２を備える。図１において下側の基板（以下、下基板）１１には透明な画素電極１３と画素電極１３に接続されたアクティブ素子１４とがマトリクス状に配列形成されている。
【００１５】
アクティブ素子１４は、例えば、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴ１４）から構成される。ＴＦＴ１４は、基板１１上に形成されたゲート電極と、ゲート電極を覆うゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上に形成された半導体層と、半導体層の上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、から構成される。
【００１６】
さらに、下基板１１には、図２に示すように、画素電極１３の行間にゲートライン（走査ライン）１５が配線されている。また、画素電極１３の列間にデータライン（階調信号ライン）１６が配線されている。各ＴＦＴ１４のゲート電極は対応するゲートライン１５に接続され、ドレイン電極は対応するデータライン１６に接続されている。
【００１７】
ゲートライン１５は、端部１５ａを介して行ドライバ（行駆動回路）３１に接続されている。データライン１６は端部１６ａを介して列ドライバ（列駆動回路）３２に接続される。行ドライバ３１は、後述するゲート信号を印加して、ゲートライン１５をスキャンする。一方、列ドライバ３２は、表示データ（階調データ）を受け、データライン１６に表示データに対応するデータ信号を印加する。
【００１８】
ゲートライン１５は端部１５ａを除いてＴＦＴ１４のゲート絶縁膜（透明膜）で覆われている。データライン１６はゲート絶縁膜の上に形成されている。画素電極１３は、ＩＴＯ等からなり、ゲート絶縁膜の上に形成されており、その一端部においてＴＦＴ１４のソース電極に接続されている。
【００１９】
図１において、上側の基板（以下、上基板）１２には、下基板１１の各画素電極１３と対向する透明な共通電極１７が形成されている。共通電極１７は、ＩＴＯ等から構成され、表示領域全体にわたる面積の１枚の電極から構成され、基準電圧が印加されている。画素電極１３と共通電極１７は、その間の液晶層２１に電圧を印加することにより液晶分子の配向方向を制御して、そのダイレクタ（液晶分子の長軸の平均的な方向）を連続的に変化させ、これにより液晶層の光学軸を連続的に制御させ、これにより表示階調を制御する。
【００２０】
下基板１１と上基板１２の電極形成面には、それぞれ配向膜１８、１９が設けられている。
配向膜１８、１９は水平配向膜であり、同一方向（後述する図３の第３の方向２１Ｃ）にラビングによる配向処理が施されており、近傍の液晶分子を配向処理の方向２１Ｃに配列させようとする配向規制力を有する。
配向膜１８、１９は、例えば、厚さが２５〜３５ｎｍ程度のポリイミド等の有機高分子化合物からなり、ラビング等の配向処理が施されており、分散力ｅｓｄが３０〜５０，極性力ｅｓｐが比較的弱く３〜２０程度のものを使用できる。
【００２１】
下基板１１と上基板１２は、その外周縁部において枠状のシール材２０を介して接着されている。基板１１、１２間のシール材２０で囲まれた領域に液晶層２１が封入され、液晶セル２５を形成している。液晶層２１の層の厚さは、液晶のナチュラルピッチと同等又はそれ以下、例えば、１．５μｍ程度の厚さに設定されており、透明なスペーサ２２により規制されている。スペーサ２２は液晶封入領域内に点在状態で配置されている。
【００２２】
液晶層２１は、（１）バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ＊（ＳｍＣＡ＊）相を形成し、（２）基板１１と１２の間に封入された状態で、フェリ相を形成し、（３）基板１１と１２の間に封入され、且つ、十分大きい電圧が印加された状態では、印加電圧の極性に応じて、液晶分子が図３に示す第１の方向２１Ａ又は第２の方向２１Ｂをほぼ向いた強誘電相を形成する、液晶材料から構成される。
液晶層２１の詳細については後述する。
【００２３】
液晶表示素子の上下には、一対の偏光板２３、２４が配置されている。図３に示すように、下側の偏光板２３の光学軸（以下、透過軸とする）２３Ａは第３の方向２１Ｃにほぼ一致するスメクティック層の法線方向とほぼ平行に設定されている。上偏光板２４の光学軸（以下、透過軸とする）２４Ａは下偏光板２３の透過軸２３Ａにほぼ直角に設定されている。
【００２４】
偏光板２３、２４の透過軸を図３に示すように設定した反強誘電性液晶表示素子は、液晶層２１のダイレクタが第１又は第２の配向方向２１Ａ、２１Ｂにほぼ配向した時に透過率がほぼ最大（表示が最も明るく）になる。また、液晶層２１のダイレクタが第３の方向２１Ｃに向くようにほぼ配向した時に透過率がほぼ最小（表示が最も暗く）になる。
【００２５】
即ち、液晶分子が第１または第２の方向２１Ａ、２１Ｂを向いた状態では、入射側の偏光板２３の透過軸２３Ａを通過した直線偏光状態の光は液晶層２１の複屈折作用により偏光状態が変化して出射側偏光板２４に入射し、出射側偏光板２４の透過軸２４Ａと平行な成分の光が透過し、表示は明るくなる。
ダイレクタが第３の方向２１Ｃを向いた状態では、入射側の偏光板２３の透過軸２３Ａを通った直線偏光は液晶層２１の複屈折作用をほとんど受けない。このため、入射側の偏光板２３を通った直線偏光は、直線偏光のまま液晶層２１を通過し、出射側の偏光板１４でほとんど吸収され、表示が暗くなる。
また、液晶層２１が光学的中間状態の時は、ダイレクタの方向に応じた階調が得られる。
【００２６】
次に、配向膜１８、１９と液晶層２１について詳細に説明する。
液晶層２１は、例えば、化学式１に示す骨格構造を有する液晶組成物を主成分とする液晶であり、表１に示すような物性を有する。
【００２７】
【化１】
【表１】
相系列
結晶−３０℃−ＳｍＣＡ＊−６９℃−ＳｍＡ−８０℃−ＩＳＯ
自発分極 ２２９ｎＣ／ｃｍ２
コーン角θ ３２゜
螺旋ピッチ １．５μｍ
【００２９】
ここで、コーン角とは、液晶が描くコーンの軸とコーンのなす角度であり、第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂとの交差角はコーン角θの２倍の２θに相当する。
【００３０】
この液晶材料は、バルクの状態では、図４に示すように、分子配列の層構造と螺旋構造を有しており、隣接する液晶分子は層毎に仮想的なコーン上でほぼ１８０゜シフトして螺旋を描いた二重螺旋構造を有し、隣接するスメクティック層の液晶分子同士でその自発分極をキャンセルする。
【００３１】
この液晶材料は、螺旋構造の１ピッチ（ナチュラルピッチ）とほぼ等しい（１．５ミクロン）ため、二重螺旋構造が消失した状態で液晶セル２５に封入されている。
【００３２】
また、配向膜１８、１９の配向規制力と液晶層２１を構成する液晶材料の反強誘電相を維持しようとする分子間力と配向規制力はほぼ等しい。また、この液晶材料の反強誘電的分子配列のエネルギーと強誘電的分子配列のエネルギーとの差が比較的小さく、しかも、そのしきい値が明確である。
このため、液晶分子の一部は、配向膜１８、１９の界面の効果である配向規制力を受けて反転し、微小領域内で液晶分子が同一方向に配向したフェリ相を形成する。
【００３３】
フェリ相では、図５に斜視図で、図６に基板平面への投影図で示すように、液晶分子は、第１の方向２１Ａ又は第２の方向２１Ｂのいずれかにその長軸を向けて配列している。
このため、液晶層２１は、図７に示すように、液晶分子が第１の方向を向いた第１の配向状態にある微小領域と、液晶分子が第２の方向を向いた第２の配向状態にある微小領域とが混在する状態となる。このため、空間的に平均された液晶層２１のダイレクタ（光学軸）は、図８（Ａ）に示すように、スメクティック層の法線方向（又は第３の方向２１Ｃ）にほぼ一致する。
【００３４】
図８（Ａ）に示す分子配列を有するフェリ相の液晶層２１に、正極性で十分高い電圧（飽和電圧以上の電圧）を印加することにより、図８（Ｂ）に示すように、液晶分子が第１の方向２１Ａにほぼ配列した状態に配向する。この状態では、液晶分子の自発分極はほぼ同一方向を向き、液晶は第１の強誘電相を示す。
一方、液晶層２１に、負極性で十分高い電圧（飽和電圧以下の電圧）を印加することにより、図８（Ｃ）に示すように、液晶分子は第２の方向２１Ｂにほぼ配列した状態に配向する。この状態では、液晶分子の自発分極はほぼ同一方向を向き、液晶は第２の強誘電相を示す。
これらの状態では、液晶層２１の光学軸は第１の方向２１Ａ又は第２の方向２１Ｂにほぼ一致する。
【００３５】
一方、中間の電圧を印加すると、その極性に応じて、液晶分子の一部は、図９に示すように、カイラルスメクティックＣＡ相の分子の描くコーンに沿って移動して、その配向方向が反転する。このため、図８（Ｄ）又は（Ｅ）に示すように、第１の方向２１Ａ又は第２の方向２１Ｂに配列した液晶分子の数が減少し、第２の方向２１Ｂ又は第１の方向２１Ａに配列した液晶分子が増加する。このため、第１の方向２１Ａを向いた第１の配向状態の液晶分子と第２の方向２１Ｂを向いた第２の配向状態の液晶分子の割合が印加電圧の極性及び値に応じて連続的に変化する。
【００３６】
このため、液晶層２１のダイレクタ（液晶分子の平均的な配向方向）は、図８（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、印加電圧に応じて第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂとの間で連続的に変化する。
【００３７】
従って、この液晶表示素子の光学特性は、印加電圧０Ｖ近傍において平坦な部分がなく、印加電圧の絶対値の上昇に伴って光学特性も連続的になめらかに変化するものとなる。さらに、印加電圧の極性に対して透過率のカーブも対称となる。また、絶対値が飽和電圧以上の電圧が印加されると、透過率は飽和する。
【００３８】
一例として、この実施の形態の液晶表示素子（実施例１）の三角波の印加電圧に対する透過率の関係を図１０（Ａ）に示す。
この液晶表示素子は、化学式１に示す骨格構造を有する液晶を主成分とし、表１に示すような物性を有する液晶組成物を調整し、この液晶組成物を液晶層２１として用い、セルギャップを１．５ミクロンとし、液晶層２１の分子の描く螺旋構造を解いた状態で封入したものである。
また、配向膜１８、１９を、厚さが２５〜３５ｎｍ程度のポリイミド等の有機高分子化合物から構成し、ラビングを施し、分散力ｅｓｄを３８〜４１，極性力ｅｓｐを９〜１４程度とした。
【００３９】
比較例として、セルギャップを５ミクロンとして、液晶分子の描く螺旋構造を維持した状態で液晶を封入した液晶表示素子（比較例１）の印加電圧に対する透過率の関係を図１０（Ｂ）に示す。
【００４０】
図１０（Ａ）に示すように、実施例１の液晶表示素子の印加電圧−透過率特性は、明確なしきい値を有さず、透過率が連続的に変化し、印加電圧の極性に対して対称であり、ヒステリシスが非常に小さく、コントラストが大きい。従って、印加電圧に対する透過率がほぼ一義的に定まり、中間階調を安定的に表示でき、しかも、コントラストの高い画像を安定的に表示することができる。
【００４１】
一方、図１０（Ｂ）に示すように、比較例１では、印加電圧−透過率特性がしきい値を持つと共にヒステリシスが大きく、滑らかな印加電圧−透過率特性が得られない。また、コントラストが小さい。
【００４２】
実施例１の液晶表示素子において、印加電圧に応じて、液晶分子が上述のように挙動していることは、例えば、図１１に示すコノスコープ像及びこの液晶表示素子の表示面の拡大図から判別することができる。
【００４３】
図１１はバルクの状態の液晶材料のコノスコープ像を示す。この図では、メラノープ（輝点）が、電界Ｅにほぼ垂直な方向に２つ発生しており、さらに、ほぼ左右対称である。このことは、液晶分子が二重螺旋構造を有する反強誘電相であることを示している。
【００４４】
一方、液晶材料を基板間に封入した状態の液晶層２１では、無電界状態で、ほぼ全体が黒く表示される。次に、電圧を高くすると、ほぼ全体が白くなり、液晶分子が第１又は第２の方向に揃っていることがわかる。一方、中間の電圧を印加した状態では、微小領域単位で明暗が変化し、印加電圧に応じて、明の領域と暗の領域が順次変化する。従って、中間の電圧で、液晶分子の配向が、微小領域単位で変化していることがわかる。
【００４５】
このように、この実施の形態の液晶表示素子は、液晶層２１がフェリ相を形成し、電界を印加すると、そのダイレクタが印加電圧に応じて、第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂとの間で連続的に滑らかに変化する。従って、任意の階調を安定して表示することができる。
【００４６】
図３では、下偏光板２３の透過軸２３Ａを液晶層２１のスメクティック層の法線方向とほぼ平行に、上偏光板２４の透過軸２４Ａを透過軸２３Ａに直角に配置したが、下偏光板２３の透過軸２３Ａ及び上偏光板２４の透過軸２４Ａは、要求される液晶表示素子の電気光学特性に応じて種々の配置に決定される。
【００４７】
例えば、コーン角θが２２．５°程度の液晶材料を用いる場合は、図１２（Ａ）に示すように、下偏光板２３の透過軸２３Ａを第２の方向２１Ｂに平行とし、上偏光板２４の透過軸２４Ａを下偏光板２３の透過軸２３Ａに直交するように配置してもよい。この構成では、液晶層２１に負極性の十分大きい（しきい値以上の）電圧を印加した時に、ダイレクタが第２の方向２１Ｂを向くため、表示が最も暗くなる。一方、正極性の十分大きい（しきい値以上の）電圧を印加した時に、ダイレクタが第１の方向２１Ａを向くため、表示が最も明るくなる。
【００４８】
また、コーン角が２２．５°より大きい液晶材料を用いる場合は、図１２（Ｂ）に示すように、下偏光板２３の透過軸２３Ａ及び上偏光板２４の透過軸２４Ａの一方を、液晶層２１のスメクティック層の法線に対してコーン角θより小さい角度の範囲内に配置し、他方の光学軸を一方の光学軸とほぼ直交させて配置させてもよい。このような光学配置を使用することにより、液晶を強誘電相に設定することなく、駆動することが可能となり、表示の焼き付き等を防止し、フリッカを抑えることができる。
【００４９】
例えば、化学式１に示したようにコーン角が３２°の液晶材料を用いる場合は、図１２（Ｂ）に示したように、下偏光板２３の透過軸２３Ａを、液晶層２１のスメクティック層の法線方向（ほぼ２１Ｃの方向）に対して例えば２２．５°で交差する方向に配置する。また、上偏光板２４の透過軸２４Ａを透過軸２３Ａにほぼ直交させて配置する。
【００５０】
そして、この液晶材料により形成された液晶層のダイレクタが、スメクティック層の法線方向（ほぼ２１Ｃの方向）に対してそれぞれ２２．５°の角度範囲（２３Ａ及び２１Ｄの間の範囲の）で変化するように、対向する電極間に前記液晶層が強誘電相を形成するよりも低い電圧範囲の電圧を印加することにより、透過光量を制御する。
この構成とすれば、ダイレクタが透過軸の方向２３Ａに一致した時に表示が最も暗くなり、ダイレクタが透過軸の方向２３Ａに対して４５°傾いた方向２１Ｄを向いた時に最も明るくなる。従って、最小階調から最大階調を得るためにダイレクタを第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂに設定する必要がない。即ち、液晶を強誘電相に設定することなく、駆動することができる。
【００５１】
この光学配置を採用した場合でも、印加電圧に対する液晶層２１内での分子の挙動及び相変化等は上述の通りであり、液晶層２１のダイレクタは第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂとの間で、連続的に変化する。従って、任意の階調を表示することができる。また、図３の光学配置に比較して、フリッカが少なくなり、しかも液晶層２１に強誘電相が形成されないので、画面の焼き付きが抑制され、表示画面のコントラストを高く且つ表示品質を高くすることができる。
【００５２】
上述の液晶セル（化学式１に示すに示す骨格構造を有する液晶を主成分とし、表１に示す物性を有する液晶組成物を１．５ミクロンのセルギャップに封入したセル）に図１２（Ｂ）に示す光学配置を適用した液晶表示素子（実施例２）の印加電圧に対する透過率の関係を図１３（Ａ）に示す。
比較例として、セルギャップを５ミクロンとした点以外は実施例２と同一構成の液晶表示素子（比較例２）の印加電圧に対する透過率の関係を図１３（Ｂ）に示す。
【００５３】
図１３（Ａ）、（Ｂ）の特性は、対向する電極１３と１７との間に三角波を印加して得られたものである。
図１３（Ａ）に示すように、実施例２の液晶表示素子の印加電圧−透過率特性は、明確なしきい値を有さず、透過率が連続的に変化し、印加電圧の極性に対して対称であり、ヒステリシスが小さく、コントラストが大きい。これに対し、図１３（Ｂ）に示すように、比較例２では、印加電圧−透過率特性がしきい値を持つと共にヒステリシスが大きく、滑らかな印加電圧−透過率特性が得られない。また、コントラストが小さい。
【００５４】
図１３（Ａ）、（Ｂ）からも、この実施の形態の液晶表示素子が優れた階調表示能力を有することが確認できる。
【００５５】
次に、上記構成の表示素子の駆動方法を図１４を参照して説明する。
図１４（Ａ）は行ドライバ３１が任意の行のゲートライン１５に印加するゲート信号を、図１４（Ｂ）は列ドライバ３２がゲートパルスに同期して各データライン１６に印加するデータ信号を示す。データ信号の電圧は液晶層２１を強誘電相に配向させない電圧、即ち、ＶＴｍａｘとＶＴｍｉｎとの間で、表示したい透過率に対応する電圧に設定されている。図１４（Ｃ）は、図１４（Ｂ）に示すデータパルスが印加された時の透過率の変化を示す。
【００５６】
各ゲート信号は、対応する行の選択期間にゲートパルスとしてオンする。このゲートパルスにより選択された行のＴＦＴ１４がオンする。ＴＦＴ１４がオンしている期間、即ち、書き込み期間に、そのＴＦＴ１４を介して表示階調に対応するデータ信号が画素電極１３と対向電極１７との間に印加される。ゲートパルスがオフするとＴＦＴ１４がオフし、それまで画素電極１３と対向電極１７との間に印加されていた電圧が、画素電極１３と対向電極１７とその間の液晶層２１により形成される画素容量に保持される。このため、図１４（Ｃ）に示すように、この保持電圧に対応する表示階調がこの行の次の選択期間まで保持される。従って、この駆動方法によれば、データパルスの電圧を制御することにより任意の階調画像を表示することができる。
【００５７】
実施例２の液晶表示素子を図１４（Ａ）、（Ｂ）に示す駆動方法で駆動し、データ信号の電圧を−５Ｖから＋５Ｖに順次増加し、さらに、＋５Ｖから−５Ｖに順次低下させたときの、透過率の変化を図１５に示す。図１５から、図１４（Ａ），（Ｂ）の駆動方法を使用することにより、任意の階調を安定的に表示できることが理解できる。
【００５８】
次に、このような駆動を可能とする列ドライバ３２の構成例を図１６を参照して説明する。
列ドライバ３２は、図１６に示すように、第１のサンプル・ホールド回路４１と、第２のサンプル・ホールド回路４２と、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器４３と、タイミング回路４４と、電圧変換回路４５とから構成される。
【００５９】
第１のサンプル・ホールド回路４１は、外部から供給されるアナログ表示信号のうち対応する画素用の信号成分（１つの画像データ）ＶＤ’をサンプル・ホールドする。第２のサンプル・ホールド回路４２は第１のサンプル・ホールド回路４１のホールド信号ＶＤ’をサンプル・ホールドする。
Ａ／Ｄ変換器４３は、第２のサンプルホールド回路４２のホールド信号をＡ／Ｄ変換してディジタル階調データに変換する。
タイミング回路４４は、各選択期間ＴＳに、第１と第２のサンプルホールド回路４１、４２にサンプリング及びホールディングを指示するタイミング制御信号を供給する。
【００６０】
電圧変換回路４５は、Ａ／Ｄ変換器４３が出力するディジタル階調データを対応する電圧（該ディジタル階調データが指示する階調を表示するために必要な駆動系の電圧）ＶＤを有するデータパルスに変換して、対応するデータライン１６に出力する。この電圧変換回路４５により、信号処理系の電源系統と駆動系の電源系統とが分離されている。電圧変換回路４５の出力電圧ＶＤは対応する行のＴＦＴ１４がオンしている書き込み期間に液晶層２１に印加され、ＴＦＴ１４がオフしている間は対向する電極１３と１７の間に保持される。
【００６１】
第１のサンプル・ホールド回路４１と、第２のサンプル・ホールド回路４２と、Ａ／Ｄ変換器４３と、電圧変換回路４５は、画素の列毎に配置され、タイミング回路４４は複数列に共通に配置される。
【００６２】
なお、列ドライバ３２の構成は、図１６の構成に限定されるものではない。例えば、Ａ／Ｄ変換器４３が内蔵するサンプルホールド回路を第２のサンプルホールド回路４２として使用しても良い。さらに、Ａ／Ｄ変換器４３の出力データに一定の処理を行った後、処理後のデータを電圧変換回路４５に供給して駆動系の電圧に変換してもよい。また、処理後のデータを一旦信号処理系の電圧を有する階調信号に変換した後、電圧変換回路４５で駆動系の電圧に変換してもよい。
各種タイミング信号を列ドライバ３２の外部から供給してもよい。また、画像データ自体をディジタルデータで構成してもよい。
【００６３】
この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。例えば、この発明の反強誘電性液晶は、化学式１に示した骨格構造を有するものを主成分とするものに限定されず、他のフェリ相を形成する任意の液晶を使用できる。その物性についても同様である。また、配向膜の材質、厚さ等も適宜変更可能である。
【００６４】
また、実施の形態では、偏光板２３の透過軸２３Ａと偏光板２４の透過軸２４Ａを直角に配置したが、これらが平行になるように偏光板２３と２４を配置してもよい。また、偏光板の光学軸は吸収軸でもよい。
【００６５】
また、本発明はＴＦＴをアクティブ素子とする反強誘電性液晶表示素子に限らず、ＭＩＭをアクティブ素子とする反強誘電性液晶表示素子にも適用可能である。
さらに、この発明は、図１７に示すように、対向する基板１１と１２の対向面に走査電極７１と、走査電極７１に直交する信号電極７２を配置した単純マトリクス型（パッシブマトリクス型）の表示素子にも適用可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、反強誘電性を示す液晶を用いた液晶表示素子でありながら、表示階調を連続的に変化させて、任意の階調で画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施の形態にかかる液晶表示素子の構造を示す断面図である。
【図２】図１に示す液晶表示素子の下基板の構成を示す平面図である。
【図３】偏光板の透過軸と液晶分子の配向方向の関係を示す図である。
【図４】バルクの状態の液晶の液晶分子の描く二重螺旋構造を説明するための図である。
【図５】フェリ相での液晶分子の配向状態を説明するための図である。
【図６】フェリ相での液晶分子の配向状態を説明するための図である。
【図７】フェリ相での液晶分子の配向状態を説明するための図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｅ）は、印加電圧と液晶分子の配向との関係を示す図である。
【図９】電圧を印加したときの液晶分子の挙動を説明するための図である。
【図１０】（Ａ）は、図３の光学配置を採用した実施例１の液晶表示素子に低周波の三角波電圧を印加した時の、印加電圧−透過率特性を示すグラフであり、（Ｂ）は、ギャップ長を５ミクロンとした比較例１の印加電圧−透過率特性を示すグラフである。
【図１１】バルクの状態の液晶のコノスコープ像である。
【図１２】（Ａ）と（Ｂ）は、偏光板の透過軸と液晶分子の配向方向の関係の他の例を示す図である。
【図１３】（Ａ）は、図１２（Ｂ）の光学配置を採用した実施例２の反強誘電性液晶表示素子に低周波の三角波電圧を印加した時の、印加電圧−透過率特性を示すグラフであり、（Ｂ）は、ギャップ長を５ミクロンとした比較例２の印加電圧−透過率特性を示すグラフである。
【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）は、この発明の反強誘電性液晶表示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１５】図１４に示す駆動方法を用いて実施例２の液晶表示素子を駆動した時の印加電圧−透過率特性を示す図である。
【図１６】図１４に示す駆動方法を実現するためのドライバ回路の構成例を示すブロック図である。
【図１７】単純マトリクスタイプの液晶表示素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１・・・透明基板（下基板）、１２・・・透明基板（上基板）、１３・・・画素電極、１４・・・アクティブ素子（ＴＦＴ）、１５・・・ゲートライン（走査ライン）、１６・・・データライン（階調信号ライン）、１７・・・共通電極、１８・・・配向膜、１９・・・配向膜、２０・・・シール材、２１・・・液晶層、２２・・・スペーサ、２３・・・偏光板（下偏光板）、２４・・・偏光板（上偏光板）、２５・・・液晶セル、３１・・・行ドライバ、３２・・・列ドライバ、７１・・・走査電極、７２・・・信号電極
Claims (6)
- 画素電極と前記画素電極に接続されたアクティブ素子がマトリクス状に複数配列された一方の基板と、
前記画素電極に対向する共通電極が形成された他方の基板と、
前記基板の間に封入され、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成し、前記一方の基板と前記他方の基板間においてフェリ相を形成し、且つ電界の印加により前記フェリ相における液晶分子の平均的な配向方向が制御される液晶層と、
から構成されることを特徴とする液晶表示素子。 - 電極が形成された一方の基板と、
前記電極に対向する電極が形成された他方の基板と、
前記基板の間に封入され、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成し、前記一方の基板と前記他方の基板間においてフェリ相を形成する液晶層と、
前記一方の基板の電極と前記他方の基板の電極に接続され、前記電極間に電圧を印加することにより、前記フェリ相の液晶分子をカイラルスメクティックＣＡ相の分子の描くコーンに沿って移動させることにより、前記フェリ相における前記液晶層のダイレクタを制御して階調表示を行う駆動手段と、
から構成されることを特徴とする液晶表示素子。 - 前記液晶層は、第１の配向状態と第２の配向状態とにスイッチングする液晶分子から構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示素子。 - 前記液晶層は、第１の配向状態と第２の配向状態とにスイッチングする液晶分子から構成され、印加された電圧に応じて、第１の配向状態と第２の配向状態との一方の配向状態から他方の配向状態にスイッチングすることにより、第１の配向状態と第２の配向状態の混合割合が制御される液晶から構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示素子。 - 前記液晶層は、印加される電圧に応じて、液晶分子がカイラルスメクティックＣＡ相の分子の描くコーンに沿って移動する液晶分子から構成される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示素子。 - 一対の基板間に、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成し、前記一方の基板と前記他方の基板間において、第１の配向状態に配向した液晶分子と第２の配向状態に配向した液晶分子とが混在するフェリ相を形成する液晶層を封入し、前記液晶層に電圧を印加することにより、第１の配向状態に配向した液晶分子と第２の配向状態に配向した液晶分子との一方を他方にスイッチングさせる電界を印加することにより、前記フェリ相において第１と第２の配向状態の割合を制御することにより、前記液晶層のダイレクタを制御して階調を表示する、ことを特徴とする液晶表示素子の駆動方法。
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