JPH05150257A

JPH05150257A - 液晶表示素子

Info

Publication number: JPH05150257A
Application number: JP31663791A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Mochizuki; 昭宏望月; Katsusada Motoyoshi; 勝貞本吉; Shigeo Kasahara; 滋雄笠原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1993-06-18

Abstract

(57)【要約】【目的】薄膜トランジスタやダイオード等の非線形能動
素子を使用して、液晶を各画素ごとに駆動する、アクテ
ィブマトリクス型の液晶表示素子の改良に関し、ＴＮモ
ード以外の液晶駆動モードを開発することによって、高
画質のＬＣＤを実現することを目的とする。【構成】各画素毎に薄膜トランジスタあるいはダイオー
ド等の非線形能動素子を設置したアクティブマトリクス
液晶表示素子において、液晶駆動モードとして、反強誘
電性液晶ＬＣを用いた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜トランジスタやダ
イオード等の非線形能動素子を使用して、液晶を各画素
ごとに駆動する、アクティブマトリクス型の液晶表示素
子の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子（ＬＣＤ）は、従来のブラ
ウン管ディスプレイ（ＣＲＴ）に代わるフラットパネル
ディスプレイとして、すでにポータブル機器を中心に普
及しつつある。最近のパーソナルコンピュータやワード
プロセッサの機能拡大、および処理情報の大量化に伴
い、ＬＣＤにもより高い機能、大表示容量化、フルカラ
ー表示、広視野角、高速応答、高コントラスト化等が要
求されている。

【０００３】このような要求に応える液晶表示方式（液
晶駆動方式）として、画面の各画素ごとに薄膜トランジ
スタ（ＴＦＴ）あるいはダイオード（ＭＩＭ）を形成
し、各画素ごとに独立して液晶を駆動する方式であるア
クティブマトリクス（ＡＭ）パネル方式が提案実施され
ている。

【０００４】図７は従来のＴＦＴを用いたアクティブマ
トリクス型のカラー液晶表示装置の概要を示す斜視図で
ある。ガラス基板１ａの内面において、各ゲートバス２
とドレインバス３との交点にＴＦＴ（Thin Film Transi
stor) ４が接続され、各駆動電極５を制御するようにな
っている。

【０００５】このガラス基板１ａと対向するガラス基板
１ｂの内面には、カラーフィルタ６、共通電極７が積層
形成されており、両ガラス基板１ａ、１ｂ間に液晶８が
封入されている。また、共通電極７側のガラス基板１ｂ
の外側には、偏光板９ｂが重ねられ、ＴＦＴ４側のガラ
ス基板１ａの外側に偏光板９ａが重ねられている。この
ような液晶セルにおいて、各ＴＦＴ４で各駆動電極５を
選択的に制御して液晶８を駆動し、光の透過位置および
透過光量を制御するとともに、ＴＦＴ４側の偏光板９ａ
の側から光１０を照射することで、液晶表示が行われ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来のＡＭパネル方式では、液晶表示モードとして、ＴＮ
（ツイステッドネマティック）液晶表示モードを用いて
いるため、次のような問題が生じている。

【０００７】(1) ＴＮモードは、ネマティック相液晶を
用いるため、応答速度が一般に遅く、高々50msであり、
動画表示を行うとき、良好な画質が得られない。

【０００８】(2) 液晶分子のねじれ動向（ツイスト配
向）を利用して表示するため、視野角が狭い。特に階調
表示を行うと、視野角が急激に狭くなる。すなわち、デ
ィスプレイを見込む角度によって、コントラスト比、色
などが変わってしまう。

【０００９】(3) 液晶分子自体は、永久分極を持たない
ので、トランジスタ、あるいはダイオードを励起した後
は、液晶が誘電体として励起された電荷を維持しなけれ
ばならないが、一般に不純物イオン等の影響により電荷
の維持が困難となる。

【００１０】(4) ネマティック液晶は、分子の誘電率異
方性すなわち分子長軸方向と短軸方向の誘電率差が、配
向変化のトルクを発生する元となっている。ＡＭパネル
は、前記(3) でも述べたように、電荷制御型の素子であ
るため、液晶分子の配向に伴なって誘電率が変わるとい
うことは、分子配向により電位が変化することを意味す
る。従って、誘電率異方性を分子配向変化のトルク源と
する液晶駆動モードは、本質的にＡＭパネルと相性が悪
い。

【００１１】本発明の技術的課題は、このような問題に
着目し、ＴＮモード以外の液晶駆動モードを開発するこ
とによって、高画質のＬＣＤを実現することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】図１は本発明による液晶
表示素子の基本原理を説明する模式断面図である。ガラ
ス基板１ａの内面には、駆動電極５やＴＦＴなどの非線
形能動素子が形成されており、対向するガラス基板１ｂ
の内面には、共通電極７が形成されている。そして、両
ガラス基板１ａ、１ｂ間に、次に示すような液晶モード
の液晶(LC)が封入されている。

【００１３】請求項１の発明は、このように、各画素毎
に薄膜トランジスタあるいはダイオードなどの非線形能
動素子を設置したアクティブマトリクス液晶表示素子に
おいて、液晶駆動モードとして、反強誘電性液晶(LC)を
用いるものである。

【００１４】請求項２の発明は、アクティブマトリクス
液晶表示素子において、液晶駆動モードとして、電気−
光学応答においてヒステリシスが小さい、またはヒステ
リシスの生じない反強誘電性液晶(LC)を用いて駆動する
ものである。

【００１５】請求項３の発明は、アクティブマトリクス
液晶表示素子において、液晶駆動モードとして、エレク
トロクリニック効果を示す液晶(LC)を用いるものであ
る。

【００１６】請求項４の発明は、アクティブマトリクス
液晶表示素子において、液晶駆動モードとして、電界無
印加時にスメクティックＡ相を示し、電界印加によりエ
レクトロクリニック効果を示す液晶(LC)を用いるもので
ある。

【００１７】

【作用】ＡＭパネル駆動のＴＮ液晶モードでは、液晶分
子の有する誘導分極を利用して、液晶を駆動している。
従って一度励起（電荷が蓄積され高電位となる状態）さ
れたアクティブ素子（トランジスタまたはダイオード）
は、次のフレームで再び励起されるまでの間、液晶の誘
導分極を維持し続けなければならない。そのため、液晶
中のイオン性不純物は、極めて低濃度に抑えなければ、
イオン伝導により、蓄積された電荷がリークしてしま
い、これに伴なう内部電場の変化により、液晶分子は配
向状態を変えてしまう。その結果、パネルの光学状態が
変わり、フリッカー発生、コントラスト比の低下、等の
問題を発生する。

【００１８】さらにネマティック液晶では、外部電界の
印加により、液晶分子内部に誘導分極が発生し、この誘
導分極がさらに外部電界とカップルすることにより、液
晶分子の向きを規制するトルクが発生する。従って、一
般に誘導分極をトルク源とする液晶では、応答スピード
が遅く、数十ms程度が一般的である。

【００１９】したがって、従来のネマティック液晶を用
いたＡＭパネルの問題を解消するには、(1) 液晶分子が
自発分極を持つこと、(2) 自発分極を分子配向変化のト
ルク源とすること、(3) 入力信号に応じて自発分極をキ
ャンセルできること、が必要である。

【００２０】(1) は、液晶自体に自発分極を持たせるこ
とにより、フレームスキャンインターバルでの電荷の保
持が容易になる。外部電場によって一度配向を変えた液
晶は、自発分極により、状態を保持することが容易とな
る。

【００２１】(2) は、自発分極と外部電場のカップル
が、非常に強く大きいため、従来のネマティック液晶よ
りはるかに大きなトルクが発生し、応答を速くすること
を意味している。実際に数 100μｓの応答が得られてい
る。

【００２２】(3) は、常に液晶が自発分極を有している
と、基板界面でチャージアップの問題、電荷のかたより
等の問題が発生することを、緩和しようとするものであ
る。すなわち、外部電界がないときは、液晶の自発分極
は相殺され、液晶は通常の誘電体と同様のふるまいをす
る。

【００２３】このような特徴を有する液晶材料として
は、反強誘電性液晶が最適である。反強誘電性液晶をＡ
Ｍパネルで駆動すると、自発分極を持つため、電荷の保
持が容易であり、前記(1) の要件を満たすことができ
る。また、自発分極と外部電界のカップルにより、数１
00μｓの応答が可能で、前記(2) の要件を満たすことが
できる。しかも、外部電界が無いか、または小さいとき
は、液晶は通常の誘電体となるので、前記(3) の要件を
満たすことができる。したがって、アクティブマトリク
ス式の液晶表示素子に、反強誘電性液晶を用いることに
よって、従来のＴＮモードに比べ、安定駆動、高速応答
が得られる。

【００２４】さらに、分子配向がＴＮモードと異なり、
ほぼユニホームとなるため、液晶分子の配向変化は常に
同一平面内で行われる。従って、視野角は極めて広く、
事実上パネルを真横から見ても、ほとんど正面と同じコ
ントラスト比が得られる。

【００２５】反強誘電性液晶の電気−光学特性は、立上
り時と立下り時とで大きな差異がなく、ヒステリシスが
極めて少ないことが実験で明らかになっており、請求項
２のように、ヒステリシス特性の良い反強誘電性液晶を
用いることで、階調表示がしやすくなる。

【００２６】次に請求項３、４の作用を説明する。ネマ
ティック液晶では、分子の誘電率異方性（Δε）にもと
づき、Δεが外部印加電界と結びつくことにより分子配
向が決まる。図８は従来の液晶表示素子の各画素におけ
る液晶分子の状態を示す断面図である。

【００２７】液晶分子８ｍの配向方向は、電気力線11と
垂直になろうとするので、画素電極の外周における漏れ
電界のために、外周部の液晶分子８ｍの配向が乱れる。
その結果、特に高精細パネルになると、液晶セル全体に
おける横漏れ電界による液晶分子の乱れが顕著となる。
したがって、このような問題を解消するには、(1) 液晶
分子の配向変化のためのトルク源がΔεでないこと、
(2) 横漏れ電界による分子配向変化が小さいこと、(3)
階調性が安定となるように印加電圧−透過率の関係がリ
ニアであること、が必要である。

【００２８】このような要請を満たすことができる液晶
駆動モードを研究した結果、エレクトロクリニック効果
を用いることにより、従来のＡＭパネルの欠点を改善で
きることがわかった。

【００２９】エレクトロクリニック効果は、カイラリテ
ィを持つスメクティック相液晶を用いた場合、外部電界
の印加により分子運動（分子長軸方向の回転運動）が制
限を受け、図２に示すように、外部電界の強度に応じ
て、液晶分子ｍがスメクティック層１２内で傾くもので
ある。１３はラビング方向である。液晶分子ｍの傾きに
伴ない、液晶の屈折率が変化するため、クロスニコル下
では、光透過率に差が生ずる。一般に、エレクトロクリ
ニック効果の光学応答は極めて速く、数μｓから数百ｎ
ｓであり、ＡＭパネルでのビデオレート表示に十分な速
さである。

【００３０】エレクトロクリニック効果は、ネマティッ
ク液晶のようなねじれ動作ではなく、スメクティック層
内での液晶分子の傾斜効果であるので、液晶分子は常に
外部印加電界方向と垂直な方向を向いている。このた
め、分子配向変化に伴う誘電率異方性がなく、従来のネ
マティック液晶で問題となる、配向による電位の変化が
なくなる。

【００３１】また、分子配向のトルク源がΔεでないた
め、解像度が高くなった場合の横漏れ電界の影響がほと
んどない。これは図２に示すように、エレクトロクリニ
ック効果では、液晶分子の配向変化は、常にスメクティ
ック層１２内で生ずるからである。したがって、エレク
トロクリニック効果は、解像度の高いＡＭパネルでも比
較的分解能が高く、鮮明な画像を得ることができる。

【００３２】特に、請求項３のように、電界無印加時に
スメクティックＡ相を示し、電界印加によってエレクト
ロクリニック効果を有する液晶としては、外部から電界
を印加したとき、スメクティック層内でより大きな傾き
角を持つものほど、高いコントラスト比が得られる。

【００３３】さらに、エレクトロクリニック効果は、印
加電界に対する一次の効果であるため、階調性が極めて
良い。特に前述のように、エレクトロクリニック効果で
は、液晶分子が常に同一平面内で動いているため、フル
カラー表示を行なったとき、広い視野角を確保でき、高
画質の表示が可能となる。

【００３４】

【実施例】次に本発明による液晶表示素子が実際上どの
ように具体化されるかを実施例で説明する。図３、図４
は請求項１、請求項２の発明の実施例における実験結果
である。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を10×10画素形成
したテストピースを用い、ポリイミドをスピンコート塗
布、キュア(230℃、１ｈ）後、ナイロン製ローラーで往
復３回ラビングした。また、コモン側として、ＩＴＯ
（透明導電膜）付き基板を用い、ＴＦＴ基板と同様、ポ
リイミドラビング膜を形成した。

【００３５】ラビング方向が互いに 180°となるように
２枚の基板を合わせ、 1.8μｍ粒径のシリカボールをス
ペーサとして塗布した後、貼り合わせてセルとした。こ
のセルに、不斉炭素中心にフッ素（−ＣＦ₃)を有する官
能基を持つベンゾエステル系液晶混合物で、室温で反強
誘電性を示す液晶混合組成物を注入し、液晶パネルとし
た。

【００３６】この液晶パネルの電圧−透過率特性を測定
した結果を図３に示す。この図から明らかなように、今
回実施した液晶は、電気−光学特性が、立上り時と立下
り時とで大きな差異はない。実用的なＡＭパネル駆動で
は、図３のように、電気−光学特性上のヒステリシスが
ないものほど、階調表示がしやすくなる。今回の実施例
では、印加電圧を制御することにより、64階調程度が可
能であった。

【００３７】また、電圧保持率は、ほぼ１00％、視野角
はパネル法線に対し±70°、応答時間は 300μｓであっ
た。これらの値は、従来のＴＮモードＡＭパネル（視野
角±40°、応答時間30ms）に比べ極めて良好であり、特
にビデオ表示を行う上で優位であることがわかる。

【００３８】反強誘電性液晶と類似した特性を有する液
晶駆動モードとして、強誘電性液晶（ＦＬＣ）がある。
ＦＬＣをＡＭパネルで駆動した場合も、条件の(1),(2)
は満足する。しかし、(3) については、ＦＬＣでは満足
できない。液晶の配向がどのような状態にあっても、自
発分極が出ていると、配向膜界面での電荷の蓄積が生じ
やすく、液晶の応答性に障害が出てしまう。

【００３９】これに対し、本発明による反強誘電性液晶
では、図４に示すように、低電界印加時には互いに分極
の向きが反対となり、全体としての分極を打ち消すた
め、配向膜界面での電荷の蓄積は発生しにくく、繰り返
し駆動しても表示に悪影響が生じるようなことはない。

【００４０】次に、請求項３、請求項４の発明の実施例
を説明する。薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を10×10画素
形成したＡＭテストピースを用い、ポリイミドをスピン
コート塗布、キュア(230℃、１ｈ）後、ナイロン製ロー
ラーで往復３回ラビングした。また、コモン側として、
ＩＴＯ（透明導電膜）付き基板を用い、ＴＦＴ基板と同
様、ポリイミドラビング膜を形成した。

【００４１】ラビング方向が互いに 180°となるように
２枚の基板を貼り合わせ、 1.8μｍ粒径のシリカボール
をスペーサとして塗布した後、周囲をシールし、テスト
セルとした。このセルに、ＢＤＨ社製エレクトロクリニ
ック材料７６４Ｅを注入し、液晶パネルとした。

【００４２】この液晶パネルの電圧−透過率特性を測定
した結果を図５に示す。縦軸が光の透過率であり、印加
電圧の増加に比例して透過率が増大していることがわか
る。図６は、このパネルの視野角を測定した結果であ
り、視野角の大小と関係なく、コントラストがほぼ一定
している。このように、パネル法線に対し、コントラス
ト比の変化率は極めて小さく、事実上コントラスト比の
視野角依存性はないと言える。

【００４３】電圧保持率は５℃〜60℃まで測定し、いず
れの温度においても 100％を保持することができた。応
答時間については、50μｓ以下であった。階調性につい
ては、図５の電圧−透過率特性より、連続的な階調表示
が可能であることがわかる。また、駆動時、トランジス
タの電位変化を測定したが、特に電位の変化は観測され
ず、安定な駆動が行われていることが確認できた。

【００４４】以上説明したように、本発明に適用できる
液晶材料は、エレクトロクリニック効果を示すスメクテ
ック液晶である。一般に、カイラルセンタを有する、光
学活性なスメクティック液晶は、スメクティックＡ相に
おいて、エレクトロクリニック効果を示す。そして、外
部から電界を印加したとき、スメクティック層内でより
大きな傾き角を持つ液晶ほど、コントラスト比が高くな
る。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、請求項１、請求項２の液
晶表示素子によれば、従来十分な動画表示ができなかっ
たＴＮモードＡＭパネルと異なり、応答速度、視野角の
点で大幅な改善が可能となり、特にビデオディスプレイ
としての液晶ディスプレイの機能を高めることができ
る。

【００４６】また、請求項３、請求項４のように、エレ
クトロクリニック効果を有する液晶、特にスメクティッ
クＡ相の液晶を、ＴＦＴ素子などを有するアクティブマ
トリクスパネルで駆動することにより、液晶の誘電率異
方性に基づくアクティブ素子の電位変動がなく、高解
像、広視野角の液晶表示が、連続階調、高速応答で可能
となるため、高画質のフルカラービデオ表示が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液晶表示素子の基本原理を説明す
る模式図である。

【図２】スメクティック層におけるエレクトロクリニッ
ク効果を示す斜視図である。

【図３】請求項１、請求項２の発明の実施例における電
圧−透過率特性を測定した結果である。

【図４】請求項１、請求項２の発明の実施例における電
圧−光強度特性を測定した結果である。

【図５】請求項３、請求項４の発明の実施例における電
圧−透過率特性を測定した結果である。

【図６】請求項３、請求項４の発明の実施例における視
野角−コントラスト比特性を測定した結果である。

【図７】従来のＴＦＴを用いたアクティブマトリクス型
のカラー液晶表示装置の概要を示す斜視図である。

【図８】従来の液晶表示素子における横漏れ電界の作用
を説明する断面図である。

【符号の説明】

1a ガラス基板 1b ガラス基板２ゲートバス３ドレインバス４ＴＦＴ５駆動電極６カラーフィルタ７共通電極８液晶 8m 液晶分子 9a,9b 偏光板 10 光 11 電気力線 LC 本発明における液晶ｍ本発明の液晶における液晶分子 12 スメクティック層 13 ラビング方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各画素毎に薄膜トランジスタあるいはダ
イオード等の非線形能動素子を設置したアクティブマト
リクス液晶表示素子において、液晶駆動モードとして、反強誘電性液晶(LC)を用いるこ
とを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】各画素毎に薄膜トランジスタあるいはダ
イオード等の非線形能動素子を設置したアクティブマト
リクス液晶表示素子において、液晶駆動モードとして、電気−光学応答においてヒステ
リシスが小さい、またはヒステリシスの生じない反強誘
電性液晶(LC)を用いて駆動することを特徴とする液晶表
示素子。
【請求項３】各画素毎に薄膜トランジスタあるいはダ
イオード等の非線形能動素子を設置したアクティブマト
リクス液晶表示素子において、液晶駆動モードとして、エレクトロクリニック効果を示
す液晶(LC)を用いることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項４】各画素毎に薄膜トランジスタあるいはダ
イオード等の非線形能動素子を設置したアクティブマト
リクス液晶表示素子において、液晶駆動モードとして、電界無印加時にスメクティック
Ａ相を示し、電界印加によりエレクトロクリニック効果
を示す液晶(LC)を用いることを特徴とする液晶表示素
子。