JPH05249502A - 反強誘電性液晶表示素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】各列の画素の選択期間を短くしてフレーム周波
数を高くし、しかも液晶分子の配列状態をその安定状態
まで確実に変化させて高コントラストの表示を行なわせ
ることができる反強誘電性液晶表示素子を提供する。 【構成】反強誘電性液晶２０の層をはさんで対向する一
対の透明基板１，２の一方に、縦横に配列された画素電
極１３と、これら画素電極１３にそれぞれ接続された半
導体能動素子（ＴＦＴ）１４と、この能動素子１４に駆
動信号を供給する信号線（ゲートラインＧＬおよびデー
タラインＤＬ）とを設け、他方の基板２に、前記画素電
極１３と対向する対向電極１７を設けて、反強誘電性液
晶表示素子をアクティブマトリックス化した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、反強誘電性液晶表示素
子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】反強誘電性液晶表示素子は、反強誘電性
液晶がもっている分子配列状態の安定性を利用したもの
で、この反強誘電性液晶表示素子としては、従来、単純
マトリックス方式のものが知られている。図５および図
６は従来の反強誘電性液晶表示素子を示しており、図５
は液晶表示素子の一部分の断面図、図６は一方の基板の
平面図である。

【０００３】この反強誘電性液晶表示素子の構成を説明
すると、図５および図６において、１，２は液晶層をは
さんで対向配置される一対の透明基板（ガラス板等）で
あり、この両基板１，２のうち、一方の基板１には複数
本の走査電極（透明電極）３が互いに平行に形成され、
他方の基板２には上記走査電極３の長さ方向に対して直
交する複数本の信号電極（透明電極）４が互いに平行に
形成されている。

【０００４】また、両基板１，２の電極形成面の上には
それぞれ配向膜５，６が設けられている。これら配向膜
５，６はいずれもポリイミド等の有機高分子化合物から
なる水平配向膜であり、これら配向膜５，６はそれぞ
れ、その膜面を互いに平行な方向にラビングした配向処
理膜とされている。

【０００５】そして、上記一対の基板１，２とは、その
外周縁部において図示しない枠状のシール材を介して接
着されており、この両基板１，２間の前記シール材で囲
まれた領域には、反強誘電性液晶７が封入されている。
この反強誘電性液晶７は、スメクティック層構造をなし
ており、分子配列状態の安定性をもちかつ電界に応じて
液晶分子の配列方向が変化する。

【０００６】すなわち、反強誘電性液晶７は、スメクテ
ィック層構造の法線に対しあるチルト角（22.5〜30°）
で傾いた方向に液晶分子が配列する性質をもっており、
その分子配列状態には３つの安定状態がある。

【０００７】第１の安定状態は、無電界時または弱い電
界が印加されたときの状態であり、この状態では、液晶
分子が各層ごとに互い違いの向きで配列（スメクティッ
ク層構造の法線に対し同じチルト角で交互に逆向きに配
列）する。したがって、無電界または弱い電界が印加さ
れた状態における液晶層全体での液晶分子の平均的な配
列方向はスメクティック層構造の法線方向にある。

【０００８】第２の安定状態は、液晶層に一方向の極性
の強い電界が印加されたときの状態であり、このとき
は、液晶分子の自発分極が電界と作用して、全ての液晶
分子が、スメクティック層構造の法線に対し、一方向に
上記チルト角（22.5〜30°）で一様に配列する。

【０００９】第３の安定状態は、液晶層に逆方向の極性
の強い電界が印加されたときの状態であり、このとき
は、液晶分子の自発分極が逆方向電界と作用して液晶分
子が反転し、全ての液晶分子が、スメクティック層構造
の法線に対し、上記第２の安定状態とは逆方向に上記チ
ルト角（22.5〜30°）で一様に配列する。

【００１０】また、反強誘電性液晶７の液晶分子配列方
向は、両基板１，２の配向膜５，６によって規制される
ため、上記第１の安定状態では、液晶分子が、その平均
的な配列方向が配向膜５，６の配向処理方向（ラビング
方向）にほぼ一致する状態に配列し、第２および第３の
安定状態では、全ての液晶分子が、分子長軸方向が前記
配向処理方向に対して上記チルト角だけ傾いた方向を向
く状態に配列する。

【００１１】一方、上記両基板１，２の外面にはそれぞ
れ偏光板８，９が積層されている。この両偏光板８，９
は、その透過軸が互いにほぼ直交するようにクロスニコ
ルに配置されており、さらに一方の偏光板、例えば図５
において下側の入射側偏光板８の透過軸の方向は、上記
第１の安定状態における液晶分子の平均的な配列方向と
ほぼ平行にしてある。

【００１２】図７は上記液晶表示素子の等価回路図であ
り、一方の基板１の走査電極３と他方の基板２の信号電
極４との交差対向部およびその間の反強誘電性液晶７と
で構成される画素はコンデンサと等価であるため、上記
液晶表示素子の等価回路は、走査電極３と信号電極４と
を前記画素がもつ容量（以下、画素容量という）ＣLCで
接続した回路で表わされる。

【００１３】上記液晶表示素子の表示動作について説明
すると、両基板１，２の電極３，４間に電圧を印加して
いない状態または印加電圧が低い状態では、液晶分子が
上記第１の安定状態に配列する。そして、この第１の安
定状態では、入射側偏光板８を透過して直線偏光になっ
た光は、その偏光の方向が液晶分子の平均的な配列方向
とほぼ等しいため、前記直線偏光のまま液晶層を出射し
て、クロスニコルに配置されている出射側偏光板９で遮
られる。したがってこのときは、液晶表示素子の出射光
はほとんどなく、表示がＯＦＦ（暗）状態になる。

【００１４】一方、両基板１，２の電極３，４間に一方
向の極性のＯＮ電圧（液晶のしきい値電圧より高い電
圧）を印加すると、液晶分子が第２の安定状態に配列す
る。そして、この第２の安定状態では、液晶分子の長軸
方向が、入射側偏光板８を透過して直線偏光になった光
の偏光方向に対し、上記チルト角（22.5〜30°）とほぼ
同じ角度ずれているため、液晶層に入射した直線偏光が
液晶層の複屈折効果によって楕円偏光となり、そのうち
出射側偏光板９の透過軸方向の成分の光が液晶表示素子
の出射光となって、表示がＯＮ（明）状態になる。

【００１５】これは、両基板１，２の電極３，４間に逆
方向の極性のＯＮ電圧を印加したときも同様であり、こ
のときは液晶分子が第３の安定状態に配列するが、この
第３の安定状態でも、液晶層に入射した直線偏光が液晶
層の複屈折効果によって楕円偏光となり、そのうち出射
側偏光板９の透過軸方向の成分の光が液晶表示素子の出
射光となって、表示がＯＮ（明）状態になる。

【００１６】図８は上記反強誘電性液晶表示素子におけ
る電極３，４間への印加電圧と光の透過率との典型的な
関係を示しており、印加電圧が０Ｖ付近では透過率は低
く、したがって液晶表示素子はＯＦＦ状態であるが、印
加電圧を＋側に上げて行くと、その電圧値があるしきい
値を越えたときに透過率が高くなり、液晶表示素子がＯ
Ｎ状態になる。また、この状態から印加電圧を下げて行
くと、この印加電圧が前記ＯＮ状態となる電圧値より低
いあるしきい値電圧以下となったときに透過率が低くな
り、液晶表示素子が再びＯＦＦ状態になる。これは、印
加電圧を−側に変化させたときも同様であり、このとき
も、印加電圧の絶対値があるしきい値を越えたときに液
晶表示素子がＯＮ状態になり、この状態から印加電圧の
絶対値を下げて行くと、前記ＯＮ状態となる電圧値より
低いあるしきい値以下となったときに液晶表示素子が再
びＯＦＦ状態になる。

【００１７】したがって、図８において液晶表示素子が
ＯＮ状態になるときの電圧値と再びＯＦＦ状態になると
きの電圧値との中間付近の電圧値＋ＶB ，−ＶB を基準
電圧とし、この基準電圧＋ＶB ，−ＶB に画像データ信
号を重畳させた駆動電圧を電極３，４間に印加すれば、
上記液晶表示素子に画像表示を行なわせるさせることが
できる。

【００１８】図９は上記液晶表示素子の１つの画素の電
極３，４間に印加される駆動電圧の波形と前記画素の光
透過率との関係を示している。図においてＴS は前記画
素の選択期間であり、この選択期間ＴS は、１画面を表
示する１フレームＴF を画素の行数（走査電極数）で等
分割した期間である。

【００１９】この図９のように、今、例えば最初の選択
期間ＴS に、選択画素の電極３，４間に基準電圧ＶB よ
り十分高い電圧が印加されたとすると、このときは液晶
分子が上述した第２の安定状態に配列するため、画素が
ＯＮ（明）状態になる。なお、選択期間ＴS が経過して
非選択期間になると、この画素の走査電極３の電位は非
選択電位となるが、信号電極４には他の行の画素を駆動
するためのデータ信号が印加されるため、上記画素に
は、非選択期間中にも前記データ信号に応じた波形の電
圧が印加される。しかし、この非選択期間中は走査電極
３の電位が非選択電位であるため、非選択期間中に印加
される電圧は＋ＶB 近傍の電圧であり、したがって、液
晶分子の僅かな動きによる透過率の変動はあるものの、
液晶分子の配列状態が上記第２の安定状態から他の安定
状態に変化してしまうことはない。

【００２０】また、次の選択期間ＴS に選択画素の電極
３，４間に、前の選択時とは逆極性の電圧（−電圧）が
印加されたとすると、液晶分子の配列状態が上記第２の
安定状態から他の安定状態に変化するが、この印加電圧
の絶対値が図９のように基準電圧ＶB より小さい場合
は、液晶分子の配列状態が第３の安定状態までは反転せ
ずに第１の安定状態となり、画素がＯＦＦ（暗）状態に
なる。また、非選択期間中には、上述したように他の行
の画素を駆動するためのデータ信号に応じた波形の電圧
が印加されるが、この非選択期間中に印加される電圧は
−ＶB 近傍の電圧であり、したがって、液晶分子の僅か
な動きによる透過率の変動はあるものの、液晶分子の配
列状態が上記第１の安定状態から他の安定状態に変化し
てしまうことはない。

【００２１】さらに、図９には示していないが、選択画
素の電極３，４間に、絶対値が基準電圧ＶB より十分高
い−電圧が印加されると、液晶分子が第３の安定状態に
配列して画素がＯＮ（明）状態になり、また、絶対値が
基準電圧ＶB より小さい＋電圧が印加されると、液晶分
子が第１の安定状態に配列して画素がＯＦＦ（暗）状態
になる。

【００２２】そして、この反強誘電性液晶表示素子にお
いては、上記第１，第２，第３のいずれかの安定状態に
配列した液晶分子が、次にその配列状態を変化させる電
界が印加されるまでの間、上記安定状態を維持するた
め、一般に利用されているＴＮモードやＳＴＮモードの
液晶表示素子に比べて高コントラストの表示が得られる
し、また高デューティで時分割駆動できる可能性がある
から、高精細および大画面の液晶表示素子の実現が期待
できる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在知
られている反強誘電性液晶は、いずれも電界に対する応
答時間が長いという問題をもっている。そして、従来の
反強誘電性液晶表示素子は上述したような単純マトリッ
クス方式のものであるため、１画面を書込むフレーム周
波数を高くすることはできなかった。

【００２４】これは、単純マトリックス液晶表示素子で
は、液晶分子の配列状態を変化させる電界が各画素の選
択期間中だけしか液晶に印加されないため、画素のＯＮ
状態またはＯＦＦ状態への書込みを、その画素の選択期
間内に完了させる必要があるためである。

【００２５】すなわち、単純マトリックス液晶表示素子
では、液晶分子の配列状態を変化させる電界は選択期間
中にしか液晶に作用せず、したがって選択期間内に液晶
分子配列状態の切替えを完了しないと、画素が書込み不
良となって、画像表示ができなくなる。

【００２６】このため、従来の反強誘電性液晶表示素子
では、各列の画素の選択期間を、液晶分子の配列状態の
変化に必要な期間に設定する必要があるが、反強誘電性
液晶の電界に対する応答時間は上述したように長いた
め、この反強誘電性液晶の応答時間に合わせて上記選択
期間を設定したのでは、フレーム周波数が実用値以下と
なってしまう。

【００２７】本発明は、反強誘電性液晶を用いたもので
ありながら、各列の画素の選択期間を短くしてフレーム
周波数を高くし、しかも液晶分子の配列状態をその安定
状態まで確実に変化させて高コントラストの表示を行な
わせることができる反強誘電性液晶表示素子を提供する
ことを目的としたものである。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明の反強誘電性液晶
表示素子は、反強誘電性液晶の層をはさんで対向する一
対の透明基板の一方に、縦横に配列された画素電極と、
これら画素電極にそれぞれ接続された半導体能動素子
と、この能動素子に駆動信号を供給する信号線とを設
け、他方の基板に、前記画素電極と対向する対向電極を
設けたことを特徴とするものである。

【００２９】

【作用】すなわち、本発明は、反強誘電性液晶表示素子
をアクティブマトリックス化したものであり、アクティ
ブマトリックス液晶表示素子では、選択期間に能動素子
がＯＮして信号線から供給される駆動信号に応じた電荷
が画素に充電され、非選択期間は能動素子がＯＦＦして
画素と信号線との間が電気的に遮断されるため、非選択
期間における画素からの放電は徐々にしか行なわれない
から、非選択期間中も画素に十分な電荷を保持させてお
くことができる。

【００３０】そして、反強誘電性液晶の分子は、画素の
保持電荷に応じた電界によっていずれかの安定状態に配
列するため、非選択期間中も画素に十分な電荷が保持さ
れていれば、液晶分子配列状態の切替えを選択期間内に
完了させなくても、非選択期間中に液晶分子配列状態の
切替えることができる。

【００３１】したがって、本発明の反強誘電性液晶表示
素子によれば、反強誘電性液晶の応答時間が長くても、
それに合わせて選択期間を長くとる必要はないから、各
列の画素の選択期間を短くしてフレーム周波数を高くす
ることができるし、また、液晶分子の配列状態をその安
定状態まで確実に変化させて、高コントラストの表示を
行なわせることができる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図４を参照
して説明する。図１は反強誘電性液晶表示素子の一部分
の断面図、図２は画素電極と能動素子を形成した基板の
一部分の平面図である。

【００３３】この実施例の反強誘電性液晶表示素子は、
薄膜トランジスタ（以下ＴＦＴと記す）を能動素子とす
るアクティブマトリックス液晶表示素子であり、液晶層
をはさんで対向する一対の透明基板１１，１２のうち、
図１において下側の基板（以下ＴＦＴ基板という）１１
には、透明な画素電極１３とこの画素電極１３に接続さ
れた能動素子であるＴＦＴ１４とが縦横に配列形成され
ている。

【００３４】上記ＴＦＴ１４は例えば逆スタガー構造の
ものであり、基板１１上に形成されたゲート電極Ｇと、
このゲート電極Ｇを覆うＳi Ｎ（窒化シリコン）等から
なるゲート絶縁膜１５と、このゲート絶縁膜１５の上に
形成されたａ−Ｓi （アモルファスシリコン）からなる
半導体層１６と、この半導体層１６の上に形成されたソ
ース電極Ｓおよびドレイン電極Ｄとからなっている。

【００３５】また、上記ＴＦＴ基板１１には、各画素電
極１３の行間に対応させてゲートラインＧＬが配線され
るとともに、各画素電極１３の列間に対応させてデータ
ラインＤＬが配線されており、ＴＦＴ１４のゲート電極
ＧはゲートラインＧＬにつながり、ドレイン電極Ｄはデ
ータラインＤＬにつながっている。なお、ゲートライン
ＧＬはその端子部（図示せず）を除いてＴＦＴ１４のゲ
ート絶縁膜１５で覆われており、データラインＤＬは前
記ゲート絶縁膜１５の上に形成されている。また、画素
電極１３は前記ゲート絶縁膜（透明膜）１５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Ｓに接続されている。

【００３６】一方、図１において上側の基板（以下、対
向基板という）１２には、上記ＴＦＴ基板１１の各画素
電極１３と対向する透明な対向電極１７が形成されてい
る。この対向電極１７は、表示領域全体にわたる面積の
１枚電極とされている。

【００３７】また、上記ＴＦＴ基板１１および対向基板
１２の電極形成面の上にはそれぞれ配向膜１８，１９が
設けられている。これら配向膜１８，１９はいずれもポ
リイミド等の有機高分子化合物からなる水平配向膜であ
り、その膜面にはラビングによる配向処理が施されてい
る。なお、反強誘電性液晶を用いる液晶表示素子では、
液晶層をはさんで対向する一対の基板１１，１２のうち
少なくとも一方の基板の配向膜に液晶分子の配列方向を
規制する機能をもたせておけば、液晶分子の配列方向を
十分規制できるため、いずれかの基板の配向膜は、水平
配向性だけをもつ非ラビング膜でもよい。

【００３８】上記ＴＦＴ基板１１と対向基板１２とは、
その外周縁部において図示しない枠状のシール材を介し
て接着されており、この両基板１１，１２間の前記シー
ル材で囲まれた領域には、反強誘電性液晶２０が封入さ
れている。なお、この反強誘電性液晶２０は従来の反強
誘電性液晶表示素子に用いられているものと同じもので
あり、電界に応じて液晶分子の配列状態が前述した第
１，第２，第３の安定状態に変化する。

【００３９】一方、上記両基板１１，１２の外面にはそ
れぞれ偏光板２１，２２が積層されている。この両偏光
板２１，２２は、従来の反強誘電性液晶表示素子と同様
に、その透過軸が互いにほぼ直交するようにクロスニコ
ルに配置されており、さらに一方の偏光板、例えば図１
において下側の入射側偏光板２１の透過軸の方向は、第
１の安定状態における液晶分子の配列方向（液晶層全体
での平均的な配列方向）とほぼ平行にしてある。

【００４０】図３は上記反強誘電性液晶表示素子の等価
回路図であり、画素電極１３と対向電極１７およびその
間の液晶２０とで形成される画素はコンデンサと等価で
あるため、この画素は容量（以下、画素容量という）Ｃ
LCで表わされる。また、ＣSはＴＦＴ１４がもっている
浮遊容量ＣS であり、この浮遊容量ＣS は、画素容量Ｃ
LCに対して並列に接続されている。

【００４１】上記反強誘電性液晶表示素子は、各ゲート
ラインＧＬに順次ゲート信号を印加し、これに同期させ
て各データラインＤＬに画像データ信号を印加すること
によって表示駆動される。

【００４２】図４は１つの画素のＴＦＴ１４にゲートラ
インＧＬおよびデータラインＤＬから印加されるゲート
信号およびデータ信号の波形と、画素の電極間電圧の波
形と、画素の光透過率の変化とを示している。図におい
てＴS は前記画素の選択期間であり、この選択期間ＴS
は、１画面を表示する１フレームＴF を画素の行数（走
査電極数）で等分割した期間である。

【００４３】上記反強誘電性液晶表示素子の表示動作を
説明すると、選択期間ＴS にＴＦＴ１４のゲート電極Ｇ
にゲート信号−ＶG が印加されると、ＴＦＴ１４がＯＮ
し、データラインＤＬからＴＦＴ１４を介して画素に供
給されるデータ信号ＶD に応じた電荷が、画素（画素容
量ＣLCおよび浮遊容量ＣS ）に充電される。この場合、
画素への充電は急速に行なわれ、画素の電極間（画素電
極１３と対向電極１７との間の電圧）が、ゲート信号−
ＶG とデータ信号ＶD との電位差に相当する電圧にな
る。

【００４４】また、選択期間ＴS が経過し非選択期間に
なると、ＴＦＴ１４のゲート電極Ｇに対するゲート信号
の印加が断たれてＴＦＴ１４がＯＦＦする。そして、非
選択期間には、画素（画素容量ＣLCおよび浮遊容量ＣS
）に蓄積された電荷が放電されるが、この非選択期間
はＴＦＴ１４がＯＦＦしており、画素とデータラインＤ
Ｌとの間が電気的に遮断されているから、非選択期間に
おける画素からの放電は徐々にしか行なわれず、したが
って、非選択期間中も画素に十分な電荷を保持させてお
くことができる。

【００４５】そして、反強誘電性液晶の分子は、画素の
保持電荷に応じた電界によっていずれかの安定状態に配
列するため、非選択期間中も画素に十分な電荷が保持さ
れていれば、液晶分子配列状態の切替えを選択期間内に
完了させなくても、非選択期間中に液晶分子配列状態の
切替えることができる。

【００４６】したがって、上記反強誘電性液晶表示素子
によれば、反強誘電性液晶の応答時間が長くても、それ
に合わせて選択期間を長くとる必要はないから、各列の
画素の選択期間を短くしてフレーム周波数を高くするこ
とができるし、また、液晶分子の配列状態をその安定状
態まで確実に変化させて、高コントラストの表示を行な
わせることができる。なお、上記実施例では、ＴＦＴ
（薄膜トランジスタ）を能動素子としているが、上記能
動素子は例えば薄膜ダイオード等であってもよい。

【００４７】

【発明の効果】本発明は、反強誘電性液晶の層をはさん
で対向する一対の透明基板の一方に、縦横に配列された
画素電極と、これら画素電極にそれぞれ接続された半導
体能動素子と、この能動素子に駆動信号を供給する信号
線とを設け、他方の基板に、前記画素電極と対向する対
向電極を設けて、反強誘電性液晶表示素子をアクティブ
マトリックス化したものであるから、反強誘電性液晶を
用いたものでありながら、各列の画素の選択期間を短く
してフレーム周波数を高くし、しかも液晶分子の配列状
態をその安定状態まで確実に変化させて高コントラスト
の表示を行なわせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す反強誘電性液晶表示素
子の一部分の断面図。

【図２】同じく画素電極と能動素子を形成した基板の一
部分の平面図。

【図３】上記反強誘電性液晶表示素子の等価回路図。

【図４】１つの画素の能動素子（ＴＦＴ）に印加される
ゲート信号およびデータ信号の波形と、画素の電極間電
圧の波形と、画素の光透過率の変化とを示す図。

【図５】従来の反強誘電性液晶表示素子の一部分の断面
図。

【図６】同じく一方の基板の一部分の平面図。

【図７】従来の反強誘電性液晶表示素子の等価回路図。

【図８】反強誘電性液晶表示素子における電極間への印
加電圧と光の透過率との典型的な関係を示す図。

【図９】従来の反強誘電性液晶表示素子の１つの画素の
電極間に印加される駆動電圧の波形と画素の光透過率と
の関係を示す図。

【符号の説明】

１１，１２…基板、１３…画素電極、１４…ＴＦＴ（能
動素子）、ＧＬ…ゲートライン、Ｇ…ゲート電極、１５
…ゲート絶縁膜、１６…半導体層、Ｓ…ソース電極、Ｄ
…ドレイン電極、ＤＬ…データライン、１７…対向電
極、１８，１９…配向膜、２０…反強誘電性液晶、２
１，２２…偏光板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】反強誘電性液晶を用いた液晶表示素子にお
   いて、前記反強誘電性液晶の層をはさんで対向する一対
   の透明基板の一方に、縦横に配列された画素電極と、こ
   れら画素電極にそれぞれ接続された半導体能動素子と、
   この能動素子に駆動信号を供給する信号線とを設け、他
   方の基板に、前記画素電極と対向する対向電極を設けた
   ことを特徴とする反強誘電性液晶表示素子。