JPH0921997A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来にない高速、広視野角の表示特性を有す
る液晶アクティブ・マトリクス表示装置を実現する。 【構成】 双安定性を示すカイラル・ネマティック液晶
と、その駆動用能動素子を組み合わせマトリクス表示体
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はカイラル・ネマチッ
ク液晶を用いた双安定液晶表示装置に関する。更に詳し
くは、その液晶を用いたアクティブ・マトリクス液晶表
示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】大容量の液晶表示を実現する技術とし
て、単純マトリクス型またはアクティブ（能動素子）・
マトリクス型の液晶表示があることは公知である。（例
えば、「液晶ディスプレイのすべて」工業調査会出版、
第３章など）特に、後者は液晶の特性をアクティブ素子
によってバックアップし、著しく液晶表示装置の特性を
向上させた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、アクティブ・
マトリクス型の場合でも、最終的には液晶の電気光学特
性が表示装置全体の特性を決定づけている。即ち、表示
の応答特性、視野角特性、コントラスト比は、現存する
液晶表示原理の範囲内に留まっている。このため、現在
もっとも多く用いられているツイスト・ネマチック液晶
と組み合わせたアクティブ・マトリクス表示では、応答
スピードは最高でも５０ｍｓ程度、視野角は上下５０
゜、左右９０゜、コントラスト比も１０程度である。し
たがって、この表示性能を越え、ＣＲＴの性能に限りな
く迫るためには、従来にない新しい表示原理の出現が必
要である。

【０００４】一方、新しい表示原理の芽として特公平１
−５１８１８が開示され、双安定のカイラル・ネマチッ
ク液晶表示が明らかになった。しかし、この特許におい
ては初期配向条件、２つの安定状態、また、その安定状
態の実現の方法等が現象論的に述べられているだけで、
それを表示体として実用に供する手段は提示されていな
かった。更には、ここでは現在最も表示体として実用性
が高く、表示能力が高いマトリクス表示について記述が
無く、その駆動方法についても何等開示されていなかっ
た。

【０００５】そこで、我々は先に出願した特開平６−２
３０７５１と特願平５−３７０５７にあるような液晶セ
ル構成と駆動方法から、液晶セル内で発生する液晶の流
れをコントロールし、実用的な液晶表示装置を実現し
た。駆動は、まず１〜２ｍｓ程度の高電圧を印加してフ
レデリクス転移を生じさせるリセット期間と、それに続
く選択期間を設け、選択期間の印加電圧がしきい値以上
の低電圧パルスの場合には０゜ユニフォーム状態を、し
きい値以下の低電圧パルスの場合には３６０゜ツイスト
の状態を実現するものである。この方法によって単純マ
トリクス表示体でも、応答スピード４ｍｓ，視野角；上
下方向１４０゜、左右方向１６０゜、コントラスト比Ma
x.５０以上を達成した。

【０００６】以上で明らかなように、本発明は上記新表
示原理に適合したアクティブ・マトリクス構成を提案
し、従来のアクティブ・マトリクス表示装置では達成で
きなかった表示性能を実現することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、（１）対向する１対の基板と、該基板間に
保持された液晶材料と、該基板内面に備えられた電極に
よって形成された、複数個の表示画素を有する液晶表示
装置において、前記液晶材料は少なくとも２つの安定状
態を有するように規定されたカイラル・ネマチック液晶
であり、また、前記少なくとも一方の基板上には前記液
晶材料と電気的に接続され、各表示画素の駆動のために
設けられた１個以上の能動素子と電極および配線群を有
する液晶表示装置となし、（２）前記能動素子が、電圧
に対する抵抗値が非線形性を示す２端子素子であること
を特徴とし、（３）特に、上記能動素子が、導体−絶縁
体薄膜−導体の構成からなる２端子素子である液晶表示
装置とする。

【０００８】また、能動素子型液晶表示を実現する他の
方法として（４）１表示画素に対して、リセット期間の
電圧の印加と、選択期間の電圧印加を制御する２つのス
イッチング素子を割り当て、（５）上記能動素子を、ゲ
ート電極、ソース電極、ドレイン電極、半導体薄膜の各
要素から構成される薄膜スイッチング素子とする液晶表
示装置としてもよい。更には、上記表示装置を実現する
上で、新表示原理との整合性を良くするために、（６）
対向する１対の基板のうち、少なくとも一方は平坦化処
理を施すことが望ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】

＜基本セル構成と表示特性＞母体液晶材料に市販のＴＮ
用ネマチック液晶（メルクＺＬＩ−３３２９）を用い、
これに左ねじれの光学活性剤（メルクＳ−８１１）を添
加して螺旋ピッチを３〜４μｍに調整した。セルは図１
１のようにガラス基板５の上にＩＴＯ透明電極パターン
４を形成し、ポリイミド配向膜２（東レＳＰ−７４０）
を塗布、上下基板で反平行方向（１８０゜）のラビング
を施した。２枚のガラス基板はスペーサ６を介して保持
し、セル間隔は２μｍ以下とした。従って、液晶層厚／
ねじれピッチの比は０．５±０．２の範囲の設定であ
る。このセルに液晶を注入するとプレティルト角θ数
度、初期配向１８０度のツイスト状態となり、これを偏
光方向がラビング方向に約４５度の角度をなす２枚の直
交偏光板７で挟み込み表示体とした。以上のようにして
得た試料に図１２に示したようなピーク電圧±２５Ｖ、
持続時間Ｔ１＝１ｍｓのリセットパルスを印加した後、
リセットパルスの後に遅延期間Ｔ２を入れ、遅延時間３
００μｓとし、引き続きパルス幅Ｔ３＝６０μｓ、ピー
ク値０〜±３．０Ｖの選択電圧を与え、非選択期間（Ｔ
４）に±１．２Ｖのバイアス電圧を与える駆動波形を印
加すると、３６０゜ツイストの状態が発現し、表示は暗
くなった。また、リセットパルスに続く選択パルスのピ
ークをしきい値を越えた３．６Ｖ以上にすると、０゜ユ
ニフォームが形成され、表示は明の状態となった。図１
３は応答波形の例である。上段の波形がリセットパルス
のタイミングを示しており、ＯＦＦとＯＮの２フレーム
分が示されている。ＯＦＦの光学的変化はリセット波形
が印加されると殆ど同時に透過率８０％から透過率１〜
２％まで落ちて完了している。ちなみに時間で１００μ
ｓ以下である。実際にはリセットパルスの後の選択パル
スによる緩和過程があるが、光学的には認識されない。
また、ＯＮ状態への移行はリセットパルスに続く選択パ
ルスが印加されてから緩和が始まり、９０％飽和までに
は４ｍｓ程度かかる。

【００１０】このように本発明に係る液晶表示体はパル
ス応答が基本であり、従来の数フレームで応答が完了す
るような累積応答では無いため高速応答が実現されてい
る。

【００１１】また、透過率の変化も８０％から１〜２％
へ変わるのでコントラスト比５０以上が実現できてい
る。さらには、液晶の配向方向が直交偏光板に対し４５
°という理想的な状態で複屈折光を利用しているので、
視野角も上下方向１４０゜、左右方向１６０゜の広視野
角となる。

【００１２】（実施例１）スイッチング素子の応用 そ
の１ 図１に、前記表示セルとスイッチング素子を組み合わせ
たアクティブ・マトリクスの模式図を示す。マトリクス
中のある画素（Ｘｉ，Ｙｊ）には、前記液晶素子１３と
２個のスイッチング素子１１、１２が割り当てられ、ス
イッチング素子の各々はリセット電圧の印加と、画素の
ｏｎ／ｏｆｆを決める選択電圧の印加を制御をする。即
ち、スイッチング素子１１にはリセット期間Ｔ１に対応
したゲート信号ＹＲｊが印加され、この間ソース電極か
らリセット電圧が液晶セル１３に印加される。また、こ
れとはタイミングがずれたゲート信号ＹＳｊが他のスイ
ッチング素子１２に選択期間Ｔ３の時間だけ印加され、
この間にはソース側のデータ信号Ｘｉが液晶セル１３に
印加されるので、表示セル１３はデータ信号に従ってｏ
ｎまたはｏｆｆの状態となる。なお、この構成では液晶
セルの他端は一定電圧とする。また、ここで用いる液晶
はパルス応答型であり、メモリ性を有しているため、並
列のメモリ用コンデンサは必要としない。

【００１３】図２に、図１の構成の駆動波形例を示す。
２つのスイッチング素子に印加されるゲート信号ＹＲ
ｊ，ＹＳｊは、それぞれ選択期間１Ｈずつ時間がずれて
いく走査波形であり、ＹＲがＹＳに必ず先行する。各々
のスイッチング素子のソース側にはそれぞれリセット電
圧Ｖcom±ＶRと、データ信号Ｘiが常時印加されてお
り、これがスイッチング素子のｏｎ期間印加される。な
お、このリセット電圧およびデータ電圧は交流化信号Ｆ
Ｒに従って反転が繰り返されている。このＦＲは選択期
間１Ｈの整数倍とし、最大は１フレーム期間と一致して
もよい。以上の結果、液晶素子（Ｘｉ，Ｙｊ）にはＶco
mを中心電圧とした図のような交流電圧が印加されるこ
とになる。

【００１４】（実施例２）スイッチング素子の応用 そ
の２ 図３に、前記表示セルとスイッチング素子を組み合わせ
た他のアクティブ・マトリクスの模式図を示す。実施例
１と同様マトリクス中のある画素（Ｘｉ，Ｙｊ）には、
前記液晶素子１３と２個のスイッチング素子１１、１２
が割り当てられ、２つのスイッチング素子の各々はリセ
ット電圧の印加と、画素のｏｎ／ｏｆｆを決める選択電
圧の印加を制御をする。即ち、スイッチング素子１１に
はリセット期間Ｔ１に対応したゲート信号ＹＲｊが印加
され、この間ソース電極からリセット電圧が液晶セル１
３に印加される。また、これとはタイミングがずれたゲ
ート信号ＹＳｊが他のスイッチング素子１２に選択期間
Ｔ３の時間だけ印加され、この間には選択期間電圧がソ
ース電極より供給される。一方、液晶素子１３の他端は
データ信号Ｘｉが常時印加されているので、表示素子１
３はドレイン側電圧とデータ信号Ｘｉの差分信号に従っ
てｏｎまたはｏｆｆの状態となる。また、液晶の並列コ
ンデンサは特に設ける必要は無いであろう。

【００１５】図４に、図３の構成の駆動波形例を示す。
２つのスイッチング素子に印加されるゲート信号ＹＲ
ｊ，ＹＳｊは、実施例１同様それぞれ選択期間１Ｈずつ
時間がずれていく走査波形であり、ＹＲがＹＳに必ず先
行する。各々のスイッチング素子のソース側にはそれぞ
れリセット電圧Ｖcom±ＶRと、Ｖcom±ＶSが常時印加さ
れており、これがスイッチング素子のｏｎ期間印加され
る。なお、このリセット電圧およびデータ電圧は交流化
信号ＦＲに従って反転が繰り返されている。このＦＲは
選択期間１Ｈの整数倍とし、最大は１フレーム期間と一
致してもよい。一方、データ信号ＸiはＶcomを中心とし
てＶSと同相にてｏｆｆ信号、逆相にてｏｎ信号とな
り、液晶素子にはＶcomを中心電圧とした差分の交流電
圧が印加されることになる。

【００１６】（実施例３）スイッチング素子を用いたパ
ネル構造 図５に実施例１、２を具体化する液晶パネルの概略構造
を示す。一方のガラス基板１４の上に前述したスイッチ
ング素子を薄膜のＦＥＴ１５、１６として形成、画素間
を利用して図１、図３に示したような配線１７を施す。
ＦＥＴのドレイン側は液晶の画素電極１８とし、これを
透明電極で形成する。他方のガラス基板１９上にはカラ
ーフィルター２０を形成し、その上に図１の構成の場合
にはベタの共通電極２１を、また、図３の構成の場合に
はこれを帯状のＸ電極としてつける。それぞれの基板表
面はさらに配向膜コート（図示せず）がされ、ラビング
処理がされた後、２枚の基板間１４、１９間に液晶が充
填される。このような液晶セルを１対の偏光板２２、２
３で挟むと表示パネルとなる。

【００１７】図６は薄膜ＦＥＴの断面構造を示した１例
である。ガラス基板１４上にゲート電極２４を設け、そ
の上を絶縁コート２５した後アモルファスのＳｉ２６を
形成し、その上にソース電極２７、ドレイン電極２８を
付ける。これらの電極はさらに金属、または、ＩＴＯに
よって配線と、画素電極２９の形成がされ、ＦＥＴ部分
にはパッシベーション膜３０を掛けておく。ここで、Ｆ
ＥＴの形成部分と画素電極間には段差が生じるので、望
ましくは画素電極の下に高さ調整のための部分コーティ
ング３１を行い、セル厚の均一化を図ることが良い。理
由は、本発明で用いる液晶表示はセル厚のばらつきによ
って駆動しきい値が変動し易いためである。従って、こ
のような能動素子部分と、表示画素部分の平坦化を行っ
ておくと、ギャップ材散布による厚み制御がやり易くな
り、均一なセル厚が得られると共に、液晶の駆動特性が
安定する。

【００１８】（実施例４）非線形素子の応用 図７は、２端子非線形素子を応用したアクティブ・マト
リクスの模式図である。マトリクス表示の１画素（Ｘ
i、Ｙj）は、液晶表示素子４１に非線形素子４２を直列
接続したものを単位としており、この非線形素子にはダ
イオード特性を示すもの、および、非線形抵抗性を示す
ものを当てる。前者では２個の薄膜ダイオードを逆接続
したものがあり、また、後者では導体−薄膜絶縁体−導
体の構造を有するＭＩＭ素子がある。さて、液晶素子４
１の一方の電極はデータ信号系のＸi電極に接続し、非
線形素子４２の他端は走査信号系のＹj電極と結線し、
液晶素子と非線形素子に同時にある駆動電圧を印加する
と、印加電圧は両素子間で分圧されて液晶に印加され
る。

【００１９】図８は、駆動波形の１例である。Ｙj電極
には図のような走査波形が印加され、Ｘi電極にはこれ
に同期して各画素のデータ信号が印加される。この時、
液晶の容量に対して非線形素子の容量を充分小さくして
おけば、印加された電圧の大部分は非線形素子に印加さ
れ、非線形特性が有効に現れる。例えば、ＭＩＭ素子の
場合はある電圧を越えると急激に抵抗値が下がるので、
この電圧を越えたとき液晶素子にかかる分圧が増し、液
晶素子がｏｎ／ｏｆｆされる。また、液晶に印加する電
圧は交流波形とする事が望ましいため、さきの非線形素
子も両極性を必要とする。ＭＩＭ素子はこの要求を満足
している。また、前述の液晶対非線形素子の容量比につ
いては、液晶セル厚を薄くする事、ＭＩＭ素子の面積を
小さくする事などが有効である。なお、ダイオードを応
用したものについても、ＭＩＭ素子を用いた場合と条件
はほぼ同じである。さらには、本発明で用いる液晶素子
は基本的にメモリ特性を有しているため、液晶に並列の
コンデンサーを形成する必要はない。

【００２０】（実施例５）非線形素子を用いたパネル構
造 図９に実施例４を具体化する液晶パネルの概略構造を示
す。一方のガラス基板４３の上に前述した非線形素子を
薄膜で４４として形成、画素間を利用してＹjの配線４
５を施す。非線形素子の一方の電極は液晶の画素電極４
６と接続し、これを透明電極で形成する。他方のガラス
基板４７上にはカラーフィルター４８を形成し、その上
にＸi 電極４９を帯状につける。それぞれの基板表面は
さらに配向膜コート（図示せず）がされ、ラビング処理
がされた後、２枚の基板間４３、４７間に液晶が充填さ
れる。このような液晶セルを１対の偏光板５０、５１で
挟むと表示パネルとなる。

【００２１】図１０は非線形素子の例としてＭＩＭの断
面構造を示したものである。ガラス基板４３上にＴａの
Ｙj 電極を設け、その上を陽極酸化による絶縁コート５
２した後、さらに、その上にＣｒ電極５３を付け非線形
素子部とする。Ｃｒ電極の一部は透明電極ＩＴＯによっ
て接続し、画素電極４６の形成がなされる。ここで、Ｍ
ＩＭの形成部分と画素電極間には段差が生じるので、望
ましくは画素電極の下に高さ調整のための部分コーティ
ング５４を行い、セル厚の均一化を図ることが良い。こ
れは本発明で用いる液晶表示がセル厚のばらつきによっ
てしきい値が変動し易いためである。このように能動素
子部分と、表示画素部分の高さ調整を行っておくと、ギ
ャップ材散布による厚み制御がやり易くなり、均一なセ
ル厚が得られると共に、液晶の駆動特性が安定する。

【００２２】

【発明の効果】本発明は、従来アクティブ・マトリクス
で用いられてきたツイスト・ネマチック液晶表示に変わ
って、双安定のカイラル・ネマチック液晶を表示素子と
して用いたため、応答数ｍｓ、視野角１４０゜を越える
高性能アクティブ・マトリクス表示体を実現できた。こ
れによって、現在高品質を実現しているＣＲＴ表示装置
に近接した液晶表示装置を提供でき、かつ、液晶の薄型
・低パワーを活かした新しい応用展開が図れる。

【００２３】また、本発明に用いる液晶表示はパルス応
答型であり、また、メモリ性も有するため、従来とは違
ったアクティブ・マトリクス構成がとれる。例えば、従
来表示の保持用に必要であった、並列のコンデンサーは
不要となるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の液晶アクティブ・マトリク
ス表示体の駆動原理図である。

【図２】本発明による第１の液晶アクティブ・マトリク
ス表示体の駆動波形図である。

【図３】本発明による第２の液晶アクティブ・マトリク
ス表示体の駆動原理図である。

【図４】本発明による第２の液晶アクティブ・マトリク
ス表示体の駆動波形図である。

【図５】本発明による第１、第２の液晶アクティブ・マ
トリクス表示体の概略構成図である。

【図６】本発明に用いる薄膜ＦＥＴと周辺の概略断面図
である。

【図７】本発明による第３の液晶アクティブ・マトリク
ス表示体の駆動原理図である。

【図８】本発明による第３の液晶アクティブ・マトリク
ス表示体の駆動波形図である。

【図９】本発明による第３の液晶アクティブ・マトリク
ス表示体の概略構成図である。

【図１０】本発明に用いる薄膜ＭＩＭと周辺の概略断面
図である。

【図１１】本発明に用いる液晶表示セルの基本構成図で
ある。

【図１２】本発明に用いる液晶表体の基本駆動波形図で
ある。

【図１３】本発明に用いる液晶表体の光学応答波形図で
ある。

【符号の説明】

１ 液晶分子 ２ 配向膜 ３ 絶縁膜 ４ 透明電極 ５ 硝子基板 ６ スペーサー ７ 偏光板 １１ スイッチング素子 １２ スイッチング素子 １３ 液晶素子 １４ 硝子基板 １５ 薄膜ＦＥＴ １６ 薄膜ＦＥＴ １７ 配線 １８ 画素電極 １９ 硝子基板 ２０ カラーフィルター ２１ 共通電極 ２２ 偏光板 ２３ 偏光板 ２４ ゲート電極 ２５ ゲート絶縁膜 ２６ アモルファスＳｉ膜 ２７ ソース電極 ２８ ドレイン電極 ２９ 透明電極 ３０ パッシベーション膜 ３１ 段差調整膜 ４１ 液晶素子 ４２ 非線形素子 ４３ 硝子基板 ４４ 薄膜非線形素子 ４５ Ｙ電極配線 ４６ 画素電極 ４７ 硝子基板 ４８ カラーフィルター ４９ Ｘ電極 ５０ 偏光板 ５１ 偏光板 ５２ 絶縁膜 ５３ Ｃｒ電極 ５４ 段差調整膜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向する１対の基板と、該基板間に保持
   された液晶材料と、該基板内面に備えられた電極によっ
   て形成された、複数個の表示画素を有する液晶表示装置
   において、前記液晶材料は少なくとも２つの安定状態を
   有するように規定されたカイラル・ネマチック液晶であ
   り、また、前記少なくとも一方の基板上には前記液晶材
   料と電気的に接続され、各表示画素の駆動のために設け
   られた１個以上の能動素子と電極および配線群を有する
   ことを特徴とする液晶表示装置。
2. 【請求項２】 能動素子が、電圧に対する抵抗値が非線
   形性を示す２端子素子であることを特徴とする請求項１
   に記載の液晶表示装置。
3. 【請求項３】 能動素子が、導体−絶縁体薄膜−導体の
   構成からなる２端子素子であることを特徴とする請求項
   ２に記載の液晶表示装置。
4. 【請求項４】 １表示画素に対して、リセット期間の電
   圧の印加と、選択期間の電圧印加を制御する２つのスイ
   ッチング素子を割り当てたことを特徴とする請求項１に
   記載の液晶表示装置。
5. 【請求項５】 能動素子が、ゲート電極、ソース電極、
   ドレイン電極、半導体薄膜の各要素から構成される薄膜
   スイッチング素子であることを特徴とする請求項１、ま
   たは、請求項４に記載の液晶表示装置。
6. 【請求項６】 対向する１対の基板のうち、少なくとも
   一方は平坦化処理を施したものであることを特徴とする
   請求項１に記載の液晶表示装置。