JPH10307285A - 液晶表示素子とその駆動方法 - Google Patents

液晶表示素子とその駆動方法

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JPH10307285A
JPH10307285A JP9132987A JP13298797A JPH10307285A JP H10307285 A JPH10307285 A JP H10307285A JP 9132987 A JP9132987 A JP 9132987A JP 13298797 A JP13298797 A JP 13298797A JP H10307285 A JPH10307285 A JP H10307285A
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liquid crystal
substrate
phase
layer
voltage
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Tomio Tanaka
富雄 田中
Tetsushi Yoshida
哲志 吉田
Manabu Takei
学 武居
Jun Ogura
潤 小倉
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Casio Computer Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定した階調表示が可能な反強誘電性液晶を
用いた液晶表示素子を提供する。 【解決手段】 基板11,12の間に、バルクの状態で
反強誘電相を示し、基板11と12との間に封入されて
電界が印加された状態で、スメクティック層内で分子配
列が揃い、層間で分子配列に関連の無い相を形成する液
晶層21が封入されている。印加電圧の極性と大きさに
応じて、この相にある液晶分子が、カイラルスメクティ
ックCA相の液晶分子が描くコーンに沿って移動し、ダ
イレクタが印加電圧に応じて連続的に変化する。従っ
て、基板11,12を挟んで偏光板23,24を配置す
ることにより、階調表示が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【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、液晶分子が各スメクティック層内で分子
配列が揃い、隣接する層間に関連がない状態の相を形成
する液晶層と、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の観点にかかる液晶
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、液晶分子が各スメクティック層内で分子配列が
揃い、隣接する層間に関連がない状態の相を形成する液
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、
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の観点にかかる液晶
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、液晶分子が各スメク
ティック層内で分子配列が揃い、隣接する層間に関連が
ない状態の配向状態の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、前記液晶層の液
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。この反強誘電性液晶
は、基板間に封入されることにより、スメクティック相
の液晶が有する層構造の各層(スメクティック層)内で
は、分子配列が揃っているが、層間に関連がない状態と
なる。このような液晶に電界を印加すると、液晶分子
は、電界の極性及び強度に応じて、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。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】液晶分子が基板間でスメクティック層間で
関連性が無く配列する状態は、例えば、配向膜と液晶と
の相互作用(界面効果)により達成され、配向膜が前記
液晶層をスメクティック層間で関連性が無く配列させる
ための配向規制力を有する。
【0014】このような液晶分子の配向状態は、例え
ば、配向膜の配向規制力が反強誘電的分子配列を維持し
ようとする分子間力よりも大きく、強誘電相と反強誘電
相のエネルギー障壁が低いために発生する。
【0015】
【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。
【0016】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。
【0017】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。TFT
14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。
【0018】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。
【0019】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。
【0020】ゲートライン15は端部15aを除いてT
FT14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。
【0021】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2
1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。
【0022】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1
8、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。
【0023】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。
【0024】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)電圧が印加されていない状態で、スメクティック
相の液晶が有する層構造の層(スメクティック層)内で
液晶分子が揃うが、層間で分子配列に相関を有していな
い状態の相を形成し、(3)低、中レベルの電圧が印加
された状態で、印加電圧の極性と強度に応じて、液晶分
子の配列が除々に一方方向に揃うように配向し、(4)
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。
【0025】液晶表示素子の上下には、一対の偏光板2
3、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。
【0026】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。
【0027】即ち、液晶分子が第1または第2の方向2
1A、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2
4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2
3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。
【0028】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。
【0029】
【化1】
【0030】
【表1】 相系列 結晶−30℃−SmCA*−69℃−SmA−80℃−I
SO 自発分極 229nC/cm2 コーン角θ 32゜ 螺旋ピッチ 1.5μm
【0031】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。
【0032】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。
【0033】一方、この液晶材料は、液晶セル25内に
封入されると、液晶層21の層厚(セルギャップ)が、
液晶材料の螺旋構造の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
失する。
【0034】また、このような構成及び物性を有する液
晶は、反強誘電相と強誘電相のポテンシャルエネルギー
の障壁が通常の反強誘電性液晶に比較して小さく、通常
の反強誘電性液晶に比較して、反強誘電相の秩序が乱れ
やすく、相転移前駆現象が大きいという特徴を有する。
相転移前駆現象は、反強誘電相を形成している液晶分子
に印加する電界強度を徐々に強くしたとき、反強誘電相
から強誘電相に相転移が起こる前に、図3に示した光学
配置の液晶素子の透過率が高くなる現象を指しており、
透過率の上昇は、液晶分子が相転移前に挙動することを
意味している。そして、この相転移前の液晶分子の挙動
は、反強誘電相と強誘電相のポテンシャルエネルギーの
障壁が小さいことを意味している。
【0035】このような液晶は、液晶セル25内に封入
されると、配向膜18,19との界面における相互作用
(界面効果)、即ち、配向処理による配向規制力の影響
を受け易い。このため、配向規制力と液晶層21の分子
間力の関係により、液晶分子は強誘電相にも反強誘電相
のどちらにもなれず、電気双極子の方向にエネルギー的
優位性がなくなった状態になり、スメクティク相の液晶
の有する層構造の各層(スメクティック層)内におい
て、配向が実質的に揃い、隣接する層間で配向が実質的
に関連を有していない状態に配列させた相が形成され
る。この状態では、液晶分子は、図5に示す仮想的なコ
ーンに沿って動き易くなっており、一部の液晶分子は基
板主面に対して傾いた状態に配向している。この状態で
の液晶分子の分子配列のモデルを図6及び図7に示す。
【0036】液晶層21に電圧を印加すると、液晶分子
の電気双極子と印加電圧との相互作用により、液晶分子
は、図5に示すように、カイラルスメクティックCA*
の仮想的なコーンに沿って挙動し、第1の方向21A又
は第2の方向21Bに向かって傾く。
【0037】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、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、液晶分子が第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
れらの強誘電相では、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。
【0038】このため、液晶層21は、電圧を無印加の
状態では、図8(A)に示すように、様々な方向を向い
た液晶分子が混在する状態となり、そのダイレクタ(液
晶分子の平均的な配向方向)は、ほぼ配向処理の方向2
1Cを向く。また、十分高い電圧を印加した状態では、
図8(B)又は(C)に示すように、液晶分子は、第1
の方向21A又は第2の方向21Bを揃って向いた状態
となり、ダイレクタは第1の方向21A又は第2の方向
21Bとなる。また、中間の電圧を印加した状態では、
図8(D)、(E)に示すように、電圧に応じて、液晶
分子が第1の方向21A又は第2の方向21Bに向かっ
て傾き、ダイレクタは、印加電圧の極性に応じて、スメ
クティック層の法線方向21Cと第1の方向21Aとの
間、及び、スメクティック層の法線方向21Cと第2の
方向21Bとの間で連続的に変化する。
【0039】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。
【0040】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9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38〜4
1,極性力espを9〜14程度とした。
【0041】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9(B)に示す。
【0042】図9(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。
【0043】一方、図9(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。
【0044】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10に示すコノスコープ像及び液晶表示
素子の表示面の拡大図から判別することができる。
【0045】即ち、図10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。
【0046】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。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、印加電圧に応じて
全体的に暗くなったり又は明るくなったりする。従っ
て、中間の電圧で、液晶分子の配向が、領域単位ではな
く、分子レベルで連続的に変化していることがわかる。
【0047】このように、この実施の形態の液晶表示素
子は、液晶層21が層間で関連性の無い配向状態を形成
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。
【0048】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。
【0049】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11(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21
B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。
【0050】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11(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2
4A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。
【0051】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11(B)に示
したように、下偏光板23の透過軸23Aを、液晶層2
1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。
【0052】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2
1A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。
【0053】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。
【0054】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11(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12(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12(B)に示す。
【0055】図12(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12(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12(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。
【0056】図12(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。
【0057】次に、上記構成の表示素子の駆動方法を図
13を参照して説明する。図13(A)は行ドライバ3
1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13(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13
(C)は、図13(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。
【0058】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TFT1
4を介して表示階調に対応するデータ信号が画素電極1
3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13(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。
【0059】実施例2の液晶表示素子を図13(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−5
Vに順次低下させたときの、透過率の変化を図14に示
す。図14から、図13(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。
【0060】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15を参照して説明する。列ドラ
イバ32は、図15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。
【0061】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。
【0062】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。
【0063】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。
【0064】なお、列ドライバ32の構成は、図15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。
【0065】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、液晶分子が各ス
メクティック層内で分子配列が揃い、隣接する層間の配
向に関連がない状態の配列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。液晶材料と配向
膜の組合せは、上述の液晶分子の配列を形成できるなら
ば、任意である。液晶層21の厚さも、上述の液晶分子
の配列を形成できる範囲ならば、任意である。さらに、
一部に上述の液晶分子配列にならない領域が発生して
も、表示に実質的に影響を与えない程度ならば、差し支
えない。
【0066】また、上記実施の形態では、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。
【0067】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16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。
【0068】
【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】液晶分子の挙動を説明するための図である。
【図6】液晶分子の配向状態を説明するための図であ
る。
【図7】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】(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10】バルクの状態の液晶のコノスコープ像であ
る。
【図11】(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12】(A)は、図11(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13】(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14】図13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15】図13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16】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(TF
T)、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、1
8・・・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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小倉 潤 東京都八王子市石川町2951番地の5 カシ オ計算機株式会社八王子研究所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】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、液晶分子が各スメクティック層内で
    分子配列が揃い、隣接する層間に関連がない状態の相を
    形成する液晶層と、から構成されることを特徴とする液
    晶表示素子。
  2. 【請求項2】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、液晶分子が各スメクティック層内で
    分子配列が揃い、隣接する層間に関連がない状態の相を
    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、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。
  3. 【請求項3】前記一方の基板と前記他方の基板の各対向
    面には、配向膜が形成されており、 前記配向膜は、反強誘電相の液晶分子の配列を乱して隣
    接するスメクティック層間に関連のない配向状態を生成
    する配向規制力を有する、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。
  4. 【請求項4】前記一方の基板と前記他方の基板の各対向
    面には、配向膜が形成されており、 前記配向膜は、液晶分子の分子間力よりも大きな配向規
    制力を有する、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。
  5. 【請求項5】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、液晶分子が各スメクティック層
    内で分子配列が揃い、隣接する層間に関連がない状態の
    配向状態の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、前記液晶層の液晶分子を、
    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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