JPH10307306A - 液晶表示素子とその駆動方法 - Google Patents

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、
電界が印加された状態で、基板１１、１２の近傍で、基
板の主面に対してチルトを持った液晶分子と他の相の液
晶分子が混合する混合相を形成し、中央部が反強電相を
形成する液晶層２１が封入されている。印加電圧に応じ
て、液晶層２１の光軸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２３，２
４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、バル
クの状態でカイラルスメクティックＣA相を形成する液
晶材料が前記基板の間に封入され、前記一方と他方の基
板にそれぞれ隣接して強誘電相とその他の状態に配向し
た中間相とが混在する混合相と、前記各混合相の間に形
成される前記混合相とは異なる他の相とを形成する液晶
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、バルクの状
態でカイラルスメクティックＣA相を形成する液晶材料
が前記基板の間に封入され、前記一方と他方の基板にそ
れぞれ隣接して強誘電相とその他の状態に配向した中間
相とが混在する混合相と、前記各混合相の間に形成され
る前記混合相とは異なる他の相と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、前記混合
相の液晶分子及び前記他の相の液晶分子を、カイラルス
メクック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、前記基板の主面に対
してチルトをもって配列した液晶分子を有する混合相が
前記一方と他方の基板の近傍に形成され、他の相が中間
に形成される液晶層を封入し、前記液晶層に電圧を印加
することにより、前記混合相の液晶分子及び前記他の相
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、前記液晶層
のダイレクタを制御する、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、基板近傍では、強
誘電相或いは反強誘電相と、液晶分子がその他の状態に
配列した中間相とが混在する混合相が形成され、中央部
では、反響誘電相等の相に配向する。前記混合相に混在
する中間相は、液晶分子が基板主面に対してチルトを持
った状態で配向する相であり、前記強誘電相及び反強誘
電相とは異なる液晶分子の配列状態である。このような
液晶に電界を印加すると、電界の作用により、混合相及
び他の相の液晶分子が、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し、液晶分子長軸の基
板面に対して投影された方向が変化する。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】混合相は、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その近
傍にわたって液晶分子を混合相に配列させる配向規制力
を有する。また、前記液晶層は、配向膜の配向規制力が
中央部の液晶に及ばない程度の厚さを有する。

【００１４】

【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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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Ｖ0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。

【００２１】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。

【００２２】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
材料を封入して液晶層２１を形成し、液晶セル２５が形
成されている。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〜
２．０μｍ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。

【００２３】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、強誘電相及び反
強誘電相、或いは強誘電相と反強誘電相の何れか一方と
基板１１、１２の主面に対してチルトをもって配向した
液晶分子を含む中間相の液晶とが混在する混合相を基板
の近傍に形成し、液晶層２１の中央部に反強誘電相等の
前記混合相とは異なる他の相を形成し、（３）中間の電
圧が印加された状態で、前記混合相及び前記他の相の液
晶分子のチルトを変化させ、（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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】

【化１】

【００２９】

【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

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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、配向膜１８、１９の近傍の液晶は混
合相になる。即ち、液晶層２１を構成する分子の反強誘
電相を維持するための分子間力に比べて配向規制力が相
対的に強い場合、配向膜１８、１９の近傍においては、
図５に示すように、バルクの状態で反強誘電相を形成し
ている液晶分子の一部は、スメクテッィクＣA相の分子
の描くコーンに従って基板主面にチルトをもって配向し
た中間の状態になり、また、一部の分子は反転して強誘
電相となって、これらの相が混在する混合相が形成され
る。このため、配向膜１８、１９の近傍では、隣接する
液晶分子が、第１の方向２１Ａ又は第２の方向２１Ｂを
共通に向いた強誘電相を示す微小領域と、隣接する液晶
分子が、第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂを交互に
向いた反強誘電相を示す微小領域と、基板面に対してチ
ルトを持った液晶分子が混在する混合相となる。これら
の微小領域のサイズは、光の波長よりも小さく、光学的
には複数の領域の特性が平均化される。

【００３５】一方、配向膜１８、１９の配向規制力は、
距離の２乗に比例して弱くなるため、液晶層２１の厚さ
方向の中央部には、十分な強さの配向規制力が及ばな
い。このため、液晶分子は、液晶層２１の中央部では、
液晶分子が第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂを交互
に向いた状態の反強誘電相を形成する。

【００３６】配向膜１８、１９の近傍に混合相が形成さ
れ、液晶層２１の中央部に強誘電相が形成された状態の
液晶分子の配向状態を図６に、層構造を図７にそれぞれ
示す。

【００３７】電圧を印加すると、配向膜１８、１９近傍
の液晶は、その極性に応じて、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。また、元々基板面に対してチルトを持って
いた液晶分子は第２の方向２１Ｂ又は第１の方向２１Ａ
に配列し、さらに、チルトを持った液晶分子の数も増加
する。

【００３８】また、液晶層２１の中央部の液晶分子は、
液晶層２１の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ので、液晶層２１に低電圧が印加
されると、図５に示すように、液晶分子の一部は、カイ
ラルスメクティックＣA^*相の仮想的なコーンに沿って挙
動し（動き）、基板１１、１２の主面に対して傾いた状
態（チルトを持った状態）になる。

【００３９】この混合相における、反強誘電相の液晶分
子と強誘電相の液晶分子と中間状態の液晶分子の割合、
及び、中間状態の液晶分子の平均的な配向方向（基板主
面に投影した配向方向）は、印加電圧の極性及び値に応
じて連続的に変化する。

【００４０】さらに、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２
１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。

【００４１】このため、この液晶のダイレクタ（液晶分
子の平均的な配向方向）は、図８（Ａ）〜（Ｅ）に示す
ように、電圧無印加の時は、図８（Ａ）に示すように、
液晶層のダイレクタはスメクティック層の法線方向２１
Ｃとなり、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。従って、その光
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。

【００４２】一例として、この実施の形態の液晶表示素
子（実施例１）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ミクロンとして、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。図９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。

【００４３】図９に示すように、実施例１の液晶表示素
子では、その印加電圧−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。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
ることが理解できる。

【００４４】実施例１の液晶表示素子において、液晶層
２１を構成する液晶材料が反強誘電性液晶であること
は、例えば、図１０に示すコノスコープ像から判別する
ことができる。即ち、図１０はバルクの状態の液晶材料
のコノスコープ像であり、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。

【００４５】このように、この実施の形態の液晶層２１
は、無電界時には、配向膜１８、１９の近傍に混合相を
形成し、電界を印加して液晶層２１全体に混合相を形成
することにより、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。

【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。

【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。

【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。

【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）の電極１３と１７の間に三角波電圧を
印加した時の、印加電圧に対する透過率の関係を図１２
に示す。

【００５３】図１２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。図１２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。

【００５４】なお、上記実施の形態では、液晶層２１の
厚さを１．５μｍとして、電圧を印加しない状態で、基
板近傍に混合相を形成し、電圧を印加することにより液
晶層２１の中央部にも混合相を形成したが、液晶層２１
の厚さを十分厚くすることにより、電圧を印加した状態
でも、液晶層２１の中央部に混合相を形成しない状態と
してもよい。

【００５５】この場合は、液晶層２１は、例えば、厚さ
を５μｍ程度とする。液晶層２１がこの厚さでは、液晶
は、カイラルスメクティックＣA相の液晶分子が描く二
重螺旋構造を維持した状態で、基板間に封入される。

【００５６】しかし、配向膜１８、１９の近傍では、配
向膜と液晶との界面の効果による配向規制力が液晶分子
に及ぶため、配向膜１８、１９の近傍の液晶分子は二重
螺旋構造が消失した状態にあり、基板に対してチルトを
持った液晶分子を含む混合相となる。これに対し、液晶
層２１の中央部の液晶には配向規制力が及ばないため、
液晶分子は二重螺旋構造を維持したカイラルスメクティ
ックＣＡ相の状態を維持する。

【００５７】このような構成の液晶層２１を有する液晶
表示素子の（実施例３）の電極１３と１７との間に三角
波を印加した時の電圧と透過率の関係を図１３（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ミクロンとして、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２５〜３
５ｎｍ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。

【００５８】図１３（Ａ）に示す特性が得られる原因
は、中央部の液晶に関しては、図１３（Ｂ）に実線で示
すようにヒステリシスの大きな、３安定状態の光学特性
が得られ、配向膜１８、１９の近傍の液晶のみ図１３
（Ｂ）に破線で示すＶ字型の特性が得られ、これらが合
成された特性が全体として得られるためである。

【００５９】図１３（Ａ）に示す印加電圧−透過率特性
は、図９に示す実施例１の特定ほどではないが、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、ヒステリシスが比較的小さく、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ことが
理解できる。

【００６０】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。

【００６１】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。

【００６２】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−５
Ｖ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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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、他の混合相を形
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。液晶材料と配向膜の組合せは、電圧を印加した
状態で、チルトをもって配向した液晶分子を含む混合相
が基板近傍に形成できるならば、任意である。

【００６９】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。

【００７０】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。

【００７１】

【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】混合相での液晶分子の挙動を説明するための図
である。

【図６】電圧を印加していない状態での、液晶分子の配
向状態を説明するための図である。

【図７】電圧を印加していない状態での、液晶層の構造
を説明するための図である。

【図８】印加電圧に対する液晶の配向状態の変化を説明
するための図である。

【図９】図３の光学配置を採用した実施例１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】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る。

【図１３】（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、（Ａ）に示す特性が得られる理由
を説明するための図である。

【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（Ａ）〜（Ｃ）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（Ａ）〜（Ｃ）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（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 (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０９Ｇ 3/36 Ｇ０９Ｇ 3/36 (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 (6)

【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、 バルクの状態でカイラルスメクティックＣA相を形成す
   る液晶材料が前記基板の間に封入され、前記一方と他方
   の基板にそれぞれ隣接して強誘電相とその他の状態に配
   向した中間相とが混在する混合相と、前記各混合相の間
   に形成される前記混合相とは異なる他の相とを形成する
   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、 バルクの状態でカイラルスメクティックＣA相を形成す
   る液晶材料が前記基板の間に封入され、前記一方と他方
   の基板にそれぞれ隣接して強誘電相とその他の状態に配
   向した中間相とが混在する混合相と、前記各混合相の間
   に形成される前記混合相とは異なる他の相とを形成する
   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、前記混合
   相の液晶分子及び前記他の相の液晶分子を、カイラルス
   メクック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】前記液晶層の混合相は、液晶分子が前記一
   方及び他方の基板の主面に対しチルトを持って配列した
   状態の中間相の液晶と強誘電層及び反強伝誘電相の何れ
   か２つの相の液晶とが混在する状態の液晶から構成され
   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。
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、前記液晶層をその近傍の液晶分子を混合
   相に配列させる配向規制力を有する、ことを特徴とする
   請求項１、２又は３に記載の液晶表示素子。
5. 【請求項５】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、 前記液晶層は、前記配向膜の配向規制力により、前記配
   向膜の近傍に混合相を形成し、液晶層の中央部に混合相
   以外の相が形成される厚さを有している、ことを特徴と
   する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液晶表示素
   子。
6. 【請求項６】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、前記基板の主面に対してチルト
   をもって配列した液晶分子を有する混合相が前記一方と
   他方の基板の近傍に形成され、他の相が中間に形成され
   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、前記混合相の液晶分子及び前記他の相の液晶分子
   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、前記液晶層のダイレク
   タを制御する、 ことを特徴とする液晶表示素子の駆動方法。