JPS60230634A - 薄膜トランジスタ駆動用液晶素子 - Google Patents

薄膜トランジスタ駆動用液晶素子

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JPS60230634A
JPS60230634A JP59086766A JP8676684A JPS60230634A JP S60230634 A JPS60230634 A JP S60230634A JP 59086766 A JP59086766 A JP 59086766A JP 8676684 A JP8676684 A JP 8676684A JP S60230634 A JPS60230634 A JP S60230634A
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JP
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liquid crystal
electrode
shutter
time
substrate
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JP59086766A
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Akio Yoshida
明雄 吉田
Yuji Inoue
裕司 井上
Atsushi Mizutome
敦 水留
Satoshi Yoshihara
吉原 諭
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Original Assignee
Canon Inc
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/136Liquid crystal cells structurally associated with a semi-conducting layer or substrate, e.g. cells forming part of an integrated circuit
    • G02F1/1362Active matrix addressed cells
    • G02F1/1368Active matrix addressed cells in which the switching element is a three-electrode device

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 充亙公I 本発明は、液晶層にかかる実効電圧を高く維持し、これ
によりコントラストを良好に維持できる薄膜トランジス
タ駆動の液晶素子に関する。
11韮遣 複数の液晶透過窓を配列してなる液晶シャッターアレイ
は、従来から電子写真用複写機ヘッドなどへの応用が考
えられている。複写機ヘッドとしての液晶シャッターア
レイは、微細な窓を複数個−列もしくは、複数列に並べ
、後方から光照射を行い各々のシャッターの開(光透過
状8)と閉(光遮断状$i)を液晶への印加電圧のON
会OFFによって制御することにより、シャッタ一部を
通過した光による微細スポットの集合で像を形成するも
のである。
これまでの液晶シャッタアレイは、n個の走査電極とm
個の信号電極をマトリクス状に構成し、多数の画素を容
量型負荷素子である液晶で形成させていた。この液晶シ
ャッタアレイの駆動法としては、走査電極群に順次周期
的にアドレス信号を選択印noし、信号電極群には所定
の情報信号をアドレス信号と同期させて並列的に選択印
加する時分割駆動が採用されている。この駆動法では、
下記の式で示す様に時分割数が増すにつれてVON(オ
ン信号)/VOFF(オフ信号)が1に近くなり画素を
構成する液晶素子の開閉効率が悪くなる。このため、特
に液晶シャッタアレイの場合では、十分なS/N比をも
つ光信号を与えることができず、これを、電子写真複写
機の像露光部(プリンタヘッド部)に使用した時には良
好な画像を形成できない欠点を有している。
V ON’/ V 0FF (Vo /a)< (a−2) 2+N l/N) v
2(式中、1/N;デユーティ比、l / a ;バイ
アス比、vo;印加電圧) このようなシャッタ一部の複数個を複数の行と列に沿っ
てならべてなる液晶シャッターアレイは、これら複数の
シャッタ一部を逐次、時分割して駆動されるが、時分割
数を増加していくに従い、各シャッタ一部においてコン
トラストが低下して得られる画質が不良となる現象が見
出された。これは、時分割数の増大に伴ない、液晶層に
かかる実効電圧が低下するためと考えられる。
L見立11 本発明は、シャッター開口部を増加し、時分割数を増加
してもコントラストを良好に維持できる薄膜トランジス
タ駆動の液晶素子を提供することを目的とする。
発」L例」L表 本発明者等の研究によれば、液晶層と接する配向膜の厚
さを従来のものよりかなり薄くすることにより、液晶層
にかかる実効電圧を高くしてコントラストを改善するこ
とができることが見出された。
すなわち、本発明の液晶素子は、一対の基板の一方に開
口部透明電極およびこれと隣接する薄膜トランジスタを
設は且つ他方に対向電極を設け、更にそれぞれを液晶配
向膜で覆ってなる該一対の基板間に液晶を挾持させてな
る薄膜トランジスタ駆用動液晶素子において、前記液晶
配向膜の厚さが500Å以下であることを特徴とするも
のである。
の ・ 普 本発明の構成は、上述した通りであるが、本発明に至る
までの本発明者等による問題点の解析過程を説明し、特
に液晶配向膜の膜厚の液晶素子の特性への影響について
説明する。
第1図は、本発明の実施例に係る薄膜トランジスタを備
えた液晶素子(シャッターアレイ)の1画素(シャッタ
ー)部分の断面図である。すなわち、液晶シャッターア
レイの1シヤツタ一部分は、シャッター開口部と、これ
に隣接する薄膜トランジスタ(TPT)形成部とよりな
る。一対の透明基板1a、1bのうちの一方の基板la
上には、TPT形成部において、半導体層2、ソース電
極3、ドレイン電極4、ゲート電極5、ゲート絶縁膜6
および保護膜7からなるTPTが形成され、これを液晶
配向膜9aが覆っている。またシャッター開口部の基板
la上には、TFTのドレイン電極4と接続されて透明
電極8aが形成され、更にこれをTPT形成領域から延
長する液晶配向膜が覆っている。また対向基板lb上に
は、開口部に透明電極8b、ならびにこれを覆って一様
な配向膜9bが順次形成されている。このような一対の
基板1a、1bの配向膜9a、9b間には、P型液晶1
0が挾持されている。
実際の液晶素子では、第1図基板1a、1bの上下に、
更に一対の偏光板をクロスニコルの関係で配し、配向膜
9a、9b等にはこれら上下偏光板の偏光軸と45°を
なす方向に水平配向処理を施こされており、液晶層lO
に電界をかけた時シャッターが閉じ、電界を取り除いた
時にシャッター開となるように構成されている。
第2図は第1図に示す液晶素子の画素の等価回路であり
、第3図はTPTの駆動波形の一例を示す。第3図中、
(a)はゲートパルス波形、(b)はソース電圧波形、
(C)は画素に現れる電圧波形を示す。(C)に於てゲ
ートパルスが立ち下がった時(図中で1=0の時)Δv
Oだけ電圧降下が起こる。これは第1図におけるゲート
電極8とドレイン電極4の立体的型なりにより、第2図
に示すCgOという容量の存在に起因する。
この時の電圧降下分ΔVQは一般に次式で表わされる。
ΔVO= Cg口/ (CgO+ Ccell) +1
ΔVg・・・ (1) ここでΔvg:ゲート電圧の変動幅 Ccell :液晶セル容量 1 /Ccell= 1/Cil千1 /CLC+ 1
 /Ci2・・・ (2) 一方第3図の1=0から始まる放電カーブの時定数では
常法に従って計算すると次式で与えられる。
τ= l / (1/ Roff * Ccell+ 
l /RLC−CLG) −−−(3)ここでRoff
:TFTのオフ抵、抗 RLG :液晶層の抵抗 いま仮にRLCΦCLC)) Roff @CCF!I
I(7)場合式(3) %式%(4) 液晶に印加される実効電圧は、第3図(c)で表わされ
る電圧波形とv□=oの間の面積に相当する。TPT駆
動の場合に実効電圧を上げるには次の事が考えられる。
(I)式(1)のΔ■0を小さくする。
(II )式(3)のτを大きくする。
(II )についてはRLC’ CL、C>> Rof
f 4 Ccellの場合にはτ′を大きくすればよい
(なおRLC−CLC<< Rof f−Ccellの
場合は、τ字RL、C@CL、Cとなり、用いる液晶の
特性のみに依存するが、実際にはRoffはRLCと同
等以下のため、この状態にはならない)。
このためにはRoffを大きくするかまたはCcell
を大きくすれば良い。しかし、Roffの値は、TPT
の他の要求特性(充填速度、入出力比等)から定まって
いるため、本発明では、式(1)及び式(2)に於て、
式(2)で表わされるCcellを大きくして実効電圧
の増大を図るものである。
Ccellのうち大部分はCLCであるから、基本的に
はCLCを大きくすれば本件の目的は一部達成させられ
る。しかしながら、CLCの大きさは使用される液晶に
要求される諸特性(駆動条件、動作温度範囲等)によっ
て、必然的に決定される。このため、本発明では、配向
膜に起因するCil、Ci2を大きくする事で、Cce
llを大にして、液晶にかかる実効電圧の増大を図る。
このような、配向膜の容量は次式で表わされる。
C11= εile εo @ S/ dilCi2=
 ε12II C0・ S/di2 ・−−(5)ここ
でCil、ε12:配向膜の比誘電率dil、di2:
膜厚 したがって、Cilやε12を大にすれば良いが、これ
には液晶配向膜としての特性を優先せざるを得す、優れ
た配向膜材料としての有機樹脂を用いる場合、ε11、
ε12は約3程度と小さい。本発明基等は、このような
事情のもとで、500Å以下の厚さにしても均−且つ良
好な配向特性の配向膜が得られ、これによりその膜厚d
il、di2を薄くし、Cil、Ci2の増加を通じて
、Ccell、ひいては実効電圧の増加が可能であるこ
とを見出したものである。
本発明の液晶素子は、基本的には、第1図に示したと同
様な構造を有し、配向膜9a、9bの各々が一500Å
以下、好ましくはto−10OA(7)厚さを有するも
のである。配向膜材料としては。
例えば特開昭51−65960号公報に開示のポリイミ
ド、特開昭50−10152号公報に開示のポリビニル
アルコール、SiO,5i02などが用いられ、また上
記した厚さの配向膜は、これら材料あるいは、その前駆
体を、必要に応じて有機溶剤等に溶解ないし希釈して得
た塗布液を、透明電極あるいはTPTを形成した基板上
に、好ましくはスピンコーティングにより塗布し、硬化
成膜することにより得られる。
また適当な液晶材料としては、メルク社製のrZLI 
1132J 、ロッシュ社製のrTN−401」やBD
H社製のrE−7Jなどの正の誘電異方性を有するネマ
チック液晶等が用いられる。
以下、実施例により、本発明の作用効果について説明す
る。
実jE例 シランカップリング剤(例えば信越シリコーン(株)製
KBM−403など)の0.1%エタノール溶液を画素
電極上にスピンナー塗布した。
その後150 ’Cで30分の熱乾燥をするとシランカ
ップリングの薄膜が得られる。これを布等でラビングす
る事で液晶配向膜を形成できた。この方法で形成した膜
厚は、スピンナーの回転数に依存するが、30人程度の
膜を得る事ができた。
通常の配向膜は1000人程度程度り、次の条件に基づ
いて、Ccellの改善の程度は以下のようにして計算
される。
[条件] 液晶の誘電率 εLC= 16 電極間隔 d=10用 配向膜の誘電率 εi=3 電極面積S S=1cm2 (1)配向膜tooo人の場合式(2)より1/Cce
ll= 1/C41+ 1/CLC+ l/C12= 
1/CLC+2/C1 =dLC/εoεLC1IS+ Zdi/ εo εi * S = (10−0,2)/885X 16Xl+ 2XO,l/885X3X1 、’、Ce1l =1303pF (2)配向膜30人の場合同様に計算するとCcell
=1412pF よって(1)の場合に比べると110pFの容量増加と
なる。即ち電極間隔が同じ場合、配向膜が薄い方が容量
が増す事がわかる(つまり配向膜が薄くなった分だけ、
比誘電率の大きな液晶の寄与が増えた事による)。
1立叉1j ジルコニウムアセチルアセトナート(例えば松本製薬(
株)製ZC−550など)の1%エタノール溶液を基板
上にスピンナー塗布した。この後160℃で1時間熱処
理すると、ジルコニウム錯体の薄膜が得られた。この薄
膜はスピンナーの回転数によって異なるが、2000r
pmでは約50程度度の膜厚が得られた。
薄膜配向の場合、Ccellが相対的に太きくなるため
第3図(C)で (1)ΔVQが小さくなり、 (2)1=0からの放電カーブの時定数が大きくなる。
そのため結果的に液晶に印加される実効電圧が増える。
このような改善は、第4図に斜線部分として示される通
りである。
いま第4図の1=0に於てV[]=10Vの電圧が充電
されたとする。通常テレビ表示を行なう場合17ms 
e c程度の保持時間が要求される為、17m5ec後
のVQと膜厚との関係を、以下の条件(他は前に同じ)
で第5図に示す。
Roff = l X I O”Ω RLC= l X I O12Ω・Cm表示面積 2.
5X10−4cm2 第6図は、本発明の液晶シャッタアレイで用いるTFT
マトリクス基板の平面図を表わしている。TPTマトリ
クスは、アレイ状にTFT6011.6012.601
3.6014.6015、60 l 6、6017、6
0 l 8、 ・ ・ ・ (TFT;601)が配置
された構造を有している。
TFT601は、走査信号をゲート電極に印加するゲー
ト線(6021,6022,6023,6024)群6
02、情報信号をソース電極に印加するデータ線(60
31,6032、−働・)群603とデータ線603か
らのデータ信号が出力信号として印加されるドレイン電
極と接続した開口部電極(6041,6042,604
3,6044,6045,6046,6047,604
8、・・・)群604がそれぞれ接続されている。開口
部電極604は、表示パネルとして使用した時には画素
電極として機能し、ITOなどの透明導電膜によるセグ
メント電極がこれに対応している。本実施例では、デー
タ線6031にTFT6011.6012.6013と
6014が共通接続され、データ線6032にTFT6
015.6016.6017と6018が共通接続され
ている。一方、ゲート線6021にTFT6011.6
015が共通接線されている。同様に他のゲート線につ
いても図示する如<TPTと共通接続されている。本実
施例では4次時分割駆動方式について明らかにしたもの
であるが、本発明では2次、3次又は5次あるいはそれ
以上の多次時分割方式とすることができる。
この様なTPTマトリクス構造体では、ゲート電極(及
びゲート電極からゲート線へ引き出す引き出しゲート電
極)とドレイン電極に接続されているセグメント電極と
の間で重なり部がなく、従ってこの重なり部により発生
する不要な容量coを生じることがない。
又、本実施例では開口部電極群804が順次チドリ状に
配列されているが、これはシャツタ開口部が順次時分割
で情報の書き込みが行なわれるため、副走査方向605
へ常に移動している感光ドラム(図示せず)上での情報
書き込みが1フレーム中で直線となって行なうためであ
る。
第7図は、液晶シャタアレイを用いて光信号を感光ドラ
ムに与えるための概略構成を示している。但し、帯電器
、現像器、クリーニングなどは省略している。73は、
前述の如き液晶シャッタアレイ、71は感光ドラム、7
4は蛍光灯などの光源、72はセルフォックレンズアレ
イ、75は集光カバーである。感光ドラム71は副走査
方向76の方向に回転し、この感光ドラム71の面に光
源74と液晶シャッタアレイからなる光信号発生器から
発生した光信号を照射することによって情報信号に応じ
た静電荷像を形成することができる。このため、レーザ
ビームより発生した光信号を照射する方式の電子写真複
写機に較べ装置の小型化が可能で、しかもレーザビーム
を照射する方式で使用されるポリゴンスキャナのような
機械的駆動部がないため騒音がなく、又厳しい機械的精
度の要求を小さくすることができる利点がある。
次に、第6図に示す配列状態のシャツタ開口部(W□、
W2、・・・)で4次時分割駆動を行なう場合のドツト
パターンを形成する例を説明する。
第8図は、液晶シャッタアレイに印加する駆動信号のタ
イムチャートの具体例を表わしている。
ここでG1−G4はゲート線6021.6022.60
23と6024に印加する電圧波形で、電位■2が印加
された時TPTがオン状態となり、ソース電極とドレイ
ン電極の間が導通状態となる。一方、電位が一■、で印
加された時にはTPTはオフ状態となり、ソース電極と
ドレイン電極の間がカットオフ状態となり、電気的に遮
断される。従って、ゲート電極の印加電圧が■2の時、
TPTのドレイン電極に接続されたセグメント電極の電
位がTPTのソース電極に接続された入力線に印加した
電位に変化し、次にゲート電極の印加電圧を一■1にす
ると、その直前でデータ線に印加した電位がセグメント
電極に保持される。
Cは、コモン電極に印加する電圧波形で、本実施例では
常に電位がOに保持されている。S□はソース電極(デ
ータ電極)に印加する電圧波形で、開口部W1.W2.
 ・・−をオンかオフの何れかに設定するに従って、電
位な0かVとする電圧が印加される。
次に、開口部W+に注目してシャッタ開閉の動作制御に
ついて説明する。
時間T11において、開口部W1の電極6041と接続
されているTPT6011のゲート線6021(G□)
に接続されたゲート電極の電位がv2となり、TPT6
011はオン状態となる。
時間で1□とT12(τ□、+τ12=T□□)ではデ
ータ電極6031(Sl)の電位は■であるので、開口
部W□の電極6041の電位もほぼVとなる。
従って、この時間開口部W1はオフ状態となっている。
続く時間で1.ではゲート線6021 (G1)に接続
されたゲート電極の電位が一■lとなるので、たとえデ
ータ電極6031(Ss)に電圧が印加されても、開口
部W8の電極は電位■を保持することができる。τ1.
 = T 12+ T 、、 +T14で、T□2はゲ
ート線6022(G2)に、T12はゲート線6023
(Ga)に、T14はゲート線6024(G4)にそれ
ぞれ■2の電圧を印加する期間である。従って、T1□
+T 12 + T 1. +T 14が1フレ一ム期
間となる。続くフレーム期間の時間T21で再びゲート
電極(G□)の電位がV2となってTPT6011がオ
ン状態となる。
この時間T21の前半の時間で21でデータ電極(Sl
)の電位がVとなり、開口部W1の電極に電圧Vが付与
され、続く後半の時間τ22(TPTのオン状態が保持
されている)でデータ電極(S+)の電位が0となるの
で、開口部W1の電極の電位がOに変化し、続く時間で
23(=T22+T23+T24)の間、電位0が保持
ざ−れる。従って開口部W1に相当する液晶に印加され
る電圧が0となっているため、クロスニコルの偏光子を
配置した第6図に示す液晶素子ではシャッタのオン状態
が1フレ一ム期間に形成される。
第8図中のIWICIで、開口部W□の電極とコモン電
極間、すなわち液晶に印加される電圧波形を時系列に従
って明らかにしている。これに従えば時間τ□2+τ、
3+τ21でlW+clは電位差Vとなっていて、次の
フレーム期間のうち時間τn+τ23で1Wsclは電
位差Oとなっている。この時の開口部W1の時系列にお
ける透過率の変化を第8図中のTrlで明らかにしてい
る。この図示によれば、時間で12+τ13 + 21
の期間においては、開口部W工の透過率はTrd(暗レ
ベル)であり、時間τ22+τ23+τ31の期間にお
いては開口部W1の透過率Trl(明レベル)まで徐々
に上昇し、次のフレーム期間のτ31で、IWI Cl
がVとなる場合では図示する如くTrdに復帰する。
また、図中の1W2cIは、開口部W2の電極とコモン
電極間の時系列における電位差を示し、Tr2はその時
の透過率の変化を表わしている。
第9図は、光スポツト像のドラ)d工、とd1□を作成
する際のシーケンスを示している。各ドツトのうち、第
1列のドツト(d□1、d 12、d 13、 □d 
14・・・)ハ開ロ部Wlのオンとオフに対応し、第2
列のドツト (d21、d 22、d 21、d24@
・・)は開口部W2のオンとオフに対応している。
又、各行のドツトはそれぞれ開口部W8.W2、W3、
W411s・に対応している。ここで、ドラ)dll、
d41・ d 82・ d 13・ d 28・ d2
4とd44は暗レベルで、その他のドツトは明レベルで
あるとする。尚、図中91は主走査方向、92は副走査
方向を表わしている。
本発明の時分割駆動法では、例えば前記の如き4次分割
駆動によりシャー、タ開ロ部を動作すると、1フレ一ム
期間中でシャツタ開口部のオン状態あるいはオフ状態を
保持することができる。すなわち、暗レベルのドツトを
形成するには、1行分のドツト生成時間(τ1□+τ□
3+で21)に亘って透過率を暗レベル(T rd)と
し、また明レベルのドツトを形成する時には1行分のド
ツト生成時間(τ22+τ23+τ31)に亘って透過
率を明レベル(T rl)とすることができる。この時
の明暗比、すなわちS/N比は第6図中の面AとBの比
に相当したものとなり、従来の液晶シャッタアレイで使
用されていた単純マトリクス方式の場合と較べてS/N
比を大幅に向上することができる。
発」L例」1釆 以上説明した様に、本発明によれば、薄膜トランジスタ
を用いて、液晶シャッターを駆動するに際して、配向膜
の膜厚を低下することにより、液晶への印加電圧の実効
値を確保し、シャッター開閉時のコントラストを低下さ
せることなく、高次時分割駆動が可能な液晶シャッター
アレイが提供される。
【図面の簡単な説明】
第1図は、TPTを備えた液晶素子の一例の一画素分の
断面図、第2図は第1図の素子の等価回路図、第3図(
a)〜(C)はTPT動作させた時の電圧波形図であり
、(a)はゲート電圧波形、(b)はソース線電圧波形
、(C)液晶セルに印加される電圧波形をそれぞれ示す
。第4図は本発明に従い液晶セルに印加される電圧の増
加を示す電圧波形図、第5図は膜厚と実効電圧VQ(1
7ms e c後)との関係図である。第6図は本発明
の液晶素子の等価回路例を示す説明図である。第7図は
、本発明に適用しうるプリンタヘツド部の斜視図である
。第8図は、本発明の液晶素子で用いうる駆動信号のタ
イムチャートを表わす説明図である。第9図は、本発明
の液晶素子によるドツト作成の際のシーケンスを表わす
説明図である。 la、lb・・・透明基板、 2晦・・半導体層 31・ンース電極 4も拳・ドレイン電極 51・ゲート電極 6・・・ゲート絶縁膜 8a1・透明電極 8b−・・シャッター開口部透明電極 9a、9b・・・配向膜 1o−−一液晶。 Roff:TFTのOFF抵抗 Cil、Ci2:配向膜のコンデンサ容量CLG :液
晶層の抵抗 第1図 h 第2図 113 図 tllU ヒーW −0 第4 図 第5 図 頑厚

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、一対の基板の一方に開口部透明電極およびこれと隣
    接する薄膜トランジスタを設は且つ他方に対向電極を設
    け、更にそれぞれを液晶配向膜で覆ってなる該一対の基
    板間に液晶を挾持させてなる薄膜トランジスタ駆動用液
    晶素子において、前記液晶配向膜の厚さが500Å以下
    であることを特徴とする薄膜トランジスタ駆動用液晶素
    子。 2、前記前記液晶配向膜の厚さが10〜100人である
    特許請求の範囲第1項に記載の液晶素子。
JP59086766A 1984-04-28 1984-04-28 薄膜トランジスタ駆動用液晶素子 Pending JPS60230634A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2605132A1 (fr) * 1986-10-14 1988-04-15 Thomson Csf Ecran de visualisation electrooptique a transistors de commande et procede de realisation
US5739886A (en) * 1993-12-20 1998-04-14 Nec Corporation Liquid crystal display with reverse staggered thin film transistors and opposite electrode, and fabrication method thereof
JP2014186137A (ja) * 2013-03-22 2014-10-02 Japan Display Inc 液晶表示装置

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