(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素電極と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、且つ前記画素電極を覆って形成された一方の配向膜の表面に配向処理が施された一方の基板と、
前記画素電極に対向する共通電極と、この共通電極を覆い、その表面に配向処理が施された他方の配向膜とが形成された他方の基板と、
前記基板の間に、前記配向膜による配向規制力よりも大きい分子間力を有し、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封入されてなる液晶層とを備え、
前記液晶層は、前記一方の基板と前記他方の基板間において、前記画素電極と前記共通電極間に電圧が印加されていない無電界状態で、前記液晶分子の分子間力によって反強誘電相を形成し、前記画素電極と前記共通電極間に電圧が印加された電界印加状態で、前記電界によって反強誘電相と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を形成する、
ことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記液晶層は、強誘電相の液晶と、反強誘電相の液晶と、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が混在した混合相を形成する液晶材料からなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記液晶層は、電界の印加により、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することにより、中間相の配向状態が形成される液晶材料からなる液晶から構成される、
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。
【請求項４】
電極と、この電極を覆って表面に配向処理が施された一方の配向膜が形成された一方の基板と、
前記電極に対向する電極と、この電極を覆ってその表面に配向処理が施された他方の配向膜とが形成された他方の基板と、
前記配向膜による配向規制力よりも大きい分子間力を有し、バルクの状態で二重螺旋構造を描いて配列する反強誘電相を形成する液晶材料が前記基板の間に封入されてなり、前記液晶材料のスメクティック相を形成する液晶分子が自発分極を有する液晶層とを備え、
この液晶層は、前記一方の基板と他方の基板との間において、電界が印加されない無電界状態で、螺旋構造が解け、且つ前記液晶分子の分子間力によって、第１の方向を向いた液晶分子と第２の方向を向いた液晶分子が交互に配列することにより隣接するスメクティック層の液晶分子の自発分極が相互に相殺する反強誘電相を形成し、十分大きな電界が印加された状態で、その極性に応じて液晶分子が第１の方向又は第２の方向を向いた強誘電相を示し、中間の電圧が印加された状態で、前記電界によって、前記第１の方向を向いた状態の液晶分子と、前記第２の方向を向いた液晶分子と、前記液晶分子の描くコーンに沿って挙動して前記一方と他方の基板の主面に対し傾きを有した状態に配向した液晶分子とが混在する混合相を形成する、
ことを特徴とする液晶表示素子。
【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形成された前記配向膜は、前記液晶層の分子間力より小さい配向規制力を前記液晶層の液晶分子に与える表面エネルギーを有する、
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。
【請求項６】
前記一方の基板と前記他方の基板の各対向面に形成された配向膜は、液晶の分子間力より小さい配向規制力を前記液晶層に与える配向処理が施されている、
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。
【請求項７】
電極と、この電極を覆って形成され、表面に配向処理が施された一方の配向膜とが形成された一方の基板と、前記電極に対向する電極と、この電極を覆い、その表面に配向処理が施された他方の配向膜とが形成された他方の基板との間に、前記配向膜による配向規制力よりも大きい分子間力を有し、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封入されてなり、前記一方の基板と他方の基板間において、対向する前記電極間に電圧が印加されていない無電界状態で、前記液晶分子の分子間力によって反強誘電相が形成され、対向する前記電極間に電圧が印加された電界印加状態で、反強誘電相と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を形成する液晶層を設け、
対向する前記電極間に電圧を印加することにより、前記混合相を生じさせて、液晶のダイレクタを変化させることにより、階調表示を行うことを特徴とする液晶表示素子の駆動方法。
【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、且つ前記画素電極を覆って形成された一方の配向膜の表面に配向処理が施された一方の基板と、
前記画素電極に対向する共通電極と、この共通電極を覆い、その表面に配向処理が施された他方の配向膜とが形成された他方の基板と、
前記基板の間に、前記配向膜による配向規制力よりも大きい分子間力を有し、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封入されてなる液晶層とを備え、
前記液晶層は、前記一方の基板と前記他方の基板間において、前記画素電極と前記共通電極間に電圧が印加されていない無電界状態で、前記液晶分子の分子間力によって反強誘電相を形成し、前記画素電極と前記共通電極間に電圧が印加された電界印加状態で、前記電界によって反強誘電相と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を形成する、
ことを特徴とする。
【００１０】
この液晶表示素子に使用される液晶は混合相を示す。即ち、強誘電相の液晶分子と、反強誘電相の液晶分子と、液晶分子が自己の描くコーンに沿って挙動して（コーンを描いて挙動して）基板に対してチルトをもって配向した中間状態の液晶分子が混合した混合相を呈する。この混合相における、強誘電相の液晶と反強誘電相の液晶の分子の割合及び基板面に対してチルトをもって配向した状態の液晶分子の平均的な配向方向は、印加電圧に応じて連続的に変化する。
このため、この反強誘電性を示す液晶を用いた液晶表示素子は、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。
【００１１】
上記目的を達成するため、この発明の第２の観点に係る液晶表示素子は、
電極と、この電極を覆って表面に配向処理が施された一方の配向膜が形成された一方の基板と、
前記電極に対向する電極と、この電極を覆ってその表面に配向処理が施された他方の配向膜とが形成された他方の基板と、
前記配向膜による配向規制力よりも大きい分子間力を有し、バルクの状態で二重螺旋構造を描いて配列する反強誘電相を形成する液晶材料が前記基板の間に封入されてなり、前記液晶材料のスメクティック相を形成する液晶分子が自発分極を有する液晶層とを備え、
この液晶層は、前記一方の基板と他方の基板との間において、電界が印加されない無電界状態で、螺旋構造が解け、且つ前記液晶分子の分子間力によって、第１の方向を向いた液晶分子と第２の方向を向いた液晶分子が交互に配列することにより隣接するスメクティック層の液晶分子の自発分極が相互に相殺する反強誘電相を形成し、十分大きな電界が印加された状態で、その極性に応じて液晶分子が第１の方向又は第２の方向を向いた強誘電相を示し、中間の電圧が印加された状態で、前記電界によって、前記第１の方向を向いた状態の液晶分子と、前記第２の方向を向いた液晶分子と、前記液晶分子の描くコーンに沿って挙動して前記一方と他方の基板の主面に対し傾きを有した状態に配向した液晶分子とが混在する混合相を形成する、
ことを特徴とする。
【００１２】
この構成においても、強誘電相の液晶と反強誘電相の液晶の分子の割合及び基板面に対してチルトをもって配向した状態の液晶分子の平均的な配向方向は、印加電圧に応じて連続的に変化する。このため、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。
【００１３】
前記液晶層に形成される反強誘電相と、混合相は、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成し、反強誘電相から強誘電相に相転移する際の相転移前駆現象が大きい液晶材料を用いることにより得られる。
即ち、バルクの状態でカイラルスメクティックＣＡ相を形成する液晶は、前記一方の基板と前記他方の基板間に封入された状態で、配向膜の配向処理による配向規制力を受けが、液晶の分子間力が前記配向処理による配向規制力よりも大きく、且つカイラルスメクティックＣＡ相の螺旋ピッチに比べて液晶層の層厚が等しいか或は比較的大きいため、螺旋がほどけた反強誘電相に配向する。
そして、対向する電極間に電圧が印加されると、相転移前駆現象が大きい液晶は、反強誘電相と強誘電相との相転移エネルギーのギャップが小さいため、前記カイラルスメクティックＣＡの仮想的なコーンに沿って移動して（傾いて）中間状態に配向する液晶分子が発生する。そのため液晶層のダイレクタが連続的に変化し、階調表示素子が可能になる。
【００１４】
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、
電極と、この電極を覆って形成され、表面に配向処理が施された一方の配向膜とが形成された一方の基板と、前記電極に対向する電極と、この電極を覆い、その表面に配向処理が施された他方の配向膜とが形成された他方の基板との間に、前記配向膜による配向規制力よりも大きい分子間力を有し、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封入されてなり、前記一方の基板と他方の基板間において、対向する前記電極間に電圧が印加されていない無電界状態で、前記液晶分子の分子間力によって反強誘電相が形成され、対向する前記電極間に電圧が印加された電界印加状態で、反強誘電相と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を形成する液晶層を設け、
対向する前記電極間に電圧を印加することにより、前記混合相を生じさせて、液晶のダイレクタを変化させることにより、階調表示を行うことを特徴とする。
この駆動方法によれば、混合相を生ずる液晶を使用し、そのダイレクタを変化させているので、任意の階調を表示することができる。
【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、ＴＦＴ）から構成される。ＴＦＴ１４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は端子部１５ａを除いてＴＦＴ１４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）の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１８、１９は、表面エネルギーが小さく、配向規制力が比較的小さいことが望ましく、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、ラビングが施されている。この配向膜１８，１９としては、分散力ｅｓｄが３８〜４１，極性力ｅｓｐが比較的弱く４〜１０程度のものが望ましい。
【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で囲まれた領域には液晶層２１が封入されている。液晶層２１の層の厚さは、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、（２）基板１１と１２の間に封入され、電圧が印加されていない無電界状態で反強誘電相、（３）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及び図４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、（４）中間の電界が印加された状態で、反強誘電相と強誘電相とこれらの相とは異なる中間相の液晶分子が混在する混合相をそれぞれ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２３、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にほぼ配向した強誘電相の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反強誘電相の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２１Ａ、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２４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２３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についてより詳細に説明する。
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】
0003551699.tif 000002
【００３０】
【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            １．５ミクロン
【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。
【００３３】
液晶層２１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。
【００３４】
液晶層２１の層厚（セルギャップ）は、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）。また、液晶分子は配向膜１８、１９の配向処理による配向規制力を受けるが、液晶の分子間力が配向処理による配向規制力よりも大きい。このため、液晶分子は、図５及び図６（Ａ）に模式的に示すように、二重螺旋構造が消失した状態の反強誘電相を形成して基板１１、１２間に封止されている。
【００３５】
ここで、液晶分子は反強誘電相を維持しようとする分子間力を有し、一方、配向膜１８，１９は近傍の液晶を配向処理の方向２１Ｃに向かせようとする配向規制力を有する。
このため、液晶分子が反強誘電相を維持するための分子間力に比べて、界面の効果による配向規制力が小さい場合には、液晶は、バルクの時と同様に反強誘電相を維持する。また、前記分子間力に比べて配向規制力が十分大きい場合には、液晶分子はフェリ相を形成する。また、前記分子間力に比べて配向規制力が大きく、且つ前記フェリ相を形成する配向規制力よりも小さい場合には、後述する混合相を形成する。
【００３６】
この実施の形態では、液晶層２１の液晶分子の反強誘電相を維持するための分子間力が配向規制力よりも大きく、電圧が無印加のとき、隣接するスメクティック層の液晶分子が図３の第１の方向２１Ａと第２の方向２１Ｂとを交互に向く。この状態では、ダイレクタ（液晶分子の長軸の平均的な方向）がＳｍＣＡ＊相が形成する層（スメクティック層）の法線方向（又は第３の方向２１Ｃ）にほぼ揃った状態になる。隣接するスメクティック層の液晶分子の自発分極Ｐｓは、図５に示すように互いに反対方向を向き、隣接するスメクティック層の自発分極同士が互いにキャンセルする。また、空間的に平均された液晶層２１の光学軸は、スメクティック層の法線方向（又は第３の方向２１Ｃ）にほぼ一致する。
【００３７】
一方、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、図６（Ｂ）に示すように、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、図６（Ｃ）に示すように、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。
【００３８】
前述のように、液晶層２１の液晶分子は、配向膜１８、１９の配向規制力により液晶層２１との界面で分子配列の秩序が弱められ、図７に示すように、液晶分子を仮想的なコーンに沿って動き易くなっており、一方、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く、反強誘電相の分子配列の秩序は配向膜１８、１９との界面の作用により比較的乱れ易い。従って、液晶層２１に中間の電圧が印加されると、図７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）、図７に示すように、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】
このため、低電圧が印加された状態では、反強誘電相の液晶分子（図５に示す反強誘電相的な配列秩序を維持した液晶）と、図８及び図６（Ｄ）及び（Ｅ）に示すように基板面に対してチルトを持った液晶が混在する状態となる。
【００４０】
さらに、印加電圧を上昇させると、反強誘電相の液晶分子（図６（Ａ）に示す反強誘電相的な配列秩序を維持した液晶分子）が減少し、基板面に対してチルトを持った液晶分子の数が増加する。さらに、一部の分子は配向方向が反転して、強誘電相（強誘電相的な配列秩序を持った液晶分子）になる。このため、反強誘電相の液晶と強誘電相の液晶とチルトを持って配向した中間相の液晶が混在する状態となる。
【００４１】
この状態では、可視光の波長サイズの領域に、反強誘電相の液晶からなる微小領域、強誘電相の液晶からなる微小領域、中間相の液晶からなる微小領域が混在する。光学的にはこれらのドメインの特性が平均化された特性が得られる。
【００４２】
この明細書では、この中間の電圧を印加した状態を、反強誘電相と、強誘電相と、中間配向状態の液晶分子とが混在するという意味で混合相と呼ぶ。
【００４３】
この混合相において、第１の方向２１Ａと第２の配向方向２１Ｂと、基板面に対してチルトを持った状態の液晶分子が混在する状態を、図８に模式的に示す。
【００４４】
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。
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６（Ａ）〜（Ｅ）に示すように、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。
【００４５】
このため、上記構成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。さらに、ヒステリシスが非常に小さい。
【００４６】
一例として、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ときの液晶表示素子（実施例１）の印加電圧に対する透過率の関係を図９（Ａ）に示す。
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。
【００４７】
図９（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ことが理解できる。
【００４８】
一方、  図９（Ｂ）に示すように、比較例１では、配向膜１８、１９と液晶層２１の層厚方向の中間の液晶分子との相互作用が弱く、液晶層の全厚に渡って混合相が形成されないため、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。
【００４９】
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図１１（Ａ）〜１１（Ｃ）に示す、表示面の拡大図から判別することができる。
【００５０】
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。
【００５１】
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、図１１（Ａ）に示すように、ほぼ全体が黒く表示される。次に、電圧を高くすると、図１１（Ｃ）に示すように、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、中間の状態では、図１１（Ｂ）に示すように、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、中間の電圧で混合相が生成されていることがわかる。
【００５２】
このように、この実施の形態の液晶層２１の液晶分子は、印加電圧に応じて、第１又は第２の配向状態から第２又は第１の配向状態にコーンに沿って挙動する。従って、液晶層２１の平均的な配向方向が印加電圧に応じて連続的に変化し、透過率が連続的に変化する。従って、任意の階調を表示することができる。
【００５３】
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、例えば、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。
【００５４】
例えば、図１２（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２１Ｂ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。
【００５５】
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、下偏光板２３の透過軸２３Ａ及び上偏光板２４の透過軸２４Ａ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。
【００５６】
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１２（Ｂ）に示したように、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（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。
【００５７】
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２１Ａと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。
【００５８】
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。
【００５９】
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１２（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１３（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１３（Ｂ）に示す。
【００６０】
図１３（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１３（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象であり、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１３（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。
【００６１】
図１３（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。
【００６２】
次に、上記構成の表示素子の駆動方法を図１４（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。
図１４（Ａ）は行ドライバ３１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。
【００６３】
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ＴＦＴ１４を介して表示階調に対応するデータ信号が画素電極１３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。
【００６４】
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−５Ｖ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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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、前記液晶層を形成する液晶分子の分子間力より配向規制力が小さくなるような組合せで、且つ、混合相が形成できるならば、任意である。
液晶層２１の厚さも、混合相が全厚に渡って形成できる範囲ならば、任意である。さらに、一部に混合相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。
【００７１】
また、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。
【００７２】
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。
【００７３】
【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】基板間に封止された液晶分子の配向状態を説明するための図である。
【図６】（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７】中間電圧を印加したときの液晶分子の挙動を説明するための図である。
【図８】中間電圧を印加したときの液晶分子の配向状態を説明するための図である。
【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）〜（Ｃ）は、液晶表示素子の顕微鏡写真を示す図である。
【図１２】（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１３】（Ａ）は、図１２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（ＴＦＴ）、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、１８・・・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
【図１】
0003551699.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003551699.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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