JPH05107541A

JPH05107541A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH05107541A
Application number: JP3265074A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Nito; 敬一仁藤; Akio Yasuda; 章夫安田; Eriko Matsui; 恵理子松居; Tetsuo Urabe; 哲夫占部
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-10-14
Filing date: 1991-10-14
Publication date: 1993-04-30
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: JP3466635B2

Abstract

(57)【要約】【目的】アナログ階調でフルカラー表示を行うことが
できるようにした液晶表示装置を得る。【構成】電圧印加によって液晶１のダイレクタの傾き
を連続的に変化させて透過光強度を変化させる液晶表示
素子１０と、この液晶表示素子１０に対し、三原色各光
を継時的に切り換え照射させるバックライト光源５とを
有して成る構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示装置、特にアナ
ログ階調のフルカラー液晶表示を行うことのできるアク
ティブマトリクス型の液晶表示装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来のフルカラー液晶表示装置は、ツイ
ストネマティック（ＴＮ）モードをＴＦＴ（薄膜トラン
ジスタ）によるアクティブマトリクスで駆動している
が、この場合、高速性に問題があり、各フィールド或い
はフレームを完全には表示できず、また充分なアナログ
階調を得ることができなかった。

【０００３】そして、このＴＮ素子によって、例えば三
原色赤Ｒ，緑Ｇ，青Ｂの各画素のトリオをカラーの１画
素としてこれらの光の集合色によりフルカラー表示を行
う場合、各ドット即ち液晶表示素子毎にＲ，Ｇ，Ｂのカ
ラーフィルタを設けて、Ｒ，Ｇ，Ｂフィルタにおける各
色以外の光を遮断することによって情報信号に対応する
三原色光を得ているため、白色光である表示光源、いわ
ゆるバックライトの光量を有効に用いることができず、
約１／３の光利用効率となっていた。

【０００４】また、強誘電性液晶を用いたディジタル階
調の液晶表示素子と、タイムシークェンシャル即ち継時
的Ｒ，Ｇ，Ｂ表示によるカラー表示素子の提案もなされ
ているが、この場合タイムシークェンシャルなディジタ
ル階調表示を採るため、フルカラー表示は実現できなか
った。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、アナログ階
調でフルカラー表示を行うことができると共に、バック
ライトの光利用率を高めることができる液晶表示装置を
提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明液晶表示装置は、
その一例の略線的構成図を図１に示すように、電圧印加
によって液晶１のダイレクタいわゆる分子軸の傾きを連
続的に変化させて透過光強度を変化させる液晶表示素子
１０と、この液晶表示素子１０に対し、三原色各光を継
時的に切り換え照射させるバックライト光源５とを有し
て成る構成とする。

【０００７】そして本発明の他の一においては、このよ
うな液晶表示装置において、特にその液晶表示素子とし
て、一軸配向処理が施された一対の基板２１及び２２が
配向処理方向が互いにほぼ平行となるように対向配置す
るとともに、これら基板２１及び２２間にカイラルスメ
クティックＣ相を有する液晶材料を充填し、このカイラ
ルスメクティックＣ相を有する液晶材料の液晶分子が描
くコーンの軸方向の基板２１及び２２への投影成分及び
液晶分子自身の分子軸方向の基板２１及び２２への投影
成分がそれぞれ基板２１及び２２の配向処理方向と同一
とし、この状態が初期状態とする単安定化構成をとり、
各画素即ち最小単位の画素１０Ａに対応してスイッチン
グ素子６を設けたアクティブマトリクス駆動を行う。

【０００８】

【作用】上述したように、本発明液晶表示装置は、液晶
１のダイレクタの傾きを連続的に変化させて透過光強度
を変化させる液晶表示素子１０を用いることから、アナ
ログ階調表示を行うことができ、従ってフルカラー表示
が可能となる。

【０００９】また、三原色カラーフィルタを用いること
なく、三原色各光源を継時的に切り換え照射させるバッ
クライト光源５を設ける構成とするため、一画素１０Ａ
それぞれをフルカラーの一画素として用いることができ
ることとなって、高解像度化とバックライト光源５の光
利用率の向上をはかることができる。このことについて
説明する。

【００１０】先ず本発明の理解を容易にするために、従
来のカラーフィルタを用いた液晶表示装置における駆動
例のタイムチャートを図２１Ａ及びＢに示す。この場合
各液晶画素にＲ，Ｇ，Ｂの色フィルタを例えばデルタ配
置することによりフルカラー表示を行う例で、カラー表
示素子としての一画素は、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つの液晶画素
のトリオで構成される。図２１ＡはＲ，Ｇ，Ｂの各色光
のフィルタを設けた各画素の透過率を示し、図２１Ｂは
バックライト光源の光強度を示す。この場合、用いられ
るバックライト光源は白色光であり、これが図２１Ｂで
示されるように常時一定の輝度で点灯している。これに
対し、Ｒ，Ｇ，Ｂカラーフィルタが設けられた各画素か
らの光は、例えば図２１ＡのＲ，Ｇ，Ｂで示すようにそ
れぞれ表示信号に対応して、Ｔｆで示す１フレーム（或
いは１フィールド）毎にその透過率が変化されるもので
ある。この場合、各画素に関してこれに設けた各フィル
タ以外の光を遮断しているため、モノクロ（単一色）の
表示素子と比較すると透過率は３０％程度となり、その
透過光強度はバックライト光源の光強度に比して３０％
程度となってしまい、光の利用効率が低い。またこの場
合、上述したようにカラー表示素子が３つの液晶画素か
ら構成されるため、解像度に劣るという不都合が生じ
る。

【００１１】これに対し、本発明液晶表示装置における
駆動例のタイムチャートを図２Ａ及びＢに示す。図２Ａ
は一画素の透過率のタイムチャートを示し、図２Ｂはそ
れぞれ赤Ｒ、緑Ｇ及び青Ｂのそれぞれのバックライト光
源５による光強度のタイムチャートを示す。図２Ｂから
わかるようにこの場合、バックライト光源５からＲ，
Ｇ，Ｂの各光が、継時的に１／３フレーム（或いは１／
３フィールド）毎に１００％の光強度をもって切り換え
照射される。一方液晶表示素子においては、これに対応
して液晶１のダイレクタの傾きを継時的に変化させる。
即ち図２Ａに示すように透過光強度即ち透過率を１／３
フレーム（或いは１／３フィールド）毎に各色光源にそ
れぞれ同期して各色の表示信号に対応して透過率が変化
するようになされる。このようにすることによって、図
２ＡにおいてＴｆで示す１フレーム（１フィールド）時
間内に、所定の信号に対応した比率をもって赤、緑及び
青の光が透過されて、これによりフルカラー表示がなさ
れることとなる。

【００１２】このことから、本発明液晶表示装置におい
ては、カラーフィルタによって白色光を遮断することが
なく、従って透過光強度を上述の従来例に比して基本的
には３倍とすることができて、バックライト光源の光利
用率を向上することができる。しかもこの場合、１つの
画素を１つのカラー表示素子として用いるため、解像度
も従来に比し３倍に向上させることができる。

【００１３】

【実施例】以下図１及び図３を参照して本発明液晶表示
装置の一例を詳細に説明する。この例においては、アク
ティブマトリクス駆動を行う場合を示し、その一部の略
線的等価回路図を図３に示すように、マトリクス状に配
列されたスイッチング素子６例えばＴＦＦによってそれ
ぞれの画素１０Ａを駆動するようになされる。図３にお
いて１５はその垂直走査回路、１６は映像信号サンプル
ホールド回路を示し、この構成において、順次スイッチ
ング素子６をオンして、画素１０Ａに電位を書き込み、
例えば付加容量Ｃｓによって信号を保持するようにな
す。７はデータ線、８は走査線を示す。

【００１４】このようなアクティブマトリクス駆動法を
採る液晶表示装置は、図１に示すように、例えば透過型
の場合は、相対向するガラス等より成る光透過性の基板
２１及び２２が設けられ、これらの間に液晶１が充填さ
れて構成される。一方の基板２１上には、各画素１０Ａ
より構成される液晶表示素子１０が形成される。これら
各画素１０Ａにはそれぞれ例えばスイッチング素子とし
てのＴＦＦ６と駆動電極７とが設けられ、各画素１０Ａ
毎に、信号に対応する電圧を液晶１に印加するようにな
す。８は例えば図３において説明した垂直走査回路１５
に連結される走査線、９は同様に映像信号サンプルホー
ルド回路１６からのデータ線を示す。また、他の基板２
２には共通電極１１が被着形成されて成る。

【００１５】また、これら基板２１及び２２の外側には
偏光板２３及び２４がそれぞれ配置され、一方の偏光板
２３の裏面側、即ち基板２１とは反対側にバックライト
光源５を配置し、ここからの光Ｌが偏光板２３、基板２
１を介して液晶１に入射されるようにする。

【００１６】そして本発明においては、液晶表示素子１
が、電圧印加によって液晶１のダイレクタの傾きを連続
的に変化させて透過光強度を変化させる構成を採る。

【００１７】この液晶表示素子としては例えば先に本出
願人の出願に係る特願平３−２５１３１号特許出願にお
けるように、アナログ階調が可能で、且つ高速応答性を
有する液晶表示素子を用いる。

【００１８】即ち、この場合基板２１及び２２間にカイ
ラルスメクティックＣ相（以下ＳｍＣ^*相という）を有
する液晶材料が充填されてなり、このＳｍＣ^*相を有す
る液晶材料の液晶分子が描くコーンの軸方向の基板２１
及び２２への投影成分及び液晶分子自身の分子軸方向の
基板２１及び２２への投影成分がそれぞれ基板２１及び
２２の配向処理方向と同一とされ、この状態が初期状態
として単安定化されて成るものであり、更には基板２１
及び２２間に充填された液晶材料がモノドメイン化され
ているものである。この液晶表示素子１０について説明
する。

【００１９】この液晶表示素子の基本構成は、図４に示
すように、ラビング処理や斜方蒸着等の一軸配向処理を
施した一対の基板２１，２２を面対向する如く配置して
液晶セルとなし、これら基板２１，２２の間隙にＳｍＣ
^*相を有する液晶材料を充填してなる。

【００２０】用いる液晶材料としては、強誘電性液晶で
あってもよいし、反強誘電性液晶であってもよく、つま
りＳｍＣ^*相をとりうる液晶材料であれば如何なるもの
であってもよい。ただし、配向性等を考慮すると、Ｓｍ
Ｃ^*相の螺旋ピッチが十分に長いことが好ましく、さら
には大きな自発分極を有し且つＳｍＣ^*相を室温を含む
広い温度範囲で示すことが好ましい。

【００２１】したがって、従来より公知のカイラル液晶
あるいは下記の化１で表されるカイラル液晶と、３環性
エステルのフッ素置換誘電体、フェニルピルミジン系、
フェニルベンゾエート系等の非カイラル液晶（ホスト液
晶）とを混合した組成物等が好適である。

【化１】

【００２２】ただし、Ｒは炭素数６〜１５のアルキル
基、アルコキシ基、または下記化２のいずれかを表し、
Ａはベンゼン環あるいはシクロヘキサン環を、Ｌ，Ｒは
０または１を、ｎは２〜１５の整数をそれぞれ表す。

【化２】

【００２３】特に、単安定性構造を安定に発現するため
には、非カイラル液晶として３環性エステルのフッ素置
換誘電体またはフェニルピルミジン系液晶、さらにはこ
れらの混合物を使用することが好ましく、フェニルピル
ミジン系液晶が欠陥等の観点から最も好適である。

【００２４】また、上述のようにカイラル液晶と非カイ
ラル液晶の混合物を使用する場合、ホスト液晶である非
カイラル液晶へのカイラル液晶の添加量がコントラス
ト、応答時間等に影響する。実用的な応答時間を維持
し、しかも高コントラストを実現するためには、カイラ
ル液晶の添加量を１〜３重量％とすることが好ましい。

【００２５】一方、基板２１，２２は、いずれも透明基
板上に透明電極を形成し、さらにその上にポリイミド膜
を被着してラビング処理したり、斜方蒸着膜を形成して
なるものであって、それぞれの一軸配向処理方向（図４
中矢印Ｘ及び矢印Ｙで示す。）が互いに略平行となるよ
うに配置されている。

【００２６】ここで、例えばラビング処理はポリイミド
膜の表面を一方向に擦って表面に微細な傷を付けて配向
性を持たせる手法であるが、擦った方向まで同一（全く
平行。以下、パラレルと称する。）になるように配置し
てもよいし、擦った方向が互いに逆（反平行。以下、ア
ンチパラレルと称する。）になるように配置してもよ
い。すなわち、前者は基板２１のラビング方向をＸ₁と
したときに基板２２のラビング方向をＹ₁とした場合で
あり、後者は基板２１のラビング方向をＸ₁としたとき
に基板２２のラビング方向をＹ₂とした場合である。た
だし、パラレルとした場合には２値状態しかとり得ない
双安定セルとなり易い傾向にあることから、アンチパラ
レルとすることがより好ましい。

【００２７】また、液晶分子が単安定化されるために
は、基板２１，２２間の距離（いわゆるセルギャップ）
が適正な値に設定されることが必要で、本発明者等の実
験によれば、セルギャップを１．２〜３μｍとすること
が好ましい。セルギャップが３μｍを越えると双安定化
し易くなり、逆にセルギャップが１．２μｍ未満である
と電圧印加時のチルト角が小さく光透過率が低くなって
しまう。特に高電界印加を可能とし十分な光透過率を確
保するためには、セルギャップを１．６〜２．７μｍな
る範囲とするのが良い。

【００２８】上述のように上下両方の基板２１，２２に
一軸配向処理を施し、その配向方向が互いに略平行とな
るように配した液晶セルに、ＳｍＣ^*相を有する液晶材
料を充填すると、例えば液晶材料が層構造を有するもの
であれば、各層の法線方向（あるいはその基板への投影
成分の方向）が前記配向処理方向と一致する。ここで、
各層の液晶分子３３は、図５に示すように円錐の外周面
に沿う形で回転するが、この液晶分子３３の描くコーン
（円錐）の軸方向Ｚ（あるいはその基板への投影成分の
方向）も前記配向処理方向と一致する。さらには、液晶
分子３３自身のダイレクタ（分子軸）の方向Ｄ（あるい
はその基板への投影成分の方向）もやはり前記配向処理
方向と一致する。すなわち、各液晶分子３３は、コーン
の円周上の点ｒあるいは点ｓの位置で安定する。

【００２９】したがって、この液晶表示素子は、基板表
面での液晶分子の安定化効果を用いたものであるが、こ
れまで知られる双安定を利用したものではなく、また双
安定のどちらか片側だけで安定化する片安定でもなく、
その中間の状態で単安定されたものと言える。

【００３０】またこの液晶表示素子は、基板２１，２２
の法線方向から見たときに、電界を印加しない状態で各
基板２１，２２の一軸配向処理方向Ｘ，Ｙと液晶分子３
３が描くコーンの軸方向Ｚ、液晶分子３３自身のダイレ
クタの方向Ｄが一致する構造である。

【００３１】ここで、一対の偏光子（アナライザとポー
ラライザ。それぞれの偏光方向をＡ及びＰで表す。）の
偏光方向を直交させたまま、いずれか一方の偏光方向を
前記配向処理方向と一致させると、光は透過せず黒レベ
ルが得られる。これに対し、電界を印加すると、液晶分
子３３のダイレクタはコーンに沿って回転し、電界強度
や極性に応じて右あるいは左に連続的（アナログ的）に
チルトすることになり、これによって連続階調（アナロ
グ階調）が得られる。なお、印加する電界の駆動電圧波
形は任意であるが、＋，−交互の印加であって、電気的
中性条件をほぼ満足した振幅変調型であることが好まし
い。

【００３２】このときの液晶分子の挙動を図６、図７及
び図８に示す。図６は図４中ａ方向から見た液晶分子の
挙動、図７は図４中ｂ方向から見た液晶分子の挙動、図
８は図４中ｃ方向から見た液晶分子の挙動である。ま
た、これらの図面においては、ガラス板２１ａ，２２ａ
上に透明電極２１ｂ，２２ｂ及びラビング処理２１ｃ，
２２ｃが成膜されたものが基板２１，２２として配置さ
れている。電界を印加していない状態では、各液晶分子
３３のダイレクタの方向Ｄは、基板２１，２２のラビン
グ処理層２１ｃ，２２ｃの一軸配向処理方向に揃う。す
なわち、図６中央に示すように、液晶分子３３のダイレ
クタの方向Ｄは、コーンの投影面のセンターに来る。こ
の状態が単安定状態であり、例えばポーラライザの偏光
方向Ｐを配向処理方向Ｘ，Ｙに一致させ、アナライザの
偏光方向Ａをこれと直交させると、光は透過せずに暗状
態となる。

【００３３】一方、例えば上方の基板２１の透明電極２
１ｂに＋、下方の基板２２の透明電極２２ｂに−の電界
を印加すると、各図面において左側に示すように、液晶
分子３３は反時計回り方向（回転方向は液晶材料の自発
分極の極性に依存する。）に回転する。このとき、ラビ
ング処理層２１ｃ，２２ｃとの界面から離れるに従って
見掛けのチルト角θは大きくなるが、これはラビング処
理層２１ｃ，２２ｃとの界面では相互作用が大きく、い
わゆるアンカー効果が働くためと考えられる。ここで、
見掛けのチルト角θの最大値θ_maxは電界強度によって
決まり、したがって電界強度に応じて前記チルト角の最
大値θ_maxが連続的に変化することになる。これに伴
い、当然のことながら液晶セル全体で見た見掛けのチル
ト角の平均値θ_AVGも連続的に変化する。

【００３４】上方の基板２１の透明電極２１ｂに−、下
方の基板２２の透明電極２２ｂに＋の電界を印加した場
合も同様で、この場合には各図面において右側に示すよ
うに、液晶分子３３は時計回り方向に回転し、やはり見
掛けのチルト角の最大値θ_ma _xや平均値θ_AVGが連続的
に変化する。

【００３５】このとき、ポーラライザからの直線偏光
は、この液晶分子３のダイレクタの傾斜により位相差を
生じ楕円偏光となるため、アナライザからの透過光量は
チルト角の平均値θ_AVGに対応して大きくなる。すなわ
ち、前記液晶セルにおける透過光強度Ｉは次式に示す関
係となり、電界強度に対応して連続的に変化する見掛け
のチルト角の平均値θ_AVGに応じて変化し、アナログ階
調が得られることになる。

【００３６】ＩαＩ₀ｓｉｎ²（２θ）（ただし、式中のＩ₀はセルを透過する前の光の強
度。）電界印加状態から外部電界を除去すると、液晶の内部電
界及び界面の安定化効果により、すみやかに初期状態に
戻る。

【００３７】ところで、上述の構成を有する液晶セルに
おいては、コーン軸及び液晶分子ダイレクタの配向状態
として、図９及び図１０に示すような、２つのモデルが
考えられる。すなわち、図９に示すように層のチルトが
セル全体で一様である場合（モノドメイン）と、図１０
に示すようにコーン軸の周期に伴い所定のピッチ（例え
ば２．２５μｍピッチ）で層のチルト即ち傾斜が逆とな
る場合（縞状ドメイン）である。一軸配向処理方向を互
いに略平行にした基板間にただ単に液晶材料を充填した
ときには、通常は後者（縞状ドメイン）となり、非常に
規則性の高い縞状組織を呈する。しかしながら、低電圧
でリニアな階調性が得られ、高コントラストを有するこ
とから、液晶表示素子としてはモノドメイン化されてい
る方が有利である。

【００３８】基板２１，２２間に充填された液晶材料を
モノドメイン化するには、非カイラル液晶としてフェニ
ルピルミジン系液晶を用い、高電圧を印加すればよい。
高電圧印加によって、単安定のままで縞状組織が解けて
モノドメイン化する。例えば、このフェニルピルミジン
系液晶をホスト液晶とし、カイラル液晶を２重量％添加
した液晶材料を使用した場合、７００Ｈｚ、±４５〜±
５０Ｖの矩形波処理でほぼモノドメイン化する。

【００３９】ただし、室温近傍での電界処理のみでは縞
状構造が若干残存する。そこで、カイラルネマチック相
（Ｎ^*）の温度で電界（７００Ｈｚ、±２０〜±５０
Ｖ）を印加し、電界印加状態のままスメクチックＡ相
（ＳｍＡ）、さらにはカイラルスメクチックＣ相（Ｓｍ
Ｃ^*）まで冷却することにより、より完全なモノドメイ
ン組織ができる。なお、いずれの場合にも印加する電界
の周波数が重要で、７００Ｈｚ前後でのみ特異的にモノ
ドメイン化が起こり、６００Ｈｚ以下では効果が少な
い。

【００４０】本発明の液晶表示素子においては、コーン
軸及び液晶ダイレクタの基板への投影成分が一軸配向処
理方向に配列し、単安定化されている。そして、電界無
印加時にはこの単安定化状態が初期状態として保たれ、
黒レベルとなる。

【００４１】これに対して、所定の極性の電界を印加す
ると、液晶ダイレクタはコーン面に沿って例えば右回り
に回転しようとするが、界面近傍では液晶ダイレクタが
アンカリングされ、界面から離れた領域でチルトする。
一方、逆極性の電界では、左回りに回転し、チルトの向
きは逆になる。

【００４２】ここで、チルト角は印加した電界の強度に
応じて大きくなり、また透過光量はチルト角に対応して
大きくなる。したがって、電界強度を変化させることに
よって連続的なアナログ階調が実現される。電界印加状
態から外部電界を除去すると、界面の安定化効果等によ
り速やかに初期状態に戻る。

【００４３】上述の動作原理を有する本実施例の液晶表
示素子においては、ＳｍＣ^*相のピッチ長が長くても原
理的に動作可能であり、したがって液晶材料の配向も非
常に容易である。また、特に層のチルトがセル全体で一
様となるようにモノドメイン化した場合には、高コント
ラスト化が図られ、しかも低電圧領域でリニアな階調性
が得られる。

【００４４】以下、本発明液晶表示装置における液晶表
示素子を具体的な実験結果に基づいて説明する。液晶セルの作製透明電極（ＩＴＯ）を配したガラス板の前記透明電極側
をシランカップリング処理した後、スピンコート法によ
りポリアミド酸膜を塗布し、ベーキングによりイミド化
してポリイミド膜を形成した。このポリイミド膜をベル
ベット布で一方向に１０回ラビング処理を施し、配向膜
とした。配向膜の厚さは約２００Åであり、液晶配向の
効果を得るラビング処理方向に関して非対称性を有す
る。

【００４５】以上により配向膜を形成したガラス板をラ
ビング処理方向が互いに反平行（アンチパラレル）とな
るように透明電極を対向させて配置し、２μｍの真絲球
（マイクロパール）を分散させた紫外線硬化接着剤を用
いてギャップ２μｍのセルを組み立てた。

【００４６】液晶材料としては、カイラル成分として下
記の化３に示す化合物（Ａ）を用い、非カイラル成分と
して化４に示す化合物（Ｂ）（３環性２フッ素系）、化
５に示す化合物（Ｃ）（フェニルピルミジン系）及び化
６に示す化合物（Ｄ）（フェニルベンゾエート系）を用
いた。

【化３】

【化４】

【化５】

【化６】

【００４７】非カイラル成分の組成は、化合物（Ｂ）が
５８重量％、化合物（Ｃ）が２２重量％、化合物（Ｄ）
が２０重量％である。カイラル成分と非カイラル成分の
割合は、カイラル成分（Ａ）：非カイラル成分（Ｂ＋Ｃ
＋Ｄ）＝１０：９０（重量比）とした。

【００４８】この液晶材料は、図１１に示す相転移挙動
を示した。ＳｍＣ^*相の２５℃におけるピッチ長は２．
５μｍであり、例えば特開平１−１５２４３０号公報に
記載される条件よりも遙かに長い。また、この液晶材料
の自発分極は、２５ｎＣ／ｃｍ²（２５℃）であった。

【００４９】上述の液晶材料を真空中において１１０℃
の等方性液体相（Ｉｓｏ）の状態で液晶セル中に注入
し、室温まで徐冷した。このようにして作製した液晶セ
ルを偏光顕微鏡で観察すると、配向膜のラビング方向に
縞状の組織が観察された。この縞状組織の規則性は非常
に良く、さらに前記縞の方向に液晶分子が並んでいた。

【００５０】すなわち、作製した液晶セルにおいては、
液晶材料が層構造をとり、各層の法線方向あるいはコー
ンの軸方向の基板への投影成分が配向膜におけるラビン
グ方向と同じになり、且つ液晶分子自身のダイレクタの
基板への投影成分も配向膜におけるラビング方向と同じ
になっていた。なお、ラビング方向に液晶分子が並んで
いることは、複屈折測定における遅相軸がラビング方向
と一致することにより確認した。

【００５１】そして、直交したポーラライザとアナライ
ザのうち、例えばポーラライザと配向軸とを平行あるい
は直交させると、透過光をほぼ遮蔽することができ、暗
状態とすることができた。

【００５２】動作実験図１２に示すような評価用の駆動波形により作製した液
晶セルのアナログ階調性を調べた。この駆動波形は、印
加電圧の電位により階調を持たせるものであり、電圧の
極性を交互に変えているのは、液晶材料に対する電気的
中性条件を考慮したためである。アクティブマトリック
スの１画素を想定すれば、１パルスが１フィールドに相
当し、２フィールド目のパルスで電気的にほぼキャンセ
ルされるわけである。したがって、このパルス幅は１／
６０秒（１６．６ミリ秒）としてある。パルス間にある
電圧０ボルトのパルスは、液晶分子のダイレクタのチル
ト状態からの緩和時間を評価するものである。

【００５３】図１２の（Ｂ）に前記駆動波形を、（Ａ）
に液晶セルにおける応答波形を示す。図１２から明らか
なように、作成した液晶セルにおいては電圧変調により
階調が出せることが確認された。また、この液晶セル
は、電圧ゼロボルト時の立ち下がりが速いのが特徴であ
る。

【００５４】また、印加電圧と液晶セルにおける光透過
率の関係を図１３及び表１に示す。なお、ここでの光透
過率は便宜上最大透過率（±１１．１Ｖ印加したときの
光透過率）を１００％としてある。

【表１】

【００５５】印加電圧に応じて光透過率が変わり、階調
表示が達成されたことがわかる。また、印加電圧を連続
的に振幅変調することによって、アナログ階調も達成す
ることができた。

【００５６】さらに、各印加電圧におけるスイッチング
時間は、電圧印加時の応答時間τ_ONで１〜８ミリ秒、電
圧印加状態からオフ（０Ｖ）への応答速度τ_OFFで０．
６〜３．３ミリ秒であり、非常に速い応答を示した。特
にオフ時の応答が高速であるのは、単安定状態の安定度
が非常に高いためであると推定される。

【００５７】一般的なＴＮ液晶では、応答時間は数十〜
数百ミリ秒程度であり、したがって本発明の液晶セル構
造を例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）セルに取り入れ
ることで、従来のＴＮ型ＴＦＴディスプレイよりも遙か
に高速動作可能なディスプレイが構築されるものと期待
される。

【００５８】以上のように、本発明を適用した液晶セル
においては、アナログ階調が可能でしかも高速動作が可
能であることが明らかとされたが、さらに単安定セル構
成要件の最適化を目指し、液晶セル構造や液晶材料物性
等が単安定化に及ぼす影響について検討を重ねた。以
下、これら検討結果について述べる。

【００５９】配向処理方向の検討先ず、ポリイミド界面の構造的な因子が単安定に及ぼす
効果を明確にするために、液晶セルにおける一対の基板
の配向処理方向の組み合わせ、すなわちパラレル（平
行）あるいはアンチパラレル（反平行）、による配向状
態の相違を検討した。

【００６０】液晶セルの構成や使用した液晶材料は、先
に作製した液晶セルと同様であり、配向膜のラビング方
向の組み合わせのみをパラレル及びアンチパラレルの二
種類とした。

【００６１】パラレル配向では、消光位はラビング方向
に対して±ψチルトしており、黒レベルの良好な双安定
状態をとった。したがって、この場合には２値状態しか
とり得ない双安定セルとなる。このときのセル中の液晶
配向構造は、いわゆるシェブロン構造と推定される。

【００６２】一方、アンチパラレル配向では、消光位は
ラビング方向と一致し、単安定特有の縞状組織が観察さ
れた。この液晶セルにおいて階調表示が可能であること
は、先の動作実験に示した通りである。このときのセル
中の液晶配向構造は、いわゆるブックシェルフ構造と推
定される。以上より、単安定セルとするためには、アン
チパラレル配向セルとすることが好適であると言える。

【００６３】最適セルギャップの検討ポリイミド界面においては、ラビング方向の影響ばかり
でなく、アンカリング効果による影響も予想される。す
なわち、ポリイミド界面が液晶分子に及ぼす相互作用
は、界面から離れるに従い減少するものと考えられ、し
たがってセルギャップを変化させることにより単安定の
度合いを制御できるものと推察される。

【００６４】そこで、セルギャップを０．８μｍ〜６．
３μｍの間で変化させてそれぞれ液晶セルを作製し、各
セルにおける透過率、単安定スイッチング特性等につい
て検討した。

【００６５】作製した液晶セルの構成や使用した液晶材
料は、ここでも先に作製した液晶セルと同様とし、セル
ギャップを０．８μｍ、１．２μｍ、１．６５μｍ、
１．８μｍ、２．０μｍ、２．１μｍ、２．７μｍ、
３．０μｍ、３．９μｍ、６．３μｍとした。

【００６６】その結果、セルギャップ３μｍ以下の液晶
セルでは、液晶分子の配向性が良く、且つツイストの無
い構造をとり、黒レベルも良好であることがわかった。
ただし、セルギャップ０．８μｍ及び１．２μｍでは、
黒レベルは良好であるものの、電圧印加時のチルト角が
小さく光透過率が低かった。

【００６７】一方、単安定用駆動波形で各液晶セルのス
イッチングを調べたところ、セルギャップ０．８μｍ〜
３．０μｍで単安定を示したが、ギャップが大きくなり
３．９μｍあるいは６．３μｍとなると双安定性を示す
ようになった。そこで、セルギャップ１．６５μｍ〜
３．０μｍの液晶セルについて、応答時間を測定した。
結果を表２に示す。

【００６８】

【表２】上記ギャップ範囲において、立ち上がり応答時間は低電
界下ではギャップに若干依存するが、高電界下では一定
値に近づいてくる。立ち下がり応答時間は、印加電界強
度に依存せず、ほぼ一定であり、これは主にポリイミド
界面の拘束力によるものと考えられる。

【００６９】なお、セルギャップ３．０μｍでは、高電
界印加により双安定に移行してしまうため、スイッチン
グデバイスとして使用するには、セルギャップ２．７μ
ｍ以下とすることが必要であることがわかった。

【００７０】非カイラル液晶の効果本発明の液晶セルにおいて、液晶材料として使用される
強誘電性液晶組成物は、非カイラル液晶にカイラル液晶
を添加してなるものである。そこで、最初に、非カイラ
ル成分が単安定性に及ぼす効果について検討した。

【００７１】先ず、３環性２フッ素系（ＤＦＥ）、フェ
ニルピルミジン系（ＰＰｍ）、フェニルベンゾエート系
（ＰＥ）からなる３成分系の非カイラル液晶をアンチパ
ラレルに組んだセルに注入したところ、先に製作した液
晶セルと同様の縞状組織が観察された。すなわち、縞状
組織の発生は、カイラル液晶によるものではなく、非カ
イラル液晶に起因することがわかった。

【００７２】そこでさらに、個々の成分について検討し
た。結果は次の通りである。（イ）ＤＦＥ／ＰＰｍ組成物ＤＦＥ／ＰＰｍ／ＰＥ組成物と同様、配向処理方向と同
方向の縞状組織が見られた。（ロ）ＤＦＥ組成物縞状組織の完成度は低いが、同様のラインが出現した。（ハ）ＰＰｍ組成物縞状組織の完成度が非常に高いものであった。（ニ）ＰＥ組成物縞状組織は見られず、双安定類似構造を有していた。

【００７３】このように、ＰＰｍ，ＤＦＥの各非カイラ
ル成分により単安定性が発現し、単安定性構造の発現に
はカイラル成分は必要ないことがわかった。特に、ＰＰ
ｍでは欠陥が少なく、本発明の液晶セルにおける非カイ
ラル成分として好適であることが示唆された。ただし、
これら非カイラル成分のみでは単安定特有の縞が移動す
るスイッチングモードは僅かであり、このモードの有効
な発現のためにはカイラル成分の存在が必要であること
がわかった。

【００７４】カイラル液晶の添加効果極めて欠陥の少ないフェニルピルミジン系液晶（ＰＰ
ｍ）にカイラル成分を添加することにより、単安定セル
の組織構造及び電気光学特性にどのような効果をもたら
すかを検討した。配向膜はポリイミド、セルはアンチパ
ラレルとした。添加したカイラル液晶は、先の化合物
（Ａ）である。

【００７５】カイラル成分添加量を０〜５重量％とし、
各セルを偏光顕微鏡にて観察したところ、カイラル成分
添加量０〜３重量％で欠陥の少ない単安定の縞状組織が
確認された。これに対して、カイラル成分添加量が３重
量％を越えると、液晶材料注入後の冷却時に発生した欠
陥により黒レベルが浮いてしまい、コントラスト比が低
下した。

【００７６】図１４にコントラスト比のカイラル濃度依
存性を示す。これよりカイラル液晶の添加量は３重量％
以下とすることが好ましいことがわかる。

【００７７】さらに、カイラル成分の濃度を変えたフェ
ニルピルミジン系液晶組成物について、電気光学特性を
調べた。カイラル成分の添加により応答のしきい値電圧
が低下し、応答時間も短くなっているが、これら特性を
表３に示す。

【００７８】

【表３】（＊は５Ｖでは応答しないため１４Ｖでの測定値を示
す。）

【００７９】非カイラル液晶だけでは７Ｖ以上印加しな
いと応答しないが、カイラル液晶を僅か１重量％添加す
るだけで１Ｖ以下の低電圧でも駆動可能となり、１０Ｖ
印加で光透過率１００％となった。さらにカイラル成分
を増量すると、５Ｖ以下でも光透過率１００％を達成で
きた。

【００８０】一方、応答時間については、τ_ONはカイラ
ル成分の増加に伴い高速化し、３重量％で５００μ秒と
なり、それ以上は高速化しなかった。電圧印加を解除し
たときの応答速度であるτ_OFFは、カイラル成分１重量
％以上で約１．０〜１．２５ｍ秒でほぼ一定となった。
先のコントラスト比と併せて考えると、カイラル成分量
は実用的には１〜３重量％とするのが好適であることが
わかった。

【００８１】なお、フェニルピルミジン系液晶にカイラ
ル液晶を３重量％添加した強誘電性液晶組成物のヘリカ
ルピッチは、Ｎ^*相で３μｍ、ＳｍＣ^*相で９．３μｍ
であり、さらには９．３μｍ以上のヘリカルピッチでも
単安定駆動を発現することができ、例えば特開平１−１
５２４３０号公報等に記載されるピッチ条件等とは大き
く異なる。

【００８２】縞状組織のモノドメイン化単安定を利用したアナログ階調表示デバイスにおいて
は、単安定セルを作製すると規則性の高い縞状組織が形
成され、これによって単安定性が発現されていたが、コ
ントラスト比は最大でも４６程度である。そこで、縞状
組織のモノドメイン化によるコントラスト比の改善効果
について検討した。

【００８３】フェニルピルミジン系液晶にカイラル液晶
を２重量％添加した強誘電性液晶組成物を液晶セルに注
入した。使用した液晶セルの構成は、先の「液晶セルの
作製」の項において記載した通りである。

【００８４】この状態では非常に規則性の高い縞状組織
を呈したが、カイラルネマチック相の温度で７００Ｈ
ｚ，２０〜５０Ｖの電界を印加し、電界印加状態のまま
スメクチックＡ相、さらにはカイラルスメクチックＣ相
まで冷却することにより、モノドメイン化したセルを作
製することができた。

【００８５】モノドメイン化した液晶セルでは、コント
ラスト比８１が達成され、またアナログ階調性は、図１
５に示すように低電圧域で線形性の良好なものであっ
た。このように、モノドメイン化することにより、低電
圧（４Ｖ以下）駆動で高コントラスト、応答時間１ミリ
秒前後の特性を有するアナログ階調表示デバイスが実現
された。

【００８６】以上の説明からも明らかなように、カイラ
ルスメクチックＣ相を有する液晶材料を用いた液晶表示
素子ではアナログ階調表示が可能であり、また優れた高
速応答性をも得ていることから、完全なフレーム表示、
フィールド表示が可能となり、特に液晶材料をモノドメ
イン化することにより、コントラスト比を大幅に向上す
ることができ、また低電圧域でのアナログ階調の線形性
を著しく改善することができるものである。

【００８７】またこの場合、カイラルスメクチックＣ相
のピッチ長の長いものにも適用でき、液晶分子の配向が
容易であって、量産性に非常に有利である。更にまた、
駆動波形として電気的中性条件を保ったもので使用で
き、またこの駆動波形はＴＮ型ＴＦＴディスプレイの場
合と同様であることから、ＴＦＴアクティブマトリクス
駆動による振幅変調により高速アナログ階調表示を達成
することが可能である。

【００８８】次に、このような液晶表示素子１０を用い
た本発明液晶表示装置の動作態様について説明する。図
１に示すように、この場合バックライト光源５から各色
光を液晶表示素子に照射させるものであるが、このバッ
クライト光源５は、例えば図１６Ａ及びＢにそれぞれそ
の一例の略線的斜視図及び断面図を示すように、その裏
面に反射板２９を有する厚板状の光源体３５の三方の側
面に、筒状の赤色光源２５、緑色光源２６及び青色光源
２７が設けられる。そしてこれら各色光源２５、２６及
び２７は反射鏡面２８によりその周囲を囲まれ、光源２
５、２６及び２７から出射した光が全て光源体３５の反
射板２９によって反射されて、図１において矢印Ｌで示
すように素子１０に面光源として照射されるように構成
される。

【００８９】即ちこの場合、従来の白色光源（ＸＹＺ表
色系でＸ＝０．３３、Ｙ＝０．３３）ではなく、加法混
色の手段、特に色光を急に交代させて継時的に混ぜる方
法（新編色彩科学ハンドブック日本色彩学会編
ｐ．１５１）を応用し、加法で白色（ＸＹＺ表色系でＸ
＝０．３３３３、Ｙ＝０．３３３３）なる個々のＲ，
Ｇ，Ｂの冷陰極管、ＬＥＤ、ＥＬ、プラズマ発光等の光
源が継時的に切り換えられるバックライト光源５を用い
るものである。

【００９０】また、液晶表示素子１０の材料分子が描く
コーンの軸方向の基板への射影成分及び分子自身の分子
軸方向の基板への射影成分が基板の配向処理方向と同一
とされ、この初期状態における配向軸方向に偏光子であ
る一の偏光板２３の軸を合わせ、これと直交する方向に
他の偏光板２４即ちこの場合検光子の軸を合わせて配置
する。このとき、図１７に示すように、初期状態におい
ては、矢印ｄで示す液晶分子の配向軸方向即ちダイレク
タが偏光子の軸方向Ｐと平行であり、検光子の軸方向Ａ
の成分は０であるが、図１８に示すように、分子の配向
軸方向がθの傾きをもつ場合、検光子Ａの成分が現れて
光を透過することとなる。

【００９１】図１９に、一例として強誘電性の液晶分子
のダイレクタ３３のコーンモデルを示す。図１９におい
て矢印ｄは自発分極を示す。この液晶分子に電圧を印加
することによって、図２０のＡ〜Ｃに示すように、チル
ト角が０からθ₁、θ₂へと徐々に大きくなって、即ち
上述した検光子Ａの成分が現れて光を透過することとな
って次第に明るい表示となる。このように、液晶ダイレ
クタのチルト角θを変化させることによって、アナログ
階調を得ることができる。

【００９２】そしてこのような構成において、前述の図
２３Ａ及びＢで説明したタイムチャートによって情報信
号に対応して各色を継時的に照射させた。即ちこの場
合、各色光源２５、２６及び２７を、１フレームの１／
３即ち例えば１／９０ｓ＝５．６ｍＳ（或いは１フィー
ルドの１／３、例えば１／１８０ｓ＝１１．２ｍＳ）毎
に切り換え、順次点灯して切換え照射させる構成とし
た。この場合、照射順序はＲ→Ｇ→Ｂに限らず３色が一
組であればよく、その照射順序は問わない。

【００９３】この場合、１／３フレーム毎に切り換える
場合は、立ち上がり応答時間即ち光透過率が０〜９０％
に変化する時間が少なくとも１／１８０ｓ＝５．６ｍｓ
以下であることが必要であり、１／３フィールド毎に切
り換える場合は、立ち上がり応答時間は１／３６０ｓ＝
２．８ｍｓ以下であることが必要となる。

【００９４】上述したように、カイラルスメクティック
Ｃ相を有する液晶材料をモノドメイン化することによ
り、例えば動作電圧±４Ｖで最大コントラスト８０、立
ち上がり応答時間即ち光透過率が０〜９０％に変化する
時間を０．５ｍｓ〜１．５ｍｓとすることができた。

【００９５】このような構成によって、アナログ階調に
よるフルカラー表示が可能で、高速応答性にも優れた液
晶表示装置を得ることができた。

【００９６】尚、本発明液晶表示装置は上述の実施例に
限ることなく、本発明構成を逸脱しない範囲でその他種
々の液晶材料、装置構成を採ることができることは勿論
である。

【００９７】

【発明の効果】上述したように、本発明液晶表示装置に
よれば、カラーフィルタを用いたトリオ構成による従来
の液晶表示装置に比し、透過光強度を３倍とすることが
できて、バックライト光源の光利用率を向上することが
できる。しかもこの場合、１つの画素を１つのカラー表
示素子として用いるため、解像度も従来に比し３倍に向
上させることができる。

【００９８】また、液晶表示素子の液晶材料として、カ
イラルスメクティックＣ相を有する液晶材料を用いて、
液晶分子が描くコーンの軸方向への投影成分及び液晶分
子自身の分子軸方向の基板への投影成分を基板の一軸配
向処理方向と同一とし、この状態を単安定初期状態とす
ることによって、アナログ階調表示が可能で、従ってフ
ルカラー表示が可能となり、また高速応答性にも優れた
ものとすることができる。

【００９９】特に、液晶材料をモノドメイン化すること
により、コントラスト比を大幅に向上することができ、
また低電圧域でのアナログ階調の線形性を著しく改善す
ることができる。

【０１００】更に、上述した液晶材料による液晶表示素
子は、カイラルスメクティックＣ相のピッチ長の長いも
のにも適用でき、液晶分子の配向が容易であり、量産性
を考えた場合に非常に有利である。

【０１０１】更にまた、上述の液晶表示素子において
は、駆動波形として電気的中性条件を保ったもので使用
でき、また本質的にこの駆動波形はＴＮ型ＴＦＴディス
プレイの場合と同様であることから、ＴＦＴアクティブ
マトリックス駆動による振幅変調により、フルカラーの
高速アナログ階調表示を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明液晶表示装置の一例の略線的構成図であ
る。

【図２】本発明液晶表示装置の駆動例を示すタイミング
チャートである。

【図３】本発明液晶表示装置の一例の等価回路図であ
る。

【図４】本発明液晶表示装置の構成例の模式的斜視図で
ある。

【図５】液晶分子が描くコーンを説明する模式図であ
る。

【図６】図４の矢印ａ方向から見た液晶分子の挙動を示
す模式図である。

【図７】図４の矢印ｂ方向から見た液晶分子の挙動を示
す模式図である。

【図８】図４の矢印ｃ方向から見た液晶分子の挙動を示
す模式図である。

【図９】モノドメイン化された場合の液晶ダイレクタの
配列状態を示す模式図である。

【図１０】縞状組織を示す場合の液晶ダイレクタの配列
状態を示す模式図である。

【図１１】実施例において使用した液晶材料の相転移温
度の説明図である。

【図１２】単安定セルにおける応答波形を示す特性図で
ある。

【図１３】液晶表示素子における印加電圧と光透過率の
関係を示す特性図である。

【図１４】コントラスト比のカイラル濃度依存性を示す
特性図である。

【図１５】モノドメイン化した液晶材料における印加電
圧と光透過率の関係を示す特性図である。

【図１６】バックライト光源の一例の説明図である。

【図１７】液晶表示装置の液晶分子配列状態の説明図で
ある。

【図１８】液晶表示装置の液晶分子配列状態の説明図で
ある。

【図１９】強誘電性液晶のコーンモデルの説明図であ
る。

【図２０】液晶ダイレクタの連続的な傾きを示す説明図
である。

【図２１】従来の液晶表示装置の駆動例を示すタイミン
グチャートである。

【符号の説明】

１液晶５バックライト光源６スイッチング素子７駆動電極８走査線９データ線１０液晶表示素子１０Ａ画素１１共通電極１５垂直走査回路１６映像信号サンプルホールド回路２１基板２２基板２３偏光板２４偏光板３３液晶分子Ｘ配向処理方向Ｙ配向処理方向Ｚコーンの軸方向Ｄ液晶分子の分子軸方向

フロントページの続き (72)発明者占部哲夫東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電圧印加によって液晶のダイレクタの傾
きを連続的に変化させて透過光強度を変化させる液晶表
示素子と、上記液晶表示素子に対し、三原色の各光を継時的に切り
換え照射させるバックライトとを有して成ることを特徴
とする液晶表示装置。
【請求項２】上記請求項１に記載の液晶表示装置にお
いて、液晶表示素子が、一軸配向処理が施された一対の第１及び第２の基板が、
配向処理方向が互いにほぼ平行となるように対向配置さ
れるとともに、これら基板間にカイラルスメクティック
Ｃ相を有する液晶材料が充填されてなり、上記カイラル
スメクティックＣ相を有する液晶材料の液晶分子が描く
コーンの軸方向の基板への投影成分及び液晶分子自身の
分子軸方向の基板への投影成分がそれぞれ基板の配向処
理方向と同一とされ、この状態が初期状態として単安定
化されて成る構成が採られ、各画素に対応してスイッチ
ング素子が設けられたアクティブマトリクス駆動が行わ
れるようにしたことを特徴とする液晶表示装置。