JP2525453B2 - 液晶装置及びその駆動法 - Google Patents

液晶装置及びその駆動法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は、液晶装置及びその駆動法に関し、詳しくは
強誘電性液晶を用いた液晶装置及びその駆動法に関する
ものである。
〔従来技術〕
クラークとラガーウオルは、Applied Physics Letter
s第36巻,第11号(1980年6月1日発行)、P.899−90
1、又は米国特許第4,367,924号、米国特許第4,563,059
号で、表面安定化強誘電性液晶(Surface−stabilized
ferroelectric liquid crystal)による双安定性強誘電
性液晶を明らかにした。この双安定性強誘電性液晶は、
バルク状態のカイラルスメクチツク相における液晶分子
のらせん配列構造の形成を抑制するのに十分に小さい間
隔に設定した一対の基板間に配置させ、且つ複数の液晶
分子で組織された垂直分子層を一方向に配列させること
によって実現された。
上述の強誘電性液晶素子は、基板の投影成分において
安定な分子長軸の平均方向()は、2方向に限定さ
れ、垂直分子層に平行な分子のダイポール・モーメント
()を有し、平均的に自発分極(Ps)を形成してい
る。この自発分極(Ps)と印加電界とが強い結合を生じ
る。この強誘電性液晶に一方向の電界を印加すると、垂
直分子層内のダイポール・モーメント()は、その電
界方向に揃う。この時のチルト角はらせん配列構造にお
ける頂角の1/2倍の角度に相当し、最大チルト角を生じ
る(この時の分子配列状態をユニフオーム配向状態U1
言う)。上述した電界を解除すると、しばらくの緩和期
間(強誘電性液晶の種類によって相違するが、一般的に
は1μs〜2μs程度である)を経た後、ユニフオーム
配向状態U1と比べ、分子の秩序度が低く、光学的一軸性
が低く、且つチルト角が小さい別の分子配列状態(この
状態をスプレイ配向状態S1と言う)に安定化する。スプ
レイ配向状態S1における分子のダイポール・モーメント
は同一方向とはなっていないが、自発分極(Ps)の方向
は、ユニフオーム配向状態U1の場合と同一であり、又垂
直分子層への分子軸の射影であるC−ダイレクタが基板
間で非平行、特に基板間でらせん配列構造の円軌道に沿
って配列している。この時のC−ダイレクタは必ずしも
一周期の円軌道に沿って配列されることはなく、上側基
板に隣接するC−ダイレクタと下流基板に隣接するC−
ダイレクタが円軌道上で180゜ないしはそれ以上、若し
くはそれ以下の角度で配列されることがある。又、逆方
向の電界印加により、同様のユニフオーム配向状態
(U2)とスプレイ配向状態(S2)を生じることになる。
従って、前述した強誘電性液晶素子をデイスプレイパ
ネルに適用した場合では、そのパネルの明るさはスプレ
イ配向状態S1及びS2における透過率によって一義的に定
められる。すなわち、透過光量は、分子配列状態を一軸
性として仮定すると、クロスニコル下で入射光I0の強度
に対して、 (ここで、θaはチルト角、△nは屈折率異方性、dは
セル厚、λは入射光の波長である。) で定められる。本発明者らの実験によれば、スプレイ配
向状態S1及びS2でのチルト角θaは一般に5゜〜8゜で
あることが判明していた。
前記問題点を解決するために高周波の交流印加手段
(ACスタビライズ効果)を用いた液晶装置が、例えば特
開昭61−246722号公報、同61−246723号公報、同61−24
6724号公報、同61−249024号公報、同61−249025号公報
などに明らかにされている。
上述のACスタビライズ効果は、誘電率異方性(△ε)
が負の強誘電性液晶に対して、交流電界を作用させるこ
とにより、液晶分子軸を電界方向に対して垂直に配向さ
せるトルクが発生し、チルト角θaを増大させることが
できる。
しかしながら、前述したスプレイ配向状態の強誘電性
液晶に対して交流電界を印加する時に、負の誘電異方性
△εの値が大きい場合、又は交流電圧の電界強度が大き
い場合には、カイラルスメクチツク相の分子垂直層構造
が崩れ、その個所に配向欠陥を生じる問題点があった。
この結果、ACスタビライズ効果を十分に利用するのが困
難であった。
〔発明の概要〕 本発明の目的は、前述の問題点を解決すること、特に
ACスタビライズ効果による大きなチルト角θaを維持し
た上で、配向欠陥の発生を防止し、同時に駆動電圧マー
ジンを拡大した液晶装置及びその駆動法を提供すること
にある。
走査電極群と信号電極群とが所定の距離をおいて交差
する交差部に自発分極と負の誘電異方性とをもつ強誘電
性液晶を配して構成された複数の画素を有する液晶装置
の駆動法において、前記画素の走査選択期間に、選択さ
れた前記走査電極に走査信号を供給するとともに、前記
情報電極に情報信号を供給して、該画素の液晶の安定状
態を選択する工程と、前記画素の走査非選択期間に、前
記走査電極に基準電圧を供給するとともに、前記信号電
極には前記基準電圧に対して両極性の電圧パルスを含む
情報信号を供給することにより、該画素の液晶の安定状
態を反転させない交流電圧を該画素に印加する工程と、
を含み、前記交流電圧の波高値VIが下記式(I)を満た
すことを特徴とする液晶装置の駆動法である。
式(I) d・(2.0×106+Ps・1011/|Δε|)≦VI (式中、dは前記距離[m]、Psは前記自発分極[c/
m2]、Δεは前記誘電異方性である。) そして、本発明によれば、走査非選択期間に信号電極
に供給される情報信号にてACスタビライズ効果が得られ
るので、簡単な駆動回路でチルト角θaを大きくでき
る。更に、配向欠陥を防止し、駆動電圧マージンを拡大
できる。しかも、情報信号の交流よりも高周波の交流電
圧が画素に印加されないので、液晶の温度上昇が抑えら
れ液晶の反転閾値の変動による駆動電圧マージンの減少
を防止できる。
〔発明の態様の詳細な説明〕
印加電界(E)とダイポール・モーメント(自発分
極)との結合で生じる液晶分子のトルクГPs及び印加電
界(E)と誘電率異方性(△ε)との結合で生じる液晶
分子のトルクГ△εは、それぞれ下式で示される。
ГPs∝Ps・E ……(1) (ここでεは真空誘電率である) 上述の式(2)から、液晶分子の誘電率異方性△εが
大きい程、らせん配列構造が抑制あるいは消去されやす
いことが判る。しかも、△ε<0の場合では、印加電界
下で液晶分子は基板の投影成分において優勢に配列し、
その結果らせん配列構造が抑制されることになる。
第1図は、△ε=−5.5の液晶(I)、△ε=−3.0の
液晶(II)、△ε=0の液晶(III)及び△ε=1.0の液
晶(IV)の電圧実効値Vrmsに対するチルト角θaの依存
性を表している。第1図に示す測定では、自発分極Psか
らの影響を除去するために、60KHzの矩形交流を使用し
た。図中の○,×,△及び□は実測値である。
第1図から明らかな如く、誘電率異方性△εが大きい
もの程、チルト角θaが大きいことが判る。液晶(I)
と(III)を用いたセルにおけるクロスニコル下での最
大透過率は、それぞれ15%[液晶(I)]と6%[液晶
(III)]であった。
本発明はの具体例では、下記表1の強誘電性液晶を使
用した。
表中の「CS−1013」及び「CS−1011」は、チツソ社製
の強誘電性液晶で、「SCE3」は、西独メルク社製の強誘
電性液晶で、「液晶A」及び「液晶B」は、キヤノン社
製の強誘電性液晶である。又、表中のΘは、最大チルト
角を表わす。自発分極の測定は100μmセルで下記三角
波印加法により測定した(測定温度;27℃)。この三角
波印加法による自発分極の測定は、“ジヤパーニズ・ジ
ヤーナル・オブ・アプライド・フイジツクス”(“Japa
nese Journal of Applied Physics")1983年,22(10)
号、661〜663頁に記載され、ケイ・ミヤサト(K.Miyasa
to)らの共著の“ダイレクト・メソツド・ウイズ”「ト
ライアングラー・ウエーブス・フオア・メジヤーイング
・スポンテニアス・ポラリゼイシヨン・オン・フエロエ
レクトリツク・リキツド・クリスタル」(“Direct Met
hod with"「Trianguler Waves for Measuring Spontani
ous Polarization on Ferroelectric Liquid Crysta
l」)にある。
又、誘電異方性(△ε)(測定温度27℃)は、平行誘
電率(ε )と垂直誘電率(ε)との差(△ε=ε
−ε)から求めた。
垂直誘電率(ε)測定には、セル厚を1.5μmに設
定し、垂直配向膜としてダイキン工業社製の「FS−116
S」を用いた空セルの容量(空セル容量C0⊥)と、セ
ル内に強誘電性液晶を注入した時の容量(液晶セル容量
LC⊥)を米国ヒユーレツト・パツカード社の「4192
A」によって測定した。これらの容量の比率CLC⊥/C
0⊥から垂直誘電率εを求めた。
平行誘電率(ε )測定には、セル厚を1.5μm〜3.0
μmに設定し、平行配向膜として東レ社製のポリイミド
「SP−710」を用いた空セルの容量(空セル容量
)と、セル内に強誘電性液晶を注入した時の容量
(液晶セル容量CLC)を前述と同様の「4192A」装置
によって測定した。これらの容量の比率CLC/C
ら平行誘電率ε を求めた。
尚、容量測定時の周波数は、100KHzに設定した。
第2図は、縦軸がACスタビライズ効果を生じさせる交
流電圧の印加によって増加したチルト角△θaを表わ
し、横軸がPs/△εを表わしている。第2図中の破線21,
22,23,24及び25は、それぞれ「液晶B」、「液晶A」、
「CS−1011」、「SCE3」及び「CS−1013」のPs/△εを
表わしている。又、第2図に示す○,●及び△は、60Hz
矩形交流電圧のパルス波高値VIであり、それぞれのパル
ス波高値±8V、±10V及び±4Vである。この際に使用し
たセルの電極間距離dは1.4μmで、配向制御膜とし
て、ラビング処理したポリイミド膜を使用した。
第2図に示す特性曲線2Aは印加交流電圧が±8Vの時の
Ps/△εに対する増大したチルト角△θaの変化を示
し、特性曲線2Bは印加交流電圧が±10Vの時のPs/△εに
対する増大したチルト角△θaの変化を示し、特性曲線
2Cは印加交流電圧が±4Vの時のPs/△εに対する増大し
たチルト角△θaの変化を示している。第2図より判る
とおり、印加交流電圧の波高値(VI)に関係なく、Ps/
△εの値が大きい程、増大したチルト角△θaが小さく
なる傾向がある。
実際上、デイスプレイとしての十分な明るさを確保す
るためには、増大したチルト角△θaが5゜以上となる
ことが必要であるが、前述の式(I)の条件を満たすこ
とによって、配向欠陥が生じることなく増大したチルト
角△θaを5゜以上に設定することができる。
第3図は、縦軸にVI/d・106(ボルト/m)を、横軸にP
s・105/△ε(c/m2)を表わしている。第3図のハツチ
ング領域がACスタビライズ効果を用いたマルチプレクシ
ング駆動に適した領域である。
第4図は、本発明で用いた駆動パルスのタイミングチ
ヤートである。S1〜S3は走査信号波形で、Iは情報信号
波形である。Aは走査信号波形S1と情報信号波形の合成
波形(画素に印加される波形)である。ここで、期間T3
が走査選択期間、期間T1が走査非選択期間である。本実
施例のマルチプレクシング駆動において、電圧±V3の交
流電圧が前述のACスタビライズ効果を生じさせることが
できる。
従って、例えば前述の液晶Bを用いたセル(電極間の
距離=1.3μm,配向制御=ポリイミドラビング)の場合
について、前述の式(I)に代入すると、液晶Bの|△
ε|は9.7で、Psは8.0nc/cm2で、dは1.3μmであるか
ら、VI=|±V3|>3.6Vとなる。又、液晶Bを用いたセ
ルに10V以上の交流電圧を印加すると、配向欠陥の発生
が判明したので、第4図に示す駆動パルスを用いた時の
電圧|±V3|のマージンは 3.6V≦|±V3|<10V とすることができる。この際、パルス幅△T2=60μsec
であった。
ここで、液晶Bを用いた際のマルチプレクシング駆動
時のマージンを考慮して、1/3バイアスにV1,V2及びV3
設定すると、V1=15V,V2=15V,V3=7.5V,パルス幅△T2
=60μsecの条件が適している。この際、駆動中のチル
ト角θaは10゜で、充分なACスタビライズ効果を得るこ
とができた。
次に、本発明の別の具体例を明らかにする。
本実施例で用いた強誘電性液晶は、下表2のとおり
で、セルとしては電極間の間隔1.4μm、ポリイミドラ
ビングによる配向制御を用いた。
上述の液晶V〜VIIを注入したセルに対して、第4図
に示す駆動波形によるマルチプレクシング駆動を行なっ
た場合の電圧マージン(V1+V3)およびパルス幅マージ
ン△T2を1/3バイアス(V3/(V1+V3)=1/3)に適用し
た時の条件を第5図に示す。
第5図から、液晶V及びVIIは、液晶VIに対して電圧
マージンとパルス幅マージンが大きく実用性に優れてい
ることが判る。
表2中のPs/Δεの項を見ると、液晶Vは2.3、液晶VI
Iは0.8、液晶VIは4.9である。これらの数値を前述の式
(I)に代入すると下記の如くになる。
液晶V;Ps/△ε=2.3、6.0V≦VI 液晶VII;Ps/△ε=0.8、4.0V≦VI 液晶VI;Ps/△ε=4.9、9.7V≦VI 交流電圧のパルス波高値VIが小さいもの程、電圧及び
パルス幅マージンが大きく、液晶VIは第5図に示す範囲
では、動作点を広く持てないことも示している。
第6図は、本発明で用いたマトリクス電極を配置した
強誘電性液晶パネル61の駆動装置を表している。第6図
のパネル61には、走査線62とデータ線63とが互いに交差
して配線され、その交差部の走査線62とデータ線63との
間には、強誘電性液晶が配置されている。又、第6図
中、64は走査回路、65は走査側駆動回路、66は信号側駆
動電圧発生回路、67はラインメモリー、68はスフトレジ
スタ、69は走査側駆動電圧発生電源、。60はマイクロ・
プロセツサー・ユニツト(MPV)を表わしている。
走査型駆動電圧発生電源69には、電圧V1,V2とVCが用
意され、例えば電圧V1とV2を前述した走査選択信号の電
源とし、電圧Vcを走査非選択信号の電源とすることがで
きる。
〔発明の効果〕
ACスラビライズ効果を実用化可能とすることができ、
これによって高透過率のデイスプレイ画面を得ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、チルト角θaの誘電異方性△εに対する印加
電圧依存性を示す特性図である。第2図は、増大したチ
ルト角△θaとPs/△εとの関係を示す特性図である。
第3図は、実用可能なACスタビライズ領域を示す特性図
である。第4図は、本発明で用いた駆動波形のタイミン
グチヤート図である。第5図は、駆動パルス幅△T2と書
込み電圧(V1+V3)との関係を示す特性図である。第6
図は本発明のブロツク図である。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】走査電極群と信号電極群とが所定の距離を
    おいて交差する交差部に自発分極と負の誘電異方性とを
    もつ強誘電性液晶を配して構成された複数の画素を有す
    る液晶装置の駆動法において、 前記画素の走査選択期間に、選択された前記走査電極に
    走査信号を供給するとともに、前記情報電極に情報信号
    を供給して、該画素の液晶の安定状態を選択する工程
    と、 前記画素の走査非選択期間に、前記走査電極に基準電圧
    を供給するとともに、前記信号電極には前記基準電圧に
    対して両極性の電圧パルスを含む情報信号を供給するこ
    とにより、該画素の液晶の安定状態を反転させない交流
    電圧を該画素に印加する工程と、 を含み、前記交流電圧の波高値VIが下記式(I)を満た
    すことを特徴とする液晶装置の駆動法。 式(I) d・(2.0×106+Ps・1011/|Δε|)≦VI (式中、dは前記距離[m]、Psは前記自発分極[c/
    m2]、Δεは前記誘電異方性である。)
  2. 【請求項2】前記強誘電性液晶の配向状態が無電界時に
    スプレイ配向であることを特徴とする請求項第1項に記
    載の液晶装置の駆動法。
  3. 【請求項3】前記強誘電性液晶は、カイラルスメクテイ
    ック液晶であることを特徴とする請求項第1項に記載の
    液晶装置の駆動法。
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