JP2945219B2 - 液晶光学変調装置 - Google Patents

液晶光学変調装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、液晶光学変調装置に関
し、特に自発分極を有する液晶を用いた液晶光学変調素
子とその自発分極作用による光学応答を利用して液晶光
学変調素子を中間調を含む所望の光学状態に駆動する駆
動装置とからなる液晶光学変調装置に関する。
【0002】
【従来の技術】上記自発分極を有する液晶として強誘電
性液晶(FLC)は、その高速応答性やメモリ性等の利
点に注目され、表示素子やライトバルブ等の目的のため
に積極的に開発されている。上記利点を生かしたターゲ
ットとして、光シャッタアレイ、単純マトリクス駆動に
よる高精細表示装置および光導電体と組み合わせた高密
度記録のライトバルブ等が挙げられる。また、さらに薄
膜トランジスタ(TFT)等を用いたアクティブマトリ
クス駆動による動画像表示にも期待され、この特性は、
例えばU.S.P.4,840,462やProcee
ding ofthe SID,vol,30/2,1
989「FerroelectricLiquid C
rystal Video Display」等に示さ
れている。この種の液晶光学変調素子の駆動法は、例え
ば、U.S.P.4,840,462に示されるように
リセットとライト(書き込み)信号を水平周期内に時間
分割して挿入するという方法をとっていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記駆動法で
液晶光学変調素子を駆動する場合、一般的に以下のよう
な問題点が生じることが明らかになってきた。その1つ
は、FLCに対して長時間の直流電圧(DC成分)が連
続して印加されると、液晶の応答が阻害されることであ
る。この原因としては、上記DC成分により液晶の内部
イオンの偏在が誘起され、これが電界を形成するためと
考えられる。これに対しては、本出願人による特開平3
−271716号に補助パルスによりDC成分をキャン
セルする提案がなされているが、FLCではさらにま
た、分子自身が自発分極を有するがためにこの自発分極
に対して偏在する内部イオンが電界を形成すると考えら
れる。この原因が、所望の中間調を不安定にし、また、
外部電圧値(ライト電圧値)に対しての光学応答にヒス
テリシスを生ずるといった問題が確認されている。ま
た、従来の駆動法では、リセットとライトの2つのパル
スによる外部電圧印加を制御する必要があり、駆動が非
常に煩雑であるという問題もあった。
【0004】本発明は、上記従来例における問題に鑑み
てなされたもので、駆動が簡略で、かつ高精細な階調制
御が可能な光学変調装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明の液晶光学変調装置は、電極および配向層を有
する1対の基板間に自発分極を有する液晶の層を挟持し
てなり、前記配向層の放電時定数が前記液晶層の放電時
定数より大きく、液晶分子の自発分極をPs、前記配向
層の容量をCa、前記液晶層の容量をCLC、前記電極間
への印加電圧をVRWとしたとき
【0006】
【数2】 の関係を満たす液晶光学変調素子と、前記液晶光学変調
素子の前光学状態をリセットしかつ所望の光学状態に対
応した書き込みをするための電圧信号とその後前記素子
の両端を一定電圧にするための補助電圧信号とを与える
ことにより前記液晶光学変調素子を前記所望の光学状態
に駆動する駆動装置とを具備することを特徴とする。
【0007】上記数(1)式を満たす液晶光学変調素子
は、例えば配向層の厚みを液晶層の厚みの1/10以上
とすることにより得ることができる。
【0008】
【作用】本発明によれば、駆動装置は、液晶光学変調素
子に唯一つのパルス信号を用いて電圧印加を行なうこと
でリセットとライトと同時に行ない液晶層内部に中間調
を含む所望の光学状態に応じた逆電界を形成しその後素
子両端を一定電圧にして前記所望の光学状態を形成す
る。このように画素全域の液晶双安定性を充分利用した
駆動法を採用することによって、前記した外部電圧の過
度なDC成分による書き込み阻害を除去し、高精細な階
調表示を行なうための幅広いダイナミックレンジを確保
することができる。
【0009】本発明で用いる液晶としては、強誘電性を
示すカイラルスメクチック液晶が好ましく、カイラルス
メクチックC相(SmC*)、またはH相(SmH
*)、さらにSmI*,SmF*,SmG*等を示すも
のが適している。勿論、本発明の素子構成の範囲で用い
られる他の液晶についても後述するような充分な効果が
得られる。
【0010】また、これらの液晶駆動時においては、液
晶を所望の温度範囲内に保持するための熱的制御をかけ
てもよい。
【0011】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。
【0012】図1は本発明の一実施例に係る強誘電性液
晶(FLC)素子の構成を示す。同図において、1はガ
ラス基板、2はガラス基板1上に形成されたITO電
極、3はガラス基板1およびITO電極2上に形成され
たポリシロキサン導電膜(配向膜)、4は液晶層部であ
る。
【0013】図2は、FLC素子の疑似等価回路を示
す。ここで、図1の電極1と液晶層部4との間に存在す
るのは、配向膜3等の配向補助層が一般的である。この
配向補助層は単一層である必要はないが、図2において
は一括して配向補助層として示してある。外部電圧VRW
を印加した場合、印加直後には配向補助層3と液晶層4
に同じ量の電荷Qが投入される。そのうち、各々の層の
時定数、つまり配向補助層ではCaRa、液晶層内部で
はCLCLCによって、各層の両端の電圧は減少し、かつ
両層の間にCaRaとCLCLCの差に応じた電荷の蓄積
がおこる。つまり、CaRa>CLCLCであれば、素子
両端を一定電圧にした後に液晶層が感じる電界の向き
は、一定電圧にする前の状態に比べ極性が反転する。し
たがって、液晶が応答しFLC素子は任意の中間調を形
成することになる。
【0014】図3は図1および図2に示す素子を駆動す
る電圧のタイミングチャートである。今、リセットおよ
び書き込みを行なう電圧−VRW(VRW>0)をアースに
対し負の電位としてパルス印加する。その際、FLC素
子が完全にリセットされた状態が黒となるようにFLC
素子の上下に不図示の偏光板を設け、VRWを変化させ、
この光学状態を変化させ階調表示を行なう。図3に示す
ように、−VRW(<0)のパルスを印加直後、図2の配
向補助層3および液晶層4に−Qの電荷(Q>0)が投
入される。各層の時定数CaRa,CLCLCに応じて電
荷が減少する。時間tを経過した後の両層間の電荷の総
量をQ’とする。次にFLC素子の両端を一定電圧値V
H にするパルス信号(補助信号)を与え、その直後液晶
にかかる電圧をV’とする。今、分かりやすいために一
定電圧値をOV(アース)とする。V’の大きさは次式
で表わすことができる。
【0015】
【数3】 上記説明よりQ’>0となるから、この電圧V’(>
0)により全黒状態(前記の完全リセット状態)への白
書き込みを行なうことができる。つまりV’が広い範囲
で確保できるということは、階調表示のダイナミックレ
ンジが拡大するということである。ところで、VRWは前
状態を完全にリセットするに充分な電圧かそれ以上でな
ければならない。つまり、完全白状態を完全黒状態にす
るための電圧が必須である。従って、VRW(min)が
上記説明のような全白を全黒にするのに最低必要な電圧
であるとき、V’の大きさは、絶対値が液晶の光学的状
態を変化させない範囲の最大電圧である液晶固有のしき
い値を越えないことが望ましく、実際、広く階調表示を
行なう際に有用である。しかし、必ずしもこれは必須条
件ではなく、図4(a)に示されるように完全リセット
に要するVRWに対しV’が液晶のしきい値を越えてしま
う場合、図4(b)に示されるように上記一定電圧とし
て液晶の分圧を小さくするような値VH を与えてやるこ
とができる。また、図4(c)に示されるように完全リ
セットに要するVRWに対するV’が液晶のしきい値を充
分下回るような値である場合は、図4(d)に示される
ように逆に液晶の分圧を大きくするような値VH を与え
ることで、VRWの電圧変化可能な範囲を有効活用した階
調ダイナミックレンジを確保できる。図4に上記2つの
場合について模式的に示す。
【0016】一方、書き込みに要する電圧V’は最大
で、全白にするために必要な電圧を確保できることが広
い階調ダイナミックレンジを確保するために重要であ
る。全白にするために必要な電圧をV(Tmax)とす
ると
【0017】
【数4】 を満たすだけのV’が形成されると、より良い書き込み
を行なうことができる。上式から明らかなように、V’
の大きさはQ’と(Ca+CLC)の大きさで決定され
る。ここでQ’は最大で
【0018】
【数5】 なので(1)式に代入すると
【0019】
【数6】 となる。V’が完全な黒を完全な白にするのに必要な電
荷量を投入できる電圧であるには、液晶分子の自発分極
Psとすると、
【0020】
【数7】 であり、この式の条件をみたす容量比をもつFLC素子
を作成し、非常にダイナミックレンジの広い良好な階調
表示を行なうことができた。
【0021】実験例1 図1のFLC素子は以下の工程で作成することができ
る。先ずガラス基板上に1000〜1500Å程度のI
TO等の透明電極を反応性スパッタ等で膜形成し、その
上にポリシロキサン系ポリマーにSnO2 −Sbの超微
粒子を分散させた導電性配向膜をスピナー塗布した後、
150℃程度でベークし500〜1000Åの膜を形成
する。次に該ポリシロキサン系導電膜表面をラビング処
理し、ラビング面を内側に向かい合うようにして、1.
3μm程度のギャップを設け、CTC添加をした液晶を
ギャップ中に注入する。
【0022】この工程でSnO2 −Sb超微粒子の分散
量と液晶層のCTC添加量と各層の膜厚を調整すること
により、Ca:CLC=8:1程度の素子が作成できた。
なお、使用する液晶の自発分極Psが大きいと駆動電圧
RWを大きくしなければならないので0.5〜5.0n
C/cm2 程度の比較的小さい自発分極Psを有する液
晶を用いることが望ましい。
【0023】上記のようにして作成したFLC素子の両
端に図3に示したタイミングチャートによる駆動波形を
周波数30Hz、VH =OV(アース)として印加し
た。VRWを変化させ、その光学応答を図5に表わす。図
5に実線で示すように、VRWを変化させることによって
それに応じた中間調を良好に形成することができた。
【0024】ここで、上記工程でSnO2 −Sb超微粒
子分散量と液晶層のCTC添加量と膜厚を加減すること
でCa:CLC=20:1程度の素子を形成したので、そ
の光学応答を図5に点線で比較例として示す。図中点線
で示すように容量比のちがいにより階調可能なVRW範囲
(つまりはV’範囲)が大きく異なることが分かる。
【0025】従来のトランジスタはFLC素子を駆動す
るための供給電圧がせいぜい±20Vを越えない程度の
能力である。しかも、例えばHD対応のような高精細動
画表示を行なう場合に用いるTFTアクティブマトリク
ス駆動等を行なうとすれば、さらに供給電圧は低くなり
±10V程度を越えないであろう。そういった中で、本
発明の条件を満たすFLC素子構成であれば、有効な階
調表示のダイナミックレンジを確保することができる。
また、容量比を変化させるには簡便には膜厚を変化させ
ることで実施でき、プロセス的にも充分実用的である。
【0026】実験例2 さらに前記実験例1に示したのと同じ配向補助層の容量
比を最も簡単に変化させるために、スピナー塗布条件を
変えて膜形成を行なったところCa:CLC=5:1程度
の素子が形成できた。このとき、該シロキサン系導電膜
の膜厚は約1000Åであった。
【0027】上記のようにして作成したFLC素子の両
端に図6(a)に示したタイミングチャートによる駆動
波形を周波数30Hz,VH =0(アース)として印加
した。VRWを変化させ、その光学応答を図6(b)に示
す。図に示すように、VRWを変化させることで、それに
応じた中間調を良好に形成することができた。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば唯
一つのパルス電圧印加によって、前状態を消去しかつ所
望の中間調に対応する大きさの逆電界を積極的に形成す
ることを特徴とする駆動法において、特に高精細階調表
示を行なうFLC素子の駆動ダイナミックレンジを広範
囲に確保することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係る強誘電性液晶素子の
素子構成図である。
【図2】 図1の素子の擬似等価回路図である。
【図3,4】 図1の素子を駆動するための電圧信号お
よび図1の液晶層に印加される電圧のタイミングチャー
トである。
【図5】 図1の素子のリセット・書き込み電圧に対す
る光学応答を示すグラフである。
【図6】 本発明の他の実施例に係る強誘電性液晶素子
の駆動波形図および光学応答図である。
【符号の説明】
1:ガラス基板、2:ITO電極、3:ポリシロキサン
導電膜(配向膜)、4:強誘電性液晶(FLC)層部、
RW:リセット・書き込み電圧、VH :補助信号電圧。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子修三 東京都大田区下丸子3丁目30番2号キヤ ノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−153321(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/133 560 G02F 1/133 575 G02F 1/1337 510

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電極および配向層を有する1対の基板間
    に自発分極を有する液晶の層を挟持してなり、前記配向
    層の放電時定数が前記液晶層の放電時定数より大きく、
    液晶分子の自発分極をPs、前記配向層の容量をCa、
    前記液晶層の容量をCLC、前記電極間への印加電圧をV
    RWとしたとき 【数1】 の関係を満たす液晶光学変調素子と、 前記液晶光学変調素子の前光学状態をリセットしかつ所
    望の光学状態に対応した書き込みをするための電圧信号
    とその後前記素子の両端を一定電圧にするための補助電
    圧信号とを与えることにより前記液晶光学変調素子を前
    記所望の光学状態に駆動する駆動装置とを具備すること
    を特徴とする液晶光学変調装置。
  2. 【請求項2】 前記配向層の厚さが、前記液晶層の厚み
    の1/10以上であることを特徴とする請求項1記載の
    液晶光学変調装置。
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