JP3224407B2 - 液晶装置 - Google Patents

液晶装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、液晶テレビやアナログ
液晶シャッターアレーとして用いられる液晶ライトバル
ブ装置に関し、特に、高速応答でかつ無限階調が可能な
液晶ライトバルブ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】1)液晶テレビに関する従来技術として
は、現在、薄膜トランジスタ(TFTと略す)とツイス
テッドネマチック(TNと略す)方式を組合わせたTF
T/TN方式が主流であり、これに関する特許出願も非
常に多い。この理由としては、この方式の駆動条件が
TV信号とのマッチング性が良く、全温度範囲にて30
Hzまたは60Hz駆動が可能である 駆動電圧に対する液晶セル(液晶素子)の透過率特性
(V−T特性)が比較的なだらかなために、テレビに必
須な中間調表示が容易である という利点があるためである。
【0003】一方、TN方式の応答速度、特に立上り時
間tONは次の関係がある。
【0004】
【数1】
【0005】ここで、Δεは誘電率異方性、Vopは印加
電圧、ηは粘性係数、Vthは閾値電圧である。
【0006】立上り時間tONは印加電圧によって大きく
変化し、低電圧の時はより遅くなることが容易に推察で
きる。しかるにTFT/TN方式では中間調を得るため
に低電圧領域を用いるため、必然的に応答速度が遅くな
るという欠点を持っている。低粘性液晶組成物であるZ
L1−1957/5(E.メルク社製)を用いた液晶素
子の応答速度(立上り時間tONおよび立下り時間t
OFF )を表1に示す。セルは、ITO電極上に配向膜と
して日産化学(株)製ポリイミド(SE−150)を2
00Å付け、ナイロン布でラビングした基板2枚を約4
μmのスペーサを介在させ対向させたものである。この
セルに前記低粘性液晶組成物を充填して90°ツイスト
セル(液晶素子)を作成した。
【0007】
【表1】
【0008】表1において、立上り時間tONは、輝度
(透過率)0%で電圧を印加してから所定の輝度の95
%レベルに到達するまでの時間を示し、立下り時間t
OFF は、所定の輝度で電圧が0になってからその輝度の
5%レベルに低下するまでの時間を示す。また、中間調
として透過率10%と50%の例を示す。
【0009】特にテレビの場合、本来ならば1フレーム
33mSまたは17mS以内で所望の画像が形成される
ことが要求されるが、表1で見るように特に中間調を得
る電圧では数フレーム〜10フレーム分の時間を要して
いる。よってこの分だけ肉眼での画像の切替わりが遅く
感じられ、あるいは色再現の追随性が悪くなるなど、視
感上問題となっていた。
【0010】また、TN方式に関しては応答速度を改善
するのに、液晶材料の粘性係数を下げることやセルギャ
ップを小さくすることが有効である。しかしいずれも種
々の制約の中で表1程度のレベルの応答時間が現実上下
限であると思われ、液晶材料の改善のみではTFT/T
N方式で応答速度を改善できる可能性は小さいと考えら
れている。
【0011】2)また液晶シャッターアレーに関して
は、処理枚数増大の要請から同様に高速応答が要求され
ている。このため、応答速度が数ミリ秒(mS)以下の
二周波駆動方式が既に実用化されており、また双安定性
強誘電性液晶をTFT駆動したものも、いくつか試作発
表されている。
【0012】しかしながら、前者は高周波駆動と低周波
駆動の切替えで、また後者はFLCの2つの安定状態の
みを使い、ON/OFFさせているために、いずれも中
間調が出せないという欠点があった。よって近年アナロ
グ液晶シャッターが望まれているが、これら2方式では
原理上対処するのがむずかしい状況であった。
【0013】3)更に、TFT/FLCの組合わせによ
って中間調を得る試みとしてPhilips社によって
提案されたドメイン階調方式(特開昭63−24989
7およびUSP4,840,462)、あるいは螺旋ピ
ッチをもったFLCを用いる方式(Japan Dis
play ’89 P174(1989))があるが、
いずれもTFT/TN方式に比べて問題の多い方式であ
る。
【0014】4)一方、A.D.Lチャンダニらによっ
て1988年に発見された反強誘電性液晶(AFLC)
(参考文献:A.D.L.chandani et a
l.:Jpn.J.Appl.Phys.27(198
8)L 729)は、クラークやラガバルによって提案
された表面安定化強誘電性液晶(SSFLC)が2つの
安定状態を持つ双安定な素子であるのに対して、図4に
示すように、反強誘電相(アンチフェロ状態)とユニホ
ーム1(U1 )および2(U2 )の2つの強誘電相(フ
ェロ状態)という3つの安定状態を持っている。図4に
おいて、1はアンチフェロ(Antifero)状態の
分子位置、2,2’はフェロ(fero)状態の分子位
置、PとAはそれぞれ偏光子の配置を示す。PまたはA
軸は、通常、分子配置1の軸に一致させる。
【0015】そして最近の山本、山田らの発表(参考文
献:山本典生、山田祐一郎他:第15回液晶討論会予稿
集 P314)によれば,AFLCDのDC電圧による
透過率変化は、直交配置した偏光子間で液晶素子を第3
の安定状態で消光するように配置すると明確なDC閾値
とヒステリシスを持つことを利用して、AFLCDパネ
ルに適当なDCバイアスを印加した上で、パルス電圧印
加により時分割駆動を行なう方法を提案している。この
方法では前述の3状態をメモリ状態として利用している
訳である。
【0016】上記ヒステリシスを持つAFLCDを用い
た液晶装置は、書込み時に、前の履歴を消去するための
リセット動作を必須とし、その上、所定のDC電圧でメ
モリー性を保持するため駆動方式を必須としていたた
め、複雑な駆動回路を必要としていた。本発明の課題
は、上記ヒステリシスを持つAFLCDを用いた液晶装
置のかかる問題点を解消することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の液晶装置は、一対の基板間に配置した反強誘電
性液晶、及び正電圧と該正電圧印加後の負電圧とからな
る交流電圧を反強誘電性液晶に印加するためのアクティ
ブ回路を有し、前記正及び負電圧は、それぞれ階調情報
に応じた正及び負の階調電圧である液晶装置において、
前記一対の基板のうち、一方の基板のみがラビング処理
された基板であることを特徴とする。
【0018】本発明の他の液晶装置は、一対の基板間に
配置した反強誘電性液晶、及び正電圧と該正電圧印加後
の負電圧とからなる交流電圧を反強誘電性液晶に印加す
るためのアクティブ回路を有し、前記正及び負電圧は、
それぞれ階調情報に応じた正及び負の階調電圧である液
晶装置において、さらに、一対の偏光子を有し、該一対
の偏光子のうちの一方の偏光子は、前記反強誘電性液晶
の3つの安定状態のうちの反強誘電相の時の分子軸に対
して平行配置していることを特徴とする。
【0019】ここで、前記正電圧と負電圧とは、ゼロ電
位を基準として、対称となっていることが好ましい。
【0020】
【作用】本発明によれば、一対の基板間に配置した反強
誘電性液晶、及び正電圧と該正電圧印加後の負電圧とか
らなる交流電圧を反強誘電性液晶に印加するためのアク
ティブ回路を有し、前記正及び負電圧は、それぞれ階調
情報に応じた正及び負の階調電圧であるようにしたた
め、前述のメモリ性を利用しないで階調表示を行うこと
ができる。これは、図5に示すようにAFLCDがDC
閾値と少しなだらかなV−T特性を持つことから、TF
Tによる画素電極間のチャージアップ電圧により、AF
LC分子を電圧規制できるためである。また、交流駆動
の場合、V−Tカーブが+,−両方向で対称であるた
め、駆動電圧の極性による透過率の差はなく、また極性
反転時の光量ロスもユニホーム1からユニホーム2への
転移速度が高速であるため問題ない。
【0021】しかし、このAFLCDの問題点は、立上
り時間の挙動が他のモードの液晶と比べて大きく異な
り、印加電圧Vopと閾値電圧Vthとの関係が、Vop−V
thが大であれば数マイクロ秒であるが、Vop≒Vthであ
れば数秒であるという具合に極めて大きな印加電圧依存
性を持っていることである。この欠点を駆動の面から改
良することにより、 テレビ放送に対応できること 無限階調が実現できること 中間調を有するいかなる電圧であっても、十分な応答
速度、つまり情報追随性を有すること、そして TFT/TN方式に比べて透過率を犠牲にしないこと を実現することができる。
【0022】そこで、一対の基板間に配置した反強誘電
性液晶に対し、連続する第1の位相では一定以上の高電
圧を印加し、続く第2の位相では表示情報に応じた階調
電圧を印加すればよい。この電圧は少なくとも一方の基
板上に配置された能動型スイッチング素子である薄膜ト
ランジスタ(TFT)を通して印加することができる。
【0023】このようにして、液晶装置を駆動する際、
本来の書込み電圧の前に立上りを助ける補助信号を入れ
ることにより応答速度の遅いことを解決している。
【0024】より具体的には、まず第1の位相で前記補
助信号を印加し、第2の位相で本来の中間調電圧を印加
すればよい。
【0025】
【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
【0026】液晶セルおよび液晶素子作成 アクティブ回路を有する基板上に液晶用配向膜としてポ
リイミド(日産化学製・SE−150)を200Å塗布
し焼成後一方向にナイロン布でラビング処理を行なっ
た。
【0027】このアクティブ回路を有する基板と対向電
極を有する基板とを対向配置し、常法に従ってマトリッ
クス型液晶セルを作成した。これに下式の液晶化合物
[I]を約150℃で真空注入し、120℃まで温調器
の中で徐冷した所、徐々に反強誘電性の相を示す状態に
移行した。これにより、マトリックス型液晶表示素子
(液晶素子)が得られた。
【0028】
【化1】
【0029】
【化2】
【0030】この時の配向状態は両側基板をラビングし
た液晶素子よりも片側基板のみ処理した液晶素子の方が
欠陥が少なくきれいであった。評価の多くは90℃で行
なった。
【0031】実施例1 この液晶素子の電極に電位ゼロを中心とする矩形波電圧
を印加した時の光学応答を図6に示す。ここでは階調電
圧として±4.4Vから±5.4Vに切替えた時の光学
応答を示している。
【0032】実施例2 図1に示すように各フレームの最初にアンチフェロ状態
からフェロ状態に転移するのに十分な電圧パルスを第1
の位相で印加し、その後第2の位相で階調電圧を印加し
た。これにより、それぞれの階調電圧に対する透過率の
応答性が速くなるという効果がある。
【0033】この現象はミクロ的に見るとアンチフェロ
からフェロ状態への転移がドメイン反転を伴なうもので
あり、高電圧をかけた方がドメイン反転速度が速く、一
定面積の画素全体が早くフェロ状態の透過率に達するた
めと解釈できる。このアンチフェロからフェロへの転移
速度と印加電圧との関係は表2のような関係があった。
この関係は福田らの論文JJAP,29(1)199
0.L 111−114に示された関係と同様の挙動で
ある。
【0034】
【表2】
【0035】このように±14Vでは20μS程度の高
速が得られる。そこで本実施例では第1の位相の高電圧
(補助パルス)として±15Vを選び図1に示す信号を
印加し、第2の位相で任意の中間調を示す電圧(階調電
圧)をこの場合±4〜±6Vの範囲で印加した。補助パ
ルスのパルス幅は20μSとした。
【0036】この時第2の位相の電圧で得られる透過率
におちつく時間は比較的速く1フレーム時間17または
33mSと比べて問題にならない程度であった。
【0037】補助パルスの印加方法 前記の補助パルスを印加するためには、単純マトリック
スの場合は走査信号に重畳させても良いし、情報信号の
タイミングを分割して印加しても良い。
【0038】また、アクティブ素子を用いる場合には図
2に示すように、液晶素子DSPにおけるサンプルホー
ルド回路SHからの信号線S1 ,S2 ,……Sn の延長
上に薄膜トランジスタグループTFTGHを作り、固定
電源ラインの電圧をそのまま印加することで作ることが
できる。
【0039】図2および図3を用いてこれを説明する。
走査信号Gk がONしている1走査期間中を第1の時間
と第2の時間に分け、前記第1の時間で補助パルス印加
信号GH をONし補助パルス用高電圧VH を印加する。
この間はサンプルホールド回路SHは切り離されてい
る。
【0040】次に第2の時間で補助パルス印加信号GH
をOFFし、回路SHから階調電圧VS1またはVS2を印
加する。
【0041】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
図5に図示する様に、メモリー特性を持たない、しかも
緩やかな傾斜の電圧(V) 対透過率(T) 特性を付与するこ
とができ、特に、高電圧パルスを印加することによって
反強誘電性液晶素子を電圧制御した時にアンチフェロか
らフェロ状態への転移速度を格段に速くすることが可能
となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係る高電圧の補助パルス
電圧を乗せた波形の説明図である。
【図2】 補助パルスを印加するアクティブ回路の一例
を示す回路図である。
【図3】 高電圧パルス印加の一例を示すタイミングチ
ャートである。
【図4】 反強誘電性液晶素子におけるアンチフェロ位
置1とフェロ位置2,2′および偏光子の配置図であ
る。
【図5】 反強誘電性液晶素子の矩形波印加電圧と透過
率特性の関係を示すグラフである。
【図6】 反強誘電性液晶素子におけるアンチフェロ位
置からフェロ位置への応答を示すグラフである。
【符号の説明】
DSP:液晶素子、TFTGH:薄膜トランジスタグル
ープ、固定電源ラインのS1 ,S2 ,……,Sn :情報
信号(線)、G1 ,G2 ,……,Gk ,……,Gn :走
査信号(線)、GH :補助パルス印加信号(線)、V
H :補助パルス用高電圧(電源)、SH :サンプルホー
ルド回路、Vs1,Vs2:階調電圧。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一対の基板間に配置した反強誘電性液
    晶、及び正電圧と該正電圧印加後の負電圧とからなる交
    流電圧を反強誘電性液晶に印加するためのアクティブ回
    路を有し、前記正及び負電圧は、それぞれ階調情報に応
    じた正及び負の階調電圧である液晶装置において、前記
    一対の基板のうち、一方の基板のみがラビング処理され
    た基板であることを特徴とする液晶装置。
  2. 【請求項2】 一対の基板間に配置した反強誘電性液
    晶、及び正電圧と該正電圧印加後の負電圧とからなる交
    流電圧を反強誘電性液晶に印加するためのアクティブ回
    路を有し、前記正及び負電圧は、それぞれ階調情報に応
    じた正及び負の階調電圧である液晶装置において、さら
    に、一対の偏光子を有し、該一対の偏光子のうちの一方
    の偏光子は、前記反強誘電性液晶の3つの安定状態のう
    ちの反強誘電相の時の分子軸に対して平行配置している
    ことを特徴とする液晶装置。
  3. 【請求項3】 前記正電圧と負電圧とは、ゼロ電位を基
    準として、対称となっていることを特徴とする請求項1
    または2に記載の液晶装置。
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