JP4911658B2

JP4911658B2 - 液晶電気光学素子の駆動方法

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Publication number: JP4911658B2
Application number: JP2004145022A
Authority: JP
Inventors: 駿介小林; 直樹戸嶋; 幸英白石
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2024-05-14
Also published as: JP2005148705A

Description

本発明は、液晶電気光学素子の駆動方法に関するものである。

液晶材料として、ネマティック液晶、スメクティック液晶、カイラルネマティック液晶、カイラルスメクティック液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶などの液晶分子または有機分子が知られている。そして、これら自体の物性、製造法、使用法等は、広く知られているので、ここでは説明は省略する。

上記した液晶材料を用いた液晶電気光学素子、特にねじれたネマティック（ＴＮ）、スーパーねじれＴＮ（ＳＴＮ）、ピクセル内分割を含む垂直配向ネマティック（ＭＶＡ−ＴＮ）、インプレーン・スィッチング（ＩＰＳ）ネマティック、強誘電性液晶デバイス、反強誘電性液晶デバイスなどについては、下記の非特許文献１に開示されている。

また、液晶電気光学素子は、情報ディスプレイとして、テレビジョンなどのＡＶ機器およびコンピュータや携帯電話等の表示装置として広く用いられている。

しかし、そこにおいて、技術的に大きな課題の一つとして、動画像表示のために応答速度を速くすることが強く要求されている。そして、液晶のディスプレイの応答速度を高速にするために、例えば、下記の二つの方法が提案されている。

第１は、強誘電性液晶（ＦＬＣＤ）を用いる方法である。
これについては、下記の非特許文献２に説明されており、現在、その実用化研究が進められている段階である。

第２は、例えば、下記の非特許文献３に記載された、過分に電圧を印加するオーバードライブ法である。
この方法では、既存の動作モードを採用し、過大な電圧を印加することにより、立ち上がり特性を高速化する。しかし、この方法では、立ち上がり特性を改善できるものの、降下時間の短縮はできない。また、過大な電圧を印加することは、電源側の負担を大きくする等の問題を伴う。

雑誌「応用物理」６８５６１（１９９９）（小林駿介） S.Kobayashi et al: Proceedings of SPIE Vol. 5003,88 (2003) K.Sekiga and H.Nakamura,2001 SID International Symp. Digest of Tech. Papers, Vol. 32,114 (2001)

本発明は、非特許文献２に記載された技術の如く、強誘電性液晶（ＦＬＣＤ）等の特定
の液晶に限定することなく、既存の全ての液晶デバイスに適用することができ、また、非
特許文献３に記載された技術の如く、過大な電圧を印加することなく、高速に動作させる
ことができる液晶電気光学素子の駆動方法を提案することを課題とする。

上記液晶電気光学素子の駆動方法を提案する課題は、請求項１の発明、即ち、液晶層と
、前記液晶層を中間に挟持する一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた導電膜と、
前記液晶層の液晶分子を配向させるために前記導電膜の内面側に設けられた配向膜を備え
、前記基板の一方または両方が透明基板である液晶電気光学素子であって、前記液晶層が
、液晶母体と、その中に分散している直径３ｎｍ〜５０ｎｍの金属超微粒子からなる混合
系である液晶電気光学素子の駆動方法において、上記基板の導電膜に印加する信号がバー
スト波であり、その先頭部分に過大な電圧を印加するオーバードライブ駆動をする液晶電
気光学素子の駆動方法によって解決された。

上記した本発明によれば、液晶電気光学素子の動作速度を向上することができる。これは、液晶材料の種類を問わず実現できる。例えば、従来技術によるＴＮ型の液晶電気光学素子においては不可能であった、光透過率の立ち下りにおける遅れ時間および応答時間の短縮が可能となる。ＴＮ−ＬＣＤにおいては、数マイクロ秒の応答時間を達成することができる。

以下、上記した本発明の実施の形態を、図面などを示して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る駆動方法が適用される液晶電気光学素子を作るための液晶電気光
学素子材料に分散している超微粒子の概念図である。
図示した超微粒子１は、中心に直径（ｄ）が３ｎｍ〜５０ｎｍの金属超微粒子（いわゆ
るナノ粒子）２があり、前記金属超微粒子２の周りを液晶分子または有機分子３が取り囲
んでいる構造を有し、前記液晶分子または有機分子３が、上記金属超微粒子２の原子の１
個または複数個と錯体を作っている液晶相溶性超微粒子である。この液晶相溶性超微粒子
１の外周面には、保護層４が形成されている。
このような超微粒子１は、液晶相に添加されると、液晶の相溶性がよいためによく分散
された形をとる。

上記の例において、上記液晶分子または有機分子３は、既存の液晶分子または有機分子
である。即ち、ネマティック液晶、スメクティック液晶、カイラルネマティック液晶、カ
イラルスメクティック液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶などである。特に好ましくは
、Ｃ−Ｎまたは−Ｓ基を持つ液晶分子または有機分子である。
ただし、本発明の技術的範囲は、これらの既存の液晶分子または有機分子に限られるも
のではなく、金属超微粒子と錯体を形成することができる材料であれば、それを用いて本
発明に係る駆動方法が適用される液晶電気光学素子を実現することができる。

また、上記金属超微粒子２は、使用される液晶分子または有機分子と錯体を作る金属である。例えば、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕなどである。

上記構造の液晶相溶性超微粒子１が分散している液晶電気光学素子材料は、ネマティッ
ク液晶、スメクティック液晶、カイラルネマティック液晶、カイラルスメクティック液晶
、強誘電性液晶、反強誘電性液晶などからなる液晶を母体とし、その中に直径（ｄ）が３
ｎｍ〜５０ｎｍの金属超微粒子を添加することにより得ることができる。濃度は、核とな
る金属超微粒子に関して、重量比０．０１ｗｔ％から１ｗｔ％、好ましくは０．１ｗｔ％
から０．３ｗｔ％である。

図２は、本発明に係る駆動方法が適用される液晶電気光学素子の概念的断面図である。
この液晶電気光学素子は、従来技術による液晶電気光学素子と同じ構造を有する。即ち
、一対の基板１０を備え、この一対の基板１０の一方または両方は透明である。そして、
それぞれの前記基板１０の内面側には、透明導電膜１１が形成され、その内面側に配向膜
１２が形成されている。そして、本発明に係る駆動方法が適用される液晶電気光学素子に
おいては、上記一対の基板１０の間に、上記液晶相溶性超微粒子１が分散している液晶電
気光学素子材料１３が注入されて液晶層１４を形成している。前記液晶層１４は、封止部
材１５によって封止されている。上記一対の配向膜１２は、上記液晶分子または有機分子
を所定の方向に配向させるためのものである。

図３は、上記液晶電気光学素子の一例について、矩形波を印加した時の、相対的光透過
率の周波数依存性および実効値電圧(peak to peak voltage)依存性の測定例である。
この測定に用いた液晶電気光学素子は、ねじれたネマティック（ＴＮ）液晶ディスプレ
イ（ＬＣＤ）・セルである。母体液晶としてネマティック液晶（ＮＣＬ）pentylcyanobip
henyl （通常５ＣＢと呼ばれている）を用いた。液晶層の厚さは、５．１μｍである。ま
た、核となる金属超微粒子として直径５ｎｍの銀（Ａｇ）を用いた。核となる銀の超微粒
子は、上記ネマティック液晶（ＮＬＣ）で覆われている。なお、核となる金属超微粒子の
濃度は０．１２ｗｔ％であった。

図３において、印加周波数が例えば５００Ｈｚのとき、印加電圧が約２Ｖで相対的光透過率が１００％から減少し始め、約５．５Ｖで０％になる。他方、印加周波数が低いとき、例えば４０Ｈｚのとき、印加電圧が約７．５Ｖのときに相対的光透過率が減少し始める。このように、相対的光透過率の特性曲線は、周波数が下がると高電圧側にシフトする。

図３から、低周波側の限界は２０Ｈｚであり、ＴＮ−ＬＣＤとしては正常に動作していないことが分かる。印加周波数が２ｋＨｚ以上では、金属超微粒子を添加していない従来技術によるＴＮ−ＬＣＤを用いたものの特性と同じになることが、別の測定によって確かめられている。

したがって、印加電圧を一定に保って、印加周波数を変化させることにより、相対的光透過率を制御することができる。この明細書では、この方式による相対的光透過率の制御を、周波数変調式光透過率制御と呼ぶ。例えば、印加電圧を３．５Ｖに保って、印加周波数を低周波２０Ｈｚと高周波５００Ｈｚ、又は５０Ｈｚと２ｋＨｚのように低周波と高周波の周波数で切り替えることにより、相対的光透過率を、オン・オフ・スイッチングすることができる。

図４は、周波数変調式光透過率制御の測定例である。横軸は時間である。下の信号は液晶電気光学素子に印加される制御用パルス信号、上の信号は液晶電気光学素子の相対的光透過率（任意尺度）である。制御信号は印加電圧一定（３．５Ｖ）において、５００Ｈｚから２０Ｈｚに変化し、再び５００Ｈｚに戻っている。高周波５００Ｈｚにおいて、相対的光透過率が０であり、低周波２０Ｈｚにおいて相対的光透過率が大きくなっていることが分かる。低周波から高周波にスイッチするときの、相対的光透過率の降下時間が顕著に短縮されている。時定数は約５ｍ秒である。

また、図３の特性曲線から分かるように、印加周波数を一定に保って、印加電圧を変化させることにより相対的光透過率を制御することもできる。この明細書では、この方式による相対的光透過率の制御を、振幅変調式光透過率制御と呼ぶ。例えば、印加周波数を５００Ｈｚに保って、印加電圧を低電圧２Ｖと５Ｖで切り替えることにより、相対的光透過率を、オン・オフ・スイッチングすることができる。

このように印加電圧の振幅と周波数に依存して応答するデバイスを総称して、この明細書では、ＦＭ−ＬＣＤｓと呼ぶ。周波数を変化させる場合、ネマティック液晶デバイスのときは、印加電圧の自乗平均に比例する自乗平均応答となり、強誘電性液晶のときは、印加信号の振幅そのものに依存する応答となる。

図５から図８は、印加周波数を５００Ｈｚに保ち、印加電圧（横軸）を変化させたとき
の、光透過率の立ち上がりと立ち下りにおける遅れ時間（ｔｄ）と応答時間（ｔｒ）を示
す。従来技術による液晶電気光学素子は（Ｕｎｄｏｐｅｄ）と表示されている。銀（Ａｇ
）を核超微粒子とする液晶電気光学素子は（Ａｇ−Ｄｏｐｅｄ）と表示されている。対数
表示の縦軸の単位はミリ秒である。

図から、光透過率の立ち上がりにおいても立ち下りにおいても、これらの時定数の短縮が実現されている。特に、立ち下り時では、遅れ時間（ｔｄ）は５０％、応答時間（ｔｒ）は３０％も短縮されている。金属超微粒子の添加濃度や印加周波数をさらに上げることにより、さらに大幅に応答時間を短縮することが可能である。応答速度の改善は高周波で特に効果的である。
もちろん、振幅変調式光透過率制御と周波数変調式光透過率制御を組み合わせることも可能である。

次に、本発明に係る液晶電気光学素子の駆動方法であるオーバードライブ(overdrive)
について説明する。オーバードライブ駆動とは液晶の相対的透過率を変化させるために印
加電圧信号を印加する際、その信号の先頭において過大な電圧を加え、応答速度を高速化
する技術である。

銀を０．１２重量％ドープした５ＣＢ（Ag/5CB/0.12%）について、交流方形波のバースト信号を印加して相対的光透過率を変化させる際に、オーバードライブ駆動をしない場合とオーバードライブした場合の透過率の変化の応答を比較実験した。
図９はオーバードライブをしない場合、図１０はオーバードライブをした場合である。図９と図１０のそれぞれの下の信号は印加電圧信号の波形である。またそれぞれの上の信号は、相対的光透過率の応答である。

図９の印加電圧信号は交流方形波のバースト信号Ｖ２だけであるが、図１０の印加電圧信号の先頭には交流方形波のバースト信号Ｖ２の振幅より大きい振幅のオーバードライブ電圧Ｖ１が印加されている。
図１１にオーバドライブ駆動をしているときの交流方形波の信号波形の拡大図を示す。

図９の上の信号波形から分るように、相対的光透過率はバースト信号が印加され始めて約１０ミリ秒後に変化が完了している。他方、図１０の相対的光透過率は、オーバードライブ信号が印加されると約１ミリ秒後には、既に相対的光透過率の変化が完了している。

バースト信号が終わって、相対的透過率が元の値に戻るために必要な時間に関しては、図９においては約４０ミリ秒であり、図１０でも約４０ミリ秒で、大差はない。

銀を０．１２重量％ドープした５ＣＢ（Ag/5CB/0.12%）とドープしない５ＣＢについて、交流方形波のバースト信号を印加して相対的光透過率を変化させる際に、オーバードライブ駆動をしない場合とオーバードライブした場合の遅れ時間（ｔｄ）と応答時間（ｔｒ）の比較実験を行った。
図１２は遅れ時間（ｔｄ）についての測定結果、図１３は応答時間（ｔｒ）についての測定結果である。

それぞれのグラフにおいて、丸印はドープしない試料についてオーバードライブをしない場合、小さい四角印はドープしない試料についてオーバードライブをした場合、三角印はドープした試料についてオーバードライブをしない場合、大きい四角印はドープした試料についてオーバードライブをした場合を示す。

代表例として印加電圧が２．２ボルト（Ｖｐ）であるときを比較する。
図１２から分るように、遅れ時間（ｔｄ）は、ナノ粒子をドープしていない場合は、オ
ーバードライブ駆動をしない時に１４．５ミリ秒であるのに対し、オーバードライブ駆動
をすると４ミリ秒になっている。そして、ナノ粒子をドープしている場合は、オーバード
ライブ駆動をしない時に１１ミリ秒であるのに対し、オーバードライブ駆動をすると１．
５ミリ秒になっている。しかし印加電圧が２．５ボルト（Ｖｐ）以上では、オーバードラ
イブ駆動をしても差は観測されなかった。従って、オーバードライブは中間調で大いにメ
リットがある。

立ち上がりの応答時間（ｔｒ）は、代表例として印加電圧が２．６ボルト（Ｖｐ）であるときを比較する。
図１３から分るように、ナノ粒子をドープしていない場合は、オーバードライブ駆動をしない時もオーバードライブ駆動をした時も６ミリ秒で差はない。そして、ナノ粒子をドープしている場合は、オーバードライブ駆動をしない時に３．５ミリ秒であるのに対し、オーバードライブ駆動をすると１．３ミリ秒になっている。

さらに本発明に係る液晶電気光学素子の駆動方法は、特にネマティック液晶においては
、ねじれネマティック液晶ディスプレイ（ＴＮ−ＬＣＤ）、スーパーねじれネマティック
液晶ディスプレイ（ＳＴＮ−ＬＣＤ）、ピクセル内分割を含む垂直配向液晶ディスプレイ
（ＭＶＡ−ＬＣＤ）、面内スィッチ（インプレーン・スィッチング）液晶ディスプレイ（
ＩＰＳ−ＬＣＤ）、光学補償型ベントモード液晶ディスプレイ（ＯＬＢ−ＬＣＤ）などの
今まで知られている全ての動作モードを適用することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は既述の実施の形態に何ら限定されず、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的思想の範囲内において、種々の変形及び変更が可能であることは当然である。

本発明に係る駆動方法が適用される液晶電気光学素子を作るための液晶電気光学素子材料に分散している超微粒子の概念図である。本発明に係る駆動方法が適用される液晶電気光学素子の概念的断面図である。液晶電気光学素子の一例について、矩形波を印加した時の相対的光透過率の周波数依存性および電圧依存性の測定例である。周波数変調式光透過率制御の測定例である。印加周波数を一定に保ち、印加電圧（横軸）を変化させたときの、光透過率の立ち上がりにおける遅れ時間（ｔｄ）を示す図である。印加周波数を一定に保ち、印加電圧（横軸）を変化させたときの、光透過率の立ち上がりにおける応答時間（ｔｒ）を示す図である。印加周波数を一定に保ち、印加電圧（横軸）を変化させたときの、光透過率の立ち下りにおける遅れ時間（ｔｄ）を示す図である。印加周波数を一定に保ち、印加電圧（横軸）を変化させたときの、光透過率の立ち下りにおける応答時間（ｔｒ）を示す図である。銀を０．１２重量％ドープした５ＣＢ（Ag/5CB/0.12%）について、交流方形波のバースト信号を印加して相対的光透過率を変化させる際に、オーバードライブ駆動をしない場合の透過率の変化の応答波形である。銀を０．１２重量％ドープした５ＣＢ（Ag/5CB/0.12%）について、交流方形波のバースト信号を印加して相対的光透過率を変化させる際に、オーバードライブ駆動をした場合の透過率の変化の応答波形である。オーバードライブ駆動をしているときの交流方形波の信号波形の拡大図である。銀を０．１２重量％ドープした５ＣＢ（Ag/5CB/0.12%）とドープしない５ＣＢについて、交流方形波のバースト信号を印加して相対的光透過率を変化させる際に、オーバードライブ駆動をしない場合とオーバードライブした場合の遅れ時間（ｔｄ）についての測定結果である。銀を０．１２重量％ドープした５ＣＢ（Ag/5CB/0.12%）とドープしない５ＣＢについて、交流方形波のバースト信号を印加して相対的光透過率を変化させる際に、オーバードライブ駆動をしない場合とオーバードライブした場合の応答時間（ｔｒ）についての測定結果である。

符号の説明

１超微粒子（液晶相溶性超微粒子）
２金属超微粒子
３液晶分子または有機分子
４保護層
１０基板
１１透明導電膜
１２配向膜
１３液晶電気光学素子材料
１４液晶層
１５封止部材

Claims

液晶層と、前記液晶層を中間に挟持する一対の基板と、前記基板の内面側に設けられた
導電膜と、前記液晶層の液晶分子を配向させるために前記導電膜の内面側に設けられた配
向膜を備え、前記基板の一方または両方が透明基板である液晶電気光学素子であって、前
記液晶層が、液晶母体と、その中に分散している直径３ｎｍ〜５０ｎｍの金属超微粒子か
らなる混合系である液晶電気光学素子の駆動方法において、上記基板の導電膜に印加する
信号がバースト波であり、その先頭部分に過大な電圧を印加するオーバードライブ駆動を
することを特徴とする、液晶電気光学素子の駆動方法。
上記液晶母体が、ネマティック液晶、スメクティック液晶、カイラルネマティック液晶
、カイラルスメクティック液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶のいずれかからなること
を特徴とする、請求項１記載の液晶電気光学素子の駆動方法。
上記金属超微粒子の濃度が、上記液晶母体に対して０．１ｗｔ％から０．３ｗｔ％であ
ることを特徴とする、請求項１記載の液晶電気光学素子の駆動方法。
上記液晶母体がネマティック液晶であり、ねじれネマティック液晶ディスプレイ（ＴＮ
−ＬＣＤ）、スーパーねじれネマティック液晶ディスプレイ（ＳＴＮ−ＬＣＤ）、ピクセ
ル内分割を含む垂直配向液晶ディスプレイ（ＭＶＡ−ＬＣＤ）、面内スィッチ液晶ディス
プレイ（ＩＰＳ−ＬＣＤ）、光学補償型ベントモード液晶ディスプレイ（ＯＬＢ−ＬＣＤ
）のいずれかの動作モードが適用されることを特徴とする、請求項１記載の液晶電気光学
素子の駆動方法。