JPH03242624A - 液晶ライトバルブ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高速応答でかつ無限階調が可能な液晶ライト
バルブ装置に関し、特に液晶テレビやアナログ液晶シャ
ッターアレーに通用可能なものに関する。

［従来技術および発明が解決しようとする課題］液晶テ
レビに関する技術では、従来、薄膜トランジスタ（以下
、ＴＰＴと略す）とツィステッドネマチック（以下、Ｔ
Ｎと略す）方式を組合せたＴＰＴ／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倍信号のマツチング
性か良く、全温度範囲にて、３０Ｈｚ又は６０Ｈｚ駆動
が可能である、 ■駆動電圧に対する液晶セルの透過率特性（■−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、 という利点を有することが挙げられる。

一方、ＴＮ方式の応答速度、特に立上り速度上〇につい
ては次の関係がある。

ここで、△ε：誘電率異方性、ｖ０．・印加電圧η：粘
性係数　　、Ｖｔｈ：閾値電圧 したがって、立上り速度ｔ。Ｎは、印加電圧Ｖ。Ｐ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。例えば、低
粘性液晶組成物であるＺＬＩ−１９５７１５（Ｅ、メル
ク社製）のケースを表１に示す。

表１．ＴＮ方式応答速度の例 特にテレビの場合、本来ならば１フレーム３３ｍ５又は
１７ｍ５以内で所望の画像が出ることが要求されるが、
表１で示されるように、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
るいは色再限の追随性が悪くなることなどが視感上問題
となっていた。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程度のレベルが現実上、応答
速度の下限であると思われるため、ＴＦＴ／ＴＮ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
。

一方、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Ｔ
ＰＴ駆動したものもいくつか試作発表されている。しか
しながら、前者は高周波駆動と低周波駆動間の切替えで
、また後者はＦＬＣの２つの安定状態のみを使って、オ
ン・オフさせているために、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ア夜晶シャッ
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。

他方、ＴＦＴ／ＦＬＣの組合せによって中間調を得る試
みとして、フィリップス（Ｐｈ１ｌｉｐｓ）社によって
提案された、画素電極へ注入する電荷量をコントロール
することによりドメイン反転する面積を変化させるとい
うドメイン変調方式がある（特開昭６３−２４９８９７
）。しかし、この方式では双安定ＦＬＣを使用している
ため、必ず黒リセット処置が必須であり、特にテレビ駆
動の場合、イ８号処理が繁雑になるという点や、微少画
素になった時、白に反転した最少ドメインサイズの大き
さによって使える階調レベルが決まってしまうという欠
点を有していた。

さらにＴＦＴ／ＦＬＣ方式による別な試みとして、ら旋
ピッチを持ったＦＬＣを用い、ら旋を巻いた散乱状態と
電圧印加による透明状態をスイッチングさせるという方
式も提案されている（Ｐ１７４、Ｊａｐａｎ　Ｄｉｓｐ
ｌａｙ　’８９　（１９８９））　。しかしこの方７去
も、ら旋を巻く時とほどく時の電圧が異なるために、Ｖ
−Ｔ特性にヒステリシスか生しるという欠点が存在し、
将来のＥＤ−ＴＶ又はＨＤ−ＴＶに使用するには原理上
問題があると考えられている。

よって以上の背景から本発明の目的は、中間調を示す様
な小さな駆動電圧であってもテレビ放送のレートでも十
分な応答速度、例えば数ｍ５ｅｃ以下を達成するととも
に、完璧な無限階調を達成した新規な液晶ライトバルブ
装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため本発明の液晶ライトバルブ装置
は、対向する一組の基板、この基板間に配置され電圧無
印加時の配向の安定状態が１状態のみであるように配向
された強誘電性液晶素子、少なくとも一方の基板に配置
され強誘電性液晶素子に画素ごとに電圧を印加して駆動
するためのアクティブ素子、および、このアクティブ素
子を通して強誘電性イ夜晶素子に電圧を印加する手段を
備えている。

そして、前記電圧印加手段により、強誘電性液晶の分子
軸方向を、アクティブ素子からの電圧の大きさに応じて
一義的に変化させ、偏光子を介して、任意の中間調表示
を行なうようにしている。

強誘電性液晶の電圧無印加時の安定な配向状態は、例え
ばユニホーム配向である。このような配向状態は、通常
、強誘電性液晶に対する配向処理方法を対向基板間で異
ならせることによって実現される。

強誘電性液晶の組成物の冷却過程での相系列は、例えば （等方性液体）　　（コレステリック）　　　（カイラ
ルスメクチック　Ｃ）Ｉｓｏ　　　−＋　　Ｃｈ　　　
−ｅ　　　Ｓｃ＊のようである。

強誘電性液晶の安定な配向状態の他の例としては、ツイ
スト配向が上げられる。

強誘電性液晶と偏光子との関係は、例えば、その安定な
配向状態において画素が黒になるような関係である。

アクティブ素子としては例えば、薄膜トランジスタを用
いることができる。

電圧印加手段は、例えば、接地電位と正又は負いずれか
一方の電位を用いて強誘電性液晶を駆動する。そして、
例えば薄膜トランジスタが低インピーダンスになってい
る時間内の一部の期間は、情報信号電圧が接地電位にな
り、あるいは極性が変化する。

［作用］ 本来、クラーク及びラガウオールらによって提案された
表面安定化ＦＬＣ素子（ＳＳＦＬＣ素子と略す、特開昭
５６−１０７２１６又はＵＳＰ４．３６７．９２４参照
）は安定な配向状態が２状態ある双安定なＦＬＣ素子で
ある。そして、この双安定ＦＬＣセルでは電圧印加によ
って反対の状態に反転してしまうために、中間段階での
表示は前述のフィリップス社の例の様なドメイン階調方
式を除いて不可能であった。

しかしながら、本発明者は、例えば上下基板を非対称な
配向処理を施すことによって単安定モノドメインＦＬＣ
セルが得られ、そして、このセルに自発分極のグイボー
ルが反転する様にＤＣ電圧をかけると、その電圧によっ
て分子軸が一定の位置まで回転するという現象を発見し
た。これによれば、分子軸の回転の過程でドメインの反
転は全く起こらないため、完全な中間調を得る事が可能
である。ただし、単安定ては書込みパルスが終るとすぐ
に元の状態に戻ってしまうため、そのままでは実際のパ
ネルで絵を出す事は不可能であるため、例えば薄膜トラ
ンジスタ（ＴＰＴ）の様なアクティブ型スイッチング素
子と組合せることによって、ある時間適当なりＣ電界を
創生じ、所望の画像が得られる。

すなわち、本発明は安定な配向状態が１つしか存在しな
い強誘電性液晶素子（以下、これを単安定ＦＬＣ素子と
いう）に、所定の電圧が印加されるとＦＬＣ分子の分子
軸が第４図に示す如くその電圧に応して変化し、電圧が
除去されると、自らの配向力によって元の安定状態に戻
るという新しい原理に基づいている。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第１図は、本発明の一実施例に係る液晶ライトバルブ装
置の液晶セルの断面図である。この液晶セルにおいては
、透明導電［１１を備えた液晶用ガラス基板１０に、上
下電極間のショート防止のために６００人の厚さの五酸
化タンタル（Ｔａ。

Ｏｓ）膜１２がＲＦスパッタ法で形成され、更にポリイ
ミド（例えば日産化学■製５Ｅ−１００（商品名））を
厚さが約５０人となるようにスピンナー塗布し、焼成す
ることにより配向膜１３が形成されている。配向ＷＡ１
３には、焼成後、常法に従いラビング処理を施しである
。

他方の基板２２上には、ゲートｉｉＥ極１７、ゲート絶
縁膜１８、ソース電ｆ！２０．　　トレイン電極２１及
びａ−Ｓｉ半導体層１９より成る薄膜トランジスタと、
これに接続された表示用電極１６が配置されている。そ
してこの上に、トランジスタ部のチャネル保護の目的で
五酸化タンタル膜１５を配し、更にこの上にポリイミド
（日立化成■ＬＱ−１８０２）を厚さが約５０人となる
ようにスピンナーにて塗布し、焼成することによって液
晶用配向膜１４を形成しである。液晶用配向膜１４には
、焼成後、常法にてラビング処理を施しである。セルギ
ャップは粒径的１．７μｍのスペーサー２３を配して保
持している。

第２図は、この液晶セル（表示パネル）２５を用いた本
実施例の液晶ライトバルブ装置の平面図である。ここで
、３１〜Ｓｏは映像信号サンプルホールド回路２６から
のソース線、Ｇ、−Ｇｎは垂直走査回路２７からのゲー
ト線である。

液晶セル２５には、Ｅ、Ｍｅｒｃｋ社製強誘電性液晶Ｚ
ＬＩ−４１３９を、アイソトロピック（ｌ５ｏｔｒｏｐ
ｉｃ）を示す温度で真空注入し、約１時間かけて室温に
戻すことにより配置しである。

この液晶の物性値は以下の通りである（カタログより）
。

Ｐｓ　　（２０℃）＝　１　３．　８　　（ｎＣ／ａｍ
２　）このように配置された液晶の配向性は良く、ＴＰ
Ｔを持たないテストセルでの特性は、完全に単安定であ
ることか確認されている。つまり、第３図に示すように
、単発のパルス電圧３１の印加に対し、光学応答３２は
十分に明るくなるが、パルスが終るとまた元の状態に戻
る。

第４図は、この装置における駆動波形の一例を示す。こ
の例ではゲートパルスＶ。がオンしている間に、情報信
号Ｖ。ｐがＴＰＴを通してセルに充電される。この電圧
は液晶層の抵抗などによってデイケイ（ｄｅｃａｙ）す
るが、これに応じて液晶分子軸が動いて光が透過し、そ
して情報信号Ｖ０．がＯボルトになると再び光は閉ざさ
れる。

第５図は、電圧をかけない安定な配向状態におけるＦＬ
Ｃと偏光子との関係を示す説明図である。偏光子Ｐと検
光子Ａの偏光軸をそれぞれ直交させ、かつ安定状態の分
子方向と偏光子Ｐの方向とを一致させると、電圧なし又
は負の時に黒状態が得られる。次に正電圧をかけると、
その電圧に応じて破線で示す任意の位置まで液晶分子が
スムーズに動き、偏光子Ｐとの複屈折を生して光が透過
する。この時の印加電圧と透過率との関係を第６図に示
す。この時の駆動条件は、第４図のゲートパルスＶ６の
幅が３０μｓ。繰り返し周波数が６０Ｈｚである。

第６図のように中間的な透過率を示す範囲においても、
いかなるドメインの反転も起こっておらず、完全な中間
調が得られることがわかる。また印加電圧をゼロにする
と、元々の配向状態が単安定のため数ミリ秒以下の時間
で安定状態である黒に戻ってしまう。また、複屈折セル
での絶対透過率Ｔは次式で与えられる。

Ｔ＝ｓｉｎ２２θ　、　、　ｎ２　（Ａｎ　Ｈｄ　２）
ここで、θ：開き角（第５図番） 、’、Ｔ４ｓ　　ｊ　　ｎ’　　２　θ第６図に示した
、本実施例での最大透過率を得た点での開き角θは３６
°であったので、液晶部分ての絶対透過率Ｔは下式より
約９０％であることがわかる。

Ｔ′＝ｓｉｎ２　（２ｘ３６°）＝０．９０５また、黒
状態は負の電圧印加によっても開き角がよりマイナス側
に広がらない。この様な配向状態をユニホーム配向と呼
んでいる。

また、立上りおよび立下りに要する時間はそれぞれ２ｍ
Ｓおよび１ｍＳ程度であり、これは、ＥＤ−ＴＶ使用の
６０Ｈｚノンインターレース駆動の１フレーム、１６．
７ｍＳにも十分追随している値である。

実施例２ 実施例１と同様のセル構成で、他の液晶配向処理を施し
た例を示す。

第１図で示したパッシベーション膜１４及び■ＴＯ膜１
膜上１上リビニルアルコール系配向ｇＲ−２１０５（ク
ラレ■製）を全面にスピンナーコートし、約２００℃で
１．５時間焼成した後、常７去に従ってラビング処理を
施し、直径１．５μｍのスペーサを配置し、液晶セルを
作成した。この時のラビング方向は反平行である。

これに、第１０図に示すような構造式の化合物などから
成るＦＬＣ組成物を注入したところ、実施例１と同様、
−軸性は良いが完全な単安定モノドメインを得ることが
できた。

ただし本例では、安定な配向状態はツイスト配向であり
、偏光子を第５図と同様に配置した時、負電圧を印加す
るとより反時計方向に分子が移動する。それを除いて他
の緒特性は実施例１と同様に、ＤＣ電界で黒ツイスト状
態から白状態まで連続的に変化することがわかった。ま
た最大の開き角は３４°であるため、液晶部分の絶対透
過率Ｔ′は約８６％である。

ゑ」り艷１ 本発明の液晶ライトバルブ装置を液晶シャッターアレー
に応用した例を述べる。

実施例１に述べたのと同様なセル構造を有する擬似シャ
ッターアレーに、第７図に示す駆動波形を印加した。第
４図に示す駆動波形との違いは、ゲートパルス電圧ＶＧ
がオンしている間に情報信号Ｖ。ＰがゼロからＶＯＰに
変化している。このことによって、選択期間の最初にセ
ル電位ＶＬＣがゼロになるために、単安定配向によって
液晶の分子軸は元に戻される。

ここに示した方法によって得られた結果を第８図に示す
。駆動条件は、ゲートパルス電圧Ｖ。のパルス幅が１０
０μｓ、繰り返し周波数が３ｋＨ２１ｖｏＰが＋１０ｖ
である。

これによって第８図に示す如く、シャッタ一応答時間が
約１００μＳ、１ｄｏｔのアクセス時間が約３５０μｓ
の性能が十分可能であることがわかる。更にＶ。Ｐの値
を変えることによって、実施例１で述べたのと同様、透
過率を自由に変えることができ、中間調出力が可能であ
る。

一方、この時の駆動波形はＧＮＤとプラス側電圧のみし
か使用していないために、駆動電源が２値で良かったり
、駆動回路が単純になるという利点が生ずる。

しかし、第９図に示すように、ケートパルス電圧ＶＧが
オンしている間に情報信号ＶＯＰを負側にしてから、＋
ＶＯＰを印加しても良い。これによって、前述の電源や
駆動回路は多少複雑になるが、セル電圧ＶＬＣは１選択
期間の最期でよりマイナスに振られるために、単安定配
向と相まって、分子が戻る速さがより速くなるという利
点も生まれ、結果としてシャッターの処理スピードをア
ップする効果が生まれる。

しかしここで指摘したいのは、特開昭６３−２４９８９
７号公報においても１選択期間の前にリセット信号を入
れることが開示されているか、その場合、゛極端な透過
状態が達成される”のを条件としている。これに対し、
本願は本来車安定であるために第９図で示したリセット
信号は、単に分子が戻るのを速める効果を持つだけで、
°゛極端透過状態”は必要としない。

以上の実施例１〜３によるアクティブマトリックス型単
安定ＦＬＣと、従来主流のＴＰＴ／ＴＮ型液晶表示素子
との比較結果を第２表に示す。

第２表 ［発明の効果］ 以上説明したように本発明による新液具ライトバルブは
、液晶テレビに応用した場合、既存のＴＦ　Ｔ／Ｔ　Ｎ
方式の諸性能を満足するばかりではなく、本来のテレビ
が要求している１フレ一ム時間内の応答速度を十分に満
足する数ミリ秒以内の応答速度を得ることができる。こ
のため、従来の液晶テレビが苦手としていた変化の激し
い画面に対する追随性が良くなり、画面イメージがシャ
ープになったり、同様の理由で画像の輪郭がより明確に
なるため、ＣＲＴに匹敵するデイスプレィとして十分に
利用可能である。

更に本発明による液晶ライトバルブを用いて液晶シャッ
ターアレーを構成した場合、応答速度が速いためにプリ
ンターの処理枚数を増やすことができ、また完全なアナ
ログ出力ができるために階調情報を出力することができ
るなどの効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る液晶ライトバルブ装
置に用いられる液晶セルの断面図、第２図は、第１図の
液晶セルを用いた本発明の一実施例に係る液晶ライトバ
ルブ装置の平面図、第３図は、第１図の液晶セルにおけ
る場合のように単安定配向の場合の単発電圧パルスに対
する光学応答性を示すグラフ、 第４図は、第２図の装置における駆動波形の一例を示す
タイミングチャート、 第５図は、電圧をかけない安定な配向状態および電圧を
かけた状態におけるＦＬＣと偏光子との関係を示す説明
図、 第６図は、第５図の配向状態における印加電圧と透過率
との関係を示すグラフ、 第７図は、本発明の第３実施例における駆動波形を示す
タイミングチャート、 第８図は、第７図の駆動波形による光学応答性を示すグ
ラフ、 ′ｔＳ９図は、第３実施例における他の駆動波形例を示
すタイミングチャート、そして 第１０図は、第１図の液晶セルに用いうるＦＬＣ組成物
の構造図である。 １０．１８ニガラス、１１：透明電極、１２゜１３ニア
夜晶用配向膜、２１：ゲート電極、１６：ケート絶縁膜
、２０：ソース電極、１９：ａ−３ｉ半導体層、２２ニ
ドレイン電極、１５：画素電極、１７：補助容量用電極
、１４：パッシベーション膜、２３ニスペーサ−ビーズ
、２４：液晶層。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向する一組の基板、この基板間に配置され電圧
   無印加時の配向の安定状態が１状態のみであるように配
   向された強誘電性液晶素子、少なくとも一方の基板に配
   置され強誘電性液晶素子に画素ごとに電圧を印加して駆
   動するためのアクティブ素子、および、このアクティブ
   素子を通して強誘電性液晶素子に電圧を印加する手段を
   備えたアクティブマトリックス型液晶ライトバルブ装置
   。
2. （２）前記電圧印加手段により、強誘電性液晶の分子軸
   方向を、アクティブ素子からの電圧の大きさに応じて一
   義的に変化させ、偏光子を介して、任意の中間調表示を
   行なう請求項１記載の液晶ライトバルブ装置。
3. （３）強誘電性液晶の電圧無印加時の安定な配向状態が
   、ユニホーム配向であることを特徴とする請求項１記載
   の液晶ライトバルブ装置。
4. （４）強誘電性液晶に対する配向処理方法が、対向基板
   間で異なることを特徴とする請求項１〜３記載の液晶ラ
   イトバルブ装置。
5. （５）強誘電性液晶の組成物の冷却過程での相系列が、 （等方性液体）（コレステリック）（カイラルスメクチ
   ックＣ）Ｉｓｏ→Ｃｈ→Ｓｃ＊ であることを特徴とする請求項４記載の液晶ライトバル
   ブ装置。
6. （６）強誘電性液晶の安定な配向状態が、ツイスト配向
   であることを特徴とする請求項１記載の液晶ライトバル
   ブ装置。
7. （７）強誘電性液晶と偏光子との関係が、その安定な配
   向状態において画素が黒になるような関係であることを
   特徴とする請求項１記載の液晶ライトバルブ装置。
8. （８）アクティブ素子は、薄膜トランジスタであること
   を特徴とする請求項１記載の液晶ライトバルブ装置。
9. （９）電圧印加手段は、接地電位と正又は負いずれか一
   方の電位を用いて強誘電性液晶を駆動することを特徴と
   する請求項７記載の液晶ライトバルブ装置。
10. （１０）薄膜トランジスタが低インピーダンスになって
    いる時間内の一部の期間は、情報信号電圧が接地電位に
    なっていることを特徴とする請求項８記載の液晶ライト
    バルブ装置。
11. （１１）薄膜トランジスタが低インピーダンスになって
    いる時間内の一部の期間内に、情報信号電圧の極性が変
    化することを特徴とする請求項８項記載の液晶ライトバ
    ルブ装置。