JPH04184319A

JPH04184319A - 光学変調素子

Info

Publication number: JPH04184319A
Application number: JP31494990A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Fujiwara; 良治藤原; Tomoko Maruyama; 丸山　朋子; Shuzo Kaneko; 金子　修三
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1990-11-19
Publication date: 1992-07-01

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、階調表示を行なうための光学変調素子に関し
、特に少なくとも２つの安定状態を有する液晶、例えば
強誘電性液晶を用いた階調表示用液晶素子に関する。

〔従来の技術〕

従来のアクティブマトリクス駆動方式を用いた液晶テレ
ビジョンパネルでは、薄膜トランジスタ（Ｔ　Ｐ　Ｔ）
を画素毎のマトリクス配置し、ＴＰＴにゲートオンパル
スを印加してソースとドレイン間を導通状態とし、この
とき映像画像信号がソースから印加され、キャパシタに
蓄積され、この蓄積された画像信号に対応して液晶（例
えばツィステッド・ネマチツク二ＴＮ−液晶）が駆動し
、同時に映像信号の電圧を変調することによって階調表
示が行なわれている。

〔発明が解決しようとしている課題〕

しかしながら、この様なＴＮ液晶、あるいは５ＴＮ（ス
ーパーツィステッド・ネマチック）液晶を用いたアクテ
ィブマトリクス駆動方式のテレビジョンパネルでは応答
速度が数百ミリ秒と遅く今後展開の期待されるＥＤさら
にはＨＤ（ｈｉｇｈｖｉｓｉｏｎ）対応のテレビ駆動に
用いた場合、残像が残る等の欠点が生じるという問題点
がある。

一方双安定性を有する強誘電性液晶は、数百マイクロ秒
と応答速度が速いので強誘電性液晶をテレビの階調駆動
に用いる試みが最近なされはじめている。

その方式の一例として強誘電性液晶の電荷制御駆動があ
る。これは強誘電性液晶のドメイン反転面積（ａ）と注
入電荷量（ｑ）との間にＱ＝ｆ　　（ｐｍ、ａ）　　　
　　　　　　　　　　・・・■ｐｓ：強誘電性液晶の自
発分極なる相関があることを利用したもので、強誘電性液晶の
各面示ごとに反転面積に相当する電荷量を注入すること
で階調表示を行うというものである。

上記電荷制御駆動は、双安定強誘電性液晶を用いた階調
表示には非常に有効な手段であるが、同時にいくつかの
欠点を有する場合がある。

そのひとつに、電圧−透過率特性におけるヒステリシス
現象がある。以下その現象を説明する。

第６図（ａ）は、強誘電性液晶を用いてアクティブマト
リクス電荷制御駆動で階調表示を行う時の等価回路であ
る。図中Ｔｌｌ、ＴＩ２、Ｔ２＋％　Ｔ２２・・・はア
クティブマトリクス駆動のスイッチング素子に用いる薄
膜トランジスタ（Ｔ　Ｐ　Ｔ）を示している。Ｌ　Ｃ１
＋、ＬＣ，２、ＬＣ２，、ＬＣ２２・・・はそれぞれの
ＴＦＴ　　Ｔ＋＋、ＴＩ２、Ｔ２１、Ｔ２□・・・のド
レイン電極４．４′、４′、４″′・・・と対向電極８
とによって挟持された強誘電性液晶からなる画素である
。ＣＩ　ｌ、ＣＩ２、Ｃａｌ、Ｃａ２、・・・はゲート
線１ａ、ｌａ’　、・・・とドレイン電極４．４′、４
′、４″′、とによって形成される駆動信号電荷蓄積用
のコンデンサを示している。さて上記回路を用いて各画
素に第６図（ｂ）のような駆動波形で１周期１６．７ｍ
ｓ　（６０Ｈｚ）にリセットパルス１１と、各階調に応
じた書き込みパルスを印加すると第６図（ｃ）に示すよ
うな透過率を生ずる。このときの１３に示す透過率がほ
ぼ１２の書き込みパルスに対応する透過率である。

さてこの様な駆動波形で書き込みパルス１２に対する透
過率１３をプロットしたものが、上述した電圧−透過率
特性である。その−例を第６図（ｄ）に示す。図から明
らかなように、電圧昇圧時１４と降圧時１５との間で透
過率の異なるいわゆるヒステリシス現象が認められる。

上記ヒステリシス現象を定性的に説明したのが第６図（
ｅ）である。第６図（ｅ）の右図は第６図（ｄ）の１４
に相当している。即ち、黒ドメインを減少させる方向で
あり駆動の面から見ると、リセット後、白を書き込む必
要がある。一方策６図（ｅ）の左図は黒ドメインを増加
させる方向であり、駆動の面から見るとリセット後白を
書き込む必要がない。即ち、書き込みパルスについて見
た場合、前者（１４）は後者（１５）と比較して、より
大きな電圧を必要とすることになる。

以上述べたように、第６図（’ｂ）のような駆動法で電
荷制御方式により階調表示を行う場合、必然的に電圧−
透過率特性にヒステリシス現象が生じる。

上記の様なヒステリシス現象は、アクティブマトリクス
方式で階調表示を行う場合画素表示電圧が一義的に決め
られないため、印加信号が複雑になる、階調表示が不安
定になる、などの問題点の原因となっている。

〔目的〕

本発明の目的は、前述のような欠点を解消した光学変調
素子を提供することであり、詳しくは、電圧−透過率特
性におけるヒステリシス現象をなくし、単純な印加信号
で安定な階調表示を可能とする光学変調素子を提供する
ことである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、階調表示を行うアクティブマトリクス
光学変調素子において、光学変調物質に厚さ分布を持た
せることにより、電圧−透過率特性のヒステリシス現象
をなくしたものである。

〔実施例〕

以下本発明の光学変調物質に用いる強誘電性液晶を説明
した後、本発明の詳細な説明する。

本発明で用いうる光学変調物質としては、加えられる電
界に応じて第１の光学的安定状態（例えば明状態を形成
するものとする）と第２の光学的安定状態（例えば暗状
態を形成するものとする）を有する、すなわち電界に対
する少くとも２つの安定状態を有する物質、特にこのよ
うな性質を有する液晶が最適である。

本発明の光学変調素子で用いることができる少なくとも
２つの安定状態を有する液晶としては、強誘電性を有す
るカイラルスメクチック液晶が最も好ましく、そのうち
カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊）　、Ｈ相（Ｓｍ
Ｈ＊）　、Ｉ相（ＳｍＩ＊）、Ｆ相（ＳｍＦ＊）やＧ相
（ＳｍＧ＊）（７）液晶が適している。この強誘電性液
晶については、“ル・ジュルナール・ド・フイジイク・
レットル”（ＬＥ　　ＪＯＵＲＮ　　ＡＬ　　ＤＥ　　
ＰＨＹＳＩＱＵＥＬＥＴＴＲＥ”）第３６巻（Ｌ−６９
）１９７５年の「フェロエレクトリック・リキッド・ク
リスタルスＪ　　（ｒＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　　
ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓ’）：　　’アブライド
ーフイジイツクス・レターズ（“Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ’）第３６巻、第１１号、
１９８０年の［サブミクロ・セカンド・バイスティプル
・エレクトロオプティック・スイッチング・イン・リキ
ッド・クリスタルスＪ　　（ｒＳｕｂｍｉｃｒ。

５ｅｃｏｎｄ　　Ｂ１５ｔａｂｌｅ　　Ｅｌｅｃｔｒ。

−ｏｐｔｉｃ　　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　　ｉｎ　　Ｌｉ
ｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓ’）：固体物理上６（１４１
）１９８１　ｒ液晶」等に記載されており、本発明では
これらに開示された強誘電性液晶を用いることができる
。

より具体的には、本発明法に用いられる強誘電性液晶化
合物の例としては、デシロキシベンジリデン−Ｐ′−ア
ミノ−２−メチルブチルシンナメート（ＤＯＢＡＭＢＣ
）、ヘキシルオキシベンジリデン−Ｐ′−アミノ−２−
クロロプロピルシンナメート（ＨＯＢＡＣＰＣ）および
４−ｏ−（２−メチル）−ブチルレゾルリリデン−４′
−オクチルアニリン（ＭＢＲＡ８）等が挙げられる。

これらの材料を用いて、素子を構成する場合液晶化合物
が、ＳｍＣ＊、ＳｍＨ＊、ＳｍＩ＊、ＳｍＦ＊、ＳｍＧ
＊となるような温度状態に保持する為、必要に応じて素
子をヒーターが埋め込まれた銅ブロック等により支持す
ることができる。

第７図は、強誘電性液晶セルの例を模式的に描イタもノ
テある。１１と１１′は、ｌ−２０３、Ｓ　−０２やＩ
ＴＯ（インジウム−ティン−オキサイド）等の透明電極
がコートされた基盤（ガラス板）であり、その間に液晶
分子層１２がガラス面に垂直になるように配向したＳｍ
Ｃ＊相の液晶が封入されている。太線で示した線１３が
液晶分子を表わしており、この液晶分子１３は、その分
子に直交した方向に双極子モーメント（Ｐ工）１４を有
している。基盤１１と１１′上の電極間に一定の閾値以
上の電圧を印加すると、液晶分子１３のらせん構造がほ
どけ、双極子モーメント（Ｐ工）１４はすべて電界方向
に向くよう、液晶分子１３の配向方向を変えることがで
きる。液晶分子１３は細長い形状を有しており、その長
軸方向と短軸方向で屈折率異方性を示し、従って例えば
ガラス面の上下に互いにクロスニコルの位置関係に配置
した偏光子を置けば電圧印加極性によって光学特性が変
わる液晶光学変調素子となることは、容易に理解される
。さらに液晶セルの厚さを充分に薄くした場合（例えば
１μ）には、第８図に示すように電界を印加していない
状態でも液晶分子のらせん構造はほどけ（非らせん構造
）、その双極子モーメントＰ又はＰ′は上向き（２４）
又は下向き（２４’）のどちらかの配向状態をとる。こ
のようなセルに第２図に示す如く一定の閾値以上の極性
の異なる電界ＥまたはＥ′を付与すると、双極子モーメ
ント電界Ｅ又はＥ′の電界ベクトルに対応して上向き２
４又は下向き２４′と向きを変え、それに応じて液晶分
子は第１の安定状態２３（明状態）か或は第２の安定状
態２３′　（暗状態）の何れか一方に配向する。

この様な強誘電性液晶を光学変調素子として用いること
の利点は２つある。第１に応答速度が極めて速いこと、
第２に液晶分子の配向が双安定性を有することである。

第２の点を例えば第８図によって説明すると、電界Ｅを
印加すると液晶分子は第１の安定状態２３に配向するが
、この状態は電界を切ってもこの第１の安定状態２３が
維持され、又、逆向きの電界Ｅ′を印加すると、液晶分
子は第２の安定状態２３′に配向してその分子の向きを
変えるが、やはり電界を切ってもこの状態に保ち、それ
ぞれの安定状態でメモリー機能を有している。この様な
応答速度の速さと、双安定性が有効に実現されるには、
セルとしては出来るだけ薄い方が好ましく、−船釣には
０．５μｍ〜２０μｍ１特に１μｍ〜５μｍが適してい
る。この種の強誘電性液晶を用いたマトリクス電極構造
を有する液晶−電気光学装置は、例えばクラークとラガ
バルにより、米国特許第４，３６７．９２４号明細書で
提案されている。

次に本発明におけるアクティブマトリクス液晶光学変調
素子の詳細を実施例をもとに説明する。

〈実施例１〉第１図は本発明の１実施例である。第１図は本発明の光
学変調素子の１画素を示している。第１図において１．
１′は基板、３．３′はＴｉＯ２−３ｉＯｚ塗布膜から
なる絶縁膜、２．２′はＩＴＯ膜からなる透明導電膜、
４．４′はポリイミド膜をラビングしてなるＦＬＣ配向
膜、５は強誘電性液晶層、６はスペーサ、７はＴＰＴの
ゲート電極、８はＴＰＴのドレインソース電極である。

尚１．１′は１．１ｍｍ厚のホヤガラス製ＮＡ４０無ア
ルカリガラスであり、２．２′のＩＴＯ膜は、０□中の
反応性ＲＦイオンブレーティング法により１２００人形
成し、Ｔ　ｉ　Ｏ２Ｓ　ｉ　Ｏｚ塗布膜は空気中、２５
０℃焼成にて１２００人形成し、４．４′のＦＬＣ配向
膜は空気中３００℃焼成した後ラビング処理を施して２
００人形成した。また電極間距離の分布は、ＴＦＴ上に
５ｉ０２蒸着で６なるスペーサを形成することで作製し
た。

上記に示す強誘電性液晶セルに第２図（ａ）の如き信号
を１フレーム１６．７ｍ５ｅｃ　（６０Ｈｚ）で印加し
たところ最初全黒状態であった画素が第２図（Ａ）の如
く一部白状態となった。

第２図（ａ）において最初のマイナス７ｖは画素をリセ
ットして全黒にするリセットパルスであり、印加時間は
１０μｓ１その後の４００μｓはフローティング状態で
ある。なお第２図（ｂ）〜（ｄ）のリセット信号の条件
は同じである。第２図（ｂ）〜（ｄ）に示す如く、リセ
ット後の書き込み信号の電圧値を上昇させると、それに
対応して第２図（Ａ）〜（Ｄ）に示す如く、画素の白い
部分は次第に広がってゆき第２図（Ｄ）で全白状態とな
った。

次に信号を第２図（ｄ）から第２図（ａ）に変化させる
と、それに対応して画素は全白から徐々に具部分がまし
ていき、最終的に、書き込み電圧０ポルトで全黒となっ
た。

上記の状態をＶ−Ｔ　（書き込み電圧−透過率）曲線で
示したものが第３図である。第３図で示す如（、強誘電
性液晶の特徴であるＶ−Ｔカーブのヒステリシス現象は
ほとんど消失した。

このことは以下の様な理由により説明される。

即ち、画素へのある任意電圧の印加により電荷が注入さ
れるが、ドメイン反転面積が増加するにつれて貯えられ
た電荷が減っていき、残った電荷が作るポテンシャルと
強誘電性液晶の閾値電圧とが等しくなる条件においてド
メイン反転面積の増加が停止する。

閾値に分布をもつ本実施例の画素では、互いに同一の閾
値を持つ部分は画素内で線状に分布しているため、上記
のドメイン反転面積増加の停止条件は、初めに与えた電
荷量によって一意的に決定される、という理由により説
明される。

〈実施例２〉第４図は、本発明の他の実施例の構成図である。

尚説明の簡略化のためＴＰＴ部分は省略した。

第４図において、４１．４１′は基板、４２．４２′は
上下透明電極、４３．４３′は絶縁膜、４４．４４′は
ＦＬＣ配向膜、４５は強誘電性液晶層である。各層の形
成は、絶縁膜４３以外は〈実施例１〉と同様である。

本実施例における絶縁膜４３は、Ｔａ、Ｏ６を第５図の
真空蒸着装置で膜厚分布ができるように成膜した。第５
図（ａ）において５１は基板、５２はＴａｚｏｓペレッ
ト、５３はペルジャー、５４は電子銃である。基板５１
と蒸発源５２との位置を図のようにずらすことで第５図
（ｂ）に示したように基板上にグレーデイエンドのつい
たＴ　ａ　ｚｏｓ膜が形成された。

上記のようなグレーデイエンドのついたＴ　ａ　、Ｏ。

層を基板の片側に用いた強誘電性液晶セルを形成し〈実
施例１〉と同様に駆動したところ〈実施例１〉同様、ヒ
ステリシスのほとんどないＶ−Ｔ特性を得ることができ
た。

〈実施例３〉４および４′のＦＬＣ配向膜をＳｉＯの斜め蒸着で形成
した以外は〈実施例１〉と同様にセル化を行った後、同
様の駆動を行ったところ〈実施例１〕同様ヒステリシス
の少ないＶ−Ｔ特性を得ることができた。

〈実施例４〉〈実施例２〉において４４．４４′のＦＬＣ配向膜をＳ
ｉＯ斜め蒸着で形成し、セル化を行った後、同様の駆動
を行ったところ〈実施例２〉同様ヒステリシスの少ない
Ｖ−Ｔ特性を得ることができた。

〈実施例５〉〈実施例１〉において、透明電極層２以外は、〈実施例
１〉と同様の条件で各層を形成し、透明電極層２のみ第
５図と同様に基板内で膜厚分布を持たせる方式の０２ガ
スを用いた反応性ＲＦビイオンブレーティング法て膜を
形成後セル化を行ない〈実施例１〉と同様の駆動を行っ
たところヒステリシスの少ないＶ−Ｔ特性を得ることが
できた。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、アクティブマトリ
クス駆動の中間調表示光学変調素子において、特に強誘
電性液晶を用いた中間調表示光学変調素子において、画
素内の電極間距離に分布を持たせることにより、強誘電
性液晶を用いた中間調表示特有のＶ−Ｔ特性のヒステリ
シス現象をおさえる効果があり、印加信号の単純化、安
定な階調表示を可能とする光学変調素子を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の光変調素子の構成図、第２図は本発明
の光変調素子の駆動波形と画素の表示状態を示す図、第３図は本発明の光変調素子のＶ−Ｔ特性を示す図、第４図は本発明の光変調素子の他の形態を示す構成図、第５図は本発明において用いる真空蒸着装置の模式図、第６図（ａ）はアクティブマトリクス液晶素子の等価回
路を示す模式図、第６図（ｂ）、（Ｃ）はアクティブマトリクス液晶素子
の駆動波形と光学応答を示す模式図、第６図（ｄ）、（
ｅ）はアクティブマトリクス液晶素子のヒステリシス現
象を示す模式図、第７図および第８図は強誘電性液晶セ
ルの模式第２図（（Ｄ　　　　　　　　　　　　　　　（Ａ）Ｖ　（ｖ
５１ｔ）（σ）ＴＯＰＩＪ前Ｐ、（ａ）　　第６図（ｂ）第６図書さ入れ電圧（Ｖ）（ｅ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光学変調物質と該光学変調物質を挟持し且つ互い
に対向する一対の電極と絶縁層と配向層からなる画素を
マトリクス状に配置し該画素ごとに設けたスイッチング
素子と該画素ごとに電圧を印加する手段を有してなる階
調表示を行うアクティブマトリクス光学変調素子におい
て、該画素内で該光学変調物質が厚さ分布を持つことを
特徴とする光学変調素子。
（２）該絶縁層に層厚分布を持たせることによって該光
学変調物質に厚さ分布を持たせることを特徴とする請求
項（１）に記載の光学変調素子。
（３）該配向膜の膜厚に分布を持たせることによって該
光学変調物質に厚さ分布を持たせることを特徴とする請
求項（１）または（２）のいずれか１項に記載の光学変
調素子。
（４）該電極の厚さに分布を持たせることによって該光
学変調物質に厚さ分布を持たせることを特徴とする請求
項（１）に記載の光学変調素子。
（５）該光学変調物質が強誘電性液晶であることを特徴
とする請求項（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の
光学変調素子。
（６）該強誘電性液晶がカイラルスメクチツク液晶であ
ることを特徴とする請求項（５）に記載の光学変調素子
。