JPH0434417A - 強誘電性液晶電気光学素子とその駆動方法 - 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、強誘電性液晶を用いた電気光学装置に関する
。

〔従来の技術〕

液晶は、色々のデイスプレィに使われており、消費電力
が少ない等の優れた特性により、時計や計算機の表示、
さらには、テレビに代わる情報表示に使われてきている
。これらの表示に用いられている液晶は層を持たないネ
マチ・ツク液晶である。層を持つものをスメクチ・ツク
液晶と呼ぶ。

液晶を用いた電気光学素子は、液晶を挟持する基板に薄
膜トランジスタ等の能動素子を備えたアクティブマトリ
クス型と、これらを持たず単に電極のみ、の基板を用い
た単純マトリクス型がある。

アクティブマトリクス液晶電気光学素子は製造工程が複
雑で長いため、歩どまりが悪い欠点がある。一方単純マ
トリクス液晶電気光学素子は製造工程は単純であるが、
コントラストがとれない。

応答が遅く残像が出来るという問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

単純マトリクス型は、コントラストが低下するなめに、
多分割駆動が出来ず中間調表示が難しい。アクティブマ
トリクス型は中間調表示は比較的容易だが、製造工程数
が多いので歩留りが悪くなる問題を持つ。

本発明の目的は、製造歩留りの良い単純マドリスク型で
簡単に中間調表示を実現することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の強誘電性液晶電気光学素子は、２枚の偏光板と
、これら偏光板の間にあって走査信号に基づいて順次同
期的に選択される走査電極群と、この走査電極に対向し
情報信号に基づいて選択される信号電極群と、これらの
電極間に配置された配向膜及び強誘電性液晶とを少くと
も有し、強誘電性液晶の配向状態を反転させ得るような
反転電圧を印加したとき、強誘電性液晶の分子配列が変
化することによって生ずる光学的変化を利用する電気光
学液晶素子であって、前記強誘電性液晶かただ一つの安
定状態を持ち、その安定状態における液晶の配向方位が
おおよそ一軸配向処理方向であることを特徴としている
。

また、前記素子の駆動方法は、前記反転電圧のパルス幅
を変調して印加し、非選択走査電極上の画素には、強誘
電性液晶の配向状態を反転させないような交流電圧を印
加して中間調を出す事を特徴とする方法である。

〔発明の原理と作用〕

本発明に用いる液晶は強誘電性液晶である。液晶分子が
不斉炭素を持ちラセミ体でなければ、液晶相は捻れ構造
をとるようになる。不斉炭素を導入すると、ＳｍＣ相（
スメクチック液晶が持つ相の−って分子が層に対して傾
いていることを特徴とする、液晶層）は螺旋構造を持つ
カイラルスメクチックＣ（ＳｍＣ”　）相となる。そこ
で強誘電性液晶を以下ＳｍＣ”液晶と呼ぶ。

一般にＳｍＣ”液晶は、螺旋構造をとるだけでなく、分
子に垂直な方向に電気双極子モーメントを持つという特
徴を持つ。強誘電性液晶は、１９７５年にＭ　ｅ　ｙ　
ｅ　ｒ　（Ｊ、ｄｅｐｈｙｓ、３６．１９７５．６９）
らにより合成されその存在が証明された。そのとき合成
された液晶は通称ＤＯＢＡＭＢＣ（２−メチルブチルＰ
−（（Ｐ−ｎ−デシルオキシベンジリデン）アミノ）２
−メチルブチル　シンナメート）と呼ばれ、現在でも強
誘電性液晶の研究に盛んに使われている。

ＳｍＣ’″の分子配列は、第２図のように模式的に示す
ことが出来る。分子軸２は、層の法線方向と角度θ（第
２図（ｂ））だけ傾き、この角度はどの層でも一定であ
る。しかし方位角φ（第２図（Ｃ））は層により少しず
つ変化し、分子配向は、第２図（ａ）に示すように、螺
旋構造を生じている。この螺旋のピッチは、液晶によっ
て異なるが通常数μｍ程度が多い。

ＳｍＣ”液晶を、２μｍ程度の薄いセルに注入すると、
螺旋構造か消失し、セル基板に層か垂直になったＳｍＣ
相の構造をとるようになる。ＳｍＣ″液晶は、第２図（
ａ＞に示すように、分子軸２に垂直な電気双極子モーメ
ント１を持つので、薄いセルのなかでは層に平行に電気
双極子モーメントが揃うことになる。ここに、電場を上
向き、下向きに印加すると、分子は層の法線に対して、
±θ傾いた位置をとる。複屈折性を利用すれは±θの２
つの状態を明暗に対応させ、デイスプレィなどの電気光
学素子として使うことができる。

第３図に、２枚の偏光板を用いたＳｍＣ”液晶の電気光
学素子の模式図を示す。この駆動原理は、Ｃ１ａｒｋと
Ｌ　ａ　ｇ　ｅ　ｒ　ｗ　ａ　１１　＜Ａｐｐｌ、Ｐｈ
ｙｓ。

Ｌｅｔｔ、３６．８９９．１９８０）により発表された
。これは表面安定化モード呼ばれる。彼らは、この駆動
原理は次のような特徴をもつ。すなわち、μ秒オーダの
高速応答、メモリー性、望ましい閾値特性である。これ
らの特徴のうち高速応答は、我々の観測におい、ても、
μ秒のオーダの応答を得ている。また、電場を印加して
±θいずれかの状態にした後、電場を切ってもその状態
を維持するメモリー性は、若干緩和は起こるが存在して
いる。この緩和は高電圧の交流電界を印加することで小
さくすることが可能である。また配向処理条件によって
も異なっていることが分かった。しかしながら望ましい
閾値特性は、我々の観測では得られなかった。我々のデ
ータによると、閾値電圧が５００ｍＶで反転パルス電圧
（±θ傾いた位置を分子に取らせるなめ必要な電圧）が
５ｖの値を得た。ネマチック液晶等の駆動に用いられる
電界平均化法等では、反転パルス電圧５■の電圧が選択
点にかかり、非選択点には５００ｍＶ以下の電圧が加わ
るように、時分割駆動する単純マトリクス駆動法は不可
能である。

本発明の目的は、ＳｍＣ”を利用し、中間調を実現する
新しい時分割駆動の作用と原理を示し、ネマチック液晶
では実現できない範囲の多分割駆動を実現することにあ
る。その基本は単安定状態の実現と反転パルス電圧のパ
ルス幅を変調する事と非選択点に適当な交流を印加し、
望む中間的な配向状態を保持することである。

以下これについて詳しく述べる。

第４図は、ＳｍＣ”を利用した液晶電気光学素子の断面
図を示す。電極６．配向膜７が形成された２枚の基板５
で液晶８を挟持し、さらに基板表面に偏光板１０を備え
た構になっている。この液晶電気光学素子は、ネマチッ
ク液晶の電気光学素子構造と比較して、基板間のギャッ
プは、２μｍ程度であり、極めて薄い（４μｍ以下）。

また、２枚の偏光板１０は、第３図のように、±θどち
らかの状態にある分子の分子軸方向と偏光方向を一致さ
せ、もう−枚は同様に分子軸方向におくか、また９０度
傾けて配置する。このパネルに、充分高い直流電圧を加
え、分子を±θどちらかにした後、交流を液晶に印加し
た場合、光学的透過率の変化は、第５図の様になる。

第５図からも明らかなように、交流すを印加すると光学
的透過率ａは振動しながら中間状態に収束している。

第１図に示したように反転パルス電圧のパルス幅τが広
いと光学的透過率の変化が少ない傾向にある。言い替え
れば、第１図（ｂ）と（ｄ）のように、反転パルス電圧
のパルス幅が異ると、第１図（ａ）、（ｃ）に示すよう
に、透過率の収束する先の中間状態のレベルが変化する
６本発明は、パルス幅を制御した反転パルス電圧によっ
て強誘電性液晶分子の安定状態を反転させ、その後交流
電圧を印加することにより、液晶分子はあたかも０度（
すなわち、ラビング処置などによる配向処理方向）から
±θの間で停止し５たようになる。これを利用して、中
間調を実現する表示を行うとするものである。これが本
発明の駆動原理である。

〔実施例〕

実施例で用いた液晶電気光学素子は、第４図に示すよう
に、偏光板と走査信号に基づいた走査電極群と、この走
査電極群に対向し情報信号に基づいて選択される信号電
極群とこれらの電極間に配置された配向膜と強誘電性液
晶からなる。

ラビング配向処理を行ったＰＶＡ　（ポリビニールアル
コール）膜を反平行にして配向膜としたパネルを用いて
みると、ラビング処置を強くした場合、ラビング軸方向
への液晶分子の配向力を大きくすることにより、表示状
態を０度（すなわちラビング軸方向）に近付ける事がで
きる。この状態がラビング軸方向に近い単一安定配向状
態である。

本発明では、単一安定配向状態を用いているため、単に
電界を切るだけだと±θから０度に戻ってしまうため、
デイスプレィ等への応用に問題かある。そこで、反転電
圧の後に以下で述べる適当な交流電圧を用いて中間状態
を保持している。

交流電圧で単一配向状態に戻そうとする配向力に打ち勝
って中間状態を保持させるためには、大きな誘電率異方
性（△ε〈−２）をもつ液晶材か必要であった。

液晶に印加される駆動波形の実施例は第６図（ａ）、（
ｂ）のようになる。これらの波形のうち選択された走査
電極上の画素のうち点灯（消灯か点灯は偏光板の偏光方
向によって異なるが、応ここては点灯する状態が第６図
（ａ）によって得られるとする。）する画素に第６図（
ａ）の波形が印加される。このとき液晶分子の動きは、
高い電圧■ａｐが印加された時、第３図のａまたはａ′
の位置か、その位置に近い位置まで動き、その後、正負
の振幅の等しい交流電圧（１／３Ｖ、ｐ＞で、ｂまたは
ｂ′の位置で振動する。交流電圧については次のように
考えて決定している。

すなわち、上記のように強誘電性液晶を反転させ得る電
圧を印加した後に印加する交流電圧の周波数を高く、か
つ振幅を低くすればその液晶分子の状態を安定に維持す
ることが出来る。用いる液晶材の種類、表示の種類（例
えば、固定表示か動画表示か）の違いによって表示状態
が悪くならないような範囲で駆動周波数と反転電圧Ｖ。

（従って交流電圧１／３Ｖ、、も決定される）を設定す
れば良い。この実施例で用いたのはＴＴＬであり、■３
、が２０Ｖの駆動電圧で駆動した。このようにして、望
ましい閾値特性を持っていない場合においてもこの駆動
法により、白黒表示が実現される。

この駆動法を交流安定化駆動と呼んでいる。ただし、中
間調はまた実現できない。

上記の例では非選択時に、±１／３Ｖａｐの電圧が加わ
るように考慮されている事になる。このような駆動波形
を液晶に与えるためには、第７図および第８図で示すよ
うな駆動信号を与えている。

また、図中、サフィックスρ、ｄは、点灯および、非点
灯く偏光板の向きにより、ネガおよび、ポジどちらでも
可）に対応した記号である。実際の駆動では、点灯の走
査と非点灯の走査を交互に繰り返して表示し、第７図お
よび第８図のどちらの波形を利用してもよい。ここで、
φＹはコモン（走査）選択信号、ムはコモン（走査）非
選択信号。φ、はセグメント（情報）選択信号、ムはセ
グメント（情報）非選択信号である。

上記駆動法は２フレームで黒白（点灯、非点灯）を書き
込む駆動法である。すなわち、第１フレームでは、表示
情報に対応した黒となるべき画素に、表示が黒となるよ
うな一方の安定状態に強誘電性液晶を反転させる電圧を
印加する。第２フレームでは、白となるべき残りの画素
に表示状態が白となるような他方の安定状態に液晶分子
を反転させる電圧を印加して白とする。強誘電性液晶は
メモリー性を有しているため、上記２フレームによって
、画素が完成する。

上記駆動法では階調が出来ないが次に述べる改良を施す
ことにより階調を得ることが出来る。その基本的な方法
は、選択された走査電極上の画素に加わる±Ｖ　ａｐの
パルス幅を変調して中間調を作り出す。第１図に示した
ように、光学的透過率の変化に注目すると、反転電圧±
ＶＢｐが加わったとき、明暗の最高レベルになる。その
後減衰するが減衰して充分時間が経った後、減衰がほと
んだ無くなったときの光学的透過率は、選択電圧±Ｖｔ
ｐが加わったときの光学的透過率の大きさに比例してい
る。この現象を利用すれば、反転電圧±ｙ　ｕｐのパル
ス幅に比例した光学的透過率が得られるから、この方法
によ階調表示が実現できる。

第９図は、第７図のサフィックスＣが添付された波形、
すなわち点灯走査に使われる波形を階調表示用に変更し
た波形の実施例を示すものである。第９図と第７図で異
なっているのは、セグメント（情報）選択信号だけであ
る。他の信号は同一でよい。実施例では、τ、たけ位相
をすらして反転電圧士■１のパルス幅を変調している。

選択電圧Ｖ　ａｐがかかるパルス幅τ１ｐは、駆動周波
数をｆとすると、τａｐ”τゆ／２ｆとなる。τ１を中
間調レベルに応じて調整することにより階調表示を行う
。

第９図の信号から実際に液晶にかかる電圧の例を示した
のが第１０図である。第１０図のａは、走査電極が選択
され、かつ表示電極に選択信号が加わったときに液晶に
かかる波形であり、ｂは走査電極が非選択でかつ表示電
極に非選択信号がかかった場合の波形である。Ｃはｂと
は逆に走査電極が非選択でかつ表示電極に選択信号がか
かった場合の波形である。ｂとＣともに±１／３Ｖ、ｐ
をとる時間は、ｂ、ｃの中で等しくなるように考慮され
ている。これは長時間中にＤＣ電圧が液晶のに加わって
液晶の劣化を起こすのを防ぐためである。

〔発明の効果〕

本発明で用いたパネルに本発明の駆動波形によってＳｍ
Ｃ”を駆動した場合、光学的透過率は第１図のようにな
る。走査電極のうち選択された電極上の画素に、正負の
ｙ　ａｐが印加されると、液晶分子は第３図のａまたは
ａ′の位置、もしくはその位置に近いところまで回転し
、光学的にも明暗ともに最高のレベルに達する。その後
、印加される正負に等しく振動する交流電圧によって、
光学的透過率は振動しながら減衰するが、減衰は正負の
等しい交流パルスが印加された直後が最も大きく、その
後はほとんど変化がない。分割数が多い場合には、走査
電極が選択される時間は、短くなり、非選択の時間が大
半を占める。本発明の場合、走査電極群は間断なく選択
される。すなわち、ある走査電極の走査制御信号の立ち
下がり時に、次のようなの走査制御信号の立ち上るよう
に連続的に選択される。このため、分割数がｎの場合、
−フレームの走査時間をｔｏとすると走査電極−本を選
択する時間ｔｌはｔｌ＝ｔｏ／ｎとなる。また、選択さ
れない時間ｔ２は、ｔ２　＝　（ｎ−１）ｔ（、／ｎ、
である。非選択時の交流パルスが印加されているときの
光学的透過率は、前述のように振動しているが、大きさ
は殆ど変化しない。この状態が、走査時間中のほとんど
を占めているわけであるから、人間の目にはこの状態（
非選択状態の光学的透過率が画素のコントラストとして
映る。本発明のパルスでは、分割数が多くても少なくて
も、コントラストは一定になる。

このようにしてＴＮ型のＬＣＤでは実現出来ないような
多分割が可能になり、大容量液晶装置をアクティブマト
リクスに比べて、簡易な単純マトリクスで実験させ安価
で高画質なデイスプレィをなどの電気光学装置を本発明
より実現させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は反転電圧のパルス幅を変えた場合の光学変化を
示す図、第２図はＳｍＣ’″の分子配列を示す図、第３
図はＳｍＣ”液晶のセル中の模式図、第４図はパネルの
断面図、第５図は充分高い直流電圧を加えた後の光学的
透過率の変化を示す図、第６図は交流安定化駆動波形の
実施例を示す図、第７図は第６図（ａ）の波形を液晶に
与えるためにセグメントとコモン電極に与える駆動信号
を示す図、第８図は同様に第６図（ｂ）の波形を与える
駆動信号を示す図、第９図は階調表示の実施例の駆動信
号を示す図、第１０図は階調表示の実施例の駆動波形を
示す図である。 １・・・双極子モーメント、２・・・液晶分子軸、５・
・・基板、６・・・電極、７・・・配向膜、８・・・液
晶、１０・・・偏光板である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）２枚の偏光板と、これら偏光板の間にあって走査
   信号に基づいて順次同期的に選択される走査電極群と、
   この走査電極に対向し情報信号に基づいて選択される信
   号電極群と、これらの電極間に配置された配向膜及び強
   誘電性液晶とを少くとも有する電気光学液晶素子であっ
   て、前記強誘電性液晶がただ一つの安定状態を持ち、そ
   の安定状態における液晶の配向方位が一軸配向処理方向
   であることを特徴とする強誘電性液晶電気光学素子。
2. （２）請求項１記載の液晶電気光学素子の電極に、強誘
   電性液晶の配向状態を反転させ得る反転電圧を印加して
   液晶分子配列を変化させる駆動方法において、表示階調
   に応じて前記反転電圧のパルス幅を変化させ、非選択走
   査電極上の画素には、強誘電性液晶の配向状態を反転さ
   せない交流電圧を印加する事を特徴とする強誘電性液晶
   電気光学素子の駆動方法。