JPH06100746B2

JPH06100746B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH06100746B2
Application number: JP59138832A
Authority: JP
Inventors: 隆正原田; 雅明田口; 浩二岩佐
Original assignee: セイコー電子工業株式会社
Priority date: 1984-07-04
Filing date: 1984-07-04
Publication date: 1994-12-12
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: JPS6118931A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕液晶表示装置は、低電圧で駆動でき、極めて消費電力が
小さく、薄型小型に製造できる等の利点があり、ウォッ
チや電卓をはじめとする携帯用小型機器の表示に広く利
用されている。近年、液晶表示装置の大面積化、大容量
化が進むと共に、半導体分野でのCMOS-LSIの発達に伴っ
て、パーソナルコンピュータなどのOA機器への液晶表示
装置の応用が行われるようになった。今後、液晶表示装
置は、CMOS-ICで直接駆動できる利点を生かして、様々
な情報処理装置へ導入されて行くと考えられる。その場
合に、CRTと同等の表示容量と応答速度を如何に実現し
て行くかが、液晶表示装置に課せられている技術的な重
要課題である。本発明は、OA機器等の高度な情報処理端
末機器として利用価値の高い、大型大容量で応答の速い
液晶表示装置を実現する手段を提供するものである。

〔従来技術〕

従来からディスプレイに利用されている液晶は、サーモ
トロピック液晶である。サーモトロピック液晶は、材料
によって定まる一定の温度範囲ごとに種々の液晶相をと
るが、大別すると、層構造をとらないネマティック相
（以後Ｎと記す）と、層構造を有するスメクティック相
（以後Smと記す）とに分類される。

Smはさらに一軸性のスメクティックＡ相（以後SmA）と
二軸性のスメクティックＣ相（以後SmC）に分類され
る。層の厚みはだいたい液晶分子１分子分の長さに相当
する。

第１図にN,SmA,SmCの分子配列を模式的に示した。第１
図ａはN,第１図ｂはSmA,第１図ｃはSmCを示す。

さらに、液晶分子が不斉炭素をもちかつ、ラセミ体でな
ければ、螺旋構造をとるようになる。Ｎの場合、薄い層
内で液晶分子の長軸が層内にあり、かつ一方向に向かっ
て配列するようになる。そして層内の分子の方向が各層
ごとに少しずつ捩じれたカイラルネマティックとなる。

第２図は、カイラルネマティックの分子配列を模式的に
示した図である。Smの場合、層の法線方向を螺旋軸とし
て分子が螺旋状に配列し、カイラルスメクティックＣ相
（以後SmC^＊）となる。

第３図のａは、SmC^＊の分子配列を模式的に示した図で
ある。

SmC^＊についてもう少し詳しく説明を加える。１つの層
中の液晶分子の長軸方向（以下分子軸と呼ぶ）は、層の
法線方向と角度θだけ傾き、この角度はどの層でも一定
である。

第３図のｂは、分子軸と法線方向との関係を示してい
る。

一方、層の法線方向からSmC^＊の分子配列を見た場合、
方位角ψは一定の値（第３図のａでは45°ずつ変化する
場合を示している。）ずつ、層毎に回転し、分子配列は
螺旋構造を生じる。

また一般にSmC^＊は、螺旋構造をとるだけでなく分子軸
に垂直な方向に電気双極子を持ち強誘電性を示す。

強誘電性液晶は、1975年Meyer（J.de.Phys.36,69,197
5）らにより合成され、その存在が証明された。

その時、合成された液晶は通称DOBAMBC（１−メチルブ
チルＰ−〔（P-n−デシロキシベンジリデン）アミ
ノ〕）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^＊は前述のように螺旋構造をとるが、その螺旋の周
期は、液晶によって異なり、通常数μｍ程度が多い。

SmC^＊をとる液晶を、螺旋の周期よりも薄い１μｍ程度
の間隙を有するセルに注入すると、螺旋構造が消失す
る。螺旋構造が消失した後の分子配列構造が、第４図に
セル基板との幾何学的な関係とともに示されている。

液晶分子は、セル基板に対して平行になる。すなわち、
分子軸が基板と平行になり、かつ層の法線方向からθ傾
いて液晶分子が配列する。ここで層の法線方向は基板と
平行になっている。

それ故、層は基板に対して垂直に形成する。層の法線方
向からθ傾く場合、法線から時計回りに＋θ傾いている
ドメインと反時計回りに−θ傾いているドメインが混在
する。

SmC^*液晶分子は一般に分子軸に垂直に電気双極子を持
つ。一方のドメインでセル基板に対して、電気双極子が
上向きに揃っているとすると他方のドメインでは下向き
に電気双極子が揃う。このセル基板間に電界を印加する
と、セル全体の液晶分子が層の法線方向から＋θまたは
−θ（＋、−は電気双極子のついている方向により決定
される。）傾いた位置に揃う。以後これらの位置を＋θ
位置及び−θ位置と呼ぶ。

電界を上記と逆に印加すると、液晶分子は＋θ位置から
−θ位置へ動くか、または−θ位置から＋θ位置へ動
く。セル全体の分子が＋θ位置かまたは−θ位置に配列
するからこの相構造はSmCである。セルの間隙を薄くす
ることにより螺旋構造が消失してSmC相ができたことに
なる。

しかし、このSmCは、螺旋構造の持っていたなごりとし
て、±θ位置から反対の位置に移動する際、第３図のｂ
に示した円錐に沿って移動する。

通常のSmCは、電界を印加してもこのような運動は起き
ない。電界の極性を適当に選んで、＋θ位置と−θ位置
の相互間で液晶分子を動かすことと、２枚のセル基板上
に偏光子を貼りつけることによってこのセルを表示素子
として利用できる。

第５図は、表示素子に利用する場合、２枚の偏光子と液
晶分子の±θ位置との関係を示した図である。

第５図のａは、入射側の偏光子の偏光軸を＋θ位置に一
致させてある。出射側の偏光子は、偏光軸を90°入射側
の偏光子の偏光軸から回転させる。第５図のａの場合、
＋θ位置に液晶分子があると、入射側の偏光子によって
偏光された光は偏光方向を変えず出射側偏光子に達する
が、両偏光子が直交しているため出射側には光が出な
い。

この状態は暗状態である。逆に−θ位置に液晶分子が移
動すると、液晶の複屈折性により出射側の直交した偏光
子方向にも光が出るようになる。

θが22.5°であり、かつセル厚が適正な値であれば、ほ
とんどの光が出射側偏光子の偏光方向に向くようにな
り、明状態となる。

上記のような理想的な表示状態を得るためにはセル厚ｄ
と液晶の屈折率の異方性Δｎとの間には次のような関係
が必要である。

ａ＝（2n−１）α／Δｎ a:屈折率ただし、α＝Ｃπ／ω C:光速度、ω光の角周波数第５図のｂは、入射側と出射側の偏光子の方向が同じで
ある場合である。＋θ位置が明状態となり、−θ位置が
暗状態となる。セル厚とΔｎとの関係は上記の式と同様
である。θ＝22.5°で理想的な明・暗状態が実現でき
る。

この表示素子の考え方は、ClarkとLgerwall（Appl.Pry
s.lett.36,899,1980）らが初めて発表した。彼らは、セ
ルを薄くし偏光子を２枚貼りつけた表示素子が次のよう
な特徴を持つと主張した。

すなわち、（１）μsecオーダの高速応答（２）メモリ性（３）望ましいしきい値特性これらの特性の中で、高速応答は我々の観測においても
確認され、μsecオーダの応答を示している。また、電
場を印加して±θ位置いずれかの状態をした後、電場を
切ってもその状態を維持するという、メモリ性は、彼ら
の主張どおり存在している。しかし、望ましいしきい値
特性は我々の観測では確認できなかった。

第６図は、しきい値特性が存在する場合の光学的透過光
強度Ｉと印加電圧Ｖとの関係を示している。印加電圧が
Vth以下では、分子は全く動かず光学的透過光強度は変
化しない。

Vth以上の電圧を印加すると、分子は動き始める。その
時光学的透過光強度は、印加電圧によって急峻な変化を
する。

印加電圧がVsatよりも大きくなると、光学的透過光強度
はそれ以上変化しなくなる。つまり、分子が±θ位置に
固定されてしまう。

上記VthとVsatはしきい値特性を表わす良いパラメータ
である。我々のデータによると、Vth,Vsatは、 Vth＝500（mV） Vsat＝５（Ｖ）であった。（DOBAMBCで測定）駆動する場合を考えると、選択点に5Vの電圧がかかり非
選択点及び半選択点に500（mV）以下の電圧が加わるよ
うに駆動することは不可能である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、SmC^＊液晶を利用して時分割駆動する
新しい表示原理と駆動方法を示し、TN型液晶表示方式で
は実現できなかった範囲の多分割液晶表示を可能にする
ことにある。

〔発明の構成〕

本発明の原理を理解するためには、１μｍ程度までセル
厚を薄くし偏光子を第５図ａのように配置したパネルに
初め直流電圧を加えておき、その後交流パルスを印加し
た時の光学的透過強度の変化を説明しなければならな
い。

第７図は、上記電圧波形を印加した時の光学的透過強度
の変化を示している。左側の縦軸は光学的透過強度を表
わしている。I ONは、Vsat以上の電圧を印加し、直交し
た偏光子に挟まれたパネルが入射光をほとんど遮断した
時の光学的透過強度である。

I OFFは、逆の極性のVsat以上の電圧を印加し、パネル
が最も光を透過する時の光学的透過強度である。

第７図は、光学的透過強度がI ONとなるように直流電圧
の極性と電圧値を選んだ。15Vの直流電圧を印加して光
学的透過強度をI ONとし、その後、±5Vの交流パルスを
印加すると光学的透過強度は、振動しながら一定の光学
的透過強度ICに収束していった。ICは、I ONよりもわず
かに小さいが、黒レベル（暗レベル）として表示に使え
る。逆に、I OFFを得るように逆極性の直流電圧を印加
して、その後±5Vの交流パルスを印加すると光学的透過
強度は、I OFFから振動しながら一定の光学的透過強度I
C′に収束していった。この場合も、IC′はI OFFよりも
わずかに大きいが、白レベル（明レベル）として表示に
使える。

第８図は、前記印加電圧波形の交流パルスの周波数及び
電圧振幅を変化させた時の光学的透過強度の変化を示し
た図である。まず、周波数を変化させた場合、第８図の
上の３つの光学的透過強度プロフィールが観測された。
周波数f₁,f₂,f₃の間には、 f₁＞f₂＞f₃ の関係がある。

交流パルスの周波数が高いほど減衰しにくく、収束光学
的透過強度ICも高くなる。また、交流パルスの電圧振幅
を変化させた場合、第８図の下の３つの光学的透過強度
プロフィールが観測された。この場合、電圧振幅V₁,V₂,
V₃間には、 V₁＜V₂＜V₃ の関係がある。

交流パルスの電圧振幅が小さいほど減衰しにくく収束光
学的透過強度ICも高くなる。

本発明は、直流電圧により表示状態を変化させ、その後
交流電圧により上記表示状態を維持し、表示を行おうと
するものである。すなわち、分子レベルでは直流電圧ま
たは直流パルスによって液晶分子を＋θ位置または−θ
位置に移動させ、その後、交流パルスにより液晶分子を
＋θ位置付近または−θ位置付近にとどめて、表示を行
う。

第９図は、本発明による表示を行った場合、分子がどの
ような位置をとると考えられるが一つの分子について模
式的に示した図である。

直流電圧または直流パルスが加わると分子は、第９図の
ａ又はａ′の位置（±θ位置）に動き、その後交流パル
スにより徐々に振動しながら移動し、ｂ又はｂ′の位置
に収束すると考えられる。ｂ又はｂ′の位置は、セル
厚、配向状態、交流パルスの電圧幅及び周波数によって
大きく影響を受ける。

本発明を分子に着目して表現すれば、基板と平行な±θ
位置以外の基板に平行でない分子状態を利用して表示を
行うということになる。これは全く新しい表示原理であ
る。

〔実施例〕

次に、本発明による駆動法を実現する回路について実施
例を示して説明する。

第10図は、本発明による駆動法を実現するための回路及
びLCパネルで構成された表示装置のブロック図の一実施
例である。この表示装置は、発振回路、制御回路、駆動
電圧発生回路、信号電極ドライバー回路、走査電極ドラ
イバー回路及びLCパネルからなっている。

第10図のうち、駆動電圧発生回路及び信号電極ドライバ
ー回路、走査電極ドライバー回路を具体的に示した回路
図を第11図及び第12図に示した。

第11図及び第12図では、アナログスイッチとしてトラン
スミッションゲートを用いた実施例である。

第13図に駆動信号Ｍ、走査切換信号FLのタイミングチャ
ートを示した。

第12図は、駆動電圧発生回路で形成されたφY,Y,φX,
Ｘを、走査信号COM1、COM2等と表示データ信号SEG1、
SEG2によってφY,Ｙ及びφX,Ｘをそれぞれ選択して
LCパネルの走査電極及び信号電極に供給するための、ド
ライバー回路の一実施例である。このドライバー回路は
ここではトランスミッションゲートで構成された実施例
を示した。

次に、本発明による線順次駆動について説明する。第14
図にこの駆動法により、実際に画素の液晶に印加される
合成電圧パルスからなる駆動波形の一実施例ａ、ｂ及び
走査電極を選択するための信号ｃを示した。

この駆動法は、走査電極が選択されている時間の前半の
半分の間に高い合成電圧パルスにより表示状態を明・暗
状態のどちらか片方の状態とし、走査電極が走査されて
いる走査時間の後半の半分の間、前記高い合成電圧パル
スとは逆極性の高い電圧を加えて、状態を明→暗または
暗→明に変えるか、もしくは低い電圧を加えて状態を変
化させないかのどちらかによって表示状態を決定し、そ
の後、交流電圧パルスを加えて表示状態を維持する駆動
法である。

もちろん、電圧の向きは、第14図a,bの逆であっても良
い。

第14図の駆動波形ａ、ｂは、交流電圧パルスが最も高い
電圧パルスの1/5である場合の実施例である。第14図の
場合、駆動波形ａでは、高い電圧3/5Vapにより分子は表
示状態が暗状態となるように動き、その後振幅1/5Vapの
交流パルスによって表示状態を維持する。

駆動波形ｂでは、高い合成電圧パルスVapにより分子は
表示状態が暗状態になるように分子が動き、次の電圧−
3/5Vapなる電圧により分子は反対方向へずれ、表示は明
状態となる。その後、振幅1/5Vapの交流パルスにより表
示状態を維持する。

本発明の駆動法は、走査される時間の前半の半分の時
間、高い電圧により明または暗状態とし、その後、走査
する時間の後半の時間に、逆極性の高い電圧をかけるか
どうかで表示状態を決定する。つまり、一走査時間で表
示状態を決定する。

第14図の駆動波形を得るための基本的信号であるφY,
Y,φX,Ｘを第15図に示した。

第18図は、第15図の基本的信号を走査電極と信号電極に
与えた時の、画素に印加される合成電圧パルスの形状を
具体的に示す図である。

第15図を走査信号及び表示データ信号により選択して、
走査電極及び信号電極に印加する電圧波形を第16図に示
した。

第16図の電圧波形ａは、走査電極へ印加される電圧波形
であり、信号ｂがHighレベルの時、第15図のφＹ信号を
選択し、信号ｂがLowレベルの時、第15図のＹ信号を
選択する。

第16図の電圧波形ｃはデータ信号の一例である信号ｄに
より作られる。信号ｄが、Highレベルの時、第15図のφ
Ｘを選択し、信号ｄがLowレベルの時、第15図のＸが
選択され、電圧波形ｃとなり、信号電極へ加えられる。

第17図にこの駆動法の一実施例である第14図の駆動波形
ａ、ｂの一般的な場合を示した。

第17図の駆動波形ａは、第14図の駆動波形ａのバイアス
数をＮとしたときの一般形であり、高い電圧（１−2/
N）Vapなる合成電圧パルスを選択時の前半に印加し、そ
の後、振幅1/N Vapの交流電圧パルスが液晶にかかるよ
うになる。

第17図の駆動波形ｂは、第16図の駆動波形ｂの一般形で
あり、高い電圧Vapなる合成電圧パルスが液晶にかか
り、その後、−3/N Vapなる電圧がかかって表示を変
え、その後、振幅1/N Vapの交流パルスがかかる。

以上のように、本発明の駆動法によれば１回の走査で明
・暗を書き込める。この点が本願発明の利点であり、前
に、明情報を書き込む走査と暗情報を書き込む走査の２
回の走査で、明・暗を書き込む駆動方法を提案したが、
これに比べて１画面の書き込み時間は半分でよいことに
なる。

以上のような駆動波形によってSmC^＊を駆動する。走査
電極のうち選択された電極上の画素に、正・負のVapが
印加されると、液晶分子は第９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、印加された正・負に等しく振動する交流パルス
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。例えば、分割数が
ｎの場合、一走査時間がt₀とすると、走査電極１本を選
択する時間t₁は、 t₁＝t₀/n で表わされる。

また、選択されない時間t₂は、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、前述のように振幅しているが、大きさはほとん
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、人間の眼には、この状態の光学的透過率が画
素のコントラストとしてうつる。

よって、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。

我々の測定では、現在256分割が駆動可能なパネルにお
いて、８分割〜256分割までコントラストは、あまり変
化がなかった。SmC^＊のこの現象は、TN型の液晶表示パ
ネルの分割数が多くなるにつれて選択点と非選択点の実
効電圧に差がなくなり、コントラストが低下することに
比べて、非常に多分割表示に適していると言える。

SmC^＊の応答は10μsecまで可能になるとすれば、分割数
は、但し、30μsecは１回の走査に必要な時間である。ま
た、分母の２は選択時間中に正・負の電圧をとることを
示している。

今まで世の中で得られた最高スピードで液晶が応答する
と、1500分割程度のパネルが駆動でき、また前述のよう
に1500分割と８分割でコントラストの差が出ないように
することが本発明の駆動法で可能である。

ここで、コントラストについて本発明のもう一つの優れ
た点について述べる。セルギャップを１μｍ程度まで薄
くすると、SmC^＊は螺旋構造を消失し、層がパネルの基
板に垂直になるように配列する。このことは、前にも述
べたとおりである。

層が基板に垂直になるということは、液晶分子が基板に
対して水平になるということである。この状態の分子は
本発明による駆動方法で駆動した場合、第９図のａ、
ａ′に近いb,b′の状態にあるから、分子は近似的に基
板に水平であると考えられる。

この状態を色々の視角で見ても、分子が基板に対して水
平であるからコントラストの変化はほとんどない。これ
は、TN型液晶表示パネルでは非点灯（ポジ表示の場合）
で液晶が完全に基板に対して水平にならず、視角によっ
ては立っているとみなすことができ、クロストークが生
じる。

これはいわゆる視角依存性として知られている。SmC^＊
を用いた本発明による表示は、視角依存性がない。多分
割が今までの常識を一変させたのと同様に、コントラス
トに関しても視角依存性がなく分割数によりコントラス
トが変化しない等画期的特性を本発明によるSmC^＊を用
いた表示素子は持っていると言える。

以上のように、SmC^＊を利用した本発明による表示素子
は、１回の走査電極の走査で明・暗いずれの光学状態を
も書き込むことができ、しかも、非選択期間の走査電極
上の画素には一選択期間を単位とする時間に正負の極性
を持つ交流電圧パルスが常に印加されるため、その非選
択期間に画素の表示状態が反転することがなく安定に維
持できるものであり、従来の能動素子を用いないX-Yマ
トリックス型の液晶表示素子の限界を打ち破る画期的な
液晶表示素子である。この素子を用いれば多分割表示が
単純マトリックス駆動でき、ドライバーICの数を大幅に
減少でき、また、能動素子を用いない単純なパネルであ
るから、安価な大容量液晶パネルを実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、N,SmA,SmCの分子配列の模式図である。第２
図は、カイラルネマティックの分子配列の模式図であ
る。第３図は、SmC^＊の螺旋軸の回りの分子配列と単一分子
の一状態を模式的に示した図である。第４図は、セルギ
ャップを１μｍ程度まで薄くした場合、分子が基板に対
する配列の仕方を示した図である。第５図は、基板方向
からみた分子状態と従来の表示原理を示した模式図であ
る。第６図は、明状態から、電圧を印加した時、スレッ
ショルド特性を持つ場合の透過強度と印加電圧の関係を
示している。第７図は、直流電圧印加後、直ちに交流パ
ルス電圧を加えた場合の光学的透過強度の変化を示して
いる。第８図は、第７図において、交流パルスの振幅及び周波
数を変化させた時の、光学的透過強度の変化を示してい
る。第９図は、本発明による表示素子における分子状態
を示した模式図である。第10図は、本発明を利用した表示装置のブロック図であ
り、第11図は、該ブロック図の中の駆動電圧発生回路の
回路図の実施例である。第12図も同様に該ブロック図の中の表示電極ドライバー
回路及び走査電極ドライバー回路の回路図の実施例であ
る。第13図は、第11図に示した駆動電圧発生回路を制御
する制御信号のタイムチャートを示した図である。第14図は、走査される時間の任意時間の間、走査されて
いる走査電極上のすべての画素を明または暗状態とし、
その後残った走査時間に逆極性の高い電圧を印加する
か、しないかによって明・暗状態を決定する駆動法にお
いて、液晶にかかる合成電圧パルス及び走査するための
信号の一実施例を示している。第15図は、第14図の駆動
波形を実現する基本信号の一実施例である。第16図は、走査信号及び表示データにより、第15図の基
本信号を選択し、走査電極及び表示電極に印加される電
圧波形の一実施例である。第17図は、第14図の駆動波形の一般形の実施例である。
第18図は、第15図の組み合わせによる画素に印加される
合成電圧パルスを示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岩佐浩二東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内 (56)参考文献特開昭60−176097（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に複数の走査電極が形成された一方の
基板と、複数の信号電極が形成された他方の基板とを、
前記電極が対向するように平行に設置し、前記基板間に
カイラルスメクティック液晶を挟持し、前記基板間をカ
イラルスメクティック液晶の螺旋ピッチ以下に制限し、
前記２枚の基板を偏光板の間に設置し、前記走査電極と
前記信号電極の各交差部において画素部を形成し、前記
走査電極を線順次に選択して走査信号を供給し、前記走
査電極に供給される走査信号と前記走査信号に同期して
前記信号電極に供給されるデータ信号との合成電圧パル
スを前記画素部に印加し、カイラルスメクティック液晶
の２つの安定な分子配列状態をいずれか一方へ反転して
明暗情報を書き込む強誘電性液晶電気光学装置におい
て、前記走査電極の選択期間において、前記画素部に印加さ
れる合成電圧パルスは前半と後半とに２分割され、前記前半において、カイラルスメクティック液晶の動作
電圧以上である一方の極性の合成電圧パルスを画素部に
印加して明（又は暗）情報を書き込み、前記後半において、前記データ信号中の暗（又は明）情
報に応じて、カイラルスメクティック液晶の動作電圧以
上である他方の極性の合成電圧パルスを画素部に印加し
て暗（又は明）情報を書き込むとともに、前記走査電極の非選択期間において、電圧パルスのおの
おのがカイラルスメクティック液晶の動作電圧以下であ
り、かつ、一走査電極の走査期間内に極性を異にする２
つの電圧パルスからなる交流電圧パルスを含む合成電圧
パルスを各画素部に印加することを特徴とする強誘電性
液晶電気光学装置。