JPH07122704B2

JPH07122704B2 - 光学変調素子

Info

Publication number: JPH07122704B2
Application number: JP8292786A
Authority: JP
Inventors: 光俊久野; 正彦江成; 寿進藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-04-09
Filing date: 1986-04-09
Publication date: 1995-12-25
Anticipated expiration: 2010-12-25
Also published as: JPS62238535A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、表示パネルのための光学変調素子の駆動法に
関し、詳しくは双安定性を有する液晶物質、特に強誘電
性液晶を用いた表示パネル、とくに階調表示に適した液
晶光学素子の駆動法に関する。

〔従来の技術〕従来のアクテイブマトリクス駆動方式を用いた液晶テレ
ビジヨンパネルでは、薄膜トランジスタ（TFT）を画素
毎のマトリクス配置し、TFT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、キヤパシタに蓄積さ
れ、この蓄積された画像信号に対応して液晶（例えばツ
イステツド・ネマチツク;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する問題点〕

しかし、この様なTN液晶を用いたアクテイブマトリクス
駆動方式のテレビジヨンパネルでは、使用するTFTが複
雑な構造を有しているため、構造工程数が多く、高い製
造コストがネツクとなっているうえに、TFTを構成して
いる薄膜半導体（例えば、ポリシリコン，アモルフアス
シリコン）を広い面積に亘って被膜形成することが難し
いなどの問題点がある。

一方、低い製造コストで製造できるものとしてTN液晶を
用いたパツシブマトリツクス駆動方式の表示パネルが知
られているが、この表示パネルでは走査線（Ｎ）が増大
するに従って、１画面（１フレーム）を走査する間に１
つの選択点に有効な電界が印加されている時間（デユー
テイー比）が1/Nの割合で減少し、このためクロストー
クが発生し、しかも高コントラストの画像とならないな
どの欠点を有している上、デユーテイー比が低くなると
各画素の階調を電圧変調により制御することが難しくな
るほど、高密度配線数の表示パネル、特に液晶テレビジ
ヨンパネルには適していない。

〔問題点を解決するための手段〕及び〔作用〕本発明の目的は、前述の欠点を解消したもので、詳しく
は広い面積に亘って高密度画素をもつ表示パネルを簡易
に作成し、また駆動に適した光学変調素子を提供するこ
とにある。本発明の目的は、階調表示駆動方式を提供す
ることにある。すなわち、本発明は、対向する一対の導
電膜間に光学変調物質が配された画素を行列状に複数配
列し、行毎に複数の画素を共通に接続した走査電極群
と、列毎に複数の画素を共通に接続した情報電極群と、
を備えた光学変調素子において、前記走査電極群は前記
導電膜とそれより低抵抗の電送ラインを有しており、隣
接する２つの電送ラインへの異なる電圧の印加によって
前記画素を構成する前記一対の導電膜間に電位差勾配が
生じるように、前記光学変調素子を駆動する駆動手段を
備えており、前記走査電極群が設けらている基板の両端
部に、前記導電膜より低抵抗の補助電極ラインが配置さ
れるとともに、該補助電極ラインが基準電位点に接続さ
れており、前記走査電極群を構成する１番目からｍ番目
のｍ本の電送ラインは、走査信号を順次印加する駆動回
路に接続されており、前記補助電極ラインはそれぞれ前
記１番目またはｍ番目の電送ラインに前記導電膜を介し
て接続されていることを特徴とする光学変調素子であ
る。本発明によれば、端部の画素においても良好な電位
差勾配法による階調表示が行える。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に従って説明する。本発明の駆動法
で用いられ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
少なくとも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。

本発明で用いることができる双安定性を有する液晶とし
ては、強誘電性を有するカイラルスメクチツク液晶が最
も好ましく、そのうちカイラルスメクチツクＣ相（SmC
＊）、Ｈ相（SmH＊）、Ｉ相（SmI＊）、Ｆ相（SmF＊）
やＧ相（SmG＊）の液晶が適している。この強誘電性液
晶については、“ル・ジユルナール・ド・フイジイク・
レツトル”（“LE JOURNAL DE PHYSIQUE LETTRE"）第36
巻（L-69）1975年の「フエロエレクトリツク・リキツド
・クリスタルス」（「Ferroelectric Liquid Crystal
s」）；“アプライド・フイジイツクス・レターズ”
（“Applied Physics Letters"）第36巻，第11号,1980
年の「サブミクロ・セカンド・バイステイブル・エレク
トロオプテイツク・スイツチング・イン・リキツド・ク
リスタルス」（「Submicro Second Bistable Electroop
tic Switchng in Liquid Crystels」）；“固体物理16
（141）1981「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）−ブチルレゾルシリデン−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ツク等により支持することができ
る。

第１図は、強誘電性液晶セルの例を模式的に描いたもの
である。11と11′は、In₂O₃,SnO₂やITO（インジウム−
テイン−オキサイド）等の透明電極がコートされた基板
（ガラス板）であり、その間に液晶分子層12がガラス面
に垂直になるよう配向したSmC＊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⊥）14を有している。基板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⊥）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２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図に示す毎く一定の閾値
以上の極性の異る電界Ｅ又は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24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
の利点を２つあげる。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２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。このような
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、一般的には
0.5μ〜20μ、特に１μ〜５μ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、本発明で用いる液晶光学素子の詳細を第３図を参
照して説明する。

第３図中の31は、一方の基板である。32は表示導電膜で
あり、31の基板上に積層されている。33と34は、低抵抗
の金属フィルムからなる補助電極ラインであり、補助電
極ライン33は１番目の電送電極ラインに相当し、補助電
極34はＭ番目の電送電極ラインに相当している。35-1,3
5-2,‥‥35-Nは補助電極ライン33及び34と同様の金属フ
イルムを使用した電送電極ラインで、２番目からＭ−１
番目の電送電極ラインに相当している。補助電極ライン
33と34および電送電極35は、表示導電膜32上に等間隔に
平行に並んで積層されている。又基板31に対して図示さ
れていない他方の基板が対向しており、該他方の基板上
の図中画素Ａの領域に対応する領域には対向導電膜（対
向電極）36が配置されている。表示用導電膜32と対向電
極34との間には、前述した光学変調物質がサンドイツチ
されている。

前記により構成される液晶光学素子では、電送電極ライ
ン35-1に印加された走査信号により表示導電膜32の面内
に電位勾配を付与することによって対向電極36との間の
電界の勾配を生じさせる。この際、たとえば電送電極ラ
イン35-1に電圧Vaを印加し、これと隣り合う電送電極ラ
イン35-2と補助電極ライン33を基準電位点V_E（たとえば
０ボルト）に接続すると、第４図（ａ）の様に電送電極
間である35-1/33間と35-1/35-2間の導電膜32の面内の長
さ方向l₁,l₂にVaの電位勾配を付与することができる。
この時、強誘電性液晶の反転閾値電圧VthをVaとした
時、対向電極36に−Vbを印加すると、第４図（ｂ）に示
す様に導電膜32の面内の長さ方向m₁とm₂に対応する強誘
電性液晶に反転閾値電圧Vth以上の電位差Va＋Vbが印加
されることになり、かかるm₁とm₂に対応した領域が例え
ば明状態から暗状態に反転することができる。従って、
本発明では画素毎に階調情報に応じた値でVbを印加する
ことによって階調性を表現することができる。この際、
対向電極36に印加する電圧信号−Vbを階調情報に応じて
その電圧値を変調してもよく、又は階調情報に応じてそ
のパルス幅を変調してもよく若しくはそのパル数を変調
することによっても階調性を制御することができる。

又、本発明では前述の階調信号を印加するに先立って、
画素を明状態か暗状態のうち何れか一方の状態にする消
去ステツプを経てから、その状態を反転させる反転電圧
が階調に応じて制御されて強誘電性液晶に印加される様
にしておくことが必要である。

さらに、本発明の好ましい光学変調素子の具体例を挙げ
て説明する。

第３図においてガラス基板31上にスパツタリング法によ
って約200Åの厚さの透明導電膜であるSnO₂膜を形成し
表示用導電膜32とした。このSnO₂膜のシート抵抗は105
Ω／□であった。次いで、1000Å厚でAlを前述のSnO₂膜
上に真空蒸着し、再びパターニングすることにより第３
図の如くAlで形成した電送電極ライン35-1,35-2,‥‥35
-Nと補助電極33と34を形成した。本例ではこのＭ−２本
（Ｎ本に相当）に形成した電送電極ラインと２本の補助
電極ラインの全ラインのそれぞれの間隔を230μとし
た。この電送電極ライン35と補助電極ライン33及び34の
シート抵抗は約0.4Ω／□であり、その幅を約20μとし
た。一方、対向基板には領域Ａをカバーするような、IT
O膜を対向電極36として設けた。この対向電極36となるI
TO膜のシート抵抗は約20Ω／□であった。

このようにして作成された２つの基板のそれぞれの表面
に液晶配向膜として約500Åのポリビニルアルコール層
を形成し、ラビング処理を施した。

次に、２つの基板を対向させ、間隙が約１μとなるよう
調節し、強誘電性液晶（ｐ−η−オクチルオキシ安息香
酸−Ｐ′−（２−メチルブチルオキシ）フエニルエステ
ルとｐ−η−ノニルオキシ安息香酸−Ｐ′−（２−メチ
ルブチルオキシ）フエニルエステルを主成分とした液晶
組成物）を注入した。表示用導電膜32と対向電極34か重
なる部分画素Ａの形状は、230μ×230μであって、液晶
注入後の静電容量は約3PFであった。但し、画素Ａの幅
はとした。

このようにして形成した液晶セルの両側に、偏光板をク
ロスニコルにして配設し、光学特性を観測した。

第５図は、電気信号の印加方法を模式的に示したもので
あり、第６図及び第７図はその時に与える電気信号であ
る。第６図は、第５図の駆動回路44で発生するシグナル
（ｂ）の波形を、第７図（ａ）〜（ｅ）は第５図の駆動
回路43で発生するシグナル（ａ）の波形を表わしてい
る。

さてシグナル（ｂ）として、−12Vの200μsecパルスを
又シグナル（ａ）として、8Vの200μsecパルスをあらか
じめ同期して与える（これを消去パルスと呼ぶ）消去ス
テツプを設ける。すると、液晶は第１の安定状態にスイ
ツチングされ、画素Ａ全体が明状態となる（このように
クロス偏光板を配置した）。

この状態により第７図（ａ）〜（ｅ）に示される様な種
々のパルスをシグナル（ｂ）として電送電極ライン35-
1,35-2,‥‥35-Nに駆動回路43からのパルスと同期させ
て印加した時の画素Ａの光学的状態を第８図に示す。こ
の際、駆動回路43からのパルスは第６図のパルスを用い
る。又、この時、補助電極ライン33および電送電極ライ
ン35-2は基準電位点V_E（例えば０ボルト）に接続されて
いる。電送電極ライン35-1にパルス印加電圧−2V（第７
図（ａ）に対応）では全く明状態81からの変化は生じな
い。（第８図（ａ））が、パルス電圧−5V（第７図
（ｂ）に対応）では電送電極ライン35-1の近傍の液晶
が、その閾値電圧を越える電界のために暗状態82へスイ
ツチングする（第８図（ｂ）に対応）。さらに印加電圧
を−8V（第７図（ｃ）に対応），−14V（第７図（ｄ）
に対応）と大きくした場合には、液晶の反転の閾値を越
える範囲が拡がるため暗状態82の領域は（第８図（ｃ）
に対応）広くなり、印加電圧−20V（第７図（ｅ）に対
応）で画素Ａ全体が暗状態にスイツチングされる。（第
８図（ｄ）に対応）。この様にして階調性のある画像を
形成できる。この時、上記に示した画素Ａの液晶が配向
した画素位置は第３図からもわかる様に液晶パネルの基
板31において一番端に位置する所である。従って、たと
えば、補助電極ライン33と34が設けられておらず電送電
極ライン35-1,35-2,‥‥35-Nのみで構成されている光学
素子において、液晶パネルの基板31において、電送電極
ライン35-1を１番目のラインとすると、これに対応する
画素を表示する場合、第９図に示した様に基準電位点V_E
（例えばOv）を接続する電送電極ラインは35-2となり、
例えば走査線とした電送電極35-1に信号電圧Vaを印加す
ると、電送電極ライン間35-1と35-2の導電膜32の面内長
さ方向１のみにVaの電位勾配が付与されるのみであ
る。従って、第10図に示される様に、電送電極ライン間
35-1と35-2に対応する画素Ｂにおいて、たとえばシグナ
ル（ｂ）から印加パルス−20Vを電送電極ライン35-1に
印加した場合（第７図（ｅ）に対応）においても、画素
Ｂ内において閾値電圧を越えて液晶が反転する領域は全
体の1/2に減ってしまう。この様に複数電送電極ライン
のみで構成されている場合１番目と最後の電送電極に対
応する画素の反転領域が1/2に減少してしまうことは液
晶パネルについてみるとパネル両端のライン状に反転領
域の減少が発生することになる。従って、本発明では第
５図に示す様に複数の電送電極ライン35-1,35-2,‥‥35
-Nの両側に補助電極ライン33と34を設け、これらの補助
電極33と34を基準電位点V_E（例えばOv）にあらかじめ接
続しておくことで、上記によって発生した反転領域の減
少を防ぐことが可能となった。

第11図は本発明によるマトリツクス駆動に適用した際の
具体例を表わしている。第11図に示す表示パネルはガラ
ス基板113の上に導電膜111が積層されさらに導電膜111
の上には低抵抗である補助電極ライン110と電送電極ラ
イン112（112a,112b,112c）が配線されている。

基板113と対向する対向基板（図示せず）に設けたスト
ライプ状の導電膜からなる対向電極114（114a,114b）が
配置され、前述の導電膜111と対向電極114との間に強誘
電性液晶が配置される。

本発明の駆動法では、書込みに先立ってたとえば全電送
電極102を同電位にしてストライプ状導電膜との間に一
様な電界を印加することとし補助電極110を基準電位点V
_E（例えばOv）に接続し導電膜111とストライプ状対向電
極114との交差部で形成される画素の全部又は所定部を
一時に明状態か暗状態のうちの何れか１方の状態とする
か、又は書込みライン毎に書込みに先立ってライン上の
画素の全部又は所定部を明状態か暗状態のうちの何れか
１方の状態とした後に、電送電極112（112a,112b,112
c）毎に第６図に示すパルスを走査信号として順次印加
する。また走査信号の印加されていない電送電極は基準
電位点（例えば０ボルト）に接続することによって、導
電膜111に順次隣りの電送電極112との間での電位勾配を
付与することができる。この際、走査選択信号は、強誘
電性液晶の反転閾値電圧と等しいかこれにより若干小さ
めの電圧のパルスとすることが好ましい。

一方、複数のストライプ状対向電極には、各電極毎に電
送電極112に印加した走査選択信号と同期させて、第７
図（ａ）〜（ｅ）に示す様な階調情報に応じた電圧信号
を印加することによって、走査線上の画素を階調に応じ
て書込みを行なうことができる。従って、上述の書込み
を線順次書込みを行なうことによって、第12図に示すよ
うに階調性をもつ１画面を形成することができる。

ここで、第12図に示す表示パネルは、表示用導電膜121
上には低抵抗からなる金属で設けられた補助電極ライン
124と125と、電送電極ライン123（S₁,S₂,S₃,S₄，‥‥
S_n）が表示用導電膜121上に等間隔でストライプ状に形
成されている。123は、対向する電極であり、ストライ
プ状の導電膜で配置されて、前述の表示用導電膜121と
対向電極123との間に強誘電液晶が配置される。

前記表示パネルの駆動法としては、走査信号としてたと
えば最初に端子の奇数電極S₁,S₃,S₅，‥‥S_2N-1順に走
査信号を印加し、次に端子の偶数電極S₂,S₄,S₆，‥‥S
_2Nを順次印加してもよい。この際、補助電極ライン124
と125及び奇数電極走査の時には偶数電極を、偶数電極
走査の時には奇数電極を基準電位点V_E（例えばOv）に接
続しておくことで、走査信号が印加されている電送電極
ラインに電位勾配を付与することができる。又、本発明
の効果により表示パネルの両端の電送電極S₁とS_2Nにも
同様の電位勾配をもたすことができる。更に、前記基準
電位点V_Eをもち上げてやっても良い（Ov＜V_E）。この時
Va−V_Eの値は小さくなるため階調のための電位勾配は緩
かになるが、情報信号に印加する電位点を小さくするこ
ともできる。又逆に基準電位点V_Eの電位を下げてやるこ
とでVa−V_Eの値を大きくして階調の巾を広げることもで
きる。

次に本発明によれば前述のストライプ状電極123に順次
走査信号を印加し、この走査信号と同期させて補助電極
124と125をあらかじめ基準電位点V_Eに接続し奇数番目
（又は偶数番目）の電送電極に階調信号を印加し、偶数
番目（又は奇数番目）の電送電極を基準電位点V_Eに接続
した後、次に偶数番目（又は奇数番目）電送電極に階調
信号を印加し奇数番目（又は偶数番目）の電送電極を基
準電位点V_Eに接続することによって全画素にわたり階調
駆動が行なえる。

以上本発明について最も好ましい例として強誘電性液
晶、特に少なくとも２つの安定状態をもつ強誘電性液晶
において説明したが本発明はこの他、ツイステツドネマ
チツク液晶、ゲストホスト液晶、さらに液晶以外の素子
にも適用しうる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、表示パネルへの高速書込みが可能であ
る上、入力信号として電圧値、あるいはパルス幅あるい
はパルス数等によって変調された階調信号を印加するこ
とにより、階調表示を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明で用いる強誘電性液晶素子
を模式的に示す斜視図である。第３図は本発明で用いる
一方の基板を表わす斜視図である。第４図（ａ）と
（ｂ）は、本発明で用いる電位勾配を模式的に表わす説
明図である。第５図は、本発明で用いる液晶光学素子の
断面図である。第６図及び第７図（ａ）〜（ｅ）は、本
発明で用いるパルス波形を表わす説明図である。第８図
（ａ）〜（ｄ）は、画素の階調性を表わす模式図であ
る。第９図は、本発明外の電位勾配を模式的に表わした
説明図で、第10図はその時の画素を表わす説明図であ
る。第11図は、本発明で用いる別の一方の基板を表わす
斜視図である。第12図は、本発明で用いるマトリクス電
極構造を表わした平面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−201217（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−20851（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−122098（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向する一対の導電膜間に光学変調物質が
配された画素を行列状に複数配列し、行毎に複数の画素
を共通に接続した走査電極群と、列毎に複数の画素を共
通に接続した情報電極群と、を備えた光学変調素子にお
いて、前記走査電極群は前記導電膜とそれより低抵抗の電送ラ
インを有しており、隣接する２つの電送ラインへの異なる電圧の印加によっ
て前記画素を構成する前記一対の導電膜間に電位差勾配
が生じるように、前記光学変調素子を駆動する駆動手段
を備えており、前記走査電極群が設けらている基板の両端部に、前記導
電膜より低抵抗の補助電極ラインが配置されるととも
に、該補助電極ラインが基準電位点に接続されており、前記走査電極群を構成する１番目からｍ番目のｍ本の電
送ラインは、走査信号を順次印加する駆動回路に接続さ
れており、前記補助電極ラインはそれぞれ前記１番目またはｍ番目
の電送ラインに前記導電膜を介して接続されていること
を特徴とする光学変調素子。
【請求項２】前記光学変調物質は強誘電性液晶である特
許請求の範囲第１項に記載の光学変調素子。