JPS61166590A - 液晶表示素子及びその駆動方法 - 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、液晶表示素子及びその駆動方法に関し、特に
、強誘電性液晶を使用した液晶表示素子及びその駆動方
法に関する。

［従来の技術］ 従来より、走査電極群と信号電極群をマトリクス状に構
成し、その電極間に液晶化合物を充填し、多数の画素を
形成して画像或いは情報の表示を行う液晶表示素子はよ
く知られている。この表示素子の駆動法としては、走査
電極群に、順次周期的にアドレス信号を選択印加し、信
号電極群には所定の情報信号をアドレス信号と同期させ
て並列的に選択印加する時分割駆動が採用されているが
、この表示素子及びその駆動法は、以下に述べる如き致
命的とも言える大きな欠点を有していた。

即ち、画素密度を高く、或いは画面を大きくするのが難
しいことである。従来の液晶の中で応答速度が比較的高
く、しかも消費電力が小さいことか、ら１表示素子とし
て実用に供されているのは殆どが、例えば、“アプライ
ド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ″’）　１９７１年１２月１
５日号、１２７〜１２８頁のＭ・シャフト（ト５ｃｈａ
ｄｔ）とＷ・ヘルフリヒ（ＩＩＨｅｌｆｒｉｃｈ）共著
、「ボルテージーディペンデエント°オプチカル。

アクティビティ・オブ・ア・ツィステノド°ネマチック
・リキッド・クリスタルＪ　（′Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｄｅ
ｐｅｎｄｅｎｔ　０ｐｔｉｃａｌ　Ａｃｔｉｖｉｔｙ　
ｏｆ　ａ　ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ　Ｌｉｑｕｉ
ｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ”）に示されたツィステッドネマチ
ック型の液晶を用いたものであり、この型の液晶は、無
電界状態で正の誘電異方性をもつネマチック液晶の分子
が、液晶層厚方向で捩れた構造（ヘリカル構造）を形成
し１両電極面でこの液晶の分子が互いに並行に配列した
構造を形成している。一方、電界印加状態では、正の誘
電異方性をもつネマチック液晶が電界方向に配列し、こ
の結果光調変調を起すことができる。この型の液晶を用
いてマトリクス電極構造によって表示素子を構成した場
合、走査電極と信号電極が共に選択される領域（選択点
）には、液晶分子を電極面に垂直に配列させるに要する
閾値以上の電圧が印加され、走査電極と信号電極が共に
選択されない領域（非選択点）には電圧は印加されず、
したがって液晶分子は電極面に対して並行な安定配列を
保っている。このような液晶セルの上下に、互いにクロ
スニコル関係にある直線偏光子を配置することにより、
選択点では光が透過せず、非選択点では光が透過するた
め、画像素子とすることが可能とする。然し乍ら、マト
リクス電極構造を構成した場合には、走査電極が選択さ
れ、信号電極が選択されない領域或いは、走査電極が選
択されず、信号電極が選択される領域（所謂“半選択点
”）にも有限の電界がかかってしまう０選択点にかかる
電圧と、半選択点にかかる電圧の差が充分に大きく、液
晶分子を電界に垂直に配列させるに要する電圧閾値がこ
の中間の電圧値に設定されるならば、表示素子は正常に
動作するわけである。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明が解決しようとする問題点は、上記の方式で走査
線数を増やして行った場合、画面全体を走査する間に１
つの選択点に有効な電界がかかっている時間（ｄｕｔｙ
比）は、　１／Ｎの割合で減少してしまい、このために
、くり返し走査を行った場合　　　□の選択点と非選択
点にかかる実効値としての電圧差は、走査線数が増えれ
ば増える程小さくなり、結果的には画像コントラストの
低下やクロストークが避は難い欠点となることで、この
ような現象は、双安定状態を有さない液晶（電極面に対
し、液晶分子が水平に配向しているのが安定状態であり
、電界が有効に印加されている間のみ垂直に配向する）
を、時間的蓄積効果を利用して駆動する（即ち、繰り返
し走査する）ときに生じる本質的には避は難い問題点で
あり、この点を改良するために、電圧平均化法、二周波
駆動法や多重マトリクス法等が既に提案されているが、
いずれの方法でも不充分であり、表示素子の大画面化や
高密度化は、走査線数が充分に増やせないことによって
頭打ちになっている。

更に、強誘電性液晶を使用した画像表示においては、強
誘電液晶分子の状態がメモリ性を有する状態であると、
２つの双安定状態のいずれかに安定しようとして、中間
的な分子位置を少なくとも理想的には取らないため、従
来のアナログ的な分子挙動を取り得す、階調表現に不向
であると考えられていた。だからと言って、ディザ法に
よる階調表示では、解像度を低下させることになり、表
示品質上の要求に答えられず、特に、電極をエツチング
で形成する場合には１画素のサイズに限界があるので好
ましくなかった。

本発明は、これらのに問題点をすべて解決し、新規な双
安定性液晶、特に強誘電性液晶を使用した液晶表示素子
と、その階調操作に優れた駆動方法とを提供することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明において、上記の問題点を解決するために講じら
れた手段は、強誘電性液晶を使用した液晶層と、絶縁層
と、表示画素電極とを積層状に備えた液晶表示素子であ
って、絶縁層が表示画素電極上に形成され、その層厚が
連続的もしくは段階的に変化して分布されることを特徴
とする液晶表示素子とするものであり、かつ、その駆動
方法として１強誘電性液晶を使用した液晶層と、表示画
素電極と、該表示画素電極上に形成された層厚の異なる
絶縁層とを備えて成る液晶表示素子の駆動方法であって
、周波数もしくは電圧波高値を絶縁層の層厚に対応させ
て変化させた信号電圧を表示画素電極へ印加することを
特徴とする液晶表示素子の駆動方法を用いるものである
。

本発明の駆動法で用いる強誘電性液晶としては、加えら
れる電界に応じて第一の光学的安定状態と第二の光学的
安定状態とのいずれかを取る。

すなわち電界に対する双安定状態を有す物質、特にこの
ような性質を有する液晶が用いられる。

本発明の駆動法で用いることができる双安定性を有する
強誘電性液晶としては、強誘電性を有するカイラルスメ
クティックＣ相（ＳｌＣ業）又Ｈ相（ＳｓＨ本）の液晶
が適している。この強誘電性液晶については、′ル・ジ
ュールナル・ド・フィジーク・ルチールｎ（ＬＥ　ＪＯ
ＵＲＮＡＬ　ＤＥ　ＰＨＹＳＩＱＵＥＬＥＴＴＥＲ９”
）　１８７５年、　３Ｂ　（Ｌ−８１３）号、ｒ７．。

エレクトリック・リキッド・クリスタルス」（ｒＦｅｒ
ｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｇｒｙｇｔａｌ
＋Ｊ）　　；　　“アプライド・フィジックス・レター
ズ（′″Ａｐｐｌｉｅｄｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ″）　１９８０年、　ａｅ　（ｔｔ）号、「サブミク
ロ・セカンド・バイスティプル・エチクトロオプチック
・スイッチング・イン・リキッド°クリスタルスＪ　（
ｒｓｕｂ＋＊１ｃｒｏ　５ｅｃｏｎｄＢｉｓｔａｂｌｅ
　　Ｅｌｅｃｔｒｏａｐｔｉｃ　　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ
　　ｉｎ　　ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓ’）　；　
“固体物理１９８１年、　１Ｂ　（１４１）号。

「液晶」等に記載されていて、本発明においても、これ
らに開示された強誘電性液晶を使用する。

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（ＤＯＢＡＭＢＧ
）　、ヘキシルオキシベンジリデン−Ｐ′−７ミノー２
−クロロプロビルシンナメー）　（ＨＯＢＡＧＰＩＩＩ
：）および４−ｏ−（２−メチル）−ブチルレゾルシリ
テン−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５ｕＣ１相又はＳ−■相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。

又、前述の９膳Ｃ８やＳ鱈・の他にカイラルスメク　　
　　“ティックＩ相（Ｓ鳳■す、Ｊ相（Ｓ＠Ｊす、Ｇ相
（ＳｍＧす、Ｆ相（ＳｍＦす、Ｋ相（ＳｍＫりなどで現
われる強誘電性液晶を用いることもできる。

［作　用］ 第３図は１強誘電性液晶セルの例を模式的に描いたもの
である。ｌと１′は、Ｉｎｚ　０３　、５ｎ０２やＩＴ
Ｏ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ　０ｘｉｄｅ）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２がガラス面に垂直になるよう配向したＳ層Ｃ本
相の液晶が封入されている。太線で示した線３が液晶分
子を表わしており、この液晶分子３は、その分子に直交
した方向に双極子モーメント（ＰＪｋ）４を有している
。基板ｌと１′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３のらせん構造がほどけ、双極子モ
ーメン）　（Ｐム）４はすべて電界方向に向くよう、液
晶分子３の配向方向を変えることができる。液晶分子３
は細長い形状を有しており、その長袖方向と短軸方向で
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一シた場合（例えばＩＪＬ）には、
第４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、はどけ（非らせん構造）、その双
極子モーメン）Ｐ又はＰ′は上向き（４ａ）又は下向き
（４ｂ）のどちらかの状態をとる。このようなセルに第
４図に示す如く一定の閾値以上の極性の異なる電界Ｅ又
はＥ′を所定時間付与すると、双極子モーメントは電界
Ｅ又はＥ′の電界ベクトルに対応して上向き４ａ又は、
下向き４ｂと向きを変え、それに応じて液晶分子は第一
の配向状態５かあるいは第二の配向状態５′の何れか一
方に配向する。

このような強誘電性液晶を光学変調素ｆ・とじて用いる
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状態を有すること
である。第２の点を例えば第２−によって説明すると、
電界Ｅを印加すると液晶分子は第一の配向状態５に配向
するが、この状態は電界を切っても安定である。又、逆
向きの電界Ｅ′を印加すると、液晶分子は第二の配向状
態５′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留っている。

又、与える電界Ｅが一定の閾値を越えない限り、それぞ
れの配向状態にやはり維持されている。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
．５終〜２０終、特にｌ終〜５ＪＬ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、例えばクラークとガバルにより
、米国特許第４３８７９２４号明細書で提案されている
。

本発明は、上記の強誘電性液晶を、双安定を有する状態
で使用する場合のセル構造及び駆動方法に工夫を加える
ものであり１強誘電性液晶素子の電極上に、層厚の異な
る絶縁膜を設けることにより、階調表示を可能にするも
のである。

原理的に、電極上に絶縁層を形成した基板を液晶層の片
側もしくは両側に使用して液晶表示素子を構成した場合
、例えば、絶縁層の容量をＣＩ、液晶層の容量をＣ２と
し、プラス方向のパルスを印加して、その電圧波高値を
ＶＯとすると、液晶層には、容量分割により、Ｖｏ−Ｃ
＋／（Ｃ＋＋（ｚ）の初期電圧がかかり、その後は、絶
縁層の抵抗値Ｒ１が十分に大きければ、液晶層の抵抗値
Ｒ２に比例する時定数で＝　Ｒ２（Ｃ＋＋　０２）で減
衰して行く、液晶層で電荷がリークするのとほぼ等しい
時間だけパルスを印加すると、パルス波形の下降時に印
加電圧と逆極性の電界が液晶層に印加されるので、この
場合に、液晶層の抵抗Ｒ７、及び容量Ｃ２を一定とする
と、絶縁層の容量ＣＩ　により初期電圧値及び時定数が
変動することになる。ここで、画素電極上に絶縁層の厚
みの分布を形成することによる容量分布を実現すれば、
印加電圧の周波数と電圧波高値とを変化させることによ
り、前記容量分布に対応した状態で、液晶表示を制御す
ることができる。

［実施例］：゛ 以下、図面と実施例により、本発明の詳細な説明する。

第１図（イ）は、本発明を実施した液晶表示素子の構造
の一例を示す断面図である。第１図において、液晶表示
素子は、透明電極ｌと、液晶層２と、絶縁層５とを積層
状にガラス基板６で挟持して構成されている。透明電極
ｌは公知の１丁０電極であり、液晶層２は前記強誘電液
晶の一種ｒＪＯＢＡＮＢｃが使用され、絶縁層５はポリ
イミド樹脂で、図中下方のＩＴＯ電極１上に形成されて
いる。液晶表示素子は図中３つの画素領域（−）。

（ニ）、及び　（三）に分割され、それぞれの領域で、
絶縁層５は異なる層厚にバターニングされていて、それ
に伴い、領域（−）での容量はＣＩ’。

領域（ニ）での容量は０１′、領域（三）での容量はＣ
，〜である。同様に、液晶層の容量及び抵抗も、それぞ
れＣ２’、Ｃ２″、Ｃ２＃及びＲ２’、Ｒ２″。

Ｒ２’″とすると、この液晶表示素子の容量分布は、第
１図（１１）の回路図に示されるようになる。ここで、
３つの領域の面積が等しいとすると、液晶層の厚みが絶
縁層の厚みに比較して十分に大きいものとして、近似的
にＣ２’＃　Ｃｚ”ｘｒ　Ｃｚ−テあり、Ｒ２’＝　Ｒ
２″＝：Ｒ２−であるとすることができ、この場合には
、液晶層にかかる電圧波形は絶縁層での容量の函数とな
る。

第２図（ａ）〜（ｆ）は、一画素に印加される電圧波形
及び液晶層間における電圧波形の各個を示す波形図であ
って１図（ａ）は、パルス巾Ｔ、波高値ＶＯの印加電圧
パルスを示し、そのパルス巾Ｔ及び電圧Ｔｏ　を適切に
設定することにより、Ｃ１〜＞Ｃ１″＞ＣＩ’として、
領域　（三）、（ニ）。

（−）にかかる電圧波形をそれぞれ図（ｂ）、　（Ｃ）
。

（ｄ）の如くにすることができる。即ち、領域（三）で
は液晶分子は前記第一の安定状態になり、領域（ニ）で
は前記第一の安定状態になったのち直ちに前記第二の安
定状態に反転してしまい、領域（−）では電圧印加前の
状ｔｉ　Ｑ　ｎ−＋　を保つ、また、この時、領域（ニ
）に対して図（ｅ）に示されるようなパルス（Ｖ＋≦Ｖ
Ｏ、Ｔｏ　＜’ｒ）を加えると、図（ｆ）に示されるよ
うな電圧が液晶に印加され、領域（ニ）でも第一の安定
状態に書込まれる。下表は、に記の動作を一覧表とした
ものである。

第１表 注１）電圧変調（Ｖｌ＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５）注２
）１”になる電界方向の電圧を与える。

第２表 注１）周波数変調（ｒ＋＜　ｆｚ＜　ｈ）注２）”ｌ”
になる方向の電界を与える。

上記第１表及び第２表は、画素内の債城別の状態変化を
示す表で、第１表は電圧変調によるものであり、第２表
は周波数変調によるものである。

表中“Ｏ”及び“１″はそれぞれ双安定状態の一方を示
し、”１”になる方向へ電界が与えられるものとする＊
Ｑｎ−１は電圧印加前の状態を示し、この状態を考慮に
入れて駆動すれば、１画素上における一部領域と他の領
域との状態を異ならせることが可滝になり、階調表示が
達成される。

実施例１ 液晶として公知のＤＯＢＡＭＢＧを使用し、液晶セルの
ギャップを約２．０鉢腸とし、内面にポリイミド樹脂の
パターニングによりｉ１図に示された如き断面の絶縁層
を画素毎に形成し、ラビング処理を行った。ここで、領
域の面積をすべてｌ　ｃｔａ２に均一化し、絶縁層の層
厚を領域　（−）、（ニ）。

（三）それぞれについて４０ＯＡ、　８００　Ａ、　２
ｏ００Ａとした場合、印加電圧パルスの初期電圧をＶＯ
とすると、前記領域（−）、（ニ）、（三）それぞれ約
６２％、８９％、８４％の初期電圧が印加され、それぞ
　　　　ｌ゛れの時定数は、約０．４．０．８．１．８
ｍ５ｅｃ　テある。

従って、第１表に相当する電圧値としては。

１）ＩＶ＞Ｖｌ ｉ）ＩＶ　＜Ｖ２　＜５Ｖ 市）　５　Ｖ　＜　Ｖ３　＜３０Ｖ ｉｖ　）　３０Ｖ　＜　Ｖ　４　＜　７０Ｖｖ）７０Ｖ
＜Ｖｓ で達成できた。ｔ５ｚ表に相当する周波数としては、 ｉ　）　　８２５Ｈ２＞　ｆ　＋ ｎ　）　６２５Ｈ２＜　ｆ　２　＜　１２５０Ｈ２ｍ　
）　　１２５０Ｈ２＜　ｆ　：１ で達成できた。

第５図（４）、　（１１）及び（ハ）は、未発明を実施
した液晶表示素子の別な画素構成例を示す平面図、側面
図及び正面図である。第５図の各図において、ＩＴＯ電
極１はガラス基板６上に形成され、そのＩＴＯ型Ｏ電極
ｌ上リイミド絶縁層５が６層にわたって積層されている
。絶縁層の各層は面積が異なるので、結果的には、平面
図（イ）に示されるＡ−Ｆの各領域が側面図（ａ）に示
されるｄ１〜ｄ６の層厚を有するのと同一になり、 ｄｌ＜ｄ２＜ｄｘ　＜ｄａ　＜ｄｓ　＜ｄ６より。

ＣＡ　＜　ＣＢ　＜　ＣＣ＜　ＣＤ　＜　ＯＦ　＜　Ｃ
Ｆであり、画素面積をＳとすると、各容量は次のように
なる。

Ｃ＾＝Ｓ（εＯ’ｌ：ｒ）／ｄ６ Ｃｅ＝Ｓ（εＯ°εｒ）／ｄｓ ＣＣ＝　Ｓ　（＠ｏ°εｒ　）　／　ｄ４ＣＤ　＝　Ｓ
　（εｏ−ｅｒ　）　／　ｄ３ＧＥ　＝Ｓ　（εａ・ｅ
ｒ　）　／ｄ２Ｃｒ　＝Ｓ　（ｅｏ・ｅｒ　）　／　ｄ
　Ｉ但し、（ｏ　；真空の誘電率、 ε、；媒質の比誘電率 第６図（イ）及び（ロ）は、本発明を１施した液晶表示
素子の更に別な画素構成例を示す平面図及び正面図であ
って、図に示される如く１画素の各領域は均一に分割さ
れなくてもよく、第６図において、各領域の絶縁層５の
層厚は、面積比がＡ：Ｂ：Ｃ＝３：２：ｌであるとして
、ｄ　１　＜　ｄ２　＜　ｄ３　とされる。

なお、本実施例においては、絶縁層の層厚が各個域毎に
段階的に変化している各個により説明したが、層厚が連
続的に変化して分布されても、本発明の実施には何ら差
支えない。

［発明の効果］ 以上、説明したとおり、本発明によれば、双安定液晶、
特に強誘電液晶を使用し、電圧もしくは周波数の操作に
より画素を制御して階調表示を実現する液晶表示素子と
その駆動方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）及び（ｏ）は本発明の一実施例の断面図及
び等価回路図、第２図（ａ）〜（ｆ）はその電圧波形図
、第３図及び第４図は強誘電液晶の説明図、第５図及び
第６図は本発明の別な実施例の説明図である。 ｌ・・・電極、２・・・液晶層、５・・・絶縁層。 ６・・・ガラス基板、ＶＯ・・・電圧波高値、ｆ・・・
周波数。 第１図 （イ） 第２図 第３図 第４図 第５図 （ハ） 第６図 （イ） 矢視Ｄ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）強誘電性液晶を使用した液晶層と、絶縁層と、表示
   画素電極とを積層状に備えた液晶表示素子であって、絶
   縁層が表示画素電極上に形成され、その層厚が連続的も
   しくは段階的に変化して分布されることを特徴とする液
   晶表示素子。 ２）強誘電性液晶を使用した液晶層と、表示画素電極と
   、該表示画素電極上に形成された層厚の異なる絶縁層と
   を備えて成る液晶表示素子の駆動方法であって、周波数
   もしくは電圧波高値を絶縁層の層厚に対応させて変化さ
   せた信号電圧を表示画素電極へ印加することを特徴とす
   る液晶表示素子の駆動方法。