JPS62235932A - 液晶素子 - Google Patents

液晶素子

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JPS62235932A
JPS62235932A JP61078100A JP7810086A JPS62235932A JP S62235932 A JPS62235932 A JP S62235932A JP 61078100 A JP61078100 A JP 61078100A JP 7810086 A JP7810086 A JP 7810086A JP S62235932 A JPS62235932 A JP S62235932A
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修 谷口
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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】 九亙豆j 本発明は、液晶素子などの光学変調素子の駆動法に係り
、詳しくは表示素子やシャッターアレイ等の光学変調素
子に用いる液晶素子に関する。
11韮遣 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、表示素子として
実用に供されているのは殆んどが、例えば、エム、シャ
ット(M、5chadt)とダブリュー、ヘルフリヒ(
W、He1frich)著、”アプライド、フィズイク
ス、レターズ18巻4号(″ Applied  Ph
2sics  Letters  ”  、  Vol
、18.   No。
4 ) (+971.2.15) 、 P、127〜1
28の「捩れネマチック液晶の電圧依存光学挙動」 (
”Vo l tage−Dependent  0pt
ical  Activit7  of  a  Tw
istedNematic  Liquid  Cr7
stal” )に示されたTN(twisted ne
matic)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、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1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なる
。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yJ″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、半選択点にがかる電圧の
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。しかし、こ
の方式において、走査線数(N)を増やして行った場合
、画面全体(1フレーム)を走査する間に一つの選択点
に有効な電界がかかっている時間(duty比)は、l
/Nの割合で減少してしまう、このために、くり返し走
査を行った場合の選択点と比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
避は難い欠点となっている。このような現象は、双安定
性を有さない液晶(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る。
この点を改良するために、電圧平均化法、2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
になっているのが現状である。
この様な、液晶素子の欠点を改善するものとして、双安
定性を有する液晶素子の使用が、クラーク(C1ark
)及びラガウZ)Lt (Lagerwall)により
提案されている(特開昭56−107216号公報、米
国特許第4百67924号明細書等)、双安定性を有す
る液晶としては、一般にカイラルスメクチックC相(S
mC”)又はH相(SmHx )を有する強誘電性液晶
が用いられる。この液晶は電界に対して第1の光学的安
定状態と第2の光学的安定状態からなる双安定状態を有
し、従って前述のTN型の液晶素子とは異なり、例えば
一方の電界ベクトルに対して第1の光学的安定状態に液
晶が配向し、他方の電界ベクトルに対しては第2の光学
的安定状態に液晶が配向される。またこの型の液晶は、
加えられる電界に応答して、極めて速やかに上記2つの
安定状態のいずれかを取り、且つ電界の印加のないとき
はその状態を維持する性質を有する。このような性質を
利用することにより、上述した従来のTN型素子の問題
点の多くに対して、かなり木質的な改善が得られる。
本発明者らの研究によれば、上述した強誘電性液晶素子
の双安定性を実現し、且つ良好な閾値特性、スイッチン
グを含む動作特性を実現するためには、一対の基板間に
らせん構造が解除されたカイラルスメクチック相を有す
る強誘電性液晶層を配置し、且つ該一対の基板の少なく
とも一方に配向処理、特にラビング、斜方蒸着等の一軸
性配向処理を施すことが好ましいことが見出されている
。しかしながら、この型の液晶素子においても、明暗状
態間のコントラストを含む表示特性が未だ充分とは云え
ないという問題点があり、実用化の一つの障害となって
いる。
11豆11 本発明の主要な目的は、上記問題点について改善し、コ
ントラストを含む表示状態の一層良好な強誘電性液晶素
子を提供することにある。
先且立1」 未発明者らは、上述の目的で研究した結果、上述した表
示特性の不良の主要な原因は、らせん構造の解除された
カイラルスメクチック液晶においても、なお且つ一対の
基板間での層厚方向において液晶分子のダイレクタの基
板への射影がねじれ構造をとっていることによることを
見出した。更に、一対の基板に施した特定の配向処理と
の関連で液晶材料を選択して組合わせることにより、上
記した液晶分子の層厚方向でのねじれ構造を実質的に解
消することが可能であり、これにより一層の表示状態の
改善が得られることを見出した。
本発明の液晶素子は、このような知見に基づくものであ
り、より詳しくは、対向電極を有し、少なくとも一方に
配向処理が施された一対の基板間に、らせん構造が解除
されたカイラルスメクチック相を有する強誘電性液晶層
が形成された液晶素子において;上記強誘電性液晶層が
、それぞれ単独では上記基板間に層形成した際に液晶分
子のダイレクタの上下基板への射影が液晶層の厚さ方向
で右ねじれと左ねじれとの互いに逆方向のねじれ構造を
与える二種の液晶材料を少なくとも含有することを特徴
とするものである。
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に詳細
に説明する。
の      1 未発明の主要な特徴の説明の前に、強誘電性液晶素子の
概要を説明することが適当であろう。
本発明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1の光学的安定状態と第2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
を有する液晶が用いられる。
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1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、そのうち力イラルスメクテイックC相(S
mC”)又はH相(SmHx )の液晶が適している。
この強誘電性液晶については、′ル、ジュルナル、ド、
フィズイク。
レトルズ’3B(L−69) 1975. r強誘電性
液晶」(LE JOURMAL DE PHYSIQU
E LETTER93B (L−89) 11375.
 rFerroelecLric Liquid Cr
ystals J);”アプライド、フィズイクス、レ
ターズ″銭(11) 11180.  r液晶のサブ・
マイクロ秒双安定スイ、チングJ  (” Appli
ed  Pbysics Letters”313  
(11)  1980、  r Submicro  
5econd  Bi−5tableElectroo
ptic Switching in Liquid 
CrystalgJ):”固体物理”■(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) (DOBAMB
C)、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”相又はSmH”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
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。11aとllbは、In2O3,5n02やI
 T O(Indium−Tin 0xide)等(7
) 1! ”11 Tf、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工)14を有している。基板11aとtib
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
よ)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
充分に薄くした場合(例えばlル)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、はどけ、その双極子モーメントPa又はpbは
上向き(24a)又は下向(24b)のどちらかの状態
をとる。このようなセルに第2図に示す如く一定の閾値
以上の極性の異る電界Ea又はEbを付与すると、双極
子モーメントは電界Ea又はEbの電界ベクトルに対応
して上向き24a又は、下向き24bと向きを変え、そ
れに応じて液晶分子は第1の安定状態23aかあるいは
第2の安定状態23bの何れか1方に配向する。
このよう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。it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Eaを印加すると液晶分子は第1の安定状態23 a
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Ebを印加すると、液晶分子は第2の
安定状23b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。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、0.5JL〜20ル、特に1座〜5舊が適している
。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、例えばり、ラークとラガ
バルにより、米国特許第4367924号明細書で提案
されている。
以上において、双安定性強誘電性液晶素子の概略を理想
的なモデルで説明した。ここにおいて、先にも述へたよ
うに良好な双安定性を実現し、且つ良好な閾値特性、ス
イッチング特性を含む動作特性を与えるためには、一対
の基板の少なくとも一方に、配向処理、特にラビング、
斜方蒸着等の一軸性配向処理を施すことが好ましい、し
かしながら現実には、採用した特定の配向処理方向と液
晶材料の組合せによっては、明暗状態間でのコントラス
トを特徴とする特性に差異が生ずる0例えばコントラス
トの差は、液晶セルをクロスニコルで挾んだ場合の“暗
状態”の完全性、ならびに同じく゛明状態”の透過率(
明るさ)の差の結果として生ずる。このような特性差を
生ずる主たる原因は先にも述べたように液晶セルの厚さ
方向で液晶分子のダイレクタの基板への射影かねじれ構
造をとっていることである。
ここで、先に述べたねじれ構造について実験例に基づい
て若干の説明を行う。
例えば液晶分子が第2図のような配列状態で均一に並ぶ
と、液晶セルの両側に配置する偏光板(透過型で特性を
調べるときを仮定し、光の入射側に設こするものを偏光
子、出射側に設置するものを検光子と呼ぶ)が直交し、
且つ一方の偏光板の偏光軸が第1安定状態の分子のダイ
レクタと平行のとき、第1の安定状態では透過光は零と
なり完全「暗」状態が得られる。しかしダイレクタが均
一に第1の方向を向くことなく液晶セルの厚さ方向で少
しねじれている場合、偏光子と検光子が直交している状
態では完全「暗」状態は得られず、例えば偏光子と検光
子を右方向にねじる配置か左方向にねじる配置に設定す
ると、より暗い状態が得られる。このようなねじれ構造
のモデルを推定すると例えば第3図に示すようになる。
第3図はらせん構造が解除され、双安定状態を有する液
晶セルのスメクチック層の面内で切断したときの、ダイ
レクタ即ちCダイレクタ31および対応する自発分極3
2の配列の様子を示したものであり、一番上の円(液晶
コーンのスメクチック層面への射影に相当)は上基板近
傍の状況を、一番下の円は下基板近傍の状況を示す、第
3図(a)は平均的自発分極33bの向きは下向き、(
b)の平均的自発分極33aは下向きである。従って電
界によって(&)と(b)の間でスイッチングがおこる
。第3図(a)(b)の状態はいずれも、ダイレクタの
基板面への射影は厚さ方向で左ねじれ方向となっている
。またダイレクタの基板面への射影が厚さ方向で右ねじ
れの場合の構造モデルを第4図(a)、(b)に示す、
第3図および第4図を見てわかるように、左ねじれか、
右ねじれかはダイレクタの射影が層厚方向で連続的に、
あるいは不連続的に変って行く方向を云い、これは最暗
状態を得るために上基板側の偏光板の偏光軸に対して下
基板側の偏光板の偏光軸を、互いに直交する状態から回
転すべき方向(左ねじまたは右ねじ方向)と一致し、ま
たこれにより確認される。
一方、第5図は液晶セルの厚さ方向にねじれ構造が無い
、即ち理想的な場合のCダイレクタの配列を示したもの
である。一般化のため図では液晶分子が基板面に対し少
しチルトしているケースが示しである。それぞれ自発分
極の向きは(a)で上向き(b)で下向きである。さて
、一般に第3図および第4図に示したねじれ構造のそれ
ぞれの状態は非常に安定であり、メモリー性を生かした
時分割駆動(例えば特開昭59−193428号、特開
昭60−33535号各公報等に記載の方法)を行い画
像表示を行うに適している。しかしこれを第5図に示し
たねじれ構造の無い場合と比較すると、光学的な特性の
面から特に、コントラストと透過率の点に於て劣ってい
ることが判った。また本発明者らによれば、より良い液
晶光学素子を得るために、特定の配向処理を施した基板
との組合せにおいて上述した右ねじれ構造を示す液晶材
料と、左ねじれ構造を示す液晶材料とを組合せることに
より、実質的にねじれ構造を示さない液晶組成物が得ら
れることが見出されたのである0本発明に従い一対の偏
光板の直交ニコル配置からの上述した右ねじあるいは左
ねじ回転による最暗状態を得るための回転角度を、単独
で最大の回転角度を与える液晶材料のそれに対して30
%以下、特に5%以下に押えることが好ましい、これに
より、閾値特性、動作温度特性などの諸特性と調和し、
なお且つコントラスト等の表示特性の優れた液晶組成物
が与えられる。
特定の液晶材料が、上述した右ねじれ、左ねじれのいず
れを取り、また、どの程度のねじれを起すかは、基板に
施す特定の配向処理ならびに液晶層厚との関係により変
化するものであり、−概には決定されない、従って、本
発明の適用に当っては、使用すべきセルについての上述
の要因、特に特定の基板配向処理方法との関係で予め確
認の上、液晶材料を選択して組合せ使用することが好ま
しい。
配向処理方法としては、電極上に設けたポリイミド、ポ
リアミド、ポリビニルアルコール、シラン変性ポリビニ
ルアルコール、ポリエステル等の有機絶縁膜、5i02
,5iO1AI、O,等の無機絶縁膜のラビングあるい
は斜方蒸着等による一軸性配向処理が好ましく、中でも
ポリビニルアルコール、シラン変性ポリビニルアルコー
ル膜等を一軸性配向処理したものの特性が優れる。−軸
性配向処理は、一対の基板のみに施す方が良い場合と、
一対の基板の双方に施すことが好ましい場合とがある。
特に、降温過程において、等吉相−コレステリツク相−
スメクチックA相→スメクチックC相と相変化する液晶
に対しては両基板に処理を施すのが、またコレステリッ
ク相を示さない液晶に対しては、片側基板にのみ処理を
施すのが、より好ましい0両基板の配向処理は、同一で
も異種でもよく、特に−軸性配向処理方向は両基板につ
いてほぼ平行とすることが好ましい。
l豆立皇」 上述したように本発明によれば、らせん構造の解除され
た強誘電性液晶を挾持する一対の基板に施した特定の配
向処理との関係で、単独では上述した層厚方向のディレ
クターの右ねじれ構造および左ねじれ構造を示す液晶材
料を組合せて配向することにより得られた液晶組成物を
強誘電性液晶として用いることにより、コントラストを
はじめとする表示特性の改善された液晶素子が提供され
る。
実jL例 以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
実JL例」1 1TO電極を有するガラス基板にSiOを62°の入射
角で斜方蒸着した。SiOの膜厚は370人であった。
このような基板2枚を蒸着方向を一致させて貼り合わせ
た。セル厚は4ルであった。このセルにエステル系の強
誘電性液晶であるチッソ社製C3−33にその3%のア
ゾキシ系CH。
−CHOC? Hts )を添加してなる液晶材料を等
吉相にて注入し徐冷した。室温(25℃)にて偏光顕微
鏡で観察したところ、電界無印加で安定な状態が2つあ
ることが判った。そしてその一つの状態の最暗状態を得
るには、偏光子と検光子の偏光軸の相対的位置関係を向
かって右ねじ方向に約5°回転させる必要があった。そ
して、この第1の状態を最暗にする偏光子検光子の組合
せで第2の状態に電界によってスイッチングを行った。
第1と第2の状態間での光学的コントラスト(測定は電
界無印加時)は3であった。
次に液晶材料をチッソ社製C5−1011(材料B)に
変える以外は全く先と同様な条件のもと液晶セルを作製
した。やはり先と同様に室温(25℃)にて偏光i微鏡
で観察したところ、今度は偏光子と検光子の相対的位置
関係を向って左ねじ方向に約15°回転させたときに一
つの配向状態が最暗となる条件が見つかった。この配置
での光学的コントラストは2であった。
次に材料Aと材料Bのブレンド液晶の特性を調べた。
混合比をどのように変えても、2以上のコントラストが
得られた。又、材料Aと材料Bを4対lで混合したとき
ねじれ構造は殆ど観測されず(補償され)、直交クロス
ニコルの偏光子−検光子と組合せたときコントラストは
7と最大値が得られた。
X」01ヱ ITOの電極を有するガラス基板にポリイミド樹脂(S
 P510)を約200人塗布して、ビロードでラビン
グした。この基板と実施例1で用いた基板とを配向軸方
向が一致するように組合せて実施例1と同様な実験を行
った。材料Aと材料Bの混合比7対1のとき最大コント
ラスト8が得られた。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は、強誘電性液晶素子の動作原理を
説明するための素子の模式図であり、第1図はらせん状
態を、ff12図はらせん解除状態を示す、第3図((
a)、(b))および第4図((a)、(b))は、そ
れぞれ液晶分子ダイレクタの左ねじれ構造および右ねじ
れ構造を示すカイラルスメクチック層面のダイレクタの
模式射影図、第5図C&)、(b)は本発明によりねじ
れ構造の除かれた状態におけるカイラルスメクチック層
面へのダイレクタの模式射影図である。第3図〜第5図
において、(a)、(b)はそれぞれ双安定状態の−を
示す。 11a、1 l b ・・・基板、 12・・・カイラルスメクチック層面、13.23a、
23b、31−・・液晶分ダイレクタ。 14.24a、24b、32−・自発分極(双極子モー
メント)、 33a、33b・・・平均的自発分極。 ■J:第3図(a)、(b) 第1図 第3図 第5図 (a )    (b) 手続−711)正置(方式) 昭和61年7月4日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、対向電極を有し、少なくとも一方に配向処理が施さ
    れた一対の基板間に、らせん構造が解除されたカイラル
    スメクチック相を有する強誘電性液晶層が形成された液
    晶素子において;上記強誘電性液晶層が、それぞれ単独
    では上記基板間に層形成した際に液晶分子のダイレクタ
    の上下基板への射影が液晶層の厚さ方向で右ねじれと左
    ねじれとの互いに逆方向のねじれ構造を与える二種の液
    晶材料を少なくとも含有することを特徴とする液晶素子
    。 2、上記強誘電性液晶層は、上記二種の液晶材料を含有
    することにより厚さ方向のねじれ構造が実質的に除かれ
    ている特許請求の範囲第1項に記載の液晶素子。 3、上記配向処理が一軸性配向処理である特許請求の範
    囲第1項に記載の液晶素子。 4、一対の基板に互いに異なる配向処理が施されている
    特許請求の範囲第1項に記載の液晶素子。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6361234A (ja) * 1986-09-02 1988-03-17 Mitsubishi Electric Corp 液晶電気光学装置

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