JPS63129324A - 強誘電性液晶素子の駆動方法 - 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−光シャッタ等に応用される強誘電性液晶
素子の駆動方法に関し、更に詳しくは、駆動および表示
特性等が改善された強誘電性液晶素子の駆動方法に関す
る。

（従来の技ｖＲ） 従来、液晶を一対の対向電極間に挟持させてなる種々の
液晶素子が提案されているが、ＤＳＭ（Ｄｙｎａａ＋ｉ
ｃ　ＳｃａＬＬｅｒｉｎｇ　Ｍｏｄｅ）型の液晶素子以
外については、液晶層中のナトリウムイオン等のプラス
イオンや塩素イオン等のマイナスイオン等の荷電体をコ
ントロールする必要はあまり認められていない。

その理由は、現在普及しているＴＮ　（Ｔｗｉｓｔｅｄ
ＮｅｍａＬｉｃ）型液晶素子（例えば、Ｍ、５ｃｈａｄ
ｔとＷ、１Ｉｅｌｆ−ｒｉｃｈ　　著、　　′へｐｐｌ
ｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　ＬｅＬｔｅｒｓ　　″　
、Ｖｏｌ。

＋８．　Ｎｏ、４　（１９７１，２，１５）　、　Ｐ、
１２７〜１２８のＶｏｌｔ−ａｇｅ　　Ｄｅｐｅｒｌｄ
ｅｎＬ　　０ｐｔｉｃａｌ　　Ａｃｔｉｖｉｔ、ｙ　　
ｏｆ　　ａ　　ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ　Ｌｉｑ
ｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ″参照）においては、（１）過
度のイオン流が液晶分子の配列を乱す。

（２）液晶材料の耐久性を低下させる。

（３）液晶層にかかる電圧の時定数が短くなる。

等の影響がイオン等の導電性物質によって引き起される
ことが考えられたが、実際には液晶を適当に精製するこ
とによって液晶の体積抵抗を１０９ΩＣＩｌ以トに上げ
たり、素子の構成過程で液晶の汚染防止を効果的にする
等の手段により酵述の（１）および（２）の問題は十分
対応可能であり、一方駆動方式においては、交流駆動体
、リフレッシュ、蓄積型が基本となるため、前記（３）
の点も深刻な問題とはならなかったことによる。

これに対して、近年上界的に開発が進んでいる強誘電性
液晶層子の場合には、液晶層中のイオン等の荷電粒子の
挙動が、強誘電性液晶素子の特性に重大な、ＢＩ　Ｍを
与えることが明らかにされている。

例えば、クラークとラガヴアル等の提案した強誘電性液
晶素子の構成においては、第１図に示されるように液晶
層内で各液晶分子の双極子の方向が揃い、液晶の自発分
極が生じている。

この自発分極の存在は、強誘電性液晶素子のスイッチン
グ特性の条件であるため、この自発分極による電荷の片
寄りは、５ＳＦＬ（１：Ｄ（Ｓｕｒｆａｃｅ　５ｔａｂ
ｉ−ｆｉｚｅｄ　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｉｑ
ｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ）においては
不可避なものである。

（発明が解決使用としている問題） 以北の如き強誘電性液晶素子における液晶分子の自発分
極は必然的なものであるが、この分極電荷の影響によっ
て、素ｆの非駆動時（すなわち、メモリー状態）におい
て液晶層の双安定性を損なうような変化が生じるという
問題があることが判明した。

すなわち、素子内にはＩＴＯ電極等の透明電極が存在し
、その上に誘電体および配向膜を介して液晶層に接する
構成が一般的であるが、その場合にメモリー状態（印加
電圧二〇）でも、液晶層内には液晶層Ｙ−の分極電荷に
よって生じる電界が存在して、この電界によって液晶層
内に存在しているイオン性不純物が泳動して、イオンの
不均一な偏在が生じる。このイオンの偏在によって、逆
に液晶分子が拘束を受けるため、液晶分子のスイッチン
グ状態での双安躬洗乱され、更には素子のメモリー性自
体の消滅をも誘引するという重大な問題が生じ、現在の
強誘電性液晶素子を光シャッタやディスプレイとして考
えた場合大きな障害となっている。

従って、強誘電性液晶層ｆにおいては液晶層内に存在す
るイオンによる間■を解決することが要望されている。

（問題点を解決するための手段） 本発明者は上記の如き従来技術の問題点を解決すべく鋭
意研究の結果、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、透明電極を有す、る２枚の対向し
た基板間に配置したプラスおよびマイナスのイオン性物
質が基板方向に偏在している強誘電性液晶層に、上記イ
オン物質の偏在によって生じている内部電界を相殺する
方向の直流電圧下に、スイッチングパルス信号を印加す
ることを特徴とする強誘電性液晶素子の駆動方法である
。

次に本発明を更に詳しく説明する。

本発明で使用する強誘電性液晶素子は、従来公知のいず
れの強誘電性液晶素子でもよく、いずれの素子にも本発
明を適用できるものである。

すなわち、本発明で使用される強誘電性液晶は、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採るもの、すなわち、電界に対
して双安定性を有する液晶物質である。

以上の如き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液晶が好ましく
、そのうちでは特にカイラルスメクティックＣ相（Ｓｍ
Ｃ”）またはＨ相（Ｓｍｌｌ’）の液晶が通している。

これらの強誘電性液晶は、“ＬＥＪＯ１ｌＲＮ八Ｌ　　
ＤＥ　　ｐＨＹＳ［ＯＵＥ　　ＬＥＴＴＥＩＩＳ″　１
旦（Ｌ−６９）＋９７５、’Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉ
ｃ　Ｌｉｑｕｉｄ　ＣｒｙｓＬａｌｓ」；　Ａｐｐｌｉ
ｅｄ　Ｐｈ−ｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ″３６　（Ｉ
　１）　＋９８０、’Ｓｕｂｍｉｃｒｏ　５ｅｃｏｎｄ
Ｂｉｓｔａｂｌｅ　　ＥＩｅｃｔｒｏｏｐＬｉｃ　　Ｓ
ｗｉｔｃｈｉｎｇ　　ｉｎ　　ＬｉｑｕｉｄＣｒｙＳＬ
ａｌｓに　″固体物理”　１Ｂ（１４１）１９８１　　
ｒ液晶」等に記載されており、より具体的には、例えば
、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（ＤＯ［ｌＡＭＢＧ）、ヘキシルオ
キシベンジリデン−Ｐ′−アミノ−２−クロロプロビル
シンナメート　（ＩＩＯＢＡＣＰＣ）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）等か挙げられる。

第２図示の例は強誘電性液晶Ｊ　ｆの１例を摸式的に示
すものであり、図中の１と１′はＩｎ、０３．５ｎ０２
あるいは［ＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）
等の透明電極かコートされた基板（例えばガラス板）で
あり、これらの一対の基板の少なくとも一方には配向膜
（図示なし）か設けられ、これらの配向膜の間にｎＭ記
の如き液晶からなる液晶層２が、基板面に市直になるよ
うに配向したＳｅｃ″相の液晶として封入されている。

太線で示した線３か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ｊ′−モーメン
ト（Ｐ±）４を有している。

このような強誘電性液晶素子の基板１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
せん構造かほどけ、双極子モーメント（Ｐ±）４がすべ
て電界方向に向くように液晶分子３の配向方向を変える
ことができる。

液晶分子３は細長い形状をイｆしており、その長袖方向
と短軸方向で屈折率の異方性を示し、従って、例えば、
基板面の上下に互いにクロスニフ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
化する液晶光学変調素Ｙ−となることは容易に理解され
る。

更に液晶層ｒ−の厚さを充分に薄くした場合（例えば１
μｍ）には、第３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Ｊ４Ｊ−モーメントＰまたはＰ′は」−向き
（４ａ）または上向き（４ｂ）のいずれかの状態をとる
。このような素子に第３図に示す如く一定の閾値以上の
極性の兄なる電界ＥまたはＥ′を所定時間付与すると、
双極子モーメントは７「界ＥまたはＥ′の電界ベクトル
に対応して上向き１ａまたは下向き４ｂと向きを変え、
それに応じて液晶分子は第１の配向状態５かあるいは第
２の配向状態５′の何れか一方に配向する。このような
強誘電性液晶層ｆを光学変調素子として用いることの利
点は２つある。

第１には、応答速度か極めて速いこと、第２に液晶分子
の配向が双安定性状態をイｆすることである。第２の点
を例えば第３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の配向状態５に配向するが、この状態
では電界を切っても安定である。また、逆向きの電界Ｅ
′を印加すると、液晶分子は第２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
この状態に留まっている。また、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、素ｒ−としてできるだけ薄い方
か好ましく、一般的には０．５〜２０μｍ、特に１〜５
μｍが適している。この種の強誘電性液晶を用いるマト
リックス電極構造を有する強誘電性液晶素子は、例えシ
、クラークとラガバルにより、米国特許第４３６７９２
４号明細占に提案されている。

以上は強誘電性液晶素子の構成の１例であるが、これら
の強誘電性液晶素子は時運の如く、液晶層内に存在する
イオンによって種々の問題を生しるものであった。

すなわち、強誘電液晶は第１図に示したように分子双極
Ｙ−に由来する自発分極を持ち、強誘電性液晶が双安定
性を有する液晶素子では、その分極によって誘起される
内部電界が発生している。この内部電界は強誘電性液晶
層に電圧が印加・無印加にかかわらず常に存在している
。

一方、強誘電性液晶（あるいは一般の液晶）は有限の抵
抗値を持ち、一般に実用レベルでは抵抗値か１０１０〜
１０口Ωｃｍ程度であり、これは液晶中のイオン性不純
物に由来するものである。

尚、抵抗値（Ωｃａ＋）は八Ｓ’ｒＭ（八ＭＥＲＩＣＡ
Ｎ　ＮＡＴＩＯＮＡＩ、５ＴＡＮＤＡＲＤ）　Ｄ−２５
７によって測定した値である時運した自発分極によって
誘起された内部電界により、強誘電性液晶内のイオン種
が泳動し、これらのイオン種は各電極方向に偏在せしめ
られる。そしてこれらイオンの偏在はかなりの時間安定
に存在する。

以上の現象は以下の実験によって確かめられる。例えば
、第４図示のように透明電極６Ｆに配向膜等の絶縁１１
Ｑ７を設けた素子に強誘電性液晶を封入し、強誘電性液
晶素子を作る。その分子３の向きを一方の方向に向けて
（自発分極の向き、ｊニ→下）且つ電極６を同電位にし
て放置すると、その分極方向のみが安定になり、もう−
・方の状態が実現できなくなり、液晶分子３の双安定性
が消失する（第４図ａ）。次にこの素Ｙ−に上基板から
下基板の方向に数ボルトの外部電圧Ｅを印加して数分間
放置しく第４図ｂ）、再び上下電極を同電位にする（第
４図Ｃ）と今度はもう一方の状態が安定になり、駆動パ
ルスを印加しても液晶分子３を逆の状態に転移させるこ
とができない。

こわらの現象は第４図中のプラスおよびマイナスで表し
たイオンの偏在によりわかりやすく説明できる。

第４図ａの場合は液晶分子３の分極による内部電界、第
４図すの場合は外部電界によってイオン泳動が起こり、
それぞれのイオンの偏在により液晶分子３の分極方向が
安定化され、液晶分子の双安定性が低下し、液晶分子の
単安定化現象が起こることがわかる。

本発明は、これらの液晶分子の単安定性化を解決するた
めに素子の駆動時に１０ｍＶからＩＯＶの電圧を、駆動
パルスに重畳して印加することによりイオンの偏在を防
ぎ、且つイオンの偏在による内部電界を相殺するもので
ある。

（実施例） 以Ｆ実施例により本発明を更に具体的に説明する。

まず初めに本実施例に使用する駆動方法について説明す
る。

第５図は、中間に強誘電性液晶（図示せず）が挟まれた
マトリクス電極構造を有する素子１０の模式図である。

８は、走査電極群であり、９は信号電極群である。最初
に走査電極Ｓ１が選択された場合について述べる。第６
図ａと第６図すは走査信号であって、それぞれ選択され
た走査電極３１に印加される電気信号とそれ以外の走査
電極（選択されない走査電極）Ｓ２．Ｓｏｌ、Ｓ＜−に
印加される電気信号を示している。第６図Ｃと第６図ｄ
はＪ情報信号であってそれぞれ選択されたイエ号電極１
．．Ｉ３、■、と選択されない（λ号電極Ｉ２，１．に
与えられる電気信号を示している。

第６図および第７図においては、それぞれ横軸が時間を
、縦軸が電圧を表す。例えば表示するような場合には、
走査電極群８は逐次１周期的に選択される。今、所定の
電圧印加時間Ｔ、またはＩ２に対して双安定性を有する
液晶素ｆの第１の安定状態を与えるための閾値電圧を−
ｖｔｈ、とし、第２の安定状態を与えるための閾値電圧
を＋ｖ　ｔｈ２とすると、選択された走査電極８の（Ｓ
ｌ）に与えられる電極信号は、第６図ａに示される如く
位相（時間）ＴＩでは２ｖを、位相（時間）Ｉ２では一
２ｖとなるような交番する電圧である。このように選択
された走査電極に互いに電圧の異なる複数の位相間隔を
有する電気信号を印加すると、光学的「１１ｈ」あるい
は「明」状態に相当する液晶の第１あるいは第２の安定
状態間での状態変化を、速やかに起こさせることができ
るという重要な効果が得られる。

一方、それ以外の走査電極８２〜Ｓ５−は、第６図すに
示す如くアース状態となっており、電気信号０である。

また、選択された信号電極１１、Ｉ３、Ｉｓに学えられ
る電気信号は、第６図Ｃに示される如くｖであり、また
選択されない信号電極■２、Ｉ４に与えられる電気信号
は、第６図ｄに示される如＜−Ｖである。以上において
各々の電圧値は、以下の関係を満足する所望の値に設定
される。

Ｖ＜Ｖｔｈ２＜３Ｖ −３Ｖ＜−ＶｔＦｌ＋　＜−Ｖ このような電気信号が与えられたときの各画素のうち１
例えば第５図中の画素ＡとＢにそれぞれ印加される電圧
波形を第７図ａとｂに示す。すなわち、第７図ａとｂよ
り明らかな如く、選択された走査線上にある画素Ａでは
、位相Ｔ２において、閾値Ｖ　Ｌｈ２を越える電圧３ｖ
が印加される。また、同一走査線上に存在する画素Ｂで
は位相Ｔ、において閾値−ｖｔｈ、を越える電圧−３ｖ
が印加される。従って、選択された走査電極線上におい
て、信号電極が選択されたか否かに応じて、選択された
場合には液晶分子は第１の安定状態に配向を揃え、選択
されない場合には第２の安定状態に配向を揃える。

一方、第７図Ｃとｄに示される如く、選択されない走査
線上では、すべての画素に印加される電圧はＶまたは−
Ｖてあって、いずれも閾値電圧を越えない。従って、選
択された走査線上以外の谷画素における液晶分子は、配
向状態を変えることなく１）「回走前されたときの１５
号状態に対応した配向を、そのまま保持している。すな
わち、走査電極が選択されたときにその１ライン分の信
号の占き込みが行われ、１フレームが終了して次回選択
されるまでの間は、その信号状態を保持しｊ１？るわけ
である。

上記実施例に使用した強請１゛「液晶材料は、以丁の液
晶組成物である。

チッソ■社製、Ｃ３ｌＯＩＩ 相転移 （ＣｒｙｓｔａｌからＳｍＣ’の相転移温度不明）液晶
層Ｙ−は第５図に示したようなマトリクス状電極を有し
、その液晶層の厚みは１．８μｍであり、両側の基板に
はラビング処理したポリイミド製配向１１Ｑ　（ＩＩＱ
Ｊ’Ｊ＋ｏｏｏ人）が設けられている。この素子中にｃ
ｓｔｏｉｔを等吉相温度まで昇温して注入し、注入後、
０．５°／ｌｈｒ、の割合で降温した。その結果欠陥の
少ないモノドメイン性の良好な液晶分子の配向が得られ
た。

この液晶層ｆの仝而を一方の安定状ｆ！！、（暗状態）
にする方向のＤＣ電圧５Ｖを１時間印加した後、ＤＣ電
圧をオフにして先の駆動パルスを印加すると、もう一方
の安定状態（明状態）が安定になっており、イオンの偏
在による単安定化現象が確認された。

次に−）き込み信号のバイアス値、つまり第６図、第７
図に示されている点線の電位を正負に変化させることに
よって所望の画像が液晶、ＡＹ−に描かれるかどうかの
実験を試みた。結果として先のイオンが偏在している場
合に用いた直流′ｆ′「圧と同じ方向にバイアス電圧を
１．８部重畳し、駆動パルスを印加することにより所望
の画像を形成することができた。

以上は素子の駆動時に直流電界を印加したが、実際には
、イオンの偏在を無くしてイオンの存在を均一にするた
めに素子を使わない間にも、直流電界を印加しておくの
が好ましい。このために乾電池を内蔵させておき、パワ
ーオフ時にはこの乾電池により直流バイアスを印加する
ことができるようにするのが好ましい。

（作用・効果） 以上の如き本発明によれば、従来の強誘電性液晶層ｆに
おいて、その液晶層中にイオン性物質が存在し、それら
のイオンが偏在していても、それらの偏在によって生じ
る内部電界を相殺する方向に直流電圧を印加しつつパル
ス信号によって駆動することによって、素ｆを長時間放
置しても、閾値の差や双安定性の低丁がなく、素子−を
有効に駆動することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は強誘電性液晶素子の断面の１部を図解
的に示し、且つ液晶分子の分極の二つの状態を図解的に
示す図であり、第５図〜第７図は、強誘電性液晶層Ｔ−
の駆動方法を図解的に示１−図である。 １．１′・一基板 ２・・・液晶層 ３・・・液晶分子 ４・・・双極子モーメント ５．５′・−配向状態 ６・・・電極 ７・・・配向膜 ８・・・走査電極群 ９・−信号電極群 １０・・・素子 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 透明電極を有する２枚の対向した基板間に配置したプラ
   スおよびマイナスのイオン性物質が基板方向に偏在して
   いる強誘電性液晶層に、上記イオン物質の偏在によって
   生じている内部電界を相殺する方向の直流電圧下に、パ
   ルス信号を印加することを特徴とする強誘電性液晶素子
   の駆動方法。