JP2006292970A - Liquid crystal electro-optical element and method for stabilizing temperature characteristics thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶電気光学素子の液晶層母体中にナノ粒子を分散させることにより、温度特性を制御可能とした、また、温度特性の安定化を可能とした液晶電気光学素子とその温度特性安定化方法に関する。 The present invention relates to a liquid crystal electro-optical element that can control temperature characteristics and stabilize temperature characteristics by dispersing nanoparticles in the liquid crystal layer matrix of the liquid crystal electro-optical element, and to stabilize the temperature characteristics. It relates to the conversion method.
一般に、液晶を用いた電気光学素子は、液晶セルに液晶を充填して用いる。また、用いられる液晶によって非特許文献１に開示されるように、ネマティック液晶を使用したＴＮ型やＳＴＮ型、ＶＡＮ型（垂直配向ネマティック）あるいはＩＰＳ（面内スイッチング）型の他、強誘電性液晶を用いたものなどが実用化されている。
また、本願発明者は、先に特許文献１及び特許文献２において、液晶母体の中に有機分子で保護されたナノ粒子を添加分散させた液晶電気光学素子（以下、ＬＣ−ＥＯデバイスと称する場合がある。）を提案している。
これらの特許文献に開示されるように作製されたＬＣ−ＥＯデバイスは、母体液晶としてネマティック液晶を用いた場合、その電気光学応答は通常の印加電圧実効値応答の他、印加電圧の周波数に依存する。このような特性を、前者では振幅変調(Amplitude Modulation、以下、ＡＭと略す場合もある。）、後者では周波数変調(Frequency Modulation、以下、ＦＭと略す場合もある。)という。
金属ナノ粒子を添加した液晶電気光学素子は、ＡＭとＦＭ応答とを兼ね備えている。
また、このようなナノ粒子添加の液晶電気光学素子は、通常のネマティック液晶を用いた通常の電気光学素子より応答速度が速くなる。
ねじれたネマティック素子でも金属ナノ粒子添加により、矩形波電圧に対して時定数５５０μｓの応答成分を持ち、矩形トーンバースト波に対しても立ち上がりで３０％、立下りで５０％以上の高速化が可能である。また、オーバードライブにおいて、オーバーシュートを生じない波形の条件も明らかにされている。
In general, an electro-optical element using liquid crystal is used by filling a liquid crystal cell with liquid crystal. Further, as disclosed in Non-Patent Document 1 depending on the liquid crystal used, in addition to the TN type, STN type, VAN type (vertical alignment nematic) or IPS (in-plane switching) type using nematic liquid crystal, ferroelectric liquid crystal The one using is put into practical use.
The inventor of the present application previously described in Patent Document 1 and Patent Document 2 is a liquid crystal electro-optical element (hereinafter referred to as an LC-EO device) in which nanoparticles protected by organic molecules are added and dispersed in a liquid crystal matrix. There are proposals).
In LC-EO devices manufactured as disclosed in these patent documents, when nematic liquid crystal is used as the base liquid crystal, the electro-optic response depends on the frequency of the applied voltage in addition to the normal applied voltage effective value response. To do. Such characteristics are referred to as amplitude modulation (hereinafter also abbreviated as AM) in the former and frequency modulation (hereinafter also abbreviated as FM) in the latter.
The liquid crystal electro-optic element to which metal nanoparticles are added has both AM and FM response.
In addition, such a nanoparticle-added liquid crystal electro-optical element has a faster response speed than a normal electro-optical element using a normal nematic liquid crystal.
Even with twisted nematic elements, by adding metal nanoparticles, it has a response component with a time constant of 550 μs for rectangular wave voltage, and it is possible to increase the speed of rectangular tone burst waves by 30% at the rise and 50% or more at the fall. It is. In addition, in overdrive, a waveform condition that does not cause overshoot has also been clarified.
液晶の母体とは、例えばネマティック液晶、スメクティック液晶、カイラルネマティック液晶、カイラルスメクティック液晶、強誘電性液晶、反強誘電性液晶などからなる液晶分子、あるいは有機分子液晶または高分子液晶等からなる液晶母体を含む概念で、絶縁性の液体又は固体をいう。
液晶電気光学素子に添加するナノ粒子の材料として、常誘電体材料、強誘電体材料、半導体及び金属又はその化合物であって、好ましくはそれらの直径が１ｎｍ〜１００ｎｍのナノ粒子であり、そのようなナノ粒子を添加することにより、誘電率の値及びその周波数依存性を変えることができる。
すなわち、特許文献１及び特許文献２に開示された発明によれば、高速の電気光学応答を実現することが可能である。
Nanoparticle materials to be added to the liquid crystal electro-optic element are paraelectric materials, ferroelectric materials, semiconductors and metals or compounds thereof, preferably nanoparticles having a diameter of 1 nm to 100 nm, such as By adding a nanoparticle, the value of dielectric constant and its frequency dependence can be changed.
That is, according to the inventions disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, it is possible to realize a high-speed electro-optic response.
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載された従来の技術では、確かに、電気光学応答の高速化は可能であるものの、その液晶電気光学素子の特性は温度の上昇と共に動作電圧が上昇してしまい、温度依存性を無視することができないという課題があった。
また、特に低温での動作の応答速度が遅くなってしまうという課題があった。
However, although the conventional techniques described in Patent Document 1 and Patent Document 2 can surely increase the speed of the electro-optic response, the operating voltage of the liquid crystal electro-optic element increases as the temperature rises. Therefore, there is a problem that the temperature dependency cannot be ignored.
In addition, there is a problem that the response speed of the operation at a low temperature is particularly slow.
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、動作電圧の温度変化に対する依存性を消滅させ、動作温度によって特性変化がなく安定して駆動が可能な液晶電気光学素子と、その温度特性安定化法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in response to such a conventional situation, and eliminates the dependency of the operating voltage on the temperature change, and the liquid crystal electro-optical element that can be stably driven without any characteristic change depending on the operating temperature, and its An object is to provide a method for stabilizing temperature characteristics.
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である液晶電気光学素子は、一対の平行な基板と、これらの基板の対向する内側面にそれぞれ設けられた導電膜と、これら導電膜の対向する内側面にそれぞれプレティルト角を形成して設けられた液晶分子配向膜と、これら液晶分子配向膜の間に形成され、１又は複数の金属原子からなる核とその周囲に前記核と結合する液晶分子又は液晶様分子とを含んで構成される液晶相溶性ナノ粒子を添加した液晶層と、前記液晶層の光透過率を変化させるため、印加電圧の振幅及び周波数のうち少なくとも周波数を変調可能な制御回路とを有する液晶電気光学素子であって、前記制御回路は、前記液晶電気光学素子の温度上昇・下降に伴って前記印加電圧の周波数を増加・減少させるというものである。
このように構成された液晶電気光学素子では、液晶駆動のための印加電圧の周波数を一定とした場合には、液晶電気光学素子の温度上昇に伴って、液晶電気光学素子の透過率が変化する閾値電圧も上昇するという特性と、液晶電気光学素子の温度を一定とした場合には、印加電圧の周波数の増加に伴ってその閾値電圧は下降するという特性に基づいて、液晶電気光学素子の温度上昇・下降に伴って印加電圧の周波数を増加・減少させるような変調が可能な制御回路が、これらの特性を補償するように作用するものである。
なお、液晶相溶性ナノ粒子を添加しない通常の液晶層では、液晶相溶性ナノ粒子を添加した液晶とは異なり、閾値電圧は温度上昇に伴って下降するという特性を備えている。詳細に言えば、その閾値電圧はｓ1/2に比例して下降する（液晶（基礎編） 岡野光治、小林駿介 共著 培風館 １９８５年 又は 非特許文献１ 参照）。このｓはオーダーパラメータ（秩序度）である。また、閾値電圧については、図１を用いながら後で定義も含めて説明を加える。
In order to achieve the above object, a liquid crystal electro-optical element according to a first aspect of the present invention includes a pair of parallel substrates, conductive films respectively provided on opposing inner surfaces of these substrates, and opposing surfaces of these conductive films. A liquid crystal molecular alignment film provided with a pretilt angle formed on each inner surface thereof, a liquid crystal formed between these liquid crystal molecular alignment films and a nucleus composed of one or a plurality of metal atoms and bonded to the nucleus around it. A liquid crystal layer to which liquid crystal compatible nanoparticles composed of molecules or liquid crystal-like molecules are added and the light transmittance of the liquid crystal layer can be changed, so that at least the frequency and amplitude of the applied voltage can be modulated. A liquid crystal electro-optical element having a control circuit, wherein the control circuit increases / decreases the frequency of the applied voltage as the temperature of the liquid crystal electro-optical element increases / decreases.
In the liquid crystal electro-optical element configured as described above, when the frequency of the applied voltage for driving the liquid crystal is constant, the transmittance of the liquid crystal electro-optical element changes as the temperature of the liquid crystal electro-optical element increases. The temperature of the liquid crystal electro-optical element is based on the characteristic that the threshold voltage also increases and the characteristic that the threshold voltage decreases as the frequency of the applied voltage increases when the temperature of the liquid crystal electro-optical element is constant. A control circuit capable of modulation that increases / decreases the frequency of the applied voltage as it rises / falls acts to compensate for these characteristics.
Note that a normal liquid crystal layer to which no liquid crystal compatible nanoparticles are added has a characteristic that the threshold voltage decreases as the temperature increases, unlike the liquid crystal to which liquid crystal compatible nanoparticles are added. More specifically, the threshold voltage decreases in proportion to s 1/2 (see Liquid Crystal (Basic), Koji Okano and Keisuke Kobayashi, Baifukan 1985 or Non-Patent Document 1). This s is an order parameter (degree of order). Further, the threshold voltage will be described later including definitions with reference to FIG.
また、請求項２に記載の発明である液晶電気光学素子は、請求項１記載の発明において、前記一対の基板の外側面に、印加電圧０で暗、閾値電圧以上の印加電圧で明となるように偏光板を配向、又は、印加電圧０で明、閾値電圧以上の印加電圧で暗とするように偏光板を配向するものであり、その作用は、請求項１に記載の発明と同様である。 According to a second aspect of the present invention, in the liquid crystal electro-optical element according to the first aspect of the present invention, the outer surfaces of the pair of substrates are dark at an applied voltage of 0 and bright at an applied voltage equal to or higher than a threshold voltage. The polarizing plate is oriented such that the polarizing plate is oriented or bright when the applied voltage is 0, and dark when the applied voltage is equal to or higher than the threshold voltage, and the operation is the same as that of the first aspect of the invention. is there.
そして、請求項３に記載の発明である液晶電気光学素子は、一対の平行な基板と、これらの基板の対向する内側面にそれぞれ設けられた導電膜と、これら導電膜の対向する内側面にそれぞれプレティルト角を形成して設けられた液晶分子配向膜と、これら液晶分子配向膜の間に形成され、１又は複数の金属原子からなる核とその周囲に前記核と結合する液晶分子又は液晶様分子とを含んで構成される液晶相溶性ナノ粒子を添加した液晶層とを備える液晶電気光学素子であって、この液晶電気光学素子の光透過率と印加電圧の関係における電圧Ｖの温度（Ｔ）変化率が式（１）で表現されるとおり、少なくとも閾値電圧Ｖthで略０となるように、予め印加電圧の周波数が設定されるものである。
このように構成された液晶電気光学素子では、予め印加電圧の周波数を一定とした場合には、液晶電気光学素子の温度上昇に伴って閾値電圧も上昇するという特性と、液晶電気光学素子の温度を一定とした場合には、印加電圧の周波数の増加に伴って閾値電圧は下降するという特性に基づいて、液晶駆動のための温度変化によっても、少なくとも閾値電圧の変化がほとんどないような印加電圧周波数を求めておくことで、温度変化によって印加電圧の周波数を変調する必要がなく、固定した印加電圧の周波数でも上記２つの特性を補償するという作用を有する。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a liquid crystal electro-optical element comprising a pair of parallel substrates, conductive films respectively provided on opposing inner surfaces of the substrates, and inner surfaces facing the conductive films. A liquid crystal molecule alignment film provided with a pretilt angle, and a liquid crystal molecule or liquid crystal-like film formed between these liquid crystal molecule alignment films and a nucleus composed of one or a plurality of metal atoms and surrounding the nucleus. A liquid crystal electro-optical element comprising a liquid crystal layer to which liquid crystal-compatible nanoparticles are formed containing molecules, wherein the temperature of the voltage V in the relationship between the light transmittance of the liquid crystal electro-optical element and the applied voltage (T ) As indicated by the expression (1), the frequency of the applied voltage is set in advance so that at least the threshold voltage V th is substantially zero.
In the liquid crystal electro-optical element configured as described above, when the frequency of the applied voltage is made constant in advance, the threshold voltage also increases as the temperature of the liquid crystal electro-optical element increases, and the temperature of the liquid crystal electro-optical element When the voltage is constant, the applied voltage is such that at least the threshold voltage hardly changes even when the temperature for driving the liquid crystal changes based on the characteristic that the threshold voltage decreases as the frequency of the applied voltage increases. By obtaining the frequency, it is not necessary to modulate the frequency of the applied voltage due to a temperature change, and the above two characteristics are compensated even at a fixed applied voltage frequency.
請求項４に記載の発明である液晶電気光学素子は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記核の直径は０．５ｎｍ〜１００ｎｍであるものである。
このような発明における作用は、引用するそれぞれの請求項に記載された発明の作用と同様である。
A liquid crystal electro-optical element according to a fourth aspect of the present invention is the liquid crystal electro-optical element according to any one of the first to third aspects, wherein the nucleus has a diameter of 0.5 nm to 100 nm.
The operation in such an invention is the same as the operation of the invention described in each cited claim.
請求項５に記載の発明である液晶電気光学素子は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記金属原子における金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属のいずれかであり、好ましくは、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｐｂのうち１又は複数種類あるいは前記のうち１種類以上の金属を合金化し、複合化した金属のいずれかであるものである。 The liquid crystal electro-optical element according to claim 5 is the liquid crystal electro-optical element according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal in the metal atom is an alkali metal, an alkaline earth metal, or a transition metal. Preferably, one or more of Au, Ag, Cu, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Fe, Co, Ni, Sn, Pb or one or more of the above It is one of metals that are alloyed and compounded.
請求項６に記載の発明である液晶電気光学素子の温度特性安定化法は、液晶電気光学素子の液晶層の温度と印加電圧の周波数をパラメータに予め液晶駆動の閾値電圧を求めて、これらの関係のデータテーブル又は解析式を得ておき、液晶電気光学素子の駆動時に、設定された印加電圧を閾値電圧とするために液晶電気光学素子の液晶層の温度を検知して、この検知された液晶層の温度を前記データテーブル又は解析式に入力して、対応する印加電圧の周波数を演算し、当該周波数に前記液晶電気光学素子の印加電圧周波数を変調するものである。
このように構成された液晶電気光学素子の温度特性安定化法は、請求項１に記載された液晶電気光学素子を方法発明として捉えるものであり、その作用は、請求項１に記載された発明と同様である。
The method for stabilizing the temperature characteristics of the liquid crystal electro-optical element according to the sixth aspect of the invention is to obtain a threshold voltage for driving the liquid crystal in advance using the temperature of the liquid crystal layer of the liquid crystal electro-optical element and the frequency of the applied voltage as parameters. A data table or analytical expression of the relationship is obtained, and the temperature of the liquid crystal layer of the liquid crystal electro-optical element is detected in order to set the set applied voltage as the threshold voltage when the liquid crystal electro-optical element is driven. The temperature of the liquid crystal layer is input to the data table or analytical expression, the frequency of the corresponding applied voltage is calculated, and the applied voltage frequency of the liquid crystal electro-optic element is modulated to the frequency.
The method for stabilizing the temperature characteristics of the liquid crystal electro-optical element configured as described above captures the liquid crystal electro-optical element described in claim 1 as a method invention, and the operation thereof is the invention described in claim 1. It is the same.
請求項７に記載の発明である液晶電気光学素子の温度特性安定化法は、液晶電気光学素子の液晶層の温度と印加電圧の周波数をパラメータに予め液晶駆動の閾値電圧を求め、液晶層の温度変化によっても液晶駆動の閾値電圧の変化がほとんどない印加電圧の周波数を選択し、予め液晶電気光学素子の電源の印加電圧周波数として設定されるものである。
このように構成された液晶電気光学素子の温度特性安定化法は、請求項３に記載された液晶電気光学素子を方法発明として捉えるものであり、その作用は、請求項３に記載された発明と同様である。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for stabilizing a temperature characteristic of a liquid crystal electro-optic element, wherein a threshold voltage for driving a liquid crystal is obtained in advance using a temperature of a liquid crystal layer of the liquid crystal electro-optic element and a frequency of applied voltage as parameters. The frequency of the applied voltage that hardly changes the threshold voltage for driving the liquid crystal even when the temperature changes is selected and set in advance as the applied voltage frequency of the power source of the liquid crystal electro-optical element.
The method for stabilizing the temperature characteristics of the liquid crystal electro-optical element configured as described above regards the liquid crystal electro-optical element described in claim 3 as a method invention, and the operation thereof is the invention described in claim 3. It is the same.
本発明の液晶電気光学素子及びその温度特性安定化法では、電気光学応答のオン−オフを印加電圧のみならずその周波数によって制御できることに加えて、制御回路が、液晶層の温度上昇に伴って閾値電圧も上昇するという特性と、印加電圧の周波数の増加に伴って閾値電圧は下降するという特性を補償し、液晶駆動の温度依存性を解消することが可能である。 In the liquid crystal electro-optical element and the temperature characteristic stabilization method of the present invention, the on / off of the electro-optical response can be controlled not only by the applied voltage but also by the frequency thereof. It is possible to compensate for the characteristic that the threshold voltage also increases and the characteristic that the threshold voltage decreases as the frequency of the applied voltage increases, thereby eliminating the temperature dependence of the liquid crystal drive.
また、請求項３に記載の液晶電気光学素子あるいは請求項７に記載の液晶電気光学素子の温度特性安定化法では液晶駆動のための電源に制御回路を備えていないが、それでも印加電圧の周波数を、予め式（１）に記載されるような条件を満足するように設定しておくことで、同様に液晶駆動の温度依存性を解消することが可能である。 Further, in the liquid crystal electro-optical element according to claim 3 or the temperature characteristic stabilization method of the liquid crystal electro-optical element according to claim 7, the power supply for driving the liquid crystal is not provided with a control circuit, but the frequency of the applied voltage is still present. Is set in advance so as to satisfy the conditions described in the formula (1), it is possible to eliminate the temperature dependence of the liquid crystal drive as well.
本発明の液晶電気光学素子では、印加電圧の周波数を切り換えることによって高速スイッチングが可能である。しかも、温度変化にかかわらず動作特性を一定に制御することが可能である。 In the liquid crystal electro-optical element of the present invention, high-speed switching is possible by switching the frequency of the applied voltage. In addition, the operating characteristics can be controlled to be constant regardless of temperature changes.
以下に、本発明の最良の実施の形態に係る液晶電気光学素子及びその温度特性安定化法について説明する前に、本願発明のベースとなる液晶電気光学素子の基礎的な理論について説明を行なう。
最初に、液晶電気光学素子などの電子デバイスにおいて、ナノ粒子を添加分散させることによって、その物質のあらゆる物理的性質を変えることができる理論について説明する。
ある物質にナノ粒子を添加することにより、その物質は修飾（modify）されたと呼ばれるが、このような修飾により電子デバイスの特性を好ましい方向へ変えることに本願発明者らは着目し、鋭意行なった研究の結果本願発明に至ったものである。
Before describing the liquid crystal electro-optical element and the method for stabilizing the temperature characteristic thereof according to the best mode of the present invention, the basic theory of the liquid crystal electro-optical element serving as the base of the present invention will be described below.
First, a theory will be described in which all physical properties of a substance can be changed by adding and dispersing nanoparticles in an electronic device such as a liquid crystal electro-optic element.
By adding nanoparticles to a substance, the substance is said to be modified, but the inventors of the present application paid attention to changing the characteristics of the electronic device in a favorable direction by such modification. As a result of research, the present invention has been achieved.
本願発明者らは、一般に温度の上昇に伴って電子デバイスの特性が低減したり、あるいは低温では動作しなくなることに鑑み、その温度依存性を解消しつつ、高速にスイッチング可能なものとして本願発明をなしたのである。
液晶電気光学素子の場合では、ナノ粒子の添加は、次のように作用する。
（１）誘電率の値とその周波数依存性が変化する。
（２）有機分子で保護されたナノ粒子は液晶母体中によく分散する。
（１）の作用は、不均質誘電体に関するＭａｘｗｅｌｌ−Ｗａｇｎｅｒ（マクスウェル−ワグナー）効果によるものとして既に知られているものである。例えば、図１に、本発明の実施の形態において用いた液晶電気光学素子であるねじれたネマティック液晶ディスプレイ（ＴＮ−ＬＣＤ）の電気光学特性を示す。このＴＮ−ＬＣＤは、マトリクス液晶として４−シアノ−４´ペンチルビフェニルを用い、液晶の厚さ５μｍ、ペンチルシアノビフェニル（以下、５ＣＢと略す場合がある。）で保護されたＡｇ／Ｐｄナノ粒子を０．１ｗｔ％添加して作製した。
図１はＶ−Ｔ曲線と呼ばれ、その縦軸は、光相対透過率を示し、横軸は印加電圧を示している。測定は印加電圧の周波数をパラメータとして行なっている。図１によれば、ナノ粒子を添加した液晶電気光学素子において、明（光相対透過率＝１００）から暗（光相対透過率＝０）に変化する閾値電圧が、低周波数領域の方が高く、高周波となるほど低下していることがわかる。なお、閾値電圧の定義はＶ−Ｔ曲線で変化が始まる電圧又は明るさが１０％降下した時の電圧である。本実施例では前者をとっている。
In view of the fact that the characteristics of an electronic device generally decrease as the temperature rises or that the electronic device does not operate at a low temperature, the inventors of the present application are considered to be able to perform high-speed switching while eliminating its temperature dependence. It was made.
In the case of a liquid crystal electro-optical element, the addition of nanoparticles acts as follows.
(1) The value of dielectric constant and its frequency dependence change.
(2) Nanoparticles protected with organic molecules are well dispersed in the liquid crystal matrix.
The action of (1) is already known to be due to the Maxwell-Wagner effect on the heterogeneous dielectric. For example, FIG. 1 shows electro-optical characteristics of a twisted nematic liquid crystal display (TN-LCD) that is a liquid crystal electro-optical element used in the embodiment of the present invention. This TN-LCD uses 4-cyano-4′pentylbiphenyl as a matrix liquid crystal, and has Ag / Pd nanoparticles protected with pentylcyanobiphenyl (hereinafter sometimes abbreviated as 5CB) having a thickness of 5 μm. It was prepared by adding 0.1 wt%.
FIG. 1 is called a VT curve, the vertical axis indicates the relative light transmittance, and the horizontal axis indicates the applied voltage. The measurement is performed using the frequency of the applied voltage as a parameter. According to FIG. 1, in the liquid crystal electro-optical element to which nanoparticles are added, the threshold voltage that changes from bright (relative light transmittance = 100) to dark (relative light transmittance = 0) is higher in the low frequency region. It can be seen that the frequency decreases as the frequency increases. The definition of the threshold voltage is a voltage at which a change starts on the VT curve or a voltage when the brightness drops by 10%. In the present embodiment, the former is taken.
本願発明者らは、このマクスウェル−ワグナー効果から、さらに、実際的な液晶電気光学素子の電気光学特性の温度依存性を制御したり安定化できることを研究より見出し、今回の発明に至ったのである。
不均質誘電体に関するマクスウェル−ワグナー効果とは、多層膜コンデンサーや母体にある異物質を含んだコンデンサーの電気容量がある周波数以下で増大する現象である。電気容量は、そのコンデンサーを構成する誘電体の誘電率εに比例する。その誘電率εは、式（２）で表される。
From the research, the inventors of the present application have found that the temperature dependence of the electro-optical characteristics of a practical liquid crystal electro-optic element can be controlled and stabilized from the Maxwell-Wagner effect, leading to the present invention. .
The Maxwell-Wagner effect relating to a heterogeneous dielectric is a phenomenon in which the electric capacitance of a multilayer film capacitor or a capacitor containing a foreign substance in the matrix increases below a certain frequency. The electric capacity is proportional to the dielectric constant ε of the dielectric constituting the capacitor. The dielectric constant ε is expressed by Expression (2).
この式（２）は、Ｄｅｂｙｅ（デバイ）の誘電分散の式であり、τRは、誘電緩和時間、ωは印加電圧の角周波数である。ω＝０は低周波側極限（直流）を意味し、ω＝∞は高周波側極限を意味しており、その際の誘電率ε（∞）は、式（３）で表される。 This equation (2) is a Debye dielectric dispersion equation, τ R is the dielectric relaxation time, and ω is the angular frequency of the applied voltage. ω = 0 means the low frequency side limit (direct current), ω = ∞ means the high frequency side limit, and the dielectric constant ε (∞) at that time is expressed by Equation (3).
また、ε（０）−ε（∞）は誘電強度又は誘電ジャンプと呼ばれ、式（４）で与えられる。 Further, ε (0) −ε (∞) is called dielectric strength or dielectric jump, and is given by Expression (4).
さらに、τRは、式（５）で与えられる。 Furthermore, τ R is given by equation (5).
これらの式において、ε1、σ1は母体液晶媒質の誘電率及び導電率であり、ε2及びσ2はナノ粒子の誘電率及び導電率であり、φ2はナノ粒子の占有体積比である。
本実施の形態における液晶電気光学素子では、Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｄの金属ナノ粒子を用いたが、それらの直径は２ｎｍ〜５ｎｍ、ナノ粒子間の平均距離は５０ｎｍ程度で、φ2は１０-4のオーダーである。よって、式（３）乃至（５）で測定値はほぼ説明できる。
しかし、本願発明者が行なったナノ金属粒子による測定によると、上記誘電緩和時間τRは、上記の占有体積比φ2に依存する。然るに、式（５）は占有体積比φ2に依存しない。よって、これまで述べた方法では、ナノ金属粒子を含んだ系で、その占有体積比φ2まで考慮された誘電緩和時間を高い精度で求めることが困難であることが判明した。
そこで、本願発明者らは、式（３）乃至（５）に代えて、新たにナノ粒子の濃度依存を含む式を等価回路モデルを駆使して研究したのである。
この新しい理論では、以下の式が導かれる。
In these equations, ε 1 and σ 1 are the dielectric constant and conductivity of the base liquid crystal medium, ε 2 and σ 2 are the dielectric constant and conductivity of the nanoparticles, and φ 2 is the volume ratio of the nanoparticles occupied. is there.
In the liquid crystal electro-optic element in the present embodiment, metal nanoparticles of Pd and Ag / Pd are used, but their diameter is 2 nm to 5 nm, the average distance between the nanoparticles is about 50 nm, and φ 2 is 10 −4. It is an order. Therefore, the measured values can be almost explained by the equations (3) to (5).
However, according to the measurement with the nano metal particles performed by the present inventor, the dielectric relaxation time τ R depends on the occupied volume ratio φ 2 . However, equation (5) does not depend on the occupied volume ratio φ 2 . Therefore, it has been found that the methods described so far are difficult to obtain with high accuracy the dielectric relaxation time considering the occupied volume ratio φ 2 in a system including nano metal particles.
Therefore, the inventors of the present application have newly studied a formula including the concentration dependence of nanoparticles by using an equivalent circuit model instead of formulas (3) to (5).
In this new theory, the following equation is derived:
ここで、τ1＝ε1／σ1、τ2＝ε2／σ2、Δτ＝τ2−τ1、ａ＝（σ1／σ2）・（Δτ／τ1）である。
式（７）、（８）に示す占有体積比φ2依存性は実験値とよく合致することを確認した。
マクスウェル−ワグナー効果とは、母体媒質とナノ粒子の緩和時間（ＲＣ時定数）が異なるとき、すなわち、Δτ＝τ2−τ1≠０のときに、交流電圧のセルに印加すると、ナノ粒子の表面に式（９）で表される振動電荷Ｑ（ｔ）が発生する。
Here, τ 1 = ε 1 / σ 1 , τ 2 = ε 2 / σ 2 , Δτ = τ 2 −τ 1 , a = (σ 1 / σ 2 ) · (Δτ / τ 1 ).
It was confirmed that the dependency of the occupied volume ratio φ 2 shown in the equations (7) and (8) was in good agreement with the experimental value.
The Maxwell-Wagner effect means that when the relaxation time (RC time constant) of the matrix medium and nanoparticles is different, that is, when Δτ = τ 2 −τ 1 ≠ 0, when applied to an AC voltage cell, An oscillating charge Q (t) represented by the formula (9) is generated on the surface.
この電荷Ｑ（ｔ）が、低周波領域（ωτR≪１、すなわちω≪１／τR）のとき、誘電率の増大、すなわち電気容量の増大を生ぜしめる。一方、この電荷Ｑ（ｔ）は、高周波領域（ω≫１／τR）で消失する。高周波（ω≫１／τR）は、金属ナノ粒子の場合、金属物質、ナノ粒子の直径、濃度によって決まってくるが、Ｐｄで１００Ｈｚ、Ａｇ／Ｐｄで２，５１４Ｈｚ（０．１ｗｔ％の場合）である。
このようなマクスウェル−ワグナー効果により、誘電率異方性、Δε＝ε//−ε⊥は、高周波（ω≫１／τR）で純粋物質のΔεに、また、低周波（ω≪１／τR）で、Δεは小さくなり、それはほぼ式（１０）で近似される。また、マクスウェル−ワグナー効果が消失する周波数ｆcは、通常、ほぼｆc＝１０ｆR〜２０ｆRである。このｆRとは、緩和時間に対する緩和周波数である。従って、ｆR＝１／２πτRである。なお、式（１０）中、ε//は液晶分子の長軸方向誘電率であり、ε⊥は同じく短軸方向誘電率である。
When the charge Q (t) is in a low frequency region (ωτ R << 1, that is, ω << 1 / τ R ), an increase in dielectric constant, that is, an increase in electric capacity is caused. On the other hand, this charge Q (t) disappears in the high frequency region (ω >> 1 / τ R ). In the case of metal nanoparticles, the high frequency (ω >> 1 / τ R ) is determined by the metal substance, the diameter and concentration of the nanoparticles, but Pd is 100 Hz and Ag / Pd is 2,514 Hz (in the case of 0.1 wt%). ).
Due to the Maxwell-Wagner effect, the dielectric anisotropy, Δε = ε // − ε ⊥, becomes high in the high frequency (ω >> 1 / τ R ), Δε of the pure substance, and low in frequency (ω << 1 / With τ R ), Δε becomes smaller, which is approximately approximated by equation (10). Further, Maxwell - frequency f c which Wagner effect disappears is usually approximately f c = 10f R ~20f R. This f R is the relaxation frequency with respect to the relaxation time. Therefore, f R = 1 / 2πτ R. In Equation (10), ε // is the dielectric constant in the long axis direction of the liquid crystal molecules, and ε 同 じく is the dielectric constant in the short axis direction.
Ａｇ／Ｐｄではｆ1＝４５５Ｈｚ、ｆth＝４０Ｈｚ程度である。このｆ1は、実験値を基に求められる定数であり、ｆthは、周波数変調によって応答する最小側の閾値周波数である。このようなΔε（ω）特性のため、金属ナノ粒子添加ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）では、周波数変調（ＦＭ）ＬＣＤが実現し、その応答速度は速くなるのである。
本実施の形態にかかる液晶電気光学素子は、ねじれたネマティック液晶ディスプレイ（ＴＮ−ＬＣＤ）素子である。ネマティック液晶を用いたＬＣＤでは、電気光学応答効果の閾値電圧Ｖthは、式（１１）で与えられる。
In Ag / Pd, f 1 = 455 Hz and f th = 40 Hz. This f 1 is a constant obtained based on experimental values, and f th is the minimum threshold frequency that responds by frequency modulation. Because of such Δε (ω) characteristics, the metal nanoparticle-added LCD (liquid crystal display) realizes a frequency modulation (FM) LCD, and its response speed is increased.
The liquid crystal electro-optic element according to the present embodiment is a twisted nematic liquid crystal display (TN-LCD) element. In an LCD using a nematic liquid crystal, the threshold voltage V th of the electro-optic response effect is given by the equation (11).
ｋiは、液晶の弾性係数であり、ＴＮ−ＬＣＤでは式（１２）で与えられる。 k i is an elastic coefficient of the liquid crystal, and is given by Expression (12) in the TN-LCD.
式（１２）において、Ｋ11は拡がり、Ｋ33は曲がり、そしてＫ22はねじれの液晶弾性係数である。
一般に、前述のとおり通常のナノ粒子を添加していない液晶ではＫi∝ｓ2、Δε∝ｓである。そして、ｓはオーダーパラメーターである。ｓは、温度の上昇と共に減少し、ネマティック相−等方相の相転移点（温度）で０となる。すなわち、温度上昇によって、秩序度は下降するのである。よって、式（１１）を変形すれば、一般的には、ナノ粒子を添加していない液晶では閾値電圧Ｖth∝ｓ1/2となるので、温度が上昇すると、閾値電圧Ｖthは下降することになる。
In the formula (12), K 11 spreads, K 33 bends, and K 22 is a liquid crystal elastic coefficient of twist.
Generally, as described above, K i Δs 2 and Δε ∝s in a liquid crystal to which ordinary nanoparticles are not added. S is an order parameter. s decreases as the temperature increases, and becomes 0 at the phase transition point (temperature) of the nematic phase-isotropic phase. In other words, the degree of order decreases as the temperature rises. Therefore, if the equation (11) is modified, generally, the threshold voltage V th ∝s 1/2 is obtained in the liquid crystal not added with nanoparticles, so that the threshold voltage V th decreases as the temperature rises. It will be.
本願発明者は、鋭意研究の結果、ネマティックＬＣＤにナノ粒子を添加することにより、閾値電圧が変化し、かつ、その閾値電圧は印加電圧の周波数に依存することを見出した。さらに、今回では閾値電圧が温度によって変化することも見出した。そこで、これらの現象を組合わせることによって、閾値電圧を制御したり安定化することができることを見出した。
ここで閾値電圧の安定化とは、式（１）に示されるように、閾値電圧Ｖthの温度変化が０となるように制御することを意味する。
As a result of diligent research, the inventor of the present application has found that the threshold voltage is changed by adding nanoparticles to the nematic LCD, and the threshold voltage depends on the frequency of the applied voltage. Furthermore, the present inventors have also found that the threshold voltage changes with temperature. Thus, it has been found that the threshold voltage can be controlled and stabilized by combining these phenomena.
Here, the stabilization of the threshold voltage means that the control is performed so that the temperature change of the threshold voltage V th becomes zero as shown in the equation (1).
以上説明した理論に基づいてなされた本願発明に実施の形態に係る液晶電気光学素子とその温度特性安定化法について図２乃至図６を参照しながら説明する。
図２は、本実施の形態に係る液晶電気光学素子の概略断面図である。本実施の形態では、アクティブマトリクス方式によって駆動する液晶電気光学素子を例示している。
図２において、一対の平行な基板１ａ，１ｂと、その内側面に透明導電膜３ａ，３ｂが設けられ、透明導電膜３ａ，３ｂの対向する内側面に液晶配向膜４ａ，４ｂが設けられ、これら液晶配向膜４ａ，４ｂの間に液晶層２が配置されている。
液晶層２には、液晶相溶性粒子１０が分散されている。また、基板１ａには、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）７と画素電極８（透明導電膜３ａ）が配置されている。上方の基板１ｂには液晶層２と接する側にはブラックストライプ９が配置されており、基板１ｂと液晶配向膜４ｂの間には透明導電膜３ｂ、カラーフィルタ５が配置されている。また、両基板１ａ，１ｂの外側には２枚の偏光板６ａ，６ｂが配置されている。
本実施の形態に係る液晶層２は、マトリクス液晶にナノ粒子からなる核とその周囲に設けられた液晶分子又は液晶様分子から構成される液晶相溶性粒子１０が溶解もしくは分散されて構成されている。マトリクス液晶とナノ粒子の周囲に設けられた液晶分子又は液晶様分子の誘電体異方性は、正又は負でもよいが、広範囲の周波数変調を可能とするため、相互に逆となることが好ましい。
マトリクス液晶としては、シアノビフェニル類、コレステリルエステル類、炭酸エステル類、フェニルエステル類、シッフ塩基類、ベンジジン類、アゾキシベンゼン類、キラル基を持つ強誘電性液晶、液晶高分子等を挙げることができる。
A liquid crystal electro-optical element according to an embodiment of the present invention based on the theory described above and a temperature characteristic stabilization method thereof will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the liquid crystal electro-optical element according to the present embodiment. In the present embodiment, a liquid crystal electro-optical element driven by an active matrix method is illustrated.
In FIG. 2, a pair of parallel substrates 1a and 1b, transparent conductive films 3a and 3b are provided on the inner side surfaces thereof, and liquid crystal alignment films 4a and 4b are provided on the inner side surfaces of the transparent conductive films 3a and 3b, The liquid crystal layer 2 is disposed between the liquid crystal alignment films 4a and 4b.
Liquid crystal compatible particles 10 are dispersed in the liquid crystal layer 2. A thin film transistor (TFT) 7 and a pixel electrode 8 (transparent conductive film 3a) are arranged on the substrate 1a. A black stripe 9 is disposed on the upper substrate 1b in contact with the liquid crystal layer 2, and a transparent conductive film 3b and a color filter 5 are disposed between the substrate 1b and the liquid crystal alignment film 4b. In addition, two polarizing plates 6a and 6b are disposed outside the substrates 1a and 1b.
The liquid crystal layer 2 according to the present embodiment is configured by dissolving or dispersing liquid crystal compatible particles 10 composed of a core composed of nanoparticles and liquid crystal molecules or liquid crystal-like molecules provided around the core in a matrix liquid crystal. Yes. The dielectric anisotropy of the liquid crystal molecules or liquid crystal-like molecules provided around the matrix liquid crystal and the nanoparticles may be positive or negative, but it is preferable that they are opposite to each other in order to enable a wide range of frequency modulation. .
Examples of matrix liquid crystals include cyanobiphenyls, cholesteryl esters, carbonate esters, phenyl esters, Schiff bases, benzidines, azoxybenzenes, ferroelectric liquid crystals having chiral groups, and liquid crystal polymers. it can.
液晶相溶性粒子１０は、図３に示されるように１又は複数のナノ粒子からなる核１２とその周囲に設けられた液晶分子又は液晶様分子１１からなる保護層１３とから構成されている。
ここで、ナノ粒子からなる核１２の直径ｄは、０．５ｎｍ〜１００ｎｍである。
ナノ粒子は、１００ｎｍより小さな粒径の微粒子であれば、特にその種類は限定されるものではなく、金属ナノ粒子、半金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、無機物ナノ粒子又は有機物ナノ粒子が挙げられる。これらのナノ粒子は、１種類でも２種類以上を組合わせて用いてもよい。半金属としては、Ｂｉ、Ｔｅ等、半導体としては、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、磁性粒子としてはＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＭｎＰｔ、ＭｎＰｄ、無機物としてはＦｅ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ2、ＳｉＯ2、有機物としてはＣ60系、カーボンナノチューブ等がある。これらの中でも、広い周波数変調範囲の電気光学応答を実現することができることから金属ナノ粒子を用いることが好ましく、より好ましくは、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｏｓ、Ｉｒ及びＰｂから選ばれる少なくとも１種の金属原子が挙げられる。これらの金属原子の中でも、Ａｇ、Ｐｄ及びＣｕを１種単独又は混合して用いるのが好ましく、特にＡｇは、周波数変調範囲が極めて広い点で好ましく、Ａｇと他の金属原子、例えばＰｄ等の種類の組合せや濃度（単位体積当りの粒子数）を変えることにより、用途に応じた周波数変調範囲を自由に選択することができる。特に、ＡｇとＰｄの組合せが動作寿命、安定性などの点から好ましい。Ａｇ／Ｐｄ系ではＰｄの保護により、Ａｇの酸化が防止できるためである。なお、Ａｇ／Ｐｄ系では、Ａｇの電気的性質が支配的となる。
液晶分子としては、ペンチルシアノビフェニル、金属ナノ粒子としてＡｇ、液晶分子と金属のモル比として５〜５０、添加濃度としては、１ｗｔ％〜３ｗｔ％を選択する。
As shown in FIG. 3, the liquid crystal compatible particle 10 includes a nucleus 12 made of one or a plurality of nanoparticles and a protective layer 13 made of liquid crystal molecules or liquid crystal-like molecules 11 provided around the core 12.
Here, the diameter d of the nucleus 12 made of nanoparticles is 0.5 nm to 100 nm.
As long as the nanoparticles are fine particles having a particle diameter smaller than 100 nm, the kind thereof is not particularly limited, and examples thereof include metal nanoparticles, metalloid nanoparticles, semiconductor nanoparticles, inorganic nanoparticles, and organic nanoparticles. These nanoparticles may be used alone or in combination of two or more. Bi, Te, etc. as semimetals, CdS, CdSe as semiconductors, FePt, CoPt, MnPt, MnPd as magnetic particles, Fe 2 O 3 , TiO 2 , Al 2 O 2 , SiO 2 , organic matter as inorganic substances There are C 60 series, carbon nanotubes and the like. Among these, it is preferable to use metal nanoparticles because an electro-optic response in a wide frequency modulation range can be realized, and more preferably Ag, Pd, Au, Pt, Rh, Ru, Cu, Fe, Co, Examples thereof include at least one metal atom selected from Ni, Sn, Os, Ir and Pb. Among these metal atoms, Ag, Pd and Cu are preferably used alone or in combination, and Ag is particularly preferable in terms of a very wide frequency modulation range. Ag and other metal atoms such as Pd are preferable. By changing the combination of types and concentration (number of particles per unit volume), the frequency modulation range according to the application can be freely selected. In particular, a combination of Ag and Pd is preferable from the viewpoint of operation life and stability. This is because in the Ag / Pd system, oxidation of Ag can be prevented by protecting Pd. In the Ag / Pd system, the electrical properties of Ag are dominant.
As the liquid crystal molecules, pentylcyanobiphenyl, Ag as the metal nanoparticles, 5 to 50 as the molar ratio of the liquid crystal molecules to the metal, and 1 wt% to 3 wt% as the addition concentration are selected.
次に、基板１ａ，１ｂは、少なくとも一方が透明であることが好ましく、厚さ１ｍｍ程度のガラス又は透光性樹脂から構成される。
透明導電膜３ａ，３ｂは、可視光の透過率及び電気伝導度の高いものが好ましい。具体的には、ＩＴＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ2Ｏ3−ＺｎＯなどの材料が用いられ、スパッタリング法などにより成膜されて形成される。
透明導電膜３ａ，３ｂは液晶素子の電極として機能するものであるが、本実施の形態に係る液晶電気光学素子をアクティブマトリクス方式により駆動させる場合には、下方の基板１ａの内側面に設けられた透明導電膜３ａは、薄膜トランジスタ７などのスイッチング素子の二次元アレイと、画素電極８とする。
さらに、上方の基板１ｂの液晶層２と接する側に配置されたブラックストライプ９は、外部光線を吸収してスクリーンからの反射光を少なくし、背面からの光はレンチキュラーレンズにより、効率良くスクリーン前面に透過させるものである。ブラックストライプ９は、例えば樹脂ブラックや比較的反射率の低いクロムなどの金属からなり、カラーフィルタ５のＲ、Ｇ、Ｂの各色素層の間（境界）を区画するように設けられている。
Next, it is preferable that at least one of the substrates 1a and 1b is transparent, and the substrate 1a or 1b is made of glass or translucent resin having a thickness of about 1 mm.
The transparent conductive films 3a and 3b preferably have high visible light transmittance and high electrical conductivity. Specifically, a material such as ITO, ZnO, or In 2 O 3 —ZnO is used, and is formed by sputtering or the like.
The transparent conductive films 3a and 3b function as electrodes of the liquid crystal element. However, when the liquid crystal electro-optical element according to the present embodiment is driven by the active matrix method, it is provided on the inner surface of the lower substrate 1a. The transparent conductive film 3 a is a pixel electrode 8 and a two-dimensional array of switching elements such as the thin film transistor 7.
Further, the black stripe 9 disposed on the side of the upper substrate 1b in contact with the liquid crystal layer 2 absorbs external light and reduces the reflected light from the screen, and the light from the back is efficiently lenticularly lensed by the front surface of the screen. It is made to pass through. The black stripe 9 is made of a metal such as resin black or chrome having a relatively low reflectance, and is provided so as to partition (boundary) between the R, G, and B pigment layers of the color filter 5.
液晶配向膜４ａ，４ｂは、液晶素子の動作モードにより、プレティルト角を伴った水平配向又は垂直配向を与えるように処理されており、２枚の基板１ａ，１ｂのうち、少なくとも一方の基板に設けられればよい。液晶配向膜４ａ，４ｂは、例えばポリイミド等を塗布焼成するなど通常の公知の方法により形成される。図１では、液晶配向膜４ａ，４ｂ間のセルギャップは５μｍ程度であるが、このセルギャップを構成するスペーサ及び各セル毎に液晶を封止する封止剤は省略されている。
プレティルト角は、具体的には、液晶層２が、ねじれた（ツイステッド）ネマティック型液晶である場合は略平行配向、超ツイステッドネマティック型液晶（ねじれ角１８０°〜２７０°）である場合は５°〜７°、垂直配向型ネマティック液晶である場合は１°〜３０°、インプレーンスイッチング（ＩＰＳ）型液晶である場合は１°以下、強誘電性液晶（ＦＬＣＤ）である場合はパラレルラビング配向で１°〜３°、ベントモードネマティック型液晶である場合は６°〜７°等と設定される。
基板１ａ，１ｂの両側には偏光板６ａ，６ｂが設けられているが、反射型で用いるときは下側の基板１ａの上に光反射板を配し、偏光板は一枚でよい。
The liquid crystal alignment films 4a and 4b are processed so as to give horizontal alignment or vertical alignment with a pretilt angle depending on the operation mode of the liquid crystal element, and are provided on at least one of the two substrates 1a and 1b. It only has to be done. The liquid crystal alignment films 4a and 4b are formed by an ordinary known method such as coating and baking of polyimide or the like. In FIG. 1, the cell gap between the liquid crystal alignment films 4a and 4b is about 5 μm, but the spacer constituting the cell gap and the sealing agent for sealing the liquid crystal for each cell are omitted.
Specifically, the pretilt angle is approximately parallel orientation when the liquid crystal layer 2 is a twisted nematic liquid crystal, and 5 ° when the liquid crystal layer 2 is a super twisted nematic liquid crystal (twist angle 180 ° to 270 °). -7 °, 1 ° -30 ° for vertical alignment type nematic liquid crystal, 1 ° or less for in-plane switching (IPS) type liquid crystal, parallel rubbing alignment for ferroelectric liquid crystal (FLCD). In the case of a bent mode nematic liquid crystal, the angle is set to 6 ° to 7 ° or the like.
Polarizing plates 6a and 6b are provided on both sides of the substrates 1a and 1b, but when used in a reflective type, a light reflecting plate is disposed on the lower substrate 1a, and only one polarizing plate is required.
次に、図４乃至図６を参照しながら本発明の実施の形態に係る液晶電気光学素子についてさらに説明を加える。
図４は、本実施の形態に係る液晶電気光学素子の概略構成図である。図４において、図２に示される構成要素と同一の構成要素については同一符号を付し、その説明は省略する。本実施の形態に係る液晶電気光学素子は、液晶層２の駆動温度を検知可能な温度測定要素１６を備えており、この温度測定要素１６で検知された温度に基づく温度信号を用いて、制御回路１５で電源１４によって印加される電圧の周波数を制御する。本実施の形態においては、温度測定要素１６は液晶層２の駆動温度を検知しているが、特に液晶層２に限定するものでなくその周辺部の温度を検知してもよい。液晶電気光学素子全体でほぼ熱的に平衡状態にあり、概ね同温度となっているためである。従って、温度測定が容易な箇所に温度測定要素１６を付設するとよい。
次に、この制御回路１５によって実行される制御について、図４及び図５を参照しながら説明する。
Next, the liquid crystal electro-optical element according to the embodiment of the present invention will be further described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the liquid crystal electro-optical element according to the present embodiment. 4, the same components as those shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The liquid crystal electro-optical element according to the present embodiment includes a temperature measurement element 16 capable of detecting the driving temperature of the liquid crystal layer 2, and is controlled using a temperature signal based on the temperature detected by the temperature measurement element 16. The circuit 15 controls the frequency of the voltage applied by the power supply 14. In the present embodiment, the temperature measuring element 16 detects the driving temperature of the liquid crystal layer 2, but is not particularly limited to the liquid crystal layer 2, and may detect the temperature of the peripheral portion thereof. This is because the entire liquid crystal electro-optic element is in an almost thermal equilibrium state and is at substantially the same temperature. Therefore, the temperature measurement element 16 may be attached to a place where temperature measurement is easy.
Next, the control executed by the control circuit 15 will be described with reference to FIGS.
図５は、ねじれたネマティック液晶を用いて実験を行なった結果であり、閾値電圧の温度依存性を、印加電圧の周波数をパラメータとして示すものである。縦軸は閾値電圧を示し、横軸はネマティック液晶素子の温度を示している。
図５に示す凡例で、ＦＭは前述のとおり周波数変調を意味しており、周波数変調を施したねじれたネマティック液晶（ＦＭ−ＴＮ−ＬＣＤ）を用いた結果を示すものであり、ＡＭは振幅変調を意味しており、振幅変調を施したねじれたネマティック液晶（ＡＭ−ＴＮ−ＬＣＤ）を用いた結果を示すものである。
この図に示される結果から、ナノ粒子を添加していないＡＭ−ＴＮ−ＬＣＤのセルでは、周波数５００Ｈｚ、１ｋＨｚの下で、温度の上昇につれて閾値電圧は低下している。これが通常の温度特性である。この温度特性は、先に式（１１）を変形すると閾値電圧Ｖth∝ｓ1/2となるので、温度が上昇すると閾値電圧Ｖthが下降することになると説明したとおりである。
一方、ナノ粒子を添加したＦＭ−ＴＮ−ＬＣＤでは周波数を下げていくと、閾値電圧は増大し、かつ温度の上昇と共に増大している。
しかしながら、図に示されるように、マクスウェル−ワグナー効果が消える周波数ｆc＝５ｋＨｚの近傍に印加電圧の周波数を選ぶと、閾値電圧はナノ粒子を添加していない場合とほぼ同じであるか、あるいは温度変化はわずかに増大している程度となっている。従って、周波数ｆをｆRとｆcの間、本実施の形態では、ほぼｆcに等しい略ｆ≒２ｆRに選ぶと、ほとんど式（１）で表現されるように閾値電圧の温度変化率、すなわち（∂Ｖth／∂Ｔ）が０となるような状態となっている。なお、前述のとおり、通常はｆc≒１０〜２０ｆRである一方、本実施の形態においては、ｆc≒２ｆRという関係を為しているが、これらの関係にとらわれることなく、ｆRとｆcの間においてその液晶電気光学素子の特性などによって適宜温度変化率が０となるような周波数を決定するとよい。すなわち、緩和周波数からマクスウェル−ワグナー効果が消失する高周波数の間で、適宜印加電圧の周波数を決定すればよいことになる。
本図においては、縦軸に閾値電圧をとってその温度変化率が０となるような電圧周波数が存在する状態を示しているが、この周波数における温度変化率０は、閾値電圧の場合に限定されるものではなく、液晶駆動に係る印加電圧の広い範囲で実現される。すなわち、閾値電圧において（∂Ｖth／∂Ｔ）＝０となるような周波数を決定することで、その周波数では液晶電気光学素子の印加電圧と光透過率の関係を示すいわゆるＶ−Ｔ曲線（このＴは温度ではなく、光透過率を意味する。）全体において、温度依存性がほとんどないような状態とすることができるのである。
ナノ粒子を添加していない場合には、温度上昇と共に閾値電圧が低下し、ナノ粒子を添加した場合には温度上昇と共に閾値電圧が上昇するので、その中間の状態として、ナノ粒子を添加しつつ、緩和周波数よりマクスウェル−ワグナー効果が消える周波数側へ印加電圧の周波数を調整しておくことで、閾値電圧の温度変化率を０とすることが可能なのである。
FIG. 5 shows the results of experiments using twisted nematic liquid crystal, and shows the temperature dependence of the threshold voltage using the frequency of the applied voltage as a parameter. The vertical axis represents the threshold voltage, and the horizontal axis represents the temperature of the nematic liquid crystal element.
In the legend shown in FIG. 5, FM means frequency modulation as described above, and shows the result of using a twisted nematic liquid crystal (FM-TN-LCD) subjected to frequency modulation, and AM is amplitude modulation. This shows the result of using a twisted nematic liquid crystal (AM-TN-LCD) subjected to amplitude modulation.
From the results shown in this figure, in the cell of AM-TN-LCD not added with nanoparticles, the threshold voltage decreases as the temperature increases under the frequency of 500 Hz and 1 kHz. This is a normal temperature characteristic. This temperature characteristic is as described above because the threshold voltage V th ∝s 1/2 is obtained when the equation (11) is modified previously, so that the threshold voltage V th decreases as the temperature rises.
On the other hand, in the FM-TN-LCD to which nanoparticles are added, as the frequency is lowered, the threshold voltage increases and increases with increasing temperature.
However, as shown in the figure, when the frequency of the applied voltage is selected in the vicinity of the frequency f c = 5 kHz where the Maxwell-Wagner effect disappears, the threshold voltage is almost the same as when no nanoparticles are added, or The temperature change is only slightly increased. Therefore, when the frequency f is selected between f R and f c and, in this embodiment, approximately f≈2f R , which is substantially equal to f c , the temperature change rate of the threshold voltage is almost expressed by equation (1). That is, (∂V th / ∂T) is 0. Incidentally, as described above, one is normally a f c ≒ 10~20f R, in this embodiment, it forms a relationship f c ≒ 2f R, without being bound by these relationships, f R and may suitably the temperature change rate determines the frequency such that 0 by the characteristics of the liquid crystal electro-optical element during the f c. That is, the frequency of the applied voltage may be determined as appropriate between the relaxation frequency and the high frequency at which the Maxwell-Wagner effect disappears.
In this figure, the vertical axis represents the threshold voltage, and a voltage frequency exists such that the temperature change rate is 0. However, the temperature change rate 0 at this frequency is limited to the threshold voltage. However, it is realized in a wide range of applied voltages for liquid crystal driving. That is, by determining a frequency such that (∂V th / ∂T) = 0 in the threshold voltage, at that frequency, a so-called VT curve indicating the relationship between the applied voltage of the liquid crystal electro-optic element and the light transmittance ( This T means not the temperature but the light transmittance.) As a whole, it can be in a state where there is almost no temperature dependence.
When nanoparticles are not added, the threshold voltage decreases with increasing temperature, and when nanoparticles are added, the threshold voltage increases with increasing temperature. By adjusting the frequency of the applied voltage to the frequency side where the Maxwell-Wagner effect disappears from the relaxation frequency, the temperature change rate of the threshold voltage can be made zero.
以上のような結果から、閾値電圧Ｖthにおける温度変化率を０とするためには、
（１）ナノ粒子を液晶層に添加しつつ予め緩和周波数からマクスウェル−ワグナー効果が消える周波数までの間で決定された周波数を印加電圧の周波数として選択しておく方法
（２）ナノ粒子を添加した液晶層を備え、温度変化に沿って印加電圧の周波数を変調させる方法
の２通りの方法がある。
From the above results, in order to set the temperature change rate at the threshold voltage V th to 0,
(1) Method of selecting a frequency determined in advance from the relaxation frequency to the frequency at which Maxwell-Wagner effect disappears while adding nanoparticles to the liquid crystal layer (2) Adding nanoparticles There are two methods of providing a liquid crystal layer and modulating the frequency of the applied voltage along the temperature change.
例えば（１）の方法としては、前述のとおり、ｆとしてｆc＝５ｋＨｚの近傍を選択しておくことによって、閾値電圧の温度変化はほぼ０とすることが可能である。なお、マクスウェル−ワグナー効果が消える周波数ｆcとは、先に説明したとおりω≫１／τRを満足するような高周波領域の周波数を意味する。ωは角周波数であるので、ｆc≫１／２πτR（通常は、ｆc≒１０ｆR〜２０ｆR）となる。
閾値電圧の温度変化をほぼ０とする周波数は、理論的に求められる場合には理論的に求めてもよいし、図５に示されるように、印加電圧の周波数をパラメータとして液晶層の温度を測定しながら、閾値電圧を測定することによって、閾値電圧の温度変化率が０であるような周波数を求めてもよい。
For example, as the method (1), as described above, by selecting the vicinity of f c = 5 kHz as f, the temperature change of the threshold voltage can be made substantially zero. Incidentally, Maxwell - the Wagner effect disappears frequency f c, which means the frequency of the high frequency region that satisfies ω»1 / τ R as described above. Since ω is angular frequency, f c »1 / 2πτ R (typically, f c ≒ 10f R ~20f R ) becomes.
The frequency at which the temperature change of the threshold voltage is almost zero may be theoretically obtained when it is theoretically obtained. As shown in FIG. 5, the temperature of the liquid crystal layer is set with the frequency of the applied voltage as a parameter. A frequency at which the temperature change rate of the threshold voltage is 0 may be obtained by measuring the threshold voltage while measuring.
また、（２）の方法としては、例えば閾値電圧が３Ｖの場合であれば、液晶層の温度が−５℃の場合には周波数を１００Ｈｚ程度とし、５℃に上昇した場合には２００Ｈｚ程度、さらに２５℃まで上昇した場合には５００Ｈｚ程度と変調させると、図５から温度上昇によっても閾値電圧を略３Ｖと一体に保つことが可能である。すなわち、液晶電気光学素子の温度変化にかかわらず、その駆動電源電圧を一定に保つことが可能である。このような（２）の方法であれば、（１）の方法に比べて、閾値電圧を高い自由度で選択可能である。
実際の液晶電気光学素子においては、予め図５に示されるような液晶電気光学素子の電気光学特性を求めておき、これをデータテーブルかあるいは閾値電圧毎に解析式として、図４に示される制御回路１５の一部に組み込んでおくことが好ましい。また、もちろん、理論的に求められたデータテーブルや理論式であってもよい。なお、データテーブルとは、主として複数の閾値電圧に対して、それぞれ液晶層温度に対応した印加電圧の周波数がマトリクス状に格納されているものを意味し、解析式とは主として閾値電圧毎に、液晶層温度が入力されるとその温度に対応した印加電圧周波数が演算されるような実験式、経験式あるいは理論式を意味している。
As the method (2), for example, when the threshold voltage is 3 V, the frequency is about 100 Hz when the temperature of the liquid crystal layer is −5 ° C., and about 200 Hz when the temperature rises to 5 ° C. Further, when the temperature rises to 25 ° C. and is modulated to about 500 Hz, it is possible to keep the threshold voltage integrally with about 3 V even if the temperature rises from FIG. That is, the driving power supply voltage can be kept constant regardless of the temperature change of the liquid crystal electro-optical element. With the method (2), the threshold voltage can be selected with a higher degree of freedom than the method (1).
In an actual liquid crystal electro-optical element, the electro-optical characteristics of the liquid crystal electro-optical element as shown in FIG. 5 are obtained in advance, and this is used as a data table or an analytical expression for each threshold voltage, and the control shown in FIG. It is preferably incorporated in a part of the circuit 15. Of course, it may be a data table or a theoretical formula obtained theoretically. Note that the data table mainly means that the frequency of the applied voltage corresponding to the liquid crystal layer temperature is stored in a matrix for a plurality of threshold voltages, and the analytical expression is mainly for each threshold voltage. It means an empirical formula, an empirical formula, or a theoretical formula that calculates the applied voltage frequency corresponding to the temperature when the liquid crystal layer temperature is inputted.
ここで、このようなデータテーブルあるいは実験式、経験式又は理論式を制御回路の一部に組み込んだ本実施の形態に係る液晶電気光学素子の温度特性安定化について図４、図６及び図７を参照しながら説明する。
図６は、本実施の形態に係る液晶電気光学素子の制御回路による第１の制御ステップを示すフロー図である。
図６において、ステップＳ１では、液晶電気光学素子を駆動するための電源の閾値電圧Ｖthを設定する。この電源は図４において符号１４で示されるものである。また、閾値電圧の設定は、図５に示される縦軸のいずれかの閾値電圧、例えば３Ｖなどに選択、設定される。この電源の閾値電圧の設定は、ハードウェアとしての電源側から要求される仕様を考慮しながら、液晶電気光学素子の想定される使用環境温度において、後の周波数ｆ1の設定が可能な範囲で行うことが望ましい。
ステップＳ２は、温度測定要素１６によって液晶層２、すなわち液晶電気光学素子の温度を検知し、その検知された温度に相当する信号が制御回路１５に入力される工程である。制御回路１５では、入力された信号をキーとして、制御回路１５に組み込まれた前述のデータテーブルあるいは実験式、経験式又は理論式を読み出して、入力された温度信号に対応する印加電圧の周波数ｆ1を抽出、あるいは演算する。これがステップＳ３である。
印加電圧の周波数ｆ1が演算されると、ステップＳ４に示されるように電源１４に対して、この周波数に設定する制御を実行する。
その後、ステップＳ５では、設定された周波数ｆ1において、印加電圧を０から閾値電圧Ｖthを挟んでＶ1の間で印加電圧を変調させて、スイッチングすることができる。Ｖ1とは、前述のＶ−Ｔ曲線において、液晶電気光学素子が駆動するのに必要な電圧で、高圧側で飽和している状態の電圧値を意味している。従って、印加電圧を０から閾値電圧を挟んでＶ1の間で印加電圧を変調させると、明・暗の状態にスイッチング動作させることができる。
さらに、ステップＳ２からステップＳ５までを順次繰り返し実行させて、液晶電気光学素子の温度変化に対応して印加電圧周波数をｆ1に設定する。
このように図６に示される第１の制御ステップによる制御フローでは、予め設定された閾値電圧に対して、液晶電気光学素子の温度変化に対応した閾値電圧の周波数を抽出あるいは演算した上で、印加電圧周波数に設定することで、閾値電圧自体の変動を抑制しながら、スイッチング動作のために電圧振幅を変調して、すなわち電圧を変化させて液晶電気光学素子を駆動させるというものである。このような制御フローによって、液晶電気光学素子の温度特性安定化を図るものである。
Here, stabilization of temperature characteristics of the liquid crystal electro-optic element according to the present embodiment in which such a data table, experimental formula, empirical formula or theoretical formula is incorporated in a part of the control circuit is shown in FIGS. Will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a flowchart showing a first control step by the control circuit of the liquid crystal electro-optical element according to the present embodiment.
In FIG. 6, in step S1, a threshold voltage V th of a power source for driving the liquid crystal electro-optical element is set. This power source is indicated by reference numeral 14 in FIG. In addition, the threshold voltage is selected and set to one of the threshold voltages on the vertical axis shown in FIG. 5, for example, 3V. The threshold voltage of the power supply is set within a range in which the frequency f 1 can be set later at the assumed use environment temperature of the liquid crystal electro-optic element while taking into account the specifications required from the power supply side as hardware. It is desirable to do.
Step S <b> 2 is a step in which the temperature measuring element 16 detects the temperature of the liquid crystal layer 2, that is, the liquid crystal electro-optical element, and a signal corresponding to the detected temperature is input to the control circuit 15. The control circuit 15 reads out the above-described data table or empirical formula, empirical formula or theoretical formula incorporated in the control circuit 15 using the input signal as a key, and applies the frequency f of the applied voltage corresponding to the input temperature signal. Extract or calculate 1 This is step S3.
When the frequency f 1 of the applied voltage is calculated, as shown in step S4, the power supply 14 is controlled to set this frequency.
Thereafter, in step S5, switching can be performed by modulating the applied voltage between 0 and V 1 across the threshold voltage V th at the set frequency f 1 . V 1 is a voltage necessary for driving the liquid crystal electro-optical element in the above-described VT curve, and means a voltage value in a state of being saturated on the high voltage side. Therefore, when the applied voltage is modulated between 0 and V 1 across the threshold voltage, the switching operation can be performed in a bright / dark state.
Further, step S2 to step S5 are repeatedly executed in sequence, and the applied voltage frequency is set to f 1 corresponding to the temperature change of the liquid crystal electro-optical element.
As described above, in the control flow by the first control step shown in FIG. 6, after extracting or calculating the frequency of the threshold voltage corresponding to the temperature change of the liquid crystal electro-optic element with respect to the preset threshold voltage, By setting the applied voltage frequency, the liquid crystal electro-optical element is driven by modulating the voltage amplitude for the switching operation, that is, by changing the voltage, while suppressing the fluctuation of the threshold voltage itself. By such a control flow, the temperature characteristics of the liquid crystal electro-optical element are stabilized.
図７は、本実施の形態に係る液晶電気光学素子の制御回路による第２の制御ステップを示すフロー図である。この第２の制御フローでは、印加電圧周波数ｆ1を求める点では第１の制御フローと同一であるが、スイッチング動作のために周波数を変調させる点で異なる。
図７において、ステップＳ１では、液晶電気光学素子を駆動するための電源の印加電圧、すなわち動作電圧Ｖを設定する。次に、ステップＳ２で閾値電圧Ｖthを設定する。
この電源の印加電圧と閾値電圧の設定は、ハードウェアとしての電源側から要求される仕様を考慮しながら、液晶電気光学素子の想定される使用環境温度において、後の周波数ｆ1の設定が可能な範囲で行うことが望ましい。
ステップＳ３及びステップＳ４は、第１の制御フローと同様である。
印加電圧の周波数ｆ1が演算されると、ステップＳ５に示されるように電源１４に対して、この周波数ｆ1を中心として周波数ｆを変調させて、スイッチングすることができる。
さらに、ステップＳ３からステップＳ５までを順次繰り返し実行させて、液晶電気光学素子の温度変化に対応して印加電圧周波数をｆ1に設定し、その周波数を中心として周波数を変調してスイッチングするのである。
なお、本図においては動作させる印加電圧の設定をステップＳ１として記載しているが、この工程はステップＳ５の前に設けてもよい。周波数の変調時に設定されていればよいのである。
このように図７に示される第２の制御ステップによる制御フローでは、予め設定された閾値電圧に対して、液晶電気光学素子の温度変化に対応した閾値電圧の周波数を抽出あるいは演算した上で、印加電圧周波数に設定することで、閾値電圧自体の変動を抑制しながら、スイッチング動作のために周波数を変調して液晶電気光学素子を駆動させるというものである。このような制御フローによって、液晶電気光学素子の温度特性安定化を図るものである。
以上説明したとおり、このような制御回路１５を備えることによれば、液晶電気光学素子のスイッチング動作に関して、温度変化を考慮しなくともよいようなバイアスを生じさせることができる。すなわち、温度変化に対応させて閾値電圧Ｖthに対する印加電圧の周波数ｆ1を設定することで、温度変化を補償するようなバイアスを担保しつつ、液晶電気光学素子のスイッチング動作には、閾値電圧Ｖthを中心として電圧振幅を変調させたり、印加電圧周波数ｆ1を中心として周波数を変調させることで対応することが可能である。
すなわち、液晶の温度変化に対する依存性を消滅させ、動作温度によって特性変化がなく安定して駆動が可能となるのである。
FIG. 7 is a flowchart showing a second control step by the control circuit of the liquid crystal electro-optical element according to the present embodiment. This second control flow is the same as the first control flow in that the applied voltage frequency f 1 is obtained, but differs in that the frequency is modulated for the switching operation.
In FIG. 7, in step S1, an applied voltage of a power source for driving the liquid crystal electro-optical element, that is, an operating voltage V is set. Next, a threshold voltage V th is set in step S2.
The setting of the applied voltage and threshold voltage of the power supply enables the subsequent setting of the frequency f 1 at the assumed usage environment temperature of the liquid crystal electro-optic element while taking into consideration the specifications required from the power supply side as hardware. It is desirable to carry out in such a range.
Steps S3 and S4 are the same as in the first control flow.
When the frequency f 1 of the applied voltage is calculated, the power supply 14 can be switched by modulating the frequency f around the frequency f 1 as shown in step S5.
Further, step S3 to step S5 are repeatedly executed in sequence, the applied voltage frequency is set to f 1 corresponding to the temperature change of the liquid crystal electro-optic element, and switching is performed by modulating the frequency around that frequency. .
In this figure, the setting of the applied voltage to be operated is described as step S1, but this step may be provided before step S5. It may be set at the time of frequency modulation.
Thus, in the control flow by the second control step shown in FIG. 7, after extracting or calculating the frequency of the threshold voltage corresponding to the temperature change of the liquid crystal electro-optic element with respect to the preset threshold voltage, By setting the applied voltage frequency, the liquid crystal electro-optical element is driven by modulating the frequency for the switching operation while suppressing the fluctuation of the threshold voltage itself. By such a control flow, the temperature characteristics of the liquid crystal electro-optical element are stabilized.
As described above, with such a control circuit 15, it is possible to generate a bias that does not require consideration of a temperature change in the switching operation of the liquid crystal electro-optical element. That is, by setting the frequency f 1 of the applied voltage with respect to the threshold voltage V th corresponding to the temperature change, the threshold voltage is used for the switching operation of the liquid crystal electro-optical element while ensuring a bias that compensates for the temperature change. It is possible to cope with this by modulating the voltage amplitude around V th or modulating the frequency around the applied voltage frequency f 1 .
In other words, the dependency of the liquid crystal on the temperature change is eliminated, and there is no characteristic change depending on the operating temperature, and the driving can be stably performed.
以上説明したように、本発明の請求項１乃至請求項７に記載された発明は、広く一般的な液晶電気光学素子、あるいは高速スイッチングが可能な液晶電気光学素子として、液晶ディスプレイなどに搭載可能である。さらに、駆動温度の変化に対しても安定的な動作特性を発揮するため、十分な冷却機能を備えることが困難な小型化の液晶ディスプレイなどに好適である。 As described above, the invention described in claims 1 to 7 of the present invention can be mounted on a liquid crystal display or the like as a wide general liquid crystal electro-optical element or a liquid crystal electro-optical element capable of high-speed switching. It is. Furthermore, since it exhibits stable operating characteristics against changes in driving temperature, it is suitable for a small-sized liquid crystal display or the like that is difficult to have a sufficient cooling function.
１ａ，１ｂ…基板 ２…液晶層 ３ａ，３ｂ…透明導電膜 ４ａ，４ｂ…液晶配向膜 ５…カラーフィルタ ６ａ，６ｂ…偏光板 ７…薄膜トランジスタ ８…画素電極 ９…ブラックストライプ １０…液晶相溶性粒子 １１…液晶分子又は液晶様分子 １２…ナノ粒子からなる核 １３…保護層 １４…電源 １５…制御回路 １６…温度測定要素 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b ... Board | substrate 2 ... Liquid crystal layer 3a, 3b ... Transparent electrically conductive film 4a, 4b ... Liquid crystal aligning film 5 ... Color filter 6a, 6b ... Polarizing plate 7 ... Thin-film transistor 8 ... Pixel electrode 9 ... Black stripe 10 ... Liquid crystal compatible particle DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Liquid crystal molecule or liquid crystal-like molecule 12 ... Core consisting of nanoparticles 13 ... Protective layer 14 ... Power supply 15 ... Control circuit 16 ... Temperature measurement element
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