JPS62231934A

JPS62231934A - 光学変調素子

Info

Publication number: JPS62231934A
Application number: JP7586886A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Kaneko; 金子　修三; Tsutomu Toyono; 豊野　勉; Junichiro Kanbe; 純一郎神辺
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-04-02
Filing date: 1986-04-02
Publication date: 1987-10-12
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JP2517549B2

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】〔発明の分野〕本発明は、表示パネルのための光学変調素子に関し、特
に少なくとも２つの安定状態を有する液晶、例えば強誘
電性液晶を用いた表示パネルに関する。

〔従来の技術〕

従来のアクティブマトリクス駆動方式を用いた液晶テレ
ビジョンパネルでは、薄膜トランジスタ（ＴＰＴ）を画
素毎のマトリクス配置し、ＴＰＴ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、キャパシタに蓄積
され、この蓄積された画像信号に対応して液晶（例えば
ツィステッド・ネマチック：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ィブマトリク
ス駆動方式のテレビジョンパネルでは、使用するＴＰＴ
が複雑な構造を有しているため、構造工程数が多く、高
い製造コストがネックとなっているうえにＴＰＴ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
ァスシリコン）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
を用いたパッシブマトリッ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（ｌ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
ーティ−比）がｌ／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、デユーティ−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
くなるなど、高密度配線数の表示パネル、特に液晶テレ
ビジョ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
積にわたって高密度画素をもつ表示パネルを簡易に作成
し、また駆動するに適した光学変調素子を提供すること
にある。

また、とくに階調表示に適した光学変調素子を提供する
ことにある。

本発明は、相対向する第１の電極及び第２の電極と、第
１の電極と第２の電極との間に配置した光学変調物質と
を有する画素を２次元状に配列した光学変調素子におい
て、光学変調物質を配向させる配向規制力が前記画素内
で互いに相違した領域を有している液晶素子に特徴を有
している。さらに、付加的に階調に応じた波高値のパル
ス信号あるいは階調に応じたパルス幅又はパルス数の信
号を印加し、画素内で階調性を表現することが光学変調
素子を提供することができる。

〈実施例〉以下、本発明を図面に従って説明する０本発明で用いう
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７ｇ（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。

本発明の光学変調素子で用いることができる少なくとも
２つの安定状態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ック液晶が最も好ましく、そのうち
カイラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊）、Ｈ相（５ｍ８
本）、Ｉ相（ＳｍＩ＊）、Ｆ相（ＳｍＦ＊）、やＧ相（
Ｓ　ｍＧ＊）の液晶が適している。この強誘電性液晶に
ついては、゛ル番ジュルナール拳ト番フイジイク・レッ
トル”　　（”ＬＥ　　ＪＯＵＲＮＡＬ　　ＤＥ　　Ｐ
ＨＹＳＩＱＵＥ　　ＬＥＴＴＲＥ゛）第３６巻（Ｌ−６
９）１９７５年の「フェロエレクトリック・リキッド・
クリスタルス」（ｒＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　　Ｌ
ｉｑｕｉｄＣｒ　ｙ　ｓ　ｔ　ａ　ｌ　Ｓ　Ｊ　）　　
：　”アプライドφブイジイツクス・レターズ（“Ａｐ
ｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ’）第３
６巻、第１１号、１９８０年の「サブミクロ・セカンド
Φバイスティプルφエレクトロオプティック・スイッチ
ング・イン・リキッド拳りリスタルスＪ　　（ｒｓｕｂ
ｍｉｃｒｏ　　５ｅｃｏｎｄＢｉｓｔａｂｌｅ　　Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃＳｗｉｔｃｈｉｎｇ　　ｉｎ　　
ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓ’）：固体物理上６（１
４１）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−ｙ−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−ｙ−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、ＳｍＣ＊、５ｍ８本、ＳｍＩ木、ＳｍＦ木、Ｓｍ
Ｇ木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。１１と１１’は、Ｉ　ｎ２０３　。

Ｓ　ｎ０２やＩＴＯ（インジウム−ティン−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
に配向したＳｍＣ本相０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）　
（Ｐ上）１４を有している。基板１１とｌ　ｌ’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１
３のらせん構造がほどけ、双極子モーメン）　（Ｐ上）
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ｉｐ）には、第１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）Ｐ又
はｙ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図に示す如く
一定の閾値以上の極性の異なる電界Ｅまたはｒ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。この様な
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ｍ〜２０鉢ｍ、特に１μｍ〜５ｇｍ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１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、本発明における液晶光学素子の詳細を説明する。

第３図は本発明の一実施例である。

３１は一方の基板であり、ガラスやプラスチックなどが
用いられる。この基板３１上にＩＴＯ等の第１の電極３
２および配向制御層３３が積層される。

これと対向する他方の基板３４と基板３１との間に光学
変調物質ｌを挟持して配置される。

この基板３４上には、第２の電極３５と配向制御層３６
が積層され、基板３１と３４との間隔はスペーサ３７に
よって制御されている。

第４図は、前述の一方の基板３１に形成した配向制御層
３３の平面図を表わしている。この配向制御層３３は、
互いに相違した配向規制力の領域、すなわち第１の配向
規制力領域１０１と第２の配向規制力領域１０２とを有
し、第１の配向規制力領域１０１が第２の配向規制力領
域１０２内に分散状に分布している。従って。

第１領域１０１と第２領域１０２とは同一方向の一軸性
配向軸（例えば、ラビング処理軸）を有しているが、互
いにその一軸性配向軸の配向規制力が相違している。

前述した配向制御Ｗ！３３を設けた基板３１を得る方法
としては、例えばガラスまたはプラスチック等の基体３
１上に電極３２としてＩＴＯ（インジウム拳ティン・オ
キサイド）等をスパッタリング法により、約３０００久
厚で一様に設け、次いでこの基板３１上にポリビニルア
ルコール水溶液をスピナーまたはディッピングにより一
様に設け、約１８０℃で３０分間の熱処理により硬化し
た約１ｏｏｏ〜２０００久厚のポリビニルアルコール膜
（第２の配向規制力領域１０２に対応）を形成し、さら
にこのポリビニルアルコール膜の上にポリイミド前駆体
溶液（例えばピロメリット配無水物と４．４′−ジアミ
ノジフェニルエーテルとの縮合体をＮ−メチルピリドン
に溶解した溶液）をスプレィ又はメツシュを介して塗工
した後、約１８０℃で１時間の熱処理によって得たポリ
イミド（第１の配向規制力領域ｌｏｔに対応）を形成し
、さらに−軸性配向処理としてラビング処理などを施す
ことによって得る方法がある。

相違した配向制御力の一軸性配向軸を形成するには、前
述したポリビニルアルコール／ポリイミドの組合せの他
しとポリビニルアルコール／ポリアミド、ポリビニルア
ルコール／シランカンプリング剤、ポリイミド／ポリア
ミド、ポリイミド／シランカップリング剤などの異なる
有機ポリマー又はモノマーの組合せを用いることができ
る。又、本発明では、第１の配向規制力領域１０１をＳ
ｉＯ，ＳｉＯ等の無機絶縁物質の嗅で形成し、第２の配
向規制力領域１０２を有機ポリマーの膜で形成した組合
せ、又はその逆の組合せを用いることができる。

又、本発明では他方の配向制御ｆｉ３６としては、ポリ
ビニルアルコール、ポリイミド、ポリアミドやシランカ
ップリング剤で一様に形成した被膜にラビング処理を施
したものを用いることができる。

本発明では、第１の配向規制力領域１０１と第２の配向
規制力領域１０２における強誘電性液晶に対する一軸性
配向規制力が互いに相違しているため、強誘電性液晶の
閾値電圧が第１領域１０１と第２領域とで相違したもの
になる。

従って、第１領域１０１と第２領域１０２での反転開始
電圧が相違し、例えば前述のポリビニルアルコール／ポ
リイミドの組合せでは、第１の領域ｌｏｔに対応するポ
リイミドが第２の領域１０２に対応するポリビニルアル
コールと比較して閾値電圧を低くする傾向があるため、
第１の領域ｌＯ１に反転核を発生することになる。

本発明の好ましい具体例では、ポリビニルアルコール／
ポリイミドで組合せた配向制ｇｇ膜を用いた液晶素子に
交流を印加することができる。この際に用いる交流は１
０Ｈｚ〜１ＫＨｚで、２０Ｖ〜２００Ｖａ度のもので、
ポリビニルアルコールの配向制御膜に対応している強誘
電性液晶をチルト角が大きいユニフォーム配向状態とす
ることができる。ユニフォーム配向状態の強誘電性液晶
の閾値電圧はスプレィ配向状態の場合と比較して低いも
のとなっているので、スプレィ配向状態となっているポ
リイミド膜に対応した強誘電性液晶の閾値電圧を確実に
低いものとすることができる。

本明細書で記載の「ユニフォーム配向状態」とは電圧が
印加されていない状態下で１強誘電性液晶のらせんがほ
どけ、両基板に隣接する液晶分子の基板への写影が互い
に平行か又は平行に近い交差角で交差している状態を言
い、「スプレィ配向状態」とは上述した両基板への写影
が互いに所定の角度で交差した状態を言う、一般に、ポ
リビニルアルコールを配向・制御膜とした強誘電性液晶
素子に交流を印加すると、ユニフォーム配向状態になり
、ポリイミドを配向制御膜とした強誘電性液晶素子では
交流を印加しテモユニフォーム配向状態とはならず、ス
プレィ配向状態となっている。そして、一般にはユニフ
ォーム配向状態よりスプレィ配向状態の強誘電性液晶の
方がその閾値電圧が小さい。

第５図は前述した強誘電性液晶の一般的なセルにおける
電圧印加による分子の反転の様子を模式的に示す。

まず電圧が印加され始めた直後、電圧印加部分のうち部
分的に反転被５１が発生する（第５図（ａ））、この後
、第５図（ｂ）と（ｅ）に示す様に印加電圧下で時間が
経つにつれ前記反転被５１を中心に反転部分が次第に拡
がって反転領域５２が形成される。さらに、電圧を印加
しつづけると、そのほとんどが反転しく第５図（ｄ））
、最後に前記電圧印加部分全域が反転するものである。

この反転の様子は、たとえば、オリハラ（Ｏｒｉｈａｒ
ａ）とイ、シバシ（Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ）による°“ス
イッチング・キャラクトリスティック・オブ・フェロエ
レクトリック・リキッド・クリスタル・ドバンボク”　
　（”Ｓｗｉ　ｔ　ｃｈｉｎｇ　　Ｃｈ　ｅ　ｒ　ａ　
ｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　　ｏｆ　　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃ
ｔ　ｒｉｃ　　Ｌｉｑｕｉｄ　　Ｃｒ　ｙ　ｓ　ｔ　ｅ
　ＩＤＯＢＡＭＢＣ”）−ジャパニーズ・ジャーナル・
オブ・アプライド・フイジイツクス）、（Ｊａｐａｎｅ
ｓｅ　　Ｊｏｗｒｎａｌ　　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ）、第２３巻、第１０号、１９８４年１０
月、第１２７４−１２７７頁−に記載されている。

又１本発明は光学変調物質として、前述した強誘電性液
晶の他にＴＮ液晶などを用いることができる。

この様に、本発明は、画素内に意図的に反転被を形成し
、その反転被を中心に反転領域を形成する方法に基づい
ており、例えば配向制御層３３に形成した第１の領域１
０１を中心に強誘電性液晶の反転が開始され、さらにパ
ルス信号筒パｒしフ粕　パｆシーｚ　ａ’！　Ｖ　Ｉ＋
姑恵イ箔の＋ま六り１飲じて、その領域１０１を中心に
生長する反転領域の大きさが決定される。

又１本発明の光学変調素子に、走査電極と情報電極で形
成したマトリクス電極を適用し、線順次書込みを行なう
に当って、特開昭５９−１９３４２７号公報に開示され
た駆動方式を採用するのが好ましい、すなわち、本発明
では、書込みライン上の画素を一担黒レベルに相兆する
一方の安定状態に強誘電性液晶を配向させ。

次に下達の第６図〜第８図に示すパルス信号を情報電極
から印加することによって、白レベルに相当する他方の
安定状態に強ｌｉ、ｌｉｔ性液晶を反転させ、かかる操
作をライン毎に順次行なうことで、一画面の階調表示が
得られる。

第６図〜第８図は、第１の［Ｊ４ｉ３２と第２の″ｒｒ
Ｌ極３５との間に印加される電圧の代表的印相例を示す
、第６図は印加パルス巾、第７図は印加パルス数、第８
図は印加パルス電圧値（波高値）を通釈することにより
、階調表示を得ることができる。第６図〜第８図のそれ
ぞれにおける（ａ）〜（ｄ）は模式的に第５図（ａ）〜
（ｄ）に対応している。

第６図および第７図は、本発明光学変調素子に最も適し
た電圧印加例である。即ち、第６図および第７図におけ
るパルス波形（ａ）を第３図における′機種３２と３５
との間に印加することで、最初に反転核が形成される領
域１０１の光学変調物質が反転を開始し、核となり、反
転部分が拡がり始める。もし、ここで電圧の印加を中ｌ
卜すれば、特に双安定性のある光学変調物質の場合はこ
のままの状態がメモリーされる。

次に第６図と第７図の（ｂ）〜（ｄ）に示す電圧の印加
あるいは、パルスの印加を与えれば、反転部分が拡がり
、それぞれ電圧印加を中止した時点における状態をメモ
リし、階調表現が可能となるものである。

第８図に示す印加電圧値を変える方法によれば　第８図
（ａ）に示すパルスにより、前記反転の核の形成が行な
われ、第８図（ｂ）〜（ｄ）に示す様に電圧値を大きく
すると、光学変調物質の応答性が良くなるため、反転す
る領域が大きくなるが、このときも反転閾値電圧が小さ
い部分がまず最初に反転し、与えるパルス山内で反転領
域が拡がっていくものと考えられる。この場合のパルス
印加時間があまり長いと、領域１０２で強誘電性液晶が
反転してしまうので、前記パルス印加時間は適当に３１
！１する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高密度画素の表示パネル又は光シヤツ
タアレイに適した光学変調素子を提供することができ、
しかも単にパルス信号のパルス幅、パルス数又は波高イ
ーを階調に応じて変化させて階調を表現する表示パネル
に適した強誘電性液晶素子を提供することができる利点
を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、本発明で用いた強誘電性液晶素子
を模式的に表わした斜視図である。第３図は本発明の光学変調素子の断面図で、第４図はそ
の配向制御層の平面図である。第５図（ａ）〜（ｄ）は
、画素の反転状態を模式的に表わした説明図である。第
６図（＆）〜（ｄ）、第７図（ａ）　〜（ｄ）及び第８
図（ａ）　〜（ｄ）は、本発明で用いたパルス信号の具
体例を表わす波形図である。特許出願人　　キャノン株式会社罰５０（ｆｌ）　　　　　　　　　　（０）呻１　　　　−（ｔ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）相対向する第１の電極及び第２の電極と、第１の
電極と第２の電極との間に配置した光学変調物質とを有
する画素を２次元状に配列した光学変調素子において、
光学変調物質を配向させる配向規制力が前記画素内で互
いに相違した領域を有していることを特徴とする光学変
調素子。
（２）前記光学変調物質が強誘電性液晶である特許請求
の範囲第１項記載の光学変調素子。
（３）前記強誘電性液晶がカイラルスメクチツク液晶で
ある特許請求の範囲第２項記載の光学変調素子。
（４）互いに相違した配向規制力の領域が互いに相違し
た配向制御層の領域に対応している特許請求の範囲第１
項記載の光学変調素子。
（５）前記配向制御層が有機ポリマー層で形成されてい
る特許請求の範囲第１項記載の光学変調素子。
（６）前記画素が複数の行及び列に沿って配列し、各行
毎の画素が走査電極と共通に接続されているとともに、
各列毎の画素が情報電極に接続され、前記情報電極に階
調に応じたパルス信号を印加する手段を有している特許
請求の範囲第１項記載の光学変調素子。
（７）前記パルス信号が階調に応じたパルス幅のパルス
信号である特許請求の範囲第６項記載の光学変調素子。
（８）前記パルス信号が階調に応じたパルス数のパルス
信号である特許請求の範囲第６項記載の光学変調素子。
（９）前記パルス信号が階調に応じた波高値のパルス信
号である特許請求の範囲第６項記載の光学変調素子。
（１０）前記パルス信号が画素内の光学変調物質を一方
の安定状態に配向させた後に印加する信号である特許請
求の範囲第６項記載の光学変調素子。
（１１）互いに相違した配向規制力の領域が第１の配向
規制力領域と第２の配向規制力領域とを有し、かかる第
１の配向規制力領域が第２の配向規制力領域内に分散状
に分布されている特許請求の範囲第１項記載の光学変調
素子。