JPS62294224A - 液晶装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 本発明は、強誘電性液晶を用いた液晶装置に関する。

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（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に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（、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
＜、シ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Ｍ、５ｃｈａ
ｄｔとＷ、Ｈｅ１ｆｒｉｃｈ著“ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙ
ｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ”Ｖｏ、１８．Ｎｏ、４　
（１９７１，２゜１５）、Ｐ、１２７〜１２８の“Ｖｏ
ｌｔａｇｅ−ＤｅＰｅｎｄｅｎｔＯｐｔｉｃａｌ　Ａｃ
ｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ａ　Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔ
ｉｃＬｉｑｖｉｄ　　Ｃｒｙｓｔａビに示されたＴＮ　
（ｔｗｉｓｔｅｄｎｅｍａｔｉｃ）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（
所謂“半選択点”）にも有限の電界がかかつてしまう。

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が、走査線数（Ｎ）
を増やして行った場合、画面全体（ｌ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）が−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）とき
に生ず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。

一方、プリンタ分野を眺めて見るに、電気信号を入力と
してハードコピーを得る手段として、画素密度の点から
もスピードの点からも電気画像信号を光の形で電子写真
感光体に与えるレーザービームプリンタ（ＬＢＰ）が現
在量も優れている。ところがＬＢＰには、 １、プリンタとしての装置が大型になる；２、ポリゴン
スキャナの様な高速の駆動部分があり騒音が発生し、ま
た厳しい機械的精度が要求される；など の欠点がある。この様な欠点を解消すべく電気信号を光
信号に変換する素子として、液晶シャッターアレイが提
案されている。ところが、液晶シャッターアレイを用い
て画素信号を与える場合、たとえば２００　ｍ　ｍの長
さの中に画素信号を１Ｑｄｏｔ／ｍｍの割合で書き込む
ためには４０００個の信号発生部を有していなければな
らず、それぞれに独立した信号を与えるためには、元来
それぞれの信号発生部全てに信号を送るリード線を配線
しなければならず、製作上困難であった。

そのため、ＩＬＩＮＥ　（ライン）分の画素信号を数行
に分割された信号発生部により行うことに時分割して与
える試みがなされている。

この様にすることにより、信号を与える電極を複数の信
号発生部に対して共通にすることができ、実質配線を大
幅に軽減することができるからである。ところが、この
場合通常行われているように双安定性を有さない液晶を
用いて行数（Ｎ）を増やして行（と、信号ＯＮの時間が
実質的に１　／　Ｎとなり、感光体上で得られる光量が
減少してしまったり、クロストークの問題が生ずるとい
う難点がある。

本発明の目的は、前述したような従来の液晶表示素子或
いは液晶光シャッターにおける問題点を悉く解決した新
規な光学変調素子、特に液晶素子駆動法を提供すること
にある。

本発明の別の目的は、高速応答性を有する液晶素子の駆
動法を提供することにある。

本発明の他の目的は、高密度の画素を有する液晶素子の
駆動法を提供することにある。

さらに本発明の他の目的は、クロストークを発生しない
液晶素子の駆動法を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、電界に対し双安定性を有
する液晶、特に強誘電性を有するカイラルスメクテイツ
クＣ相又はＨ相の液晶を用いた液晶素子の新規な駆動法
を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、高密度の画素と大面積の
画面を有する液晶素子に適した新規な駆動法を提供する
ことにある。

すなわち、本発明のかかる目的は、相対向する一対の電
極と該電極間に配置した強誘電性液晶とを有する画素を
配列した液晶素子と、一対の電極間に電圧を印加する手
段とを有する液晶装置において、前記一対の電極間に印
加した交番電圧に直流電圧を重畳した液晶装置によって
達成される。

前記走査電極群の選択された走査電極と前記信号電極群
の選択された信号電極の間で前記双安定性を有する液晶
が第１の安定状態（一方の光学的安定状態）に配向する
電圧を印加し、且つ前記走査電極と前記信号電極群の選
択されない信号電極の間で前記双安定性を有する液晶が
第２の安定状態（他方の光学的安定状態）に配向する電
圧を印加するとともに、前記走査電極群の選択されない
走査電極と前記信号電極群の間で前記双安定性を有する
液晶の閾値電圧−ｖｔｈ２（第２安定状態の閾値電圧を
言う）とｖｔｈ、　（第１安定状態の閾値電圧を言う）
の間の値に設定した電圧を印加する光学変調素子の駆動
法によって達成される。

本発明の好ましい具体例では、走査信号に基づいて順次
選択される走査電極群と該走査電極群に対向し所定の情
報信号に基づいて選択される信号電極群と上記両電極間
に保持され電界に対して双安定性を有する液晶とを少な
くとも有する液晶素子の選択された走査電極には互いに
電圧の異なる位相ｔ、とｔ２を有する電気信号を与え且
つ信号電極群には所定の情報の有、無に応じて電圧の異
なる電気信号を与えることにより、 上記選択された走査電極線上の情報信号有の部分に於い
ては、位相ｔ＋（ｔｚ）で上記液晶に対して第１の安定
状態を与える一方向の電界を付与し、無の部分に於いて
は位相ｔｚ（ｔｓ）で第２の安定状態を与える逆方向の
電界を付与することによって液晶素子を駆動することが
できる。その具体的な例は第１図に示されるが、詳細は
後程説明する。

本発明の駆動法で用いる光学変調物質は、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
双安定状態を有しており、特に電界に対して前述の如き
双安定性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
液晶としては、強誘電性を有するカイラルスメクテイツ
ク液晶が最も好ましく、そのうちカイラルスメクテイツ
クＣ相（ＳｍＣ”）又はＨ相（ＳｍＨ”）の液晶が適し
ている。この強誘電性液晶については、“ＬＥ　ＪＯＵ
ＲＮＡＬ　ＤＥ　ＰＨＹＳＩＱＵＥ　ＬＥＴＴＥＲＳ”
３６　（Ｌ−６９）　１９７５．「Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃ
ｔｒｉｃ　ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓＪ　；“Ａｐ
ｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ”３
６　（１１）　１９８０　ｒＳｕｂｍｉｃｒｏ　５ｅｃ
ｏｎｄ　Ｂ１５ｔａｂｌｅＥｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ　
　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　　ｉｎ　　ＬｉｑｕｉｄＣｒｙ
ｓｔａｌｓ　Ｊ　；“固体物理”１６　（１４１）　１
９８１　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。

第２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。２１と２１’　　は、Ｉｎ２０３．５ｎ０２や
ＩＴＯ（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
に層２２がガラス面に垂直になるよう配向したＳｍＣ”
相又はＳ　ｍ　Ｈ”相の液晶が封入されている。太線で
示した線２３が液晶分子を表わしており、この液晶分子
２３は、その分子に直交した方向に双極子モーメント（
Ｐ工）２４を有している。基板２１と２１’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２３の
らせん構造がほどけ、双極子モーメント（Ｐ上）２４は
すべて電界方向に向くよう、液晶分子２３は配向方向を
変えることができる。液晶分子２３は細長い形状を有し
ており、その長軸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
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１
μ）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、その双極子モー
メントＰ又はＰ′　は上向き（３４）又は下向き（３４
’　）のどちらかの状態をとる。このようなセルに第３
図に示す如く一定の閾値以上の極性の異る電界Ｅ又はＥ
′　を付与すると、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３４又は下向き３４
′　　と向きを変え、それに応じて液晶分子は第１の安
定状態３３かあるいは第２の安定状態３３′　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の安定状態３３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２の安定状
態３３′　　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０．５μ〜２０μ
、特に１μ〜５μ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、例えばクラークとラガバル
により、米国特許第４３６７９２４号公報で提案されて
いる。

本発明の駆動法の好ましい具体例を第１図に示す。

第１図（Ａ）　−（ａ）は、中間に強誘電性液晶化合物
が挟まれたマトリクス電極構造を有するセル１１の模式
図である。１２は走査電極群であり、１３は信号電極群
である。第１図（Ａ）　−（ｂ）と（Ａ）−（Ｃ）はそ
れぞれ選択された走査電極１２　（ｓ）に与えられる電
気信号とそれ以外の走査電極（選択されない走査電極）
１２　（ｎ）に与えられる電気信号を示し、第１図（Ａ
）　−（ｄ）と（Ａ）　−（ｅ）はそれぞれ選択された
信号電極１３　（ｓ）に与えられる電気信号と選択され
ない信号電極１３　（ｎ）に与えられる電気信号を表わ
す。第１図（Ａ）　−（ｂ）〜（Ａ）　−（ｅ）はそれ
ぞれ横軸が時間を、縦軸が電圧を表す。例えば、動画を
表示するような場合には、走査電極群１２は逐次、周期
的に選択される。

今、双安定性を有する液晶セルの第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
えるだめの閾値電圧を−ｖｔｈ２とすると、選択された
走査電極１２　（ｓ）に与えられる電気信号は第１図（
Ａ）　−（ｂ）に示される如く位相（時間）１＋では、
■を、位相（時間）ｔ２では−Ｖとなるような交番する
電圧である。又、それ以外の走査電極１２　（ｎ）は、
第１図（Ａ）　−（Ｃ）に示す如くアース状態となって
おり、電気信号Ｏである。

一方、選択された信号電極１３　（ｓ）に与えられる電
気信号は第１図（Ａ）　−（ｄ）に示される如くＶであ
り、又選択されない信号電極１３　（ｎ）に与えられる
電気信号は第１図（Ａ）　−（ｅ）に示される如＜−Ｖ
である。以上に於いて、電圧値ＶはＶ＜Ｖｔｈ、＜２Ｖ
と−Ｖ＞−Ｖｔｈ２＞−２Ｖを満足する所望の値に設定
される。このような電気信号が与えられたときの各画素
に印加される電圧波形を第１図（Ｂ）に示す。第１図（
Ｂ）の（Ｂ）　−（ａ）、（Ｂ）　−（ｂ）、（Ｂ）　
−（Ｃ）と（Ｂ）−（ｄ）はそれぞれ第１図（Ａ）中の
画素Ａ、Ｂ、ＣとＤは対応している。すなわち、第１図
（Ｂ）により明らかな如く、選択された走査線上にある
画素Ａでは位相ｔ２に於いて閾値ｖｔｈ、を越える電圧
２ｖが印加される。又、同一走査線上に存在する画素Ｂ
では閾値−ｖｔｈ２を越える電圧−２■が印加される。

従って、選択された走査電極線上に於いて信号電極が選
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。いずれにしても各画
素の前度には関係することはない。

一方、画素Ｃ，ｌ！：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ＣとＤに印加される電圧は＋
Ｖ又は−Ｖであって、いずれも閾値電圧を越えない。従
って、各画素ＣとＤにおける液晶分子は、配向状態を変
えることな（前回走査されたときの信号状態に対応した
配向をそのまま保持している。即ち、走査電極が選択さ
れたときにその一ライン分の信号の書き込みが行われ、
−フレームが終了して次回選択されるまでの間は、その
信号状態を保持し得るわけである。従って、走査電極数
が増えても、実質的なデユーティ比はかわらず、コント
ラストの低下とクロストーク等は全（生じない。この際
電圧値Ｖの値及び位相（ｔｔ＋ｔｚ）＝Ｔの値としては
、用いられる液晶材料やセルの厚さにも依存するが、通
常３ボルト〜７０ボルトで０．１μｓｅｃ〜２ｍ５ｅｃ
の範囲で用いられる。従来公知の駆動方法と本質的に異
るのは、本発明の方法では選択された走査電極に与えら
れる電気信号が第１の安定状態（光信号に変換されたと
き「明」状態であるとする）から第２の安定状態（光信
号に変換されたとき「暗」状態であるとする）へ、又は
その逆のいずれの変化も起し易（するものである点にあ
る。このために、選択された走査電極に与えられる信号
は、＋Ｖから＝■へと交番している。

又、信号電極に与えられる電圧は、明又は暗の状態を指
定すべく、互いに逆極性の電圧としている。

本発明の駆動法が有効に達成されるためには走査電極或
いは信号電極に与えられる電気信号が、必ずしも第１図
（ｂ）〜（ｅ）に於いて説明されたような単純な矩形波
信号でなくてもよいことは自明である。例えば、正弦波
や三角波によって駆動することも可能である。

又、第４図は本発明の駆動法の別の具体例を示している
。第４図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と（ｄ）はそれぞれ選
択された走査電極に信号を、選択されない走査電極の信
号を、選択された（情報有の）情報信号を、および選択
されない（情報熱の）情報信号を表わしている。すなわ
ち、第４図に示すように情報有の信号電極には、位相（
時間）ｔｚの間のみ＋Ｖの電圧を印加し、情報熱の信号
電極には位相（時間）１＋の間のみ一■の電圧を印加し
ても、結果的には第１図に示したと同じ駆動形態となる
。

第５図には、第４図に示した例をさらに変形した例が示
されている。第５図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）と（ｄ）は
、それぞれ選択された走査電極の信号（第５図（ａ））
を、選択されない走査電極の信号（第５図（ｂ））を、
選択された（情報有の）情報信号（第５図（Ｃ））を、
および選択されない（情報熱の）情報信号（第５図（ｄ
））を表わしている。この際、本発明に基づいて正しく
駆動されるためには、第５図に示す駆動法では、 の関係を満足することが必要となる。

第６図は、液晶−光シャッタに応用した時のマトリクス
電極構造の模式図が示されている。この際、４１は画素
であって、この部分のみ両側の電極を透明なもので形成
している。４２は、走査電極群、４３は信号電極群を表
わしている。尚、強誘電性液晶化合物の例としては、 ｄｅｃｙｌｏｘｙｂｅｎｚｙｌｉｄｅｎｅ−Ｐ’　−ａ
ｍｉｎｏ−２−ｍｅｔｈｙｌｂｕｔｙｌｃｉｎｎａｍａ
ｔｅ　（ＤＯＢＡＭＢＣ）。

ｈｅｘｙｌｏｘｙｂｅｎｚｙｌｉｄｅｎｅ−Ｐ’　−ａ
ｍｉｎｏ−２−ｃｈｌｏｒｏｐｒｏｐｙｌ　　ｃｉｎｎ
ａｍ−ａｔｅ（ＨＯＢＡＣＰＣ）−４’　−ｏｃｔｙｌ
ａｎｉｌｉｎｅ　（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、Ｓ　ｍ”　Ｃ相又はＳ　ｍ　Ｈ”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
。

本発明の方法は、液晶−光シャッタや液晶テレビなどの
光学シャッタあるいはディスプレイ分野に広く応用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）（ａ）は、本発明の駆動法に用いる液晶素
子を模式的に示す平面図である。第１図（Ａ）（ｂ）は
、選択された走査電極の信号を示す説明図である。第１
図（Ａ）　（Ｃ）は、選択されない走査電極の信号を示
す説明図である。第１図（Ａ）（ｄ）は、選択された信
号電極の情報信号を示す説明図である。第１図（Ａ）　
（ｅ）は、選択されない信号電極の情報信号を示す説明
図である。第１図ＣＢ）（ａ）は、画素Ａの液晶に印加
される電圧の波形図である。第１図（Ｂ）　（ｂ）は、
画素Ｂの液晶に印加される電圧の波形図である。第１図
（Ｂ）　（ｃ）は、画素Ｃの液晶に印加される電圧の波
形図である。第１図（Ｂ）（ｄ）は、画素りの液晶に印
加される電圧の波形図である。第２図は、カイラルスメ
クテイツク相液晶を有する液晶素子を模式的に示す斜視
図である。第３図は、本発明で用いる液晶素子を模式的
に示す斜視図である。第４図（ａ）は、別の具体例にお
ける選択された走査電極の信号を示す説明図である。第
４図（ｂ）は、別の具体例における選択されない走査電
極の信号を示す説明図である。第４図（ｃ）は、別の具
体例における選択された信号電極の情報信号を示す説明
図である。第４図（ｄ）は、別の具体例における選択さ
れない信号電極の情報信号を示す説明図である。第５図
（ａ）は、別の具体例における選択された走査電極の信
号を示す説明図である。第５図（ｂ）は、別の具体例に
おける選択されない走査電極の信号を示す説明図である
。第５図（Ｃ）は、別の具体例における選択された信号
電極の情報信号を示す説明図である。第５図（ｄ）は、
別の具体例における選択されない信号電極の情報信号を
示す説明図である。第６図は、本発明の駆動法を用いた
液晶−光シャッタの平面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 相対向する一対の電極と該電極間に配置した強誘電性液
   晶とを有する画素を配列した液晶素子と、一対の電極間
   に電圧を印加する手段とを有する液晶装置において、前
   記一対の電極間に印加した交番電圧に直流電圧を重畳し
   たことを特徴とする液晶装置。