JP3143497B2 - 液晶装置 - Google Patents
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Description
に強誘電性液晶(FLC)を用いた液晶装置に関するも
のである。
液晶(FLC)は、その高速応答性・メモリ性等の利点
に注目され表示素子、ライトバルブ等の目的のために積
極的に開発されている。上記利点を生かしたターゲット
として、光シャッタアレイ、単純マトリクス駆動による
高精細表示装置、光導電体と組み合わせた高密度記録の
ライトバルブ等が挙げられる。またさらに、薄膜トラン
ジスタ(TFT)等を用いたアクティブマトリクス駆動
による動画像表示にも期待され、この特性はたとえば
U.S.P.4,840,462やProceedin
g of theSID,VOL.30/2,1989
「FerroelectricLiquid Crye
tal Video Dislay」等に示されてい
る。
的にまたは本発明者らにより実験検証の結果、以下に述
べる様な問題点が生じることが明らかになってきた。
圧(DC)成分が連続して印加されると液晶の応答が疎
外されることである。この原因としては、上記DC成分
により、液晶の内部イオンの偏在が誘起され、これが電
界を形成するためと考えられる。
によりDC成分をキャンセルする提案(特願平2−69
547号)がなされているが、さらにまた、FLCでは
分子自身が自発分極を有するがために、この自発分極に
対応して偏在する内部イオンが電界を形成すると考えら
れる原因により、所望の中間調を不安定にし、また外部
電圧値(印加電圧値)に対しての光学応答においてヒス
テリシスを生ずる問題点が確認される。
の駆動周波数でリセットパルス、書き込みパルスを連続
してFLCに印加した場合に起こる上記現象例を図20
〜図22に示す。
し、FLCの光学応答において動画レートにおいても安
定して中間調(諧調表示)を得るために、本発明者らは
さらに詳細な検証を行い以下の本発明に至った。
に適した液晶装置を提供することである。
ティブマトリクス駆動方式と自発分極を発現する液晶、
例えば強誘電性液晶とを用い、改善された階調表示を実
現した液晶装置を提供することにある本発明の特徴は、
a.複数の行及び列に沿って配置したスイッチング素
子、該スイッチング素子の第1の端子を行毎に共通に接
続した第1の配線、該スイッチング素子の第2の端子を
列毎に共通に接続した第2の配線、該スイッチング素子
の第3の端子毎に接続した複数の画素電極、該画素電極
に対向配置した対向電極、複数の画素電極と対向電極と
の間に配置した自発分極Psを発現する液晶、画素電極
及び対向電極の少なくとも一方に配置した絶縁部材とを
有し、該液晶の光学応答の電圧閾値Vthと該絶縁部材の
電極間容量Ciとの間に、
びに c.第2の配線に、リセット電圧信号を印加した後、階
調情報に応じた電圧信号を印加し、一垂直走査期間中、
前記階調電圧信号の印加によって生じた内部電界に対し
て逆バイアスとなるDC成分が前記液晶に印加される様
に、第2の配線に補助電圧信号を印加する第2の手段を
有し、前記補助電圧信号と階調電圧信号との間に電圧0
を液晶に印加する手段を有する液晶装置である。
る液晶パネルとしては図18に示すアクティブマトリク
ス駆動方式の液晶パネル、即ち複数の行(走査線)及び
複数の列(データ線)に沿って配置したスイッチング素
子(アモルファス・シリコン、ポリシリコンなどをの薄
膜半導体を用いたTFT)、該スイッチング素子の第1
の端子(ゲート)を行毎に共通に接続した第1の配線
(ゲート線)、該スイッチング素子の第2の端子(ソー
ス)を列毎に共通に接続した第2の配線(ソース線)、
該スイッチング素子の第3の端子(ドレイン)毎に接続
した複数の画素電極(透明電極)、該画素電極に対向配
置した対向電極(透明電極)と、複数の画素電極と対向
電極との間に配置した自発分極を発現する液晶(強誘電
性を発現するカイラルスメクチックC、H、I、G、F
液晶)とを備えたものを用いるのがよい。
カイラルスメクチック液晶のらせん構造の形成を抑制す
るのに十分に薄い間隔(約5μm以下)に設定されるの
がよいが、本発明は必ずしも上述のらせん構造の形成を
抑制しなくてもよい。
望の温度範囲内に保持するための熱的制御をかけてもよ
い。
したリセット電圧信号VRおよび記録電圧信号VWを該画
素の光学的状態変化に必要な時間印加した後、記録電圧
VWの大きさに応じた大きさの補助電圧信号VSXを与え
ることによって、下述の内部電界を制御することができ
る。
体的にするにあたり、前記DC成分、自発分極によるイ
オンの偏在によって発現する内部電界について述べる。
示す。図4においてまず外部から長時間のDC成分が印
加された場合のイオン偏在模式図を示す。仮に外部から
+側のDC成分が印加されると液晶層内部には図示
晶分子の自発分極(Ps)の向きが上向き
分子は「黒」になり易い電界が形成される。
よりイオンが偏在する様子を示す。Psの向きが長時間
「黒」
結果このイオンが電界を形成し、液晶状態が長時間
「黒」であるか「白」であるかにより、同じ値の外部電
圧VWを新たに与えると、このイオン偏在状態が影響
し、「白」になり易い、なり難いという差が生じ、光学
応答にヒステリシスを生じたり、あるいは同一表示状態
を繰返しリフレッシュする場合に不安定性が生じたりす
ると考えられる。
明作用についてさらに詳しく説明する。
イオン量は制御され難く、これに対し、DC成分は外部
印加電圧により制御可能である。本発明は前記補助電圧
VSを1つにはDC成分として作用させ、前記イオン偏
在をPsの状態にかかわらず「一定」にする作用をもた
らすものである。上記「一定」とはイオン偏在の総量と
とらえてよく、この一定値は0であってもよいし、必ず
しも0である必要はない。
定に保つための調整方法を示す。一例としては上記イオ
ンの偏在の総量を図5(a)に示す様な「黒」状態持続
の場合に見かけ上保とうとするものである。
イオン偏在状態から出発するとする。この際には図1
(a)に示す駆動波形をあらかじめ印加する。この状態
から次に「黒」を表示する場合は、図7(a)に例示す
る様な駆動波形により「黒」を表示し、この時、補助電
圧VSXによるDC成分の重畳量は0でよい。次に階調と
して図6(b)に示す様な階調を表示する場合、この表
示により形成されるであろうイオン偏在状態は図19の
様になる。したがってこの様なイオン偏在総量を「黒」
表示の場合に一定化させるために図20のイオン偏在を
付加させるがごとく図7(b)に示す様な補助電圧+V
SX1を印加する。さらに図6(c)に示す様に「白」を
表示する場合、この表示により形成されるであろうイオ
ン偏在状態、図21を「黒」表示の場合の総量に一定化
させるために図22のイオン偏在を付加させるがごとく
図7(c)に示す補助電圧+VSX2を印加するものであ
る。
用する液晶の自発分極Psの大きさや、温度環境等によ
り適宜行うことになるが、本発明を適用する液晶は上記
自発分極Psの大きさはそれ程大きくない(10nC/
cm2以下、好ましくは5nC/cm2以下)方が補助電
圧信号VSXの大きさが大きくなり過ぎない点で有利であ
る。上記数値的な目安としては、VSX1の大きさとして
この数値的な目安について説明する。図8は階調記録電
圧VWの印加直後、液晶画素の両端電圧を0Vにした場
合に液晶層にかかる分圧を計るものである。この時に液
晶分子はいくらか「黒」方向に戻され、中間調状態にな
るがこの時の白状態の割合をΔaとすると、液晶層分圧
は
原因が上記式であるから、外部からこのイオン移動を起
こす電圧の逆電圧VSXを印加し、VSXによる液晶分圧
と考えられる。したがって
0uF/cm2程度とすると全白状態においてもVSX=
0.5V程度である。
SXを中間調に合わせて0Vから0.5Vの範囲で適度に
印加すれば初期のイオン偏在状態を一定維持できること
になる。
フレーム迄各表示フレーム毎にそのフレームの中間調に
応じたVSXをDC成分として印加しつづけておけば、イ
オン偏在を一定化出来、上記不安定性の原因と見られる
イオン偏在の不安定性を排除することが出来る。
持電圧としても作用するために、液晶応答も高速で行わ
れ、動画等にも充分対応させることが出来る。
た光学応答実験例を示す。
ン偏在状態を一定化させるために、DC成分を重畳する
べく印加する補助電圧信号の波高値
せることが望ましく、本駆動法においてはVSXの最大値
すなわち
たす必要がイオンのつりあいから本質的に存在すること
を見い出し本光学素子の提案に至ったものである。
の条件として、使用する液晶の自発分極Psの実質的な
大きさと、素子を構成する重要な要素である配向層ある
いは付加的に設ける絶縁層を含んだ絶縁層部分の素子内
における合成容量Ciとの間に上記した不遍的な関係を
成立させることで、本質的な安定階調駆動が行なえる。
きくし、使用する液晶のPsは小さくする方が良い。
セルの上下電極の電気的短絡を防ぐ目的で設ける絶縁層
をたとえば、Ti(チタン)、Si(ケイ素)の混合酸
化物(Ti−SiOx)を電極上に塗布、焼成し、10
00Å前後の薄層とし、この上にポリイミド配向層を塗
布、焼成により200Å程度の薄層に形成しラビングを
施すことにより、上記合成容量Ciを出来るだけ大きく
し、数10nF/cm2程度の値を得ている。さらにC
iを大きくするためには物理的に層厚を薄くする。形成
される層の誘電率が高いものを選択する方向がある。
測定される分極反転電流の評価で最大で10nC/cm
2、好ましくは5nC/cm2以下であるものを使用す
る。この結果において、上記
たりするが、一般的に駆動電圧が高くなることは不利で
ある。
一定の階調を表示する間の時間間隔において、光学変化
が実質検知されない印加DC電圧値限界を定義した。
記述する。
画像形成については、各階調について個々に制御するこ
とに困難があるが、各画素を独立に駆動するもの、たと
えば、単ビットの光シャッタや7セグメント、あるいは
TFT(薄膜トランジスタ)等によるアクティブマトリ
クス駆動においては原理的に適用可能である。
駆動に適用した場合の具体的駆動波形例について説明す
る。
動に適用した場合の駆動波形を示すタイミングチャート
である。
セット信号VRを印加しTFTの開放特性を利用して充
分「黒」になる時間電圧を作用させる(図示Vr)。そ
の後記録電圧VWを印加し、同じく開放特性により階調
レベル電圧VWを一定時間作用させたのちいったんアー
ス信号VEを与える。このアース電圧Veが作用する間、
階調透過率は変化するが次の補助信号により状態が安定
化する。
が、この信号は所望の階調表示状態に合わせて、
VSX1、VSX2の大きさを選択し、階調透過状態の一垂直
走査期間である表示フレーム中VSX1、VSX2に示す様
に、適度のDC電圧を含めた電圧値として作用させる。
なお、リセット電圧として充分大きな電圧値を与える場
合にはこれら電圧値VSX1、VSX2はVr、VWの電圧値差
をフレームにわたって0補償した上で、中間調に応じた
DC成分を作用させる値を足した値としても良い。
目標としては前記した様に使用する液晶の自発分極の大
きさにより選択するが、その大きさは最大透過率を1と
したときの「白」、階調の割合Δaにより前記した
2の場合、液晶セルを構成する絶縁層の容量が20nF
/cm2である場合は、VWが全「白」を記録するための
信号である時約0.5V程度となる。したがって、階調
表示状態の時、それに応じて0.5V以下のDC成分が
のる様にする。
は、画素の光学状態を決定するための信号であり、その
画素の表示輝度に応じた電圧信号(階調電圧信号)であ
る。これに対して補助電圧信号VSXおよび補助電圧信号
VSXは階調表示状態を実質安定させるものとして考えて
よく、この電圧は、光学的閾値Vth以下のDC電圧であ
る場合によく安定する。ここで言う光学的閾値Vthとは
1フレームにわたってVthを与えても光学的変化が実質
検知されない値である。
調電圧信号の絶対値の1/50〜1/5程の値とするの
がよい。
アース電圧Veの作用区間は、階調電圧信号VWを作用さ
せた後、液晶分子応答として揺り戻される分を安定化さ
せるために特に本例で設けたものであるが、本発明素子
においては特に設けなくとも本例駆動による作用は実質
損なわれない。但し、VSX値を駆動波形に応じて適宜調
整する。
ト電圧Vrの作用時間巾で液晶の状態変化が全て起こる
とすれば基本的にはVW、Veの作用巾もリセット電圧V
r印加時間と同等レベルの長さでよい。
は、各ラインの記録区間を少なくとも4分割する(VE
印加区間を設けない場合は3分割。以後の説明ではVE
を設ける場合を説明する)。図13において下方に位置
するタイミング図は第nライン目の記録区間Aを4分割
した例を示す。すなわち数ライン後の画素をリセットす
るための該数ライン後に相当するラインのゲートを開く
分割区間a、および第nライン目自身の記録のための第
nライン目のゲートを開く分割区間bおよび数ライン先
の記録画素に対してアース電圧を与えるための該数ライ
ン先に相当するラインのゲートを開く分割区間c、およ
び、さらに数ライン先の記録画素に対して補助電圧信号
を与えるために該さらに数ライン先に相当するラインの
ゲートを開く分割区間dに分割している。なお、第nラ
イン目の記録区間A内において上記分割区間a、b、
c、dはそれぞれabcd/abdc/acdb/ac
bd/bacd/badc/bcad/bcda/bd
ac/bdca/cabd/…/…/…のどの順になっ
ていてもよい。
ン目のある画素の液晶の光学的状態を示す。図13にこ
の光学的状態を拡大して説明する。
成された上側電極基板11と全面が電極である下側基板
間に挾持されたFCLの模式図を示す。
が上向き(201)である場合FLC分子長軸は実線1
の向きになりPsの向きが下向き(202)である場合
点線2の様になる。ここで図23で示すリセット電圧V
rを作用させ上側電極を負に保つと、この区間において
自発分極は理想的には全て上向き201状態をとり、別
にクロスポラライザの関係で設けた偏光板301、30
2のいずれか一方を実線で示した長軸1方向に合致させ
ると、このとき画素は「黒」となり図13中の101、
103の様に全黒状態を示す。
が液晶の反転閾値Vthより大きければ「白」ドメインを
発生し、一方、VWがVth未満であればリセットされた
「黒」状態を保つ。次にアース電圧信号VEを印加させ
アースで電圧Veを作用させると一部「白」にラッチさ
れない分子が揺り戻される場合が多いが、階調電圧VW
に応じた階調表示状態(図13の103の状態)に推移
する。この後、各VWに対応した補助電圧信号VSXを印
加することにより階調が保持され、かつ、前記で説明し
たイオン偏在変動を防止する。この結果、各フレームに
おいて上記イオン偏在変動がない様にされるため、透過
率の不本意な変動等がなく、安定した画像表示が行われ
る。
レビディスプレインにおいては走査線本数約1000本
を30Hzノンインタレースあるいは60Hzインタレ
ース駆動する場合、1フレーム約33msecで駆動す
る。このため1ライン当り割り当てられる記録時間は1
フレーム当り約33μsecとなる。本発明においては
nライン目に記録電圧を与えるためのこの33μsec
を4分割(各約8μsec以下)とし、それぞれを一例
としてS3=6ライン後に記録電圧(VW)を与えられる
ライン画素をリセットするためのVRパルス印加区間、
nライン自身の画素にVWを与える記録パルス区間、お
よびS2=6ライン先にVWを与えられたライン画素に対
してアース電圧信号VEを与えるアース信号区間、さら
にS1=12ライン先にVWを与えられたライン画素に対
して本発明の補助電圧信号VSXを与える区間とすること
で、各電圧の印加時間はそれぞれ約33μsec×6=
約198μsecとなり、本発明者らの使用した材料に
対しては最大7V程度のVR、VW電圧値で充分な画像表
示が得られた。さらに補助電圧VSXにより階調に応じた
閾値Vth以下の電圧によりDC成分を重畳することで、
階調表示が安定した。
法についてさらに詳しく説明する。
して以下の様に決められる。
aにおけるリセット電圧Vrの波高値VRが−VOである
場合、記録信号区間bにおける記録電圧VWの波高値VW
が+VOの時、もしこれらの電圧印加時間が同じならば
補助電圧信号区間dにおける補助電圧信号VSXの波高値
VSOは前記した計算
合0.5V印加する(401区間)。
間で示される様に記録信号に階調性をもたせた場合、本
発明で印加する補助電圧信号の波高値VS1、VS2、VS3
は例えばリセット電圧が充分大きい場合走査線本数を1
000ラインとしてフレーム間隔に(帰線期間)24ラ
イン分の時間を使用し、かつリセット期間をS2、記録
期間をS3、アース期間(S4−S3)とするとS2=S3
=(S4−S3)=Sの場合、近似的に
れに各
用期間終了時の透過率を目安とし)Δa1,Δa2、Δa
3に対して
なる場合にはたとえば
のPs=5μC/cm2,Ciを20nF/cm2とし、
VWを−7(V)、またV1として5.5Vで中間調60
%透過率が得られるとすると、S2=S3=S4−S3)=
6として
信号電圧VWによりその場で演算されてもよいし、記録
信号VWがデジタル的な値であるならば、予めメモリさ
れたテーブルT(VW,VSX)により自動的に出力され
てもよい。
るいは少なくともS4ライン分のラインメモリを設ける
ことで理論的には容易に達成できる。
まで上記の場合S4=12ラインの遅れ時間があるた
め、この間、他ラインの記録信号発生に対してS4=1
2ライン分は情報を記憶している必要があるからであ
る。
信号の同調はすべて図示のクロックにより行われ、各ラ
インへのゲート信号出力タイミング、およびソース電極
へのリセット信号、記録信号、補助信号の出力タイミン
グが制御されて行われる。
る液晶とアクティブマトリクス素子の組みあわせにより
良好な効果を発揮するものであることが理解されよう。
態がFLC状態が全「黒」である場合に一定化させる説
明をしたが、反対に「白」である状態にイオン偏在を一
定化させる様にしても良い。
を起こさせて出発させるとする。この方法としては図1
7に示す駆動波形のうち(d)の波形をあらかじめ連続
印加する。前記「黒」状態のイオン偏在を維持するため
のDC成分源が
イン比をΔaとすれば残りの黒ドメイン比(1−Δa)
に対して「白」状態イオン偏在量を維持するためには
る(図16参照)。すなわち、前述迄のアクティブマト
リクス駆動に適用する場合、前記図21様の補助電圧信
号の大きさは VSO=0
圧値と階調値Δa1、Δa2、Δa3の対応は「黒」状態
にイオン偏在を一定化させた場合とはそれぞれ異なり、
VWとしてはより低い電圧を選択することで、前記実施
例と同様、良好な中間調を得る。
明素子により、前記DC成分値
よれば、良好な液晶ディスプレイを提供することが出
来、これにより高精細な直視型フラットディスプレイや
プロジェクションディスプレイが形成しうる。勿論、各
画素毎にカラーフィルタを設けたり、また本発明駆動法
を用いた液晶素子を複数個使用し、それぞれに対してカ
ラー光投射を行うことで、透過型あるいは反射型の高精
細のフラットカラーテレビあるいはプロジェクションカ
ラーテレビを構成することが出来る。
用に限らず、自発分極を有する液晶に対し、広く安定し
た階調表示をもたらす光学素子として使用しうることが
予測されよう。
図である。
図である。
図である。
面図である。
面図である。
して印加し、これを44Hz周期で連続印加した時の応
答時間変化を示す図である。
して印加し、これを44Hz周期で連続印加した時の応
答時間変化を示す図である。
図である。
図である。
である。
である。
である。
である。
である。
ブ、ヒステリシス不安定性を示す説明図である。
示す説明図である。
で連続印加した時の応答疎外の時間変化を示す説明図で
ある。
Claims (5)
- 【請求項1】 a.複数の行及び列に沿って配置したス
イッチング素子、該スイッチング素子の第1の端子を行
毎に共通に接続した第1の配線、該スイッチング素子の
第2の端子を列毎に共通に接続した第2の配線、該スイ
ッチング素子の第3の端子毎に接続した複数の画素電
極、該画素電極に対向配置した対向電極、複数の画素電
極と対向電極との間に配置した自発分極Psを発現する
液晶、画素電極及び対向電極の少なくとも一方に配置し
た絶縁部材とを有し、該液晶の光学応答の電圧閾値Vth
と該絶縁部材の電極間容量Ciとの間に、 【外1】 の関係が成り立つ様に構成した液晶素子、 b.第1の配線に走査パルスを印加する第1の手段、並
びに c.第2の配線に、リセット電圧信号を印加した後、階
調情報に応じた電圧信号を印加し、一垂直走査期間中、
前記階調電圧信号の印加によって生じた内部電界に対し
て逆バイアスとなるDC成分が前記液晶に印加される様
に、第2の配線に補助電圧信号を印加する第2の手段を
有し、前記補助電圧信号と階調電圧信号との間に電圧0
を液晶に印加する手段を有する液晶装置。 - 【請求項2】 前記液晶が強誘電性液晶である請求項1
の液晶装置。 - 【請求項3】 前記一垂直走査期間が一フレーム走査期
間である請求項1の液晶装置。 - 【請求項4】 前記DC成分の値が階調電圧信号の1/
50〜1/5である請求項1の液晶装置。 - 【請求項5】 前記リセット電圧信号の印加に先立っ
て、該リセット電圧信号の絶対値と前記階調電圧信号の
絶対値との差が0となる様な電圧信号を印加する手段を
有する請求項1の液晶装置。
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