JPH03107920A - 液晶表示装置の駆動方法 - 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、強誘電性液晶組成物を用いた液晶表示装置の
利用方法に係り、特に液晶マトリックス表示装置の利用
方法に関する。

［従来の技術］ 強誘電性液晶表示袋ｆ’ｆ（以下液晶表示装置と云う）
においては、セル厚（２枚の基板間にはさまれる液晶層
の厚さ）を薄くして、強誘電性液晶の分子配向双安定性
による電気光学的メモリ性を付与し、該素子の各画素に
印加電圧のパルスの波高および極性を適宜設定して印加
することにより、二つの安定状態間のスイッチングを行
ない表示する方法が提案されている（特開昭５６−１０
７２１０号）。

前記においては、いずれの安定状態においても液晶分子
の自発分極（Ｐｓ）は、基板との界面上で基板面にほぼ
垂直に配向していると共に、上下基板上の自発分極の向
きは互いにほぼ平行になっている。

また、前記二つの安定状態間のスイッチングは、自発分
極の向きとほぼ逆向きとなる電界（Ｅ）を印加すること
によって行なう。

［発明が解決しようとする課題］ 一般に強誘電性液晶のスイッチングに要する時間τは、
次式（１）により表わせる。

η τ＝　　　　　　　　　　　（Ｉ） ｓＥ （ηは自発分極の反転に対する粘度） 式（１）から明らかなように、液晶の応答時間（で）を
短縮するには、粘度（η）が低く、自発分極（Ｐｓ）の
大きな液晶を用いて、高電界（Ｅ）を印加すればよい。

従って、こうした液晶材料の開発が精力的に行なわれて
いるが、このような材料物性の改良だけではネマチック
液晶の場合と同様に自ずと限界がある。

例えば、２０００ライン以上の液晶マトリックス表示装
置の時分割駆動を行なおうとすると、その応答性が問題
となっているのが現状である。

本発明の目的は、前記強誘電性液晶の分子の配向状態と
利用方法を工夫することにより、より応答特性の優れた
液晶表示装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的は、以下に説明する発明によって達成できる。

即ち、電極を有し少なくとも一方が透明な一対の基板を
スペーサを介し対向させて形成したセルと、　該セル内
に封入された強誘電性液晶層と、前記液晶分子の配向変
化に対応して前記セルを透過する光の強度を変化せしめ
る光学手段を有する液晶表示装置の利用方法において、 前記液晶表示装置内の前記液晶層と前記基板との一方の
界面における液晶分子を、他方の界面における液晶分子
よりも基板に対して弱く固定し、書込み前に全画素に初
期化パルスを印加することにより前記液晶分子の自発分
極をスプレィ状態に配向し。

次いで書込みのスイチングを行なうための印加電圧は、
弱く分子を固定した方の界面上での分子が反転する電圧
よりも高く、強く分子を固定した方の界面上での分子が
反転する電圧よりも低い電圧を、選択画素に印加するこ
とを特徴とする液晶表示装置の利用方法にある。

第２図は本発明が対象とする液晶マトリックス表示装置
の構成を示す斜視図である。

強誘電性液晶層１０は、電極１３．１３’　を有する透
明基板２０．２０’の間に挟まれている。

上基板２０および下基板２０′の間にはスペーサ（図示
せず）を介在させてセル厚を保持し、かつ、基板の周辺
はシール（図示せず）され、液晶層は大気と遮断されて
いる。

前記基板２０．２０’　と液晶層１０の界面には、上下
で液晶を配向する機能に適当な差をつけた配向手段が施
されている。

前記液晶ノー１０．電極１３．１３’および基板２０．
２０’によって構成されたセルを上下から挟むように偏
光板９，９′が設けられ、該偏光板の偏光軸１１．１１
’は互いにほぼ直交するように配置される。

本発明で述べる光学手段としては、第２図で示すような
偏光板９，９′以外に、液晶中に２色性色素を配合し、
１枚または２枚の偏光板を付設することによりコントラ
ストを付与する、いわゆるゲスト・ホスト方式などもあ
る。

図において、上下基板に設けられた電極１３゜１３′は
マトリックス電極であり、該電極によって構成される画
素に対し、所定のシーケンスで電界が印加されるように
駆動回路１４．１４’　が接続される。

次に第１図により本発明の利用方法について説明する。

図は液晶素子内部の上下基板間の液晶分子の自発分極（
Ｐｓ）の方向を示す模式図である。

図においてベクトル２は１分子長軸方向のベクトルを基
板間に挟持された液晶層に平行な面に射影したベクトル
（Ｃ−ダイレクタ）である、ベクトル３はベクトル２に
直交する自発分極（Ｐｓ）の方向を表わす。

本発明において液晶分子は、一方の界面５において弱く
固定され、もう一方の界面６にお°いては強く固定され
ている。

第１図（ａ）は、界面５の分子配向方向と、界面６の分
子配向方向がほぼ等しい場合を示す、この場合上下基板
間の全液晶分子の配向方向は一様となる。

第１図（ｂ）または（Ｑ）の場合では、液晶層に一定振
幅を持ち、極性が（ａ）の場合とは逆の電界が印加され
ると、弱く固定されている界面５において液晶分子の自
発分極は反転し１強く固定されている界面６においては
液晶分子の自発分極は変化しない。

前記の逆の電界の強度としては、界面５上での分子が反
転する電圧よりも高く、界面６上での分子が反転する電
圧よりも低い電圧を印加することによって得られる電界
強度で、これによって、前記（ｂ）または（ｃ）の状態
となる。

第１図の界面５に示すような液晶分子が弱く固定される
界面とは、例えば、ポリイミド系高分子膜からなるもの
、あるいはラビング等の処理を軽く行ない規制力を弱め
たものを云う。

一方、固定界面とは、例えばポリイミド系高分子のよう
な配向制御膜を塗布し、硬化後ラビングなどのような一
軸配向処理を行なったもの、またはＳｉＯ斜方蒸着膜を
形成したもの等を云う、これらは、使用される液晶の種
類等によって異なるので、適宜選択および制御が必要で
ある。

界面上で分子を固定する方法（分子長軸方向）は上下界
面上で平行または反平行の場合だけでなく、その交差角
が分子傾斜角のほぼ２倍程度であれば互いに交差させて
もよい。

また、本発明においては、一方の基板上で分子が固定さ
れ、他方の基板上で分子がスイッチングするように界面
処理をしたセルに充填された液晶の上下界面での液晶分
子が、互いに平行、或いはほぼ平行になる場合に暗状態
となるように、前記２枚の偏光板９，９′をセットする
ことで得られる。この場合のより望ましい偏光板の配置
は、２枚の偏光板９，９′の偏光軸が互いに直角で、か
つ、一方の偏光板の偏光軸と、固定界面に於ける分子長
軸方向とが平行か直角のいずれかに設定した場合である
。

［作　用］ まず１本発明において、強誘電性液晶を用い上下基板の
配向制御機能に差をつけ、一方で強く固定し、他方で弱
く固定したことによるスイッチングの作用について説明
する華 一方の基板の液晶との界面に、例えばポリイミドのよう
な配向膜を設け、ラビング等により液晶分子を一軸配向
制御する処理を施して界面上の分子を強く固定し、もう
一方の基板の液晶との界面では、例えば上記のような配
向処理を全く施さないかあるいはごく弱いラビング処理
を施して配向制御力を弱めたセルを形成する。

このセルに強誘電性液晶を入れて、前者の基板上での液
晶の配向方向が安定となるような電界を印加しつＳ徐冷
してＳｃ宰相とすると、ラビング方向に平行な配向がよ
り安定化し、逆極性電界を印加した時に得られる配向は
相対的に不安定となる。

この２つの配向の安定度の違いは、上下基板の配向処理
の方法により制御できる。この上下基板の配向機能の差
を適度に制御することにより、無電界時には徐冷時の配
向状態が安定し、逆極性を印加した時に得られる配向は
不安定とる０次に。

逆極性の世界を印加した後に電界を除くと、天井板上で
自発分極のベクトルの方向がほぼ逆となったスプレィ状
態に遷移する。このようなスプレィ状態はセルの厚さが
厚いほど生じやすく、かつ、安定である。

以上のような作用により第１図に示すラビング方向のほ
ぼ−様な配向状態（ａ）と、スプレィ状態（ｂ）［また
は（Ｃ）〕の２つの状態が安定な液晶素子が得られる。

次に、前記液晶素子の電極に、所定の電界を印加した場
合のスイッチングの作用について説明する。

前記液晶素子に１弱く固定された側の界面上の液晶分子
の自発分極のみが反転し１強く固定された側の界面上の
液晶分子の自発分極は反転しないような電界を印加する
と、片側界面でのみスイッチングが生じる。

このように、片側界面でのみスイッチングさせることに
より、第１図に示すラビング方向とほぼ同一の配向状態
（ａ）と、スプレィ状態（ｂ）〔または（Ｃ）〕の二つ
の状態のいずれかを選択できる液晶素子が得られる。

次に、前記（ａ）、（ｂ）（または（Ｃ）〕特性を有す
るセルを用いると、同じ液晶材料でもそのスイッチング
速度が速くなる作用について説明する。

前述のとおり強誘電性液晶のスイッチング時間は、自発
分極および印加電圧が大きい程速くなる。

これは、自発分極と印加電圧との相互作用で生じる液晶
分子を反転させようとするトルクが大きくなることによ
る。分子反転のトルクの大きさは、自発分極や印加電圧
の大きさだけではなく、これら２つのベクトルのなす角
度（０）によっても変わる。

即ち、２つのベクトルが直交したときに最大となり、平
行あるいは反平行になったときは理論的にはゼロとなる
。

従来例では、メモリ状態において自発分極が基板との界
面に対してほぼ垂直な配列をしている。

従って電界を印加したとき、自発分極と電界とのなす角
度はほぼ１８０度であり、理論的なトルクはゼロである
。

実際には層構造が基板に対して完全に直交している訳で
はなく、若干傾いていたり、配向が局部的に乱れていた
り、あるいは熱的にゆらいでいたりすることにより、ゼ
ロでないトルクが生じて反転が開始する。いったん反転
が開始すると、自発分極と電界とのなす角度も拡大して
行き、それと共にトルクも増大してスイッチングが進行
し、完了するのである。

これに対し本発明においては、第１図（ｂ）のスプレィ
状態では、セル中央部の自発分極の向きが基板面にほぼ
平行、即ち、印加電圧とのなす角度がほぼ９０度であり
、従来に比べてトルクが初期において既に著しく大きい
、それ故に同一材料でも、応答速度が速くなるのである
。

以上のように、スプレィ状態（ｂ）からユニフォーム状
態（ａ）へのスイッチング速度を著しく改善することが
でき、特に、液晶マトリックス表示装置をより短い時間
で駆動することができるのである。

また、強誘電性液晶分子が形成する層構造は基板面に垂
直ではなく、上下にほぼ対称な“くの字型″に変形した
層構造をとっている（Ｔ、Ｐ、Ｒｉｅｋｅｒｅｔ　ａｌ
、　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ
、　５９．　Ｎｏ、２３（１９８７）　ｐｐ１２５７〜
２６６１　：リーカー他、ブイジカルレピュー　レター
ズ〕。従って１層内の液晶分子がいかなる配列をとって
も、素子の厚み方向の液晶分子の分布が−様なユニフォ
ーム状態になることができないために理想的な暗状態と
はならなす、コントラストも低い。

従って、本発明の効果を十分に引き出すには。

スメクチック層が素子の厚さ方向にほぼ垂直で平行な層
（ブックシェルフ構造）にすることが望ましい、こうし
た、ブックシェルフ構造は、素子を作成した当初から形
成されている必要はなく、例えば、交流の比較的高い電
圧を印加することで形成することができる。スメクチッ
クＡ相を経由する液晶材料を用いる時には、特に上記の
操作が有効である。

本発明は、液晶の自発分極の向きをスプレィ状態にした
後に、逆の極性の電圧パルスを複数の電極線の１本ずつ
に印加することにより順次書込んで行く、スプレィ状態
からユニフォーム状態へのスイッチング速度が、従来の
表示装置の場合に比べて２倍以上速いので、全画面の書
き換え時間を大幅に短縮することができるのである。

［実施例］ 次に、実施例により本発明を具体的に説明する。

〔実施例１〕 酸化インジウム系透明電極を設けた２枚のガラス基板の
うち一方の基板上に、ポリイミド系配向制御膜（ＰＩＱ
ワニス、日立化成工業■製）をスピンコードし、これを
加熱硬化した後にラビング処理した。

溝尻光学所製エリプソメータで膜厚を測定したところ、
約１００人であった。２枚の基板間隔が３．２μｍとな
るようにガラスファイバ粉末をスペーサとして液晶セル
を組み立て、下式で示す液晶組成物を真空封入した。

（４０重量％） （４０重景％） （２０重景％） 上記組成物の相系列を示すと次の通りである。

き角３２度、粘性係数０．７Ｐａ−８、自発分極４１ｎ
Ｃ／ｃｍ”であった。

本組成物を上記セルに真空封入した後に、−旦６１℃以
上に加熱した後、直流電圧２０Ｖを印加しながら、約０
．５℃／分で室温まで徐冷した。

次に、２枚の偏光板で上記の素子を挟み、一方の偏光板
の偏光軸をラビング方向にほぼ平行（傾き角の温度変化
分である約１０度ずらした）にセットし、他方の偏光板
の偏光軸を前記偏向板の偏光軸に対してほぼ直角に配置
した。

これに、電圧４０Ｖ、Ｉｌｉτの電圧パルスを印加し、
一方の界面においてのみ分子、即ち、自発分極が反転す
る最小パルス幅τＳ、τＵを測定した。

上記において、τＳはユニフォーム状態からスプレィ状
態への、また、τＵはスプレィ状態からユニフォーム状
態へのスイッチングの最小パルス幅である。

その結果、τｓ：＝２００ｕｓ、ｔｕ：＝７０μｓとな
り、τＵがτＳに対して２倍以上高速であることが分か
る。

なお、この組成物の室温（２５℃）に於ける傾〔比較例
〕 実施例１と同じ構成の素子において、配向膜の処理のみ
上下同一とし、膜厚５０人、ラビング方向は上下で反平
行とした。プラス、マイナスの電圧パルスを印加した場
合の反転に要する最小パルス幅を測定したところ、共に
２２０μｓであった。

〔実施例２〕 実施例１と同様の構成で、電極構造のみ第３図（ａ）に
示すような３Ｘ３の液晶マトリクス素子に。

第３図（ｂ）に示すような電圧波形を印加した。

ここで、まず初期化期間内１７において、前画素の状態
を一様にし、走査期間１８において、各走査電極Ｖ　ｘ
ｚ　ｅ　Ｖ　ｘｚ　ｙ　Ｖ　ＪＩ３のそれぞれに時間を
割当て）、１ライン毎に信号電極Ｖ　ｖｌ　＠　Ｖ　ｖ
ｓ　ｐ　Ｖ　ｖｓからの信号情報を乗せた波形との差の
電圧により順次書込んだ。

第３図に示した駆動波形例では、スイッチングさせる際
の電圧をＶ、とじ、他のライン上を書込んでいるときに
加わるパルス電圧をＶ、／３となるように設定した。

二こでは、初期化パルス１９により全画素をまずスプレ
ィ状態とする０次に、書込みパルス２０の波高値をしき
い値以上となるｖｏ、あるいはしきい値以下となるｖ、
／３とし、スプレィ状態を保持するか、あるいはユニフ
ォーム状態へ書き換えるかして、画素毎に適宜明暗２状
態を書込んで行く。

なお、初期化期間内においては、ユニフォーム状態から
スプレィ状態へのスイッチングを完了させるためには、
パルス幅を十分に広くとるか波高値を十分に高くするこ
とにより達成される。

［発明の効果］ 本発明の利用方法によれば、同じ液晶を用いた場合でも
、スイッチング速度をより速くすることができるので、
これまで以上に画素数の多い表示素子を駆動することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の液晶素子の液晶分子および自発分極の
配向状態を説明する模式図、第２図は本発明の液晶素子
構造の斜視図、第３図（ａ）はマトリクス構成および第
３図（ｂ）はその駆動波形図である。 １・・・基板、２・・・液晶分子の液晶層に平行な面へ
の斜影を示すベクトル（Ｃ−ダイレクタ）、３・・・自
発分極、５・・・自由界面、６・・・固定界面、９・・
・偏光板。 ｌＯ・・・液晶セル、１１・・・偏光板の偏光軸、１２
・・・ラビング方向、１３・・・マトリクス電極、１４
・・・駆動回路、１７・・・初期化期間、１８・・・走
査期間。 １９・・・初期化パルス、２０・・・スイッチングパル
ス。 第１図 （ａ） （ｂ） １２ 第 ２ 図 １．１′・・・・・・基板 ９．９′・・・・・・偏光板 １０・・・・・・・・・液晶 ｉｉ、　ｘｉ’・・・偏光板の偏光軸 １２・・・・・・・・・ラピ／グ方向 １３．１３’・・・マトリックス貴」魯１４・・・・・
・・・・駆動回路 （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電極を有し少なくとも一方が透明な一対の基板をス
   ペーサを介し対向させて形成したセルと、該セル内に封
   入された強誘電性液晶層と、 前記液晶分子の配向変化に対応して前記セルを透過する
   光の強度を変化せしめる光学手段を有する液晶表示装置
   の駆動方法において、 前記液晶表示装置内の前記液晶層と前記基板との一方の
   界面における液晶分子を、他方の界面における液晶分子
   よりも基板に対して弱く固定し、 書込み前に全画素に初期化パルスを印加することにより
   前記液晶分子の自発分極をスプレィ状態に配向し、 次いで書込みのスイチングを行なうための印加電圧は、
   弱く分子を固定した方の界面上での分子が反転する電圧
   よりも高く、強く分子を固定した力の界面上での分子が
   反転する電圧よりも低い電圧を、選択画素に印加するこ
   とを特徴とする液晶表示装置の駆動方法。 ２、マトリックス電極を有し少なくとも一方が透明な一
   対の基板をスペーサを介し対向させて形成したセルと、 該セル内に封入された強誘電性液晶層と、 前記液晶分子の配向変化に対応して前記セルを透過する
   光の強度を変化せしめる光学手段を有する液晶表示装置
   の駆動方法において、 前記液晶表示装置内の前記液晶層と前記基板との一方の
   界面における液晶分子を、他方の界面における液晶分子
   よりも基板に対して弱く固定し、 書込み前にマトリックス電極により構成された全画素に
   初期化パルスを印加することにより前記液晶分子の自発
   分極をスプレイ状態に配向し、 次いで書込みのスイチングを行なうための印加電圧は、
   弱く分子を固定した方の界面上での分子が反転する電圧
   よりも高く、強く分子を固　定した方の界面上での分子
   が反転する電圧より　も低い電圧を、選択画素に印加す
   ることを特徴　とする液晶表示装置の駆動方法。 ３、請求項第２項において、所定の極性の電圧パルスを
   複数の電極線に同時に印加することによ　り、一方の界
   面と他方の界面の液晶分子の配向　が互いに交差する状
   態に初期化し、　 次いで、前記所定の極性とは逆の極性の電圧　パルスを
   前記複数の電極線の１本ずつに印加することにより、順
   次書込むことを特徴とする液晶表示装置の利用方法。　 ４、基板の少なくとも液晶分子を強く固定する側に一軸
   配向した液晶配向制御膜を設けたことを　特徴とする請
   求項第１項、第２項または第３項　記載の液晶表示装置
   の駆動方法。