JP3149451B2 - 液晶電気光学素子の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表示体、ライトバルブ
等の駆動方法に関し、詳しくは液晶物質を用いた表示体
の駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】反強誘電性液晶の反強誘電相における安
定状態と電場誘起強誘電相の二つの配向状態との間の、
いわゆる三安定スイッチングは、従来の表面安定化強誘
電性液晶素子(SSFLC) に見られる幾つかの本質的な問題
点を解決する方法の一つとして期待され、活発に研究が
進められている（A.D.L.Chandani et al.：Jpn.J.Appl.
Phys.,27, L729(1988), A．D．L．Chandani et al.：J
pn. J. Appl. Phys.,28,L1265(1988) 等参照）三安定ス
イッチングの主な特徴は次の４点である。

【０００３】(1) 電圧印加による反強誘電−強誘電相転
移には、直流電圧に対する急峻なしきい値特性がある
（図７）。

【０００４】(2) その相転移に幅の広い光学的ヒステリ
シスを持つため、反強誘電相あるいは強誘電相を選択し
た後に維持電圧ＶH を印加しておけば、その状態を維持
することができる。

【０００５】(3) 強誘電相における二つの配向状態を光
学的に等価にすることができる。

【０００６】(4) 液晶層内の電荷の偏りを防ぐことがで
きるため、ＳＳＦＬＣに見られるような電気光学特性の
経時変化がない。

【０００７】これらの特徴を用いれば、単純マトリクス
駆動による高精細液晶表示体を作成することができる。
なお、本出願では電場誘起強誘電相における二つの配向
状態を区別するため、それらを強誘電相(+)、強誘電相
(-)と呼ぶことにする。

【０００８】これまでに知られている駆動方法の例とし
ては、図８に示した方法が特開平2-173724に開示されて
いる。図８(a)のＶt とＶdは、それぞれ走査電極と信号
電極に印加する電圧波形、図８(b)はそれらの合成波形
であり、この合成電圧波形が液晶層へ印加される。１フ
レームは〔Ｓ〕と〔ＮＳ〕で示した選択期間と非選択期
間から成り、選択期間〔Ｓ〕は、〔Ｒ〕と〔Ｗ〕で示し
たリセット期間と書き込み期間から成っている。

【０００９】この駆動方法では、リセット期間には液晶
層へ０ボルトを印加することによってＯＦＦ状態へリセ
ットする。そして、ＯＮ状態を選択する場合は、書き込
み期間の後半にＶ(A-F)sよりも大きい電圧を印加してＯ
Ｎ状態へスイッチした後、単極性の維持電圧波形（Ｖ0
−Ｖ2〜Ｖ0＋Ｖ2）を印加して、ＯＮ状態（強誘電相）
を維持する。また、ＯＦＦ状態を選択する場合には、書
き込み期間の後半にＶ(A-F)t以下の電圧を印加した後、
単極性の維持電圧波形を印加して、ＯＦＦ状態（反強誘
電相）を維持する。

【００１０】この駆動方法による表示原理を、図６を用
いて説明する。反強誘電相での光軸ＯAはスメクチック
層３４と直交している。この液晶層を図６(b)のように
液晶配向膜３１０と透明電極３７が設けられた二枚のガ
ラス基板38で挟み、さらに、偏光軸39が光軸ＯAと平行
又は垂直にセットされた偏光板35と、その偏光板と直交
している検光板３６とで挟めば、光透過率は０（ＯＦＦ
状態）となる。ここで、Ｖ(A-F)t以下の電圧を印加して
も光透過率の変化はわずかであり、ＯＦＦ状態を維持す
ることができる。一方、絶対値がＶ(A-F)s以上の正極性
電圧を印加すれば、反強誘電相から強誘電相(+)へ相転
移する。この時の液晶分子配向方向(光軸)をＯF(+)、自
発分極をＰs(+)とする。また、絶対値がＶ(A-F)s以上の
負極性電圧を印加すれば、光軸がＯF(-)で自発分極がＰ
s(-)であるもう一方の強誘電相(-)へ相転移する。ＯF
(+)、ＯF(-)と偏光軸のなす角度をそれぞれθ(+)、θ(-)
とすれば、それらは０ではないため光が透過し、ＯＮ状
態となる。そして、維持電圧ＶHを印加している限りそ
の状態を維持することができる。さらに、θ(+)とθ(-)
は互いに等しく、二つの強誘電相(+)と(-)の光透過率は
互いに等しいため、両者は光学的には等価である。した
がって、ＯＮ状態を選択するためには、光軸がＯF(+)ま
たはＯF(-)のいずれか一方の強誘電相を選択すればよ
い。

【００１１】ところが、強誘電相を維持するためには、
維持電圧を印加し続けなければならない。もし、一方極
性の電圧を印加し続けると、液晶層内の不純物イオンが
液晶層と配向膜との界面に掃き寄せられて、液晶の電気
光学特性に悪影響を及ぼす。したがって、外部印加電圧
の極性の偏りによる電気光学特性の経時変化を防ぐため
には、単位時間内の電圧の時間平均値を０にしなければ
ならない。そこで、この駆動方法では、データ電圧波形
を交流として、さらに、１フレーム内においては交流で
はない書き込み電圧波形と維持電圧波形の極性を、１フ
レーム毎に反転することによって、単位時間内での電圧
の時間平均値が零となるようにしている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の駆動方
法は以下に述べるような二つの課題を持っている。

【００１３】図８(b) 第２フレームの電圧波形は、ＯＦ
Ｆ状態を選択する場合に液晶層へ印加される電圧波形で
ある。既に説明したように、絶対値がしきい値以下の電
圧ＶNS＝−(Ｖ0＋Ｖ1)＋Ｖ2 を書き込み期間の最後に印
加し、その直後にＶNSよりも小さい維持電圧を印加す
る。このような駆動方法で高いコントラスト比を得るこ
とは困難である。その理由を、図３を用いて説明する。

【００１４】簡単のために維持電圧を一定値ＶHとし、
ＶNS を印加した時の光透過率をＩNSで表し、その直後
にＶHを印加したときの光透過率をＩHで表すことにす
る。図３の破線で描かれたループＣは、印加電圧の最大
値をＶNSとしたときのヒステリシス特性を示している。
この図からわかるように、電圧をしきい値よりも低いＶ
NSから下げて行くときにも、光透過率は矢印のように変
化して、ヒステリシス特性を示す。したがって、電圧Ｖ
NSを印加した直後に維持電圧ＶH を印加したときの光透
過率ＩH は図示したようになる。コントラスト比はＩH
に反比例するため、ＩH を十分小さくすることができな
い従来の駆動方法では、高いコントラスト比を得ること
は困難である。

【００１５】二つめの課題は、一般的に、強誘電相から
反強誘電相への相転移の緩和速度が逆方向の相転移の緩
和速度と比較して遅いため、リセット期間を長くしなけ
ればならず、画面走査に時間がかかる、ということであ
る。

【００１６】本発明は上記課題を解決するためのもので
あり、その目的とするところは、三安定スイッチングの
特長を十分に生かして、高いコントラスト比と高い光透
過率を得ることができ、さらに電荷の偏りを防ぐことが
できるマルチプレックス駆動方法を提供するところにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶電気光学素
子の駆動方法は、走査電極を有する基板と信号電極を有
する基板との間に液晶層が挟持されてなり、前記液晶層
は反強誘電相の配向状態と強誘電相の配向状態を有して
なる液晶電気光学素子の駆動方法において、選択期間内
に前記液晶層のいずれかの配向状態を選択するための電
圧を前記液晶層に印加する工程と、非選択期間に前記選
択した配向状態を維持するための電圧を前記液晶層に印
加する工程と、を有し、 前記選択期間内に前記液晶層を
前記反強誘電相の配向状態に選択する際に前記液晶層に
印加される電圧は、その極性が互いに異なる２レベルの
電圧を含み、各電圧レベルの絶対値が前記反強誘電相か
ら強誘電相へ相転移させるときのしきい値電圧の絶対値
以下に設定されていることを特徴とする。

【００１８】このように、選択期間内に液晶層を反強誘
電相の配向状態に選択する際に、液晶層に印加される電
圧は、その極性が互いに異なる２レベルの電圧を含むこ
とで、反強誘電相の配向状態での液晶層の光透過率は例
えば図２の実線の通りとなり、図２の破線に示す従来駆
動と比べて改善される。

【００１９】本発明ではさらに、前記選択期間内に前記
液晶層を前記強誘電相の配向状態に選択する際に前記液
晶層に印加される電圧は、その極性が互いに異なる２レ
ベルの電圧を含み、先に前記液晶層に印加される電圧は
前記反強誘電相から強誘電相へ相転移させるときの飽和
値電圧の絶対値以上に設定され、後に前記液晶層に印加
される電圧は前記強誘電相から反強誘電相へ相転移させ
るときのしきい値電圧の絶対値以上に設定されることが
好ましい。

【００２０】

【実施例】（実施例１） 図６(b)に示したように、ガラス基板上に透明電極（Ｉ
ＴＯ）を形成し、さらにその上に液晶配向膜（ポリイミ
ド）を形成する。上下基板に形成した透明電極は、それ
ぞれ走査電極と信号電極に相当する。そして、液晶配向
膜をラビング処理する。このような２枚の基板間に液晶
材料 4-(1-methylheptyloxycarbonyl)phenyl-4'-octylo
xybiphenyl-4-carboxylate（ＭＨＰＯＢＣ）を封入し、
環境温度を反強誘電性カイラルスメクティックＣ相の温
度範囲に保持したものを試料として用いた。液晶層厚は
1.7μmである。この試料を２枚の直交する偏光板で挟
み、一方の偏光板の偏光軸をスメクチック層面と直交さ
せた。70℃における光透過率のヒステリシス特性を図７
に示す。Ｖ(A-F)t＝１４〔ｖ〕、Ｖ(A-F)s＝２０
〔ｖ〕、Ｖ(F-A)t＝６〔ｖ〕である。

【００２１】本発明による駆動電圧波形を図１に示す。
図１(a)は走査電圧波形、図１(b)のＶd(OFF)、Ｖd(ON)
はそれぞれ反強誘電相（ＯＦＦ状態）と強誘電相（ＯＮ
状態）を選択するためのデータ電圧波形である。図２の
上段は液晶層へ印加される電圧波形であり、走査電圧波
形とデータ電圧波形の合成波形である。そして、図２の
下段はそれに対する液晶の電気光学応答である。リセッ
ト電圧はＶSE＝０〔ｖ〕、データ電圧は｜ＶD1｜＝｜Ｖ
D2｜＝３〔ｖ〕とし、選択期間の最後から二番目の書き
込み電圧パルスの波高値はＶS1＝17〔ｖ〕、最後の書き
込み電圧パルスの波高値はＶS2＝−４〔ｖ〕とした。維
持電圧波形としては、負極性から始まる±９〔ｖ〕の交
流電圧パルスとした。また、補償電圧波形としては、パ
ルス幅と波高値がそれぞれＰW2とＶC＝−（ＶS1+ＶS2+
ＶSE)＝−13〔ｖ〕の電圧パルスを、リセット期間の最
初に印加することにした。駆動デューティ比とパルス幅
ＰW1、ＰW2はそれぞれ１／１０００と４８０μsec、８
０μsecであり、維持電圧波形の周波数は１/(1.991×10
-3) Ｈｚである。

【００２２】信号電極にＯＮデータ電圧波形Ｖd(ON)を
印加した場合、選択期間の最後から二番目に液晶層へ印
加される電圧はＶS1−ＶD1＝２０［ｖ］となり、その絶
対値が反強誘電相から強誘電相へ相転移させる時の飽和
値Ｖ(A-F)Sの絶対値以上となるため、反強誘電相から強
誘電相（＋）への相転移が起こる。それに続く最後の電
圧は−７［ｖ］である。このようにパルス電圧の波高値
が＋２０［ｖ］から−７［ｖ］へ直接変化した場合、７
［ｖ］は｜Ｖ(F-A)t｜以上であるため、反強誘電相を通
り越してもう一方の強誘電相（−）へスイッチする。そ
の後、非選択期間には−６〜−１２［ｖ］と６〜１２
［ｖ］という維持電圧パルスが交互に印加されて、交互
に強誘電相（−）と強誘電相（＋）の状態になるため、
ＯＮ状態が維持される。

【００２３】次に、信号電極にＯＦＦデータ電圧波形Ｖ
d（OFF）を印加した場合、選択期間の最後から二番目に
液晶層へ印加される電圧は14〔ｖ〕となる。この値は｜
Ｖ(A-F)t｜以下であるため、反強誘電相から強誘電相
(+) への相転移は起こらない。この時の光透過率は図３
に示したようにＩNSである。それに続く最後の電圧は、
−１〔ｖ〕である。この電圧は、最後から二番目の電圧
とは逆極性のため、この期間に光透過率はほぼ０に近い
値まで低下する。その後、非選択期間には−６〜−12
〔ｖ〕と６〜12〔ｖ〕という維持電圧パルスが交互に印
加される。この場合、光透過率は図３に示したループＢ
にほぼ従うように変化する。ただし、この図では正極性
側のみ示してある。

【００２４】このような駆動方法による実際の光透過率
の時間変化を図２に実線で示す。比較のために、従来方
法によって駆動した場合の光透過率を、同図の破線で示
した。これより、ＯＮ状態の光透過率については両者の
間に差は見られないが、ＯＦＦ状態の光透過率には明ら
かな差が認められる。本発明によるＯＦＦ状態の平均光
透過率は、従来方法によるそれのほぼ ２／３ 倍となっ
ている。コントラスト比はＯＦＦ状態の光透過率に反比
例するため、コントラスト比は従来のほぼ３／２倍とな
り、１：２５から１：３５へ向上した。さらに、前述し
たように補償電圧パルスを１個印加しているため、１フ
レーム内に液晶層へ印加される電圧の時間平均値は０と
なり、液晶層内での電荷の偏りは起こらない。

【００２５】次に、本発明による駆動方法と従来技術に
よる駆動方法の表示速度を比較する。強誘電相から反強
誘電相への緩和時間が約４２０μsec であるため、従来
の方法では、選択期間の長さは８０×２＋４２０＝５８
０μsec となる。これに対して、本発明による方法で
は、選択期間（書き込み期間）の長さは１６０μsecで
ある。したがって、本発明による駆動方法を用いれば、
従来方法による駆動方法よりも約３．５倍の高速化が達
成される。ただし、どの程度高速化されるか、というこ
とは、強誘電相から反強誘電相への緩和時間によって異
なり、緩和時間が長ければ長いほどその効果が大きくな
る。

【００２６】

【００２７】（実施例２） 本実施例では、実施例１の駆動方法において、｜ＶD1｜
と｜ＶD2｜の値の上限Ｖ2を３〔ｖ〕として、その範囲
内で変化させた。ただし、実施例１と同様に ＶD1＝−
ＶD2である。このようにデータ電圧を変調することによ
って、階調表示を行うことができた。

【００２８】（実施例３） 本実施例では、図４に示したように、非選択期間に印加
される維持電圧波形に補償電圧波形を重畳した。ＶS1＝
１７〔v〕，ＶS2＝−４〔v〕，ＶH＝±９〔v〕，ＶC＝
−１３〔v〕，｜ＶD1｜＝｜ＶD2｜＝３〔v〕である。し
たがって、維持電圧波形に補償電圧波形を重畳した部分
の電圧（ＶH＋ＶC）は−４〔ｖ〕となる。本実施例で
も、実施例１と同様な表示特性が得られた。

【００２９】（実施例４） 実施例１と同じ試料を用いて、図５に示したように維持
電圧波形が直流である電圧波形によって駆動した。ＶS1
＝１７〔ｖ〕、ＶS2＝−４〔ｖ〕、ＶH＝−９〔ｖ〕、
｜ＶD1｜＝｜ＶD2｜＝３〔ｖ〕、ＶSE＝０〔ｖ〕であ
る。１フレーム期間内での印加電圧の平均値は０ではな
いため、１フレーム毎にすべての電圧波形の極性を反転
することによって、単位時間内での平均値が０になるよ
うにした。表示特性は実施例１と同様に１：１７のコン
トラスト比が得られた。また、実施例４と同様に、デー
タ電圧を変調することによって、階調表示を行うことが
できた。

【００３０】

【００３１】（実施例５） 実施例１と同じ構成において、環境温度を１００℃とし
た。実施例１の場合よりも温度を高くしたため、強誘電
相から反強誘電相への緩和速度が速くなった。したがっ
て、ＰW1＝１６０μsecとしても駆動することができ、
１：３１のコントラスト比が得られた。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、反強
誘電相と電場誘起強誘電相との間のスイッチングを用い
る液晶電気光学素子のマルチプレックス駆動において、
従来の方法よりもＯＦＦ状態の光透過率を低くすること
ができるため、より高いコントラスト比を得ることがで
きる、という効果を有する。本発明は、大型・高精細液
晶ディスプレイやライトバルブへ応用することができ
る。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１の実施例を示す図。

【図２】第１の実施例において、液晶層へ印加される電
圧波形と、液晶の電気光学応答を示す図。

【図３】低電圧領域でのヒステリシス特性を示す図。

【図４】本発明による第３の実施例を示す図。

【図５】本発明による第４の実施例を示す図。

【図６】表示原理を示す図。

【図７】実施例で用いた試料において得られるヒステリ
シス特性を示す図。

【図８】従来の駆動方法を示す図。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走査電極を有する基板と信号電極を有す
   る基板との間に液晶層が挟持されてなり、前記液晶層は
   反強誘電相の配向状態と強誘電相の配向状態を有してな
   る液晶電気光学素子の駆動方法において、 選択期間内に前記液晶層のいずれかの配向状態を選択す
   るための電圧を前記液晶層に印加する工程と、 非選択期間に前記選択した配向状態を維持するための電
   圧を前記液晶層に印加する工程と、 を有し、 前記選択期間内に前記液晶層を前記反強誘電相の配向状
   態に選択する際に前記液晶層に印加される電圧は、その
   極性が互いに異なる２レベルの電圧を含み、各電圧レベ
   ルの絶対値が前記反強誘電相から強誘電相へ相転移させ
   るときのしきい値電圧の絶対値以下に設定されているこ
   とを特徴とする液晶電気光学素子の駆動方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記選択期間内に前記液晶層を前記強誘電相の配向状態
   に選択する際に前記液晶層に印加される電圧は、その極
   性が互いに異なる２レベルの電圧を含み、先に前記液晶
   層に印加される電圧の絶対値は前記反強誘電相から強誘
   電相へ相転移させるときの飽和値電圧の絶対値以上に設
   定され、後に前記液晶層に印加される電圧の絶対値は前
   記強誘電相から反強誘電相へ相転移させるときのしきい
   値電圧の絶対値以上に設定されていることを特徴とする
   液晶電気光学素子の駆動方法。