JPH02181724A

JPH02181724A - 液晶素子とその駆動法

Info

Publication number: JPH02181724A
Application number: JP1002422A
Authority: JP
Inventors: Hisahide Wakita; 尚英脇田; Yoshio Iwai; 義夫岩井; Tsuyoshi Kamimura; 強上村; Hiroyuki Onishi; 博之大西; Kazuhiro Jiyouten; 一浩上天; Satoru Kimura; 哲木村; Shozo Fujiwara; 正三藤原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-01-09
Filing date: 1989-01-09
Publication date: 1990-07-16
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: JPH0812347B2

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を液晶層として持つ液晶素子、特
に絵素ピッチ及び絵素間スペース部分の小さい微細パタ
ーンをそなえた液晶素子と、その駆動法、および、前記
液晶素子を用いた光論理素子と、フォトマスクと、表示
装置に関するものである。

従来の技術従来の強誘電性液晶素子としては、例えば第７図のよう
な構成の液晶表示パネルがある。一方の基板ガラス上に
カラーフィルターと遮光層を形成し、その上に平滑化層
で覆った後、透明電極を形成し、さらに配向膜を塗布す
る。他方のガラス基板上には透明電極と配向膜を付ける
。これら一対の基板をスペーサーにより１．５μｍから
５μｍ程度の間のある一定の間隔に対向させ、その間に
強誘電性液晶を注入し、配向させる（例えば、村上、石
川他二「高速マルチカラー強誘電性ＬＣＤＪ、第１４回
液晶討論会講演予稿集、８８頁から８９頁）、薄膜化さ
れた強誘電性液晶は第８図のようないくつかの状態が安
定になる。第８図（ａＬ　（ｂ）は液晶分子の方向がほ
ぼ揃った状態で、このとき自発分極は基板法線上方間及
び下方向に向いている。

第８図（Ｃ）は液晶分子が基板法線方向で捻れた状態を
取っており、この捻れ方向が逆回りの状態も存在する。

配向膜の種類によって基板上の液晶分子の傾き角度や液
晶層の折れ曲がり方によって、第８図と異なる場合もあ
るが、基本的にはこの模式図で液晶分子の安定状態を表
わせる。第９図（ａ）（ｂ）、　（Ｃ）はそれぞれ、第
８図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）の液晶を上基板から見
た平面図であるが、直交させた偏光子７１．７２の間に
液晶セルを挟むと、第９図（ａ）。

（ｂ）のような−様な状態を用いて、明暗を付けること
ができる。第９図（Ｃ）のような液晶分子が捻れた構造
を持つ状態では灰色の表示になる。薄膜化した強誘電性
液晶パネルはこのような安定状態を持ち、かつ、これら
の状態間の遷移は印加電圧に応じて非常に栄、激に起こ
り、印加電圧と透過光量の特性は急峻な闇値特性を示す
。このため、ｆｊｌＷＡトランジスターのような非線形
素子を設けなくても、単純なマトリックス構成の電極だ
けで大容量で高コントラストの表示を得ることができる
。

ところで、第７図では、カラーフィルターと遮光層の上
に平滑化層を形成しているが、これはカラーフィルター
上の凹凸およびカラーフィルターと遮光層の境目に段差
部が液晶の配向に悪影響を与えるのを防ぐ為に設けてお
り、強誘電性液晶は層構造を持つためネマチック液晶よ
りもこのような段差の影響を受は易い為、このような＊
９Ｉな構成を取っている。カラーフィルターを付けない
単色のパネルの場合でも、特に、絵素パターンが微細に
なり開口率が小さくなる場合は、絵素間の間隙部を暗く
する、いわゆるブラックマトリックス状態にしなければ
、コントラストが非常に小さくなってしまうので、通常
、第７図のように遮光層を設ける。遮光層以外の方法と
しては、上下基板で配向膜の極性を異ならせて、自発分
極の向きが揃った状態の内の１つの安定性を上昇させ、
初期配向で絵素間隙部を暗くする方法が提案されている
（例えば、特開昭６３−２２５２２４号公報）。

マトリックスパネルでは、隣接した電極の間は絶縁され
ており、電極間隙部には対１ｔｉ］基板上には電極があ
るが、通常、間隙部の液晶が電界に応答するとは考えら
れていない。強誘電性液晶の場合は、配向のドメインが
２次元的に広がり易いが、ドメイン壁の動きによる広が
りはせいぜい１μｍ程度であると報告されている（例え
ば、クラーク、ラガバール：ジャパンディスプレイ゛　
８６、予稿ｆｉ４５６頁［Ｃ１ａｒｋ、　Ｌａｇｅｒｗ
ａｌｌ：ＪＡＰＡＮ　ＤＩＳＰＬＡＹ’８６゜ＰＲＯＣ
ＥＥＤＩＮＧＳ、　Ｐ４５６］）。

発明が解決しようとする課題パターンが非常に微細な場合、ブラックマトリックス状
態にするために遮光層を形成するのは、電極のパターン
との位置合わせが難しく、コストの上昇を招（、また、
配向膜の極性を上下基板で異ならせると、暗状態と明状
態の安定性が非対称化するので、不安定な方の状態がマ
トリックス駆動時のクロストーク電圧で輝度乱れが生じ
る等の悪影響がある。また、絵素の間隙部だけ配向膜の
種類を変えるのは、工法的に困難である。

さらに、絵素ピッチが電極の微細加工精度の限界に近く
なった場合には、開口率は著しく小さくなるので、ブラ
ックマトリックス状態にすると、光の透過率が非常に小
さくなるという問題点も発生する。

！！題を解決するための手段上記課題を解決するために本発明の液晶素子は、対抗面
に電極を有しマトリックス状の絵素を形成する基板間に
強誘電性液晶を挟持し、隣接する２つの絵素の間隙部を
前記２つの絵素を形成する電極に所定のパルス電圧を印
加することにより前記間隙部の安定状態を切り替えるこ
とにより、？ｙｉ雑な構成を取らなくても、容易にブラ
ックマトリックス状態にできるものである。また、セル
構成によっては、明と明の絵素の間隙部は明状態または
、中間輝度状態にでき、暗と暗の絵素の間隙部は暗状態
にできるので、電極の開口率が非常に小さくなっても、
透過率を大きくできる。

作用非常に微細なパターンでは、絵素と絵素の間隙部の液晶
も電界に応答し、絵素上と同様な安定状態を取ることを
発見した０間隙部の液晶の闇値電圧は絵素上より高いが
、十分な電圧、パルス幅のパルスを印加してやれば安定
状態は切り替わる０強誘電性液晶の応答速度は概ね、電
圧とパルス幅の積に比例するが、簡単のためにパルス幅
を固定した時の、絵素上の液晶の安定状態が明から暗、
暗から明に切り替わる閾値電圧を一■２４．−■、４゜
間隙部の安定状態が明から暗、暗から明に切り替わる時
に間隙部を形成する２つの絵素上に印加されている電圧
をＶＢ２．■＊ｂとすると■□〉■、４Ｖｏ＞Ｖ、。

の関係がある。電圧が−ｖ、ｄ以下のパルスにより、絵
素及び、絵素間隙部を暗状態にしてから、走査電極を選
択する０選択期間に絵素がオンの時とオフの時に絵素に
印加される電圧をそれぞれｖＯｎ　＋■。ｆｆとするとＶ　ｏａ≧Ｖ、ｂ＞Ｖｏｆｆの関係があるがＶ、、＞＞Ｖ、。

なら選択期間には絵素上だけがスイッチし、ブラックマ
トリックス状態になる。絵素間間隙部の幅が狭くなり、
Ｖ□＋ＶＩｋが小さくなり、Ｖ　＠ａ　≧Ｖ　＠＞　＞
　Ｖ　６１　ｆになると選択期間に間隙部を形成する２
つの絵素がともにオンの時は、間隙部もオン状態になる
。

実施例以下本発明の一実施例の液晶素子とその駆動法について
、図面を参照しながら説明する。

第１図は絵素ピッチ９０μｍ、絵素間スペース５μｍの
強誘電性液晶マトリックスパネルに第３図のようなマト
リックス駆動波形を絵素に印加した後の絵素の状態を示
した平面図である。第２図は、第１図のパネルの断面図
で、ガラス上にストライブ状の透明電極を形成し、その
上に配向膜を形成している。液晶材料は、エステル系の
強誘電性液晶を用い、液晶層の厚さ２．０ａｍであり、
ＳｉＯを基板法線から８２度傾動た方向から蒸着し配向
膜を形成した。第３図の駆動波形はリセット期間２００
部分でパネル全面を暗状態にした後、電圧平均化法によ
る走査を行なっている。第３図２０の部分では￥ｒ−２
５ボルト、Ｔｒ−１ミリ秒の双極性パルスがパネル全面
に印加され、このとき初期配向ではねじれ状態だったパ
ネルが絵素の間隙部も含めて真っ黒になった。２５ボル
ト、１ミリ秒未満、５００μ秒以上のパルス幅では縦の
絵素間隙部のみ黒くなり、５００μ秒未満のパルス幅で
は全く応答しなかった。第１図１１の部分は選択期間に
Ｔｓ−２００＃秒でＶ、、−２５ボルトの双極性パルス
が印加され、絵素内部だけが明状態になり、１２の部分
は選択期間にＴｓ−２００μ秒、Ｖ−ｔｔ　”　１５ボ
ルトの双極性パルスが印加されたが暗状態のまま保たれ
た。電圧の極性を第３図とは逆転させると、第１図の絵
素の状態は全く反対の状態になり、間隙部は双安定性を
示すことが分かった。絵素ピッチ３０ｕｍ、絵素間隙部
３μｍのパネルでは、間隙部の安定状態が切り替わる電
圧、パルス幅はもっと小さくなり、Ｖｒ−２５ボルト、
Ｔｒ−３００μ秒の双極性パルスで暗状態になった。こ
のパネルでは、第１図１１のオン絵素は明状態になり、
オン絵素に挟まれた間隙部の液晶はねじれ状態を取り、
中間レベルの明るさとなった。絵素ピッチ６μｍ、絵素
間隙部２μｍのパネルでは絵素間隙部の闇値電圧は更に
小さくなり、Ｖ　ｒ＝２５ボルト、Ｔｒ＝２５０μ秒で
暗状態になり、このときは、絵素の閾値も２５ボルト２
２５μ秒と少し上昇し、間隙部との差は非常に小さくな
った。このパネルをＴｓ＝２５０μ秒、■。７−２５ボ
ルトと闇値より少し長いパルスで駆動したところ、オン
絵素間の間隙部は明状態に成り、オフ絵素間の間隙部は
暗状態に、オン絵素とオフ絵素間間隙部はねじれ状態に
なった。

この結果、透明電極により形成された絵素の開口率は１
６ｐｒｆｆ／３６μｍで４４％だが、表示される文字や
図形の明るさは開口率１００％の場合と同等であった。

パネル全面に電圧を印加するときに液晶層、特に絵素間
隙部にどのような電界がかかっているかを有限要素法で
計算した電界強度分布図を第４図に示す。上電極はＯボ
ルト、下電極は２０ボルト、液晶層の厚みは２μｍ、１
！極の厚みは２００ｎｍ、液晶とガラスの誘電率はそれ
ぞれ７，６．７、電極間間隙部は４μｍとしている。

絵素間隙部でも上電極近辺では絵素上の７割、下のガラ
ス付近でも４割から５割の強度の電界が印加されている
のが分かる。同様の計算により、絵素間隙部を狭くして
いくと間隙部の電界はより強く、広くしていくと弱くな
ることも分かった。従って、電極間隙部を狭くしていけ
ば、液晶が応答するに十分な電界が間隙部にも印加され
ており、液晶分子はこの電界に応答していることが、こ
の第４図からも分かる。

電極間隙部が３０μｍ程度までのセルではパルスの電圧
をあげるかパルス幅を大きくしていけばブラックマトリ
ックス状態にできた。しかし、間隙部が５μｍ以上のセ
ルでは、体積抵抗値が低い、イオン性の不純物が多い強
誘電性液晶材料を液晶層に持つ場合は、パルス幅を長く
していっても完全に間隙部を暗状態にできず、あまり、
長くし過ぎると逆にねじれ状態になってしまった。これ
は、イオン性不純物が印加電圧により移動して、印加電
圧とは逆の電圧がイオン分布により発生しているためと
考えられる。そこで、第５図（ａ）、　（ｂ）のように
双極性パルスのパルス幅を短くして複数回操り返すこと
により、イオンの移動を防ぎ、かつ繰り返しの効果によ
り短いパルスでも間隙部が動くことが分かった。第３図
、第５図（ａ）、　Ｏ））の駆動波形図は、パネル全面
を暗状態にしてから走査を行なったが、隣接した電極に
ほぼ同じ電界が印加されれば絵素間隙部は応答し易いの
で、パネル全面でな（でも連続した複数本の走査電穫上
の絵素に順番に、あるいはパネルの一部だけに、双極性
パルスを印加しても良い。また、絵素間隙部は短いパル
スでも繰り返し印加すると応答しやすくなるので、１回
又は数回の走査毎に間隙部をリセットする方がよい、第
６図（ａ）〜（′ｂ）はマトリックス駆動波形の他の実
施例の波形図で、横軸は時間、縦軸は電圧、第６図（ａ
）〜（Ｃ）は走査電圧波形、第６図（ｄ）。

（ｅ）は信号電圧波形、第６図（ｆ）　〜（ｈ）はＸｌ
−Ｘ３とＹｌとが形成する絵素に印加される電圧を表わ
す。

第６図（ａ）〜（Ｃ）のリセット期間を見ると、走査電
捲に、他の走査線が選択されている時に、選択期間の印
加電圧とはパルスの印加順序を逆転させてパルス幅を長
くした電圧を印加すると、その時の信号電圧がオン信号
でもオフ信号でも、同極性のパルスが連続的に絵素Ｐ１
〜Ｐ３に印加されるので、絵素間隙を電界応答させるこ
とができた。この駆動法なら、連続的な走査を行いなが
ら、パルス幅の長いリセットパルスを印加でき、かつ、
走査時間は絵素上の液晶の応答速度（選ｔＲＩＩＪＩ間
のパルス幅）Ｔｓの２Ｎ倍（Ｎは走査線数）となり、ネ
マチック液晶の電圧平均化法と同等で、走査時間を非常
に短くできる。また、このリセットパルスは直流成分を
含まないので、液晶の劣化を招くことはない、すなわち
、信号電圧は１選択期間の前半と後半で、オン信号の時　ＶｓとＯオフ信号の時　（１４／ａ）率Ｖｓと（２／ａ）＊Ｖｓ
の電位を取るが（ａはバイアス比）、リセットの走査信
号は、Ｖｓと００電位を数選択期間ずつ取るので、１選
択期間内に絵素に印加される電圧とパルス幅の積は、走
査電圧がＶｓのとき、オン信号では（シ５−Ｖｓ）＊Ｔｓ＋（Ｖｓ−０）ｄｓ−Ｖｓ１１Ｔ
ｓオフ信号では（’ｊｓ−（１−２／ａ）＊Ｖｓ）　＊１ｓ＋　ｆＶｓ
−（２／ａ）本ＶＳｌ　本Ｔｓ−Ｖｓｄｓと等しく、走
査電圧がＯボルトの時は、オン信号では（０−Ｖｓ）率Ｔｓ＋（０−０）ｄｓ−−Ｖｓ傘Ｔｓオ
フ信号では（０−＜１−２／ａ）＊Ｖｓ）　傘Ｔｓ＋　（０−（２
／ａ）＊νｓｌ　１ｓＴｓ＝−Ｖｓ＊Ｔｓとなり、オン
信号でもオフ信号でも電圧とパルス幅の積は正負等しい
ので、直流成分は残らず、また、信号電圧によらずに絵
素及び絵素間隙部をリセットできる。

この方法を用いれば、リセットパルスは走査中のどの時
点でも、どの様なパルス幅でも、また何回でも印加でき
るので、例えば、第６図のような駆動波形はイオン性不
純物の多いパネルでも絵素間隙部の安定状態を連続的な
走査を短い走査時間内で切り替えることができた。

以上のように本発明の液晶素子は、パターンが非常に微
細で、開口率を十分に取れない場合でも、遮光層無しの
簡単な構成で、高コントラストで透過率（反射形の場合
は反射率）の高いライトバルブを実現できる。

本発明の液晶素子を用いれば、液晶素子を積層して大容
量並列光論理演算子が実現可能となる。

また、絵素間隙部が小さい時は、明状態、或は、暗状態
の隣合った絵素は繋がって表示されるので、半導体集積
回路等の作成時に用いられるフォトマスクとして本発明
の液晶素子を用いれば、従来のような、クロムなどの遮
光層をエツチングして固定のパターンを作成せずとも、
１枚の液晶素子で任意のパターンをデータを液晶ドライ
ブ回路へ送るだけで形成できる。

さらに、本発明の液晶素子を用いた従来にない高精度大
容量の表示装置が実現できる。特に、絵素ピッチが数十
μｍ以下のパターンの場合は、スクリーン上に拡大投射
する事により大型で高精細大容量で、かつ、高コントラ
ストで明るい表示装置を構成できる。

発明の効果本発明の液晶素子は、所定の電圧波形を印加することに
より、微細な絵素パターンの絵素間間隙部の強誘電性液
晶分子を電界に応答させて安定状態を切り替えることに
より、電極間に遮光層を設けない簡単な構成で、高コン
トラスト比の表示を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の一実施例の液晶素子の平面図
と断面図、第３図は本発明の液晶素子の駆動法の波形図
、第４図は計算により求めた電界強度分布図、第５図と
第６図は本発明の駆動波形図、第７図は従来例の強誘電
性液晶パネルの構成図、第８図、第９図は強誘電性液晶
の安定状態の模式図である。ｌ・・・・・・上基板、２・・・・・・下基板、３・・
・・・・信号電極、４・・・・・・走査電極、１１・・
・・・・オフ絵素、１２・・・・・・オン絵素。代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第図第図鶴図第図４ノー一一類誘を姓來晶乾−−−透明耽紮６＝　遮光１ ω−−−表居亦チ（ｂ＞（Ｃ）（α）（ｂン（Ｃ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）対抗面に電極を有しマトリックス状の絵素を形成
する基板間に強誘電性液晶を挟持し、隣接する２つの絵
素の間隙部を前記２つの絵素を形成する電極に所定のパ
ルス電圧を印加することにより前記間隙部の安定状態を
切り替えることを特徴とする液晶素子。
（２）隣接する２つの絵素がどちらも暗状態の時は前記
絵素の間隙部を暗状態に、前記２つの絵素が明状態の時
は前記間隙部を明状態または中間輝度状態に安定させる
ことを特徴とする請求項（１）記載の液晶素子。
（３）上下基板上に同じ配向膜を用いることを特徴とす
る請求項（１）または（２）のいずれかに記載の液晶素
子。
（４）所定のパルス電圧により間隙部を暗状態に安定化
し、所定のパルス電圧が前記パルス電圧と同電圧で絵素
を暗安定状態にできる最短のパルス幅より長いパルス幅
を持つことを特徴とする請求項（１）記載の液晶素子。
（５）間隙部が走査電極の選択期間に間隙部を形成する
絵素に印加される電圧で安定状態が変わらないことを特
徴とする請求項（４）記載の液晶素子。
（６）所定のパルス電圧が所定の走査回数毎に印加され
ることを特徴とする請求項（４）記載の液晶素子。
（７）所定のパルス電圧が走査の直前に印加されること
を特徴とする請求項（６）記載の液晶素子。
（８）所定のパルス電圧が、絵素を暗状態に安定化でき
る最短のパルス電圧のパルス幅以上のパルス幅を持つ交
流パルスを、前記交流パルスのパルス幅の２倍から１０
０倍の休止期間を挟んで複数回繰り返すものであること
を特徴とする請求項（３）、（４）、（５）、（６）ま
たは（７）のいずれかに記載の液晶素子。
（９）２つの絵素につながる走査電極に、前記走査電極
以外の走査電極が選択されているときに、選択期間に印
加される走査電極に印加されるパルス列の２倍以上のパ
ルス幅で前記パルス列と電圧値の順列を逆転させたパル
ス列を印加することにより、２つの絵素に間隙部が安定
状態になるに十分なパルス電圧が印加されることを特徴
とする請求項（１）から（８）のいずれかに記載の液晶
素子。
（１０）間隙部の幅が３０μｍ以下であることを特徴と
する請求項（１）から（４）のいずれかに記載の液晶素
子。
（１１）間隙部の幅が５μｍ以下であることを特徴とす
る請求項（１）、（２）または（３）のいずれかに記載
の液晶素子。
（１２）間隙部の幅が絵素の幅の３割以上であることを
特徴とする請求項（２）記載の液晶素子。
（１３）対抗面に電極を有しマトリックス状の絵素を形
成する基板間に強誘電性液晶を挟持する液晶素子の駆動
法において、走査電極を選択する前に、絵素の間隙部を
暗状態に安定するに十分な電圧、パルス幅を持つ所定の
パルス電圧を前記絵素に印加することを特徴とする液晶
素子の駆動法。
（１４）所定のパルス電圧をパネル全面に印加した後に
走査を行なうことを特徴とする請求項（１３）記載の液
晶素子の駆動法。
（１５）所定のパルス電圧を表示を切り替える部分に印
加した後、前記部分を走査して表示を書き込むことを特
徴とする請求項（１３）記載の液晶素子の駆動法。
（１６）所定のパルス電圧を連続する複数の走査線上の
絵素に印加した後前記走査線を順次選択し、さらに以下
の走査線に対して同様の電圧を印加することを特徴とす
る請求項（１３）記載の液晶素子の駆動法。
（１７）所定のパルス電圧が、絵素を暗状態に安定化で
きる最短のパルス電圧のパルス幅以上のパルス幅を持つ
交流パルスを、前記交流パルスのパルス幅の２倍から１
００倍の休止期間を挟んで複数回繰り返すものであるこ
とを特徴とする請求項（１３）から（１６）のいずれか
に記載の液晶素子の駆動法。
（１８）間隙部を形成する２つの絵素につながる走査電
極に、前記走査電極以外の走査電極が選択されていると
きに、選択期間に印加される走査電極に印加されるパル
ス列の２倍以上のパルス幅で前記パルス列と電圧値の順
列を逆転させたパルス列を印加することにより、信号電
極に印加される電圧によらずに２つの絵素に間隙部が安
定状態になるに十分なパルス電圧が印加されることを特
徴とする請求項（１３）から（１７）のいずれかに記載
の液晶素子の駆動法。
（１９）請求項（２）記載の液晶素子を用いた光論理素
子。
（２０）請求項（２）記載の液晶素子を用いた露光装置
用フォトマスク。
（２１）請求項（５）記載の液晶素子を用いた表示装置
。
（２２）液晶素子の表示をスクリーン上に拡大投射する
よう構成したことを特徴とする請求項（２１）記載の表
示装置。