JPH0422491B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、表示装置や液晶−光シヤツタアレイ
等に適用する液晶装置に関し、詳しくは表示特性
と駆動特性を改善した液晶装置に関する。

〔従来技術の説明〕

強誘電性液晶分子の屈折率異方性を利用して、
偏光素子との組み合わせにより透過光線を制御す
る型の表示素子が、ClarkおよびLagerwallによ
り提案されている。（特開昭56−107216号公報、
米国特許第4367924号明細書等）。この強誘電性液
晶は、一般に特定の温度域において、カイラルス
メクテイツクＣ相（SmC＊）又はＨ相（SmH
＊）を有し、この液晶層の特定の層厚条件下にお
いて、加えられる電界に応答して第１の光学的安
定状態（第１の安定配向）と第２の光学安定状態
（第２の安定配向）のいずれかを取り、且電界の
印加のないときはその状態を維持する性質、しな
わち双安定性を有し、また電界の変化に対する応
答も速やかであり、高速ならびに記憶型の表示素
子としての広い利用が期待されている。

一方、誘電率異方性が負（Δε＜０）の強誘電
性スメクチツク液晶に高周波の交流電界を印加す
ることにより、強誘電性液晶に第１の安定配向と
第２の安定配向からなる双安定性配向状態を付与
することが考えられる。この方法は、液晶層を特
定の層厚に設定する必要がない利点を有してい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、本発明者らの実験によれば、前
述の高周波交流電界の存在下に付与された強誘電
性スメクチツク液晶の双安定性配向状態が、温度
の変動により消失するという問題点を有している
ことが判明した。

従つて、本発明の目的は、前述の問題点を解決
すること、すなわち高周波交流電界下で温度の変
動に依存しない双安定性配向状態の強誘電性スメ
クチツク液晶を用いた液晶素子を提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段、作用〕

本発明は、 ａ 負の誘電率異方性をもつ強誘電性液晶を一対
の電極間に配置した液晶セルと、 ｂ 第１の安定配向と第２の安定配向との何れか
一方に配向した液晶分子の配向状態を維持する様
に、前記一対の電極間に交流電圧を印加する手段
と、 ｃ 前記交流電圧の周波数を、温度の上昇に応じ
て高い値に設定する手段と、 ｄ 第１の安定配向の液晶分子を第２の安定配向
に転移させるのに十分な一方極性の第１電圧と、
第２の安定配向の液晶分子を第１の安定配向に転
移させるのに十分な他方極性の第２電圧とを、入
力情報に応じて、選択的に、前記一対の電極間に
印加する手段と、 ｅ 第１の安定配向に配向した液晶分子を通過し
た光線と、第２の安定配向に配向した液晶分子を
通過した光線との間で、光学的相違を生じさせる
手段と を有する液晶装置を特徴としている。

〔実施例〕

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明
を更に詳細に説明する。

本発明で用いる液晶材料として、特に適したも
のは、カイラルスメクチツク液晶であつて、強誘
電性を有するものである。具体的にはカイラルス
メクチツクＣ相（SmC^*）、カイラルスメクチツ
クＧ相（SmG^*）、カイラルスメクチツクＦ相
（SmF^*）、カイラルスメクチツクＩ相（SmI^*）
又はカイラルスメクチツクＨ相（SmH^*）の液晶
を用いることができる。

強誘電性液晶の詳細については、たとえば
“ル・ジユルナール・ド・フイジイク・レツトル”
（“LE JOURNAL DE PHYSIQUE
LETTRE”）36（Ｌ−69）1975年「フエロエレク
トリツク・リキツド・クリスタル」
（Ferroelectric Liquid Crystals」；“アプライ
ド・フイジイツクス・レターズ”（“Applied
Physics Letters”）36（11）1980年「サブミク
ロ・セカンド・バイステイブル・エレクトロオプ
テイツク・スイツチング・イン・リキツド・クリ
スタル」（「Submicro Second Bistable Electro
−optic Switching in Liquid Crystals」）；“固
体物理”16（141）1981年「液晶」等に記載され
ており、本発明ではこれに開示されたもののう
ち、負の誘電率異方性をもつ強誘電性液晶を用い
ることができる。

特に、好ましい強誘電性液晶としては、これよ
り高温側でコレステリツク相を示すものを用いる
ことができ、例えば下述の実施例に挙げた相転移
温度を示すフエニルエステル系液晶を用いること
ができる。

これらの材料を用いて素子を構成する場合、液
晶化合物が所望の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
れた銅ブロツク等により支持することができる。

第１図は、強誘電性液晶の動作説明のために、
セルの例を模式的に描いたものである。以下、所
望の相としてSmC^*を例にとつて説明する。

１１ａと１１ｂは、In₂O₃，SnO₂あるいはITO
（Indium−Tin Oxide）等の薄膜からなる透明電
極で被覆された基板（ガラス板）であり、その間
に液晶分子層１２がガラス面に垂直になるよう配
向したSmC^*相の液晶が封入されている。太線で
示した線１３が液晶分子を表わしており、この液
晶分子１３は基板の面方向に連続的にらせん構造
を形成している。このらせん構造の中心軸１５と
液晶分子１３の軸方向とのなす角度をチルト角と
して表わす。この液晶分子１３は、その分子に直
交した方向に双極子モーメント１４を有してい
る。基板１１ａと１１ｂ上の電極間に端子１６ａ
と１６ｂから一定の閾値以上の電圧Eaを印加す
ると、液晶分子１３のらせん構造がほどけ、双極
子モーメント１４がすべて電界方向に向くよう、
液晶分子１３は液晶分子１３ａの方向に一様に配
向方向を変えることができる。逆に、電圧Ebを
印加すると、同様液晶分子１３のらせん構造はほ
どけるが双極子モーメント１４がすべて逆向き電
界方向に向くよう液晶分子１３は液晶分子１３ｂ
の方向に一様に配向方向を変えることができる。
又、電圧Ea又はEbによつて配向した配向状態は、
電圧Ea又はEbを解除すると、液晶分子はもとの
らせん構造の配向状態に復帰することになる。液
晶分子１３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、従つて
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、電圧印加極性によつて光学特性が
変わる液晶光学素子となることは、容易に理解さ
れる。

第２図ＡとＢは、本発明の液晶素子の一実施例
を示している。第２図Ａは、本発明の液晶素子の
平面図で、第２図Ｂは、そのＡ−A′断面図であ
る。

第２図で示すセル構造体１００は、ガラス板又
はプラスチツク板などからなる一対の基板１０１
ａと１０１ｂをスペーサ１０４で所定の間隔に保
持され、この一対の基板をシーリングするために
接着剤１０６で接着したセル構造を有しており、
さらに基板１０１ａの上には複数の透明電極１０
２からなる電極群（例えば、マトリクス電極構造
のうちの走査電圧印加用電極群）が例えば帯状パ
ターンなどの所定パターンで形成されている。基
板１０１ｂの上には前述の透明電極１０２と交差
させた複数の透明電極１０２ｂからなる電極群
（例えば、マトリクス電極構造のうちの信号電圧
印加用電極群）が形成されている。

このような透明電極１０２ｂを設けた基板１０
１ｂには、例えば、一酸化硅素、二酸化硅素、酸
化アルミニウム、ジルコニア、フツ化マグネシウ
ム、酸化セリウム、フツ化セリウム、シリコン窒
化物、シリコン炭化物、ホウ素窒化物などの無機
絶縁物質やポリビニルアルコール、ポリイミド、
ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリパ
ラキシリレン、ポリエステル、ポリカーボネー
ト、ポリビニルアセタール、ポリ塩化ビニル、ポ
リアミドポリスチレン、セルロース樹脂、メラミ
ン樹脂、ユリア樹脂やアクリル樹脂などの有機絶
縁物質を用いて被膜形成した配向制御膜１０５を
設けることができる。

この配向制御膜１０５は、前述の如き無機絶縁
物質又は有機絶縁物質を被膜形成した後に、その
表面をビロード、布や紙で一方向に摺擦（ラビン
グ）することによつて得られる。

本発明の別の好ましい具体例では、SiOやSiO₂
などの無機絶縁物質を基板１０１ｂの上に斜め蒸
着法によつて被膜形成することによつて、配向制
御膜１０５を得ることができる。

前述の配向制御膜１０５は、同時に絶縁膜とし
ても機能させることが好ましく、このためにこの
配向制御膜１０５の膜厚は一般に100Å〜1μ、好
ましくは500Å〜5000Åの範囲に設定することが
できる。この絶縁膜は、液晶層１０３に微量に含
有される不純物等のために生ずる電流の発生を防
止できる利点をも有しており、従つて動作を繰り
返し行なつても液晶化合物を劣化させることがな
い。

また、本発明の液晶素子では前述の配向制御膜
１０５と同様のものをもう一方の基板１０１ａに
設けることができる。

第２図に示すセル構造体１００の中の液晶層１
０３は、例えばSmC^*とすることができる。又、
液晶層１０３の厚さは特に制限されないが、一般
的3μｍ〜15μｍ程度が好ましい。

このようなセル構造体１００は、基板１０１ａ
と１０１ｂの両側にはクロスニコル状態とした偏
光子１０７と１０８がそれぞれ配置されて、この
偏光子１０７と１０８により電極１０２ａと１０
２ｂの間に電圧を印加した時の光学変調を検知す
ることができる。

さて、前述した液晶セルに高周波交流電界を液
晶分子層１２と平行に印加することにより、電界
Ea又はEbを印加時に配向した方向の配向状態の
何れかに配向することになる。この高周波交流電
界印加下での配向状態を第１の安定配向状態及び
第２の安定配向状態という。

この様な現象は、液晶材料が負の誘電率異方性
をもつことによつて生じる。この交流電界の周波
数は、所定の電圧値では液晶が応答し得ない程度
に充分に高い値に設定されなければならない。

交流電圧は、周波数400Hz以上100Hz以下で波形
としては三角波、正弦波や矩形波等を用いること
が出来、液晶層厚にもよるが、Vpp（peak−to−
peak）は20V〜100V程度が好ましい。

本発明者らの実験によれば、前述した一定周波
数の交流電界が印加された状態下での双安定性
は、温度がある程度高くなると解消してしまう傾
向にあるが、この場合交流電界の周波数を高くす
ると、双安定性がそのまま維持できることが判明
した。この場合の周波数の変化量は、使用した液
晶材料、セル厚や各種の条件によつても相違する
が、一般に温度が10℃変動する場合では10Hz〜
500Hz程度が適している。

本発明の液晶光学素子で用いる駆動法の例を次
に示す。

第３図Ａは、表示可能なマトリクス電極構造を
示し、３１が走査電極、３２が情報信号電極とし
て用いられる。第３図Ｂ，ａとｂが走査電極に印
加する信号で、第３図ａが走査選択信号を、又第
３図Ｂ，ｂが走査非選択信号を現わしている。第
３図ｃ，ｄは情報信号電極に印加する情報信号
で、それぞれ書込み入力情報に応じて選択的に情
報信号電極に印加される。第３図ｃは第３図Ｂに
示す電気信号を用いて画素に印加した時の電圧波
形を表わしている。第３図ｃ，ａとｂは、走査選
択信号が印加された走査ライン上の画素に印加さ
れた電圧波形で、第３図ｃ，ｃとｄは、それぞれ
走査選択信号が印加されていない画素に対応して
いる。これらの画素に印加された電圧は閾値以下
に設定されている。従つて、走査選択信号に同期
させて第３図Ｂ，ｃとｄで表わされる書込み信号
を選択的に印加して走査ライン毎に順次書込みを
行なうことができ、走査ライン上の画素書込みの
後、画素に印加される電圧は第３図ｃ，ｃとｄに
示される様にそれぞれ閾値以下で設定されている
ため、走査ライン上の書込み状態が１フレーム又
は１フイールドの間はメモリーされることにな
る。

このような信号を第３図Ａに示す表示を行うべ
く与えたときの時系列信号を第４図Ａに示す。第
４図Ａに於て、情報信号に重畳することによつて
付与された高周波の交流成分は、簡単の為省略し
てある。第４図Ｂは、クロストーク防止のため、
情報信号に応じた補助信号をΔtの位相に於て与
えた実施例である。

又、別の実施形態例として、高周波交流成分を
走査電極側に与えることも可能である。さらに、
位相を合わせて走査電極側と、信号電極側共に与
えることによつて、走査電極側と、信号電極側の
末端ドラバーICの、必要耐圧を低減させること
も可能である。

第５図にはさらに別の実施例を示す。

本実施例に於ては、交流信号は走査非選択信号
として与える。走査選択信号は、第３図Ｂ，ａの
波形と同じ波形を与える。選択時に高周波を
OFFすることにより、液晶分子は、動き易くな
り、スイツチングが容易になること、又選択信号
（ａ：低周波成分）と非選択信号（ｂ：高周波成
分）の重畳を避けることによつて走査側ドライバ
ーICの必要耐圧低減のメリツトがある。

第６図は、本発明の液晶素子を用いたＭメルド
ツトの液晶表示パネル６０１を表示するための駆
動回路の１例を示すブロツク図である。図中６０
２は可変周波数発生回路で、その出力ｘ，ｙは互
いに位相が180°ずれており、その出力ｘはデータ
信号入力側のAC重畳回路６０３へ入力され、出
力ｙは走査信号入力側のAC重畳回路６０４へ入
力される。６０５は情報入力、６０６はそのクロ
ツク入力、６０７は走査線のタイミング入力で、
６０８はそのクロツク入力である。

データ信号入力側のAC重畳回路６０３は、電
圧を加算する記号をとし、I′，I″，ｘを電圧値
とすると、 I₁′＝I₁″ｘ I₂′＝I₂″ｘ 〓 〓 I_N′＝I_N″ｘ （Ｎ：データ線の配線数） の機能を有し、走査信号入力側のAC重畳回路６
０４は、S′，S″，ｙを電圧値とすると、 S₁′＝S₁″ｙ S₂′＝S₂″ｙ 〓 〓 S_M′＝S_M″ｙ （Ｍ：走査線の配線数） の機能を有している。データ信号側では、情報入
力６０５の信号が順次シフトレジスタ６０９、ク
ロツク６０６とカウンタ６１１で制御されたラツ
チ６１０、前述のAC重畳回路６０３とドライブ
回路６１２に入力され、Ｎ本のデータ線に信号が
送られる。走査信号側では、走査線のタイミング
入力６０７とクロツク入力６０８がシフトレジス
タ６１３に入力され、その信号が順次前述のAC
重畳回路６０４とドライブ回路６１４に入力さ
れ、Ｍ本の走査線に走査信号が入力される。

さらに、温度センサー６１５は液晶素子部６０
１の付近の温度を検知し、その信号を可変周波数
発生回路６０２に入力する。そこで、この温度に
よつてデータ線側と走査線側に重畳する交流信号
の周波数を制御することによつて、温度変動が生
じたとしても双安定性を維持することができる。
又、データ線側のAC重畳回路６０３、又は走査
線側のAC重畳回路６０４は、何れか１つを省略
することができる。何れの場合においても、温度
変動に対して安定した双安定性を維持することが
できる。

以下、本発明を具体例を挙げて説明する。

実施例 １ 第３図に示す液晶素子を用いた。この際、基板
としてはガラス基板、電極には透明な1000Åのマ
トライブ電極、さらに、電極を形成したガラス基
板上には、表面ラビング処理したポリイミド被膜
を形成したものを用いた。この２枚のガラス基板
は10μｍのポリイミドで形成したスペーサによつ
てその間隔を保持した。又、この２枚のガラス基
板の周囲をエポキシ樹脂でシーリングしてセルを
作成した。

このセルの中に下記に示す負の誘電率異方性を
もつ混合強誘電性液晶を等方相下で注入した。

混合液晶 この混合液晶は下記に示す相転移を生じる この時の相転移点はDSC（示差走査熱量計）に
よつて測定した値である。

次いで、注入口を封口した後、等方相から0.5
℃／ｈの割合でSmC^*まで徐冷した。この液晶素
子を直交ニコル下で顕微鏡観察すると、広い領域
に亘つてもモノドメインの形成が確認され、又
SmC^*のピツチが観察された。

この様にして作成した液晶素子に第６図に示す
駆動回路（但し、走査線側のAC重畳回路の使用
を省略した）を組込み、表示を行つた。この際、
高周波交流電界として10KHz、60Vppを用い、こ
のため、スイツチングパルスとしては第３図Ｂに
示す波形のものであつた。具体的にはt₁＋t₂（t₁＝
t₂）＝2msec、Ｖ＝21.5ボルトを使用した。

可変周波数発生回路では10℃を基準にして１℃
の温度増加に対して周波数を５％の割合で高くす
る様に制御した。

この結果、温度が10℃〜30℃の間で変動して
も、良好な表示状態が得られることが判つた。す
なわち、このことは10℃〜30℃の間で温度変化を
生じても、十分な双安定性状態が維持されている
ことを示したものである。

これに対し、前述で使用した可変周波数発生回
路の使用を省略したほかは、全く同様の方法で実
験を繰返したところ、10℃〜30℃の温度変動に対
して高温側で十分な表示特性が得られなかつた。
このことは、高温側では双安定配向状態の形成が
ないことを示している。

実施例 ２ 実施例１の液晶素子を作成した際に用いた10μ
ｍのポリイミドスペーサを7μｍのポリイミドス
ペーサに代えたほかは、実施例１と全く同様にし
て液晶素子を作成した。この液晶素子は広い領域
でモノドメイン形成が観察され、又実施例１と相
違してSmC^*のらせんピツチの観察は認められな
かつた（らせん構造がほどけた状態）が、電場無
印加では双安定状態は認められなかつた（但し、
交流電圧の電圧値を42Vppとした）。

この液晶素子を実施例１と同様に駆動回路に組
込み、表示を行なつたところ、実施例１と同様に
温度変動に対して安定した双安定性配向状態が維
持されていることが判つた。

〔効果〕

本発明によれば、外界の温度変動が生じても安
定した双安定性配向状態を維持することができ、
この結果温度変動に依存しない良好な表示特性を
得ることができる利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の強誘電性液晶素子を模式的
に表わした斜視図である。第２図Ａは本発明の液
晶素子の平面図で、第２図ＢはＡ−A′断面図で
ある。第３図Ａは、本発明でマトリスク電極構造
を表わす平面図、第３図Ｂは走査線及びデータ線
に印加する信号の波形を表わした説明図で、第３
図Ｃは強誘電性液晶に印加される電圧信号波形を
表わした説明図である。第４図Ａは第３図で用い
た信号を時系列で表わした説明図で、第４図Ｂは
別の時系列信号を表わした説明図である。第５図
は、走査線及びデータ線に印加する信号波形を表
わした説明図である。第６図は、本発明の液晶素
子に用いた駆動回路の１例を表わしたブロツク図
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ａ 負の誘電率異方性をもつ強誘電性液晶を
   一対の電極間に配置した液晶セルと、 ｂ 第１の安定配向と第２の安定配向との何れか
   一方に配向した液晶分子の配向状態を維持する
   様に、前記一対の電極間に交流電圧を印加する
   手段と、 ｃ 前記交流電圧の周波数を、温度の上昇に応じ
   て高い値に設定する手段と、 ｄ 第１の安定配向の液晶分子を第２の安定配向
   に転移させるのに十分な一方極性の第１電圧
   と、第２の安定配向の液晶分子を第１の安定配
   向に転移させるのに十分な他方極性の第２電圧
   とを、入力情報に応じて、選択的に、前記一対
   の電極間に印加する手段と、 ｅ 第１の安定配向に配向した液晶分子を通過し
   た光線と、第２の安定配向に配向した液晶分子
   を通過した光線との間で、光学的相違を生じさ
   せる手段と を有する液晶装置。