JPH07104505B2

JPH07104505B2 - 液晶表示装置のマトリックス駆動方法

Info

Publication number: JPH07104505B2
Application number: JP62221497A
Authority: JP
Inventors: 孝夫湊; 顕小川
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1987-09-04
Filing date: 1987-09-04
Publication date: 1995-11-13
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPS6465528A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、家庭用のCRTに代わる表示装置、あるいはOA
用の高度な情報処理に用いられる端末表示装置として、
大容量表示においても広く視野角と十分なコントラスト
を有する強誘電性液晶表示装置の駆動方法に関する。

（従来技術とその問題点）現在、液晶表示素子に用いられている液晶相はネマチッ
ク相であり、表示部の上下の基板間で液晶分子の方向が
90度だけ連続的に変化するツイステッドネマチック（以
下、単にTN型と言う）構造をとっている。これは、交番
電場を印加すると、液晶分子の支配的な方向の変化が誘
起され、これが適当な光学系の下で光透過量の変化とし
てとりだされて表示されるというものであって、公知の
技術である。

このTN型の特徴は、液晶分子の方向の変化が印加電圧の
実効値によって誘起されることである。このような実効
値応答型の液晶は、表示容量を増す、即ち、走査電極数
を増すと表示品質（コントラスト、視野角等）が悪化す
ることや、駆動条件が厳しくなることがわかっている。
この事が、現在でもTN型の大容量の大型ディスプレイが
実現しない最大の理由である。

ただし、実効値応答型の液晶のままで大容量，高品質の
表示を得る技術も開発されている。代表的なものとし
て,TFT駆動及びスーパーツイステッド型液晶表示素子が
あるが、いずれも短所をあわせもち、大型でカラー表示
が可能な液晶ディスプレイを提供するに至らないのが現
状である。

こうした中で、ネマチック液晶とは全く違う特徴を持つ
液晶として、強誘電性を示すカイラルスメクチック液晶
（以下、単にSmC_*という）が発見され，ディスプレイへ
の応用が盛んに検討されている（N.A.クラークとS.T.ラ
ゲルバル,Appl.Phys.Lett.,36,899（1980））。この液
晶の最大の特長は、液晶分子のもつ自発分極によるパル
ス応答性と、記憶効果、超高速応答性などであって、液
晶ディスプレイに応用するに当り最適な性質を持ってい
る。しかし、セルギャップをTN型より薄くする必要があ
ることや、SmC_*のモノドメイン相の形成（配向制御）な
ど実用化には技術的に解決すべき問題も残っている。

パルス応答性と記憶効果はTN型液晶の実効値応答とな本
質的に異なる性質である。これらは、表示容量を増して
も画質の低下が無く安定化することの基本的な理由であ
る。もう一つ注目すべきこととして、誘電異方性と自発
分極の両方の存在による周波数応答の特殊性がある。印
加周波数がある臨界値f_Lより小さい場合には自発分極成
分の応答が可能であって、第１図に示すように、液晶分
子（100）は円周（101）上を回転できる。しかしなが
ら、ある臨界値f_Hより大きな周波数に対しては自発分極
は全く応答できず誘電異方性に起因する実効値応答によ
るトルクが支配的になることがL.P.ペザント等によって
指摘された（J.P.Le.ペザントet al.,4th Internationa
l Display Research Conference,C5（1984））。

デイスプレイの応用にとっては誘電異方性が負の場合が
重要である。それはこの場合に限ってトルクが液晶分子
（100）を第１図の円周（101）上の平行位置（102）も
しくは（103）の位置に拘束するように作用するからで
ある。誘電異方性が正の場合には液晶分子（100）が基
板（104）に垂直になるように作用し効果はない。また
臨界値f_Hとf_Lの間の周波数にたいしては両方の効果が現
れるが、自発分極の効果が抑制されることは明らかであ
る。この周波数による応答の違いを模式的に表したのが
第２図である。即ち、周波数f_L以下ではパルス応答領域
が存在し、f_H以上では実効値応答領域があり、その中間
領域では両方の応答が存在しうる。周波数f_Hとf_Lがどの
程度の大きさであるかは液晶によって決まっている。ま
た、実効値が効くためには印加電圧が閾値電圧Vc（20
0）以上である必要もある。

次にこの強誘電性液晶の駆動方法について述べる。駆動
方法としては種々提案されているが、電圧変調によるも
のばかりである。この方法は選択時と非選択時のパルス
幅を一定にして電圧の比（バイアス比）を変化させるこ
とで書き込みを行う方法であり、公知の技術である（T.
Harada et al.,SID'85 Digest p131,脇田他、Nationa
l Technical Report 33,44（1987））。

具体的な波形例を第３図に記載した。この方法による問
題点としては２つ指摘できる。一つは実験から得られる
事であるが、絶対的なコントラストが低いことである。
第４図（ａ）と第４図（ｂ）に第３図から予想される書
き込み信号の代表例と、それにともなう液晶の光透過量
の変化をそれぞれ図示した。最大の振幅位置（第１図の
平行位置（102）と（103））よりも上側に二個所の安定
点（105）（106）があり、その位置を中心として振動し
ていると考えられる。クロスニコル下では最大の振幅位
置（約22.5度）でコントラストが最大になるが、第１図
に示すように大きく上側にシフトする場合にはコントラ
ストもそれに応じて低下してしまう。

もう一つはコントラストの揺らぎに関することである。
マトリックス駆動時に実際に印加される波形は、第４図
のバイアス部（402）に書き込み用の単位のパルス幅よ
り長い成分（401）を含むことである。パルスの幅が長
いと、本来安定すべきはずの光透過量の振幅変化が、第
４図（ｂ）に示すように、大きくなる（405）。パルス
の幅の長い成分がバイアス部（402）にどのように分布
するかは表示パターンに依存し、表示パターンによって
光透過量が変化する。実際、縦ストライプと横ストライ
プで明暗の濃度が異なるのが観測される。動画表示の場
合は絶えずパターンが変化しているからコントラストの
揺らぎとして目視されることになる。

電圧変調駆動によるこれらの欠点を回避する方法とし
て、先に述べた高周波数の交番電場印加によるトルクの
利用が考えられている（AC電場重畳法）。それは、選択
時に形成された状態（明（403）と暗（404）をより安定
化する（液晶分子を平行位置（102）と（103）に拘束す
る）ように、非選択時に高周波数の交番電場を印加する
ことである。このことは、実際に可能であって、第３図
の走査側の非選択信号（302）をパルス幅の短い高周波
（303）で置換するだけでよい。我々の実験によれば、
書き込みパルスの幅をτとすると、高周波パルスのそれ
はτの1/4以下（ｎ＞４）で、波高値は書き込みパルス
と同じ程度であれば、コントラストの大幅な向上と揺ら
ぎの抑止が為されるようである。

この方法の欠点は、駆動部が若干複雑になることであ
る。それは書き込み用と高周波用と、表示のためのパル
ス幅が２つ必要であるからである。もう一つの問題は、
第３図から分かるように高周波パルスが低電圧の低周波
パルスに重畳れるために、印加の効果をより上げるに
は、低周波パルスがない時より、高周波パルス自身の電
圧を高くする必要があることである。電圧は高いほど効
果があるが、こうすると液晶の受ける実効電圧が高まる
事により配向相の破壊が発生し易くなる。高周波パルス
が低電圧の低周波パルスに重畳されないような波形の構
成も可能であるが（脇田他、National Technical Rep
ort 33,44（1987））、そのような駆動波型は、我々の
実験では、書き込み部の特殊性のために、第３図に波形
に較べ、非常に高い電圧が必要であった。

（発明の目的）本発明は、以上のような従来技術を踏まえ、強誘電性液
晶をマトリックス駆動しても、高コントラストで、コン
トラストの揺らぎがすくなく、長期間安定して印加でき
る、簡明なマトリックス駆動条件を決定することであ
る。そのために、従来の電圧変調方式をやめ、印加電圧
を一定とするパルス幅変調方式を採用する。

（発明の構成）このために本発明は、表示変更の選択時に印加されるパ
ルスの幅と非選択時のパルス幅の比が2:1もしくはそれ
以上で、波高値は同じになるようにマトリックス駆動の
為の波形を決めた上て、選択時には表示変更のための、
自発分極による液晶分子の回転と、非選択時の誘電異方
性に起因する光束力による明と暗状態の安定化が、同時
に発現するようにパルス幅と波高値を決めることを特徴
とする。

すなわち、本発明は、互いに対向した面の一方に、走査
電極群、他方に情報電極群を設置した一対の透明電極基
板間に誘電異方性が負の強誘電性液晶を挟持してなる液
晶セルを、表示メモリー性を維持しつつ、線順次走査に
よって駆動する液晶表示装置のマトリックス駆動方法に
おいて、表示変更の選択時と非選択時のパルス波高値が
同じでパルス幅の長短によって選択と非選択の区別をし
て、非選択時には同じ極性のパルスが連続して印加され
ない、パルス幅変更方式であって、パルス幅の長短比を
2:1もしくはそれ以上とした時に非選択時のパルス印加
によっては、強誘電性液晶の光透過量の振動が抑制され
安定化するようにパルス幅と波高値を設定することを特
徴とする液晶表示装置のマトリックス駆動方法である。

（発明の詳述）強誘電性液晶の応答は周波数（パルス幅）によって異な
ることは先に指摘した。この周波数による応答の違いを
利用するためには、従来方法である電圧変調では不可能
である。それはこの方法では、第４図から、明らかなよ
うに、選択時と非選択時で周波数（パルス幅）は、一定
か非選択時の方が大きいからである。電圧変調は、印加
パルスの波高値を変化させるだけで、この場合の印加パ
ルスの幅は自発分極の回転が可能なものであって、この
パルスの幅では、誘電異方性の発現寄与は遮蔽されてし
まう。

液晶分子の誘電異方性による平行位置（102）もしくは
（103）での拘束安定化が生じる為には、先ず選択時と
非選択時で周波数（パルス幅）が異なり、後者の方が高
い周波数のマトリックス駆動の波形群を構成する必要が
ある（パルス幅変調駆動）。即ち、書き込み時のパルス
幅が第２図のパルス応答領域の（201）の範囲で、書き
込み時には中間領域と実効値応答領域にまたがる範囲
（202）、好ましくは実効値応答領域の（203）である必
要がある。このパルス幅変調駆動の為の波形群について
は、既に本発明者や（小川、湊他）による特願昭62−
150940（昭和62年６月17日出願）によって充分な記述が
されているので、前述の特許に記載した波形をその一部
として含む、より一般的な波形例を第５図に記載するに
とどめる。

この波形の電気的な特徴は、（１）直流成分が含まれない。

（２）非選択信号の中では、同じ極性のパルスが連続し
て印加されない。

これら二つの条件を満足するように構成されたものであ
る。波形としては、絶えず振動しているのではなく、非
選択時間の25％は印加電圧が０ボルトの状態である。第
５図中の（501）の部分は、双極性パルスを単位として
２パルスずつ増減させることもできる。この部分は明と
暗の書き込みが可能な範囲で、出来るだけ少なくなるよ
うに調整すればよい。この部分を全くなくすことが出来
れば、その場合には走査時間は最小となる。もっとも、
我々の実験では第５図に示した波形が好ましい結果を与
えた。

オンとオフ時に印加される信号は、オン 5a→5b→5cと5c′の組合せ 5a′→5b→5cと5c′の組合せオフ 5a→5b′→5cと5c′の組合せ 5a′→5b′→5cと5c′の組合せである。（ｉ＋１）番目に信号が印加される理由は、書
き込みに先立って次の画素の状態をオンかオフのどちら
か一方に揃えるためである。

パルス幅変調駆動ではパルス幅の比を2:1に保ったま
ま、第６図に示すように、非書き込み部分で絶えず振動
させることが出来れば理想的であるが、それは不可能で
ある。同じ波高値と電圧の時、実効値は第５図と理想的
な第６図で当然異なるから（3/4）、応答の違いが予想
され注意を要するが、我々の実験では以下に述べるよう
に実効値応答による安定化の条件を決定することができ
た。

（実施例）次に実施例に基づいて詳述する。ITO電極を有するガラ
ス基板に常法にしたがいポリイミド（日立化成（株）
製）の薄膜を形成したのち、一方の側だけラビング配向
処理を施し、ギヤップが２μｍになるようにエポキシ樹
脂で接着固定しセルを得た。このセルを約100℃に保っ
て表面張力によりセルギヤップ間に強誘電性液晶CS1013
（チッソ（株）製商品名）を封じた後、徐冷によりモノ
ドメインなSmC^*相を形成した。CS1013は誘電異方性が負
である。まずこの系の応答速度の電圧依存性を調べた。
第７図は同図中の波形を印加して、完全なスイチングに
必要な時間を先ず求め、これの90％（白丸）と50％（黒
丸）の値をプロットしたものである。誘電異方性が負の
場合の特徴である応答異常（701）が、波高値33Vppの付
近に見出される。用いる電圧の最大値を40Vpp〜50Vpp程
度とすると、応答時間は約0.5ミリ秒程度であり、周波
数に換算して1kHz（＝f_L）であって、この応答速度がf_L
を決定する。従ってこの値より、高周波数のパルスに対
しては、液晶分子の回転がしにくくなり、ある値f_Hで誘
電異方性による拘束力だけとなる。このf_Hを同じ電圧40
Vpp〜50Vppについて求めたところ、約5kHzであった。

この条件では、第８図に示すように、明と暗のバンド
は、ほぼ最大の振幅位置に拘束され、実効値応答性は完
全である。

第８図の駆動波形条件は、書き込みパルス 50Vpp 0.5msec（＝1kHz）バイアスパルス 50Vpp 0.1msec（＝5kHz）である。f_Hとf_Lの中間の値では、パルス応答性の寄与が
あるため、バンドの振幅が大きくなることが予想され
る。実際に周波数をf_Hより下げるにつれて振幅の増加が
観測される。もしf_Hがf_L（＝1kHz）の２倍程度かそれよ
り低ければ、本方法での実効値応答による抑止の効果は
完全になる。但し、実際のマトリックス駆動波形（第５
図）では、非選択時に休止（０ボルト）があるために実
効値が減少するので、若干の注意（全体の電圧を増加さ
せればよい。こうしても一般性は失われない）が必要で
ある。

入手できる液晶の中にはこうした条件を満たすものはな
かった。ひとつには、Δεが負の液晶は応答速度が正の
液晶に較べて遅いことが挙げられる。この点が改善され
れば（f_Lが10kHzのオーダー）f_Hは２倍以下に押さえる
こと可能とみられ、将来的には極めて有望である。従っ
て、ここで用いた強誘電性液晶CS1013も先述したごと
く、短い方のパルス幅f_Hとf_Lの中間、それもf_Lに近いも
のにならざるを得なかった。しかしこの場合にも実効値
応答による、抑止の効果は歴然である。比較のために、
第９図に強誘電性液晶CS1013を書き込み部分のパルスの
電圧を40Vpp、幅を0.5m秒、バイアス部のそれぞれを、
（40/3）Vpp、0.5m秒にした3:1バイアス信号での電圧変
調に対する応答例を示す。このパルス幅では、抑止の効
果は全く期待出来ず、明暗のバンドも太く、中心値も内
側にシフトしている。これでは、十分なコントラストは
無理である。

一方、パルス幅変調例として、第６図の印加信号に対す
る応答例を第10図に示した。書き込み部とバイアス部の
パルスの電圧は一定値（40Vpp）、幅はそれぞれ0.5m秒
と0.25m秒である。0.25m秒は2kHzに対応するが、この値
はf_Hの5kHzより相当小さい。しかし第９図と第10図か
ら、書き込み信号が同じでもバイアス部が異なるだけ
で、応答が違うのが明白である。強誘電性液晶の応答は
印加パルスの波高値と幅の積で決まると考えられている
が、バイアス部の両者の積を見積もると電圧変調では
（V/3）ｔ、パルス幅変調では（t/2）Ｖである（但し、
波高値はパルス幅変調を単位としてV,パルス幅は電圧変
調を単位としてｔとした）。従って、液晶の受ける力は
パルス幅変調の方が大きい。にも拘らず後者の方が、明
暗のバンドの幅も細く、位置も外側に押しつけられてお
り、これは、誘電異方性による拘束効果と考えられる。

次に、第６図の理想的な場合と、第５図の実際の波形に
近い場合を比較した。第11図は書き込み部分（502）の
後に２パルスの休止部（506）を含むバイアス波形（50
5）が連続して印加された場合の応答例である。書き込
み部とバイアス部のパルスの電圧は一定値（50Vpp）、
幅はそれぞれ0.44m秒と0.22m秒である。第12図は同じ条
件での第６図の理想的な場合に対応するものである。休
止部分を含む、実際の波形に近い第11図の方が少しバン
ドの幅が広いが、それでも電圧変調の結果より断然優れ
ている。一般に休止部分が含まれると、バンドの振幅が
増すが、これは休止に対し系が不安定になることを意味
している。この不安定性は、印加周波数がf_Hより小さく
ならざるを得ないことによって、応答が完全な実効値応
答でないことに起因する（印加周波数がf_Hより小さ
い）。このことは第一義的には液晶自体の問題であっ
て、将来的には解決可能であることは、先に指摘した通
りである。CS1013は電圧変調では、電圧とパルスの幅を
いろいろ、変化させてみてもパルス幅変調例のような結
果は得られない。パルス幅変調では、かなり広い範囲
の、電圧とパルス幅の組合せに対し、明暗の書き込みが
可能であった。但し図で示したような良好な結果は、出
来るだけパルスの幅を短くし、かつ電圧を実効値応答が
可能だけの閾値以上に高くする場合に得られる（バイア
ス部のパルスを単位として、パルス幅で0.25m秒、電圧
で40Vpp以上）。

この高さは、前述した高周波パルスが低電圧の低周波パ
ルスに重畳された場合ほど高くはなく、配向相の破壊等
は全く生じなかった。

更に付言すれば、この方法は、電圧を全体で一定にする
必要はなく、走査側と情報側の比は変えることもでき
る。特に明暗の書き込みが可能な範囲において、情報側
の電圧を調整することは安定化に効果があった。また、
選択側では、非選択の電極に、更に安定化を増すように
高周波数の交番電場を印加してもよい。

（効果）本発明によれば、簡単な駆動波形によって、AC重畳法に
匹敵する、高いコントラストを有する画像を長期間安定
して表示できる。

【図面の簡単な説明】第１図はカイラルスメクチックＣ相の液晶分子の配置を
示す説明図である。第２図は液晶分子の応答の周波数に
よる違いを示す説明図である。第３図は電圧変調でのマ
トリックス駆動の為の走査信号とオンとオフの情報信号
の一例を示す説明図であり、図中、（イ），（ロ）は単
純な電圧変調駆動の選択信号と非選択信号を示し、
（ハ）は、AC重畳法での非選択信号を示す。第４図（ａ）は、第３図の（イ）（ロ）から得られる信
号例を示す波形図であり、第４図（ｂ）はそれに対する
液晶の光透過量の変化を示すグラフ図である。第５図は
パルス変調駆動の為の走査信号とオンとオフの情報信号
の一例を示す波形図である。第６図はパルス変調駆動の
理想的な場合の印加信号例であって、絶えず振動してい
る場合を示す波形図である。第７図は本発明に用いた液
晶の応答時間と印加電圧の関係を示す説明図である。第
８図はAC重畳による駆動波形と液晶の光透過量の変化を
示すオシロ波形の写真である。第９図は電圧変調駆動で
の駆動波形と液晶の光透過量の変化を示すオシロ波形の
写真である。第10図と第11図および第12図は、本発明の
パルス幅変調駆動での駆動波形と液晶の光透過量の変化
を示すオシロ波形の写真である。（100）……液晶分子（101）……液晶分子が回転出来る円錐の底円周（102）（103）……基板に平行な液晶分子の安定位置（104）……透明基板（105）（106）……基板の平行位置から少し傾いた位置
にある安定点（200）……実効値応答が始まる閾電圧（201）……パルス応答を示す周波数域（202）……パルス応答と実効値応答の両方を示す周波
数域（203）……実効値応答を示す周波数域（301）……電圧変調の選択時の走査信号（302）……電圧変調の非選択時の走査信号（303）……電圧変調でAC重畳する場合の非選択（401）……バイアス部のパルス幅の長い成分（402）……電圧変調でのバイアス部（403）……光透過量の暗部分（404）……光透過量の明部分（501）……単純振動部分で可変もしくは削除可能部分（502）（503）……合成信号の明暗の状態形成に効くパ
ルス部分（504）……単純振動部分で可変もしくは削除可能部分
に対応して選択信号に付く部分（701）……誘電異方性が負の場合に見られる応答異常
部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに対向した面の一方に、走査電極群、
他方に情報電極群を設置した一対の透明電極基板間に誘
電異方性が負の強誘電性液晶を挟持してなる液晶セル
を、表示メモリー性を維持しつつ、線順次走査によって
駆動する液晶表示装置のマトリックス駆動方法におい
て、表示変更の選択時と非選択時のパルス波高値が同じ
でパルス幅の長短によって選択と非選択の区別をして、
非選択時には同じ極性のパルスが連続して印加されな
い、パルス幅の変更方式であって、パルス幅の長短比を
2:1もしくはそれ以上とした時に非選択時のパルス印加
によって、強誘電性液晶の分子の振動が抑制され安定化
するようにパルス幅と波高値を設定することを特徴とす
る液晶表示装置のマトリックス駆動方法。