JPH0812360B2 - 液晶表示装置およびその駆動方法 - Google Patents

液晶表示装置およびその駆動方法

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JPH0812360B2 JP1332339A JP33233989A JPH0812360B2 JP H0812360 B2 JPH0812360 B2 JP H0812360B2 JP 1332339 A JP1332339 A JP 1332339A JP 33233989 A JP33233989 A JP 33233989A JP H0812360 B2 JPH0812360 B2 JP H0812360B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は液晶表示装置およびその駆動方法に関し、特
に１対の偏光器の間に挾んで観察する電界制御ネマチッ
ク液晶表示装置とその駆動方法に関する。
［従来の技術］ 従来、ネマチック液晶を用い、電気的に制御を行い、
１対の偏光器間に挾んで観察する電気光学的効果として
は以下の２種類のものが知られている。
第１の型：ねじれネマチック型 第２の型：電気的制御複屈折型 これらの電気光学的効果を第２図（Ａ）、（Ｂ）を参
照して説明する。
第２図（Ａ）は従来のねじれネマチック液晶表示装置
を示す。図中、左側に示したものが“オフ”状態であ
り、右側に示したものが“オン”状態である。“オフ”
状態においては、液晶層はねじれ状態にある。液晶層の
ねじれは、基板21、22をねじった状態に配置し、これら
の基板21、22に隣接する液晶分子23を非平行な軸方向に
配列することによって得ることができる。図に示した液
晶セルは、90度のねじれ角を有している。より大きなね
じれ角（90〜270度）を用いたいわゆる超ねじれネマチ
ック液晶装置も知られている。なお、図中矢印は誘電異
方性の軸方向を示す。この場合、液晶の誘電異方性は正
である。
“オン”状態においては、基板21、22間に電圧が印加
される。この電圧によって基板21、22から離れている液
晶層中間部の液晶分子23は電界方向に向きを変化させ
る。すなわち、“オン”状態においては、液晶分子23は
ねじれかつチルトしている。このチルトの角度は電気的
に制御できる。
以下ねじれネマチック型液晶表示装置の動作を説明す
る。“オフ”状態においては、液晶セルは導波器のよう
に動作する。偏光した光はねじれ液晶層と共に偏光軸の
回転を起す。セルの両側に配置された第１の偏光器25と
第２の偏光器26が平行な偏光軸P1、P2を有し、第１の偏
光器25の偏光軸P1がＸ方向に配置されて液晶の配向方向
と揃っている場合、第１の偏光器25を透過した光は液晶
層に入り、そこで回転されてＹ方向の偏光となり、Ｘ方
向の偏光軸P2を有する第２の偏光器26で完全に吸収され
てしまう。
“オン”状態においては、液晶分子がチルトすること
により液晶層の導波効果が失われる。セル内の液晶分子
がチルトするほどセルの透過率は高くなる。
このようにして、光が透過しない“オフ”状態と、光
が透過する“オン”状態とが得られる。
第２図（Ｂ）は電気制御複屈折型の液晶表示装置を示
す。液晶セルは、たとえばＸ方向に偏光軸P1を有する第
１の偏光器30と直交するＹ方向に偏光軸P2を有するる第
２の偏光器31との間に配置される。液晶分子29は負の誘
電異方性を有する。図中、左側に示したものが“オフ”
状態を示し、右側に示したものが“オン”状態を示す。
“オフ”状態においては、液晶分子29は基板27、28に
垂直なホメオトロピック状態にある。基板間に電圧を印
加すると、負の誘電異方性に従って、液晶分子29はチル
トする。従って、“オン”状態はチルトした状態であ
る。
“オフ”状態においては，入射光に対して液晶セルは
何の光学的効果も及ぼさない。直交配置した偏光器（ク
ロスドポラライザ）の間に液晶セルが配置されているの
で、入射光は直交偏光器30、31によって吸収されてしま
う。これらの偏光器としては、リニア偏光器または円偏
光器を用いることができる。
“オン”状態においては、液晶セルは複屈折効果を示
す。直交したリニア偏光器を用いる場合には、最大の透
過率は、液晶分子29のチルト方向が偏光器30、31の偏光
軸と±45度の角度をなす時に得られる。また、円偏光器
を用いた場合には、各偏光器の中間で透過率が得られ
る。直交したリニア偏光器を用いた場合、その１つの偏
光軸を液晶分子のチルト方向に配列した場合には、複屈
折効果が消去される。
以上説明したねじれネマチック型、電気制御複屈折型
のいずれにおいても、電界によって液晶分子のチルトが
制御される。
以上の液晶表示装置において、印加電界は液晶層のね
じれとは何等関係を有していない。ねじれネマチック型
の場合には、ねじれは“オフ”状態にも“オン”状態に
も存在する。電気制御複屈折型の場合には、ねじれは
“オフ”状態にも“オン”状態にも存在しない。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、新規なネマチック液晶表示装置を提
供することである。
本発明の他の目的は、新規なネマチック液晶表示装置
の駆動方法を提供することである。
［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、互いに平行なチルト配向方向を有す
る１対の基板間に負の誘電異方性を有するネマチック液
晶層を挾む。ここで、液晶層はホメオトロピック配列ま
たは０から約20度までの角度の準ホメオトロピック配列
を示すものであり、カイラルな分子を含まない、もしく
はごく少量しか含まないものである。
また、このような液晶セルを平行に配置した１対のク
ロス偏光器の間に挾む。
このような液晶表示装置に対して、オフ時には定常電
圧、オン時にはパルス電圧を印加する。
［作用］ 上述のような液晶表示装置において、液晶分子が互い
に平行な配向を保っている時は、液晶分子による電気光
学的効果は示されず、偏光器を直交配列することによっ
て、液晶セルの透過光は０になる。
パルス電圧を印加することによって、液晶層は自発的
なねじれを示すようになり、光学的複屈折を示す。この
ため、直交配置した偏光器で間で、液晶表示装置の透過
光が生じる。
このような液晶表示装置をオフ時には定常電圧を印加
することによって、オフ状態を確実なものとし、オン時
には電圧パルスを印加することによって、液晶層にねじ
れを生じさせて光学的複屈折を生じさせ、透過光を発生
させる。
［実施例］ 以下に述べる本発明の実施例においては、純粋なネマ
チック液晶を用い、カイラルな性質を有さないセルを形
成する。ここで、純粋なネマチック液晶とは、コレステ
リックの不純物を全く含まないものを言う。また、カイ
ラルな性質を有さないセルとは、セルに関し鏡面対称を
有することを言う。セルの基板は同一の方向に同一の角
度を有する同一のチルトを有するカイラルな性質のない
ものである。休止状態では、液晶分子は均一な共平面の
配向方位を有する。
このような純粋なネマチック液晶は、電界の印加によ
って自発的なねじれを生じることが見出だされた。
ここで、液晶分子の方向は基板の法線に近いものであ
る（ホメオトロピックないし準ホトオトロピック状
態）。
電気的励起によるセルの応答時間は画像表示のフレー
ム時間よりも短いものである。
励起信号はセル内の液晶分子を動かすのに十分なだけ
の振幅と時間長を有する少なくとも１つのパルス状信号
である。
また我々は、このような液晶分子に一定の振幅（２乗
平均値）の電気的信号を印加すると、（たとえば一定の
バイアス電圧を印加すると）ねじれのない状態が安定化
することを見出した。すなわち、セルの対称面において
のみ液晶分子が配列される。
カイラルな材質を含まない液晶分子において、自発的
なねじれを生じさせる条件として、フロー状態がある。
周期的なパルス信号が印加された時、液晶分子は周期
的にチルトを生じる。この分子のチルトはセルの法線方
向の近傍に起り、基板に平行な強い流れを伴う。この流
れには２種類がある。その１つは、セルの上半分におけ
るフローであり、他の１つはセルの下半分におけるフロ
ーである。これらのフロー（流れ）は互いに反平行であ
り、剪断トルクを生じる。これらの剪断トルクが電気的
に制御されたねじれを定める。ねじれを生じない状態の
安定化の機構は古くから知られているものである。チル
トが高ければねじれ変形のエネルギも高い。
第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例による液晶表
示装置の“オン”状態と“オフ”状態を概略的に示す斜
視図である。
液晶の配向状態はホメオトロピックまたは準ホメオト
ロピック状態である。
基板１、２表面上のチルト角度φｓは１度から30度の
範囲にある。このような表面チルトは以下のような方法
によって提供される。
第１工程：下層作成 下層材料は高分子（ポリイミド）または鉱物（SiO2）
である。
この下層には異方性処理を施す。すなわち、擦りまた
は斜め蒸着を行う。
第２工程：ホメオトロピック配向 以上のように準備した異方性の下層の上に、たとえば
ポリシランのような物質を吸着させる。ポリシランの吸
着は０度から30度の間の表面チルトを与えることが知ら
れている。
休止状態においては、セル内の全ての液晶分子３は基
板1,2のチルト方向を含むセルの鏡面対称面π内に含ま
れる。
ここで用いる液晶分子は負の誘電異方性を有し、粘性
の低いものである。
セルの基板間距離ｄは薄く選ぶ。セルの基板間隔と粘
性は、液晶層の応答時間が励起信号のフレーム周期より
も短くなるように選ぶ。たとえば、画像用のフレーム周
波数が60Hzである時、３μｍのセルギャップと17cpsの
粘性が適当である。
セルの両側にはリニア偏光器５、６を直交して配置す
る。一方の偏光器、図では５はπ面に平行に配置する。
すなわち、第２図（Ｂ）に示す従来技術と比較すると
偏光板の偏光軸と液晶チルト角方向の関係は次のように
なる。
以下、液晶分子の動作を説明する。
“オフ”状態においては、全ての液晶分子３は偏光器
５の偏光軸P1と平行なπ面内に配向する。垂直に入射す
る光は液晶層で変化を受けない。このため、直交する偏
光軸P2を有する第２の偏光器６によって透過光は全て吸
収される。
この性質は表面チルト角φＳおよびバルク内チルト角
φＢの値にかかわらず成立する。ここでバルクチルト角
φＢは、“オフ”時に安定化信号を印加した場合には、
φＳよりも大きくなる。このように、オフ時においては
液晶分子はπ面を離れずセルは黒く見える。“オン”状
態においてはバルク内の液晶分子３はπ面を離れる。液
晶セルは複屈折性を有するようになり、セルに垂直に入
射する光はもはや第２の偏光器６で全ては吸収されな
い。従って、セルは透光性を与えられる。
以上説明した液晶表示装置の駆動方法を以下に説明す
る。
“オフ”状態 オフ状態ではねじれのない状態を安定化させる信号を
印加する。一定の振幅を有する信号であればどの様な信
号であってもこの目的に適う。振幅の揺れが少ない信号
が好ましい。
“オン”状態 オン状態はねじれ状態を誘起する信号を印加すること
によって得られる。液晶分子にダイナミックな応答を誘
起するのに十分な高さと長さを有する少なくとも１つの
パルスからなる電圧信号がこの目的に適う。液晶分子３
は角度θのねじれを示す。
第３図（Ａ）は共通電極とセグメント電極に印加する
電圧波形を示す。なお、図中左側と右側では印加電圧の
極性を反転している。以下、左側部分について説明す
る。
共通電極は通常時には一定の電圧V2に保たれ、選択時
間には−ＶEEに駆動される。セグメント電極はオン時に
はV1に保たれ、オフ時にはV3に保たれる。
第３図（Ｂ）は、V2−（−ＶEE）＝V2＋ＶEE＝2V、V2
＝V4、V3＝V5の特別の場合の電圧波形を示す。隣接する
電圧レベル間がすべてＶの４レベル電圧となる。共通電
極の電圧がV2と−ＶEEの値になるのは第３図（Ａ）と同
様であるがその差電圧は2Vである。セグメント電極の電
圧は、オン時にはV1、−ＶEEとなるのは第３図（Ａ）と
同様であるが、V3と−ＶEEの間がＶに変化している。こ
のためオフ時の波形の左側、右側の関係が反転してい
る。全体として、より小さな電圧領域に全電圧が収納さ
れるようになる。
なお、共通電極の電圧がパルス状に変化する間が選択
時間となる。
このような電圧が印加されている時、液晶セルに印加
される電圧を第３図（Ｃ）に示す。オン時には共通電極
が選択時間には−ＶEE、その他ではV2、セグメント電極
がV1なので液晶セルには、その差の電圧、選択時間には
V1−（−ＶEE）＝3V、その他ではV1−V2＝Ｖの電圧が印
加される。オフ時にはセグメント電極がV3となるので、
液晶セルに印加される電圧は選択時間にはV3−（−ＶE
E）＝V3＋ＶEE＝＋Ｖ、その他ではV3−V2＝−Ｖとな
る。
なお、選択時間以外ではセグメント電極はオンでもオ
フでもよい。すなわち、＋Ｖでも−Ｖでもよく、これを
斜線部で示している。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、カイラな分子
を含まないかごく少量しか含まない液晶セルを用いて、
パルス状電圧を印加することによって、自発的ねじれを
誘起して液晶状態のオン状態とオフ状態を誘起すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例による液晶表示
装置のオフ状態とオン状態を示す概略斜視図、 第２図（Ａ）、（Ｂ）は従来技術によるねじれネマチッ
ク型液晶表示装置と電気制御複屈折型液晶表示装置の動
作原理を説明するための概略線図、 第３図（Ａ）、（Ｂ）は第１図（Ａ）、（Ｂ）に示した
実施例による液晶表示装置の共通電極とセグメント電極
に印加する電圧波形および液晶層に印加される電圧波形
の例を示す線図、第３図（Ｃ）は、液晶表示装置の共通
電極とセグメント電極に電圧が印加されている時の、液
晶セルに印加される電圧波形の例を示す線図である。 図において、 １、２……基板 ３……液晶分子 ５、６……偏光器 21,22,27,28……基板 23,29……液晶分子 25,26,30,31……偏光器

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】１対の基板と、 前記１対の基板上に形成され、フレーム駆動される電極
    と、 前記１対の基板上に形成され、互いに平行なチルト配向
    方向を有し、液晶分子をホメオトロピック配列または０
    度から約20度までの角度の準ホメオトロピック配列させ
    る１対の配列構造と、 前記１対の基板の外側に配置された１対のリニア偏光器
    と、 前記１対の基板間に挾まれ、負の誘電異方性を有し、カ
    イラルな分子を含まない、もしくはごく少量しか含まな
    いネマチック液晶層と、 前記電極にフレーム駆動型オン／オフ信号を印加するた
    めの駆動電源と を含む液晶表示装置において、 前記液晶層は、そのレスポンタイムが駆動フレーム時間
    より短くなるギャップと粘度とを有し、 前記駆動電源が前記電極に与えるオン信号は、前記平行
    なチルト配向方向を含む面外の方向に液晶分子がチルト
    し、かつ基板面内方向でねじれを示すパルス電圧であ
    り、 前記駆動電源が前記電極に与えるオフ信号は、前記平行
    なチルト配向方向を含む面内に液晶分子が配列するバイ
    アス電圧である液晶表示装置。
  2. 【請求項２】前記１対のリニア偏光器の一方は、前記チ
    ルト配向方向と平行な第１の偏光方向を有し、 前記１対のリニア偏光器の他方は、前記第１の偏光方向
    とクロスする第２の偏光方向を有する請求項１に記載の
    液晶表示装置。
  3. 【請求項３】請求項１ないし２記載の液晶表示装置を駆
    動する方法であって、 オフ時には、液晶層にねじれのない状態を安定化させる
    ほぼ一定の振幅を有するバイアス電圧信号を印加し、 オン時には、前記平行なチルト配向方向を含む面外の方
    向に前記液晶分子のチルトとねじれを誘起する振幅と時
    間長を有する少なくとも１つの電圧パルス信号を印加す
    る液晶表示装置を駆動する方法。
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