JP2008545161A - 液晶表示素子の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
一対の基板と、該一対の基板間に配置された液晶材料とを少なくとも含む液晶素子を駆動する方法。該液晶素子に印加する電圧パルスの時間に対する電圧増加率を変化させることにより、液晶素子を透過する光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
Description
本発明は、液晶表示素子の駆動方法に関する。より詳しくは、本発明は、LCDの高演色カラー表示、いわゆるフルカラー表示における種々の方法(階調表示の方法として、例えば、アナログ階調法、デジタル階調法;色の出し方の手法として、例えば、カラーフィルタ方式/空間カラー表示方式、時間分割カラー方式/時間カラー表示方式)のいずれにも共通して適用可能な液晶表示素子の駆動方法に関する。
テレビ画像表示に代表される映像表示は、デジタル画像表示処理技術の発展と相まって、益々その応用範囲が広まっている。特に、液晶テレビ、PDPテレビ等、固定画素を前提とするフラットパネルディスプレイは、デジタル信号処理との相性が本来良いため、既に、数々の専用のデジタル画像信号処理技術が上市されている。従来、商業用テレビ表示では一般に各色256階調が用いられているが、中には各色1024階調も提案され、且つ実用化されているものもある。高品位テレビ放送に代表される高画質映像表示では、より高い画像品質が求められ、より深い階調度数は、そのための一つの重要な要因である。
(液晶表示素子における背景技術の概要)
従来の液晶ディスプレイ(LCD)における一般的な階調表示方法は、図1のグラフに示すとおり、印加実効電圧値に依存する光強度に基づく特性を利用している。
従来の液晶ディスプレイ(LCD)における一般的な階調表示方法は、図1のグラフに示すとおり、印加実効電圧値に依存する光強度に基づく特性を利用している。
理論的には、図1に示す印加実効電圧を厳密に細かく設定(例えば2mVずつ制御)していけば、飽和電圧4Vに対して、2,000階調が可能であり、各色10ビットから11ビット、すなわち10億色から80億色の色再現が可能である。しかしながら、実際には、各画素の液晶を駆動する薄膜トランジスタ(TFT)の電圧制御精度(電圧値設定の精度、および各トランジスタ間のしきい値ばらつき)、および液晶の誘電特性などの制約から、各色8ビット、すなわち15mVから20mVずつの電圧制御が用いられている。従って、従来の駆動実効電圧の制御方法では、各色10ビット、12ビット等の充分に深い階調表示の実現は困難であった。
(背景技術の詳細)
印加実効電圧の精密制御のみでは、前述のとおり、現実的な精密階調制御は困難である。
印加実効電圧の精密制御のみでは、前述のとおり、現実的な精密階調制御は困難である。
他に従来から知られている階調表示方法としては、(1)印加電圧パルスの変調によるパルス幅変調、(2)面積階調、(3)誤差拡散法に基づくディザ法がある。
これらのうち、パルス幅変調法は、サブフレーム等を用い、各サブフレーム内で表示エレメントのオン、オフ回数を変えることにより実効的な光強度を変調する方法である。そのため、極めて高速に応答するデバイスに適用可能な手法である。しかしながら、従来のLCDでは、液晶の電気光学応答速度が遅く、パルス幅変調法の適用は困難であった。
また、面積階調は、印刷物などでは効果的に用いられる方法である。しかしながら、固定画素を前提としたLCDでは、面積階調法を採用することにより、画像解像度の低下が不可避となる。このため、高画質を追及するための階調度数向上法としては矛盾を生じ、かえって画質の低下を招いてしまう。
更に、ディザ法は、各表示フレームの画像内容に応じて映像信号そのものに変調を印加する方法で、大きな解像度低下を来たすことなく階調度数の増加が可能である。しかしながら、その反面、動画像を基本とする映像表示では、極めて高速、大容量の信号処理が必須となり、現実にはその適用が極めて困難である。
従って、LCDにおける各色10ビット以上の高階調表示を低コストで行うためには、少なくとも現時点では、液晶の応答速度を飛躍的に向上させ、パルス幅変調法、もしくはこれに類似した方法を採る以外の可能性は、かなり小さいことがわかる。
(当該分野の技術状況)
一般に、LCDの高演色カラー表示、いわゆるフルカラー表示の方法にはその階調表示の方法に、アナログ階調法、デジタル階調法の分類、色の出し方そのものの手法について、カラーフィルタ方式(もしくは空間カラー表示方式)と時間分割カラー方式(もしくは時間カラー表示方式)がある。以下、これらの各分類について説明する。
一般に、LCDの高演色カラー表示、いわゆるフルカラー表示の方法にはその階調表示の方法に、アナログ階調法、デジタル階調法の分類、色の出し方そのものの手法について、カラーフィルタ方式(もしくは空間カラー表示方式)と時間分割カラー方式(もしくは時間カラー表示方式)がある。以下、これらの各分類について説明する。
(階調表示の手法)
LCDに極めて広範に使用されている表示原理であるツイステッドネマティック(TN)LCDの電気―光学応答は、一般に図2のグラフに示すように、印加電圧実効値に対し、光強度が連続的に変化する。
LCDに極めて広範に使用されている表示原理であるツイステッドネマティック(TN)LCDの電気―光学応答は、一般に図2のグラフに示すように、印加電圧実効値に対し、光強度が連続的に変化する。
この光強度変化は、印加電圧の実効値で決まるため、ある特定の電圧を指定すれば、光強度は一義的に決まる。すなわち、ヒステリシスを伴わない表示が可能である。従って、TN−LCDでは、液晶パネルに印加する電圧実効値を変化させることで任意の中間調表示、すなわちアナログ的な階調表示が可能である。
一方、高速応答可能な強誘電性液晶表示(FLCD)等では、一般に、図3のグラフに示すように印加電圧の極性に応じて、その光強度が変化する。この場合、印加電圧の強度によって光強度は変わらず、専ら印加電圧の極性のみにより明暗の区別が行われる。従って、FLCD等では、TN−LCDのような印加電圧実効値による階調表示の制御は行われず、その高速応答性を利用した、いわゆるパルス幅変調法が用いられる。
(カラー表示の手法)
カラー表示そのものの手法としては、従来最も広く行われている方法が、マイクロカラーフィルターを用いたものである。この方法においては、図4の模式図に示すように、LCDの1絵素を少なくとも3つの副画素に分割し、それぞれ赤、青、緑のカラーフィルターを施す。このような構成を用い、白色の連続発光バックライトの光を、各副画素の液晶が光学的にオン、オフすることにより、空間分割によるカラー表示を行う。この時、上記のとおり、光透過光量を連続的に電圧、パルス幅で制御することで、原理的に任意のカラーを表示することができる。
カラー表示そのものの手法としては、従来最も広く行われている方法が、マイクロカラーフィルターを用いたものである。この方法においては、図4の模式図に示すように、LCDの1絵素を少なくとも3つの副画素に分割し、それぞれ赤、青、緑のカラーフィルターを施す。このような構成を用い、白色の連続発光バックライトの光を、各副画素の液晶が光学的にオン、オフすることにより、空間分割によるカラー表示を行う。この時、上記のとおり、光透過光量を連続的に電圧、パルス幅で制御することで、原理的に任意のカラーを表示することができる。
これに対し、時間的に色を分割する手法が、時間分割カラー表示である。この方法においては、図5のグラフおよび模式図に示すとおり、1絵素を1画素で構成し、各絵素を高速に光スイッチすることでカラー表示を行う。一般には、高速応答液晶デバイスと、赤、青、緑の各LEDを組み合わせ、各色LEDの発光に同期させて高速応答液晶デバイスが、光源であるLEDの光を制御する。
これらLCDにおけるいわゆるフルカラー表示には、近年の急速なフラットパネル表示の普及に伴い、更なる高演色性表示が求められている。特にテレビ画像に代表される映像表示用途では、従来のLCDで「フルカラー表示」とされていた256階調表示から、512階調、1,024階調、2,048階調と事実上グラビア印刷に匹敵する高画質、高演色性表示が求められるに至っている。
(従来技術の解決すべき課題)
これら高画質、高演色性表示の要求に対する、前項で説明したカラー表示方式、それぞれについての課題を説明する。
これら高画質、高演色性表示の要求に対する、前項で説明したカラー表示方式、それぞれについての課題を説明する。
(アナログ階調方式)
TN−LCDをはじめとするLCD一般の、他方式フラットパネルディスプレイに対する利点の一つは、その低電圧駆動にある。特に高精細表示が求められるテレビ表示、あるいはバッテリー駆動が前提のモバイル機器用ディスプレイでは、低電圧駆動はドライバのコスト削減、低消費電力において決定的な利点となる。
TN−LCDをはじめとするLCD一般の、他方式フラットパネルディスプレイに対する利点の一つは、その低電圧駆動にある。特に高精細表示が求められるテレビ表示、あるいはバッテリー駆動が前提のモバイル機器用ディスプレイでは、低電圧駆動はドライバのコスト削減、低消費電力において決定的な利点となる。
一方、印加電圧実効値によるアナログ階調では、駆動電圧が低いことから、各階調表示において、極めて精緻な印加電圧制御が必要となる。例えば、飽和電圧が2.5Vとした場合、256階調を実現するためには、各階調表示は、2.5V/256=9.76mVの印加電圧制御が求められる。従って、1,024階調の場合は、各階調表示を、2.44mVで制御しなければならないこととなる。ドライバLSIの電圧ドラフトが大幅に改善されたとは言え、数mVでの電圧制御は、通常は、極めて困難である。
更に、この印加電圧は、あくまで液晶パネルのパネルギャップが全表示面にわたって均一であることを前提とした計算である。実際に工業的に大量生産されるLCDパネルには、その製造歩留まりの制約から、一定のパネルギャッッップばらつきが許容されなければならない。従って、現実的なアナログ階調表示制御は最大256階調が限界と言われている。
(デジタル階調方式)
強誘電性液晶表示等、高速応答可能な液晶表示技術においては、パルス幅変調をはじめとする階調表示方式が原理的に可能となる。フレーム周波数として最も一般的な60Hzを例に具体的なパルス幅変調方式階調表示を説明する。
強誘電性液晶表示等、高速応答可能な液晶表示技術においては、パルス幅変調をはじめとする階調表示方式が原理的に可能となる。フレーム周波数として最も一般的な60Hzを例に具体的なパルス幅変調方式階調表示を説明する。
60Hz、すなわち16.7msの間に、8段階の表示期間を設定する。この時、発光(もしくは表示期間内の輝度)輝度は常に一定であり、発光時間が異なることで、1フレーム内における累積輝度が異なる。図6のグラフに、サブフレームに分割した発光時間の具体例を模式的に示す。この図6に示すように、16.7msを8つの「時間ブロック」もしくは「サブフレーム」に分割すれば、1フレーム内で、これら各時間ブロックの組み合わせを変えることにより、発光輝度が一定であっても、累積輝度が変わり、階調表示が可能なことがわかる。
サブフレームの組み合わせで階調表示を実現するためには、各サブフレームが累積で発光する輝度を明確に区別するため、液晶のオン、オフ時間が充分短いことが必須条件となる。例えば、16.7msを時間「1」、「2」、「4」、「8」、「16」、「32」、「64」、「128」の8つに分け、それぞれの時間ブロックの組み合わせで256階調(8ビット)を作るとすると、時間「1」のオン、オフ合計時間は、16.7ms/128=130μs以下でなければならないことがわかる。
強誘電性液晶表示等では、室温以上の温度環境下で、この程度の応答時間が可能な例は報告されているものの、室温以下の環境下では、130μsを大幅に上回る応答時間となり、実用的な温度範囲での駆動が極めて困難となる。
これに対して、同じデジタル階調表示方法でも、TFT−LCD等のアクティブマトリクス表示方式においては、16.7msの1フレーム期間内で、連続的に「オン」時間を制御する方式も提案、実施されている。液晶ディスプレイの各画素における透過光量は、常に一定値を保ち、1フレーム内での発光時間を連続的に制御することで、デジタル階調を行う方法である。
図7の模式的グラフに示すこの方式を用いれば、液晶の応答時間が16.7msに比べ、充分短い限り、かつ、TFT等のアクティブ素子の応答時間制御を充分短い時間で制御できる限り、1,024階調が可能となる。しかしながら、従来知られているほとんどのネマティック液晶を用いたLCDでは、一般的な液晶の応答時間が、10ms程度であり、残りの6.7msで1,024段階に液晶の「オン」時間を制御するためには、各階調に相当する時間制御を、6.5μs程度で行う必要がある。
もちろん、環境温度の低下とともに、一般に液晶の応答時間は長くなるため、10℃程度では、各階調に用いることができるTFTの「オン」制御時間は、数十nsになる。シリコン単結晶を用いたLCDや、高温ポリシリコンTFTを用いたLCDでは、この程度の時間制御は可能であるものの、低温ポリシリコンTFT、アモルファスシリコンTFTを用いたLCDでは、困難である。
特に、大型直視型TFT−LCDでは、製造コストの要請から、当面、アモルファスシリコン以外のTFTは適用が極めて困難と考えられており、高画質動画表示が特に求められる大型直視型LCDでは、事実上、1フレーム時間内で連続的に「オン」時間を制御するデジタル階調表示法の適用は、事実上は困難である。
本発明の目的は、上述した従来技術における問題点を解消することが可能な、液晶素子の駆動方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、短時間(例えば、150マイクロ秒程度)での電気光学応答が可能で、且つ印加電圧に応じた連続的階調表示が可能な液晶素子の駆動方法を提供することにある。
本発明によれば、一対の基板と、該一対の基板間に配置された液晶材料とを少なくとも含む液晶素子を駆動する方法であって、
該液晶素子に印加する電圧パルスの時間に対する電圧増加率を変化させることにより、液晶素子を透過する光量を連続的に制御し、階調表示を行うことを特徴とする駆動方法が提供される。
上記構成を有する本発明の駆動方法においては、LCDにおいて、例えば、高速応答可能な分極遮蔽型スメクティック液晶表示を用いて、従来の印加実効電圧に応じた光強度変化法に加えて、パルス幅変調、および分極遮蔽型スメクティック液晶表示に特有な電気光学応答特性を利用した光強度変化を併用することで、各色10ビット以上の深い階調表示を実現することができる。
本発明においては、例えば、本発明者らの発明に基づく分極遮蔽型スメクティック液晶表示素子(PSS−LCD)を好適に使用することができる(このPSS−LCDの詳細に関しては、必要に応じて、米国公開2004−196428号を参照することができる)。
PSS−LCDを用いる本発明の一態様においては、例えば、150マイクロ秒での電気光学応答が可能でかつ、印加電圧に応じた連続的階調表示が可能となる。
前述のとおり、例え150μsの応答時間が得られても、パルス幅変調のみで、各色10ビット以上の充分な階調表現は不可能である。増してや、各色8ビットの階調表示でも、液晶の応答時間として充分広い温度範囲で130μs以下の高速応答が要求されることは前述のとおりである。従って、150μs程度の安定した高速応答の範囲で、各色10ビット以上の深い階調表示を実現するためには、従来知られている手法によっては、事実上、その実現は困難であった。
これに対して、本発明によれば、上述したように、150マイクロ秒での電気光学応答が可能でかつ、印加電圧に応じた連続的階調表示が可能となる。
このように説明してきた本発明から、本発明を多様なやり方で変えることが可能であることは明らかである。こうした変更は本発明の精神および範囲からの逸脱とみなされるべきではなく、明細書から当業者には明らかであろうすべてのこうした修正は、以下のクレームの範囲内に包含されるように意図されている。
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「%」は、特に断らない限り質量基準とする。
(液晶素子の駆動方法)
本発明は、一対の基板と、該一対の基板間に配置された液晶材料とを少なくとも含む液晶素子を駆動する方法である。本発明においては、該液晶素子に印加する電圧パルスの時間に対する電圧増加率を変化させることにより、液晶素子を透過する光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
本発明は、一対の基板と、該一対の基板間に配置された液晶材料とを少なくとも含む液晶素子を駆動する方法である。本発明においては、該液晶素子に印加する電圧パルスの時間に対する電圧増加率を変化させることにより、液晶素子を透過する光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
(パルスの好適な印加方法)
本発明においては、例えば、以下に示すような電圧パルスを液晶素子に印加することが好ましい。
本発明においては、例えば、以下に示すような電圧パルスを液晶素子に印加することが好ましい。
(1)好適なパルス波形:台形波形、立上り時の電圧の時間微分を変化させた波形
(2)パルス幅、パルス持続時間の好適な範囲:フレーム周波数に依存するが、仮にフレーム周波数を60Hzとすると、パルス幅の最大値は16.7ms、最小値は、液晶の応答可能な最小応答時間(例えば、100μs)
(2)パルス幅、パルス持続時間の好適な範囲:フレーム周波数に依存するが、仮にフレーム周波数を60Hzとすると、パルス幅の最大値は16.7ms、最小値は、液晶の応答可能な最小応答時間(例えば、100μs)
(3)パルス続時間は、最大16.7ms、最小値は液晶の応答可能な最小応答時間(例えば100μs)
(本発明の他の態様)
本発明においては、例えば、以下に示すような種々の態様が可能である。
(第1の態様)
この態様においては、前記液晶素子における1フレーム内の液晶素子の最大光量を一定とし、該液晶素子に印加する電圧パルスの時間に対する電圧増加率を変化させることにより、液晶素子の累積光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
本発明においては、例えば、以下に示すような種々の態様が可能である。
(第1の態様)
この態様においては、前記液晶素子における1フレーム内の液晶素子の最大光量を一定とし、該液晶素子に印加する電圧パルスの時間に対する電圧増加率を変化させることにより、液晶素子の累積光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
(パルスの好適な印加方法)
第1の態様においては、例えば、以下に示すような電圧パルスを液晶素子に印加することが好ましい。
第1の態様においては、例えば、以下に示すような電圧パルスを液晶素子に印加することが好ましい。
(1)好適なパルス波形:台形波形、立上り時の電圧の時間微分を変化させた波形
(2)パルス幅、パルス持続時間の好適な範囲:フレーム周波数に依存するが、仮にフレーム周波数を60Hzとすると、パルス幅の最大値は16.7ms、最小値は、液晶の応答可能な最小応答時間(例えば、100μs)
(2)パルス幅、パルス持続時間の好適な範囲:フレーム周波数に依存するが、仮にフレーム周波数を60Hzとすると、パルス幅の最大値は16.7ms、最小値は、液晶の応答可能な最小応答時間(例えば、100μs)
(3)パルス続時間は、最大16.7ms、最小値は液晶の応答可能な最小応答時間(例えば100μs)
(第2の態様)
この態様においては、前記液晶素子における印加電圧パルスの時間に対する電圧波高値を変化させることにより、液晶素子の光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
この態様においては、前記液晶素子における印加電圧パルスの時間に対する電圧波高値を変化させることにより、液晶素子の光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
(パルスの好適な印加方法)
第2の態様においては、例えば、以下に示すような電圧パルスを液晶素子に印加することが好ましい。
第2の態様においては、例えば、以下に示すような電圧パルスを液晶素子に印加することが好ましい。
(1)好適なパルス形状:
従来のTN−LCD(Twisted Nematic LCD)等で用いられている電圧波形と同様、電圧波高値のみを変化させて、液晶パネルの透過光量を変化させる電圧印加波形
従来のTN−LCD(Twisted Nematic LCD)等で用いられている電圧波形と同様、電圧波高値のみを変化させて、液晶パネルの透過光量を変化させる電圧印加波形
(2)パルス幅、パルス持続時間の好適な範囲:
本様態の場合、液晶パネルの透過光量は、印加電圧の実効電圧値で決まるため、通常、最も単純な、矩形波を用いることができる。TN−LCD等従来のLCと異なり、PSS−LCDの場合、液晶の光学応答が極めて速いため、パルス持続期間は、PSS液晶が通常応答する最短時間である100μs以上、フレーム周期期間内時間(60Hzフレーム周波数の場合、16.7ms未満)であれば良い。
本様態の場合、液晶パネルの透過光量は、印加電圧の実効電圧値で決まるため、通常、最も単純な、矩形波を用いることができる。TN−LCD等従来のLCと異なり、PSS−LCDの場合、液晶の光学応答が極めて速いため、パルス持続期間は、PSS液晶が通常応答する最短時間である100μs以上、フレーム周期期間内時間(60Hzフレーム周波数の場合、16.7ms未満)であれば良い。
(3)パルス持続時間:
本態様の場合、パルス持続時間と、(2)項のパルス幅、パルス持続時間の好適な範囲は同一となる。
本態様の場合、パルス持続時間と、(2)項のパルス幅、パルス持続時間の好適な範囲は同一となる。
(第3の態様)
この態様においては、前記液晶素子における印加電圧パルスの時間に対する電圧波高値の組み合わせを変化させることにより、液晶素子の光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
この態様においては、前記液晶素子における印加電圧パルスの時間に対する電圧波高値の組み合わせを変化させることにより、液晶素子の光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
(パルスの好適な印加方法)
第3の態様においては、例えば、以下に示すような電圧パルスを液晶素子に印加することが好ましい。
第3の態様においては、例えば、以下に示すような電圧パルスを液晶素子に印加することが好ましい。
(1)好適なパルス形状:
少なくとも2段から構成される台形波形、すなわち立上り時の電圧の時間微分に少なくとも2段階の変化をもって立ち上がる電圧波形
少なくとも2段から構成される台形波形、すなわち立上り時の電圧の時間微分に少なくとも2段階の変化をもって立ち上がる電圧波形
(2)パルス幅、パルス持続時間の好適な範囲:
フレーム周波数に依存するが、仮にフレーム周波数を60Hzとすると、1段目と2段目のパルス幅の和の最大値は16.7ms、和の最小値は液晶の応答可能な最小応答時間(例えば100μs)。フレーム周波数が高く設定された場合は、設定された周波数に対応したフルフレーム間時間を最大時間とする多段のパルス幅、および液晶の応答可能な最小応答時間(例えば100μs)を最小時間とする多段のパルス幅。
フレーム周波数に依存するが、仮にフレーム周波数を60Hzとすると、1段目と2段目のパルス幅の和の最大値は16.7ms、和の最小値は液晶の応答可能な最小応答時間(例えば100μs)。フレーム周波数が高く設定された場合は、設定された周波数に対応したフルフレーム間時間を最大時間とする多段のパルス幅、および液晶の応答可能な最小応答時間(例えば100μs)を最小時間とする多段のパルス幅。
(3)パルスの時間に対する電圧増加率の好適な範囲:
用いるパルスの段数、およびフレーム周波数に依存するが、例えば3段で、フレーム周波数を60Hzで駆動する場合、電圧の時間に対する増加率(dV/dt)が理論上の無限大(すなわちステップ的に立ち上がる場合)を最大とし、17.6msを3で割った値である5.8msで最大印加電圧となる電圧増加率(dV/dt=Vmax/5.8ms)を割った値を最小増加率とする電圧増加率
用いるパルスの段数、およびフレーム周波数に依存するが、例えば3段で、フレーム周波数を60Hzで駆動する場合、電圧の時間に対する増加率(dV/dt)が理論上の無限大(すなわちステップ的に立ち上がる場合)を最大とし、17.6msを3で割った値である5.8msで最大印加電圧となる電圧増加率(dV/dt=Vmax/5.8ms)を割った値を最小増加率とする電圧増加率
(第4の態様)
この態様においては、前記液晶素子における印加電圧パルスの時間に対する電圧増加率および、電圧波高値の組み合わせの双方を変化させることにより、液晶素子の光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
この態様においては、前記液晶素子における印加電圧パルスの時間に対する電圧増加率および、電圧波高値の組み合わせの双方を変化させることにより、液晶素子の光量を連続的に制御し、階調表示を行う。
(パルスの好適な印加方法)
第4の態様においては、例えば、以下に示すような電圧パルスを液晶素子に印加することが好ましい。
第4の態様においては、例えば、以下に示すような電圧パルスを液晶素子に印加することが好ましい。
(1)この態様においては、態様1と態様2の波形を組み合わせた波形を好適に使用することができる。
(液晶素子)
本発明の駆動方法に使用可能な液晶素子は、特に制限されない。高演色性表示の点からは、前記液晶素子は、PSS−LCD(分極遮蔽型スメクティック液晶表示素子)であることが好ましい。
本発明の駆動方法に使用可能な液晶素子は、特に制限されない。高演色性表示の点からは、前記液晶素子は、PSS−LCD(分極遮蔽型スメクティック液晶表示素子)であることが好ましい。
(PSS−LCDの詳細な説明)
(液晶素子)
本発明による液晶素子は、一対の基板と、該一対の基板の間に配置されたスメクチック相液晶材料とを、少なくとも含む。
本発明による液晶素子は、一対の基板と、該一対の基板の間に配置されたスメクチック相液晶材料とを、少なくとも含む。
(第1の態様)
本発明の第1の好ましい態様において、液晶素子は、好ましくは、一対の基板と、該一対の基板の間に配置されたスメクチック相液晶材料とを少なくとも含む液晶素子であって;該スメクチック相液晶材料の分子長軸またはn−ディレクタが、バルク材として、その層法線に対してチルト角を有し、且つ、該スメクチック相液晶材料の分子長軸が、プリセット配向方向に対して平行に配列して、その長軸層法線を与えるものである。
本発明の第1の好ましい態様において、液晶素子は、好ましくは、一対の基板と、該一対の基板の間に配置されたスメクチック相液晶材料とを少なくとも含む液晶素子であって;該スメクチック相液晶材料の分子長軸またはn−ディレクタが、バルク材として、その層法線に対してチルト角を有し、且つ、該スメクチック相液晶材料の分子長軸が、プリセット配向方向に対して平行に配列して、その長軸層法線を与えるものである。
(層法線からの分子チルト)
検光子および偏光子がクロスニコルとして設定される偏光顕微鏡を用いて、液晶分子方向(n−ディレクタ)は測定可能である。n−ディレクタが、クロスニコル設定下で層法線として配向される場合、液晶パネルからの光線透過率は最小限であるか、または、プリセット分子配向方向が検光子の吸収角に合致する場合に消光角を示す。クロスニコル設定下で、層法線からのチルト角を有するn−ディレクタが層法線として配向されない場合、液晶パネルを通しての光線透過率は最小限でもなく、消光角をも示さない。
検光子および偏光子がクロスニコルとして設定される偏光顕微鏡を用いて、液晶分子方向(n−ディレクタ)は測定可能である。n−ディレクタが、クロスニコル設定下で層法線として配向される場合、液晶パネルからの光線透過率は最小限であるか、または、プリセット分子配向方向が検光子の吸収角に合致する場合に消光角を示す。クロスニコル設定下で、層法線からのチルト角を有するn−ディレクタが層法線として配向されない場合、液晶パネルを通しての光線透過率は最小限でもなく、消光角をも示さない。
(第2の態様)
本発明の第2の好ましい態様において、液晶素子は、好ましくは、一対の基板と、該一対の基板の間に配置されるスメクチック相液晶材料とを少なくとも含む液晶素子であって;該スメクチック相液晶材料の分子長軸またはn−ディレクタが、バルク材として、その層法線に対してチルト角を有し、且つ、該液晶素子が、初期プリセット配向方向に(along with)消光角を示すものである。
本発明の第2の好ましい態様において、液晶素子は、好ましくは、一対の基板と、該一対の基板の間に配置されるスメクチック相液晶材料とを少なくとも含む液晶素子であって;該スメクチック相液晶材料の分子長軸またはn−ディレクタが、バルク材として、その層法線に対してチルト角を有し、且つ、該液晶素子が、初期プリセット配向方向に(along with)消光角を示すものである。
(消光角の確認)
上述の液晶素子の消光角は、以下の方法により確認することが可能である。
上述の液晶素子の消光角は、以下の方法により確認することが可能である。
検光子および偏光子がクロスニコルとして設定される偏光顕微鏡下で、液晶分子のn−ディレクタの方向は、以下のように容易に検出される。偏光顕微鏡のシータ(theta)・ステージで、液晶パネルを回転させる。パネルを通しての光は回転角の関数である。光出力が最小値を示す場合、最小光を与えた角度が消光角である。光が最小値を示さない場合、非最小光出力を与えた角度は消光角ではない。
(第3の態様)
本発明の第3の好ましい態様において、液晶素子は、好ましくは、一対の基板と、バルク材としてその層法線に対してチルト角を有してその分子長軸に並ぶ、該一対の基板の間に配置されたスメクチック相液晶材料を少なくとも含む液晶素子であって;該基板の表面は、スメクチック相液晶材料の分子長軸がプリセット配向方向に平行に配列させるように、その分子長軸をその層に対して垂直にするために充分強い方位角アンカリングエネルギーを有するものである。
本発明の第3の好ましい態様において、液晶素子は、好ましくは、一対の基板と、バルク材としてその層法線に対してチルト角を有してその分子長軸に並ぶ、該一対の基板の間に配置されたスメクチック相液晶材料を少なくとも含む液晶素子であって;該基板の表面は、スメクチック相液晶材料の分子長軸がプリセット配向方向に平行に配列させるように、その分子長軸をその層に対して垂直にするために充分強い方位角アンカリングエネルギーを有するものである。
(充分強い方位角アンカリングエネルギーの確認)
本発明において、上述の充分強い方位角アンカリングエネルギーは、スメクチック相液晶材料の分子長軸が、その分子長軸をその層に対して垂直にして、プリセット配向方向に平行に配列させることを確認することにより、確認することが可能である。この確認は、以下の方法により達成することが可能である。
本発明において、上述の充分強い方位角アンカリングエネルギーは、スメクチック相液晶材料の分子長軸が、その分子長軸をその層に対して垂直にして、プリセット配向方向に平行に配列させることを確認することにより、確認することが可能である。この確認は、以下の方法により達成することが可能である。
一般に、方位角アンカリングエネルギーは、いわゆる結晶回転法により測定可能である。この方法は、文献“An improved Azimuthal Anchoring Energy Measurement Method Using Liquid Crystals with Different Chiralities”:Y. Saitoh and A. Lien, Journal of Japanese Applied Physics Vol.39,pp.1793(2000)等に記載されている。測定システムはいくつかの装置企業から市販されている。本明細書において、特に充分強い方位角アンカリングエネルギーは、以下の通りに極めて明快に確認することができる。「充分強い方位角アンカリングエネルギー」の意味は、そのn−ディレクタが通常層法線から一定のチルト角を持って並ぶ液晶分子を用いてプリセット配向方向に沿って配列される液晶分子のn−ディレクタを得るために、最も必要なものということである。従って、調製された表面が、うまく液晶のn−ディレクタをプリセット配向方向に沿って配列される場合に、それは、「充分強い」アンカリングエネルギーを意味する。
(好ましい液晶材料)
本発明においては、以下の静電容量(capacitance)特性を有する液晶材料を用いることが好ましい。
本発明においては、以下の静電容量(capacitance)特性を有する液晶材料を用いることが好ましい。
(静電容量特性)
PSS−LCDはスメクチック液晶材料を用いるが、四重極モーメントから生成される誘電分極のその予測源(expected origin)からして、各LCDでの画素静電容量は、従来型のLCDsと較べて充分に小さい。各画素における、この小さな静電容量はTFT設計のいかなる特定変更をも必要としない。TFTにおける主要設計課題は、その必要とされる電子移動度、および高い口径比の保持を伴うその静電容量である。従って、新規のLCD駆動モードがより大きな静電容量を必要とする場合、TFTは、技術的および経済的両面の観点から容易でない主要設計変更を伴うことが必要となる。PSS−LCDの最も重要な利点の一つは、バルク液晶静電容量としてのそのより小さな静電容量である。従って、PSS−LC材料が透過型LCDとして用いられる場合、その画素静電容量は、従来型のネマチック系LCDのそれに較べてほぼ半分〜1/3である。PSS−LCDがLCoSディスプレイ等の反射型LCDとして用いられる場合、その画素静電容量は、透過型ネマチック系LCDに対するものとほぼ同じであり、反射型の従来型ネマチック系LCDのそれに較べてほぼ半分〜1/3である。
PSS−LCDはスメクチック液晶材料を用いるが、四重極モーメントから生成される誘電分極のその予測源(expected origin)からして、各LCDでの画素静電容量は、従来型のLCDsと較べて充分に小さい。各画素における、この小さな静電容量はTFT設計のいかなる特定変更をも必要としない。TFTにおける主要設計課題は、その必要とされる電子移動度、および高い口径比の保持を伴うその静電容量である。従って、新規のLCD駆動モードがより大きな静電容量を必要とする場合、TFTは、技術的および経済的両面の観点から容易でない主要設計変更を伴うことが必要となる。PSS−LCDの最も重要な利点の一つは、バルク液晶静電容量としてのそのより小さな静電容量である。従って、PSS−LC材料が透過型LCDとして用いられる場合、その画素静電容量は、従来型のネマチック系LCDのそれに較べてほぼ半分〜1/3である。PSS−LCDがLCoSディスプレイ等の反射型LCDとして用いられる場合、その画素静電容量は、透過型ネマチック系LCDに対するものとほぼ同じであり、反射型の従来型ネマチック系LCDのそれに較べてほぼ半分〜1/3である。
<静電容量特性を測定する方法>
LCDの画素静電容量は、一般的に、以下に記載される標準法により測定される。
日刊工業新聞社(日本語)の液晶デバイスハンドブック第2章2.2部:頁70、液晶特性の測定方法(Measuring method of liquid crystal properties)。
LCDの画素静電容量は、一般的に、以下に記載される標準法により測定される。
日刊工業新聞社(日本語)の液晶デバイスハンドブック第2章2.2部:頁70、液晶特性の測定方法(Measuring method of liquid crystal properties)。
試験しようとする液晶パネルをクロスニコル関係に配置される偏光子と検光子間に挿入し、液晶パネルを回転させつつ、透過光の最小光量を提供する角度を測定する。このようにして測定される角度は、消光位置の角度である。
(好ましい特性を有する液晶材料)
本発明において、最小の対称グループに属する液晶材料を用いることが必要とされる。液晶材料の観点からPSS−LCD性能に対する必要条件は、液晶素子における四重極モーメントの強化である。従って、用いられる液晶分子は、最小の対称分子構造を持たなければならない。正確な分子構造は、最終素子としての要求性能に応じて決まる。最終素子がモバイル・ディスプレイ用途用である場合、むしろ、低粘度がより大きなパネル・ディスプレイ用途用のものよりも重要であって、結果としてより小さな分子量が好ましい。しかしながら、より低い粘度は混合物としての全体特性である。時折、混合物の粘度は、各分子成分によらず、分子間相互作用によって決定される。複屈折等の光学性能必要条件でさえも、また、用途に大きく依存する。従って、液晶材料における最大で唯一の必要条件は、本明細書において、スメクチック液晶分子中のその最小対称または最大非対称分子構造である。
本発明において、最小の対称グループに属する液晶材料を用いることが必要とされる。液晶材料の観点からPSS−LCD性能に対する必要条件は、液晶素子における四重極モーメントの強化である。従って、用いられる液晶分子は、最小の対称分子構造を持たなければならない。正確な分子構造は、最終素子としての要求性能に応じて決まる。最終素子がモバイル・ディスプレイ用途用である場合、むしろ、低粘度がより大きなパネル・ディスプレイ用途用のものよりも重要であって、結果としてより小さな分子量が好ましい。しかしながら、より低い粘度は混合物としての全体特性である。時折、混合物の粘度は、各分子成分によらず、分子間相互作用によって決定される。複屈折等の光学性能必要条件でさえも、また、用途に大きく依存する。従って、液晶材料における最大で唯一の必要条件は、本明細書において、スメクチック液晶分子中のその最小対称または最大非対称分子構造である。
(好ましい液晶材料の具体例)
本発明において、以下の液晶材料から選択される液晶材料を用いることは好ましい。勿論、これらの液晶材料は、要望どおりに、それらの2種以上の組合せまたは混合物として用いることが可能である。本発明において用いようとするスメクチック液晶材料は、スメクチックC相材料、スメクチックI相材料、スメクチックH相材料、カイラルスメクチックC相材料、カイラルスメクチックI相材料、カイラルスメクチックH相材料からなる群から選択することが可能である。
本発明において、以下の液晶材料から選択される液晶材料を用いることは好ましい。勿論、これらの液晶材料は、要望どおりに、それらの2種以上の組合せまたは混合物として用いることが可能である。本発明において用いようとするスメクチック液晶材料は、スメクチックC相材料、スメクチックI相材料、スメクチックH相材料、カイラルスメクチックC相材料、カイラルスメクチックI相材料、カイラルスメクチックH相材料からなる群から選択することが可能である。
本発明において使用すべきスメクチック液晶材料の具体例には、以下の化合物または材料を挙げることが可能である。
(プレチルト角)
本発明による液晶素子を構成する基板表面は、好ましくは5度以下、更に好ましくは3度以下、一段と好ましくは2度以下の、充填液晶材料に対するプレチルト角を有することが可能である。充填液晶材料に対するプレチルト角は、以下の方法により測定することが可能である。
本発明による液晶素子を構成する基板表面は、好ましくは5度以下、更に好ましくは3度以下、一段と好ましくは2度以下の、充填液晶材料に対するプレチルト角を有することが可能である。充填液晶材料に対するプレチルト角は、以下の方法により測定することが可能である。
一般に、LCD素子におけるプレチルトの測定方法には、ポピュラーであり測定システムが市販されているいわゆる結晶回転法が用いられる。しかしながら、本明細書において、必要とされるプレチルトはネマチック液晶材料に対するものではなく、層構造を有するスメクチック液晶材料に対するものである。従って、プレチルト角の科学的定義は、非層液晶材料に対するものとは異なる。
本発明のためのプレチルトの必要条件は、方位角アンカリングエネルギーを安定化させることである。プレチルトに対する最も重要な必要条件は、実際にその角度に対してではなく、方位角アンカリングエネルギーの安定化にある。プレチルト角が方位角アンカリングエネルギーとの対立を生じない限り、より高いプレチルト角は許容可能である。今まで、実験的に、現在の利用可能な配向層は、好ましい分子配向を安定化させるためのより低いプレチルト角を示唆している。しかしながら、より高いプレチルト角の必要性を否定する特定の科学的理論はない。プレチルトに対する最も重要な必要条件は、充分に安定なPSS−LCD分子配列を提供することである。
市販されているポリマー系の配向材料の大部分は、プレチルト角のデータと共に販売されている。プレチルト角が知られていない場合、値は特定セル条件に対する代表的なプレチルト角として結晶回転法を用いて測定可能である。
(アンカリングエネルギーの提供)
アンカリングエネルギーを与える方法は、その方法が、スメクチック相液晶材料の分子長軸がその分子長軸をその層に対して垂直にして、プリセット配向方向に平行に配列させるために充分強い方位角アンカリングエネルギーを与えることが可能である限り、特に限定されない。本方法の具体例には、例えば、ポリマー層の機械的ラビング、その上部表面が偏光UV光により晒されるポリマー層、金属酸化物材料の斜方蒸着、等を挙げることが可能である。アンカリングエネルギーを与えるこれらの方法の文献として、必要に応じて、日刊工業新聞社(日本語)の液晶デバイスハンドブック、第2章2.1、2.1.4部:頁40、および2.1.5部、頁47を参照することが可能である。
アンカリングエネルギーを与える方法は、その方法が、スメクチック相液晶材料の分子長軸がその分子長軸をその層に対して垂直にして、プリセット配向方向に平行に配列させるために充分強い方位角アンカリングエネルギーを与えることが可能である限り、特に限定されない。本方法の具体例には、例えば、ポリマー層の機械的ラビング、その上部表面が偏光UV光により晒されるポリマー層、金属酸化物材料の斜方蒸着、等を挙げることが可能である。アンカリングエネルギーを与えるこれらの方法の文献として、必要に応じて、日刊工業新聞社(日本語)の液晶デバイスハンドブック、第2章2.1、2.1.4部:頁40、および2.1.5部、頁47を参照することが可能である。
金属酸化物材料の斜方蒸着の場合に、斜方蒸着角は、好ましくは、70度以上、更に好ましくは75度以上、一段と好ましくは80度以上であることが可能である。
<液晶分子に対する分子初期配向状態を測定する方法>
一般に、液晶分子の主軸は、光軸とよく合致する。従って、液晶パネルが、偏光子が検光子に直角に配置されるクロスニコル構造に置かれる場合に、透過光の強度は、液晶の光軸が検光子の吸収軸とよく合致する場合に最も小さくなる。初期配向軸の方向は、液晶パネルが、透過光の強度を測定しつつクロスニコル構造中で回転し、それにより、透過光の最小強度を与える角度を測定することができる方法によって測定することができる。
一般に、液晶分子の主軸は、光軸とよく合致する。従って、液晶パネルが、偏光子が検光子に直角に配置されるクロスニコル構造に置かれる場合に、透過光の強度は、液晶の光軸が検光子の吸収軸とよく合致する場合に最も小さくなる。初期配向軸の方向は、液晶パネルが、透過光の強度を測定しつつクロスニコル構造中で回転し、それにより、透過光の最小強度を与える角度を測定することができる方法によって測定することができる。
<液晶分子主軸の方向と配向処理方向との平行度を測定する方法>
ラビングの方向は設定角により決定されると共に、ラビングにより与えられるポリマー配向フィルム最外層の遅軸は、ポリマー配向フィルムの種類、フィルムを製造するための方法、ラビング強度、等により決定される。従って、消光位置が遅軸の方向と平行に提供される場合に、分子主軸、すなわち、分子の光軸が遅軸の方向と平行にあることが確認される。
ラビングの方向は設定角により決定されると共に、ラビングにより与えられるポリマー配向フィルム最外層の遅軸は、ポリマー配向フィルムの種類、フィルムを製造するための方法、ラビング強度、等により決定される。従って、消光位置が遅軸の方向と平行に提供される場合に、分子主軸、すなわち、分子の光軸が遅軸の方向と平行にあることが確認される。
(基板)
本発明において使用可能な基板は、それが上述の特定「初期分子配向状態」を与えることができる限り、特に限定されない。換言すれば、本発明において、適する基板は、LCDの使用法または用途、その材料およびサイズ、等の観点から適切に選択することができる。本発明において用いることができるその特定例には、以下が挙げられる。
本発明において使用可能な基板は、それが上述の特定「初期分子配向状態」を与えることができる限り、特に限定されない。換言すれば、本発明において、適する基板は、LCDの使用法または用途、その材料およびサイズ、等の観点から適切に選択することができる。本発明において用いることができるその特定例には、以下が挙げられる。
その上にパターン化透明電極(ITO等)を有するガラス基板
非晶質シリコンTFTアレイ基板
低温ポリシリコンTFTアレイ基板
高温ポリシリコンTFTアレイ基板
単結晶シリコンアレイ基板
非晶質シリコンTFTアレイ基板
低温ポリシリコンTFTアレイ基板
高温ポリシリコンTFTアレイ基板
単結晶シリコンアレイ基板
(好ましい基板例)
これらの中で、本発明が大型液晶表示パネルに適用される場合において、以下の基板を用いることは好ましい。
これらの中で、本発明が大型液晶表示パネルに適用される場合において、以下の基板を用いることは好ましい。
非晶質シリコンTFTアレイ基板
(配向膜)
本発明において使用可能な配向膜は、それが上述した本発明に従う「チルト角」等を与えることができる限り、特に限定されない。換言すれば、本発明において、適する配向膜は、物理的特性、電気または表示性能、等の観点から適切に選択することができる。例えば、文献に例示されるような種々の配向膜は、一般に、本発明において用いることが可能である。本発明において、用いることができるこうした配向膜の具体的な好ましい例には、以下が挙げられる。
本発明において使用可能な配向膜は、それが上述した本発明に従う「チルト角」等を与えることができる限り、特に限定されない。換言すれば、本発明において、適する配向膜は、物理的特性、電気または表示性能、等の観点から適切に選択することができる。例えば、文献に例示されるような種々の配向膜は、一般に、本発明において用いることが可能である。本発明において、用いることができるこうした配向膜の具体的な好ましい例には、以下が挙げられる。
ポリマー配向膜:ポリイミド、ポリアミド、ポリアミド−イミド
無機配向膜:SiO2、SiO、Ta2O5、ZrO、Cr2O3、等
無機配向膜:SiO2、SiO、Ta2O5、ZrO、Cr2O3、等
(好ましい配向膜例)
これらの中で、本発明が投影型液晶ディスプレイに適用される場合、以下の配向膜を用いることは好ましい。
これらの中で、本発明が投影型液晶ディスプレイに適用される場合、以下の配向膜を用いることは好ましい。
無機配向膜
本発明において、上述の基板、液晶材料、および配向膜として、必要に応じて、日刊工業新聞社(日本、東京)発行の“Liquid Crystal Device Handbook”(1989)に記載されているそれぞれの項目に対応する材料、成分または構成要素を用いることは可能である。
(他の構成要素)
本発明による液晶ディスプレイを構成するために用いられる透明電極、電極パターン、マイクロカラーフィルタ、スペーサ、および偏光子等の他の材料、構成要素または成分は、それらが本発明の目的に反しない限り(すなわち、それらが上述の特定「初期分子配向状態」を与えることができる限り)、特に限定されない。加えて、本発明において使用可能である液晶表示素子を製造するための方法は、液晶表示素子が上述の特定「初期分子配向状態」を与えるために構成されるべきであることを除き、特に限定されない。液晶表示素子を構成するための種々の材料、構成要素または成分の詳細に関しては、必要に応じて、日刊工業新聞社(日本、東京)発行の“Liquid Crystal Device Handbook”(1989)を参照することは可能である。
本発明による液晶ディスプレイを構成するために用いられる透明電極、電極パターン、マイクロカラーフィルタ、スペーサ、および偏光子等の他の材料、構成要素または成分は、それらが本発明の目的に反しない限り(すなわち、それらが上述の特定「初期分子配向状態」を与えることができる限り)、特に限定されない。加えて、本発明において使用可能である液晶表示素子を製造するための方法は、液晶表示素子が上述の特定「初期分子配向状態」を与えるために構成されるべきであることを除き、特に限定されない。液晶表示素子を構成するための種々の材料、構成要素または成分の詳細に関しては、必要に応じて、日刊工業新聞社(日本、東京)発行の“Liquid Crystal Device Handbook”(1989)を参照することは可能である。
(具体的な初期配向を実現するための手段)
こうした配向状態を実現するための手段または方策は、それが上述の具体的な「初期分子配向状態」を実現することができる限り、特に限定されない。換言すれば、本発明において、適する具体的な初期配向を実現するための手段または方策は、物理的特性、電気または表示性能、等の観点から適切に選択することができる。
こうした配向状態を実現するための手段または方策は、それが上述の具体的な「初期分子配向状態」を実現することができる限り、特に限定されない。換言すれば、本発明において、適する具体的な初期配向を実現するための手段または方策は、物理的特性、電気または表示性能、等の観点から適切に選択することができる。
以下の手段は、好ましくは、本発明が大型テレビパネル、小型高解像度表示パネル、および直視型ディスプレイに適用される場合に用いることが可能である。
(初期配向を与えるための好ましい手段)
本発明者らの知見によれば、上述の適する初期配向は、以下の配向膜(焼成により形成される配向膜の場合、その厚さは焼付け後の厚さで示される)およびラビング処理を用いることにより、容易に実現することが可能である。他方、通常の強誘電性液晶ディスプレイにおいて、配向膜の厚さは3,000A(オングストローム)以下、ラビング強度(すなわち、ラビングの押し込み量)は0.3mm以下である。
本発明者らの知見によれば、上述の適する初期配向は、以下の配向膜(焼成により形成される配向膜の場合、その厚さは焼付け後の厚さで示される)およびラビング処理を用いることにより、容易に実現することが可能である。他方、通常の強誘電性液晶ディスプレイにおいて、配向膜の厚さは3,000A(オングストローム)以下、ラビング強度(すなわち、ラビングの押し込み量)は0.3mm以下である。
配向膜の厚さ:好ましくは4,000A以上、さらに好ましくは5,000A以上(特に、6,000A以上)
ラビング強度(すなわち、ラビングの押し込み量):好ましくは0.3mm以上、さらに好ましくは0.4mm以上(特に、0.45mm以上)
上述の配向膜厚さおよびラビング強度は、例えば、これから現れる実施例1に記載されるようなやり方で測定することが可能である。
(本発明と背景技術の比較)
本明細書において、本発明の上述の構造および構成の理解を容易にする目的のため、本発明による液晶素子のいくつかの特徴を、各種構造を有するものと比較して説明する。
本明細書において、本発明の上述の構造および構成の理解を容易にする目的のため、本発明による液晶素子のいくつかの特徴を、各種構造を有するものと比較して説明する。
(本発明の理論的背景)
本発明は、高解像度を有する小画面LCDsおよび大画面直視型LCDテレビ用途、ならびに高倍率投影型パネルに対する重要な利点であると考えられるPSS−LCDsの分子配向の詳細な検討および解析に基づく。次に、本発明の技術背景を記載する。
本発明は、高解像度を有する小画面LCDsおよび大画面直視型LCDテレビ用途、ならびに高倍率投影型パネルに対する重要な利点であると考えられるPSS−LCDsの分子配向の詳細な検討および解析に基づく。次に、本発明の技術背景を記載する。
(分極遮蔽型スメクチック液晶ディスプレイ)
分極遮蔽型スメクチック液晶ディスプレイ(PSS−LCD)は、四重極モーメントを強化するために最小の対称分子構造の液晶材料を用いる、米国特許出願第US−2004/0196428A1号明細書中に記載されている。この特許出願は、PSS−LCDの基本メカニズムを論じている。また、この特許はPSS−LCDsを製造するための実際的な方法を記載している。
分極遮蔽型スメクチック液晶ディスプレイ(PSS−LCD)は、四重極モーメントを強化するために最小の対称分子構造の液晶材料を用いる、米国特許出願第US−2004/0196428A1号明細書中に記載されている。この特許出願は、PSS−LCDの基本メカニズムを論じている。また、この特許はPSS−LCDsを製造するための実際的な方法を記載している。
上記特許出願に記載されているように、PSS−LCDの最も独特のポイントの一つは、初期配向状態として具体的な液晶分子配向を有することである。それらの自然分子n−ディレクタ配向が表面の強い方位角アンカリングエネルギーと併せてスメクチック層からの特定チルトを有する、ある種のスメクチック液晶材料を用いて、この分子n−ディレクタは層法線に並ぶように強制される。換言すれば、そのn−ディレクタが層法線から一定のチルト角を有する最小の対称分子は、図19に示すように、そのn−ディレクタを、特定の人工配向力により層法線に配列される。
この初期配向は、PSS−LCDで独特のディスプレイ性能を生成する。この分子配向は、そのn−ディレクタが層に対して垂直であるスメクチックA相と類似であるが、しかしながら、この特定分子配向は、液晶分子がより弱い極角アンカリング表面条件における強い方位角アンカリングエネルギー表面下にある場合にのみ実現される。従って、これらの分子は分極遮蔽スメクチックまたはPSS相と称する。この特許出願は、高性能PSS−LCDsを実現するための最も必要な条件を与えるための基本的な方法を与える。PSS−LCDでこの人工のn−ディレクタ配向を実現するため、強い方位角分子配向ならびにより弱い極角(polar)アンカリングは、特許出願に記載されるように最も必要なものである。
従来型のネマチック系LCDsは、それらの初期分子配向に対する分子間力に基づく立体相互作用を用いる。立体相互作用は、それらの分子アンカリングが人工的なn−ディレクタ変更の必要性なしでn−ディレクタを順序付けているネマチック液晶分子の大部分に対して、充分に良好な初期分子アンカリングエネルギーを与える。ネマチック液晶分子の配向性質のために、それらのn−ディレクタは、常に、一定のオーダパラメータ下で一つの同じ方向に配列される。
ネマチック液晶分子と違って、スメクチック液晶分子は層構造を形成する。この層構造は真の構造ではなく、仮想構造である。ネマチック液晶に対するものよりも高位のスメクチック液晶のパラメータのために、スメクチック液晶分子はより高位の分子配向を有し、それらの質量中心配向を形成する。スメクチック液晶の自然分子配向に較べて、ネマチック液晶は、決して、スメクチック液晶のそれ等の一定の規則状態にそれらの質量中心を保持してそれら自身を配向させることはない。
本発明は、一定の配向表面上の最小の対称スメクチック液晶分子のスメクチック相における初期分子n−ディレクタの観点からの、方位角アンカリングエネルギーおよび極角アンカリングエネルギーの基礎研究に基づく。周知の現象の一つとして、分子間力相互作用に基づく立体相互作用は、クーロン−クーロン相互作用により提供されるものよりも、遙かに弱いものである。本発明において、表面相互作用に関する(特に、最小の対称スメクチック液晶分子と配向層の高極性表面間の表面相互作用に関する)詳細な検討に基づき、スメクチック液晶分子と一定の配向表面間のクーロン−クーロン相互作用の強化が達成されてきた。
(PSS−LCDにおける表面アンカリングの理論的解析)
本発明はいかなる理論によっても限定されるべきではない。以下のある種の理論の記載は、本発明者の知識および種々の検討(研究および実験を含む)に基づくと共に、こうした理論は、本明細書において、本発明の可能なメカニズムのより良い理解の目的のためだけに記載される。
本発明はいかなる理論によっても限定されるべきではない。以下のある種の理論の記載は、本発明者の知識および種々の検討(研究および実験を含む)に基づくと共に、こうした理論は、本明細書において、本発明の可能なメカニズムのより良い理解の目的のためだけに記載される。
初期のPSS−LC構造用の必要な条件を明確にするために、PSS−LCセルの自由エネルギーは以下の表現に基づくと考えられる。3主要自由エネルギーは以下のように表される:
(a)弾性エネルギー密度:felas
式中、BおよびD1は、それぞれ、スメクチック相および粘弾性定数である。
座標系は図20に示すように設定される。
式中φは図20に示す方位角であり、xはセル厚さ方向として設定される。
(b)弾性相互作用エネルギー:felec
座標系は図20に示すように設定される。
式中φは図20に示す方位角であり、xはセル厚さ方向として設定される。
(b)弾性相互作用エネルギー:felec
電界は静電ポテンシャルφにより与えられる:すなわち、;
以下の式により表される誘電異方性条件は、
四重極モーメントからの寄与を表すためのものである。
(c)表面相互作用エネルギー密度:Fsurf
1984年に刊行された文献Molecular Crystals and Liquid Crystals, Vol. 114,頁151中の彼等の論文のダールおよびラガーウォール(Dahl and Lagerwall)により、表面相互作用エネルギー密度は以下の式として表される;
(c)表面相互作用エネルギー密度:Fsurf
1984年に刊行された文献Molecular Crystals and Liquid Crystals, Vol. 114,頁151中の彼等の論文のダールおよびラガーウォール(Dahl and Lagerwall)により、表面相互作用エネルギー密度は以下の式として表される;
式中、θは図20に示す分子チルト角であり、γp、γt、γdは、表面相互作用係数であり、atはプレチルト角であり、adは図20に設定されるz−方向からの好ましい方向角である。
表面相互作用エネルギー密度に関して、PSS−LCDの初期分子配向条件の観点から必要とされる条件は、図20中におけるθ=0およびf=3π/2である。これらの条件を勘案して、式(3)は、今、以下となる;
また、PSS−LCDの好ましいプレチルト角はゼロであり、結果として、式(4)は以下となる;
式(1)、(2)、および(5)を用いて、単位面積F当りの全体自由エネルギーは以下である;
ここで、対称表面アンカリング:γd0=γd1、およびφ→3p/2が式(6)に導入される;
初期状態として、E=0が式(7)に導入される、
ここで、好ましい方向角ddはz−方向に設定され、粘弾性定数Dは以下のように表すことができる;
Fを最小化するためには、
従って、PSS−LC分子が図20に示すz−方向に平行であることが好ましいことは明白である。また、式(10)は、PSS−LC分子が、特定スメクチック層弾性定数および同じ層中の液晶分子粘度を得るために、下部(bottom)から上部表面まで一様に(in uniform)積み重なる(stack)ことを必要とする条件を与える。
上述のように、本発明の本質的な概念は、ラビング方向等の設定配向方向に、スメクチック層法線からのチルト角を有するスメクチック液晶分子ディレクタの強化に基づく。それらの分子ディレクタが、バルク形状としてスメクチック層法線に対するチルト角を有するスメクチック液晶分子の一部の範疇を用いる分子ディレクタ配向の強化は、プリセット配向方向にスメクチック液晶分子ディレクタを強制する。この強化は、スメクチック液晶分子ディレクタが図29に示すようにスメクチック層に直角に配向することを可能とする。
PSS−LCDの独特の電気光学性能は、スメクチック液晶分子のこの特定の分子配向により生成することができる。PSS−LCDsのこれらの独特の特徴的な特性の一つは、パネルギャップと駆動電圧間のその関係であることが可能である。
殆どの公知のLCDsの場合において、それらは、それらのパネルギャップを増大することにより一層高い駆動電圧を必要とする。パネルギャップ増加のために、必要印加電圧は電界強度を保持するために増大されねばならない。
しかしながら、本発明によるPSS−LCDにおいて、時折、パネルギャップが増大する場合に、より少ない電圧しか必要としない場合がある。PSS−LCDパネルにおける強い方位角アンカリングエネルギーの必要性のために、パネルギャップの増加は、パネル中の液晶分子のアンカリングの弱化を招き、駆動用のより低い電圧を与える。この事実は、また、上述のPSS−LCDs解釈の証拠の一つである。
(クーロン−クーロン相互作用を強化するための実際的な方法)
スメクチック液晶の層構造の存在のために、層構造と配向界面間の特定バランスは、常に、きれいな分子配向の観点から大いに関心のある所である。特に、強い方位角アンカリングエネルギーを必要とするPSS−LCDの場合に、いかに強いアンカリングエネルギーがそれらの生来の層構造を乱すことなく液晶分子に与えられるかが、最も重要である。
スメクチック液晶の層構造の存在のために、層構造と配向界面間の特定バランスは、常に、きれいな分子配向の観点から大いに関心のある所である。特に、強い方位角アンカリングエネルギーを必要とするPSS−LCDの場合に、いかに強いアンカリングエネルギーがそれらの生来の層構造を乱すことなく液晶分子に与えられるかが、最も重要である。
前章で理論的に論じたように、強い方位角アンカリングは、PSS−LCD構造を実現するために最も必要なものである。本発明者は、生来の液晶層構造の形成を乱すことなく強いアンカリングエネルギーを引き起こすための実際的な方法を見出すために実験的努力を行った。実験的努力の過程において、全体PSS−LC混合物から一部の特定液晶分子を強調することが、層構造を形成することにより充分に強いアンカリングエネルギーを与えるための効果的な方法の一つであることを見出してきた。スメクチック液晶中の層構造の強い自己形成力のために、充分に強いアンカリングエネルギーを引き起こすことは容易ではない。表面アンカリングが余りに強い場合、スメクチック液晶の形成層構造は歪められるか、または最悪の場合、破壊される。きれいな層構造を優先することは、常に、層に垂直であるスメクチック液晶分子n−ディレクタ配向を形成することができないであろうPSS−LC分子配向の破綻を招く。PSS−LCD中のきれいな分子配向を得るために最も重要なことは、液晶分子に対して、極角アンカリングエネルギーである弱い接着性アンカリングエネルギーと共に強い方位角アンカリングエネルギーを与えることである。
従って、PSS−LCDは、それらが弱い極角アンカリングエネルギーと共に充分に強い方位角アンカリングを与える限り、無機配向材料を許容する。これは投影機パネル用途用のPSS−LCDに有意な利点を与える。
強い光束のために、たいていの最近のポリマー系配向層はそれらの耐用年数の問題を有する。しかしながら、たいていの従来型ネマチック系LCDsに対するむしろ強い極角アンカリングの必要性のために、無機配向層は、投影機パネルに対するそれらの適用は容易でなかった。反対に、PSS−LCDsは、特別の極角アンカリングエネルギーを全く必要とせず、PSS−LCDsは、極角アンカリングエネルギーを必要とするよりむしろ、弱いかまたは更にそれが全くない極角アンカリングエネルギー、一方で強い方位角アンカリングエネルギーを必要とする。従って、たいていの無機系配向層は、極めて有効な分子配向をPSS−LCDsに与える。換言すれば、本発明において、それが強い方位角アンカリングエネルギーを与える限り、特定の限定なしであらゆる無機系配向層を用いることは可能である。
(本発明によるPSS−LCDのいくつかの特徴)
(各ディスプレイ画素における静電容量)
PSS−LCDの最も顕著な態様の一つは、アモルファスシリコン薄膜トランジスタ(以後「a−Si・TFT」と呼ぶ)画素パッドにおける画素等の各ディスプレイ画素におけるそのより小さな静電容量である。a−Si・TFTにおいて、液晶材料の誘電率から来る画素のより小さな静電容量は、画像性能の観点から極めて興味深いものの一つである。画素静電容量が大きい場合、画素における過渡電圧は極めて速く変化し、フリッカー、画像残留等の好ましくない画像性能を与える。画素の大きな静電容量の一部は、a−Si回路の精巧な設計により吸収可能であるが、しかしながら、極めて複雑な画素設計は、a−Si・TFT製造収率を下げる強い傾向性を有する。従って、より小さな静電容量は、より高度な画像性能およびより低い製造コストを与えるための最も重要な因子の一つである。
(各ディスプレイ画素における静電容量)
PSS−LCDの最も顕著な態様の一つは、アモルファスシリコン薄膜トランジスタ(以後「a−Si・TFT」と呼ぶ)画素パッドにおける画素等の各ディスプレイ画素におけるそのより小さな静電容量である。a−Si・TFTにおいて、液晶材料の誘電率から来る画素のより小さな静電容量は、画像性能の観点から極めて興味深いものの一つである。画素静電容量が大きい場合、画素における過渡電圧は極めて速く変化し、フリッカー、画像残留等の好ましくない画像性能を与える。画素の大きな静電容量の一部は、a−Si回路の精巧な設計により吸収可能であるが、しかしながら、極めて複雑な画素設計は、a−Si・TFT製造収率を下げる強い傾向性を有する。従って、より小さな静電容量は、より高度な画像性能およびより低い製造コストを与えるための最も重要な因子の一つである。
双極子モーメントトルクに基づくネマチック液晶ディスプレイは、駆動電圧を下げより速い光学応答を得るために充分に大きな双極子モーメントを有することを必要とする。充分低い駆動電圧およびより速い光学応答が実用LCDsにとって最も必要な必要条件であるので、ネマチック系LCDsは、TFTアレイの複雑な設計および製造方法努力を犠牲にしてきた。反対に、PSS−LCDはネマチック系LCDsに対するものよりも小さな静電容量を有する。一般に、PSS−LCDの画素静電容量は、ネマチックLCDsの少なくとも半分であり、時折それはネマチックLCDsの1/4である。四重極モーメントベーストルクおよび図21に示すように液晶分子運動の極めて短い距離のおかげで、PSS−LCDは充分に速い光学応答を有するより小さな画素静電容量によって駆動可能である。静電容量の一つの実例は図22中に測定される。
図22に示すように、PSS−LCDの誘電率はネマチック系LCDsに対するそれよりも小さい。更に、PSS−LCDの誘電率は従来型のSSFLCDsに対するそれよりも一段と小さい。SSFLCDの自発分極のために、SSFLCDの有効誘電率はネマチックLCDsに対するそれよりも一段と大きく、a−Si・TFT駆動に対して大きすぎる負担を生じる。実際に、従来型のa−Si・TFTは、SSFLCDの自発分極スイッチ用の電子電荷の大きすぎる必要量のために、SSFLCDsを駆動することができない。従って、PSS−LCDの小さな静電容量は、SSFLCDsおよびネマチック系LCDsの両方からその重要性を差別化するための最も顕著な態様の一つである。
(光スイッチング前後の静電容量の変化)
従来型SSFLCDsおよびネマチック系LCDsとは違ったPSS−LCDsの他の顕著な態様は、液晶の光スイッチング前後の静電容量のより小さな変化である。上記検討と同様に、TFTアレイの画素パッドにおけるより小さな変化は、フリッカーおよび画像残留を示すことなく安定な画像性能の観点からTFT−LCDsに対する最も重要な必要条件の一つである。
従来型SSFLCDsおよびネマチック系LCDsとは違ったPSS−LCDsの他の顕著な態様は、液晶の光スイッチング前後の静電容量のより小さな変化である。上記検討と同様に、TFTアレイの画素パッドにおけるより小さな変化は、フリッカーおよび画像残留を示すことなく安定な画像性能の観点からTFT−LCDsに対する最も重要な必要条件の一つである。
「フィードスルー電圧」として周知であるTFTにおける過渡電圧低下は、液晶材料が光スイッチング前後で異なる静電容量を有する限り、TFT−LCDsで不可避なことである。このフィードスルー電圧は、フリッカーおよび画像残留を生成す根源の原因である。しかしながら、光スイッチング前後の異なる静電容量は、液晶、特に双極子モーメント系および自発分極系液晶にとって、極めて本質的な性質である。
フリッカーおよび画像残留を避けるために、従来型TFT−LCDsは問題を最小化するためのいくつかの種類の方法を加える。しかしながら、最も本質的な方法は、小さな変化のまたはほぼ変化のない静電容量材料を用いることである。この静電容量変化を最小化するための多くの努力にもかかわらず、光スイッチング前後の静電容量の変化は、ネマチック系および上述のような強誘電性液晶の両方における従来型液晶材料の極めて本質的な性質である。
四重極モーメントを用いるPSS液晶材料は、LCDsにおける高コントラスト比用の充分大きな複屈折を生成すためのその極めて小さい誘電率および極めて短い運動距離のために、大きな静電容量変化を有する必要がない。PSS−LCDsの光スイッチング前後の実際の静電容量変化は、図22中の従来型SSFLCDのそれと比較される。
図22において、光スイッチングを誘起するために、DCバイアス電圧が試料セルに印加される。印加されたDC電圧がスレショルド電圧を超えると、光スイッチングが生じる。図22において、PSS−LCDパネルに対するこのスレショルド電圧は約0.5Vであり、SSFLCDに対するそれは約6Vである。図8に示すように、SSFLCDは有意な静電容量変化を示す。反対に、PSS−LCDパネルはいかなる静電容量の有意な変化をも示さない。光スイッチング前後のこの極めて小さいか、またはほぼゼロの静電容量の変化は、PSS−LCDsの極めて顕著な特徴的な特性である。本発明者が今までに知る限り、この小さいか、またはほぼゼロの静電容量の変化は、PSS−LCDs用を除いていかなるLCDsにおいても知られていない。
図22における静電容量の測定方法は以下の通りである。
(静電容量の測定方法)
35mm四角形無アルカリガラス基板を用いて、配向層をガラス表面上に形成する。ガラス基板はガラス基板の中心で15mm径の丸型ITO電極を有する。形成された配向層は、PSS液晶分子を適正な構造に配向する。一般的な配向法の一つは、周知であり、工業的標準法であるポリイミドの上部表面における機械的ラビング法による特殊ポリイミド層を用いることである。PSS−LCパネルの一般的なパネルギャップは2ミクロンである。図22の測定のため、平均1.8ミクロン径の二酸化ケイ素球をスペーサ球として用いる。周辺領域をエポキシグルーで密閉した後、液晶材料をパネル中に注入し、液晶充填パネルを得る。充填セルの静電容量または誘電率の測定のため、1kHz、+/−1Vの方形波を、プローブ電圧として試料セルに印加する。バイアスDC電圧もまた試料セルに印加する。一旦電圧が液晶分子のn−ディレクタをスイッチするために充分大きくなると、このDCバイアス電圧は試料セルの光スイッチングを誘起する。
35mm四角形無アルカリガラス基板を用いて、配向層をガラス表面上に形成する。ガラス基板はガラス基板の中心で15mm径の丸型ITO電極を有する。形成された配向層は、PSS液晶分子を適正な構造に配向する。一般的な配向法の一つは、周知であり、工業的標準法であるポリイミドの上部表面における機械的ラビング法による特殊ポリイミド層を用いることである。PSS−LCパネルの一般的なパネルギャップは2ミクロンである。図22の測定のため、平均1.8ミクロン径の二酸化ケイ素球をスペーサ球として用いる。周辺領域をエポキシグルーで密閉した後、液晶材料をパネル中に注入し、液晶充填パネルを得る。充填セルの静電容量または誘電率の測定のため、1kHz、+/−1Vの方形波を、プローブ電圧として試料セルに印加する。バイアスDC電圧もまた試料セルに印加する。一旦電圧が液晶分子のn−ディレクタをスイッチするために充分大きくなると、このDCバイアス電圧は試料セルの光スイッチングを誘起する。
(本発明の好ましい態様)
本発明の中心概念は、スメクチック液晶層に垂直な初期分子n−ディレクタを強調することである。この表面強調の役割は、PSS液晶分子に対して方位角アンカリングを引き起こし、比較的弱い極角アンカリングを保持することの観点から、PSS液晶分子と特定表面間の充分強いクーロン−クーロン相互作用を与えることである。
本発明の中心概念は、スメクチック液晶層に垂直な初期分子n−ディレクタを強調することである。この表面強調の役割は、PSS液晶分子に対して方位角アンカリングを引き起こし、比較的弱い極角アンカリングを保持することの観点から、PSS液晶分子と特定表面間の充分強いクーロン−クーロン相互作用を与えることである。
上述のように、本発明の一部の好ましい態様は以下の通りである:
(1)それらの分子n−ディレクタが、図21に示すようにそれらのスメクチック層法線からいくらかのチルト角を有する特定スメクチック液晶材料を用いる。
(1)それらの分子n−ディレクタが、図21に示すようにそれらのスメクチック層法線からいくらかのチルト角を有する特定スメクチック液晶材料を用いる。
(2)それらのスメクチック液晶がスメクチックC、スメクチックH、スメクチックI相および他の最小対称分子構造相群に属する。カイラルスメクチックC、カイラルスメクチックH、カイラルスメクチックI相は、また、米国特許出願第US−2004/0196428A1号明細書に記載されているように、PSS−LCD性能用の必要基準を満たす。
(3)強い方位角アンカリングならびにより弱い極角アンカリングエネルギーを印加して、スメクチック層法線からの自然n−ディレクタチルトが層法線にあるように強制される。この機能の結果として、PSS液晶材料は、一般に、以下の相系列(phase sequence)を示す:
等方相−(ネマチック)−スメクチックA−PSS相−(スメクチックX)−結晶。 本明細書において、括弧「()」は、必ずしも必要でないことを意味する。
(4)PSS−LCDの顕著な特徴的な特性の一つは、スメクチックA相中とPSS相中のそれの間で同じ消光角を保持することである。スメクチックC相の消光角は、スメクチックC相の層法線からの分子チルト角のために、スメクチックA相のそれとは常に異なる。従って、スメクチックA相とPSS相間の同じ消光角は、PSS相の独特の特性である。
(5)上記機能の結果として、配向PSS−LCセルは、10未満、更に好ましくは5未満、最も好ましくは2未満等の誘電率の小さな異方性を示す。誘電率の異方性は、PSS−LCDにおける測定周波数の関数である。たいていの従来型LCDsに対する双極子モーメントと違った四重極モーメントの使用のために、誘電率の異方性は、プローブ電圧の周波数に応じて決まる。本明細書において、誘電率の異方性の好ましい値は、1kHzの矩形波で測定することが好ましい。従来型LCDsの双極子モーメント結合とは違って、PSS−LCDは、四重極モーメント強化のために、誘電率の比較的小さな異方性を必要とする。この誘電率の小さな異方性は、TFTsの駆動能力において極めて有用である。従来型LCDsのそれに較べて、TFT用のより小さな誘電負荷のおかげで、PSS−LCDは、TFTに対する電圧シフトを生みだすパラ−静電容量の比較的小さな影響しか受けない。従って、PSS−LCDは従来型のTFTアレイに対してより幅の広い駆動ウィンドウを有する。
例えば、一般的なPSS−LC材料の一つは、上記測定条件を用いて1.5の誘電率の異方性を示す。これは、従来型のTN−LCDパネルのそれに較べて、LCDパネルにおける1/4未満の静電容量を与える。これは、PSS−LCDがTFT−LCDsにおけるより小さなフィードスルー電圧を実現し、従来型のネマチック系TFT−LCDsのそれよりも安定なより良い画像性能を与えることを意味する。図22は、直接的に、自発分極の無関与、およびPSS−LCDの光スイッチングの前後におけるその誘電率の極端に小さな変化を証明する。図22の結果から、PSS−LCDがその駆動力用に極めて小さな誘電率の異方性を用いることは明白である。これは、また、PSS−LCDにおける四重極モーメントの直接関与の証明の一つである。
(6)上記条件を満足させる調製されたPSS−LCDセルは、外部からの印加電界の方向に応じて分子チルトの特定方向を示す。四重極結合のために、PSS−LC分子は印加電界の方向の違いを告げる。これはPSS−LCDの極めて異なる特徴的な特性の一つである。複屈折モードを用いるすべての従来型ネマチック系LCDsは、双極子モーメント結合を利用する、従って、それらは印加電界の方向の違いを言わない。印加電圧の電位の違いだけがそれらのLCDsを駆動する。PSS−LCD分子は、それらが自発分極を有しないが、印加電圧の方向を検出することによりそれらのチルト方向を変える。これも、また、PSS−LCDの四重極モーメント系駆動の支持理論の一つである。
四重極モーメントに基づく極めて小さな誘電率の異方性を用いるにもかかわらず、PSS−LCDは、立ち上がりおよび立ち下がり時間両方の1/1000秒より下位の極端に速い光学応答を示す。極端に速い光学応答の主要理由は、図29に示すように充分大きな複屈折を生成すための円錐形縁に沿ってのその分子チルトの小さな距離である。すべてのネマチック系LCDsと違って、PSS−LCDは、充分大きな複屈折を生成すための分子位置変化の極めて小さな距離しか必要としない。図29に示す円錐縁に沿っての極めて均一な分子チルトは、また、図23に示すような極端に速い光学応答を実現する。
(相系列および光透過状況)
各相における相系列および光透過状況は以下の通りである。
各相における相系列および光透過状況は以下の通りである。
クロスニコル下で、液晶パネルは各相でその特定光透過を示す。この状況下で、プリセット液晶分子配向の方向は図24に示すように設計される。
等方相で、液晶分子の方向は不規則であり、その結果、入射直線偏光は液晶パネルをまっすぐに通過し、入射角に対するパネル角度と無関係に図25に示すように「暗い」状態を与える。周囲温度を下げることにより、液晶は、液晶の反掌性または対掌性に応じてネマチック相またはカイラルネマチック相の状態となる。ネマチック相で、すべての液晶はそれらのn−ディレクタをプリセット配向方向に配列される。この状況において、液晶パネルは、液晶層による分極回転なしのために検光子を通過する直線偏光を可能としない。従って、これは、プリセット液晶分子配向方向が図26に示すように偏光子方向に平行である限り「暗い」状態を示す。一旦、液晶パネルが回転すると、入射直線偏光はその偏光を変え、図27に示すように光漏れを与える。
周辺温度の更なる低下は、液晶パネルに対して次の相を誘起する。結果として生じる液晶相はスメクチックA相である。スメクチックA相は、図28に示すようにその液晶分子構造中に層構造を有する。この相は、また、入射直線偏光がスメクチック液晶層をまっすぐに通過することを可能とし、「暗い」状態を与える。ネマチック相のように、スメクチックA相も、また、パネルが図29に示すように回転する場合に、いくらかの光漏れを示す。
この結果として生じる相系列は、従来型のスメクチック液晶およびPSS液晶には一般的である。しかしながら、スメクチックA相下で、周囲温度に沿っての相系列の観点から、光透過挙動は従来型のスメクチック液晶とPSS液晶間で異なる。
従来型のスメクチック液晶において、次の相は、図30に示すように、その反掌性または対掌性に応じてスメクチックC相またはカイラルスメクチックC相である。スメクチックC相において、液晶分子のn−ディレクタは層法線から傾き、「光漏れ」状態を与える。チルト角は、図32に示すようにチルト角が周辺温度の低下と共に次第に増大することを意味する、2次相変化を伴う周辺温度の関数である。従って、パネルからの漏れた光の光度は、周辺温度に応じて決まる。分子チルト角が飽和するまで、洩れた光の光度は、周辺温度の低下に伴う光度の増加の観点から図32における同じプロフィールで増大する。スメクチックC相における、この光漏れは、従来型のスメクチックC相に全く一般的である層法線からの分子チルトの結果である。
反対に、本発明において、スメクチックA相に続くPSS−LC相は層法線からの分子チルトを示さない。PSS相において、液晶のn−ディレクタは、なお、その方向を層に垂直に保持する。従って、PSS相はスメクチックC相中に示される光漏れを示さない。PSS−LCの特定分子方向のために、光透過状況は一般に図31に示すようにスメクチックA相のそれと同じである。
従来型スメクチックC相とPSS−LC相間のn−ディレクタ方向の違いがあるので、クロスニコル下における液晶パネルの回転による光度の温度依存性は、それぞれ、図23および24中に比較される。従来型スメクチックC相の温度依存性チルト角のために、パネルの消光角は図33に示すように周辺温度に応じて変わる。従来型LCDパネルと違って、PSS−LCDはその消光角の温度変化を示さない。「明るい」状態における光度は周辺温度に依存するが、しかしながら、消光角は図34に示すようにその元の角度からのいかなる変化も示さない。
それらの図は、明確に、それらの光学状況における従来型スメクチックC相液晶とPSS−LCs間の差を示す。
(スメクチックC相とPSS−LC相間の差)
従来型スメクチックC相液晶とPSS−LC相を識別する別の明白な視覚上の違いがある。
従来型スメクチックC相液晶とPSS−LC相を識別する別の明白な視覚上の違いがある。
PSS−LCD性能のために、PSS−LCDの電圧対透過率曲線(V−T曲線)は、従来型スメクチックC、またはカイラルスメクチックC相のそれとは極めて異なるものである。PSS−LCDの印加電界強度の依存性は、図35に示すようなアナログ応答V−T曲線を示す。対照的に、従来型のカイラルスメクチックC相液晶ディスプレイは、図36に示すようにそのV−T曲線におけるヒステリシスを示す。従来型カイラルスメクチックC相液晶パネルの自発分極のために、その電気光学応答は、電界強度の代わりに印加電圧の極性に応じて決まる。簡単に言えば、従来型カイラルスメクチックC相パネルの電気光学応答は、印加電界応答ではなく極性応答である。電気光学応答の観点から、PSS−LCDは、それらの電気光学応答が印加電界と液晶の誘電分極間の結合に基づくネマチック系LCDsと同じ電気光学応答を示す。
(PSS−LCDによる新階調表示方式)
本発明において、PSS−LCDを用いる態様を、本発明者による理論的な側面から説明する。
本発明において、PSS−LCDを用いる態様を、本発明者による理論的な側面から説明する。
本発明者によるPSS−LCDの電気光学応答特性を理論的に検討した結果によれば、四重極子モーメントに起因する分子応答では、液晶パネルに印加する電圧パルスの立上り、すなわちdV/dtに依存して液晶分子の配向変化が発生することが判明した。従って、分極遮蔽型スメクティック液晶表示(PSS−LCD)では原理的に、印加電圧の立上り特性:dV/dtを制御することで液晶パネルの電圧―透過率曲線(V−Tカーブ)を変化させることが可能なことを見出した。液晶パネルにおける実際の四重極子モーメントの直接検出は、極めて精密な測定が必要であり、容易ではないものの、四重極子モーメントに基づく液晶の電気光学応答については、以下の合理的な推測が可能である。
分子構造の対称性が最も低いスメクティックC相等の液晶を用いるPSS−LCDにおいては、外部電場の印加により、液晶分子が有する四重極子モーメントと電場がカップリングすることで、その分子長軸周りの回転状態に制限が掛かる。この長軸周りの回転制限により、分子の四重極子モーメントは、更に大きくなる。拡大した四重極子モーメントと外部電場は、より強くカップリングし、その結果として、分子の配向方向を変化させる速度、すなわち応答速度は加速される。この際、dV/dtが小さいと四重極子モーメントの拡大は大きくなく、応答速度も遅くなる。逆に、dV/dtが大きいと、四重極子モーメントの拡大も大きく、応答速度は極めて速くなる。以上の状況を、定性的に図示したものが図8である。
もともと、従来のLCDに比べ、充分高速に応答するPSS−LCDで、かつ印加電圧の傾きであるdV/dtを制御することで、1フレーム時間内で連続的に「オン」時間の累積透過光量制御法により、図9に概念を示すような精密階調制御が可能となる。
図9では、150μsで立ち上がるPSS−LCDを用い、60Hzのフレーム周波数での1フレームの時間である16.7ms内で、残りの16.55ms内をdV/dtを制御することで、PSS−LCDの立上りプロファイルを制御し、1フレーム内での累積透過光量を連続的に制御する方式を説明している。
すなわち、dV/dtを1,024段階に分離し、最小時間制御を約16μsとする。TFTで用いる一般的な駆動電圧である5Vを16μsで制御することは、容易に可能である。dV/dtを連続的に制御することにより、PSS−LCDの応答立上りは、dV/dtに対し一義的に変化し、1フレーム内における透過光量の積分値は、1,024段階に制御可能となる。本方式によれば、もちろん、1フレーム内で、8μsでdV/dtを制御することも充分可能であるため、2,048階調、すなわち80億色以上の色表現も可能となる。
(PSS−LCDによる新階調表示方式の拡張)
前述したように、PSS−LCDにdV/dt制御を用いることで、80億色以上の色表示が可能となるが、更に、1フレーム時間内で連続的に「オン」時間を制御するデジタル階調表示法との併用により、各色12ビット、すなわち680億色の色表示が可能となる。
前述したように、PSS−LCDにdV/dt制御を用いることで、80億色以上の色表示が可能となるが、更に、1フレーム時間内で連続的に「オン」時間を制御するデジタル階調表示法との併用により、各色12ビット、すなわち680億色の色表示が可能となる。
具体的な表示方法の一例としては、図10に示すように、図9のdV/dt制御法に加え、印加電圧を「オン」し始める時間を少なくとも2段階に分けることで可能となる。原理的には、dV/dt制御と1フレーム時間内で連続的に「オン」時間を制御するデジタル階調表示法との併用により、各色12ビットを超える色表現が可能なことは言うまでもない。
図11は、dV/dt制御法によるPSS−LCDの光学応答時間の概念図である。図11に示すように、PSS−LCDでは、dV/dtの大きさを連続的に変化させることに対応して、液晶パネルの電気光学応答プロファイルも連続的に変化し、その累積時間に呼応した1フレーム内の累積光量が連続的に変化することがわかる。
(PSS−LCDによる新階調表示方式の変形)
基本的な概念を同一にし、LCDパネルへの具体的な電圧印加方法を異なるものとして、1フレーム内で、複数の異なった電圧値を組み合わせて印加することにより、連続的な階調表示を得ることができる。すなわち、1フレームの時間に対し、充分高速に応答するLCDの場合、印加する電圧として、複数の波高値を組み合わせて印加することにより、所望の階調度数を得ることが可能となる。
基本的な概念を同一にし、LCDパネルへの具体的な電圧印加方法を異なるものとして、1フレーム内で、複数の異なった電圧値を組み合わせて印加することにより、連続的な階調表示を得ることができる。すなわち、1フレームの時間に対し、充分高速に応答するLCDの場合、印加する電圧として、複数の波高値を組み合わせて印加することにより、所望の階調度数を得ることが可能となる。
以上の階調表示方式の基本的概念は、設定した1フレーム期間に比べ、充分高速応答するLCDにおいては、1フレーム時間内で連続的に「オン」時間を制御するデジタル階調表示法を前提として、印加する電圧の時間増加率を連続的に変化させる、あるいは印加する電圧の波高値を変化、また複数の波高値を適宜組み合わせることにより、各色10ビット以上の多色表示を可能とすることである。従って、以上の方式を適用するために充分な速度の応答時間、および、印加電圧の時間増加率に応じた光学応答プロファイルを有するLCDであれば、PSS−LCDに限らずに、本表示方法が可能であることは言うまでもない。
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
Examples
実施例1
透明電極ITOの面積が1cm2の大きさ25mm×25mm,厚さ0.7mmのガラス基板を用い、PSS−LCDパネルを作成した。このパネルに、印加電圧5V、パルス幅1msの電圧を印加した。dV/dtは、5V/msから20V/msの範囲で変化させた。
実施例1
透明電極ITOの面積が1cm2の大きさ25mm×25mm,厚さ0.7mmのガラス基板を用い、PSS−LCDパネルを作成した。このパネルに、印加電圧5V、パルス幅1msの電圧を印加した。dV/dtは、5V/msから20V/msの範囲で変化させた。
各dV/dtに応じたPSS−LCDパネルの透過光量の時間依存性(応答プロファイル)を測定した結果、図12から図15に示すように、dV/dtに応じて応答プロファイルが連続的に変化することを確認した。また、このパネルにおける、dV/dt制御時の応答時間は、図12から図15の結果をまとめた結果である図16から、累積透過光量の差異として27%から50%まで連続的に変化でき、各色10ビットの色表示を実現するのに充分であることも確認できた。
以下は、図12〜15の測定において使用した測定条件等のリストである。
<表1>:図12の測定条件等
24-Jun-04
14:17:58
A: Average(1)
0.5 ms
5.0 V
0mV
77 swps
B: Average(2)
0.5 ms
1.00 V
0mV
77 swps
TRIGGER SETUP
Edge SMART
trigger on
1 2 Ext Ext10
Line
coupling 1
DC AC LFREJ
HFREJ HF
slope 1
Pos Neg
Window
holdoff
30.0 ms
Off Time Evts
24-Jun-04
14:17:58
A: Average(1)
0.5 ms
5.0 V
0mV
77 swps
B: Average(2)
0.5 ms
1.00 V
0mV
77 swps
TRIGGER SETUP
Edge SMART
trigger on
1 2 Ext Ext10
Line
coupling 1
DC AC LFREJ
HFREJ HF
slope 1
Pos Neg
Window
holdoff
30.0 ms
Off Time Evts
<表2>:図13の測定条件等
24-Jun-04
14:18:44
A: Average(1)
0.5 ms
5.0 V
0mV
73 swps
B: Average(2)
0.5 ms
1.00 V
0mV
73 swps
TRIGGER SETUP
Edge SMART
trigger on
1 2 Ext Ext10
Line
coupling 1
DC AC LFREJ
HFREJ HF
slope 1
Pos Neg
Window
holdoff
30.0 ms
Off Time Evts
24-Jun-04
14:18:44
A: Average(1)
0.5 ms
5.0 V
0mV
73 swps
B: Average(2)
0.5 ms
1.00 V
0mV
73 swps
TRIGGER SETUP
Edge SMART
trigger on
1 2 Ext Ext10
Line
coupling 1
DC AC LFREJ
HFREJ HF
slope 1
Pos Neg
Window
holdoff
30.0 ms
Off Time Evts
<表3>:図14の測定条件等
24-Jun-04
14:19:27
A: Average(1)
0.5 ms
5.0 V
0mV
74 swps
B: Average(2)
0.5 ms
1.00 V
0mV
74 swps
TRIGGER SETUP
Edge SMART
trigger on
1 2 Ext Ext10
Line
coupling 1
DC AC LFREJ
HFREJ HF
slope 1
Pos Neg
Window
holdoff
30.0 ms
Off Time Evts
24-Jun-04
14:19:27
A: Average(1)
0.5 ms
5.0 V
0mV
74 swps
B: Average(2)
0.5 ms
1.00 V
0mV
74 swps
TRIGGER SETUP
Edge SMART
trigger on
1 2 Ext Ext10
Line
coupling 1
DC AC LFREJ
HFREJ HF
slope 1
Pos Neg
Window
holdoff
30.0 ms
Off Time Evts
<表4>:図15の測定条件等
24-Jun-04
14:20:24
A: Average(1)
0.5 ms
5.0 V
0mV
120 swps
B: Average(2)
0.5 ms
1.00 V
0mV
120 swps
TRIGGER SETUP
Edge SMART
trigger on
1 2 Ext Ext10
Line
coupling 1
DC AC LFREJ
HFREJ HF
slope 1
Pos Neg
Window
holdoff
30.0 ms
Off Time Evts
24-Jun-04
14:20:24
A: Average(1)
0.5 ms
5.0 V
0mV
120 swps
B: Average(2)
0.5 ms
1.00 V
0mV
120 swps
TRIGGER SETUP
Edge SMART
trigger on
1 2 Ext Ext10
Line
coupling 1
DC AC LFREJ
HFREJ HF
slope 1
Pos Neg
Window
holdoff
30.0 ms
Off Time Evts
実施例2
透明電極ITOの面積が1cm2の大きさ25mm×25mm,厚さ0.7mmのガラス基板を用い、PSS−LCDパネルを作成した。このパネルに、図17、18に示すような、印加電圧2.5V、パルス幅0.5ms、5V、0.5msの電圧を組み合わせて印加した。
透明電極ITOの面積が1cm2の大きさ25mm×25mm,厚さ0.7mmのガラス基板を用い、PSS−LCDパネルを作成した。このパネルに、図17、18に示すような、印加電圧2.5V、パルス幅0.5ms、5V、0.5msの電圧を組み合わせて印加した。
各組み合わせ電圧に応じたPSS−LCDパネルの透過光量の時間依存性(応答プロファイル)を測定した結果、図17、18に示すように、電圧波高値の組み合わせに応じて応答プロファイルが連続的に変化することを確認した。また、このパネルにおける、印加電圧波高値の組み合わせに応じたLCDの応答時間は、累積透過光量の差異として各色10ビットの色表示を実現するのに充分であることも確認できた。
このように記載されてきた本発明から、本発明が多くのやり方で変えることが可能であることは明らかである。こうした変形は、本発明の精神および範囲からの逸脱とは見なされるべきではなく、当業者には明白であろう全てのこのような修正は、以下のクレームの範囲内に包含されるように意図されている。
Claims (6)
- 一対の基板と、該一対の基板間に配置された液晶材料とを少なくとも含む液晶素子を駆動する方法であって、
該液晶素子に印加する電圧パルスの時間に対する電圧増加率を変化させることにより、液晶素子を透過する光量を連続的に制御し、階調表示を行うことを特徴とする駆動方法。 - 前記液晶素子における1フレーム内の液晶素子の最大光量を一定とし、該液晶素子に印加する電圧パルスの時間に対する電圧増加率を変化させることにより、液晶素子の累積光量を連続的に制御し、階調表示を行う請求項1に記載の駆動方法。
- 前記液晶素子における印加電圧パルスの時間に対する電圧波高値を変化させることにより、液晶素子の光量を連続的に制御し、階調表示を行う請求項1に記載の駆動方法。
- 前記液晶素子における印加電圧パルスの時間に対する電圧波高値の組み合わせを変化させることにより、液晶素子の光量を連続的に制御し、階調表示を行う請求項1に記載の駆動方法。
- 前記液晶素子における印加電圧パルスの時間に対する電圧増加率および、電圧波高値の組み合わせの双方を変化させることにより、液晶素子の光量を連続的に制御し、階調表示を行う請求項1に記載の駆動方法。
- 前記液晶素子が、PSS−LCDである請求項1〜5のいずれかに記載の駆動方法。
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