(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自発分極を有する液晶材料を封入した構成を有し、前記自発分極を有する液晶材料に電圧を加えることにより光の透過量を制御するハーフＶ字スイッチングモードの印加電圧−透過率特性を有する強誘電性液晶素子において、
前記液晶材料の状態を制御する信号の、前記アクティブ素子がオンのときに前記画素に印加される書込みのパルスが印加されるとき以外の電位は液晶における０電位に対して正または負のいずれかに２Ｖ以上の大きさでオフセットし、前記オフセットは当該液晶材料を黒表示の状態にする極性と一致していることを特徴とする液晶素子。
【請求項２】
前記アクティブ素子との間に前記液晶材料を挟んで対向する他方の電極に、前記オフセット電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の液晶素子。
【請求項３】
請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の液晶素子に、時分割で複数の単色光を順次発光制御可能なバックライトと組み合わせることにより、多色表示を行うようにしたことを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子に関し、特に、表示装置などに有効な強誘電性液晶または反強誘電性液晶を用いた液晶素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶の研究開発が急速に進んでおり、表示装置、光変調素子、プリンタ用光シャッタ等さまざまな分野への応用が進められている。特に、表示装置の分野においては、その省スペース、軽量、低消費電力などの特徴から、携帯端末はもとより、デスクトップパソコンや家庭用テレビなどさまざまな製品が開発、商品化されている。
【０００３】
現在、液晶表示装置としては、主にＳＴＮ液晶の単純マトリクス型やＴＮ液晶のアクティブマトリクス型（ＴＮ−ＡＭ型）のものが広く使われている。単純マトリクス型は製造コストは比較的安価であるが、クロストークが発生しやすく、また応答速度が比較的遅いため動画の表示には適さないと言う問題がある。
【０００４】
一方、ＴＮ−ＡＭ型は、クロストークが発生せず単純マトリクス型に比べて表示品質は高いが、液晶材料がＴＮ（ツイステッドネマティック）型であるため、書込み速度は単純マトリクス型よりは速いものの、限界があり、高速の動画などには追随できなくなる。さらに、ＴＮ／ＳＴＮに共通して、視野角が狭いという問題がある。
【０００５】
ここで、強誘電性液晶に代表される自発分極を有する液晶材料は、応答速度がＴＮ液晶に比べて２桁程度速く（数百〜数μｓ）上に述べたＴＮ液晶の問題点を解決できる材料である。
【０００６】
また、強誘電性液晶は、液晶分子が印加電圧の有無に関わらず常に基板に対して平行になり、視角方向による屈折率の変化がＴＮ型やＳＴＮ型に比べて格段に小さいため、広い視野角が得られる特徴があり、この点でも有利である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、強誘電性液晶は、書込み時のメモリ性不良により、特に、黒状態を継続するために数表示フレームにわたって印加信号パルスの波高値が０である場合には、わずかに透過率が上昇し、光の漏れが発生する結果、コントラストが低下すると言う問題があり、表示品質向上のために改善が求められていた。
【０００８】
図１には、強誘電性液晶をＴＦＴアクティブマトリクスと組み合わせた場合の１つの画素へのデータ書き込みを行うための従来の駆動波形（ａ）〜（ｃ）と、その波形に対応した液晶層における電位（ｄ１）〜（ｄ６）の模式図を示す。
【０００９】
図１（ａ）はＴＦＴのスイッチングを行うためのゲートパルスであり、各列方向のＴＦＴのゲート電極が並列に接続されたゲートバスラインを線順次でスキャンする。（ｂ）はＴＦＴのＯＮ／ＯＦＦに同期して画素電極の電位を制御するデータ信号である。（ｂ）では行方向の６画素分のデータが模式的に示されているが、ＴＦＴのスイッチング機能により、（ａ）のゲートパルスと同期したデータ（３３および３４）は第１の画素のみに印加される。（ｄ１）は画素１の液晶の電位の時間変化を示している。同様に（ｄ２）〜（ｄ６）は、それぞれ画素２〜６の液晶の電位を示している。また、（ｃ）は、アクティブマトリクス基板に対向する、他方の基板に形成された共通基板の電位であり０Ｖに固定されている。（ｂ）においては、パルス３３で液晶状態を白に、パルス３４で黒に書き換えており、この白／黒の各一連の書き込み周期を「１サブフレーム周期」、白と黒を合わせた２サブフレームを「１フレーム周期」としている。ここで、データパルスの波高値は、白書き込みのサブフレームと、黒書き込みのサブフレームで、対称とするのが、パルス生成回路の信頼性上望ましい。従って、白のサブフレームの期間、黒状態に保ちたい画素では、白／黒の両サブフレームを通じて、０Ｖに保持される。
【００１０】
図２は、従来の強誘電性液晶素子の印加電圧−透過率特性を示す。この液晶の場合、印加電圧が０Ｖでは、わずかに光を透過しており、透過率を”０”に保つには、−２Ｖを印加しなくてはならないことがわかる。白表示のサブフレームでは、パルスの最小値は０Ｖで負の側には設定できないので、この場合、黒表示のフレームでは光が漏れて完全な黒にはならない。これは、コントラストの低下を招く事を意味する。
【００１１】
本発明の目的は、強誘電性液晶に代表される自発分極を有する液晶を用いたパネルにおいて、書き込みの際のメモリ性不良によるわずかな光の透過に起因するコントラスト低下を防止することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ハーフＶ字スイッチングモードの印加電圧−透過率特性を有する強誘電性液晶に電圧を印加する１組の電極の一方の通常の電位を液晶が黒表示となる極性方向に２Ｖ以上の大きさでオフセットさせることにより、書き込みの際のメモリ性不良を補償して、透過率が０となるレベルを維持することでコントラストの向上を図ることを目的としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図３は本発明に基づく駆動方式を実現するブロック図およびＴＦＴアクティブマトリクスの１画素分の等価回路の一例を示す。図において１は液晶パネル、２はアクティブマトリクスを形成した基板、３は共通電極を形成した他方の基板、６はオフセットの電位を制御する共通電極電圧発生回路である。２０は制御信号発生回路、２１はスキャン（走査）ドライバ、２２はデータドライバ、２３は液晶の０電位を規定するための基準電圧を発生させる基準電圧発生回路である。
【００１４】
この装置における信号の流れを図３を用いて説明する。装置に入力された画像データは、画像メモリに書き込まれる。制御信号発生回路２０では、このデータを各画素に対応した画素データに変換して、データドライバ２２に送り、行ごとのシリアルデータに変換してデータバスラインに書き込みを行う。同時に、制御信号発生回路２０からは、同期信号がスキャンドライバ２１に送られ、そこで各列に接続されたＴＦＴのゲートをオンするためのスキャンパルスが生成され、各ゲートバスラインに線順次で書き込まれる。これらの動作により、各画素電極には、それぞれのＴＦＴがオンしたタイミングに一致したデータパルスの電圧が印加される。
【００１５】
図４（ａ）〜（ｃ）には、本実施例に用いるスキャン／データ／補正の各信号波形の一例を、（ｄ１）〜（ｄ６）にはこの場合の画素１〜６の液晶の電位を示す。
【００１６】
図４（ｃ）のように、共通電極３側の電圧を黒表示が安定化する方向（本実施例の場合＋方向）に、制御回路６により、液晶パネルの基準電位からΔＶofs だけずらして印加し、画素電極１３側にはＴＦＴ１１のスイッチングを介して、図４（ｂ）に示すように駆動データ信号を同一フレームでは白書き込みのサブフレームと黒書き込みのサブフレームで、各画素に対応するデータの絶対値は同じで極性が逆になるように入力される。
【００１７】
実施例１
図５には第一の実施例のパネルの要部断面図を示す。図において、２はＴＦＴアクティブマトリクスを形成した一方のガラス基板、３はカラーフィルタおよび透明な共通電極を積層したカラーフィルタ基板、１１はＴＦＴ、１２は液晶層、１３は表示電極である。
【００１８】
ＴＦＴアクティブマトリクス（ピッチ0.1025×0.3075mm，画素数800 ×3 ×600,対角12.1インチ) を形成したガラス基板２、及び表面に前記画素電極ピッチに合わせて赤／青／緑に塗り分けたカラーフィルタを形成し、その上から透明な共通電極を蒸着により形成したガラス基板３を、それぞれ洗浄した後、それぞれの表面に配向膜としてポリイミドを塗布／焼成し、約２０ｎｍの膜厚にした。この膜の表面を、レーヨン布で一定方向に擦ることによりラビング処理した。この両基板を、平均粒径１．６μｍのシリカ製スペーサ散布によりギャップを保持した状態で貼り合わせ、ナフタレン系液晶を主成分とする強誘電性液晶材料（例えばA.Mochizuki,et.al.:Ferroelectrics,133,353(1991) 等) を注入した。
【００１９】
上記のパネルをクロスニコル状態の２枚の偏光フィルム（日東電工製：ＮＰＦ−ＥＧ１２２５ＤＵ）ではさみ、強誘電性液晶分子長軸方向が一方に傾いた時に暗状態になるようにして液晶パネル１を作成した。
【００２０】
この液晶パネルに、図４（ｃ）のように、共通電極３側の電圧を黒表示が安定化する方向（本実施例の場合＋方向）に、制御回路６により、液晶パネルの基準電位から約１Ｖずらして印加し、画素電極１３側にはＴＦＴ１１のスイッチングを介して、図４（ｂ）に示すように駆動データ信号を同一フレームでは白書き込みのサブフレームと黒書き込みのサブフレームで、各画素に対応するデータの絶対値は同じで極性が逆になるように入力した。本実施例でのパルス電圧−透過率特性を図６に示す。共通電位のオフセットの効果により、０Ｖで透過率が０となっている事が判る。この時の各画素の液晶の電位は図４（ｄ１）〜（ｄ６）のようになる。画素５では、黒表示を行っているが、パルスの値は０であるが、実効的な液晶の電位は透過率０となるレベルになっている。また、実測したコントラスト比は、２２０：１（黒表示時：０Ｖ，白表示時：７Ｖ）と、十分な値が得られた。  さらに、共通電極の電圧オフセット値を０〜５Ｖの間で変化させて黒表示（データ電圧：０Ｖ）と白表示（データ電圧：７Ｖ）における透過率からコントラスト比を求め、オフセット電圧に対するコントラスト比の依存性を調べた結果を図７に示す。コントラスト比の目安を１００：１とすると、オフセット値が０．５〜２Ｖの範囲で高いコントラスト比が得られていることが判る。
【００２１】
なお、本実施例のパネルを、従来のように、共通電極の電位を０として駆動した場合、コントラスト比は６０：１であった。
【００２２】
実施例２
図８には以下の条件にて作製した第２の実施例の液晶パネルの要部断面図の一例を示す。図において、４は透明共通電極を形成した共通側基板、５は液晶パネルである。
【００２３】
ＴＦＴアクティブマトリクス（ピッチ0.3075×0.3075mm，画素数800 ×600,対角12.1インチ) を形成したガラス基板２、および表面に透明な共通電極を蒸着により形成したガラス基板４を、それぞれ洗浄した後、それぞれの表面に配向膜としてポリイミドを塗布／焼成し、約２０ｎｍの膜厚にした。この膜の表面をレーヨン布で一定方向に擦ることによってラビング処理した。この両基板を、平均粒径１．６μｍのシリカ製スペーサ散布によりギャップを保持した状態で貼り合わせ、ナフタレン系液晶を主成分とする強誘電性液晶材料（例えばA.Mochizuki,et.al.:Ferroelectrics,133,353(1991) 等) を注入した。
【００２４】
上記のパネルをクロスニコル状態の２枚の偏光フィルム（日東電工製：ＮＰＦ−ＥＧ１２２５ＤＵ）ではさみ、強誘電性液晶分子長軸方向が一方に傾いた時に暗状態になるようにして、液晶パネル５を作成した。
【００２５】
さらに、本図には示さないが、赤、青、緑の３色の発光を時分割で制御できるＬＥＤバックライト７に、制御信号発生回路２０からの同期信号に従ってこのパネルの走査に同期して各色の発光を制御する制御回路２４を組み合わせて、このパネルの背面に設置した。
【００２６】
図９には本実施例のブロック図を示す。図において、７は赤／青／緑の各単色光を時分割で発光できるバックライト、２４はバックライト７の発光を液晶パネルの駆動に同期させて制御する制御回路である。
【００２７】
図４（ｃ）のように、共通電極４側の電圧を黒表示が安定化する方向（本実施例の場合＋方向）に、液晶パネルの基準電位から約１Ｖずらして印加し、画素電極１３側にはＴＦＴ１１のスイッチングを介して、図４（ｂ）に示すような電界の方向が反対でピークの絶対値が等しい駆動データ信号をフレーム周波数１８０Ｈｚで交互に入力した。本実施例では、各表示色ごとに１つのフレームを割り当てており、３フレームで１セットのフルカラー表示を行っている。各フレームに同期させてバックライトの発光色を切り換える事で、鮮明なカラー動画表示を行う事ができた。本実施例では、実施例１の場合に比べて画素の総数が１／３となり、ピッチが粗くなるため、開口部分が大きくなり、さらに、カラーフィルタによる光の減衰がないため、画面がより明るくなると言う特徴がある。また、このようなフィールドシーケンシャル方式では、３色カラーフィルタ方式の３倍以上のフレーム周波数で駆動する必要があり、従来のＴＮ系の液晶材料では追随が困難だったが、応答速度の速い強誘電性液晶では十分に追随ができることが確認できた。
【００２８】
実施例３
実施例１に使用したパネルに図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように共通電極３は０Ｖに固定し、（ｂ）のようにデータ信号を全体にマイナス側に１Ｖシフトさせたような駆動を行った。この場合でも液晶の両端の電圧は図１０（ｄ）のように、実施例１（図４（ｄ１）〜（ｄ６））と同じになり同等の効果が得られた。本実施例における駆動法は、共通電極を持たない単純マトリクス型のパネルにも有効である。
【００２９】
以上の実施例では、ＴＦＴ型アクティブマトリクスと強誘電性液晶を組み合わせた表示装置の場合を挙げているが、構造の簡単な単純マトリクス方式のパネルに本発明による駆動法を適用しても有効であり、また、表示装置以外の光変調素子や光シャッタを応用した機器などにも適用できることは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳述した如く、本発明によれば従来、強誘電性液晶パネルの書き込み時のメモリ性不良により発生していた、書き込み後の透過率の経時的な上昇が抑えられるため、コントラスト比が改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の駆動法による駆動波形の１例である。
【図２】従来の強誘電性液晶素子の印加電圧−透過率特性を示す。
【図３】本発明の第１実施例のブロック図である。
【図４】本発明の第１および第２実施例の駆動波形を示す。
【図５】本発明の第１実施例の液晶パネルの要部断面図である。
【図６】本発明を適用した強誘電性液晶素子の印加電圧−透過率特性を示す。
【図７】コントラスト比の共通電極のオフセット値に対する依存性を示す。
【図８】本発明の第２実施例の液晶パネルの要部断面図である。
【図９】本発明の第２実施例のブロック図である。
【図１０】本発明の第３実施例の駆動波形を示す。
【符号の説明】
１  液晶パネル
２  ＴＦＴアクティブマトリクスを配置した基板
３  カラーフィルタと共通電極を配置した基板
６  共通電極電圧の制御回路
７  バックライト
１１  画素駆動用のＴＦＴ
１２  液晶層
１３  表示電極
２０  制御信号発生回路
２１  スキャンドライバ
２２  データドライバ
２３  基準電圧発生回路
２４  バックライトの制御回路
３１，３２  ゲートパルス
３３  白表示データ
３４  黒表示のデータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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