DE60019241T2

DE60019241T2 - Steuerungsverfahren für Flüssigkristallanzeigeeinrichtung und Flüssigkristallanzeigeeinrichtung

Info

Publication number: DE60019241T2
Application number: DE60019241T
Authority: DE
Inventors: Harry Garth Cowley Walton; Michael John Botley Towler
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2020-12-07
Also published as: KR100372986B1; KR20010062202A; JP2001209029A; US20010005192A1; GB2357157A; US6621476B2; EP1107223B1; GB9928761D0; DE60019241D1; EP1107223A2; EP1107223A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Flüssigkristalldisplays, und insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Ansteuern eines in einem Oberflächenmodus arbeitenden LCD wie einer Vorrichtung mit pi-Zelle. Sie betrifft auch ein Flüssigkristalldisplay.
Die pi-Zelle (auch als "Vorrichtung mit optisch kompensierter Doppelbrechung" oder OCB bekannt) ist in Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1984, vol. 113, S. 329 – 339 und im US-Patent 4 635 051 beschrieben. Die Struktur einer pi-Zelle ist in der 1(a) schematisch dargestellt. Die Vorrichtung verfügt über transparente Substrate 2, 2', auf denen Ausrichtungsschichten 3, 3' angeordnet sind. Zwischen den Substraten 2 – 2' ist eine Schicht eines nematischen Flüssigkristalls 1 angeordnet.
Die Ausrichtungsschichten 3, 3' erzeugen in der Flüssigkristallschicht 1 an deren Grenzen zu den Ausrichtungsschichten 3, 3' eine parallele Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle. Dies kann unter Verwendung parallel geriebener Polyamid-Ausrichtungsschichten bewerkstelligt werden. Die durch die Ausrichtungsschichten induzierte Vorverkippung liegt im Allgemeinen unter 45°, und sie liegt typischerweise im Bereich von 2° bis 10°.
Auf den Substraten 2, 2' sind Adressierelektroden (nicht dargestellt) vorhanden, so dass ein elektrisches Feld an ausgewählte Gebiete der Flüssigkristallschicht angelegt werden kann.
Die 1(a) zeigt die Vorrichtung, wenn kein Feld an die Flüssigkristallschicht angelegt ist. Der Flüssigkristall befindet sich in einem H-Zustand (homogener Zustand, auch als Splay(Aufspreizungs)zustand bekannt), in dem die Flüssigkristallmoleküle im Zentrum der Flüssigkristallschicht im Wesentlichen parallel zu den Substraten liegen. Die kurzen Linien in der Figur repräsentieren den Direktor der Flüssigkristallmoleküle.
Wenn ein elektrisches Feld über einem Schwellenwert an die Flüssigkristall schicht angelegt wird, nehmen die Flüssigkristallmoleküle einen V-Zustand (oder Biegezustand) ein. In diesem Zustand verlaufen die Flüssigkristallmoleküle im Zentrum der Flüssigkristallschicht im Wesentlichen orthogonal zu den Substraten. Die 1(b) zeigt einen ersten V-Zustand, wie er bei einer niedrigen an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung auftritt, und die 1(c) zeigt einen zweiten V-Zustand, wie er auftritt, wenn eine höhere Spannung an die Flüssigkristallschicht angelegt wird. die pi-Zelle wird dadurch betrieben, dass die Flüssigkristallschicht zwischen dem ersten V-Zustand bei niedriger Spannung und dem zweiten V-Zustand bei höherer Spannung geschaltet wird.
Wie es durch Vergleichen der 1(b) und 1(c) erkennbar ist, sorgt ein Modulieren des an die Flüssigkristallschicht angelegten elektrischen Felds dafür, dass der Direktor von dicht an den Substraten liegenden Flüssigkristallmolekülen umorientiert wird, während die Direktoren der Flüssigkristallmoleküle im zentralen Bereich (in der Dickenrichtung) der Flüssigkristallschicht im Wesentlichen orthogonal zur Ebene der Substrate verbleiben. Aus diesem Grund ist die pi-Zelle als in einem Oberflächenmodus arbeitende Vorrichtung bekannt, und sie arbeitet mit einem im gebogenen Zustand vorliegenden Direktor. Im Oberflächenmodus arbeitende LCDs sind im Sov. J. Quant. Electronics, 1973, Vol. 3, S. 78 – 79 offenbart.
Im Oberflächenmodus arbeitende Vorrichtungen zeigen den Vorteil, dass sie dazu tendieren, eine schnellere elektromagnetische Reaktion als die meisten anderen nematischen Flüssigkristallvorrichtungen zu zeigen. Da Flüssigkristalle über optisch anisotrope Eigenschaften verfügen, sorgt das Platzieren einer pi-Zelle zwischen zwei Polarisatoren und das Variieren der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung für eine Variation der optischen Transmission, was die Herstellung einer Lichtmodulationsvorrichtung ermöglicht. Z.B. kann eine pi-Zelle zwischen linearen Polarisatoren platziert werden, deren Transmissionsachsen einander schneiden und unter 45° zur optischen Achse der Flüssigkristallschicht verlaufen. Alternativ kann eine pi-Zelle so aufgebaut sein, dass sie unter Verwendung nur eines einzelnen Polarisators in einem Reflexionsmodus arbeitet.
Ein bekanntes Problem besteht darin, dass dann, wenn das an der Flüssigkristallschicht anliegende elektrische Feld bis unter die Schwellenspannung für den Übergang vom H-Zustand in den V-Zustand verringert wird, die Direktoren der Flüssigkristallmoleküle den H-Zustand, oder den Splayzustand, wie er in der 1(a) dargestellt ist, einnehmen. Der Übergang von diesem Splayzustand bei 0 V zum erforderlichen Betriebszustand ist langsam, und wenn ein eine pi-Zelle enthaltendes Display eingeschaltet wird, besteht eine Verzögerung, bevor sich der benötigte Betriebszustand ausbildet.
Ein Versuch, dieses Problem zu überwinden, das häufig als "Keimbildungsproblem" bezeichnet wird, ist im US-Patent Nr. 4 566 758 beschrieben. Dieses Patent berücksichtigt das Keimbildungsproblem durch Hinzufügen eines chiralen Materials zum Flüssigkristall, damit der Flüssigkristalldirektor in einem Zustand ohne angelegte Spannung einen Verdrillungszustand von 180° einnimmt. Dies ist in der 2 dargestellt. Dagegen weist die in den 1(a) bis 1(c) dargestellte Vorrichtung einen Verdrillungswinkel von 0° auf.
Wenn eine ausreichend hohe Spannung (typischerweise ungefähr 3 V oder höher) an eine chiral dotierte pi-Zelle mit einem Verdrillungswinkel von 180° angelegt wird, zeigt sie im Wesentlichen denselben Direktorbiegezustand wie eine undotierte pi-Zelle mit einer Verdrillung von 0°. Tatsächlich erreicht eine pi-Zelle mit einer Verdrillung von 180° bei einer endlichen Spannung keinen tatsächlichen Biegezustand (d.h. einen Zustand, bei dem der Direktor im zentralen Bereich der Flüssigkristallschicht orthogonal zu den Substraten verläuft). Jedoch ist der Flüssigkristallzustand einer pi-Zelle mit einer Verdrillung von 180° bei hohen angelegten Spannung eine gute Annäherung an einen Biegezustand. Demgegenüber unterscheiden sich bei niedrigen Spannungen (typischerweise ungefähr 3 V oder darunter) eine chiral dotierte pi-Zelle und eine undotierte pi-Zelle im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Betriebseigenschaften.
Obwohl eine chiral dotierte pi-Zelle mit einem Verdrillungszustand von 180° vom im US-Patent Nr. 4 566 758 offenbarten Typ das Keimbildungsproblem überwindet, zeigt sie den Nachteil, dass die an sie angelegte Spannung über einem bestimmten Pegel (typischerweise ungefähr 3 V oder höher) verbleiben muss, um zu gewährleisten, dass die Vorrichtung in einem Oberflächenmodus arbeitet. Wenn z.B. die an eine derartige Vorrichtung angelegte Spannung zwischen 0 V und 10 V umgeschaltet würde, würde der Direktor der Flüssigkristallmoleküle im Zentrum der Flüssigkristallschicht zwischen 0° (d.h. parallel zu den Substraten) und im Wesentlichen 90° (d.h. im Wesentlichen orthogonal zur Ebene der Substrate) umschalten. Die Vorrichtung würde dann deutlich nicht als in einem Oberflächenmodus schaltende Vorrichtung arbeiten, und so würde nicht die hohe Betriebsgeschwindigkeit erzielt werden, wie sie für eine im Oberflächenmodus arbeitende Vorrichtung erwartet wird.
Damit die im US-Patent Nr. 4 566 758 offenbarte pi-Zelle als im Oberflächenmodus arbeitende Vorrichtung arbeitet und demgemäß die kurze Schaltzeit aufrecht erhält, wie sie einer derartigen Vorrichtung zugeordnet ist, ist es erforderlich, dass die an die pi-Zelle angelegte Spannung nicht unter ungefähr 3 V fällt. Dieses Erfordernis bedeutet, dass nicht der volle Bereich des optischen Ansprechverhaltens eines Flüssigkristalls verfügbar ist. Insbesondere ist es möglich, dass helle Bereiche der optischen Ansprechkurve nicht verfügbar sind.
Die 3 ist eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der optischen Transmission einer chiral dotierten pi-Zelle mit einer Verdrillung von 180° im Gleichgewichtszustand über der an die Zelle angelegten Spannung. Kurven dieser Art werden routinemäßig dazu verwendet, die Spannungen zu bestimmen, die an eine Flüssigkristallschicht in einem Display angelegt werden sollten. Die Einfügungen in der 3 zeigen schematisch die Konfiguration der Direktoren der Flüssigkristallmoleküle für verschiedene angelegte Spannungen.
Wenn eine Spannung D an die Flüssigkristallschicht angelegt wird, zeigt das Display niedrige Transmission, und der Direktor der Flüssigkristallmoleküle im Zentrum der Flüssigkristallschicht verläuft vorwiegend orthogonal zu den Zellensubstraten. D.h., dass der Flüssigkristallzustand eine enge Annäherung an einen Biegezustand darstellt. Wenn dagegen eine Spannung nahe an null (Spannung A) an die Flüssigkristallschicht angelegt wird, nimmt sie einen Zustand mit einer Verdrillung von 180° ein, und der Direktor der Moleküle im Zentrum der Flüssigkristallschicht verläuft parallel zur Ebene der Substrate. Bei dazwischenliegenden Spannungen erfährt der Flüssigkristall eine komplexe Variation seiner optischen Transmission, wenn sich die Moleküle selbst unter der Einwirkung der angelegten Spannung umorientieren.
Es ist erkennbar, dass die Transmission einer pi-Zelle nur langsam gegen null tendiert, wenn die angelegte Spannung zunimmt. Daher kann es wünschenswert sein, in eine pi-Zelle eine Einrichtung mit fester Nacheilung einzubauen, damit die Transmission null bei einer endlichen angelegten Spannung erhalten wird.
Bei Betrachtung gerade der Transmission der Flüssigkristallvorrichtung kann es am günstigsten erscheinen, diese zwischen einer Spannung wie D, bei der sie niedrige Transmission zeigt, und einer Spannung wie B, bei der sie eine hohe, dicht bei 100 % liegende Transmission aufweist, anzusteuern, um den Kontrast zu maximieren. Wenn jedoch die Spannung B an die Flüssigkristallschicht gelegt wird, befindet sich der Ausrichtungszustand der Flüssigkristallmoleküle nicht dicht an einem Biegezustand, da der Direktor der Flüssigkristallmoleküle im Zentrum der Flüssigkristallschicht deutlich von der Richtung orthogonal zu den Substraten der Vorrichtung abweicht. So würde, wenn die Vorrichtung durch Schalten der angelegten Spannung zwischen B und D betrieben würde, dieselbe nicht als in einem Oberflächenmodus arbeitende Vorrichtung arbeiten, und es würde nicht das schnelle Schalten einer solchen erzielt werden. Um die Vorrichtung im Oberflächenmodus zu betreiben, ist es erforderlich, die Spannung zwischen C und D zu variieren, um zu gewährleisten, dass der zentrale Direktor im Wesentlichen orthogonal zu den Substraten verbleibt. Obwohl durch Betreiben der Vorrichtung auf diese Weise ein schnelles Schalten erzielt wird, besteht der Nachteil, dass die maximale Transmission des Displays, wie sie erzielbar ist, deutlich unter 100 % liegt, was die Helligkeit und den Kontrast des Displays verringert.
EP-A-0 149 899 offenbart ein Verfahren zum Ansteuern eines ferroelektrischen Flüssigkristalldisplays. An die Flüssigkristallschicht wird eine Gleichspannung angelegt, um sie mit einer ersten Transmission zu versehen. Die Transmission der ferroelektrischen Flüssigkristallschicht wird dann durch Anlegen einer Wechselspannung an sie geändert. Die Wechselspannung hat eine andere Stärke als die zuvor angelegte Gleichspannung.
U5-A-4 773 716 offenbart ein Verfahren zum Ansteuern eines ferroelektrischen Flüssigkristalldisplays. Es werden zwei oder mehr Impulse hoher Spannung angelegt, um die ferroelektrische Flüssigkristallschicht in einen speziellen Zustand zu versetzen, und wenn dies einmal erfolgt ist, werden Impulse mit niedrigerer Spannung angelegt, um den ferroelektrischen Flüssigkristall für den Rest eines Rahmens im ausgewählten Zustand zu halten.
US-A-4 836 654 offenbart ein Ansteuerungsschema mit zwei Frequenzen für den Kopf eines optischen Druckers. Die Stärke der angelegten Spannung wird zum Zeitpunkt einer Frequenzänderung geändert. Jedoch können Ansteuerungsschemas mit zwei Frequenzen bei einem Aktivmatrix-Flüssigkristalldisplay mit Dünnschichttransistoren als Schaltelementen nicht leicht realisiert werden.
H. Nakamura et al. offenbaren in "A novel wide-viewing angle motion picture LCD", SID Digest, S. 143 – 146 (1998) ein Verfahren zum Ansteuern eines Flüssigkristalldisplays, bei dem zunächst eine Austastspannung an ein Pixel angelegt wird, woraufhin eine gewünschten Bilddaten entsprechende Signal spannung angelegt wird. Die Flüssigkristallmoleküle können die Zustände wechseln, und dann wird ein Bild angezeigt. Wie es der Titel dieses Artikels andeutet, ist das Verfahren zur Verwendung beim Anzeigen bewegter Bilder vorgesehen, und mit ihm soll eine bessere Bildqualität erzielt werden.
Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ist ein Einzelfrequenzverfahren zum Ansteuern eines in einem Oberflächemodus arbeitenden Flüssigkristalldisplays mit einer Flüssigkristallschicht mit einem von null verschiedenen Verdrillungswinkel geschaffen, das den folgenden Schritt aufweist: Anlegen einer ersten Spannung mit einer ersten Größe an die Flüssigkristallschicht, um sie in einen ersten Flüssigkristallzustand zu versetzen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner zu ihm gehört, die Größe der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung zu ändern, während die Helligkeit des Flüssigkristalldisplays größer als der im ersten Flüssigkristallzustand zugeordnete Gleichgewichts-Helligkeitswert ist.
Es wurde herausgefunden, dass dann, wenn die an eine Flüssigkristallschicht eines in einem Oberflächenmodus arbeitenden Flüssigkristalldisplays mit einer Flüssigkristallschicht mit einem von null verschiedenen Verdrillungswinkel geändert wird, die Helligkeit sich nicht monoton ändert. Wenn z.B. die angelegte Spannung verringert wird, um die Helligkeit der Flüssigkristallvorrichtung zu erhöhen, nimmt die Helligkeit derselben nicht monoton auf den neuen Gleichgewichtswert zu. Statt dessen, steigt die Helligkeit schnell auf einen Wert an, der größer als der Gleichgewichtswert ist, und dann nimmt sie langsam auf diesen ab. Wenn die an die Flüssigkristallschicht angelegte Spannung anschließend geändert wird, während die Helligkeit der Flüssigkristallvorrichtung größer als ihr Gleichgewichtswert ist, kann die Helligkeit des Displays erhöht werden. Im Fall eines transmissiven Displays nimmt die Transmission zu, und im Fall einer reflektiven Vorrichtung nimmt die Reflexion zu.
Der Schritt des Änderns der Größe der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung kann ausgeführt werden, bevor der Direktor der Flüssigkristallmoleküle im Zentrum in der Dickenrichtung der Flüssigkristallschicht im Wesentlichen seine Gleichgewichtsorientierung erreicht hat, die dem ersten Flüssigkristallzustand zuzuordnen ist.
Der Schritt des Änderns der Größe der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung kann nach nicht mehr als 50 % der Zeit ausgeführt werden, die dazu erforderlich ist, dass die Helligkeit der Flüssigkristallvorrichtung im Wesentlichen den dem ersten Flüssigkristallzustand zugeordneten Gleichgewichtswert erreicht. Die Größe der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung kann nach ungefähr 32 % der Zeit geändert werden, die dazu erforderlich ist, dass die Helligkeit der Flüssigkristallvorrichtung im Wesentlichen den dem ersten Flüssigkristallzustand zugeordneten Gleichgewichtswert erreicht. Die Größe der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung soll nicht später als 16 ms nach dem Schritt des Anlegens der ersten Spannung geändert werden. In diesen Fällen wird die an die Flüssigkristallschicht angelegte Spannung geändert, bevor die Helligkeit der Flüssigkristallvorrichtung auf ihren Gleichgewichtswert gefallen ist, so dass die Helligkeit des Displays erhöht ist.
Das Verfahren kann ferner den Schritt beinhalten, dass die Flüssigkristallschicht in einen bekannten Flüssigkristallzustand versetzt wird, bevor der Schritt des Anlegens der ersten Spannung ausgeführt wird. Der Schritt des Versetzens der Flüssigkristallschicht in einen bekannten Flüssigkristallzustand kann ein Anlegen einer Austastspannung an die Flüssigkristallschicht beinhalten. Dies ermöglicht das Erhalten reproduzierbarer Graupegel.
Die Größe der Austastspannung kann von der Temperatur der Flüssigkristallschicht abhängen. Wenn die Temperatur der Flüssigkristallschicht variiert, ändern sich die Viskositätseigenschaften derselben. Ein Variieren der Größe der Austastspannung abhängig von der Temperatur der Flüssigkristallschicht kompensiert alle Änderungen der Viskositätseigenschaften der Flüssigkristallschicht.
Die Flüssigkristallschicht kann einen chiralen Dotierstoff enthalten. Die durch den chiralen Dotierstoff im Flüssigkristall induzierte Ganghöhe kann mit der Temperatur abnehmen. Dies ist ein alternativer Weg, um der Viskositätsabnahme eines Flüssigkristallmaterials, wie sie allgemein auftritt, wenn die Temperatur ansteigt, entgegenzuwirken.
Der chirale Dotierstoff kann im Direktor der Flüssigkristallmoleküle eine Verdrillung mit einer Ganghöhe p in solcher Weise induzieren, dass d/p = 0,25 gilt, wobei d die Dicke der Flüssigkristallschicht ist. Alternativ kann der chirale Dotierstoff im Direktor der Flüssigkristallmoleküle eine Ganghöhe p in solcher Weise induzieren, dass d/p ≥ 0,25 gilt, wobei d die Dicke der Flüssigkristallschicht ist. Der chirale Dotierstoff kann im Direktor der Flüssigkristallmoleküle eine solche Verdrillung induzieren, dass 0,25 ≤ d/p ≤ 0,5 gilt. Ein niedrigeres Verhältnis von d/p führt zu einer kleineren zeitlichen Variation der Helligkeit des Flüssigkristalldisplays, wenn einmal die Spitzenhelligkeit erreicht ist. Bei einer relativ langen Rahmenzeit minimiert die Verwendung einer Flüssigkristallschicht mit einem niedrigen Verhältnis von d/p Variationen der Helligkeit über die Dauer des Rahmens.
Der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallschicht kann im Wesentlichen 180° betragen.
Das Flüssigkristalldisplay kann ein Aktivmatrixdisplay mit einem Array von Pixeln sein, wobei jedes Pixel durch eine entsprechende Pixelelektrode, M Abtastelektroden und N Signalelektroden bestimmt ist, und das Verfahren kann, innerhalb eines Rahmens, die folgenden Schritte beinhalten:

(a) Anlegen einer Austastspannung an jedes Pixel;
(b) Anlegen einer jeweiligen Signalspannung entsprechend gewünschten Bilddaten an jedes Pixel;
(c) Ermöglichen eines Schaltens des Zustands der Flüssigkristallmoleküle; und
(d) Anzeigen des Bilds.

Zum Schritt (a) kann es gehören, die Austastspannung im Wesentlichen gleichzeitig an alle Pixel anzulegen. Alternativ kann es zum Schritt (a) gehören, dass die Austastspannung sequenziell an die Pixel angelegt wird, wie sie jeder Abtastelektrode zugeordnet sind.
Zum Schritt (b) kann es gehören, die Signalspannungen an die jeder Abtastelektrode zugeordneten Pixel mit der Abfolge 1, 3, 5,... M, M-1, M-3,... 6, 4, 2 (M ungeradzahlig) oder 1, 3, 5,... M-1, M, M-2,... 6, 4, 2 (M geradzahlig) anzulegen. Durch Adressieren der Abtastelektroden auf diese Weise besteht die Tendenz, dass jegliche Helligkeitsvariation in einer speziellen Pixelzeile durch benachbarte Pixelzeilen kompensiert wird, da benachbarte Pixelzeilen zu verschiedenen Zeiten adressiert werden, so dass sie an verschiedenen Punkten entlang der Charakteristikkurve für die Transmission über der Zeit liegen.
Die kombinierte Dauer der Schritte (a) bis (d) kann im Wesentlichen 16 ms betragen, und die Dauer des Schritts (c) kann im Wesentlichen 7 ms betragen.
Das Display kann über eine Hintergrundbeleuchtung verfügen, die während aller Schritte (a) bis (d) eingeschaltet sein kann.
Das Display kann über eine Hintergrundbeleuchtung verfügen, die nur für einen Teil eines Rahmens eingeschaltet ist. Die Hintergrundbeleuchtung kann während des Schritts (a) ausgeschaltet sein.
Die Vorrichtung kann eine pi-Zelle mit d/p ≠ 0 sein.
Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist ein in einem Oberflächenmodus arbeitendes Flüssigkristalldisplay mit Folgendem geschaffen: einer Flüssigkristallschicht mit einem von Null verschiedenen Verdrillungswinkel; einer Einzelfrequenz-Ansteuereinrichtung zum Anlegen einer ersten Spannung mit einer ersten Größe an einen ausgewählten Teil der Flüssigkristallschicht, um diesen in einen ersten Flüssigkristallzustand zu versetzen; und einer Einrichtung zum Ändern der Stärke der an den ausgewählten Teil der Flüssigkristallschicht angelegten Spannung, während die Helligkeit desjenigen Teils der Flüssigkristallvorrichtung, der dem ausgewählten Teil der Flüssigkristallschicht entspricht, größer als der Gleichgewichtswert der Helligkeit ist, wie sie dem ersten Flüssigkristallzustand zugeordnet ist, während die Frequenz unverändert bleibt.
Die Vorrichtung kann ein Aktivmatrixdisplay sein.
Nun werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mittels veranschaulichender Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1(a) ist eine schematische Schnittansicht einer pi-Zelle mit der Verdrillung null im Zustand ohne angelegte Spannung;
1(b) ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung der 1(a), wenn eine niedrige Spannung an die Flüssigkristallschicht angelegt ist;
1(c) ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung der 1(a), wenn eine größere Spannung an die Flüssigkristallschicht angelegt ist;
2 ist eine schematische Schnittansicht, die die Flüssigkristall ausrichtung unter Bedingungen ohne angelegte Spannung in einer chiral dotierten pi-Zelle mit einem von null abweichenden Verdrillungswinkel zeigt;
3 ist eine schematische Kurve der Gleichgewichtstransmission über der angelegten Spannung für die Vorrichtung der 2;
4 veranschaulicht die Variation der Gleichgewichtstransmission über der angelegten Spannung für eine transmissive pi-Zelle mit einer Schicht aus chiral dotiertem Flüssigkristallmaterial E7;
5 zeigt die Variation der Transmission als Funktion der Zeit, wenn die an die pi-Zelle der 4 angelegte Spannung verringert wird;
6 zeigt den Direktor-Verkippungswinkel und den Direktor-Verdrillungswinkel für die Flüssigkristallschicht der pi-Zelle der 4 vor und zu verschiedenen Zeiten nach dem Verringern der angelegten Spannung;
7 ist eine schematische Draufsicht einer pi-Zelle mit Aktivmatrix;
8(a) zeigt schematische Ansteuerungssignalverläufe für eine pi-Zelle mit Aktivmatrix gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
8(b) zeigt schematische Ansteuerungssignalverläufe gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und
9 zeigt den Effekt des Dicke/Ganghöhe-Verhältnisses der Flüssigkristallschicht auf die zeitliche Variation der Transmission nach dem Verringern der an eine pi-Zelle angelegten Spannung.
Die 4 zeigt die Charakteristik der Transmission über der angelegten Spannung für eine transmissive pi-Zelle mit einer Schicht aus dem nematischen Flüssigkristallmaterial E7 (hergestellt von Merck Limited). Die Grundstruktur der pi-Zelle ist dieselbe wie die der in den 1(a) bis 1(c) dargestellten bekannten pi-Zelle. Die Flüssigkristallschicht verfügt über eine Dicke d = 6,4 μm, und der durch die Ausrichtungsschichten 3, 3' induzierte Vorverkippungswinkel beträgt ungefähr 2°. Die Flüssigkristallschicht ist mit dem chiralen Material CB 15 (hergestellt von Merck Limited) dotiert, um ein Dicke/Ganghöhe-Verhältnis d/p von 0,27 zu erzeugen (p ist die Ganghöhe der Verdrillung, wie sie durch den chiralen Dotierstoff im Direktor der Flüssigkristallmoleküle induziert wird). Für eine transmissive Vorrichtung ist die Helligkeit derselben proportional zu ihrer Transmission.
Die in der 4 dargestellte Charakteristik der Transmission über der Spannung hat dieselbe allgemeine Form wie die in der 3 dargestellte. Die Charakteristik legt es nahe, dass ein Schaltvorgang zwischen einer angelegten Spannung von ungefähr 7 V und einer angelegten Spannung von ungefähr 4 V zu einer Änderung der Transmission von ungefähr 0,25 auf ungefähr 2 sorgt (die Transmission wird mit beliebigen Einheiten gemessen) (es sei darauf hingewiesen, dass die an die pi-Zelle angelegte Spannung eine Wechselspannung sein kann, und in diesem Fall sind genannte Spannungen Spitzenspannungen des Verlaufs des Wechselspannungssignals.)
Die 5 veranschaulicht die Änderung der Transmission der pi-Zelle der 4 als Funktion der Zeit, wenn die angelegte Spannung geändert wird. Der Signalverlauf der angelegten Spannung ist in der oberen Linie der 5 dargestellt, und es ist erkennbar, dass die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist, deren Spitzenspannung zum Zeitpunkt t = 0 von ungefähr 8 V auf ungefähr 4 V gesenkt wird.
Die untere Linie in der 5 veranschaulicht die Transmission der pi-Zelle. Es ist erkennbar, dass bei Zeiten bis zu t = 0 – d.h. zu Zeitpunkten, zu denen die angelegte Spannung einen Spitzenwert von 8 V aufweist – die Transmission im Wesentlichen bei ungefähr 2,5 (beliebige Einheiten) konstant ist. Wenn die Größe der angelegten Spannung verringert wird, ändert sich die Transmission der Flüssigkristallschicht nicht monoton auf den neuen Wert von ungefähr 2. Viel mehr nimmt die Transmission schnell zu, und sie erreicht ungefähr 10 – 15 ms nach der Änderung der angelegten Spannung einen Spitzenwert von ungefähr 2,5. Dann nimmt die Transmission allmählich auf ihren Gleichgewichtswert ab. Genau gesagt, wird der Gleichgewichtswert der Transmission erst nach unendlicher Zeit erreicht, jedoch hat in der 5 die Transmission ungefähr 50 ms nach der Änderung der angelegten Spannung im Wesentlichen ihren neuen Gleichgewichtswert erreicht. Die Erfindung nutzt diese Charakteristik der Nichtgleichgewichts-Transmission über der Zeit, oder die Charakteristik einer dynamischen Transmission, um die Helligkeit eines in einem Oberflächenmodus arbeitenden Flüssigkristalldisplays zu verbessern.
Das Prinzip der Erfindung besteht im Anlegen einer ersten Spannung an die Flüssigkristallschicht und im Ändern der Spannung, bevor die Transmission der Flüssigkristallzelle auf den durch die erste Spannung induzierten Gleichgewichtswert gefallen ist. In diesem Fall nutzt die Erfindung den Nicht-Gleichgewichtsbereich, in dem die Transmission der Vorrichtung höher als der Gleichgewichtswert ist. Z.B. ist es erkennbar, dass bei einer Vorrichtung mit einer zeitlichen Änderung der Transmission, wie sie in der unteren Linie in der 5 dargestellt ist, eine Anzeigeperiode von 10 ms bis 20 ms (d.h. von 10 ms nach der Änderung der angelegten Spannung bis 20 ms nach der Änderung der angelegten Spannung) eine größere Helligkeit als eine Anzeigeperiode erzeugt, die sich von 40 ms bis 50 ms erstreckt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Spannung nicht später als 50 % der Zeit geändert, die dazu erforderlich ist, dass die Transmission der Flüssigkristallschicht im Wesentlichen den durch die erste Spannung induzierten Gleichgewichtswert erreicht (dies entspricht einem Schaltvorgang nicht später als 25 ms nach dem Anlegen der Spannung, wenn die Zeit, die dazu erforderlich ist, im Wesentlichen das Gleichgewicht zu erreichen, 50 ms beträgt).
Alternativ kann die Spannung nach 32 % der Zeit geändert werden, die dazu erforderlich ist, dass die Transmission der Flüssigkristallschicht im Wesentlichen den durch die erste Spannung induzierten Gleichgewichtswert erreicht. Dies entspricht einem Schaltvorgang nach 16 ms, wenn die Zeit zum Erreichen des Gleichgewichts 50 ms beträgt.
Selbstverständlich werden die bevorzugten Schaltzeiten durch die genaue Form der zeitlichen Änderung der Transmission nach der Änderung der angelegten Spannung für das speziell verwendete Flüssigkristallmaterial bestimmt.
Die dynamische Änderung der Transmission der Flüssigkristallschicht folgend auf eine Änderung der angelegten Spannung kann unter Berücksichtigung der Änderung des Direktor-Kippwinkels und des Direktor-Verdrillungswinkels erklärt werden. Diese Werte sind in der 6 als Funktion des Wegs über die Flüssigkristallschicht (auf den Wert 1 normiert) dargestellt.
Zum Zeitpunkt t = 0 befindet sich die Flüssigkristallschicht anfänglich im Gleichgewicht, während eine Spannung von 7 V angelegt ist. Es ist erkennbar, dass im gesamten zentralen Bereich der Flüssigkristallschicht, und tatsächlich über viel der Flüssigkristallschicht hinweg, der Direktor im Gleichgewichtszustand zu t = 0 um beinahe 90° verkippt ist (der Direktor-Verkippungswinkel ist mit durchgezogenen Linien dargestellt, und er wird in Bezug auf die Ebene der Substrate gemessen, so dass eine Verkippung von 90° bedeutet, dass der Direktor orthogonal zu den Substraten verläuft).
Die gestrichelten Linien veranschaulichen den Verdrillungswinkel des Direktors. Es ist erkennbar, dass zum Zeitpunkt t = 0 der größte Teil der Verdrillungsänderung von 180° auf den zentralen Bereich der Flüssigkristallschicht eingegrenzt ist.
Zum Zeitpunkt t = 0 wird die an der Flüssigkristallschicht anliegende Spannung auf 2 V verringert. Die 6 zeigt den Direktor-Verkippungswinkel und den Direktor-Verdrillungswinkel alle 10 ms nach der Änderung der angelegten Spannung, bis zum Zeitpunkt t = 50 ms. Es wird davon ausgegangen, dass der Flüssigkristallzustand zum Zeitpunkt t = 50 ms im Wesentlichen ein neuer Gleichgewichtszustand ist, der der neuen angelegten Spannung von 2 V entspricht – d.h., dass nach 50 ms die Differenz zwischen dem Flüssigkristallzustand und dem neuen Gleichgewichtszustand vernachlässigbar ist.
Es ist erkennbar, dass 10 ms nach der Änderung der angelegten Spannung der Direktor-Verkippungswinkel beinahe auf seinen Gleichgewichtswert relaxiert hat. Jedoch hat der Direktor-Verdrillungswinkel bei t = 10 ms seinen Gleichgewichtswert noch nicht erreicht, und zwischen t = 10 ms und t = 50 ms treten beträchtliche Änderungen des Verdrillungswinkels auf. So ist zum Zeitpunkt t = 10 ms, obwohl der Direktor-Verkippungswinkel im Wesentlichen das Gleichgewicht erreicht hat, der Direktor beträchtlich weniger verdrillt als im Gleichgewichtszustand. Dies führt dazu, dass die Vorrichtung vorübergehend heller erscheint, bis der Direktor-Verdrillungswinkel seinen Gleichgewichtswert erreicht hat.
Es sei ein Ansteuern einer Vorrichtung mit einer Charakteristik der Transmission über der angelegten Spannung, wie sie in der 4 dargestellt ist, durch Ändern der angelegten Spannung von 8 V auf 4 V betrachtet, wobei die angelegte Spannung für 16 ms auf 4 V verbleibt, nach welcher Zeit die Spannung auf einen neuen Wert V_neu geändert wird. Die 5 zeigt, dass zum Zeitpunkt t = 16 ms nach dem Ändern der angelegten Spannung von 8 V auf 4 V die Transmission der Flüssigkristallschicht noch nicht ihren neuen Gleichgewichtswert erreicht hat, was bedeutet, dass die Transmission schwierig vorherzusagen ist, wie sie durch Anlegen der Spannung V_neu erzielt wird. Z.B. erzeugt das Anlegen von V_neu folgend auf eine Periode, gemäß der eine Spannung von 4 V für 16 ms angelegt wurde, eine andere Transmission als dann, wenn V_neu angelegt wird, nachdem eine Spannung von 5 V für 16 ms angelegt wurde. D.h., dass die durch Anlegen von V_neu erzielte Transmission vom Spannungsverlauf der Flüssigkristallschicht abhängt.
Um dieses Problem zu überwinden, und um reproduzierbare Transmissionspegel zu erreichen, wird bei einer Ausführungsform der Erfindung die an die Flüssigkristallschicht angelegte Spannung jedesmal dann, bevor V_neu angelegt wird, kurz auf irgendeinen bekannten Wert, z.B. 8 V, geändert. Dies ist als Anlegen einer "Austast"spannung vor dem Anlegen von V_neu bekannt. Die Austastspannung wird so gewählt, dass sie die Flüssigkristallschicht immer in einen bekannten Flüssigkristallzustand versetzt, unabhängig vom Flüssigkristallzustand vor dem Anlegen der Austastspannung. Das folgende Anlegen von V_neu erzeugt daher eine reproduzierbare Transmission der Flüssigkristallschicht (d.h. unabhängig vom Spannungsverlauf der Flüssigkristallschicht vor dem Anlegen der Austastspannung).
Die 7 zeigt schematisch die Elektrodenstruktur eines Aktivmatrix-Flüssigkristalldisplays. Im Fall einer transmissiven Vorrichtung ist die allgemeine Struktur des Flüssigkristalldisplays dergestalt, wie es in den 1(a) bis 1(c) dargestellt ist. Die Vorrichtung verfügt über ein Array von Pixelelektroden 5_ij , die ein entsprechendes Array von Pixeln bilden, die z.B. in einer Matrix von M Zeilen und N Spalten angeordnet sind. Die Pixelelektroden sind auf einem der Substrate der Vorrichtung angeordnet. Es ist eine Vielzahl von Abtastelektroden 6_i (i = 1, 2,..., M) und Signalelektroden 7_j (j = 1, 2,..., N) auf demselben Substrat wie die Pixelelektrode 5_ij vorhanden. Auf dem anderen der Substrate ist eine gemeinsame Elektrode (nicht dargestellt) angeordnet, und zwischen dem einen und dem anderen Substrat ist eine Flüssigkristallschicht angeordnet.
Jedes Pixel 5_ij ist über ein Schaltbauteil wie z.B. einen Dünnschichttransistor 8_ij mit seiner zugeordneten Signalelektrode 7_j verbunden. Das Gate jedes der Dünnschichttransistoren 8_ij ist mit einer zugehörigen Abtastelektrode 6_i verbunden. Eine Abtasttreiberschaltung 9 und eine Signaltreiberschaltung 10 sind zum Ansteuern der Abtastelektroden bzw. der Signalelektroden vorhanden. Wenn durch die Abtasttreiberschaltung 9 ein Abtastimpuls an eine spezielle Abtastelektrode 6i angelegt wird, werden die Schaltelemente, deren Gate mit dieser Abtastelektrode verbunden ist, eingeschaltet, und die Spannungen, wie sie durch die Signaltreiberschaltung 10 zu diesem Zeitpunkt an die Signalelektroden angelegt werden, werden an die dieser Abtastelektrode zugeordneten Pixelelektroden übertragen.
Bei einem erfindungsgemäßen Flüssigkristalldisplay sind die Abtasttreiber schaltung 9 und die Signaltreiberschaltung 10 so ausgebildet, dass sie einen ausgewählten Teil der Flüssigkristallschicht – z.B. denjenigen Teil der Flüssigkristallschicht, der einem oder mehreren ausgewählten Pixeln entspricht – dadurch in einen ersten Flüssigkristallzustand versetzen, dass sie eine geeignete Spannung an den ausgewählten Teil der Flüssigkristallschicht anlegen. Die Abtasttreiberschaltung 9 und die Signaltreiberschaltung 10 sind ferner so ausgebildet, dass sie die Größe der an den ausgewählten Teil der Flüssigkristallschicht angelegten Spannung ändern, während die Transmission des ausgewählten Teils der Flüssigkristallschicht größer als der dem ersten Flüssigkristallzustand zugeordnete Gleichgewichtswert der Transmission ist.
Die 8(a) veranschaulicht die während eines Rahmens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an die Abtastelektroden angelegten Abtastspannungen, und sie zeigt auch die an eine der Spaltenelektroden angelegten Signalspannungen.
Zu Beginn des Rahmens wird eine Austastspannung an alle Pixel des Displays angelegt. Bei der Ausführungsform der 8(a) werden alle Pixel gleichzeitig ausgetastet. Dies erfolgt durch gleichzeitiges Anlegen eines Abtastimpulses an alle Abtastelektroden 6_i , um alle Schaltelemente 8_ij des Displays einzuschalten und eine Abtastspannung an alle Spaltenelektroden 7_j anzulegen.
Nach der Austastperiode existiert eine Datenperiode, in der Bilddaten in alle Pixel des Displays geschrieben werden. In der Datenperiode werden die Abtastelektroden sequenziell ausgewählt. Z.B. wird zunächst die erste Abtastelektrode 6₁ ausgewählt, damit alle Schaltelemente, deren Gateelektrode mit dieser verbunden ist, eingeschaltet werden. An die jeweiligen Signalelektroden werden Signalspannungen angelegt, die den gewünschten Bilddaten für die erste Pixelzeile entsprechen. Dann wird die zweite Abtastelektrode 6₂ ausgewählt, und es werden Bilddaten in die zweite Pixelzeile geschrieben. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis Bilddaten in die abschließende Pixelzeile (die Zeile M) geschrieben wurden.
In der 8(a) ist dargestellt, dass die Datenperiode ungefähr 2 ms andauert, wobei jedoch die genaue Zeit von der Anzahl der Abtastelektroden abhängt. Die Linie der "Datenspannung für die Spalte 1" im mittleren Teil der Datenperiode ist der Deutlichkeit halber weggelassen.
Wenn einmal die abschließende Abtastelektrode adressiert wurde und Bilddaten in alle Pixel eingeschrieben sind, existiert eine Schaltperiode, in der die Pixel nicht adressiert werden. Der Zweck dieser Periode besteht darin, dass die Transmission der Pixel zu ihrem dynamischen Maximalwert ansteigen kann. In dieser Periode steigt die Transmission der Pixel an, wie es in der unteren Linie der 5 dargestellt ist.
Abschließend wird für den letzten Teil des Rahmens eine Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet. Die Intensität der Hintergrundbeleuchtung wird durch die Pixel der Vorrichtung, entsprechend den in sie geschriebenen Bilddaten, räumlich moduliert, so dass die Vorrichtung während er Periode, in der die Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet ist, ein Bild anzeigt.
Zu Beginn des nächsten Rahmens wird der Ansteuerungsprozess durch Austasten aller Pixel und durch Anlegen neuer Bilddaten wiederholt.
Die 8(b) zeigt eine Modifizierung der Ausführungsform der 8(a). Bei dieser Ausführungsform werden durch sequenzielles Auswählen der Abtastelektroden während der Abtastperiode Pixelzeilen sequenziell ausgetastet.
Die in den 8(a) und 8(b) dargestellten Zeiten für die Austastperiode, die Datenschreibperiode, die Schaltperiode und die Periode mit eingeschalteter Hintergrundbeleuchtung sind Beispiele, und sie können zur Anpassung an ein spezielles Flüssigkristalldisplay variiert werden. Jedoch ist es bevorzugt, dass die Dauern der Perioden so eingestellt werden, dass die Periode mit eingeschalteter Hintergrundbeleuchtung auftritt, wenn sich die Transmission des Flüssigkristallmaterials auf dem Maximum, oder nahe an diesem, der in der 5 dargestellten Charakteristik der Transmission über der Zeit befindet, da es dadurch möglich ist, die Helligkeit des Displays zu maximieren.
Die unter Bezugnahme auf die 8(a) und 8(b) beschriebenen Verfahren können auf viele Arten variiert werden. Z.B. ist es möglich, die Abtastspannung weniger als einmal pro Rahmen anzulegen – z.B. kann die Abtastspannung nur für jeden übernächsten Rahmen angelegt werden. Dies verringert den Gesamtenergieverbrauch der Flüssigkristallvorrichtung, führt jedoch zu einem gewissen Reproduzierbarkeitsverlust der Graupegel des Displays.
In den 8(a) und 8(b) wird dieselbe Austastspannung an alle Pixel des Displays angelegt. Jedoch wäre es möglich, verschiedene Abtastspannungen an verschiedene Bereiche der Tafel anzulegen. Dies könnte beispielsweise erfolgen, um die Betrachtungswinkeleigenschaften des Displays zu ändern. Alternativ wäre es, im Fall eines Vollfarbendisplays, bei dem jedes Pixel rote, grüne und blaue Unterpixel enthält, wünschenswert, verschiedene Austastimpulse an die ein Pixel aufbauenden roten, grünen und blauen Unterpixel anzulegen.
Es wäre möglich, die Struktur der in der 7 dargestellten Vorrichtung unter Einschluss von Rahmenpufferungs- oder Pixelpufferungsarchitekturen zu modifizieren. Dies würde es ermöglichen, Pixelbilddaten in zusätzlichen kapazitiven Elementen des Displays für eine gewisse Zeitperiode zu speichern, bevor sie in ein Pixel geschrieben werden.
Beim Ansteuerungsschema der 8(a) wird die Hintergrundbeleuchtung ungefähr 9 ms nach dem Adressieren der ersten Abtastelektroden eingeschaltet (Schaltperiode von 7 ms und beinahe die gesamte Datenperiode von 2 ms), jedoch nur ungefähr 7 ms nach dem Adressieren der Abtastelektrode M. Angesichts der dynamischen Variation der Transmission des Flüssigkristalls abhängig von der Zeit folgend auf eine Änderung der angelegten Spannung kann diese verschiedene zeitliche Verzögerung, für verschiedene Pixel, vor dem Start der Periode mit eingeschalteter Hintergrundbeleuchtung zu verschiedenen Helligkeitsreaktionen in verschiedenen Teilen der Flüssigkristallvorrichtung führen. Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die dieses Problem berücksichtigt, werden die Abtastelektroden nicht in der Abfolge 1, 2, 3,..., M-1, M adressiert. Statt dessen werden die Zeilen in der folgenden Abfolge adressiert: 1, 3, 5, 7,..., M, M-1, M-3,..., 6, 4, 2 (M ungeradzahlig) oder 1, 3, 5, M-1, M, M-2,..., 6, 4, 2 (M geradzahlig). So werden die ersten und zweiten Abtastelektroden zu Beginn der Datenperiode bzw. am Ende derselben adressiert. Durch Adressen der Abtastelektroden auf diese Weise besteht die Tendenz, dass jegliche Helligkeitsvariation in einer speziellen Pixelzeile durch benachbarte Pixelzeilen kompensiert wird, da benachbarte Pixelzeilen zu verschiedenen Zeiten adressiert werden, so dass sie sich auf verschiedenen Punkten der Charakteristik der Transmission über der Zeit befinden.
Bei den Ausführungsformen der 8(a) und 8(b) ist die Hintergrundbeleuchtung nur während der Periode mit eingeschalteter Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet. Bei einer alternativen Ausführungsform wäre es möglich, dass die Hintergrundbeleuchtung während der gesamten Dauer des Rahmens eingeschaltet bleibt.
Bei einer alternativen Ausführungsform können während der Periode mit eingeschalteter Hintergrundbeleuchtung mehrere blinkende Hintergrundbeleuchtungen verwenden werden, wie es von K. Sueoka et al. in "Improving the Moving-Image Quality of TFT-LCDs" in Proceedings of International Display Research Conference, 1997, S. 203 – 206 beschrieben ist. Die Verwendung einer blinkenden Hintergrundbeleuchtung bei einem Flüssigkristalldisplay kann aufgrund der Weise, gemäß der das menschliche Auge und Gehirn die Bewegung eines Bilds wahrnehmen, zu verbesserter Bildqualität führen.
Bei den in den 8(a) und 8(b) dargestellten Ausführungsformen wird zu Beginn jedes Rahmens ein Abtastimpuls angelegt, um die Aufgabe zu vereinfachen, zu gewährleisten, dass identisch angelegte Spannungen zu identischen Transmissionswerten in verschiedenen Rahmen führen. Im Prinzip kann jedoch das Austasten weniger als einmal in jedem Rahmen angewandt werden, oder es kann sogar vollständig weggelassen werden, vorausgesetzt, dass irgendeine Aufzeichnung über den Spannungsverlauf eines Pixels erhalten wird. Wenn eine Aufzeichnung zum Spannungsverlauf eines Pixels aufrecht erhalten wird, ermöglicht es diese Aufzeichnung, die Direktorstruktur im Pixel vor dem Anlegen einer speziellen Spannung zu bestimmen, so dass Effekte des Anlegens der neuen Spannung mit vernünftiger Sicherheit ermittelt werden können.
Um eine Aufzeichnung des Spannungsverlaufs eines Pixels aufrecht zu erhalten und um es so zu ermöglichen, die Häufigkeit der Austastspannungen zu verringern, oder um es sogar zu ermöglichen, Austastspannungen völlig wegzulassen, ist es möglich, einen Speicher zuzuordnen und/oder die Leistung für die Anzeige zu berechnen, um eine Aufzeichnung zur Direktorstruktur im Pixel aufrecht zu erhalten. Z.B. könnte ein RAM-Chip mit dem Substrat des Displays verbunden werden, oder es könnte ein Siliciumsubstrat mit in es eingeätzter Rechenschaltung anstelle eines herkömmlichen Glassubstrats verwendet werden.
Die Erfindung wurde bisher unter Bezugnahme auf ein in einem Oberflächenmodus arbeitendes Flüssigkristalldisplay beschrieben, bei dem der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle 180° beträgt. Jedoch kann ein Oberflächenmodus-Betrieb für Flüssigkristalldisplays mit anderen Verdrillungswerten als 180° erzielt werden, und daher soll die Erfindung nicht auf ein Display mit einem Verdrillungswinkel von genau 180° beschränkt sein. Z.B. offenbart die europäische Patentveröffentlichung EP-A-0 816 906 ein Ober flächenmodus-LCD mit einer anderen Verdrillung als 180°, und die Erfindung kann bei einer derartigen Vorrichtung angewandt werden.
Bei den oben beschriebenen Flüssigkristalldisplays sind die Vorverkippungswinkel auf den zwei Substraten im Wesentlichen gleich, im Allgemeinen kleiner als 45°, und typischerweise im Bereich von 2 – 10°. Die Erfindung kann jedoch bei einer pi-Zelle angewandt werden, bei der die Vorverkippungswinkel auf den zwei Substraten verschieden sind. Z.B. kann der Vorverkippungswinkel auf einem Substrat im Wesentlichen 0° sein. Es ist auch möglich, dass die Substrate eine Unterpixel-Ausrichtung vom Typ aufweisen, wie er in der japanischen Patentanmeldung JP-H11 150 722 (eingereicht am 28. Mai 1999) offenbart ist.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen betreffen ein transmissives Display. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine transmissive Vorrichtung beschränkt, sondern sie kann bei einer reflektiven oder einer transflektiven Vorrichtung angewandt werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist das Display ein in Pixel unterteiltes Display, das über ein Aktivmatrixsubstrat zum Ansteuern der einzelnen Pixelelektroden verfügt. Die Erfindung ist nicht auf dieses spezielle Display beschränkt. Z.B. ist es möglich, anstatt jede Pixelelektrode mit ihrem eigenen Schaltelement zu versehen, um die an die Pixelelektroden angelegte Spannung zu steuern, ein Array von mit Gas gefüllten Kanälen zu verwenden, um selektiv Spannungen an die Pixelelektroden anzulegen, und zwar auf die Weise eines sogenannten PALC-Displays, wie es im US-Patent Nr. 4 896 149 und GB-A-2 326 245 beschrieben ist.
Ein typischer Wert des Dicke/Ganghöhe-Verhältnisses, d/p, für eine pi-Zelle mit einer Verdrillung von 180° beträgt ungefähr 0,25. Obwohl ein Wert d/p = 0,5 zu einer genauen Anpassung zwischen der intrinsischen Ganghöhe des Flüssigkristallsmaterials und der Dicke der Flüssigkristallschicht führt, ist es erforderlich, dass der Flüssigkristall zu den Reiberichtungen der Ausrichtungsfilme auf den zwei Substraten passt. Eine Flüssigkristallschicht bei einer pi-Zellengeometrie, bei der die Ausrichtungsorientierungen der zwei Substrate parallel zueinander verlaufen, ist daher dahingehend eingeschränkt, dass sie eine Verdrillung von 0°, 180°, 360° usw. aufweist. Um eine Verdrillung von 180° zu erzielen, ist es daher lediglich erforderlich, die Ganghöhe der Flüssigkristallmoleküle gerade ausreichend dafür vorzuwählen, dass der Verdrillungswinkel von 180° gegenüber dem 0° begüns tigt ist, was dadurch erzielt wird, dass der Wert von d/p größer als 0,25 gemacht wird. Häufig ist es bevorzugt, die Menge eines chiralen Dotierstoffs zu minimieren, um eine unerwünschte Restverdrillung bei hohen angelegten Spannungen zu minimieren, und aus diesem Grund ist es üblich, einen d/p-Wert von geringfügig über 0,25 zu verwenden, um eine Verdrillung von 180° in einer pi-Zellen-Vorrichtung zu erzielen. Der d/p-Wert der Flüssigkristallzelle kann so ausgewählt werden, dass das Ausmaß der zeitlichen Änderung der Transmission folgend auf eine Änderung der angelegten Spannung optimiert wird. Dies ermöglicht es, die zeitliche Änderung der Transmission mit der Dauer eines Rahmens und der Dauer der Austastperiode in Übereinstimmung zu bringen.
Die 9 zeigt die zeitliche Änderung der Transmission einer pi-Zelle, die eine 6,3 μm dicke Schicht des Flüssigkristalls E7 enthält, wobei der Vorverkippungswinkel an jedem Substrat 5° beträgt. Die 9 zeigt die Änderung der Helligkeit, wenn die angelegte Spannung von 5,5 V aus geändert wird, und zwar für drei Werte des Verhältnisses d/p. Die Kurve mit dem Verhältnis d/p = 0 betrifft eine Flüssigkristallschicht mit einem Verdrillungswinkel von 0° (und demgemäß unendlicher Ganghöhe), was demgemäß außerhalb des Umfangs dieser Erfindung liegt. Die Kurve mit d/p = 0 ist zu Vergleichszwecken enthalten.
Es ist erkennbar, dass die Rate der Abnahme der Transmission ausgehend von ihrem Spitzenwert um so kleiner ist, je kleiner das Verhältnis d/p ist. D.h., dass ein kleineres d/p-Verhältnis zu einer kleineren zeitlichen Änderung der Transmission der Flüssigkristallschicht führt, wenn einmal der Spitzenwert der Transmission erreicht ist, so dass das Auswählen eines kleinen, jedoch endlichen Werts d/p die Änderung der Transmission minimiert, wie sie während der Dauer eines Rahmens auftritt. Für eine relativ lange Rahmenzeit, oder wenn eine blinkende Hintergrundbeleuchtung verwendet wird, wenn die Lampe für eine relative lange Zeitperiode eingeschaltet wird, ist es daher am besten, eine Flüssigkristallschicht mit einem kleinen d/p-Verhältnis zu verwenden, um Variationen der Transmission über den Rahmen zu minimieren, wohingegen für kurze Rahmenzeiten Flüssigkristallschichten mit höheren d/p-Werten verwendet werden können.
Ein anderer Faktor, der die zeitliche Änderung der Transmission einer Flüssigkristallschicht beeinflusst, wenn die angelegte Spannung von einer Austastspannung V_blank auf eine neue Spannung V_neu geändert wird, ist der Wert von V_blank. Die zeitliche Änderung der Transmission hängt auch von den Vis kositätseigenschaften des Flüssigkristallmaterials ab, und diese werden durch die Temperatur der Zelle beeinflusst. Die Effekte von Temperaturänderungen auf eine zeitliche Änderung des Flüssigkristalldisplaymaterials nach einem Schaltvorgang kann bedeutend sein – z.B. kann eine in einem Projektionssystem verwendete Flüssigkristalltafel eine beträchtliche Temperaturänderung erfahren, wenn die Projektionslampe eingeschaltet wird. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird daher die Größe der Austastspannung variiert, wenn sich die Temperatur der Tafel ändert, um die Änderungen der Viskositätseigenschaften des Flüssigkristalls zu kompensieren.
Die zeitliche Änderung der Transmission der Flüssigkristallschicht nach einem Schaltvorgang wird auch durch die drei Elastizitätskonstanten des Flüssigkristallmaterials beeinflusst. Daher ist es wünschenswert, die Elastizitätskonstanten des Flüssigkristallmaterials so auszuwählen, dass die zeitliche Änderung der Transmission optimiert ist.
Die Flüssigkristallschicht einer Vorrichtung, bei der das erfindungsgemäße Ansteuerungsverfahren angewandt wird, kann ein Polymermaterial enthalten. Z.B. kann die Flüssigkristallschicht ein reaktives, mesogenes Polymermaterial enthalten, das selbst chiral ist und zur Verdrillung der Flüssigkristallmolekül beiträgt.
Es ist auch möglich, Änderungen der Betriebstemperatur der Vorrichtung durch Auswählen eines chiralen Dotierstoffs zu kompensieren, der in der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle eine zeitabhängige Ganghöhe induziert. Die Viskosität eines Flüssigkristallmaterials nimmt im Allgemeinen mit der Temperatur ab, und diesem Effekt kann dadurch entgegengewirkt werden, dass ein chiraler Dotierstoff gewählt wird, der eine Ganghöhe induziert, die mit der Temperatur im Flüssigkristall abnimmt.
Obwohl die Erfindung als speziell für eine pi-Zelle relevant beschrieben wurde, kann sie bei anderen in einem Oberflächenmodus arbeitenden Flüssigkristalldisplays angewandt werden.
Im Prinzip kann die Erfindung angewandt werden, wenn die an einer Flüssigkristallschicht anliegende Spannung erhöht wird. Jedoch reagiert ein Flüssigkristall im Allgemeinen auf eine Spannungserhöhung viel schneller als auf eine Verringerung, und die letztere ist daher der die Rate begrenzende Prozess beim Ansteuern eines Flüssigkristalldisplays.
Die Erfindung kann bei einem in einem Oberflächenmodus arbeitenden Flüssigkristalldisplay angewandt werden, wie z.B. einer pi-Zelle, die zwischen einem ersten und einem zweiten linearen Polarisator angeordnet ist, deren Transmissionsachsen orthogonal zueinander verlaufen. Wenn ein in einem Oberflächenmodus arbeitendes Flüssigkristalldisplay auf diese Weise zwischen gekreuzten linearen Polarisatoren angeordnet wird, tritt der "weiße" Betriebszustand der Flüssigkristallschicht bei einer niedrigeren an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung auf als der "dunkle" Betriebszustand. Die Erfindung sorgt für einen "weißen" Zustand mit größerer Transmission, wodurch der Kontrast der Vorrichtung erhöht ist.
Wenn die Flüssigkristallvorrichtung zwischen gekreuzten linearen Polarisatoren angeordnet wird, verlaufen die Transmissionsachsen der Polarisatoren vorzugsweise unter ungefähr 45° zur optischen Achse der Flüssigkristallschicht.
Die Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf ein transmissives Display beschrieben. Jedoch ist die Erfindung nicht auf eine transmissive Vorrichtung beschränkt, sondern sie kann auch bei einem in einem Oberflächenmodus arbeitenden Flüssigkristalldisplay angewandt werden, das zwischen einem Polarisator und einem Reflektor angeordnet ist und in einem Reflexionsmodus betrieben wird.
Im Fall einer reflektiven Vorrichtung ist die Helligkeit derselben proportional zu ihrem Reflexionsvermögen. Das Reflexionsvermögen, und demgemäß die Helligkeit, einer reflektiven Vorrichtung kann auf ähnliche Weise erhöht werden, wie sie oben für eine transmissive Vorrichtung beschrieben ist.

Claims

Einzelfrequenzverfahren zum Ansteuern eines in einem Oberflächenmodus arbeitenden Flüssigkristalldisplays mit einer Flüssigkristallschicht mit einem von Null verschiedenen Verdrillungswinkel, bei dem das zum "Ein"schalten des Flüssigkristalls angelegte Signal dieselbe Frequenz wie das zum "Aus"schalten desselben angelegte Signal aufweist, mit dem folgenden Schritt: – Anlegen einer ersten Spannung mit einer ersten Größe an die Flüssigkristallschicht, um sie in einen ersten Flüssigkristallzustand zu versetzen; dadurch gekennzeichnet, dass zu diesem Verfahren das Ändern der Größe der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung gehört, während die Helligkeit der Flüssigkristallvorrichtung größer als der Gleichgewichtswert der dem ersten Flüssigkristallzustand zugeordneten Helligkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Änderns der Größe der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung ausgeführt wird, bevor der Direktor der Flüssigkristallmoleküle in der Mitte in der Dickenrichtung der Flüssigkristallschicht im Wesentlichen seine Gleichgewichtsorientierung, wie sie dem ersten Flüssigkristallzustand zugeordnet ist, erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Änderns der Größe der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung nach nicht mehr als 50 % der Zeit ausgeführt wird, die dazu erforderlich ist, dass die Helligkeit der Flüssigkristallvorrichtung im Wesentlichen den dem ersten Flüssigkristallzustand zugeordneten Gleichgewichtswert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Schritt des Änderns der Größe der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung nach ungefähr 32 % ausgeführt wird, die dazu erforderlich ist, dass die Helligkeit der Flüssigkristallvorrichtung im Wesentlichen den dem ersten Flüssigkristallzustand zugeordneten Gleichgewichtswert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Änderns der Größe der an die Flüssigkristallschicht angelegten Spannung nicht später als ungefähr 16 ms nach dem Schritt des Anlegens der ersten Spannung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt des Versetzens der Flüssigkristallschicht in einen bekannten Flüssigkristallzustand, bevor der Schritt des Anlegens der ersten Spannung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem es zum Schritt des Versetzens der Flüssigkristallschicht in einen bekannten Flüssigkristallzustand gehört, eine Austastspannung an die Flüssigkristallschicht anzulegen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Größe V_blank der Austastspannung von der Temperatur der Flüssigkristallschicht abhängt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigkristallschicht einen chiralen Dotierstoff enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der chirale Dotierstoff über eine temperaturabhängige Ganghöhe verfügt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Viskosität der Flüssigkristallschicht mit ihrer Temperatur abnimmt und die durch den chiralen Dotierstoff im Flüssigkristall induzierte Ganghöhe mit der Temperatur abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der chirale Dotierstoff hinsichtlich des Direktors der Flüssigkristallmoleküle eine Verdrillung induziert, die über eine Ganghöhe p verfügt, so dass d/p = 0,25 gilt, wobei d die Dicke der Flüssigkristallschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der chirale Dotierstoff hinsichtlich des Direktors der Flüssigkristallmoleküle eine Verdrillung induziert, die über eine Ganghöhe p verfügt, so dass d/p ≥ 0,25 gilt, wobei d die Dicke der Flüssigkristallschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der chirale Dotierstoff eine solche Verdrillung hinsichtlich des Direktors der Flüssigkristallmoleküle induziert, die über eine Ganghöhe p verfügt, dass 0,25 ≤ d/p ≤ 0,5 gilt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallschicht im Wesentlichen 180° beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Flüssigkristalldisplay ein Aktivmatrixdisplay mit einem Array von Pixeln, von denen jedes durch eine entsprechende Pixelelektrode (5_ij ) definiert ist, M Abtastelektroden (6_i ) und N Signalelektroden (7_j ) ist, wobei dieses Verfahren, innerhalb eines Rahmens, die folgenden Schritte aufweist: a) Anlegen einer Austastspannung an jedes der Pixel; b) Anlegen einer jeweiligen Signalspannung entsprechend gewünschten Bilddaten an jedes der Pixel; c) Ermöglichen eines Umschaltens von Zuständen der Flüssigkristallmoleküle; und d) Anzeigen des Bilds.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem es zum Schritt (a) gehört, die Austastspannung im Wesentlichen gleichzeitig an alle Pixel anzulegen.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem es zum Schritt (a) gehört, die Austastspannung aufeinanderfolgend an Pixel anzulegen, wie sie jeder Abtastelektrode zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, bei dem es zum Schritt (b) gehört, Signalspannungen an Pixel, wie sie jeder Abtastelektrode zugeordnet sind, in der Abfolge 1, 3, 5,...M, M-1, M-3,...6, 4, 2 (M ungeradzahlig) oder 1, 3, 5... M-1, M, M-2,... 6, 4, 2 (M ganzzahlig) anzulegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem die kombinierte Dauer der Schritte (a) bis (d) im Wesentlichen 16 ms beträgt und die Dauer des Schritts (c) im Wesentlichen 7 ms beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem das Display über eine Hintergrundbeleuchtung verfügt, die während aller Schritte (a) bis (d) eingeschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem das Display eine Hintergrundbeleuchtung aufweist, die nur für einen Teil eines Rahmens eingeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die Hintergrundbeleuchtung im Schritt (a) ausgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Vorrichtung eine pi-Zelle ist.
In einem Oberflächenmodus arbeitendes Flüssigkristalldisplay mit: einer Flüssigkristallschicht mit einem von Null verschiedenen Verdrillungswinkel; einer Einzelfrequenz-Ansteuereinrichtung (6_i , 7_j , 8_ij , 9, 10) zum Anlegen einer ersten Spannung mit einer ersten Größe an einen ausgewählten Teil der Flüssigkristallschicht, um diesen in einen ersten Flüssigkristallzustand zu versetzen; und einer Einrichtung (6_i , 7_j , 8_ij , 9, 10) zum Ändern der Stärke der an den ausgewählten Teil der Flüssigkristallschicht angelegten Spannung, während die Helligkeit desjenigen Teils der Flüssigkristallvorrichtung, der dem ausgewählten Teil der Flüssigkristallschicht entspricht, größer als der Gleichgewichtswert der Helligkeit ist, wie sie dem ersten Flüssigkristallzustand zugeordnet ist, während die Frequenz unverändert bleibt.
Flüssigkristalldisplay nach Anspruch 25, das ein Aktivmatrix-Flüssigkristalldisplay ist.