JP2005197480A - フィールドシーケンシャル方式液晶表示器及び該表示器を用いたフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置 - Google Patents

フィールドシーケンシャル方式液晶表示器及び該表示器を用いたフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置 Download PDF

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【課題】 フィールドシーケンシャル方式液晶表示装置において、各画素のTFTのON電流を増大させた、応答速度の速い液晶表示装置を提供すること。
【解決手段】 各画素の駆動用素子として薄膜トランジスタを有するフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置において、一定のソース電圧に対して、前記薄膜トランジスタのゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが15E−6VA以上となるようにする。
この場合、VG×IDが20E−6VA以上80E−6VA以下となるようにすることが好ましい。
【選択図】 図5

Description

本発明は、フィールドシーケンシャル方式液晶表示器及び該表示器を用いたフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置に関する。
一般に液晶表示装置には薄型軽量、低消費電力という特徴があり、特に、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor.以下「TFT」という。)方式のアクティブマトリクス型液晶表示装置は携帯端末から大型テレビに至るまで幅広く利用されている。
通常、広く用いられているアクティブマトリクス型液晶表示装置は、マトリクス状に配置された画素電極と各画素電極に接続されたTFT素子が設けられた基板と共通電極が設けられた基板とを所定間隔を隔てて配設し、両基板間に液晶を封入した液晶表示器を備えている。そして、液晶表示器の共通電極側にはそれぞれの画素ごとに赤(R)、緑(G)又は青(B)のフィルタが備えられたサブピクセルが設けられ、R・G・Bの3つのサブピクセルで1画素とされている。また、液晶表示器の両面には偏光板が配置され、一方の偏光板の背後には背面照明が配置されて透過型の液晶表示装置とされている。
この形式の液晶表示装置は、空間混合方式と称されるものであって、R・G・B各画素の透過光の強度を変えて混色することにより所望の色の光を得るものであって、現在主流となっているものであるが、光の利用効率が低いという問題がある。すなわち、通常のカラー液晶表示装置の場合、偏光板による光透過率は約1/2以下であり、カラーフィルタによる光透過率は約1/3以下であるので、開口率その他を考えると、背面照明から出射される全光の利用効率は実質的に10%以下となってしまう。
近年、このようなカラーフィルタを使用しない形式の透過型液晶表示装置として、フィールドシーケンシャル方式の液晶表示装置が開発された(下記特許文献1、2参照)。このフィールドシーケンシャル方式の液晶表示装置は、時間差混合方式と称されるものであって、背面照明としてR・G・Bの各色の光を発することができる光源を使用し、各フィールド中にR・G・Bの各光を素早く切り替えて液晶表示器に照射することにより、カラー表示を得るものである。このフィールドシーケンシャル方式の液晶表示装置は、カラーフィルタを有していないために、従来例のようなカラーフィルタによる光吸収を考慮する必要がなく、従来のものよりも低消費電力の光源を使用し得る。なお、フィールドシーケンシャル方式の液晶表示装置に使用される光源としては、略原色の発光色を有する背面照明を高速に切替発光できる発光ダイオード、無機ないしは有機EL(Electro Luminescence)素子が使用される。なお、本願明細書における「略原色」とは、R・G・BやC・M・Y等任意の組合せの3原色と白色の発光色の組合せを意味するものとして使用される。
このように、フィールドシーケンシャル方式の液晶表示装置は、低消費電力で、また、1画素で略原色の各色の光を時分割して透過させてカラー表示を行うことができるために、従来の液晶表示装置に比すると高精細化が可能であるが、液晶表示器として従来のものよりも高速応答が要求される。すなわち、色の切替に際してフリッカ(画像のちらつき)が生じないようにするためには、現在の慣用規格では1フィールドが1/60秒であるため、図1に示したように、1フィールド当たり1色の表示を行うためには1/180秒以下、すなわち約5.6m秒以下で切り替えする必要がある。従って、フィールドシーケンシャル方式の液晶表示器としては、従来のものよりも遙かに応答速度が速いものが必要とされており、現在においても更なる改良が進められている。
例えば、下記特許文献2には、発光部の単位発光期間内において液晶表示器への印加電圧のパターンを変化させることにより高速応答で多段階表示が可能な液晶表示装置が、また、下記特許文献3には、OCB(Optical Controlled Birefringence)モードの液晶表示器において、液晶分子を確実にベンド転移するようになすことにより液晶表示器の応答速度を高める技術が、それぞれ開示されている。
特開2001−100646号公報(特許請求の範囲、段落[0004]〜[1007]、[0042]〜[0072]、図1〜図3) 特許第3338438号公報(特許請求の範囲、段落[0038]〜[0048]、図3) 特開2000−321556号公報(特許請求の範囲、段落[0005]〜[0006]、段落[0015]〜[0024])
前記特許文献2に開示されている発明は、液晶表示器への印加電圧の観点から、また、前記特許文献3に開示されている発明は液晶分子の配向の観点から、共に液晶表示器の応答速度向上を図ったものであるが、未だにフィールドシーケンシャル方式の液晶表示装置として十分な高速応答性を達成するには至ってはいない。その理由の一つとして、フィールドシーケンシャル方式により液晶表示器を駆動する場合に、背面照明の発光に合わせてTFTを駆動するための最適条件が解明されていない点がある。そこで、本発明者等はフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置のTFTの最適駆動条件を探求して液晶表示器の応答速度の向上の可能性を検討することとした。
TFTは画素電極へのデータ信号入力を選択するスイッチング素子であり、ゲート電極、ドレイン電極、ソース電極、及び、非晶質半導体層より構成される電界効果トランジスタからなり、それぞれの電極は走査線、映像線及び画素電極に接続されている。走査線群は線順次に走査選択されて所定の走査時間の間、1走査線上の全てのTFTをONとし、このON期間中にデータ信号が各映像線を介してそれぞれの画素電極に入力される。共通電極は、走査信号に同期して電圧が設定され、対向する各画素電極との間で画素となる液晶容量が形成されて電圧が保持される。この保持電圧は間隙の液晶を駆動するとともに、次フィールドで正負反転して書き換えられるまで、液晶の駆動状態を所定の1走査期間維持する。
このフィールドシーケンシャル方式液晶表示器の一般的な構成及び等価回路を図2及び3を参照して簡単に説明する。なお、図2はこのフィールドシーケンシャル方式液晶表示器の1画素分の平面図であり、図3は数画素分の等価回路を示す図である。個々の画素電極LPは液晶表示器上の走査線Xn、Xn+1・・・と映像線Ym、Ym+1・・・で囲まれた区画に設けられており、この画素電極LPは等価的に液晶容量CLCで表わされている。通常液晶容量CLCには補助容量CSが並列に接続されている。液晶容量CLCの一端は駆動用のTFTのドレイン電極Dに接続されているとともに、他端は対向電極に接続されて所定の基準電圧Vcomが印加されている。
TFTは絶縁ゲート電界効果型の薄膜トランジスタからなり、そのソース電極Sは映像線Ym、Ym+1・・・に接続されて画像信号Vsigの供給を受け、また、ドレイン電極Dは液晶容量CLCの一端、すなわち画素電極LPに接続されている。さらに、TFTのゲート電極Gは走査線Xn、Xn+1・・・に接続されて所定のゲート電圧Vgateを有するゲートパルスGPが印加されるようになされている。そして、ドレイン電極とソース電極との間には寄生容量CDSがまた、液晶容量CLCとゲート電極Gとの間には結合容量CGDが形成される。この結合容量CGDは画素電極と走査線Xnとの間の浮遊容量成分とTFT内部のドレイン領域とゲート領域との間の寄生容量成分が合わさったものであり、後者の寄生容量成分が支配的であるので、以下、CGDをCDSと共に寄生容量と称する。
液晶表示器の画素に対して選択期間中に画像信号Vsigを書き込み、続く非選択期間中書き込まれた画像信号を保持して一フィールドが構成されるが、一フィールドにおける液晶画素の透過率はその間に液晶に印加される実効電圧によって決定される。したがって、TFTは、選択期間内に書き込みを完了するために必要なON電流が確保できるものでなければならず、また、一フィールド期間中に液晶画素を所定の表示状態に維持し続けるのに十分な実効電圧が得られるようにするために、非選択期間中あるいは保持期間中のリーク電流はできるだけ小さくする必要がある。
また、液晶表示器は、TFTがON状態となるとTFTのソース電極Sに印加されていた画像電圧Vsigが画素電極LPに印加されるが、画素電極LPの両端の電圧は、液晶容量CLC、補助容量CS、寄生容量CGD及びCDSの充放電を経ながら前記画像電圧Vsigに近づいていくので、少なくとも寄生容量CGD及びCDSが小さいほど、また、TFTのON電流が大きいほど、液晶表示器の応答速度が速くなる。したがって、液晶分子は駆動電圧を印加してもすぐに動くわけではないが、液晶表示器を高速に駆動するためにはTFTのON電流が大きいほど有利となる。
なお、一般的なフィールドシーケンシャル方式液晶表示器のTFTの構成は、図4に示したとおりであり、図4(a)は平面図、図4(b)は図4(a)のA−A’線に沿った断面図である。TFTのON電流を大きくするためには、TFTのサイズを大きくして、ソース電極Sとドレイン電極Dが対向している長さ、すなわちチャネル幅Wを大きくすると共に、両電極間の距離、すなわちチャネル長Lを短くすることにより一応達成できる。しかしながら、チャネル長Lは回路設計上一定の限度があるし、また、チャネル幅Wを大きくすることは、それに伴って寄生容量成分CGD及びCDSも大きくなる(図2参照)ため、液晶表示器の高速駆動の点からは相反する要因となってしまう。
そこで、本発明者等は、このフィールドシーケンシャル方式液晶表示器のTFTの駆動方法について、チャネル長L、チャネル幅W、ゲート電圧VG、ドレイン電流IDの関係を種々検討した結果、特定の条件下で駆動することによりTFTのON電流を増大させることができることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
すなわち、本発明の第1の目的は、TFTのON電流を増大させることができ、応答速度の速いフィールドシーケンシャル方式液晶表示器を提供することにある。
また、本発明の第2の目的は、前記フィールドシーケンシャル方式液晶表示器を使用した応答速度の速いフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置を提供することにある。
本発明の上記第1の目的は以下の構成により達成し得る。すなわち、本願の請求項1に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器の発明は、各画素の駆動用素子として薄膜トランジスタを有し、有彩色の背面照明と同期して駆動されるフィールドシーケンシャル方式型液晶表示器において、一定のソース電圧に対して、前記薄膜トランジスタのゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが15E−6VA以上となるチャネル領域を有した薄膜トランジスタで構成されていることを特徴とする。
また、本願の請求項2に記載の発明は、前記請求項1に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器は、ゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが20E−6VA以上80E−6VA以下となるチャネル領域を有していることを特徴とする。
また、本願の請求項3に記載の発明は、前記請求項1又は2に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器において、前記薄膜トランジスタのチャネル幅Wが24μm以上54μm以下であることを特徴とする。
また、本願の請求項4に記載の発明は、前記請求項1〜3の何れか1項に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器において、前記薄膜トランジスタのチャネル幅Wが24μm以上54μm以下であることを特徴とする。
更に、本発明の上記第2の目的は以下の構成により達成し得る。すなわち、本願の請求項5に記載の発明は、各画素の駆動用素子として薄膜トランジスタを有するフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置において、一定のソース電圧に対して、前記薄膜トランジスタのゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが15E−6VA以上となるチャネル領域を有した薄膜トランジスタで構成されたフィールドシーケンシャル方式液晶表示器と、該フィールドシーケンシャル方式液晶表示器の背面に設けられた略原色の発光色を有する背面照明を具備したことを特徴とする。
また、本願の請求項6に記載の発明は、前記請求項5に記載の液晶表示装置において、前記薄膜トランジスタは、ゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが20E−6VA以上80E−6VA以下となるチャネル領域を有していることを特徴とする。
また、本願の請求項7に記載の発明は前記請求項5又は6に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置において、前記薄膜トランジスタのチャネル幅Wが24μm以上54μm以下であることを特徴とする。
また、本願の請求項8に記載の発明は前記請求項5〜7のいずれか1項に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置において、前記フィールドシーケンシャル方式液晶表示器の液晶層の厚さが1.5μm以上3μm以下であることを特徴とする。
本発明の上記構成によれば、以下のような優れた効果を奏する。すなわち、本願の請求項1及び2に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器によれば、TFTのON電流が大きいので、高速応答のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器が得られ、これに加えて、有彩色の背面照明と同期して駆動されているので、通常はカラー表示用として使用されるR・G・Bに対応する各サブピクセルをそれぞれ独立した背面照明の色の画素として使用できるため、非常に高精細なフィールドシーケンシャル方式液晶表示器が得られる。
また、本願の請求項3に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器によれば、容易にTFTのゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが15E−6VA以上のもの、すなわちON電流が大きいものが得られるため、容易に高速応答のアクティブマトリクス型液晶表示器が得られる。
また、本願の請求項4に記載のアフィールドシーケンシャル方式液晶表示器によれば、液晶分子の動きが速くなるため、容易に高速応のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器が得られる。
更に、本願の請求項5及び6に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置によれば、フィールドシーケンシャル方式液晶表示器の応答速度が従来のものよりも速いので、フィールドシーケンシャル方式で駆動されるカラー表示用液晶表示装置として最適となる。
また、本願の請求項7に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置によれば、容易にTFTのゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが15E−6VA以上のもの、すなわちON電流が大きいフィールドシーケンシャル方式液晶表示器が得られるため、容易に高速応答のカラー表示用フィールドシーケンシャル方式液晶表示装置が得られる。
また、本願の請求項8に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置によれば、フィールドシーケンシャル方式液晶表示器の液晶分子の動きが速く、高速応答であるため、容易に高速応答のカラー表示用フィールドシーケンシャル方式液晶表示装置が得られる。
以下、本発明の実施例を図5及び図6を用いて説明する。ただし、以下に示す実施例は本発明の技術思想を具体化するためのフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置を例示するものであって、本発明をこの実施例のフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置に特定することを意図するものではなく、特許請求範囲に記載された技術的範囲に含まれるものに等しく適用し得るものである。
まず、本実施例において使用したフィールドシーケンシャル方式液晶表示器のTFT10の構成を図4(a)及び図4(b)に示す。このTFT10は、ガラス基板12の表面に絶縁膜14が設けられ、この絶縁膜14上に順次ゲート電極G、絶縁膜16及びアモルファス−シリコン等の半導体層18が積層され、この半導体層の表面にソース電極S及びドレイン電極Dが対向配置されている。そして、ドレイン電極Dとソース電極Sとの間の距離がチャネル長Lであり、ドレイン電極Dとソース電極Sとが対向している部分の長さがチャネル幅Wである。
まず、応答速度の速い液晶表示器を得るために、液晶層の厚さ(セルギャップ)を従来例の約5μmよりも小さい2μmとしたTN液晶を使用した液晶表示装置において、TFTのチャネル長Lを4μm一定とし、チャネル幅Wを6μm、12μm、24μm、36μm、43.5μm、53μmと変え、他の条件は全て一定となるようにした液晶表示器を作成した。この液晶表示装置に対し、ソース電圧4V一定の条件下で、ゲート電圧VGを15V〜20Vまでの範囲で変化させて流れたドレイン電流ID、すなわちON電流を測定した。VG=16V及びVG=20Vの条件下で流れたドレイン電流IDを図5に示す。
ドレイン電流IDが1.00E−6A未満であると満足な応答速度が得られないので、IDが1.06E−6A以上となる条件を求めると、ゲート電圧VG=16Vの場合はチャネル幅Wが約30μm以上となり、VG=20Vの場合はチャネル幅Wが約24μm以上となる。チャネル幅W=6μm及び12μmの場合はVGを変えてもIDが1.06E−6Aには達しない。チャネル幅Wは、53μmより大きくすればよりドレイン電流を大きくすることが期待されるが、TFTの大きさもチャネル幅Wの大きさに比例して大きくなるため、1画素内に占める光の透過領域、すなわち開口率が小さくなるので好ましくはないので、最大54μm程度に止めるべきである。
そこで、各ゲート電圧VGにおけるゲート電圧の相違を吸収するためにIG×IDの値で規格化すると、IG×IDが15E−6VA以上となるとドレイン電流IDが1.06E−6(A)以上となることが確認された。IG×IDの最大値は、チャネル幅53μmでVG=20Vのときの80E−6VAであった。チャネル幅W=6μm及び12μmの場合は、IG×IDは8〜12E−6VAと低く、液晶分子の動きが遅く、フィールドシーケンシャル方式の液晶表示器としては適しない。好ましい範囲は、IG×IDが15E−6VA以上であって、より好ましくは20E−6VA〜80E−6VAであった。この範囲内であれば、液晶分子の動きが速く、背面照明の点灯についてこられるので、フィールドシーケンシャル方式の液晶表示器として使用できる。
なお、本実施例では、液晶表示器の応答速度を速くするために、液晶層の厚さが2μmの薄くしたものを使用したが、この液晶層の厚さは1.5μm〜3μmの範囲内であれば上述の条件下において高速応答の液晶表示器が得られる。液晶層の厚さが1.5μm未満だと画質が悪化するので好ましくはなく、3μmを超えると応答速度が遅くなり、フィールドシーケンシャル方式の液晶表示器としては適さない。
なお、上記実施例で得られたフィールドシーケンシャル方式液晶表示器は、所定の背面照明と組み合わされてフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置となる。この際、略原色の発光色を有する背面照明と同期してフィールドシーケンシャル方式液晶表示器を駆動すると、応答速度が速いカラー表示用フィールドシーケンシャル方式のフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置が得られる。
フィールドシーケンシャル方式の液晶表示装置の表示原理を説明する図である。 フィールドシーケンシャル方式液晶表示装置の1画素分の平面図である。 フィールドシーケンシャル方式液晶表示装置の数画素分の等価回路を示す図である。 フィールドシーケンシャル方式の液晶表示装置のTFTの構成を説明する図であり、図4(a)は平面図、図4(b)は図4(a)のA−A’線に沿った断面図である。 フィールドシーケンシャル方式液晶表示装置のTFTにおけるゲート電圧VGの差異によるチャネル幅Wとドレイン電流IDとの関係を示す図である。
符号の説明
Xn、Xn+1・・・ 走査線
Ym、Ym+1・・・ 映像線
LC 液晶容量
S 補助容量
D ドレイン電極
G ゲート電極
S ソース電極
GD、CDS 寄生容量
10 TFT
12 ガラス基板
14 絶縁膜
16 絶縁膜
18 半導体層

Claims (8)

  1. 各画素の駆動用素子として薄膜トランジスタを有し、有彩色の背面照明と同期して駆動されるフィールドシーケンシャル方式液晶表示器において、一定のソース電圧に対して、前記薄膜トランジスタのゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが15E−6VA以上となるチャネル領域を有した薄膜トランジスタで構成されていることを特徴とするフィールドシーケンシャル方式液晶表示器。
  2. 前記薄膜トランジスタは、ゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが20E−6VA以上80E−6VA以下となるチャネル領域を有していることを特徴とする請求項1に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器。
  3. 前記薄膜トランジスタのチャネル幅Wが24μm以上54μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器。
  4. 前記フィールドシーケンシャル方式液晶表示器の液晶層の厚さが1.5μm以上3μm以下であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示器。
  5. 各画素の駆動用素子として薄膜トランジスタを有するフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置において、一定のソース電圧に対して、前記薄膜トランジスタのゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが15E−6VA以上となるチャネル領域を有した薄膜トランジスタで構成されたフィールドシーケンシャル方式液晶表示器と、該フィールドシーケンシャル方式液晶表示器の背面に設けられた略原色の発光色を有する背面照明を具備したことを特徴とするフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置。
  6. 前記薄膜トランジスタは、ゲート電圧VGとドレイン電流IDの積VG×IDが20E−6VA以上80E−6VA以下となるチャネル領域を有していることを特徴とする請求項5に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置。
  7. 前記薄膜トランジスタのチャネル幅Wが24μm以上54μm以下であることを特徴とする請求項5又は6に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置。
  8. 前記フィールドシーケンシャル方式液晶表示器の液晶層の厚さが1.5μm以上3μm以下であることを特徴とする請求項5〜7の何れか1項に記載のフィールドシーケンシャル方式液晶表示装置。
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