JP2009139970A - 液晶の高速駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３色バックライトを用いてカラー表示を行う場合にブラウン管ディスプレイと同等以上の速さで液晶を駆動することができない。
【解決手段】１枚の液晶パネルと、液晶パネルに一定の周期で点滅する照明手段とを設け、液晶パネル内の液晶を挟む２つの電極間に階調データに基づいた第１の電圧を印加する第１のステップと、２つの電極間に前記階調データに無関係に第２の電圧を印加する第２のステップと、を一定の周期内において一定の時間比率で順次切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は液晶の高速駆動方法、殊に階調表示を行う液晶の高速駆動方法に関するものである。

透明電極を有する２枚の透明な平板に、液晶を挟んで、２枚の偏光板の間に置くと、前記２つの透明電極に印加する電圧に応じて、前記２枚の偏光板を通る光の透過率が変化することが知られている。
この原理を用いた液晶表示装置は、厚さが薄く、電力消費が少ないなどの特徴を備え、腕時計や電卓をはじめ広く使われている。

また、近年ではカラーフィルタと組み合わせて、ノートパソコンや小型の液晶テレビなどのカラー表示ディスプレイ装置に使われている。

カラーフィルタと組み合わせて、カラー表示を可能とした液晶表示装置においては、赤、緑、青の３色のドットを組み合わせてカラー表示を行っている。
このカラーフィルタは非常に高価で、パネルに張り合わせる作業も高い精度が要求される。

さらに、白黒表示の液晶パネルと同等の解像度を出すためには、３倍のドット数が必要となるため、通常の液晶パネルでは、水平方向の駆動回路の数が３倍となってしまい、コストがかかるとともに、パネルと駆動回路の接続点数も３倍となるため、接続作業も困難になってしまう。

従って、液晶パネルを使ってカラー表示をする方法として、カラーフィルタを使う方式は、コスト的には高価になる要素が多く、安価に製造することが困難であった。また、カラーフィルタによる光の透過率が約２０パーセントしかなく、カラーフィルタを使うことによって明るさが約５分の１になってしまうため、バックライトの消費電力が非常に大きくなってしまうという欠点があった。

また、従来の液晶表示装置では、液晶パネルの応答速度が遅いため、テレビなどの動画再生をする場合や、パソコンなどのマウスカーソルを高速で動かした場合などでは、ブラウン管を使用したディスプレイに較べ、性能的に劣っていた。

カラーフィルタを使用しないカラー液晶表示装置としては、特開平１−１７９９１４の様に、白黒液晶パネルと３色バックライトを組み合わせてカラー表示を行う方法が提案されており、カラーフィルタ方式に較べ、安価に高精細のカラー表示を実現出来る可能性がある。

前記カラー表示方法においては、フリッカーのない表示を得るためには、同一色のバックライトの点滅周波数は最低でも４０Ｈｚ以上、望ましくは６０Ｈｚ以上の高速で行う必要がある。従って、液晶表示の周波数としてはさらにその３倍となるので１８０Ｈｚとなり、液晶表示の周期は５．５ミリセカンドとなる。

バックライトの点灯時間としては、冷陰極管を用いた場合には、白色管に較べて、赤、緑、青の短残光の蛍光体を使う冷陰極管では入力電力に対する光の変換効率が半分近くに落ちるものの、カラーフィルタを無くすことによって透過率が５倍増加する為、白色管１本を使う場合と同等の表示輝度を赤、緑、青３色各１本で得る為に必要な点灯時間としては、表示周期の約５分の２の２ミリセカンド以上が必要となる。従って、表示周期５．５ミリセカンド中２ミリセカンドをバックライトの点灯に使うと、液晶パネルの応答速度としては、３．５ミリセカンド以下で安定する必要がある。グラフィック表示などで画面を走査する場合には、さらに画面の色むらを無くすために走査周期を１０００Ｈｚと高速走査をした場合でも、１ミリセカンドの余裕をさらにとる必要があるため、液晶パネルの応答速度としては、２．５ミリセカンド以下で安定する必要がある。

しかしながら、一般的に使われているＴＮ液晶やＳＴＮ液晶等のネマティック液晶を使った液晶表示装置では、応答速度は数十ミリセカンドから数百ミリセカンドかかっていた。

高速に動作する液晶パネルとして、強誘電液晶や反強誘電液晶を使った液晶パネルが提案されているが、液晶パネルのセルギャップが１μｍ以下と非常に狭いギャップを±０．０５μｍ以下のばらつきで高精度に製造する必要があるなど、製造の課題が多く、実用化に至っていない。

液晶パネルの応答速度を高速化する手段として、セルギャップを狭くすることにより、応答速度がセルギャップの２乗に反比例して早くなることが知られている。ＴＮ液晶の場合には、低粘性の液晶材料を選びセルギャップを２μｍにすることにより、応答速度を２〜３ミリセカンド以下に容易に高速化できる。また、セルギャップを２μｍと狭くしても、許容範囲が±０．４μｍの範囲でも均一な表示が得られるため、大型パネルの製造に対しても大きな問題は無い。従って、３色バックライトを用いて各色２階調で８色表示することは、前述の狭ギャップのＴＮ液晶で実現することが可能となる。

近年パソコン用表示装置として、省スペース、省電力等の点で、ブラウン管に変わり液晶表示装置が使われてきている。ところが、パソコン用ソフトにおいては多色表示に対応したものが急速に普及しており、表示装置においても各色２５６階調の１６７７万７２１６色表示が求められている。また、パソコン用途以外でも、ビデオ画像を表示するためには、各色６４階調以上の多色表示が求められている。

液晶パネルの階調表示の方式としては、ＴＮ液晶や反強誘電液晶の様に、電圧に対する透過率の変化が緩やかな液晶では、電圧による階調制御が行われ、ＳＴＮ液晶や強誘電液晶の様に、電圧に対して透過率が２値しかない液晶では、白と黒の表示している時間の比率を変化させて表示する方法か、複数の画素を集めて平均化する方法が採られている。

ところが、前述の３色バックライトを用いたカラー表示方法では、表示の周期が短いために、白と黒の時間の比率を変化させる方法では、制御回路の動作周波数が高くなりすぎて、階調数を多くとれない。また、複数のドットを集めて平均化する方法では、カラーフィルタ方式に較べて画素数を３分の１に削減できる利点が失われてしまう。

従って、３色バックライトを用いたカラー表示方法において、多色表示を行う場合は、電圧による階調制御を行う必要がある。しかしながら、一般的に液晶パネルの応答速度は、白から黒あるいは黒から白に変化する場合に較べて、中間調からあるいは中間調への変化は数倍以上遅くなってしまう。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、中間調表示を含めた応答速度を速め、前述の３色バックライトによるカラー化や、動画再生においてブラウン管を使用したディスプレイと同等以上の性能を得ることを可能とする、つまり、応答速度の高速化を図ることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る液晶の高速駆動方法は、
１枚の液晶パネルと、前記液晶パネルに一定の周期で点滅する照明手段とを設け、
前記液晶パネル内の液晶を挟む２つの電極間に階調データに基づいた第１の電圧を印加する第１のステップと、
前記２つの電極間に前記階調データに無関係に第２の電圧を印加する第２のステップと、
を前記一定の周期内において一定の時間比率で順次切り替える
構成とした。

ここで、前記液晶がＴＮ液晶である構成とできる。

また、前記照明手段が赤、緑、青の３色の光源を独自に発光する照明手段であり、前記各光源を前記一定の周期単位で切り替えながら点滅する構成とできる。

また、前記第２のステップは、前記照明手段を消灯するステップを含む構成とできる。

また、前記第１および第２のステップは、前記一定の周期内で、前記２つの電極間の平均電圧をほぼ０とする様、前記２つの電極間の電圧の極性を反転させる構成とできる。

また、前記２つの電極間に前記階調データに無関係に前記第２の電圧とは絶対値が異なる第３の電圧を印加する第３のステップをさらに備え、
前記第１のステップと前記第２のステップと前記第３のステップとを一定の周期内において一定の時間比率で順次切り替える構成とできる。

また、前記第２又は第３のステップの前記第２および第３の電圧のうち少なくとも１つの電圧の絶対値は、前記第１のステップの前記第１の電圧の絶対値の範囲中の最大値と同じかあるいはそれ以上の値である構成とできる。

本発明に係る液晶の高速駆動方法によれば、１枚の液晶パネルと、液晶パネルに一定の周期で点滅する照明手段とを設け、液晶パネル内の液晶を挟む２つの電極間に階調データに基づいた第１の電圧を印加する第１のステップと、２つの電極間に階調データに無関係に第２の電圧を印加する第２のステップと、を一定の周期内において一定の時間比率で順次切り替える構成としたので、液晶の応答速度の高速化を図れる。

本発明の液晶の印加電圧の変化に対する光透過率の時間変化を示す図である。 従来技術による液晶の印加電圧の変化に対する光透過率の時間変化を示す図である。 本発明の液晶の印加電圧の変化に対する光透過率の時間変化を示す図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する
図１は本発明の好ましい実施の形態を示すものであり、ノーマリーホワイトのＴＮ液晶パネルに対する印加電圧波形とその絶対値、光透過率の変化、赤、緑、青の３色バックライトの点灯タイミングを示している。図２は本発明の実施の形態に対応させた従来技術における、ノーマリーホワイトのＴＮ液晶パネルに対する印加電圧波形とその絶対値、光透過率の変化、赤、緑、青の３色バックライトの点灯タイミングを示している。

図１及び図２におけるＴＮ液晶パネルは、従来から使われているＴＮ液晶パネルと基本的に同一構造で、ＴＮ液晶材料及びセルギャップなどを最適化して高速化したパネルである。高速化の手法としては、前述の様に例えば、ＴＮ液晶パネルでセルギャップを２μｍにすれば、ノーマリーホワイトの場合、白から黒の応答速度は１ミリセカンド以下、黒から白への応答速度は２ミリセカンド程度まで高速化することは容易に行える。図１及び図２における液晶パネルは同一のパネルについてのものである。また、図１におけるＴ１からＴ６及び、図２におけるＵ１からＵ６は同一時間であって時間の長さは、前述した３色バックライト方式によるカラー化に必要な液晶パネルの駆動周期である５．５ミリセカンドである。

従来から知られている様に、液晶パネルの印加電圧に対する光透過率の変化は、印加する電圧の極性には関係がない。ただし、液晶パネルに直流電圧を印加し続けると、液晶材料が電気化学反応により劣化するなどの問題があるため一定時間毎に印加する電圧の極性を反転させることが一般に行われている。本発明の実施の形態でも、極性反転は行っているが、本発明の目的である液晶の高速駆動に対して、極性反転を行うことで液晶の応答速度は大きく変化しない。本発明における液晶パネルの印加電圧では、極性に関係なく絶対値が問題となる。以下図１及び図２の比較により本発明の動作を説明する。

一般的に、液晶パネルの応答速度については、絶対値が高い印加電圧を加えた場合には、以前の状態が中間調の場合でも、高速に応答することが知られている。

図１における本発明の実施の形態の駆動方法では、Ｔ１からＴ６の各期間において、画像の階調データに応じて印加電圧の絶対値がＶ１から０Ｖの範囲で出力される時間と別に各期間の終わりに一定時間だけ印加電圧の絶対値が、Ｖ１になる様に、液晶パネルに電圧を印加している。Ｖ１の電圧が十分高い場合においては、前述の様に、いずれの透過率からでも、黒になるまでの時間を１ミリセカンド以下にすることが可能となる。

この場合、透過率だけではなく、液晶分子そのものの状態もほぼ一定状態になるため、次の期間に前の期間における透過率の状態が影響することもない。

従って、バックライトが点灯開始する時点において、透過率が定常状態になっていなくとも、該当する期間に対応した画像の階調データに対応した表示が可能となり、該当する期間以外の画像の階調データに、表示が影響されることを防ぐことが可能となる。また、中間調の階調データに対する応答速度も、必ず、黒の状態から変化するため、中間調から変化する場合に較べて、応答速度を安定して短くすることが可能となる。

つまり、本発明は、特に３色バックライトを用いたカラー表示方法においては、３色バックライトが全て消灯している時間が周期的に発生することに着目した。３色バックライトが全て消灯している時間は、液晶パネルの透過率がどの様な状態でも画質に影響しないことを利用し、従来の液晶パネルの駆動回路と異なるタイミングで液晶に電圧を印加することで、中間調を含めた液晶パネルの応答速度を速め、明るく低消費電力のカラー液晶パネルを得ることを可能とした。

図２における従来の駆動方法では、Ｕ１からＵ６の各期間において、画像の階調データに応じて印加電圧の絶対値がＶ１から０Ｖの範囲で出力されている。しかしながら、前述の様に中間調からの応答速度は数倍遅くなってしまうため、画像の階調データによっては、５．５ミリセカンドという短い時間では応答出来なくなってしまう。また、本発明の実施の形態と比較すると、表示が該当する期間の階調データ以外に、該当する期間の前の液晶の分子の状態に大きく影響を受けるため、各期間において、階調データに応じた表示を、５．５ミリセカンドという短い周期で行うことは非常に困難であった。

図３は本発明の別の実施の形態であり、ノーマリーホワイトのＴＮ液晶パネルに対する印加電圧波形とその絶対値、光透過率の変化、赤、緑、青の３色バックライトの点灯タイミングを示している。図３における本発明の実施の形態では、図１における本発明の実施の形態に対し、さらに液晶パネルの応答速度を改善したものである。

図３におけるＴＮ液晶パネルは、前述の図１及び図２における液晶パネルと同一のパネルについてのものである。また、図３におけるＷ１からＷ６は、図１におけるＴ１からＴ６及び、図２におけるＵ１からＵ６と同一時間であって時間の長さは、前述した３色バックライト方式によるカラー化に必要な液晶パネルの駆動周期である５．５ミリセカンドである。

図３における本発明の実施の形態の駆動方法では、図１における本発明の実施の形態と同様に、Ｗ１からＷ６の各期間において、画像の階調データに応じて印加電圧の絶対値がＶ１から０Ｖの範囲で出力される時間と別に、各期間の終わりに一定時間だけ印加電圧の絶対値がＶ１になる様に、液晶パネルに電圧を印加している。さらに、図３における本発明の実施の形態においては、前述の各期間の終わりに一定時間だけ印加電圧の絶対値がＶ１になる様に、液晶パネルに電圧を印加した後、一定時間だけ印加電圧の絶対値がほぼ０Ｖになる様に、液晶パネルに電圧を印加している。

一般的に、液晶パネルの応答速度は、黒から中間調に変化する場合に較べて、黒から白に変化する場合の方が速い。従って、一定時間だけ印加電圧の絶対値がほぼ０Ｖになる様にすることにより、図１における本発明の実施の形態に対し、図３における本発明の実施の形態では、中間調に対する液晶パネルの応答速度がさらに改善される。

図３においては、Ｗ１及びＷ４の期間の様に、画像の階調データが黒の場合にも、液晶パネルの透過率が変化する時間が発生するが、バックライトが消灯しているので、表示に対しての影響はない。

本発明の実施の形態では、図１のＴ１からＴ６の各期間及び、図３のＷ１からＷ６の各期間での平均電圧がほぼ０Ｖになる様に各期間内で極性反転を行っている。これは、液晶が高速に動作するため、各期間毎に極性を反転すると、正の印加電圧と負の印加電圧の微妙な絶対値の差により、フリッカーが発生してしまうのを防ぐためある。また、非常に短い周期で極性反転をすることにより、液晶パネル内のギャップむらによって発生する液晶パネル内の応答速度のむらが改善される。従って、ギャップの許容範囲を広くすることが可能となり、液晶パネルの製造の歩留まりの向上が計れる。

本発明の実施の形態では、電圧無印加の状態で黒を表示するノーマリーブラックの液晶パネルについて説明したが、電圧無印加の状態で白を表示するノーマリーホワイトの液晶パネルについても同様の効果を発揮できる。また、液晶の印加電圧と光透過率の関係が一般的な液晶パネルと異なる特殊な液晶パネルについても、同様に所定の周期で階調データに無関係に印加する電圧の値を適正な値に設定することにより同様の効果を発揮できる。

本発明の実施の形態において、コントラスト比の高い表示を行うためには、一周期で、液晶パネルの光透過率が変化した後、光透過率が元の状態に戻る必要がある。
従って、本発明の実施の形態においては、フレーム周期を短くすると光透過率が完全に元の状態に戻る前に次の周期に移ってしまい。コントラストが低下してしまう。一方、フレーム周期を遅くすればフリッカーが発生するなど、不具合が発生してしまう。

光透過率が元の状態に戻る時間は、液晶材料の特性、特に液晶材料の粘性などにより大きく変化する。
従って、光透過率が元の状態に戻る時間の短い液晶材料を選択することにより、フリッカーの発生を押さえながら、コントラスト比の高い表示を行うことが可能となる。
また、光透過率が元の値に戻る時間が液晶材料の粘性などに大きく影響を受けることから、液晶パネルの温度を上げることにより、液晶材料の粘性を下げ、液晶材料を変更しなくてもコントラスト比の高い表示を行うことも可能である。

本発明の実施の形態においては、電圧波形を変更することにより、液晶パネルに中間調を含めた画像を描きその画像が完全に消えるまでが、非常に短い時間で行うことが可能となり、非常に高速な応答速度が得られ、フルカラーの動画再生に最適な方式である。

また、本発明の実施の形態では、ＴＦＴ方式に使われている液晶の印加電圧波形と基本的に同一であり、ＴＦＴ方式の液晶パネルに使うことができる。また、その他の駆動方式に対しても、印加電圧を所定の周期で所定の時間、階調データに無関係な所定の電圧にすることにより、液晶の応答速度を高速化できる。

さらに、液晶パネルに画像を描きその画像が完全に消えるまでが、１フレーム期間中に行われる方式であるため、前述の３色バックライトを使用したカラー表示方法に最適の方法であり、高性能でしかも低価格なカラー表示ディスプレイを実現できる。

Claims (7)

1. １枚の液晶パネルと、前記液晶パネルに一定の周期で点滅する照明手段とを設け、
   前記液晶パネル内の液晶を挟む２つの電極間に階調データに基づいた第１の電圧を印加する第１のステップと、
   前記２つの電極間に前記階調データに無関係に第２の電圧を印加する第２のステップと、
   を前記一定の周期内において一定の時間比率で順次切り替える
   ことを特徴とする液晶の高速駆動方法。
2. 前記液晶がＴＮ液晶であることを特徴とする請求項１に記載の液晶の高速駆動方法。
3. 前記照明手段が赤、緑、青の３色の光源を独自に発光する照明手段であり、前記各光源を前記一定の周期単位で切り替えながら点滅することを特徴とする請求項１または２に記載の液晶の高速駆動方法。
4. 前記第２のステップは、前記照明手段を消灯するステップを含むことを特徴とする請求項１、２または３に記載の液晶の高速駆動方法。
5. 前記第１および第２のステップは、前記一定の周期内で、前記２つの電極間の平均電圧をほぼ０とする様、前記２つの電極間の電圧の極性を反転させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液晶の高速駆動方法。
6. 前記２つの電極間に前記階調データに無関係に前記第２の電圧とは絶対値が異なる第３の電圧を印加する第３のステップをさらに備え、
   前記第１のステップと前記第２のステップと前記第３のステップとを一定の周期内において一定の時間比率で順次切り替えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液晶の高速駆動方法。
7. 前記第２又は第３のステップの前記第２および第３の電圧のうち少なくとも１つの電圧の絶対値は、前記第１のステップの前記第１の電圧の絶対値の範囲中の最大値と同じかあるいはそれ以上の値であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の液晶の高速駆動方法。

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