JP2009192937A

JP2009192937A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2009192937A
Application number: JP2008035051A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Kaneko; 直裕金子
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】液晶パネルに交番電圧を印加してスタティック駆動により表示を行う液晶表示装置において、消費電力を低減する。
【解決手段】２枚の下基板１及び上基板２に挟持される液晶層４は、厚さ１μｍ〜３μｍを有し、２枚の基板の一方又は両方の内面に形成される透明電極３、５と、液晶層４との間には、厚さ０．０３μｍ〜３μｍの第１の絶縁膜８が形成され、上記交番電圧は、周波数が０．５Ｈｚ〜１６Ｈｚであることを特徴とする液晶表示装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、スタティック駆動により表示動作を行う液晶表示装置に関する。

従来から、パーソナルコンピュータや携帯電話等に液晶表示装置が利用されている。液晶表示装置は、薄型軽量であり低消費電力の表示装置として広く実用化されている。図６は、従来公知の液晶表示装置の模式的な縦断面図である。液晶パネル５０は、下基板５１と上基板５２がシール材５６を介して液晶層５４を挟むように構成されている。下基板５１の内面及び上基板５２の内面には、下透明電極５３及び上透明電極５５が互いに交差するように形成されている。ギャップ材５７は、液晶層５４を所定の厚さに維持するために設けられている。液晶層５４の厚さは、通常３μｍ〜５μｍである。下透明電極５３及び上透明電極５５の表面には、図示しない配向膜が形成され、液晶層５４の基板表面における液晶分子の配向方向を規制している。更に、下基板５１、及び上基板５２の夫々の外面には図示しない偏光板が設けられている。下透明電極５３と上透明電極５５に交番電圧を与えることにより、液晶層５４の液晶分子配向が変化し、その配向変化を図示しない偏光板により可視化して、表示を行う。

液晶パネル５０の液晶層に印加する駆動電圧と、液晶パネル５０を透過する光の輝度特性を図７に表す。横軸が駆動電圧を示し、縦軸が液晶パネル５０の輝度特性を示す。輝度特性は、偏光板の向きによって、電圧無印加時に光を透過し、電圧印加時に光を遮光する場合と、電圧無印加時に光を遮光し、電圧印加時に光を透過する場合がある。白レベルと黒レベルが逆転するが、輝度特性は同じである。図７から、駆動電圧が上昇するに従い、液晶パネル５０の輝度は急激に低下する。ここで、輝度特性が１０％低下する駆動電圧をしきい値電圧Ｖｔｈとし、９０％低下する駆動電圧を飽和電圧Ｖｓａｔとする。

この種の液晶表示装置を、面表示や画素数の少ないセグメント表示として使用する場合に、スタティック駆動や、これに近い駆動形式により駆動される。液晶表示装置の消費電力はできるだけ低減したい。特に携帯機器に使用する場合には、極力消費電力の低減が求められる。液晶層５４は、基本的に容量素子である。従って、消費電力は液晶層５４の容量と駆動周波数に比例する。つまり、駆動電圧の周波数を下げることができれば、消費電流を低減できる。
液晶ハンドブック第３９０頁〜第３９１頁

図８を用いて、駆動電圧の周波数を変えたときの、液晶表示装置の輝度特性の変化を説明する。図８（ａ）は、周波数３２Ｈｚの駆動電圧を与えたときの、輝度特性を表す。図８（ａ）の上段が、下透明電極５３と上透明電極５５を介して液晶層５４に印加する駆動電圧の波形を表し、横軸が時間、縦軸が電圧である。図８（ａ）の下段は、上記駆動電圧を液晶層５４に与えたときの、液晶パネル５０の輝度特性を示す。液晶パネル５０をスタティックに駆動する場合、通常、液晶の飽和電圧Ｖｓａｔから飽和電圧Ｖｓａｔの２倍の電圧を印加する。例えば液晶の飽和電圧Ｖｓａｔが３Ｖの場合に駆動波形は、電圧が±５
Ｖの矩形波を印加する。液晶パネル５０を透過する光強度、即ち輝度は、駆動電圧が与えられたときに急激に低下する。また、駆動電圧の極性が反転するたびに輝度が変化する。即ち、反転直後は輝度が低下し、その後時間の経過に伴って輝度が上昇する。そして次の反転のときに再び輝度が低下する。これを繰り返す。従って、駆動電圧が与えられている期間、光強度は波状に変化する。しかし、その変化の振幅は小さく、周波数が３２Ｈｚ、或いはその２倍の６４Ｈｚを有するため、フリッカーとして観察者に認識されない。

図８（ｂ）は、駆動電圧の周波数を１６Ｈｚにしたときの、輝度変化を表している。周波数は３２Ｈｚ駆動の場合の１／２であるために、周波数３２Ｈｚ駆動の場合に対して消費電力は約１／２になる。図８（ｂ）の上段が駆動電圧を表し、図ｂ（ｂ）の下段が液晶パネル５０の輝度特性を表す。駆動電圧が与えられると、輝度は急激に低下する。駆動電圧の極性が反転するたびに、液晶パネル５０の輝度が変化する。その輝度変化の振幅が大きく、周波数も低いため、観察者にはフリッカーとして認識される。図８（ｃ）は、駆動電圧の周波数を８Ｈｚにしたときの、液晶パネル５０の輝度度変化を表している。周波数３２Ｈｚ駆動の場合に対して、消費電力は約１／４となる。図８（ｃ）の上段が駆動電圧波形を表し、図８（ｃ）の下段が液晶パネル５０の輝度特性を表している。同図から明らかに、駆動電圧印加後の輝度変化が大きくなり、観察者にフリッカーとして認識され、非常に見難い表示となる。

上記の通り、スタティック駆動を行う場合に、駆動周波数を３２Ｈｚから１６Ｈｚ或いは８Ｈｚに低下すれば、消費電流は１／２或いは１／４に低減できるが、フリッカーが現れて、表示品質が低下する。

上記課題を解決するために、本発明の液晶表示装置は、内面に透明電極を形成した２枚の基板間に厚さ１μｍ〜３μｍの液晶層を挟持し、２枚の基板のうち、少なくとも一方の基板表面に形成された透明電極と液晶層との間には、厚さ０．０３μｍ〜３μｍの第一の絶縁膜が形成されており、２枚の基板の透明電極に周波数０．５Ｈｚ〜１６Ｈｚの交番電圧を与えて表示を行うこととした。

さらに、透明電極と基板の間に、厚さ０．５μｍ〜３μｍの第二の絶縁膜を形成する。これにより、液晶層の電荷保持特性が更に改善される。その結果、より低い交番電圧で駆動しても、フリッカーの発生の少ない表示を得ることができ、消費電力を更に低減することができる。

上記構成とすることにより、駆動周波数を３２Ｈｚ以下としても、フリッカーの見えない高品質の表示を得ることができ、消費電力を大幅に低減することができる、という利点を有する。

本発明の液晶表示装置は、透明電極が形成された基板と、対向透明電極が形成された対向基板と、基板と対向基板の間隙に挟持された液晶層を備えており、透明電極と対向透明電極に交番電圧を与えて表示動作を行う液晶表示装置である。このとき、液晶層の厚さは１μｍ〜３μｍであり、基板表面に形成された透明電極と液晶層との間には、厚さ０．０３μｍ〜３μｍの第一の絶縁膜が設けられている。この絶縁膜を設けたことにより、液晶層の電荷保持特性が向上し、透明電極と対向透明電極に印加する交番電圧の周波数を０．５Ｈｚ〜１６Ｈｚとしても、フリッカーが現れない表示を得ることができた。その結果、消費電力を従来の１／２〜１／１０以下に低減することができた。

さらに、対向透明電極と対向基板の間に第二の絶縁膜を設けた。あるいは、透明電極と基板の間に第二の絶縁膜を設けてもよい。これにより、液晶層の電荷保持特性が更に改善される。その結果、より低い交番電圧で駆動しても、フリッカーの発生の少ない表示を得ることができ、消費電力を更に低減することができる。また、第二の絶縁膜を対向透明電極と対向基板の間、及び透明電極と基板の間の両方に設けても良い。

ここで、第二の絶縁膜の厚さは０．５μｍ〜３μｍが適している。第二の絶縁膜の材質としてアクリル系樹脂が適している。また、交番電圧を液晶の飽和電圧（Ｖｓａｔ値）の２倍以上の電圧にすることにより、より低い周波数領域でもフリッカーの発生を抑えることができる。以下、本発明の液晶表示装置を、図面を用いて具体的に説明する。

（実施例１）図１は、本実施例に係る液晶表示装置の模式的な縦断面図である。液晶表示装置は、液晶パネル１０と駆動回路９から構成されている。液晶パネル１０は、ガラス等からなる下基板１と、シール材６を介して対向して配置されるガラス等からなる上基板２と、これらの間隙に封入される液晶層４から構成される。下基板１の液晶層４側の表面にはＩＴＯ等からなる下透明電極３が形成されている。上基板の液晶層４側の表面には、同様にＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等からなる上透明電極５が形成されている。各透明電極はストライプ状の多数の電極から構成され、上透明電極５と下透明電極３とは互いに直交する。上透明電極５の液晶層４側には、オーバーコートとしての第一の絶縁膜８が形成されている。液晶層４は、ギャップ材７により一定の厚さに維持されている。下透明電極３と上透明電極５との間には、駆動回路９から交番電圧が供給され、液晶層４に交番電圧が印加されるように構成されている。

ここで、液晶層４は１μｍ〜３μｍの薄い厚さを有している。第一の絶縁膜８は、厚さ約０．０５μｍのシリコン酸化膜により構成されている。また、下基板１の下透明電極３の上には図示しないポリイミド樹脂からなる薄い配向膜が形成されている。同様に、上基板２の第一の絶縁膜８の液晶層４側の表面には、図示しない配向膜が形成されている。

図２は、上記液晶パネル１０に交番電圧からなる駆動電圧を印加したときの輝度特性を表している。第２図（ａ）は、周波数３２Ｈｚ、電圧±７Ｖの交番電圧を与えたときの光強度特性を表している。この液晶層４の飽和電圧は、約３Ｖである。第２図（ａ）の上段が、駆動電圧の波形であり、横軸が時間、縦軸が電圧を表している。同図の下段が、印加された交番電圧に応じた液晶パネル１０の輝度特性を表す。駆動電圧が印加された直後から輝度は一定となり、フリッカーは全く現れていない。

第２図（ｂ）は、周波数１６Ｈｚ、電圧±７Ｖの交番電圧を与えたときの輝度特性を表している。第２図（ｂ）の上段が駆動電圧波形、同図の下段が、液晶パネル１０の輝度特性を表している。その他は、第２図（ａ）と同様である。電圧が印加された直後から輝度は一定となり、３２Ｈｚ駆動の場合と同様にフリッカーは全く表れていない。そして、周波数が低減したことにより、３２Ｈｚ駆動と比較すると消費電力は概ね１／２となった。

第２図（ｃ）は、周波数８Ｈｚ、電圧±７Ｖの交番電圧を与えたときの輝度特性を表している。第２図（ｃ）の上段が駆動電圧波形、同図下段が、液晶パネル１０の輝度特性を表している。その他は図２（ａ）と同様である。駆動電圧が印加された直後から、液晶パネル１０の輝度は一定となり、１６Ｈｚ駆動の場合と同様に、フリッカーはまったく表れない。実際には、周波数を０．５Ｈｚ程度で駆動しても、フリッカーは発生しない。しかし、交番電圧の周波数を０．５Ｈｚ以下とすると、液晶材料の不純物が配向膜に吸着する焼きつき減少が発生して、液晶の寿命が短くなり、好ましくない。

（実施例２）図３は、本実施例に係る液晶表示装置の液晶パネル１０の模式的な縦断面図である。図１と異なる部分は、下透明電極３と下基板１との間にトップコートとしての第二の絶縁膜１１を設けた点にある。その他の構成は、図１と同様なので、説明を省略する。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

第二の絶縁膜１１は下基板１よりも体積抵抗が高い材料を使用するのが好ましい。第二の絶縁膜１１の体積抵抗を高くすることにより、液晶層４の電荷保持特性が向上する。下透明電極３及び上透明電極５の間に印加される交番電圧である駆動電圧の周波数が低下しても、液晶層４に蓄積された電荷が保持されて、液晶分子配向の変化が少なくなり、フリッカーの発生が低減する。本実施例では、第二の絶縁膜１１として透明のアクリル系樹脂を用いて約２μｍの厚みで形成した。

（実施例３）図４は、本実施例に係る液晶表示装置の液晶パネル１０の模式的な縦断面図である。図３とは、下透明電極３の上に第三の絶縁膜１２を設けた点で異なっている。その他の構成は図３と同様なので説明を省略する。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

上基板２の上透明電極５の上には第一の絶縁膜８が形成されている。これと同様に、下基板１の下透明電極３の上に、第三の絶縁膜１２を形成した。第三の絶縁膜１２として、厚さ約０．０５μｍのシリコン酸化膜を形成した。この場合、液晶層４の液晶の電圧保持特性がさらに向上し、交番電圧の周波数を例えば１Ｈｚ以下に低下しても、フリッカーが発生しなかった。その結果消費電力を低減することができた。

図５は、消費電力を低減可能な駆動電圧と駆動周波数の関係を表す実測データである。各駆動電圧に対して駆動周波数を変化させたときの消費電力を表している。駆動電圧３Ｖで駆動周波数３２Ｈｚのときの消費電力を１００％として消費電力を表している。本発明による液晶表示装置では、駆動電圧約６Ｖ以上の領域では、駆動周波数を０．５Ｈｚまで低下してもフリッカーが発生しない。フリッカーの発生がなく、従来よりも消費電力が低下する領域Ａは、駆動周波数が０．５Ｈｚ〜１６Ｈｚである。しかし、同じ周波数の範囲で、駆動電圧を６Ｖ以下にした領域Ｂでは、透明電極上に第一の絶縁膜を形成した本発明による液晶パネル１０でも、フリッカーが発生した。本発明の液晶表示装置においてＶｓａｔの２倍以上の電圧を印加した場合には、１６Ｈｚ以下の低周波数領域でもフリッカーが発生しなかった。この図で、３２Ｈｚ以上の領域Ｃは、従来から使用される通常の駆動領域である。

領域Ｃの駆動周波数３２Ｈｚでは、駆動電圧７Ｖのとき消費電力が６９３％、駆動電圧９Ｖのとき消費電流は１１７４％であるが、本発明の領域Ａのうち駆動周波数が１６Ｈｚのときは、上記消費電力の１／２となる。また、本発明の領域Ａのうち、駆動電圧７Ｖ、周波数０．５Ｈｚ〜４Ｈｚ、及び、駆動電圧９Ｖ、周波数０．５Ｈｚ〜２Ｈｚでは、従来から使用されている駆動電圧３Ｖ、駆動周波数３２Ｈｚのときよりも、消費電力が低下する。なお、駆動周波数が０．５Ｈｚより下回ると、液晶材料に混入する不純物が配向膜又は絶縁膜に付着する焼きつき現象や、液晶の分解等が発生し易くなり、表示品質が低下する。従って、駆動周波数は、１Ｈｚ〜４Ｈｚが最も好ましい。液晶材料では、液晶分子の末端基にシアノ基を含む材料と、シアノ基を含まないフッ素系で構成した材料で評価を行った。その結果、周波数１Ｈｚ、駆動電圧８Ｖ駆動し２４０ｈ経過後、シアノ基を含む材料は多少焼きつきを起こし、シアノを含まないフッ素系で構成した液晶材料は焼きつき現象はまったく現れなかった。よって液晶材料は、シアノ基を含まないフッ素系で構成したものを使用するのが最も好ましい。

以上の説明では、第一の絶縁膜８及び第三の絶縁膜１２をシリコン酸化膜としたが、これに限定されず、例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜、その他の金属酸化物を使用することができることは言うまでもない。また、第一の絶縁膜８と第三の絶縁膜１２を加えた合計の膜厚は０．０３μｍから３μが好ましい。膜厚が０．０３μｍ以下では保持特性の効果が少なくなり、３μｍ以上では駆動電圧を高くしなければならず、消費電流の低減化につながらないからである。

本発明の実施例に係る液晶表示装置の模式的な縦断面図である。本発明の実施例に係る液晶表示装置の駆動周波数と輝度特性を説明図するための図である。本発明の実施例に係る液晶表示装置の模式的な縦断面図である。本発明の実施例に係る液晶表示装置の模式的な縦断面図である。本発明の実施例に係る液晶表示装置の消費電力を表す説明図である。従来の液晶パネルの模式的な縦断面図である。従来の液晶パネルの駆動電圧対輝度特性を表す図である。従来の液晶表示装置の駆動周波数と輝度特性を説明するための図である。

符号の説明

１下基板
２上基板
３下透明電極
４液晶層
５上透明電極
６シール材
７ギャップ材
８第一の絶縁膜
１０液晶パネル
１１第二の絶縁膜
１２第三の絶縁膜

Claims

透明電極が形成された基板と、対向透明電極が形成された対向基板と、前記基板と前記対向基板の間隙に挟持された液晶層を備え、前記透明電極と前記対向透明電極に交番電圧を与えて表示動作を行う液晶表示装置において、
前記液晶層は厚さ１μｍ〜３μｍであり、
前記基板に形成された前記透明電極と前記液晶層との間には、厚さ０．０３μｍ〜３μｍの第一の絶縁膜が設けられ、前記透明電極と前記対向透明電極に周波数０．５Ｈｚ〜１６Ｈｚの交番電圧を与えて表示を行うことを特徴とする液晶表示装置。
前記対向透明電極と前記対向基板の間に、第二の絶縁膜が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記透明電極と前記基板の間に、第二の絶縁膜が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶表示装置。
前記対向透明電極と前記液晶層の間に、第三の絶縁膜が設けられたことを特徴とする請求項２に記載の液晶表示装置。
前記第二の絶縁膜が、厚さ０．５μｍ〜３μｍのアクリル系樹脂であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の液晶表示装置。
前記交番電圧が、前記液晶層の液晶の飽和電圧であるＶｓａｔ値の２倍以上の電圧であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液晶表示装置。