JP3586681B2 - 反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法に係り、さらに詳しくは光透過率を増加させ輝度を高められるようにされた反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は平板形ディスプレイであって、携帯用機器を中心に幅広く普及され使用されており、大型化技術の発達に伴って大型ディスプレイ機器分野においても従来のブラウン管ディスプレイ（ＣＲＴ）の代替が急速に進められている。
【０００３】
液晶表示装置に適用される液晶材料の種類は多様である。
【０００４】
一般に多用される液晶材料としてＴＮ（ｔｗｉｓｔｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ）液晶は液晶分子の誘電率異方性（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）と電気場との相互作用（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を用いるため、反応時間が数十ミリ秒（ｍｓ）に遅くて動映像を表示し難く、視野角が狭く、一定距離内ではピクセル間のクロストークが発生してピクセルサイズを一定サイズ以下に縮め難い問題点がある。
【０００５】
一方、強誘電性液晶表示装置（ＦＬＣＤ； ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）は強誘電性液晶の自発分極と電気場間の相互作用を用い、１ミリ秒（ｍｓ）以下の早い応答特性を提供して動映像表示に困難さがなく、広い視野角を提供し、分子間の強い相互作用によりクロストークが発生しないピクセルサイズが一層縮まって高解像度を具現できて次世代表示装置として活発な研究が行われている。
現在幅広く用いられる強誘電性液晶は、陰陽の印加電位について対称的な光透過率を提供する双安定特性を有し、シェブロン（ｃｈｅｖｒｏｎ）構造を有するキラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊）の液晶材料がある。
【０００６】
この液晶材料を用いる強誘電性液晶表示素子は、製造工程上において融点以上に維持された液晶を基板間のセル内に注入し、温度を下げればキラルネマチック（Ｎ＊）相を経てラビング方向に垂直な層構造を有するスメクチックＡ相になり、再びキラルスメクチックＣ相に変る。この過程において液晶層内の液晶分子の長軸方向がラビング方向について特定角度に傾いてスメクチック層間の間隔が縮まり、その結果体積の変化を補償するために液晶層内におけるスメクチック層の曲げが発生する。このように曲げられた層構造をシェブロン構造と称し、曲げの方向に沿って液晶の長軸方向が相異なるドメインが形成され、その境界面にジグザグ欠陥、ヘアピン欠陥、マウンテン欠陥などが存在する均一でない配向が得られる。
【０００７】
このような配向特性により液晶表示素子のコントラスト比が著しく劣化し、これを防止するために強制的に直流電圧を加える場合、液晶層内のイオンが配向膜表面に積もって現在表示状態から他の表示状態に転換される際、以前の表示パターンがぼんやりと表示される残像が発生する問題点がある。
【０００８】
その他、スレショルド制約を緩和させたＡＦＬＣ（Ａｎｔｉ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）モードを提供する強誘電性液晶素材が活発に研究されているが、自発分極が１００ｎＣ／ｃｍ２以上に逆分極電界によるイオンの移動によりやはり残像が発生される恐れがある。また、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いて各画素毎に独立して液晶を駆動させる方式であるアクチブマトリックス駆動方式を適用する場合、大きい自発分極により漏れ電流（ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）が発生する恐れがある。漏れ電流を抑えるためにはキャパシタの容量を極めて大きくすべきであるが、この場合開口率が減少して表示装置として利用し難い問題点を抱えている。
【０００９】
このような強誘電性液晶の短所を改善させられるものとして、交流駆動が可能であり残像が抑えられるブックシェルフ構造を有する強誘電性液晶素材が開発しつつある。
【００１０】
現在注目を浴びているブックシェルフ構造を有する強誘電性液晶素材として結晶化過程時スメクチックＡ相を経ない液晶素材がある。すなわち、結晶化過程における相転移が融点以上のアイソトロピック（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）から温度を下げる際キラルネマチック（Ｎ＊）−キラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相を経て結晶化する。キラルネマチックからキラルスメクチックＣ相に相転移する液晶のうち単安定特性を有するハーフＶ型液晶がある。
【００１１】
ハーフＶ型液晶は、図１に示した通り、電位非印加時液晶の光軸が配向膜のラビング方向に並んだ方向に置かれ、陽電位（＋）印加時印加電位のレベルに応じて液晶の長軸が最大４５度でチルトされる。図においてＶｓａｔは液晶の最大チルトを発生させる飽和電圧を示したものである。
【００１２】
そして、陰電位印加時は電位非印加時と等方向に液晶の長軸が配列される。このような液晶は印加電位に対する光透過率が図２に示したような関係、すなわち単安定特性を有する。
【００１３】
従って、このような液晶は交流駆動が可能な長所を持ち、印加電位対光透過特性を考慮してハーフＶ型液晶と呼ばれる。
【００１４】
このようなハーフＶ型液晶が適用された反射形液晶表示装置は、電位非印加時または陰電位印加時、図３に示した通り、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１に入射された後反射されパネル２に進むｓ波はミラー３からパネル２を再び通過した後も偏光状態がそのまま維持され、光入射方向と等方向に偏光ビームスプリッタ１から反射される。この場合、光入射方向と垂直方向である表示方向には光の透過がなくてブラック状態になる。ところが、図４に示した通り、スレショルド電圧以上の陽電位を印加すれば液晶分子は印加電位に応じて次第にチルトされ、パネル２に入射したｓ波はパネル２、ミラー３及びパネル２を経由する過程において部分的にｐ波に偏光が変換され、偏光ビームスプリッタ１を通過する光が存する。偏光ビームスプリッタ１を介して出力される光の透過量は印加電位の増加に伴って増え、図５に示した通り、液晶が４５度にチルトされる際最大になる。この際、液晶の長軸はラビング方向について４５になって偏光ビームスプリッタ１を経てパネル２に入射したｓ波はミラー３から逆方向にパネル２を通過する過程を経てｐ波に変換され全て偏光ビームスプリッタ１を通過する。この際の表示状態がホワイトになる。
【００１５】
ところが、このようなハーフＶ型液晶はブックシェルフ構造の長所を有する一方、データ表示周期に応ずるサイクルで交流駆動時光透過率との関係が図６に示されている。図において実線は印加電圧を、一点鎖線は光透過率を示す。
【００１６】
図６に示した通り、交流駆動周期（Ｔ）中陰（−）電位印加区間（Ｔ／２）については光が遮断される。従って、交流駆動周期（Ｔ）中区間Ａのように、液晶の最大チルトを発生させる飽和電圧が３ボルトの時、これより低い交流電圧を印加すれば平均５０％以下の光透過率が得られる。また、区間Ｂのように液晶の最大チルトを発生させる飽和電圧（３ボルト）を印加すれば平均５０％の光透過率が得られる。区間Ｃは電位を印加しない時であり、この際は光が遮断される。このように従来のハーフＶ型液晶表示装置は液晶の安全性を維持するよう交流で駆動させる場合表示周期（Ｔ）中入射光に対する最大平均光透過率を５０％しか得られない短所がある。
【００１７】
このような光透過損失を抑えるために非対称直流電圧を印加すれば、液晶内部のイオンが表面に蓄積され残像が発生し、液晶が劣化しやすくなる問題が発生する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述したような問題点を改善するために案出されたもので、その目的は強誘電性ハーフＶ型液晶について交流駆動が可能で光透過損失が抑えられ、一層細密なグレイスケール表示が可能な反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法を提供するところにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置は、偏光ビームスプリッタとミラーとの間に設けられ、基板間に直交するよう対向設置された電極層間に形成された液晶層にはブックシェルフ構造を有するハーフＶ型強誘電性液晶が充填されており、クォータプレート条件を満たすよう形成された表示パネルと、該表示パネルと前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられ、基板間に対向設置された電極層間に形成された液晶層には前記ハーフＶ型強誘電性液晶が充填され、ハーフプレート条件を満たすよう形成された補正パネルとを備える。
【００２０】
前記表示パネルの配向膜のラビング方向と前記補正パネルの配向膜のラビング方向とは相互直交配置される。
【００２１】
前記ハーフＶ型強誘電性液晶は結晶化過程においてキラルネマチック相からキラルスメクチックＣ相に相転移する素材が適用される。
【００２２】
また、前述した目的を達成するために本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置の駆動方法は、偏光ビームスプリッタ、相互対向配置された電極層間にハーフＶ型強誘電性液晶が充填された補正パネル、相互直交配置された電極層間に前記ハーフＶ型強誘電性液晶が充填された表示パネル及びミラーが順次に配された反射形強誘電性液晶表示装置の駆動方法において、前記補正パネルの電極層に所定の交流電位を印加する段階と、前記表示パネルの前記電極層に表示データのグレイスケールに応ずる交流電位を印加する段階とを備える。
【００２３】
望ましくは、前記補正パネルの電極層には前記補正パネルの液晶軸と電位非印加時の前記表示パネルの液晶の軸との挟み角が６７．５度と９０度の間で変位される交流電位を印加する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図に基づき本発明の望ましい実施形態による反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法をさらに詳述する。
【００２５】
図７は本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置を示した断面図である。同図を参照するに、反射形強誘電性液晶表示装置は偏光ビームスプリッタ６０とミラー５０との間に設けられた補正パネル１０及び表示パネル３０を備える。
【００２６】
偏光ビームスプリッタ６０は公知のもので、入射ビームについて第１偏光成分のビームは反射させ、第２偏光成分のビームは透過させるよう構成されている。示された例では入射光についてｓ偏光は反射させ、ｐ偏光は透過させることが適用された。
【００２７】
補正パネル１０は、図８に示した通り、下部基板１１、下部電極層１２、下部配向膜１３、液晶層１４、上部配向膜１５、上部電極層１６、上部基板１７、シール部材１８及びスぺーサ１９を備える。図に示されている（−）は安定状態、すなわち陰電位または電位非印加時の液晶の配列状態を、（＋）は陽電位印加時液晶の配列状態を示す。
【００２８】
液晶層１４内にはブックシェルフ構造を有するハーフＶ型強誘電性液晶素材が充填されている。
【００２９】
ブックシェルフ構造を有するハーフＶ型強誘電性液晶は結晶化過程を経て垂直状に配されたスメクチック層内における液晶分子が曲がらず並んで列をなす構造を有する。このようなブックシェルフ構造のハーフＶ型強誘電性液晶層は該当液晶を溶融状態で注入し温度を下げれば、キラルネマチック（Ｎ＊）相からキラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相に相転移しつつ所望の構造の組織が得られる。
【００３０】
ハーフＶ型液晶素材は多様に公知されており、本実施形態では日本クラリアント社で製造されたハーフＶ型液晶を適用した。
【００３１】
下部及び上部基板１１、１７はガラスまたは透明合成樹脂のような透明素材が適用される。
【００３２】
下部及び上部電極層１２、１６は公知の透明導電素材、例えばＩＴＯ素材で形成される。望ましくは下部電極層１２と上部電極層１６は表示面に応ずるサイズを有する単一電極板でそれぞれ形成される。
【００３３】
下部及び上部配向膜１３、１５は公知の多様な配向素材で形成される。配向素材の例としてはポリイミド、ポリビニルアルコール、ナイロン、ＰＶＡ系などがある。
【００３４】
配向膜１３、１５は布のようなラビング素材で所定角度でラビング処理されるスぺーサ１９は液晶層１４のギャップを一定に維持するために設けられたものである。
【００３５】
液晶層のギャップｄはハーフＶ型液晶の屈折率異方性（Δｎ）との積がλ／２条件を満たすよう決定される。すなわち、補正パネル１０が入射光の波長（λ）についてハーフプレートの機能を有するようハーフＶ型強誘電性液晶の屈折率異方性値に基づき液晶層１４のギャップを決定する。
【００３６】
２０は液晶層１４内に注入されたハーフＶ型強誘電性液晶に表示駆動時一定交流電位を電極１２、１６を通して所定周波数に印加するための交流駆動源である。
【００３７】
一方、表示パネル３０は表示データに応じて画素別駆動の可能な公知の構造が適用される。
【００３８】
図９は図４の表示パネルの構造を示した断面図である。前述した図８と同様な機能を果たす要素は同一参照符号を付する。同図を参照するに、表示パネル３０は下部基板１１、下部電極層３２、下部配向膜１３、液晶層１４、上部配向膜１５、上部電極層３６、上部基板１７、シール部材１８及びスぺーサ１９を備える。
【００３９】
表示パネル３０のうち補正パネル１０と違う構造として上部及び下部電極層３６、３２がある。
【００４０】
上部及び下部電極層３６、３２は相互直交する方向に沿って多数の電極が並んで形成される。
【００４１】
表示パネル３０の液晶層１４内には補正パネル１０の液晶層１４と同一な液晶素材、すなわちブックシェルフ構造を有するハーフＶ型液晶素材が充填されている。
【００４２】
望ましくは表示パネル３０と補正パネル１０は表示パネル３０の配向膜１３、１５のラビング方向と補正パネル１０の配向膜１３、１５のラビング方向が相互直交するよう配列される。
【００４３】
また、表示パネル３０の液晶層１４のギャップｄは適用されたハーフＶ型強誘電性液晶の屈折率異方性（Δｎ）との積がλ／４条件を満たすよう決定される。すなわち、表示パネル３０がクォータプレートの機能を有するようハーフＶ型強誘電性液晶の屈折率異方性値に基づき液晶層１４のギャップを決定する。
【００４４】
３７は表示パネル３０の液晶層１４内に注入された強誘電性ハーフＶ型液晶を表示データに基づき電極層３２、３６を通して画素別に電位を所定周波数に印加するためのドライバである。
【００４５】
ドライバ３７は表示データのグレイスケールデータに応ずる交流電位を電極層３２、３６を通して印加できるよう電極層３２、３６と結線されている。
【００４６】
このような反射形強誘電性液晶表示装置は、表示パネル３０と補正パネル１０の相互間を設定されたデータ表示周期中適切に印加電位を可変させ交流駆動周期中光透過特性が補償されるよう駆動すれば、入射光に対する透過率を１００％まで拡張させうる。
【００４７】
強誘電性液晶表示装置の望ましい駆動過程が図１０に示されている。
【００４８】
補正パネル１０には一定交流電圧を印加し（段階１００）、表示パネル３０には表示データのグレイスケールに応ずる交流電位を印加する（段階１１０）。
【００４９】
すなわち、補正パネル１０は設定された液晶チルト角に応ずる電圧で交流駆動し、表示パネル３０については表示データに応ずる光透過率が得られるよう補正パネル１０の交流駆動周期に合わせて印加する交流電圧のレベル及び位相を可変させる。
【００５０】
望ましくは、補正パネル１０に適切な交流電圧を印加して表示パネル３０のラビング方向に補正パネル１０の液晶の長軸との挟み角（θｃ）が９０度の液晶配列状態と６７．５度の液晶配列状態が得られるようにする補正パネル１０の駆動電圧を適用して交流相で補正パネル１０を駆動する。このため、表示パネル３０のラビング方向との挟み角（θｃ）が６７．５度になるよう補正パネル１０の陽の駆動電圧（＋Ｖｋ）を探し、この電圧を交流相で補正パネル１０に印加すれば良い。
【００５１】
この場合、まず補正パネル１０に零電位以下の電位が印加された時、表示パネル３０の液晶分子のチルト角（θｐ）に対する光透過特性を説明する。
【００５２】
まず、表示パネル３０に電位非印加または陰電位印加時偏光ビームスプリッタ６０から反射されたｓ波は偏光変化なしで補正パネル１０と表示パネル３０を進むので最終的にブラック表示状態が具現される。
【００５３】
これとは違って、まず表示パネル３０に最大チルト角、すなわち４５度にチルトさせる飽和電位を印加すれば、偏光ビームスプリッタ６０から反射されたｓ波は偏光変化なしで補正パネル１０を経、それから表示パネル３０、ミラー５０及び表示パネル３０を経る過程においてｐ波に偏光変化がなされる。偏光変化されたｐ波は再び偏光変化なしで補正パネル１０を経て偏光ビームスプリッタ６０を通過することによりホワイトが具現される。
【００５４】
このような光透過特性に対するグラフが図１１Ａに示されている。
【００５５】
従って、表示パネル３０に飽和電位より低い陽電位を印加すれば、ホワイトとブラックとのグレイが表示される。
【００５６】
補正パネル１０に表示パネル３０のラビング方向に対する挟み角が６７．５度になるようチルトされる陽電位（＋Ｖｋ）が印加される時は表示パネル３０の液晶分子のチルト角に対する光透過特性は、補正パネル１０に陰電位（−Ｖｋ）を印加した時、すなわち補正パネル１０の液晶が表示パネルのラビング方向について９０度になる条件と逆になる。すなわち、図１１Ｂに示したようなグラフが得られる。
【００５７】
このような印加電位による光透過特性を用いた液晶表示装置の駆動例が図１２に示されている。同図から分かる通り、液晶の最大チルト角に応ずる飽和電圧が３ボルト（Ｖ）の場合、補正パネルを設定されたデータ表示周期（Ｔ）、例えば通常のフレーム周期である１６．６ｍｓ中２２．５度のチルトと応ずる交流電位Ｖｋを印加し、表示パネル３０は表示データのグレイスケール情報に応ずる交流電圧をデータ表示周期（Ｔ）中印加する。
【００５８】
図において、Ｔ（ａ）区間のように、補正パネル１０に印加される交流電位と逆相に表示パネル３０に飽和交流電位を印加すれば、ピクセル表示周期中平均光透過率が１００％になる。またＴ（ｂ）区間のように補正パネル１０に印加される交流電位と同相に表示パネル３０に飽和交流電位を印加すれば、ピクセル周期中光透過率が０（ｚｅｒｏ）になる。従って、表示パネル３０に印加する交流電位のレベル及び位相により表示周期（Ｔ）中の平均光透過率を０から１００％まで可変でき、それによるグレイスケール表示範囲を一層細分化できる。
【００５９】
すなわち、区間Ｔ（ｃ）のように補正パネル１０に印加される交流電位と逆相に表示パネル３０に飽和電圧より低い電圧を交流相に印加すれば表示周期（Ｔ）中の平均光透過率が５０％〜１００％で決定される。
【００６０】
同様に、Ｔ（ｄ）区間のように補正パネル１０に印加される交流電位と同相に表示パネル３０に飽和電圧より低い電圧を交流相に印加すれば、表示周期（Ｔ）中の平均光透過率が０％〜５０％で決定される。
【００６１】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法によれば、光透過損失率が抑えられ、それによるグレイスケール表示範囲を拡張できる。
【００６２】
以上では本発明の望ましい実施形態について示しかつ説明したが、本発明は前述した特定の望ましい実施形態に限らず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せず当該発明の属する技術分野において通常の知識を持つ者ならば誰でも多様な変形実施が可能なことは勿論、そのような変更は記載された請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なブックシェルフ構造を有するハーフＶ型強誘電性液晶の印加電圧により液晶の軸がチルトされる現象を示す図である。
【図２】図１のハーフＶ型強誘電性液晶の印加電圧と光透過率との関係を示したグラフである。
【図３】ハーフＶ型強誘電性液晶が適用された従来の反射形表示装置の電位非印加時の光経路を示した図である。
【図４】ハーフＶ型強誘電性液晶が適用された従来の反射形表示装置の飽和電圧より低い電圧の印加時の光経路を示した図である。
【図５】ハーフＶ型強誘電性液晶が適用された従来の反射形表示装置の飽和電圧印加時の光経路を示した図である。
【図６】ハーフＶ型強誘電性液晶が適用された従来の反射形表示装置のグレイスケール表示駆動例による印加電圧対光透過率との関係を示した波形図である。
【図７】本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置を示した図である。
【図８】図７の補正パネルの構造を示した断面図である。
【図９】図７の表示パネルの構造を示した断面図である。
【図１０】本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置の表示データに応じてグレイスケールを表示するための駆動過程を示したフローチャートである。
【図１１Ａ】図１０の駆動方法により強誘電性液晶表示装置に印加される駆動電圧による表示パネルの液晶と補正パネルの液晶との軸配列関係による光透過率を示したグラフである。
【図１１Ｂ】図１０の駆動方法により強誘電性液晶表示装置に印加される駆動電圧による表示パネルの液晶と補正パネルの液晶との軸配列関係による光透過率を示したグラフである。
【図１２】図１０の駆動方法により強誘電性液晶表示装置に印加される駆動電圧と光透過率との関係の例を示した波形図である。
【符号の説明】
１０ 補正パネル
１１ 下部基板
１２、３２ 下部電極層
１３ 下部配向膜
１４ 液晶層
１５ 上部配向膜
１６、３６ 上部電極層
１７ 上部基板
１８ シール部材
１９ スペーサ
２０ 交流駆動源
３０ 表示パネル
３７ ドライバ
５０ ミラー
６０ 偏光ビームスプリッタ
【発明の属する技術分野】
本発明は反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法に係り、さらに詳しくは光透過率を増加させ輝度を高められるようにされた反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は平板形ディスプレイであって、携帯用機器を中心に幅広く普及され使用されており、大型化技術の発達に伴って大型ディスプレイ機器分野においても従来のブラウン管ディスプレイ（ＣＲＴ）の代替が急速に進められている。
【０００３】
液晶表示装置に適用される液晶材料の種類は多様である。
【０００４】
一般に多用される液晶材料としてＴＮ（ｔｗｉｓｔｅｄ ｎｅｍａｔｉｃ）液晶は液晶分子の誘電率異方性（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）と電気場との相互作用（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）を用いるため、反応時間が数十ミリ秒（ｍｓ）に遅くて動映像を表示し難く、視野角が狭く、一定距離内ではピクセル間のクロストークが発生してピクセルサイズを一定サイズ以下に縮め難い問題点がある。
【０００５】
一方、強誘電性液晶表示装置（ＦＬＣＤ； ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）は強誘電性液晶の自発分極と電気場間の相互作用を用い、１ミリ秒（ｍｓ）以下の早い応答特性を提供して動映像表示に困難さがなく、広い視野角を提供し、分子間の強い相互作用によりクロストークが発生しないピクセルサイズが一層縮まって高解像度を具現できて次世代表示装置として活発な研究が行われている。
現在幅広く用いられる強誘電性液晶は、陰陽の印加電位について対称的な光透過率を提供する双安定特性を有し、シェブロン（ｃｈｅｖｒｏｎ）構造を有するキラルスメクチックＣ相（ＳｍＣ＊）の液晶材料がある。
【０００６】
この液晶材料を用いる強誘電性液晶表示素子は、製造工程上において融点以上に維持された液晶を基板間のセル内に注入し、温度を下げればキラルネマチック（Ｎ＊）相を経てラビング方向に垂直な層構造を有するスメクチックＡ相になり、再びキラルスメクチックＣ相に変る。この過程において液晶層内の液晶分子の長軸方向がラビング方向について特定角度に傾いてスメクチック層間の間隔が縮まり、その結果体積の変化を補償するために液晶層内におけるスメクチック層の曲げが発生する。このように曲げられた層構造をシェブロン構造と称し、曲げの方向に沿って液晶の長軸方向が相異なるドメインが形成され、その境界面にジグザグ欠陥、ヘアピン欠陥、マウンテン欠陥などが存在する均一でない配向が得られる。
【０００７】
このような配向特性により液晶表示素子のコントラスト比が著しく劣化し、これを防止するために強制的に直流電圧を加える場合、液晶層内のイオンが配向膜表面に積もって現在表示状態から他の表示状態に転換される際、以前の表示パターンがぼんやりと表示される残像が発生する問題点がある。
【０００８】
その他、スレショルド制約を緩和させたＡＦＬＣ（Ａｎｔｉ ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）モードを提供する強誘電性液晶素材が活発に研究されているが、自発分極が１００ｎＣ／ｃｍ２以上に逆分極電界によるイオンの移動によりやはり残像が発生される恐れがある。また、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いて各画素毎に独立して液晶を駆動させる方式であるアクチブマトリックス駆動方式を適用する場合、大きい自発分極により漏れ電流（ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）が発生する恐れがある。漏れ電流を抑えるためにはキャパシタの容量を極めて大きくすべきであるが、この場合開口率が減少して表示装置として利用し難い問題点を抱えている。
【０００９】
このような強誘電性液晶の短所を改善させられるものとして、交流駆動が可能であり残像が抑えられるブックシェルフ構造を有する強誘電性液晶素材が開発しつつある。
【００１０】
現在注目を浴びているブックシェルフ構造を有する強誘電性液晶素材として結晶化過程時スメクチックＡ相を経ない液晶素材がある。すなわち、結晶化過程における相転移が融点以上のアイソトロピック（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）から温度を下げる際キラルネマチック（Ｎ＊）−キラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相を経て結晶化する。キラルネマチックからキラルスメクチックＣ相に相転移する液晶のうち単安定特性を有するハーフＶ型液晶がある。
【００１１】
ハーフＶ型液晶は、図１に示した通り、電位非印加時液晶の光軸が配向膜のラビング方向に並んだ方向に置かれ、陽電位（＋）印加時印加電位のレベルに応じて液晶の長軸が最大４５度でチルトされる。図においてＶｓａｔは液晶の最大チルトを発生させる飽和電圧を示したものである。
【００１２】
そして、陰電位印加時は電位非印加時と等方向に液晶の長軸が配列される。このような液晶は印加電位に対する光透過率が図２に示したような関係、すなわち単安定特性を有する。
【００１３】
従って、このような液晶は交流駆動が可能な長所を持ち、印加電位対光透過特性を考慮してハーフＶ型液晶と呼ばれる。
【００１４】
このようなハーフＶ型液晶が適用された反射形液晶表示装置は、電位非印加時または陰電位印加時、図３に示した通り、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１に入射された後反射されパネル２に進むｓ波はミラー３からパネル２を再び通過した後も偏光状態がそのまま維持され、光入射方向と等方向に偏光ビームスプリッタ１から反射される。この場合、光入射方向と垂直方向である表示方向には光の透過がなくてブラック状態になる。ところが、図４に示した通り、スレショルド電圧以上の陽電位を印加すれば液晶分子は印加電位に応じて次第にチルトされ、パネル２に入射したｓ波はパネル２、ミラー３及びパネル２を経由する過程において部分的にｐ波に偏光が変換され、偏光ビームスプリッタ１を通過する光が存する。偏光ビームスプリッタ１を介して出力される光の透過量は印加電位の増加に伴って増え、図５に示した通り、液晶が４５度にチルトされる際最大になる。この際、液晶の長軸はラビング方向について４５になって偏光ビームスプリッタ１を経てパネル２に入射したｓ波はミラー３から逆方向にパネル２を通過する過程を経てｐ波に変換され全て偏光ビームスプリッタ１を通過する。この際の表示状態がホワイトになる。
【００１５】
ところが、このようなハーフＶ型液晶はブックシェルフ構造の長所を有する一方、データ表示周期に応ずるサイクルで交流駆動時光透過率との関係が図６に示されている。図において実線は印加電圧を、一点鎖線は光透過率を示す。
【００１６】
図６に示した通り、交流駆動周期（Ｔ）中陰（−）電位印加区間（Ｔ／２）については光が遮断される。従って、交流駆動周期（Ｔ）中区間Ａのように、液晶の最大チルトを発生させる飽和電圧が３ボルトの時、これより低い交流電圧を印加すれば平均５０％以下の光透過率が得られる。また、区間Ｂのように液晶の最大チルトを発生させる飽和電圧（３ボルト）を印加すれば平均５０％の光透過率が得られる。区間Ｃは電位を印加しない時であり、この際は光が遮断される。このように従来のハーフＶ型液晶表示装置は液晶の安全性を維持するよう交流で駆動させる場合表示周期（Ｔ）中入射光に対する最大平均光透過率を５０％しか得られない短所がある。
【００１７】
このような光透過損失を抑えるために非対称直流電圧を印加すれば、液晶内部のイオンが表面に蓄積され残像が発生し、液晶が劣化しやすくなる問題が発生する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述したような問題点を改善するために案出されたもので、その目的は強誘電性ハーフＶ型液晶について交流駆動が可能で光透過損失が抑えられ、一層細密なグレイスケール表示が可能な反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法を提供するところにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置は、偏光ビームスプリッタとミラーとの間に設けられ、基板間に直交するよう対向設置された電極層間に形成された液晶層にはブックシェルフ構造を有するハーフＶ型強誘電性液晶が充填されており、クォータプレート条件を満たすよう形成された表示パネルと、該表示パネルと前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられ、基板間に対向設置された電極層間に形成された液晶層には前記ハーフＶ型強誘電性液晶が充填され、ハーフプレート条件を満たすよう形成された補正パネルとを備える。
【００２０】
前記表示パネルの配向膜のラビング方向と前記補正パネルの配向膜のラビング方向とは相互直交配置される。
【００２１】
前記ハーフＶ型強誘電性液晶は結晶化過程においてキラルネマチック相からキラルスメクチックＣ相に相転移する素材が適用される。
【００２２】
また、前述した目的を達成するために本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置の駆動方法は、偏光ビームスプリッタ、相互対向配置された電極層間にハーフＶ型強誘電性液晶が充填された補正パネル、相互直交配置された電極層間に前記ハーフＶ型強誘電性液晶が充填された表示パネル及びミラーが順次に配された反射形強誘電性液晶表示装置の駆動方法において、前記補正パネルの電極層に所定の交流電位を印加する段階と、前記表示パネルの前記電極層に表示データのグレイスケールに応ずる交流電位を印加する段階とを備える。
【００２３】
望ましくは、前記補正パネルの電極層には前記補正パネルの液晶軸と電位非印加時の前記表示パネルの液晶の軸との挟み角が６７．５度と９０度の間で変位される交流電位を印加する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図に基づき本発明の望ましい実施形態による反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法をさらに詳述する。
【００２５】
図７は本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置を示した断面図である。同図を参照するに、反射形強誘電性液晶表示装置は偏光ビームスプリッタ６０とミラー５０との間に設けられた補正パネル１０及び表示パネル３０を備える。
【００２６】
偏光ビームスプリッタ６０は公知のもので、入射ビームについて第１偏光成分のビームは反射させ、第２偏光成分のビームは透過させるよう構成されている。示された例では入射光についてｓ偏光は反射させ、ｐ偏光は透過させることが適用された。
【００２７】
補正パネル１０は、図８に示した通り、下部基板１１、下部電極層１２、下部配向膜１３、液晶層１４、上部配向膜１５、上部電極層１６、上部基板１７、シール部材１８及びスぺーサ１９を備える。図に示されている（−）は安定状態、すなわち陰電位または電位非印加時の液晶の配列状態を、（＋）は陽電位印加時液晶の配列状態を示す。
【００２８】
液晶層１４内にはブックシェルフ構造を有するハーフＶ型強誘電性液晶素材が充填されている。
【００２９】
ブックシェルフ構造を有するハーフＶ型強誘電性液晶は結晶化過程を経て垂直状に配されたスメクチック層内における液晶分子が曲がらず並んで列をなす構造を有する。このようなブックシェルフ構造のハーフＶ型強誘電性液晶層は該当液晶を溶融状態で注入し温度を下げれば、キラルネマチック（Ｎ＊）相からキラルスメクチックＣ（ＳｍＣ＊）相に相転移しつつ所望の構造の組織が得られる。
【００３０】
ハーフＶ型液晶素材は多様に公知されており、本実施形態では日本クラリアント社で製造されたハーフＶ型液晶を適用した。
【００３１】
下部及び上部基板１１、１７はガラスまたは透明合成樹脂のような透明素材が適用される。
【００３２】
下部及び上部電極層１２、１６は公知の透明導電素材、例えばＩＴＯ素材で形成される。望ましくは下部電極層１２と上部電極層１６は表示面に応ずるサイズを有する単一電極板でそれぞれ形成される。
【００３３】
下部及び上部配向膜１３、１５は公知の多様な配向素材で形成される。配向素材の例としてはポリイミド、ポリビニルアルコール、ナイロン、ＰＶＡ系などがある。
【００３４】
配向膜１３、１５は布のようなラビング素材で所定角度でラビング処理されるスぺーサ１９は液晶層１４のギャップを一定に維持するために設けられたものである。
【００３５】
液晶層のギャップｄはハーフＶ型液晶の屈折率異方性（Δｎ）との積がλ／２条件を満たすよう決定される。すなわち、補正パネル１０が入射光の波長（λ）についてハーフプレートの機能を有するようハーフＶ型強誘電性液晶の屈折率異方性値に基づき液晶層１４のギャップを決定する。
【００３６】
２０は液晶層１４内に注入されたハーフＶ型強誘電性液晶に表示駆動時一定交流電位を電極１２、１６を通して所定周波数に印加するための交流駆動源である。
【００３７】
一方、表示パネル３０は表示データに応じて画素別駆動の可能な公知の構造が適用される。
【００３８】
図９は図４の表示パネルの構造を示した断面図である。前述した図８と同様な機能を果たす要素は同一参照符号を付する。同図を参照するに、表示パネル３０は下部基板１１、下部電極層３２、下部配向膜１３、液晶層１４、上部配向膜１５、上部電極層３６、上部基板１７、シール部材１８及びスぺーサ１９を備える。
【００３９】
表示パネル３０のうち補正パネル１０と違う構造として上部及び下部電極層３６、３２がある。
【００４０】
上部及び下部電極層３６、３２は相互直交する方向に沿って多数の電極が並んで形成される。
【００４１】
表示パネル３０の液晶層１４内には補正パネル１０の液晶層１４と同一な液晶素材、すなわちブックシェルフ構造を有するハーフＶ型液晶素材が充填されている。
【００４２】
望ましくは表示パネル３０と補正パネル１０は表示パネル３０の配向膜１３、１５のラビング方向と補正パネル１０の配向膜１３、１５のラビング方向が相互直交するよう配列される。
【００４３】
また、表示パネル３０の液晶層１４のギャップｄは適用されたハーフＶ型強誘電性液晶の屈折率異方性（Δｎ）との積がλ／４条件を満たすよう決定される。すなわち、表示パネル３０がクォータプレートの機能を有するようハーフＶ型強誘電性液晶の屈折率異方性値に基づき液晶層１４のギャップを決定する。
【００４４】
３７は表示パネル３０の液晶層１４内に注入された強誘電性ハーフＶ型液晶を表示データに基づき電極層３２、３６を通して画素別に電位を所定周波数に印加するためのドライバである。
【００４５】
ドライバ３７は表示データのグレイスケールデータに応ずる交流電位を電極層３２、３６を通して印加できるよう電極層３２、３６と結線されている。
【００４６】
このような反射形強誘電性液晶表示装置は、表示パネル３０と補正パネル１０の相互間を設定されたデータ表示周期中適切に印加電位を可変させ交流駆動周期中光透過特性が補償されるよう駆動すれば、入射光に対する透過率を１００％まで拡張させうる。
【００４７】
強誘電性液晶表示装置の望ましい駆動過程が図１０に示されている。
【００４８】
補正パネル１０には一定交流電圧を印加し（段階１００）、表示パネル３０には表示データのグレイスケールに応ずる交流電位を印加する（段階１１０）。
【００４９】
すなわち、補正パネル１０は設定された液晶チルト角に応ずる電圧で交流駆動し、表示パネル３０については表示データに応ずる光透過率が得られるよう補正パネル１０の交流駆動周期に合わせて印加する交流電圧のレベル及び位相を可変させる。
【００５０】
望ましくは、補正パネル１０に適切な交流電圧を印加して表示パネル３０のラビング方向に補正パネル１０の液晶の長軸との挟み角（θｃ）が９０度の液晶配列状態と６７．５度の液晶配列状態が得られるようにする補正パネル１０の駆動電圧を適用して交流相で補正パネル１０を駆動する。このため、表示パネル３０のラビング方向との挟み角（θｃ）が６７．５度になるよう補正パネル１０の陽の駆動電圧（＋Ｖｋ）を探し、この電圧を交流相で補正パネル１０に印加すれば良い。
【００５１】
この場合、まず補正パネル１０に零電位以下の電位が印加された時、表示パネル３０の液晶分子のチルト角（θｐ）に対する光透過特性を説明する。
【００５２】
まず、表示パネル３０に電位非印加または陰電位印加時偏光ビームスプリッタ６０から反射されたｓ波は偏光変化なしで補正パネル１０と表示パネル３０を進むので最終的にブラック表示状態が具現される。
【００５３】
これとは違って、まず表示パネル３０に最大チルト角、すなわち４５度にチルトさせる飽和電位を印加すれば、偏光ビームスプリッタ６０から反射されたｓ波は偏光変化なしで補正パネル１０を経、それから表示パネル３０、ミラー５０及び表示パネル３０を経る過程においてｐ波に偏光変化がなされる。偏光変化されたｐ波は再び偏光変化なしで補正パネル１０を経て偏光ビームスプリッタ６０を通過することによりホワイトが具現される。
【００５４】
このような光透過特性に対するグラフが図１１Ａに示されている。
【００５５】
従って、表示パネル３０に飽和電位より低い陽電位を印加すれば、ホワイトとブラックとのグレイが表示される。
【００５６】
補正パネル１０に表示パネル３０のラビング方向に対する挟み角が６７．５度になるようチルトされる陽電位（＋Ｖｋ）が印加される時は表示パネル３０の液晶分子のチルト角に対する光透過特性は、補正パネル１０に陰電位（−Ｖｋ）を印加した時、すなわち補正パネル１０の液晶が表示パネルのラビング方向について９０度になる条件と逆になる。すなわち、図１１Ｂに示したようなグラフが得られる。
【００５７】
このような印加電位による光透過特性を用いた液晶表示装置の駆動例が図１２に示されている。同図から分かる通り、液晶の最大チルト角に応ずる飽和電圧が３ボルト（Ｖ）の場合、補正パネルを設定されたデータ表示周期（Ｔ）、例えば通常のフレーム周期である１６．６ｍｓ中２２．５度のチルトと応ずる交流電位Ｖｋを印加し、表示パネル３０は表示データのグレイスケール情報に応ずる交流電圧をデータ表示周期（Ｔ）中印加する。
【００５８】
図において、Ｔ（ａ）区間のように、補正パネル１０に印加される交流電位と逆相に表示パネル３０に飽和交流電位を印加すれば、ピクセル表示周期中平均光透過率が１００％になる。またＴ（ｂ）区間のように補正パネル１０に印加される交流電位と同相に表示パネル３０に飽和交流電位を印加すれば、ピクセル周期中光透過率が０（ｚｅｒｏ）になる。従って、表示パネル３０に印加する交流電位のレベル及び位相により表示周期（Ｔ）中の平均光透過率を０から１００％まで可変でき、それによるグレイスケール表示範囲を一層細分化できる。
【００５９】
すなわち、区間Ｔ（ｃ）のように補正パネル１０に印加される交流電位と逆相に表示パネル３０に飽和電圧より低い電圧を交流相に印加すれば表示周期（Ｔ）中の平均光透過率が５０％〜１００％で決定される。
【００６０】
同様に、Ｔ（ｄ）区間のように補正パネル１０に印加される交流電位と同相に表示パネル３０に飽和電圧より低い電圧を交流相に印加すれば、表示周期（Ｔ）中の平均光透過率が０％〜５０％で決定される。
【００６１】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置及びその駆動方法によれば、光透過損失率が抑えられ、それによるグレイスケール表示範囲を拡張できる。
【００６２】
以上では本発明の望ましい実施形態について示しかつ説明したが、本発明は前述した特定の望ましい実施形態に限らず、請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱せず当該発明の属する技術分野において通常の知識を持つ者ならば誰でも多様な変形実施が可能なことは勿論、そのような変更は記載された請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なブックシェルフ構造を有するハーフＶ型強誘電性液晶の印加電圧により液晶の軸がチルトされる現象を示す図である。
【図２】図１のハーフＶ型強誘電性液晶の印加電圧と光透過率との関係を示したグラフである。
【図３】ハーフＶ型強誘電性液晶が適用された従来の反射形表示装置の電位非印加時の光経路を示した図である。
【図４】ハーフＶ型強誘電性液晶が適用された従来の反射形表示装置の飽和電圧より低い電圧の印加時の光経路を示した図である。
【図５】ハーフＶ型強誘電性液晶が適用された従来の反射形表示装置の飽和電圧印加時の光経路を示した図である。
【図６】ハーフＶ型強誘電性液晶が適用された従来の反射形表示装置のグレイスケール表示駆動例による印加電圧対光透過率との関係を示した波形図である。
【図７】本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置を示した図である。
【図８】図７の補正パネルの構造を示した断面図である。
【図９】図７の表示パネルの構造を示した断面図である。
【図１０】本発明に係る反射形強誘電性液晶表示装置の表示データに応じてグレイスケールを表示するための駆動過程を示したフローチャートである。
【図１１Ａ】図１０の駆動方法により強誘電性液晶表示装置に印加される駆動電圧による表示パネルの液晶と補正パネルの液晶との軸配列関係による光透過率を示したグラフである。
【図１１Ｂ】図１０の駆動方法により強誘電性液晶表示装置に印加される駆動電圧による表示パネルの液晶と補正パネルの液晶との軸配列関係による光透過率を示したグラフである。
【図１２】図１０の駆動方法により強誘電性液晶表示装置に印加される駆動電圧と光透過率との関係の例を示した波形図である。
【符号の説明】
１０ 補正パネル
１１ 下部基板
１２、３２ 下部電極層
１３ 下部配向膜
１４ 液晶層
１５ 上部配向膜
１６、３６ 上部電極層
１７ 上部基板
１８ シール部材
１９ スペーサ
２０ 交流駆動源
３０ 表示パネル
３７ ドライバ
５０ ミラー
６０ 偏光ビームスプリッタ
Claims (4)
- 偏光ビームスプリッタとミラーとの間に設けられ、基板間に直交するように対向設置された電極層間に形成された液晶層にはブックシェルフ構造を有するハーフＶ型強誘電性液晶が充填されており、クォータプレート条件を満たすよう形成された表示パネルと、該表示パネルと前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられ、基板間に対向設置された電極層間に形成された液晶層には前記ハーフＶ型強誘電性液晶が充填されており、ハーフプレート条件を満たすよう形成された補正パネルとを備え、
前記補正パネル及び前記表示パネル夫々の前記電極層に交流電圧を印加するとともに、該表示パネルに印加される該交流電圧のレベル及び位相を変化させることにより自在にグレイスケール表示を行うことを特徴とする反射形強誘電性液晶表示装置。 - 前記表示パネルの配向膜のラビング方向と前記補正パネルの配向膜のラビング方向とは相互直交配置されることを特徴とする請求項１に記載の反射形強誘電性液晶表示装置。
- 前記ハーフＶ型強誘電性液晶は結晶化過程でキラルネマチック相からキラルスメクチックＣ相に相転移する素材であることを特徴とする請求項１に記載の反射形強誘電性液晶表示装置。
- 前記補正パネルの電極層に前記補正パネルの液晶軸と電位非印加時の前記表示パネルの液晶軸との挟み角が６７．５度と９０度の間で変位される交流電位を印加することを特徴とする請求項１記載の反射形強誘電性液晶表示装置。
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