JP4025787B2 - 双安定型液晶ディスプレイ装置及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は一種の双安定型液晶ディスプレイ装置及びその駆動方法に係り、特に二種類の異なる周波数が組み合わされた駆動信号の変換により、液晶層内の液晶分子に傾斜ホメオトロピック状態及びねじれ状態の二種類の安定状態の変換を現出させ、画面の暗状態と明状態表示を行なう双安定型液晶ディスプレイ装置及びその駆動方法に関する。

現在、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、特に薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ装置（ＴＦＴ ＬＣＤ）は広くパーソナルコンピュータ、ノートブック型コンピュータ等のデジタル製品に運用されている。ＴＦＴ業者は大サイズパネルにあっては比較的優勢を占めているが、小サイズの製品、例えばＰＤＡ、電子辞書等の製品は、高い消耗電力量、厚さ等の多くの技術上の問題を克服できない。

液晶ディスプレイ装置は低圧駆動と言われているが、実際には一概に論じることはできず、多くの駆動条件下にあって、各画素の占める空間が小さくなるため、そのパネル全体の実際の駆動電圧（即ちＶｅｅ）は時には１０数ボルトから２０数ボルトにまで達する。ＰＤＬＣ、マルチ安定型（ＭＬＣＤ）液晶等の駆動電圧は液晶のフロー効果により数十ボルトから１００ボルト程度まで達する必要がある。

また、双安定型ねじれネマティック液晶ディスプレイ装置（Ｂｉｓｔａｂｌｅ Ｔｗｉｓｔ Ｎｅｍａｔｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ；ＢＴＮ ＬＣＤ）は一種の液晶分子を双安定状態にあって切り換えられる液晶ディスプレイ装置であり、ゆえにそのパワー消耗は低い。双安定型ねじれネマティック液晶分子は有すべき形態を保持し、装置上、上下の配向膜上に更に非対称アンカー力板（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｎｃｈｏｒｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）を配置する必要がある。更に、二種類の電圧の組合せ態様を利用して水平と垂直電場を発生させて液晶分子の二つのねじれ状態を変換させ、一種類の電圧状態によりその安定状態を維持する。

但し、非対称アンカー力板（ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ａｎｃｈｏｒｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）はマイクロパターン表面とされ、大量生産が要求されるディスプレイ工業でこのような非対称アンカー力板を設置することは設備とその歩留りの維持のために少なからぬコストがかかる。なぜなら液晶分子の二つのねじれ状態変換はこの非対称アンカー力板と液晶分子間の非対称アンカー力を破壊しなければならず、高電圧電場によりこの非対称アンカー力を破壊する必要があるためである。

ゆえに、上述の欠点を解決するため、本発明の目的は、デュアル周波数液晶分子を傾斜ホメオトロピック状態（ｔｉｌｔｅｄ−ｈｏｍｅｏｔｒｏｐｉｃ ｓｔａｔｅ；ＴＨ ｓｔａｔｅ）とねじれ状態（ｔｗｉｓｔｅｄ ｓｔａｔｅ；Ｔ ｓｔａｔｅ）の間で変換できる駆動方式を提供することである。

本発明の次の目的は、双安定型ねじれネマティック液晶ディスプレイ装置において液晶分子が安定状態時に安定態様維持のための電圧を不要とし、ディスプレイ装置にとって節電できる駆動方式を提供することにある。

本発明の別の目的は、一般のラビング技術により配向膜を形成する必要があるだけで、配向膜の上に非対称アンカー力板を配置する必要をなくし、ゆえにディスプレイ装置の電気エネルギーの利用を効率的とすることにある。

本発明の更に別の目的は、一種の駆動方法を提供することにあり、それは周波数組合せ変換とされ、非対称アンカー力板不要であるため、小電圧（例えば５Ｖ）で液晶分子に二種類の安定状態の変換の現出を達成させられ、これにより画面の暗状態と明状態を表示することができるものとする。

請求項１の発明は、双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法であって、該液晶ディスプレイ装置内に液晶層（５０）が設けられ、該液晶層（５０）内に複数のデュアル周波数の液晶分子（５１）が配設され、これら液晶分子（５１）が傾斜ホメオトロピックとねじれネマティックの二種類の状態を具備し、且つ該液晶ディスプレイ装置に信号源が設けられた双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法において、この駆動方法は、
該信号源が第１駆動信号を送出し、且つ該第１駆動信号の周波数が第１周波数（ｆ ₁ ）とされ、該第１周波数（ｆ ₁ ）が該液晶層（５０）内の液晶分子（５１）を駆動し、
該信号源が第１駆動信号の送出を停止した後、該液晶層（５０）内の液晶分子（５１）が安定した傾斜ホメオトロピック状態を形成し、
該信号源が第２駆動信号を送出し、且つ該第２駆動信号は第１周波数（ｆ ₁ ）の後に第２周波数（ｆ ₂ ）が緊接し、第１周波数（ｆ ₁ ）と第２周波数（ｆ ₂ ）が異なる周波数とされて、該液晶層（５０）の液晶分子（５１）に第２駆動信号の駆動を受けさせ、
信号源が第２駆動信号の送出を停止した後、該液晶層（５０）内の液晶分子（５１）が安定したねじれ状態を形成し、
以上を包含することを特徴とする、双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法において、第１周波数（ｆ ₁ ）が第２周波数（ｆ ₂ ）より低く、且つ第１周波数（ｆ ₁ ）が液晶層（５０）内の液晶分子（５１）の誘電率異方性が正の値とされることを特徴とする、双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法としている。
請求項３の発明は、請求項１記載の双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法において、第２周波数（ｆ ₂ ）が第１周波数（ｆ ₁ ）より高く、且つ第２周波数（ｆ ₂ ）により液晶層（５０）内の液晶分子（５１）の誘電率異方性が負の値とされることを特徴とする、双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法としている。

本発明は一種の双安定型液晶ディスプレイ装置及びその駆動方法を提供し、特に二種類の異なる周波数が組み合わされた駆動信号の変換により、液晶層内の液晶分子に傾斜ホメオトロピック状態及びねじれ状態の二種類の安定状態の変換を現出させ、画面の暗状態と明状態表示を行なう双安定型液晶ディスプレイ装置及びその駆動方法を影響している。

本発明の装置は相互に対向するよう設置された上基板と下基板、該上基板と下基板の背向面に設置された上偏光板と下偏光板、該上基板と下基板の対向面に設置された二つの透明な電極層、二つの電極層の対向面に設置された二つの配向層、該二つの配向層の間に設置され且つ複数のデュアル周波数液晶分子が配設された液晶層を包含する。

或いは、該上基板と下基板の間の液晶層に複数のデュアル周波数液晶分子と二色性染料（ｄｉｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｄｙｅ）が配設され、ゆえに本発明の液晶ディスプレイ装置は前述の偏光片を設ける必要がない。

更に本発明の駆動方法が組み合わされ、それによると、信号源より第１駆動信号を送出し、且つ該第１駆動信号の周波数が第１周波数とされ、該第１周波数が該液晶層内の液晶分子を駆動し、該信号源が第１駆動信号の送出を停止した後、該液晶層内の液晶分子が安定した傾斜ホメオトロピック状態（ｔｉｌｔｅｄ ｈｏｍｅｏｔｒｏｐｉｃ ｓｔａｔｅ）を形成し、該信号源が第２駆動信号を送出し、且つ該第２駆動信号は第１周波数の後に第２周波数が緊接し、第１周波数と第２周波数が異なる周波数とされて、該液晶層の液晶分子に第２駆動信号の駆動を受けさせ、信号源が第２駆動信号の送出を停止した後、該液晶層内の液晶分子が安定したねじれ状態（ｔｗｉｓｔｅｄ ｓｔａｔｅ）を形成する。

これにより二種類の異なる周波数の組合せの駆動信号の変換により、液晶層内の液晶分子に傾斜ホメオトロピック状態とねじれ状態の変換を現出させて、画素の暗状態と明状態を表示する。

図１は本発明の液晶ディスプレイ装置の表示図である。本発明は一種の双安定型ねじれネマティック液晶ディスプレイ装置であり、それは異なる周波数を組み合わせた駆動信号により駆動される液晶ディスプレイ装置であり、この装置は、
相互に対向するよう設置された上基板（１１）及び下基板（１２）と、
該上基板（１１）及び下基板（１２）の対向面にそれぞれ透明態様の酸化インジウム錫（ＩＴＯ）で形成された電極層（２１、２２）と、
該電極層（２１、２２）の対向面にそれぞれコーティングされた配向層（３１、３２）（例えばＮｉｓｓａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｃｏ．社製のＲＮ−１３３８）であって、該配向層（３１、３２）の材料がラビング配向材料或いは光配向材料のいずれかとされ、該配向層（３１、３２）のプレティルト角が４５〜８９度の間とされる上記配向層（３１、３２）と、
該上基板（１１）と下基板（１２）の背向面に設けられた上偏光板（４１）及び下偏光板（４２）であって、該上偏光板（４１）と下偏光板（４２）の吸収軸夾角が８０〜１００度の間とされ、該上偏光板（４１）の吸収軸と上基板（１１）の配向層（３１）の配向方向の夾角が０〜１８０度の間とされる、上偏光板（４１）及び下偏光板（４２）と、
液晶層（５０）であって、該二つの配向層（３１、３２）の間に設けられ、且つ該液晶層（５０）に複数のデュアル周波数液晶分子（５１）が配設され、該液晶層（５０）はＭｅｒｃｋ Ｃｏ．社製のＭＬＣ−２０４８とされ得て、該ＭＬＣ−２０４８は周波数が低周波数（１ＫＨｚ）の時、誘電率異方性（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）△ε＝３．２２であり、周波数が高周波数（１００ＫＨｚ）の時、誘電率異方性△ε＝−３．４２の特性を具えた材料である、上記液晶層（５０）と、
を具えている。

また、本発明の該液晶層（５０）の厚さ（ｄ）と液晶層（５０）内の液晶分子（５１）のねじれピッチ（ｐｉｔｃｈ；ｐ）の比（ｄ／ｐ）は０．８〜１．０５（０．８≦ｄ／ｐ≦１．０５）とされうる。

図２は本発明の別の液晶ディスプレイ装置の表示図である。それは、相互に対向するよう設置された上基板（１１）及び下基板（１２）と、
該上基板（１１）及び下基板（１２）の対向面にそれぞれ透明態様の酸化インジウム錫（ＩＴＯ）で形成された電極層（２１、２２）と、
該電極層（２１、２２）の対向面にそれぞれコーティングされた配向層（３１、３２）（例えばＮｉｓｓａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｃｏ．社製のＲＮ−１３３８）であって、該配向層（３１、３２）の材料がラビング配向材料或いは光配向材料のいずれかとされ、該配向層（３１、３２）のプレティルト角が４５〜８９度の間とされる上記配向層（３１、３２）と、を包含する。

図１との違いは、この装置には偏光設備を設置する必要がなく、例えばＭｅｒｃｋ Ｃｏ．社製のＭＬＣ−２０４８の液晶層（５０）材料に二色性染料（ｄｉｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｄｙｅ）を加えた後に別の種類の液晶層（５０’）となせば、即ち液晶層（５０’）に複数のデュアル周波数液晶分子（５１）及び二色性染料が配設される。当然前述の液晶層（５０’）は周波数が低周波数（１ＫＨｚ）の時、誘電率異方性（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）△ε＝３．２２であり、周波数が高周波数（１００ＫＨｚ）の時、誘電率異方性△ε＝−３．４２の特性を保有した材料である。

電気光学効果中のゲスト−ホスト効果を利用し、二色性染料（ゲスト）が分子長軸方向と短軸方向にあって可視光吸収異方性の特性を具えていることにより、約１／１０比率で一定配列の液晶（ホスト）に溶解する時、一般に長棒形状の二色性染料が液晶分子（５１）と平行に配列され、もしホストとされた液晶分子（５１）配列を改変する時は、ゲストとされる二色性染料分子配列も関係する変化を形成し、染料の可視光吸収量を制御及び調節でき、ゆえにこのディスプレイ装置は偏光設備を必要としない。

続いて図３は二種類の駆動信号の変換のもたらす液晶分子の傾斜ホメオトロピック状態（ＴＨ ｓｔａｔｅ）とねじれ状態（Ｔ ｓｔａｔｅ）変換の表示図である。この液晶ディスプレイ装置には信号源が設けられ、液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）の配列の混乱を開始すると、液晶分子（５１）は傾斜ホメオトロピック状態（ＴＨ ｓｔａｔｅ）とねじれ状態（Ｔ ｓｔａｔｅ）が共存する態様を呈する。ただし、該信号源が第１駆動信号を送出し、且つ該第１駆動信号の周波数が第１周波数（ｆ₁ ）とされ、該第１周波数（ｆ₁ ）が液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）を駆動し、信号源が該第１駆動信号の送出を停止した後、該液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）に安定した傾斜ホメオトロピック状態（ＴＨ ｓｔａｔｅ）を形成させる。

信号源が第２駆動信号を送出し、且つ該第２駆動信号が該第１周波数（ｆ₁ ）後に第２周波数（ｆ₂ ）が緊接するものとされ、該第１周波数（ｆ₁ ）と第２周波数（ｆ₂ ）が異なる周波数とされて、該液晶層（５０、５０’）の液晶分子（５１）に第２駆動信号の駆動を受けさせる。該信号源が第２駆動信号の送出を停止すると、液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）は安定したねじれ状態（Ｔ ｓｔａｔｅ）を形成する。そのうち、該第１周波数（ｆ₁ ）は周波数が第２周波数（ｆ₂ ）より低く（例えばｆ₁ ＝１ＫＨｚ、ｆ₂ ＝１００ＫＨｚ）、且つ第１周波数（ｆ₁ ）が液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）の誘電率異方性（△ε）を正の値となす。第２周波数（ｆ₂ ）は周波数が第１周波数（ｆ₁ ）より高く、且つ第２周波数（ｆ₂ ）は液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）の誘電率異方性（△ε）を負の値となす。

前述の装置に二種類の異なる周波数（ｆ₁ 、ｆ₂ ）が組み合わされてなる（ｆ₁ ）、（ｆ₁ ＋ｆ₂ ）の二つの駆動信号の変換により、液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）が傾斜ホメオトロピック状態（ＴＨ ｓｔａｔｅ）及びねじれ状態（Ｔ ｓｔａｔｅ）の二種類の安定状態（ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ）の変換を現出し、これにより画面の暗状態と明状態を表示する。

図４を参照されたい。Ｈｅ−Ｎｅレーザーを光源とし（波長６３２．８ｎｍ）、本発明の方法と装置を使用してディスプレイパネルの画素を測定する時、第１周波数（ｆ₁ ）（例えば１ＫＨｚ）の第１駆動信号（５Ｖ）を液晶ディスプレイ装置に印加する時、この第１周波数（ｆ₁ ）段階にあって液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）は短時間の変換過程で光学位相差値の変化を形成し、透過率（ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ）上の変化をもたらし（図４中のバイアスホメオトロピック状態；ｂｉａｓ ｈｏｍｅｏｔｒｏｐｉｃ ｓｔａｔｅ；ＢＨ ｓｔａｔｅの如し）、第１駆動信号の印加停止後に、液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）は安定した傾斜ホメオトロピック状態（ＴＨ ｓｔａｔｅ）を形成する。図４に示されるように、ＢＨ ｓｔａｔｅとＴＨ ｓｔａｔｅはそれぞれ透過率が非常に低く、且つ０に接近し、即ち画素は黒色態様（暗状態）を呈する。

顕微鏡下で白色光に画素部分のＢＨ ｓｔａｔｅとＴＨ ｓｔａｔｅの液晶分子（５１）を透過させた画像は図６の（ａ）、（ｂ）に示されるようであり、フレームは暗状態とされる。ＴＨ ｓｔａｔｅがＢＨ ｓｔａｔｅほど黒くないのは、ＴＨ ｓｔａｔｅは類似螺旋傾斜の形態とされ、ＢＨ ｓｔａｔｅは垂直配列とされ、ゆえに短時間のＢＨ ｓｔａｔｅが現出するフレームは安定状態のＴＨ ｓｔａｔｅより暗い。

更に図５に示されるように、Ｈｅ−Ｎｅレーザーを光源とし（波長６３２．８ｎｍ）、本発明の方法と装置を使用する時にディスプレイパネルの画素を測定する。まず第１周波数（ｆ₁ ）を有しさらに第２周波数（ｆ₂ ）が近接する第２駆動信号（５Ｖ）を液晶ディスプレイ装置に印加すると、この第１周波数（ｆ₁ ）（例えば１ＫＨｚ）段階にあって液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）はＴＨ ｓｔａｔｅからＢＨ ｓｔａｔｅに転じ、この時透過率はほぼ不変である。第２駆動信号が近接する第２周波数（ｆ₂ ）（例えば１００ＫＨｚ）段階に進入すると、この周波数変動開始が液晶層（５０、５０’）内でバックフローの現象を形成し、このバックフローが液晶層（５０、５０’）の中間層液晶分子（５１）の回転をもたらし、光学位相差値の変化を形成し、透過率上の光学バウンス（ｏｐｔｉｃａｌ ｂｏｕｎｃｅ）をもたらす。図５に示されるように、透過率は極めて短時間の変動の後、該液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）はバイアスねじれ態様（ＢＴ ｓｔａｔｅ）を形成し、第２駆動信号の印加停止後、該液晶層（５０、５０’）内の液晶分子（５１）は安定したねじれ状態（Ｔ ｓｔａｔｅ）を形成し、これは図５に示されるとおりであり、ＢＴ ｓｔａｔｅとＴ ｓｔａｔｅそれぞれの透過率はいずれも０より大きく、即ち画素が明状態を呈する。

顕微鏡下で白色光に画素部分のＢＴ ｓｔａｔｅとＴ ｓｔａｔｅの液晶分子（５１）を透過させた画像は図６の（ｃ）、（ｄ）に示されるとおりであり、フレームは明状態とされる。またＨｅ−Ｎｅレーザーは一種の、赤、黄、緑の三種類の色のレーザー光であり、そのうち、赤光が最も多く、且つＢＴ ｓｔａｔｅは桃色を帯びた態様で、Ｔ ｓｔａｔｅは緑色を帯びた態様であり、ゆえに該ＢＴ ｓｔａｔｅは比較的高い透過率を有し、短時間のＢＴ ｓｔａｔｅは安定状態のＴ ｓｔａｔｅより明るい。

以上は本発明の実施例の説明であって本発明の実施範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。

本発明の液晶ディスプレイ装置の表示図である。 本発明の別の液晶ディスプレイ装置の表示図である。 本発明の二種類の駆動信号の変換がもたらす液晶分子の傾斜ホメオトロピック状態（ＴＨ ｓｔａｔｅ）とねじれ状態（Ｔ ｓｔａｔｅ）の変換の表示図である。 本発明のＴ ｓｔａｔｅからＴＨ ｓｔａｔｅに転じる透過率と電圧の座標表示図である。 本発明のＴＨ ｓｔａｔｅからＴ ｓｔａｔｅに転じる透過率と電圧の座標表示図である。 本発明のＨｅ−Ｎｅレーザーを光源とする時の各転換状態の画素表示図である。

符号の説明

（５０）液晶層
（５１）液晶分子
（ｆ₁ ）第１周波数
（ｆ₂ ）第２周波数
（１１）上基板
（１２）下基板
（４１）上偏光板
（４２）下偏光板
（２１、２２）電極層
（３１、３２）配向層
（５１）デュアル周波数液晶分子
（５０）液晶層

Claims (3)

1. 双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法であって、該液晶ディスプレイ装置内に液晶層（５０）が設けられ、該液晶層（５０）内に複数のデュアル周波数の液晶分子（５１）が配設され、これら液晶分子（５１）が傾斜ホメオトロピックとねじれネマティックの二種類の状態を具備し、且つ該液晶ディスプレイ装置に信号源が設けられた双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法において、この駆動方法は、
   該信号源が第１駆動信号を送出し、且つ該第１駆動信号の周波数が第１周波数（ｆ₁ ）とされ、該第１周波数（ｆ₁ ）が該液晶層（５０）内の液晶分子（５１）を駆動し、
   該信号源が第１駆動信号の送出を停止した後、該液晶層（５０）内の液晶分子（５１）が安定した傾斜ホメオトロピック状態を形成し、
   該信号源が第２駆動信号を送出し、且つ該第２駆動信号は第１周波数（ｆ₁ ）の後に第２周波数（ｆ₂ ）が緊接し、第１周波数（ｆ₁ ）と第２周波数（ｆ₂ ）が異なる周波数とされて、該液晶層（５０）の液晶分子（５１）に第２駆動信号の駆動を受けさせ、
   信号源が第２駆動信号の送出を停止した後、該液晶層（５０）内の液晶分子（５１）が安定したねじれ状態を形成し、
   以上を包含することを特徴とする、双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法。
2. 請求項１記載の双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法において、第１周波数（ｆ₁）が第２周波数（ｆ₂ ）より低く、且つ第１周波数（ｆ₁ ）が液晶層（５０）内の液晶分子（５１）の誘電率異方性が正の値とされることを特徴とする、双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法。
3. 請求項１記載の双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法において、第２周波数（ｆ₂）が第１周波数（ｆ₁ ）より高く、且つ第２周波数（ｆ₂ ）により液晶層（５０）内の液晶分子（５１）の誘電率異方性が負の値とされることを特徴とする、双安定型液晶ディスプレイ装置の駆動方法。