JP4668984B2 - 表示素子の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は，コレステリック液晶を用いた表示素子の駆動方法に関し、特に、高速に部分的な画面の書換えができる液晶表示素子の駆動方法に関する。

近年、各企業・大学で電子ペーパーの開発が盛んに進められている。電子ペーパーが期待されている応用市場として、電子書籍を筆頭として、モバイル端末のサブディスプレイやICカードの表示部など、多様な携帯機器への応用が提案されている。

電子ペーパーの有力な方式の1つに、コレステリック液晶を用いたものがある。
コレステリック液晶は、半永久的な表示保持（メモリ性）や鮮やかなカラー表示、高コントラスト、高解像性といった優れた特徴を有する。コレステリック液晶は、カイラルネマティック液晶とも称されることがあり、ネマティック液晶にキラル性の添加剤（カイラル材とも称される）を比較的多く（数十％）添加することにより、ネマティック液晶の分子がらせん状のコレステリック相を形成する液晶である。

以下、コレステリック液晶の表示・駆動原理を説明する。
コレステリック液晶は、その液晶分子の配向状態で表示の制御を行う。図１の反射率のグラフに示すように、コレステリック液晶には入射光を反射するプレーナ状態（Ｐ）と、透過するフォーカルコニック状態（ＦＣ）があり、これらは無電界下でも安定して存在する。プレーナ状態の時には、液晶分子のらせんピッチに応じた波長の光を反射する。反射が最大となる波長λは、液晶の平均屈折率n、らせんピッチpから以下の式で示される。

λ = n・p
一方、反射帯域Δλは液晶の屈折率異方性Δnに伴って大きくなる。
したがって、液晶の平均屈折率n、らせんピッチpを選ぶことにより、プレーナ状態時には波長λの色を表示させることができる。

また、液晶層とは別に光吸収層を設けることで、フォーカルコニック状態時には黒色を表示させることができる。
次に、コレステリック液晶の駆動例を以下に説明する。

該液晶に強い電界を与えると、液晶分子のらせん構造は完全にほどけ、全ての分子が電界の向きに従うホメオトロピック状態になる。次に、ホメオトロピック状態から急激に電界をゼロにすると、液晶のらせん軸は電極に垂直になり、らせんピッチに応じた光を選択的に反射するプレーナ状態になる。一方、液晶分子のらせん構造が解けない程度の弱い電界の形成後の電界除去、あるいは強い電界をかけ緩やかに電界を除去した場合は、液晶のらせん軸は電極に平行になり、入射光を透過するフォーカルコニック状態になる。また、中間的な強さの電界を与え、急激に除去すると、プレーナ状態とフォーカルコニック状態が混在し、中間調の表示が可能となる。液晶の上記の現象を利用して情報の表示を行うことができる。

コレステリック液晶の応答特性を説明する図である図１を参照し、以上の電圧応答特性をまとめると次のようになる。
初期状態（０Ｖ）がプレーナ状態（高反射率）であると、パルス電圧をある範囲（例えば２４Ｖ）に上げると、フォーカルコニック状態（低反射率）への駆動帯域となり、更にパルス電圧を上げると（例えば３２Ｖ）、再度プレーナ状態（高反射率）への駆動帯域へとなる。初期状態（０Ｖ）がフォーカルコニック状態であると、パルス電圧を上げるにつれて次第にプレーナ状態への駆動帯域へとなる。

ここで図２Ａ〜図２Ｃにより、コレステリック液晶に適用可能な２値出力の市販のSTNドライバの電圧出力について説明する。
まず、液晶は交流駆動が必須であるため、交流信号がHigh、Lowの場合の2通りの駆動電圧を設定しなければならない。その時の電圧（V0、V21、V34、V5）と交流信号のHigh、Lowとの対応は、データ信号とスキャン信号について、一般に図２Ａに示すようになり、電圧出力の大きさはV0≧V21≧V34≧V5にする必要がある。

例えば、図２Ａに記載されたように、セグメントモードで与えられるデータについて、データ信号がHighであれば、それに対応する交流信号はHighがV0でLowがV5である。
これに従い、コレステリック液晶を駆動する場合には、図２Ｂに示すように、例えばセグメントモードでは、電圧（V0、V21、V34、V5）をそれぞれ（32,24,8,0）の電圧値にセットする。そうすると、図２Ｃに記載されているような電圧波形が得られる。

つまり、スキャンにより選択されたラインには図２Ｃの「ONスキャン」のように0→32Vと電圧が印加される。これに対し、データ側より「ONデータ」として32→0V、「OFFデータ」として24→8Vの電圧が印加される。これらを合成すると、選択されたラインの中でON表示とする画素には「ONスキャン-ONデータ」の電位差が発生して±32V、OFF表示とする画素には「ONスキャン-OFFデータ」の電位差が発生して±24Vが印加される。

同様に、非選択のラインにある画素については「OFFスキャン-ONデータ」、「OFFスキャン-OFFデータ」の電位差が発生して全て±4Vが印加される。
したがって、図１に記載された電圧応答特性から理解されるように、非選択のラインはクロストークが発生せず、前の表示状態（プレーナ状態かフォーカルコニック状態）が保持される。

ところで、コレステリック液晶を用いた表示素子の応用分野である電子ペーパーでは、表示エリア内の特定の領域のみを書き換える機能（以下、部分書換えと呼ぶ）が求められている。部分書換えを行う時、それ以外の領域は前に書き込んだ表示状態をそのまま保持させる必要がある。

しかしながら、市販のSTNドライバには以下の課題があった。
（１）スキャンモードは全てのラインを必ずシフト（スキャン）するため、部分書換えを行わない領域も必ずON、OFFの電圧が印加される。つまり、特定の領域のみスキャンすることができない。結局全てのラインをスキャンすることになるため、表示済みの画像データと部分書換えに用いる画像データを処理部で合成し、画面全てを書換えるため、時間がかかる問題があった。
（２）スキャン側もデータ側もセグメントモードにすれば特定のラインのみスキャンすることが可能になるが、その場合、既に図２Ａに示したが、V0≧V21≧V34≧V5のような電圧の大小関係が障壁となり、コモンモードとセグメントモードの組合せでのような駆動波形にすることができず、非選択の画素に必ずクロストークが発生してしまい、表示済みの画像が損なわれてしまう。

一方、下記特許文献１〜５に記載された公知のコレステリック液晶の部分書換え方法では、電圧出力を双極性（プラスとマイナス）とし、前述の電圧の制約をフリーにしたカスタムドライバを用いている。

ここで図３に、仮に双極性・電圧制約フリーのドライバで図１に記載した液晶の応答特性に合わせて簡易的に駆動した例を示す。例１の場合も例２の場合も、図２Ｃに示したＯＮレベルとＯＦＦレベルの印加電圧を選択されたラインの画素に印加可能である。このように、電圧の制約がなければ、部分書換えの領域だけ選択して駆動することが容易になる。

しかしながら双極性とすることにより、ドライバ内のLSIの高い耐圧と複雑な構成が必要となり、コストアップの原因になる。
すなわち、従来は、コレステリック液晶を用いた表示素子のある特定領域のみを部分的に書換えるには、スキャンドライバ、データドライバともに任意のラインを選択できるモード（通称セグメントモード）にし、かつクロストークを抑えるため特殊な出力電圧の仕様にする必要があった。そのため、コストアップの大きな要因となっていた。汎用のSTNドライバでは、既述のように，スキャンドライバ，データドライバともにセグメントモードとしては大きなクロストークが生じるため部分書換えが不可能であり、表示の一部を書換えるだけでも画像全体を更新させる必要があった。そのため、書換え時間がかかるなどの課題があった。
特開２０００−１４７４６５号公報 特開２０００−１４７４６６号公報 特開２０００−１７１８３７号公報 特開２０００−１８０８８７号公報 特開２０００−１９４００５号公報

本発明は、コレステリック液晶を用いた表示素子において、安価な汎用ドライバによって、高速に部分的な画面の書換えを行うことができるようにすることを目的とする。

上記目的達成のために、部分書換え非対象の領域を液晶のクロストーク許容内となる高速モードでスキャンし、部分書換え対象の領域を書換え可能な範囲の通常速度でスキャンして部分的に書換える。

本発明によれば、安価な汎用ドライバICを用いても、任意の特定領域のみの高速書換えが実現できる。

図４は、本発明の原理を説明する図である。
元画像１００に対してその一部の領域２２０を書換え、部分書換え後の画像２００を表示する場合、部分書換えを行わない領域２１０を高速モードでスキャンし、部分書換えを行う領域２２０に到達したら通常の走査速度で書換えを行う。その後、書換え領域２２０のスキャンが終わったら再び高速モードに戻り、残りの領域２３０を高速にスキャンする。

書換え前後の領域での高速モードでも各画素に図２Ｃで示した±24V、あるいは±32Vの電圧が印加されているが、図５に示すように、高速スキャンのためにコレステリック液晶の動作閾値電圧が32V以上に大きく上昇するため、液晶の配向状態（表示状態）は変化しない。したがって、部分書換え後の画像２００に示されているように、元画像１００の上に、会議開催の案内を表示することができる。

なお、図４には、部分書換えを行う領域２２０に元画像１００の一部が残されている例が示されているが、ただ単に走査速度を通常どおりとしただけでは、元画像１００の一部を残すことはできない。当該一部を残すための処理については、図７を参照して後で説明する。

図６は、データ取り込みのためのクロックであるドライバクロックとスキャンパルスの関係を示す図である。表示用データを入力するバス幅が例えば８ビットで、１ラインの画素数が例えば３２０ビットとすると、通常モードでのスキャンパルス（LP）はドライバクロック（XSCL）の４０クロック毎に発生させる。高速モードでは、例えば図６に示すように、ドライバクロック（XSCL）を２分周したほどの高い周期のスキャンパルス（LP）を使用する。この場合は、通常モードの２０倍高速にスキャンすることになる。高速モードでのスキャンパルス（LP）の周期は短い方がよりクロストークを確実に防止できる。

また、高速モードでのスキャンパルス（LP）は、ドライバクロック（XSCL）によるデータ取込タイミングと関係なく与えられるが、高速モードではデータ書込みは行われないので何ら不都合はない。さらにいえば、高速モードでは、ドライバICに与える画像データは、任意のものでさしつかえない。

次に、図７を参照して、部分書換え領域の一部の元画像を残す処理について説明する。その場合には、図7に示すように予め画像を合成する。すなわち、図７に示す書込み済み表示のある部分領域を書換えるのであるが、その書換え領域の一部は前の表示のままとする場合、元の領域のうち実際に書換える部分を書換えた部分書換えパターンを作成し、部分書換え領域をスキャンするときに、作成された部分書換えパターンのデータ信号を与えることにより、領域の一部のみの書換えを実施することができる。

上記説明をした実施例では、書換え前後の領域での高速スキャンモードでも各画素に通常の書込み時と同じ電圧を印加した。それに対して、部分書換えをしない領域をスキャンしている間は、ドライバの出力電圧を全て0Vすることも考えられるが、この場合、部分書換えの対象でない領域から部分書換え領域に移る時、ドライバの出力電圧を0Vから所定の大きさにするまで数msの時間がかかることがある。そうすると、そのままスキャンすると部分書換えの最初の部分でエッジのボケが生じることがある。

また、所定の大きさになるまでの数ms間、待ち時間を入れることも考えられるが、これも表示にノイズが入る恐れがある。
そのため、部分書換え非対象の領域も所定の電圧出力にしている方が好ましい。

以上のようなフローの処理により、２値出力の汎用ドライバをそのまま流用してコストアップなしに高速部分書換えを実現できる。
次に、本発明の表示素子の駆動方法を実施する駆動回路例のブロック図を図８に示す。ドライバIC１０には、スキャンドライバとデータドライバが含まれる。演算部２０は、表示用に処理をされデータドライバに与えられる画像データをドライバIC１０に出力するとともに、図示の各種制御データをドライバIC１０に出力する。

データシフト・ラッチ信号は、スキャンラインを次のラインにシフトする制御とデータ信号のラッチを制御する信号であり、本発明では部分書換えの処理において高速モードを使用するため、走査速度制御部３０を介してドライバIC１０に出力される。極性反転信号は、単極性であるドライバIC１０の出力を反転させる信号である。フレーム開始信号は表示画面を一画面分書き始めるときの同期信号である。ドライバクロックは、図６の説明で述べたとおり、画像データの取り込みタイミングを示す信号である。ドライバ出力オフ信号は、ドライバ出力を強制的にゼロにするための信号である。

ドライバIC１０に入力される駆動電圧は、３〜５Ｖの論理電圧を昇圧部４０で昇圧し、電圧形成部５０で各種電圧出力に形成される。演算部２０から出力された制御データに基づいて、電圧選択部６０が電圧形成部４０で形成された電圧からドライバIC１０に入力する電圧を選択し、レギュレータ７０を介してドライバIC１０に入力する。

次に、本発明に係る反射型液晶表示素子の実施形態について添付図面を参照して説明し、さらに、本発明に係る液晶組成物について具体的に説明する。
図９は、本発明の駆動方法を適用する液晶表示素子の実施形態の断面構造を示す図である。この液晶表示素子はメモリ性を有しており、プレーナ状態及びフォーカルコニック状態はパルス電圧の印加を停止した後も維持される。液晶表示素子は、電極間に液晶組成物５を含む。電極３、４は基板に垂直な方向から見て互いに交差するように向かい合わされている。図４に記載されたスキャンドライバにより駆動される電極がスキャン電極であり、データドライバにより駆動される電極がデータ電極である。電極上には絶縁性薄膜や配向安定化膜がコーティングされていることが好ましい。また、光を入射させる側とは反対側の基板の外面（裏面）には、必要に応じて、可視光吸収層８が設けられる。

本発明に係る液晶表示素子では、５は室温でコレステリック相を示すコレステリック液晶組成物であり、これらの材料やその組み合わせについては以下の実験例によって具体的に説明する。

６、７はシール材であり、液晶組成物５を各基板１、２の間に封入するためのものである。９は駆動回路であり、前記電極３、４にパルス状の所定電圧を印加する。
基板１、２は、いずれも透光性を有しているが、本発明に係る液晶表示素子に用いることができる一対の基板は、少なくとも一方が透光性を有していることが必要である。透光性を有する基板としては、ガラス基板があるが、ガラス基板以外にも、PETやPCなどのフィルム基板を使用することができる。

電極３、４としては、例えば、Indium Tin Oxide（ＩＴＯ：インジウム錫酸化物）が代表的であるが、その他Indium Zic Oxide（ＩＺＯ：インジウム亜鉛酸化物）等の透明導電膜や、アルミニウム、シリコン等の金属電極、あるいは、アモルファスシリコン、ＢＳＯ（Bismuth Silicon Oxide）等の光導電性膜等を用いることができる。図9に示す液晶表示素子においては、既述の通り、透明基板１、２の表面に互いに平行な複数の帯状の透明電極３、４が形成されており、これらの電極は基板１、２に垂直な方向から見て互いに交差するように向かい合わされている。

次に、図９には図示されてはいないが、本発明に係る液晶表示素子に用いて好適な要素について説明する。
（絶縁性薄膜）図9に示す液晶表示素子を含め、本発明に係る液晶表示素子は電極間の短絡を防止したり、ガスバリア層として液晶表示素子の信頼性を向上させる機能を有する絶縁性薄膜が形成されていてもよい。
（配向安定化膜）配向安定化膜としては、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、アクリル樹脂等の有機膜や、酸化シリコン、酸化アルミニウム等の無機材料が例示される。本実施形態では、電極３、４に配向安定化膜がコーティングされている。また、配向安定化膜を絶縁性薄膜と兼用してもよい。
（スペーサ）図9に示す液晶表示素子を含め、本発明に係る液晶表示素子は、一対の基板間に、基板間ギャップを均一に保持するためのスペーサが設けられていてもよい。
本実施形態の液晶表示素子には、基板１、２間にスペーサを挿入してある。このスペーサとしては、樹脂製又は無機酸化物製の球体を例示できる。また、表面に熱可塑性の樹脂がコーティングしてある固着スペーサも好適に用いられる。

次に、液晶組成物について説明する。液晶層を構成する液晶組成物は、ネマティック液晶混合物にカイラル材を10〜40ｗｔ％添加したコレステリック液晶である。ここで、カイラル材の添加量はネマティック液晶成分とカイラル材の合計量を100ｗｔ％としたときの値である。

ネマティック液晶としては従来公知の各種のものを用いることができるが、誘電率異方性が20以上あることが、駆動電圧の都合上好ましい。誘電率異方性が20以上であれば、駆動電圧が比較的低くできる。コレステリック液晶組成物としての誘電率異方性（Δε）は、20〜50あることが好ましい。

また、屈折率異方性（Δn）は、0.18〜0.24が好ましい。この範囲より小さいと、プレーナ状態の反射率が低くなり、この範囲より大きいと、フォーカルコニック状態での散乱反射が大きくなる他、粘度もつられて高くなり、応答速度が低下する。

また、この液晶の厚みは、3〜6μmくらいが好ましい。これより小さいとプレーナ状態の反射率が低くなり、これより大きいと駆動電圧が高くなりすぎる。
次に、上記に示した内容のモノクロ8階調、解像度Ｑ−ＶＧＡの表示素子を作製し、それを用いた本発明の実験例を説明する。

液晶はプレーナ状態で緑色、フォーカルコニック状態で黒色を呈す。
ドライバICは、汎用のSTNドライバであるEPSON社製S1D17A03（160本出力）を2つとS1D17A04（240本出力）を1つ用いた。そして、320出力側をデータ側、240出力側をスキャン側として駆動回路を設定した。この時、必要に応じて、ドライバに入力する電圧を安定化させるために、オペアンプのボルテージフォロアにより安定化させてもよい。

このドライバICへの入力電圧は、図２Ｂに示すものと同様である。図２Ｃに示すようにON画素には±32V、OFF画素には±24Vのパルス電圧が安定して印加され、非選択の画素には±4Vのパルス電圧が印加される。

部分書換えの領域は約3ms/lineの速度でスキャンし、非対象の領域は数〜数十μs/lineレベルのスキャン速度により一瞬にスキャンを終える。その非対象の領域の画素には全て±24Vの電圧が印加されるが、高速のためにクロストークが生じず、表示済みの画像が保持された。部分書換えの領域では、所定のスキャン速度のため新たに表示が更新された。

なお，本発明はコレステリック液晶以外にも，メモリ性を有する表示材料ならば同様に応用でき，特に液晶の一種であれば，より好適に応用することが可能である。
以上説明したように、本発明のコレステリック液晶を用いた表示素子の駆動方法によれば、安価な汎用ドライバによって、高速に部分的な画面の書換えができるようになることから、電子ペーパー等へ適用することにより、多大な効果をもたらすことができる。

コレステリック液晶の応答特性を説明する図である。 市販の汎用STNドライバの電圧出力とコモンモード、セグメントモードにおける信号出力の関係を示す図である。 コレステリック液晶を駆動する場合の市販の汎用STNドライバの電圧出力とその電圧値の対応例を示す図である。 データ信号、スキャン信号及び画素に印加される電圧を示す図である。 双極性ドライバでの表示素子駆動例を示す図である。 本発明の原理を説明する図である。 高速スキャンによる閾値特性のシフトを示す図である。 ドライバクロックとスキャンパルスの関係を示す図である。 書換え領域の一部のみを書換える方法を説明する図である。 本発明に係る駆動回路のブロック構成例を示す図である。 表示素子の一例の断面を示す図である。

Claims (7)

1. メモリ性を有するとともに、互いに対向状態で交差する複数のスキャン電極と複数のデータ電極とを有し、該スキャン電極を所定の順序で選択しながら電圧出力が単極性のドライバICによりパルス状の駆動電圧を印加する表示素子の駆動方法において、
   既存の表示状態から部分的に書換える領域に対して書換え可能な範囲をスキャンしているときスキャン速度を通常のスキャン速度にし、既存の表示状態を保存する領域をスキャンしているときスキャン速度を、前記通常のスキャン速度よりも高速であって既存の表示状態が変化しない速度に切替えてスキャンすることを特徴とする表示素子の駆動方法。
2. 前記ドライバICは２値出力の汎用STNドライバを用い、前記スキャン電極をコモンモード、前記データ電極をセグメントモードとすることを特徴とする請求項１に記載の表示素子の駆動方法。
3. 既存の表示状態を保持する領域をスキャンする間も、部分的に書換える時の電圧出力を保持していることを特徴とする請求項１に記載の表示素子の駆動方法。
4. 部分的に書換える領域の中で局所的に既存の表示状態を保存する場合、前記ドライバICに画像データを入力する前に書換え用画像と保存用画像を合成することを特徴とする請求項１に記載の表示素子の駆動方法。
5. メモリ性を有するとともに、互いに対向状態で交差する複数のスキャン電極と複数のデータ電極とを有し、該スキャン電極を所定の順序で選択しながら電圧出力が単極性のドライバICによりパルス状の駆動電圧を印加する表示素子において、
   既存の表示状態から部分的に書換える領域に対して書換え可能な範囲をスキャンしているときスキャン速度を通常のスキャン速度にし、既存の表示状態を保存する領域をスキャンしているときスキャン速度を、前記通常のスキャン速度よりも高速であって既存の表示状態が変化しない速度に切替える走査速度制御部を備えることを特徴とする表示素子。
6. 既存の表示状態を保持する領域をスキャンする間も、部分的に書換える時の電圧出力を保持していることを特徴とする請求項５に記載の表示素子。
7. 請求項５又は６に記載の表示素子を搭載したことを特徴とする電子端末。