JP4870945B2

JP4870945B2 - 液晶表示装置

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Publication number: JP4870945B2
Application number: JP2005155104A
Authority: JP
Inventors: 雄一井ノ上; 貴啓佐々木
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: US20060274003A1; JP2006330430A

Description

本発明はパーソナルコンピュータ用ディスプレイ、テレビ及びプロジェクタ（投射型表示装置）等に使用される液晶表示装置に関し、特に応答特性が優れていて動画の表示に好適な液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、薄くて軽量であるとともに低電圧で駆動できて消費電力が少ないという長所があり、各種電子機器に広く利用されている。特に、画素毎にスイッチング素子としてＴＦＴ(Thin Film Transistor ：薄膜トランジスタ）が設けられたアクティブマトリクス方式の液晶表示装置は、表示品質の点でもＣＲＴ(Cathode-Ray Tube)に匹敵するほど優れているため、パーソナルコンピュータ用ディスプレイだけでなく、テレビやプロジェクタ等にも使用されている。

一般的な液晶表示装置は、相互に対向して配置された２枚の基板の間に液晶を封入した構造を有している。一方の基板にはＴＦＴ及び画素電極等が形成され、他方の基板にはカラーフィルタ及びコモン（共通）電極等が形成されている。以下、ＴＦＴ及び画素電極等が形成された基板をＴＦＴ基板と呼び、ＴＦＴ基板に対向して配置される基板を対向基板と呼ぶ。また、ＴＦＴ基板と対向基板との間に液晶を封入してなる構造物を液晶パネルと呼ぶ。液晶パネルの厚さ方向の両側にはそれぞれ偏光板が配置される。画素電極とコモン電極との間に電圧を印加して液晶分子の配向状態を変化させることにより、これら２枚の偏光板を透過する光の量を調整することができる。

従来は、２枚の基板間に誘電率異方性が正の液晶を封入し、液晶分子をツイスト配向させるＴＮ（Twisted Nematic ）型液晶表示装置が広く使用されていた。しかし、ＴＮ型液晶表示装置には視野角特性が悪く、画面を斜め方向から見たときにコントラストや色調が大きく変化するという欠点がある。このため、視野角特性が良好なＭＶＡ（Multi-domain Vertical Alignment ）型液晶表示装置が開発され、実用化されている。

ところで、従来の液晶表示装置は応答特性が悪く、動画を表示すると残像が発生するという問題があった。このため、応答特性を改善すべく、種々研究が行われている。

一般的に、液晶表示装置の応答特性は、白表示時の透過率を１００％としたときに、透過率が１０％から９０％まで変化するのに要する時間（以下、立ち上がり時間という）τｒと、透過率が９０％から１０％まで変化するのに要する時間（以下、立ち下がり時間という）τｆとにより定義される。セルギャップを小さくすると、立ち上がり時間τｒ及び立ち下がり時間τｆがいずれも短縮されることが知られている。このため、近年の液晶表示装置では、セルギャップを小さくする傾向がある。

しかし、現状の液晶表示装置は、例えば黒表示（最も低い階調の表示：以下、同じ）から中間調表示に変更したときや、黒表示から白表示（最も高い階調の表示：以下、同じ）に変更したときなどに残像が発生することがあり、応答特性をより一層改善することが要求されている。

液晶表示装置の応答特性を改善するためには、液晶材料を改良することが考えられる。しかし、現状では、液晶表示装置に使用したときに十分な応答特性を示し、且つ表示性能と長期間に亘る信頼性とをいずれも満足する液晶材料は得られていない。

液晶表示装置の駆動方式は、画素電極とコモン電極とそれらの間の液晶とにより構成される液晶容量に表示信号（表示電圧）を書き込むストレージ方式である。通常の液晶表示装置では、液晶の誘電率異方性に起因する印加電圧の低下を抑制するために、補助容量Ｃｓを液晶容量に並列に形成している。この補助容量Ｃｓの容量値を大きくして応答特性を改善することも考えられる。しかし、通常、補助容量Ｃｓを構成する電極は金属により形成されているので、容量値を大きくするために電極を大きくすると、開口率が減少して画面が暗くなってしまう。

駆動方法を工夫して応答特性を改善するオーバードライブと呼ばれる技術が開発されている。この技術は、黒表示から中間調表示に変化するときに、黒表示電圧（低電圧）→白表示電圧（高電圧）→中間調表示電圧（中間電圧）というように３段階に電圧を変化させることにより、液晶分子の状態変化を加速するものである。しかし、オーバードライブでは、黒表示から中間調表示に変化させるときには応答時間を短縮することができるものの、黒表示から白表示に変化させるときには、白表示時よりも高い電圧を印加することができないため、応答時間を短縮することはできない。

特開２００４−３１０１１３号公報には、黒表示から白又は中間調表示に変更するときに、黒表示電圧と白又は中間調表示電圧との中間の電圧（以下、グレー電圧と呼ぶ）を短時間（例えば１フレーム期間）印加することが記載されている。このように、黒表示と白又は中間調表示との間にグレー電圧を印加する駆動方式を、本願ではグレー挿入方式と呼ぶ。

以下、グレー挿入方式により応答時間が短縮される理由について説明する。なお、本願では、基板面に垂直な法線と液晶分子の長軸とのなす角度を傾斜角度と呼び、液晶分子の長軸を基板面に投影してできる線の方向を傾斜方位と呼ぶ。

ＭＶＡ型液晶表示装置では、誘電率異方性が負の液晶を使用しているので、黒表示時には液晶分子は基板面（又は、配向膜の表面）に垂直な方向に配向している。画素電極に電圧を印加すると、配向制御用構造物（突起及びスリット等）の近傍の液晶分子は、配向制御用構造物により決まる傾斜方位に、印加電圧に応じた傾斜角度で傾斜する。一方、配向制御用構造物から離れた領域の液晶分子は、電圧印加直後には電圧に応じた角度で傾斜するものの傾斜方位が決定していないため不安定な状態となり、配向制御用構造物の近傍の液晶分子から傾斜方位が伝播してきてから所定の方位に傾斜して安定な状態となる。従って、電圧を印加してから画素内の全ての液晶分子が所定の方位に傾斜して安定な状態になるまでに時間がかかる。

黒表示と白又は中間調表示との間にグレー電圧を例えば１フレーム期間（約１６ｍｓ）印加すると、垂直に配向していた液晶分子が配向制御用構造物により決定される方位に若干傾斜（プレチルト）する。１フレーム期間内には配向制御用構造物から離れた領域の液晶分子にも傾斜方位が伝播して、画素内の液晶分子の殆どが所定の傾斜方位にプレチルトする。その後、白又は中間調表示電圧を印加すると、既に液晶分子の傾斜方位が決定されているため、画素内の液晶分子が所定の方位に表示電圧に応じた傾斜角度で一斉に傾斜する。これにより、立ち上がり時間τｒが短縮される。
特開２００４−３１０１１３号公報特開２００３−１４９６４７号公報

しかしながら、特開２００４−３１０１１３号公報に記載されたグレー挿入方式においても、応答特性が十分ではなく、より一層の改善が要求されている。特に、セルギャップが小さい（例えば、３μｍ以下）液晶表示装置では、間隙部の液晶分子がランダムな方位に素早く応答して傾斜方位の伝播を阻害するため、グレー挿入方式の効果を十分に得ることができない。

以上から、本発明の目的は、従来に比して応答特性が優れ、動画の表示に適した液晶表示装置を提供することである。

上記した課題は、相互に対向して配置された第１及び第２の基板と、前記第１及び第２の基板の間に封入された誘電率異方性が負の液晶からなる液晶層と、電圧無印加時における液晶分子の長軸の方向を基板面に対し垂直な方向から所定の方向に傾斜させるプレチルト手段と、前記液晶層に電圧を印加して液晶分子の配向状態を変化させる電極と、前記電極に表示信号を供給する表示信号出力部と、フレーム毎の前記表示信号の変化を監視し、表示信号が第１の電圧から前記第１の電圧よりも高い第２の電圧に変化するときに、前記表示信号出力部を制御して前記第２の電圧を供給する前に前記第１の電圧と前記第２の電圧との中間の第３の電圧を前記電極に供給させる表示信号監視部とを有し、前記第１の電圧は黒表示電圧であり、前記第２の電圧は白表示電圧又は中間階調表示電圧であり、前記第３の電圧は該第３の電圧を前記電極に印加したときの透過率が白表示時における透過率の１乃至１０％となる電圧であることを特徴とする液晶表示装置により解決する。

本願発明者等は、特にセルギャップが小さい液晶表示装置の応答特性のより一層の改善を図るべく種々実験・研究を行った。その結果、電圧無印加時に液晶分子を所定の方向に傾斜させるプレチルト手段と、グレー挿入方式とを組み合わせることにより、セルギャップが小さい液晶表示装置においても立ち上がり時間を大幅に短縮できるとの知見を得た。本願発明は、このような知見に基づいてなされたものである。

本発明の液晶表示装置においては、フレーム毎の表示信号の変化を監視し、表示信号が第１の電圧（黒表示電圧）から第１の電圧よりも高い第２の電圧（白又は中間調表示電圧）に変化するときに、表示信号出力部を制御して第２の電圧を供給する前に第１の電圧と第２の電圧との中間の第３の電圧（グレー電圧）を電極に供給させる表示信号監視部を有している。また、本発明の液晶表示装置においては、電圧無印加時に液晶分子を所定の方向に傾斜させるプレチルト手段を有している。これにより、セルギャップが小さい液晶表示装置であっても、立ち上がり時間を短縮することができる。

プレチルト手段としては、液晶層中に形成されたポリマーを使用することができる。このポリマーは、例えば液晶中にモノマーを添加しておき、第１及び第２の基板間に液晶を封入した後、電極に電圧を印加して液晶分子を所定の方向に配向させ、紫外線照射又は加熱等によりモノマーを重合させることにより形成できる。また、ラビング処理や紫外線照射処理が施された配向膜をプレチルト手段とすることもできる。

なお、特開２００３−１４９６４７号公報には、液晶中に形成したポリマーによりプレチルト角を付与することが記載されている。しかし、本発明は、単に液晶中にポリマーを形成した場合に比べて、応答時間を著しく短縮できる。

以下、本発明について、添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態の液晶表示装置の全体構成を示すブロック図である。なお、本実施形態は、本発明をＭＶＡ型液晶表示装置に適用した例を示している。

本実施形態の液晶表示装置１００は、制御回路１０１、データドライバ１０２、ゲートドライバ１０３及び液晶パネル１０４により構成されている。この液晶表示装置１００には、コンピュータ等の外部装置（図示せず）からデジタル表示信号ＲＧＢ、水平同期信号Ｈsync及び垂直同期信号Ｖsync等の信号が供給される。

液晶パネル１０４には、複数の画素１０５がマトリクス状に配列されている。また、液晶パネル１０４には、垂直方向に伸びる複数のデータバスライン１１５と、水平方向に伸びる複数のゲートバスライン１１１とが設けられている。本実施形態の液晶表示装置においては、ゲートバスライン１１１及びデータバスライン１１５が各画素１０５の境界となっている。画素１０５の詳細については後述する。

制御回路１０１は、水平同期信号Ｈsync及び垂直同期信号Ｖsyncを入力し、１水平同期期間の開始時にアクティブになるデータスタート信号DSI と、１水平同期期間を一定の間隔に分割するデータクロックDCLKと、１垂直同期期間の開始時にアクティブになるゲートスタート信号GSI と、１垂直同期期間を一定の間隔に分割するゲートクロックGCLKとを出力する。

データドライバ１０２は、外部装置から入力したデジタル表示信号ＲＧＢをアナログ表示信号に変換し、制御回路１０１から入力したデータスタート信号DSI 及びデータクロックDCLKに基づくタイミングで１水平同期期間毎に各データバスライン１１５にアナログ表示信号を供給する。また、データドライバ１０２は、後述するように、表示信号ＲＧＢを監視して、黒表示から白表示又は中間調表示に変化する画素に対し、１フレーム期間だけデータバスライン１１５にグレー電圧を供給する。

一方、ゲートドライバ１０３は、制御回路１０１から入力したゲートスタート信号GSI 及びゲートクロックGCLKに基づいて、１垂直同期期間内に、各ゲートバスライン１１１に供給する走査信号を水平同期期間の周期で順番にアクティブにする。

図２は液晶パネル１０４を示す平面図、図３は同じくその模式断面図である。なお、図２では１画素分の領域を示しているが、実際には図１に模式的に示しているように多数の画素１０５が水平方向（Ｘ軸方向）及び垂直方向（Ｙ軸方向）にマトリクス状に配列されている。

図３に示すように、液晶パネル１０４は、ＴＦＴ基板１１０と、対向基板１３０と、それらの間に封入された誘電率異方性が負の液晶からなる液晶層１４０とにより構成されている。液晶層１４０中には、液晶分子をプレチルトさせるためにポリマーが形成されている。このポリマーは、後述するように、液晶中に添加した重合成分（モノマー又はオリゴマー）を重合させて形成される。

なお、液晶分子をプレチルトさせる方法として、上記のように液晶層中にポリマーを形成する方法の他にも、配向膜をラビング処理する方法や、配向膜を所定の方向から紫外線照射する方法などが知られている。本発明においても、液晶層中にポリマーを形成する替わりに、これらの方法を採用してもよい。

液晶パネル１０４の前面側（観察者側：図３では上側）及び裏面側（図３では下側）にはそれぞれ偏光板（図示せず）が配置され、更に裏面側にはバックライト（図示せず）が配置されている。一方の偏光板は吸収軸を図２に示すＸ軸に一致させて配置され、他方の偏光板は吸収軸をＹ軸に一致させて配置されている。

ＴＦＴ基板１１０のベースとなるガラス基板１１０ａの上には、図２に示すように、水平方向（Ｘ軸方向）に伸びる複数のゲートバスライン１１１と、垂直方向（Ｙ軸方向）に伸びる複数のデータバスライン１１５とが形成されている。ゲートバスライン１１１は垂直方向に例えば約３００μｍのピッチで配置されており、データバスライン１１５は水平方向に例えば約１００μｍのピッチで配置されている。これらのゲートバスライン１１１及びデータバスライン１１５により区画される矩形の領域がそれぞれ画素領域である。また、ＴＦＴ基板１１０には、ゲートバスライン１１１に平行に配置されて画素領域の中央を横断する補助容量バスライン１１２が形成されている。

更に、ＴＦＴ基板１１０には、画素領域毎に、ＴＦＴ１１７と、補助容量電極１１８と、画素電極１２０とが形成されている。ＴＦＴ１１７はゲートバスライン１１１の一部をゲート電極としている。図３に示すように、このゲート電極の上方にはＴＦＴ１１７の活性層となる半導体膜１１４ａとチャネル保護膜１１４ｂとが形成されており、半導体膜１１４ａの両側にはドレイン電極１１７ａ及びソース電極１１７ｂが相互に対向して配置されている。そして、ドレイン電極１１７ａはデータバスライン１１５に接続されている。

また、補助容量電極１１８は、第１の絶縁膜１１３を挟んで補助容量バスライン１１２に対向する位置に形成されている。この補助容量電極１１８と、補助容量バスライン１１２と、それらの間の第１の絶縁膜１１３とにより補助容量Ｃｓが構成される。

画素電極１２０は、ＩＴＯ（Indium-Tin Oxide）等の透明導電体により形成されている。この画素電極１２０には、配向制御用構造物として、Ｙ軸方向に対し斜め方向に伸びるスリット１２０ａが設けられている。スリット１２０ａは、補助容量バスライン１１２の中心線を軸としてほぼ上下対称に形成されている。

ゲートバスライン１１５、ＴＦＴ１１７及び補助容量電極１１８ａと画素電極１２０との間には第２の絶縁膜１１９が形成されており、画素電極１２０は第２の絶縁膜１１９に形成されたコンタクトホール１１９ａ，１１９ｂを介してソース電極１１７ｂ及び補助容量電極１１８に電気的に接続されている。画素電極１２０の表面は例えばポリイミドからなる垂直配向膜（図示せず）に覆われている。

一方、対向基板１３０のベースとなるガラス基板１３０ａの上（図３では下側）には、ブラックマトリクス（遮光膜）１３１と、カラーフィルタ１３２と、コモン電極１３３と、配向制御用構造物である土手状の突起１３５とが形成されている。ブラックマトリクス１３１はＣｒ（クロム）等の金属又は黒色樹脂により形成されており、ＴＦＴ基板１１０側のゲートバスライン１１１、データバスライン１１５及びＴＦＴ１１７に対向する位置に配置されている。カラーフィルタ１３２には赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３種類があり、画素毎にいずれか１色のカラーフィルタが配置されている。コモン電極１３３はＩＴＯ等の透明導電体からなり、カラーフィルタ１３２の上（図３では下側）に形成されている。土手状の突起１３５は樹脂等の誘電体により形成されている。この突起１３５は、図２に示すように画素電極１２０のスリット１２０ａから離れた位置に、スリット１２０ａに平行に形成されている。コモン電極１３３及び突起１３５の表面は、例えばポリイミドからなる垂直配向膜（図示せず）に覆われている。

以下、図２及び図３を参照して、本実施形態の液晶表示装置の製造方法について説明する。

まず、ＴＦＴ基板１１０のベースとなるガラス基板１１０ａを用意する。そして、このガラス基板１１０ａの上に例えばＡｌ（アルミニウム）／Ｔｉ（チタン）を積層してなる金属膜を形成し、この金属膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングして、ゲートバスライン１１１と、補助容量バスライン１１２とを形成する。

次に、ガラス基板１１０ａの上側全面に例えばＳｉＯ₂又はＳｉＮ等の絶縁物からなる第１の絶縁膜（ゲート絶縁膜）１１３を形成する。そして、この第１の絶縁膜１１３の上の所定の領域に、ＴＦＴ１１７の活性層となる半導体膜（アモルファスシリコン膜又はポリシリコン膜）１１４ａを形成する。

次に、ガラス基板１１０ａの上側全面にＳｉＮ膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりＳｉＮ膜をパターニングして、半導体膜１１４ａのチャネルとなる領域の上にチャネル保護膜１１４ｂを形成する。

次に、ガラス基板１１０ａの上側全面に不純物を高濃度に導入した半導体膜からなるオーミックコンタクト層（図示せず）を形成する。その後、ガラス基板１１０ａの上に例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉをこの順で積層してなる金属膜を形成し、この金属膜及びオーミックコンタクト層をフォトリソグラフィ法によりパターニングして、データバスライン１１５、ドレイン電極１１７ａ、ソース電極１１７ｂ及び補助容量電極１１８を形成する。

次に、ガラス基板１１０ａの上側全面に例えばＳｉＯ₂又はＳｉＮ等の絶縁物からなる第２の絶縁膜１１９を形成する。そして、この第２の絶縁膜１１９に、ソース電極１１７ｂに通じるコンタクトホール１１９ａと、補助容量電極１１８に通じるコンタクトホール１１９ｂとを形成する。

次に、ガラス基板１１０ａの上側全面にＩＴＯをスパッタリングして、ＩＴＯ膜を形成する。このＩＴＯ膜は、コンタクトホール１１９ａ，１１９ｂを介してソース電極１１７ｂ及び補助容量電極１１８と電気的に接続される。その後、ＩＴＯ膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングして、スリット１２０ａを有する画素電極１２０を形成する。

次いで、ガラス基板１１０ａの上側全面にポリイミドを塗布して配向膜を形成する。このようにして、ＴＦＴ基板１１０が完成する。

次に、対向基板１３０の製造方法について説明する。

まず、対向基板１３０のベースとなるガラス基板１３０ａを用意する。そして、このガラス基板１３０ａの所定の領域上に、Ｃｒ等の金属又は黒色樹脂によりブラックマトリクス１３１を形成する。このブラックマトリクス１３１は、例えばＴＦＴ基板１１０側のゲートバスライン１１１、データバスライン１１５及びＴＦＴ１１７に対向する位置に形成する。

次に、赤色感光性樹脂、緑色感光性樹脂及び青色感光性樹脂を使用して、ガラス基板１３０ａの上に赤色、緑色及び青色のカラーフィルタ１３２を形成する。

次に、ガラス基板１３０ａの上側全面にＩＴＯをスパッタリングしてコモン電極１３３を形成する。その後、コモン電極１３３の上に感光性樹脂を塗布し、この感光性樹脂を露光及び現像処理して、突起１３５を形成する。

次いで、ポリイミドを塗布して、コモン電極１３３及び突起１３５の表面を覆う配向膜を形成する。このようにして、対向基板１３０が完成する。

このようにして製造したＴＦＴ基板１１０と対向基板１３０とをスペーサ（図示せず）を挟んで相互に対向させて配置し、両者の間に誘電率異方性が負の液晶を封入して液晶パネル１０４とする。液晶には、予め重合成分として例えばジアクリレート等の重合成分を添加しておく。また、ＴＦＴ基板１１０と対向基板１３０との間隔（セルギャップ）は例えば２．５〜３μｍとする。

次いで、ゲートバスライン１１１に所定の信号を印加して各画素のＴＦＴ１１７をオン状態にし、更にデータバスライン１１５に電圧を印加して液晶分子を配向制御用構造物（スリット１２０ａ及び突起１３５）により決まる所定の方向に配向させる。そして、液晶分子の配向状態が安定した後、紫外線を照射して液晶中に添加した重合成分を重合させて、電圧印加時における液晶分子の配向方向を規制するポリマーを形成する。このポリマーにより、液晶分子は電圧無印加時においても所定の方向に若干傾斜する。液晶分子のプレチルト角（液晶分子の長軸と基板面とのなす角度）は８８°以上、且つ９０°未満とすることが好ましい。プレチルト角が８８°よりも小さい場合は、黒表示時における透過率が高くなり、コントラスト特性が低下する。

なお、光（紫外線を含む）硬化型の重合成分に替えて、熱硬化型の重合成分を使用してもよい。また、前述したように、液晶層中にポリマーを形成する替わりに、配向膜をラビング処理する方法や、又は配向膜に所定の方向から紫外線を照射する方法によりプレチルト角を付与してもよい。

以下、本実施形態の液晶表示装置の動作について説明する。

データドライバ１０２には、図４に示すように、奇数番目のフレームのデジタル表示信号ＲＧＢを記憶する第１のフレームバッファ１５１と、偶数番目のフレームのデジタル表示信号ＲＧＢを記憶する第２のフレームバッファ１５２と、デジタル表示信号ＲＧＢをアナログ表示信号に変換して各データバスライン１１５に出力する表示信号出力部１５３と、フレームバッファ１５１，１５２に記憶された表示信号により各画素毎の表示信号の変化を監視する表示信号監視部１５４とにより構成されている。

表示信号出力部１５２は、奇数番目のフレームのときには第１のフレームバッファ１５１から表示信号を入力し、偶数番目のフレームのときには第２のフレームバッファ１５２から表示信号を入力して、アナログ表示信号に変換し、ゲートスタート信号DSI 及びデートクロック信号DCLKに基づくタイミングで、１水平同期期間毎に各データバスライン１１５にアナログ表示信号を出力する。

一方、ゲートドライバ１０３は、ゲートスタート信号GSI 及びゲートクロック信号GCLKに基づいて、１水平同期期間のステップで、１フレーム期間内に各ゲートバスライン１１１の走査信号を順番にアクティブにする。

例えば１番目のゲートバスライン１１１の走査信号がアクティブになると、そのゲートバスライン１１１に接続された画素（１行目の画素）のＴＦＴ１１７がオンになって、画素電極１２０に表示信号（表示電圧）が書き込まれる。その後、走査信号が非アクティブになってＴＦＴ１１７がオフになるが、画素電極１２０及び補助容量電極１１８には表示信号が保持される。

次に、２番目のゲートバスライン１１１の走査信号がアクティブになり、そのゲートバスライン１１１に接続された画素（２行目の画素）のＴＦＴ１１７がオンになって、画素電極１２０に表示信号（表示電圧）が書き込まれる。その後、走査信号が非アクティブになってＴＦＴ１１７がオフになるが、画素電極１２０及び補助容量電極１１８には表示信号が保持される。

このようにして、１フレーム毎に、液晶パネル１０４の各画素に表示信号が書き込まれる。表示信号が書き込まれた画素では、液晶分子が表示信号の電圧に応じた角度で傾斜する。このとき、液晶層１４０内に形成されたポリマーにより液晶分子が倒れる方向が規制されるため、電圧印加と同時に画素内の液晶分子が所定の方向に傾斜する。そして、液晶分子の傾斜角度に応じた量の光が画素を透過する。

データドライバ１０２の表示信号監視部１５４は、第１のフレームバッファ１５１に記憶された表示信号と第２のフレームバッファ１５２に記憶された表示信号とにより、各画素の表示信号の変化を監視している。そして、黒表示から白又は白に近い中間調表示に変化した画素を検出すると、その画素に表示信号を書き込むときに、表示信号出力部１５３を制御して、当該画素に対し１フレーム期間だけグレー電圧を出力させる。

図５は、横軸に画素電極に印加する電圧をとり、縦軸に透過率をとって、液晶表示装置の透過率−印加電圧特性（Ｔ−Ｖ特性）の一例を示す図である。グレー電圧としては、透過率が白表示時の透過率の１〜１０％程度となる電圧とすることが好ましい。グレー電圧が高すぎると、黒表示と白又は中間調表示との間にグレー表示が認識されて、違和感を生じさせてしまうので、動画表示を見て最適なグレー電圧を選ぶ必要がある。

図６に、黒表示から白表示に変化したときのデータバスラインへの出力電圧の変化を示す。なお、通常の液晶表示装置では１フレーム毎に表示信号の極性を反転させているが、ここでは説明を簡単にするために、表示信号の極性反転はないものとしている。

例えばｎ（ｎは任意の整数）フレームまで黒を表示していた画素がｎ＋１フレームに白を表示する場合、表示信号監視部１５４は表示信号出力部１５３を制御して、ｎフレームの表示信号を出力するときにグレー電圧を出力させる。

黒表示時には液晶分子は基板面（配向膜の表面）に対しほぼ垂直に対向している。グレー電圧を印加することにより、液晶分子がポリマーにより決まる所定の方向に若干傾斜し、次のフレームで白又は白に近い中間調表示電圧を印加したときに、液晶分子は印加電圧に応じた傾斜角度で傾斜する。白又は白に近い中間調表示電圧を印加するときには既に液晶分子が所定の方向に傾斜しているので、グレー電圧を印加しない場合に比べて液晶分子が所定の方向に配向するまでの時間が短縮される。

以下、評価用液晶表示装置（評価セル）を作成して本発明の効果を調べた結果について説明する。

まず、２枚のガラス基板を用意し、各ガラス基板の上にＩＴＯをスパッタリングして透明電極を形成した。そして、フォトリソグラフィ法により各ガラス基板の透明電極をパターニングして、それぞれ複数の平行なスリット（配向制御用構造物）を形成した。次に、各ガラス基板の上にＪＳＲ社製のポリイミドを塗布して、配向膜を形成した。

スペーサを挟んでこれら２枚のガラス基板を相互に対向させて配置し、光重合性モノマーを１ｗｔ％添加した液晶（メルク社製：Δε＝−３．８、ＮＩ点＝７０℃）を封入して、液晶パネルとした。図７に示すように、この液晶パネルのセルギャップＧは３．０μｍであり、スリットの幅Ｓは１０μｍ、下側の透明電極１６１のスリットと上側の透明電極１６２のスリットとの間隔ｄは２５μｍである。

その後、透明電極間に電圧を印加して液晶分子を所定の方向に配向させた後、紫外線を照射してモノマーを重合させ、ポリマーを形成した。このポリマーにより、電圧無印加時における液晶分子のプレチルト角を８９°とした。その後、液晶パネルの両側にそれぞれ偏光板を配置し、評価セルとした。

このようにして形成した評価セルを使用し、実施例１として、黒表示電圧を０．８Ｖ、白表示電圧を５．５Ｖとして黒表示から白表示に変化したときの立ち上がり時間τｒを測定した。但し、黒表示から白表示に変化するときに、グレー電圧として白表示時の透過率の１％となる電圧を１フレーム期間だけ印加した。

また、比較例として、上記の評価セルを使用し、グレー電圧を印加しないで黒表示から白表示に変化させたときの立ち上がり時間τｒを測定した。

更に、従来例１として、液晶層中にポリマーを形成しないこと以外は実施例と同様の評価セルを作成し、黒表示から白表示に変化したときの立ち上がり時間τｒを測定した。但し、黒表示から白表示に変化するときには、グレー電圧として白表示時の透過率の１％となる電圧を１フレーム期間だけ印加した。

更にまた、従来例２として、従来例１と同じ評価セルを使用し、グレー電圧を印加しないで黒表示から白表示に変化させたときの立ち上がり時間τｒを測定した。

これらの結果を、下記表１にまとめて示す。

この図１に示すように、プレチルト角を付与するためのポリマーが形成されていない従来例１の立ち上がり時間τｒは１０ｍｓであり、グレー電圧を挿入しない従来例２の立ち上がり時間τｒは１４ｍｓであった。グレー電圧を挿入した従来例１は、グレー電圧を挿入しない従来例２に対し、立ち上がり時間τｒの改善度は約３０％であった。

一方、実施例の立ち上がり時間τｒは１．７ｍｓであり、グレー電圧を挿入しない比較例の立ち上がり時間τｒは３．５ｍｓであった。このように、液晶層中にポリマーを形成した実施例及び比較例は、従来例１，２に比べて立ち上がり時間が著しく短縮されることがわかる。また、実施例では、比較例に対し立ち上がり時間が約４５％改善されており、本発明が応答時間の改善に極めて有効であることが確認された。

なお、上記の実験ではスリット（配向制御用構造物）の間隔を２５μｍとしているが、３０μｍ又はそれ以上としてもよい。近年、液晶表示装置のパネルサイズが大型化する傾向があり、その場合は画素のサイズも大きくなって、配向制御用構造物の間隔も必然的に大きくなる。配向制御用構造物の間隔が３０μｍを超えると、配向制御用構造物から離れた位置では配向制御用構造物による配向規制力が弱くなる。しかし、本実施形態によれば液晶層中のポリマーとグレー電圧挿入とにより液晶分子を短時間で所定の方向に配向させることができるので、パネルサイズが大きくなっても良好な応答特性が得られる。

また、例えば図８に示すように、相互に直交する２つの中心線から斜め方向に放射状に伸びる微細スリット１７２ａが設けられた画素電極１７２を有する液晶表示装置に、本発明を適用してもよい。この種の液晶表示装置では微細スリットの伸びる方向に液晶分子が配向するが、微細スリットの幅が５μｍを超えると、微細スリットによる配向制御性が低下する。このため、微細スリットの幅は５μｍ以下とすることが好ましい。

更に、本実施形態では黒表示から白表示に変化するときにグレー電圧を１フレーム期間（約１６ｍｓ）だけ印加するとしたが、本発明はこれに限定するものではない。例えば、１つの画素に対し１フレーム期間に複数回表示電圧を印加する液晶表示装置の場合は、グレー電圧の印加時間を１フレーム期間より短くしてもよい。

図１は、本発明の実施の形態の液晶表示装置の全体構成を示すブロック図である。図２は、液晶パネルの１画素を示す平面図である。図３は、同じくその模式断面図である。図４は、データドライバの構成を示すブロック図である。図５は、液晶表示装置の透過率−印加電圧特性（Ｔ−Ｖ特性）の一例を示す図である。図６は、黒表示から白表示に変化したときのデータバスラインへの出力電圧の変化を示す模式図である。図７は、評価セルを示す模式図である。図８は、変形例の液晶表示装置を示す平面図である。

符号の説明

１００…液晶表示装置、
１０１…制御回路、
１０２…データドライバ、
１０３…ゲートドライバ、
１０４…液晶パネル、
１０５…画素、
１１０…ＴＦＴ基板、
１１０ａ，１３０ａ…ガラス基板、
１１１…ゲートバスライン、
１１２…補助容量バスライン、
１１３，１１９…絶縁膜、
１１５…データバスライン、
１１７…ＴＦＴ、
１１８…補助容量電極、
１２０…画素電極、
１３０…対向基板、
１３１…ブラックマトリクス、
１３２…カラーフィルタ、
１３３…コモン電極、
１４０…液晶層、
１５１，１５２…フレームバッファ、
１５３…表示信号出力部、
１５４…表示信号監視部。

Claims

相互に対向して配置された第１及び第２の基板と、
前記第１及び第２の基板の間に封入された誘電率異方性が負の液晶からなる液晶層と、
電圧無印加時における液晶分子の長軸の方向を基板面に対し垂直な方向から所定の方向に傾斜させるプレチルト手段と、
前記液晶層に電圧を印加して液晶分子の配向状態を変化させる電極と、
前記電極に表示信号を供給する表示信号出力部と、
フレーム毎の前記表示信号の変化を監視し、表示信号が第１の電圧から前記第１の電圧よりも高い第２の電圧に変化するときに、前記表示信号出力部を制御して前記第２の電圧を供給する前に前記第１の電圧と前記第２の電圧との中間の第３の電圧を前記電極に供給させる表示信号監視部とを有し、
前記第１の電圧は黒表示電圧であり、前記第２の電圧は白表示電圧又は中間階調表示電圧であり、前記第３の電圧は該第３の電圧を前記電極に印加したときの透過率が白表示時における透過率の１乃至１０％となる電圧であることを特徴とする液晶表示装置。
前記プレチルト手段が、前記液晶層中に形成したポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記プレチルト手段が、前記第１及び第２の基板のうちの少なくとも一方の基板の表面に設けられてラビング処理が施された配向膜であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記プレチルト手段が、前記第１及び第２の基板のうちの少なくとも一方の基板の表面に設けられて紫外線照射処理が施された配向膜であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記プレチルト手段による液晶分子のプレチルト角（基板面と液晶分子の長軸とのなす角度）が８８°以上、且つ９０°未満であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記第３の電圧を印加する時間が、１フレーム期間以下であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記第１及び第２の基板のうちの少なくとも一方の基板に、複数の配向制御用構造物が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記配向制御用構造物が、誘電体からなる突起であることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
前記配向制御用構造物が、前記電極に設けられたスリットであることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
前記スリットの幅が５μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の液晶表示装置。
前記配向制御用構造物の間隔が２５μｍ以上であることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。