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1 液晶ディスプレイの基礎 九州大学大学院 システム情報科学研究科 服部励治

2 液晶とは? Liquid Crystal 液体と結晶の中間物質 LCD( 液晶ディスプレイ ) 1888 年液晶の発見 ( 植物学者 Reinitzer; オーストリア ) 1863 年液晶の電気特性変化発見 (Williams, 米 RCA ) 1968 年 DS 型 GH 型 LCD 方式の発表 (heilmaierら, 米 ) 1971 年 TN 型 LCD 方式の発表 (Scbadtら, スイス ) 197 年 液晶時計, 液晶電卓の実用化 ( マイクロマ社 ロックウェル社 ( 米 )) 1973 年 ビフェール系液晶の発見 ( グレイ教授, ハル大学 ( 英 )) 1976 年 電卓表示応用 (Sharp) 1980 年 a-sitft 駆動 LCDの試作 (Dundee 大学 ( 英 )) 198 年 液晶白黒 TVの実用化 ( セイコー, カシオ ) 1984 年 STN(SBE) 型 LCD 方式の開発 (Schefferら, スイス ) 1984 年 液晶カラー TVの商品化 ( セイコー ) 1991 年ハイピフョン液晶プロジェクターの商品化 ( シャープ )

3 液晶の種類 スメクティック smectic ネマティック nematic 棒状分子が層状構造を形成し, 構成分子は互いに平行配列し, 層面上にほぼ垂直に並んでいる. この分子層間の結合は比較的弱く, 互いに滑りやすい. このため, スメクテック液晶は二次元的流体の性質を示す しかし, 通常の液体に比べれば, その粘度は著しく大きい 棒状分子が同じく平行配列しているが, 個々の分子は長軸方向に比較的自由に移動でき, 層状構造は存在しない このため, 流動性に富み, 粘度は小さい コレステリック cholesteric スメクティック液品と同様に層状構造を形成するが, 分子長軸は層面内ではネマテイツク液品と似た平行配列をしている そして, 隣接層問で分子軸の配列方位が少しずつずれているので, 液晶全体としてヘリカル構造を形成している 旋光性, 選択光散乱, 円偏光二色性などのコレステリック液晶の光学的諸性質は, このヘリカル構造に基づいている

4 液晶の電気光学効果 電流効果型 動的散乱 (DS) 型 ねじれネマティック (TN) 型 ゲスト ホスト (GH) 型 液 晶 電界効果型 誘電異方性型 複屈折 (ECB) 型 超ねじれネマティック複屈折 (ECB/STN) 型 相転移 (PC) 型 高分子分散 (PD) 型 強誘電性型 単安定性 ( 非メモリ ) 型 双安定性 ( メモリ ) 型 熱効果型 スメクテッィック型コレスレリック型

5 LCD の原理 構成 特徴 方式 原理 種別 液晶材料 ε の正負 偏光子 しきい値電圧 [V] 動作電圧 [V] 消費電力 [µw/cm ] 液晶分子配列の変化 初期 ( 安定配列 ) 電圧 ( 熱 ) 印加 光学現象 TN 型旋光性 N 正 枚 1~3 1.5~5 ツイスト (~90) 垂直明暗の変化 GH 型 二色性 染料添加の N 染料添加の Ch 正負正負 1 枚 1~6 ~10 不要 ~8 3~15 ホモジニアス 垂直ホメオトロピック 平行フォーカル コニック ホメオトロピックホメオトロピック フォーカル コニック 色の濃淡変化 負 数 ~ 数十 ホメオトロピック 平行 ECB 型光干渉 N 正 枚 1~5 1~10 ホモジニアス 平行 色相の変化 正 ( 負 ) ハイブリッド 垂直 ( 平行 ) SBE/STN 型 光干渉 カイラル剤添加の N 正 枚 1~ ~55 ツイスト (>>90 o ) 垂直色相の変化 PC 型光散乱 Ch 正不要 3~10 5~0 フォーカル コニック 垂直白濁の透明化 DS 型光散乱導電剤添加の N 負不要 5~10 7~30 数百 ホメオトロピック ランダムホモジニアス ランダム 透明の白濁化 高分子分散型 光散乱 N 正不要 ~10 5~30 数 ~ 数十ランダム 垂直白濁の透明化 熱効果型 光散乱 S A Ch 正不要 10~0 15~40 数 ~ 数十ホメオトロピック フォーカル コニック透明の白濁化 強誘電性型 複屈折 枚ヘリカル解消構造 (+) 明暗の変化ヘリカル構造 < ヘリカル解消構造 (-) 二色性 Sc * 負 ( 正 ) 1 枚 1~10 ~50 数 ~ 数十色の濃淡の変化ヘリカル解消 ヘリカル解消構造 (-) 光散乱不要構造 (+) 透明の白濁化 TN:Twist Nematic GH:Guest Host ECB:Electrically Controlled Birefringece( 複屈折制御 ) SBE/STN:Super Birefringence Effect/Super-twisted Nematic PC:Phase Change DS:Dynamic Scattering

6 TN 液晶の旋光性と複屈折性

7 STN 液晶

8 ねじれネマティック (TN) 型

9 液晶ディスプレイの原理 (I) 基板の配向方向に沿って 配向の向きを 90 度変えた 分子が並ぶ枚の板で液晶をはさむと 液晶分子は90 度ねじれて配列する 自然状態では 分子の長軸方向にゆるやかな規則性を持って並んでいる 一定方向にラビングした膜 ( 配向膜 ) に液晶を接触させる 配向方向に沿って液晶分子が並ぶ 液晶がラビング方向に並ぶ理由 1. ラビングに因る細かい溝の形成. 分子間力によって並ぶ 3. 基板分子と液晶分子の長軸方向の一致

10 液晶ディスプレイの原理 (II) 光は分子の並ぶ隙間に沿って進む ( 旋光性 ) 電圧をかけると分子の並び方が変わる 液晶に光を通すと 分子の並ぶ隙間に沿って 光が通ります 上の図のように分子の配列が 90 度ねじれている場合には 光も90 度ねじれて通っていきます 液晶は 電圧をかけるなどの外からの刺激によって 簡単に分子の並び方が変わります 電圧がかかると分子は垂直方向に並び方を変えて ( 電界に沿って ) 並びます 光は分子の並びに沿って 直進します

11 液晶ディスプレイの原理 (III) 枚の偏光フィルターの組み合わせで 光を遮断 TN 型液晶ディスプレイの原理 枚の偏光フィルターを同じ偏光方向に並べると光を通す 枚の偏光フィルターを光の偏光方向が直行するように並べると光を遮断する 光が通らないように偏光方向を直交させた 枚の偏光フィルターの間に ねじれた液晶をはさむと 上から入った光は液晶分子の隙間に沿って90 度ねじれるので 下のフィルターを通過できる ( 光が通る ) 電圧をかけると 液晶分子が直立してねじれが取れる 上から入った光は そのまま下に向かうので 下のフィルターを通れない ( 光を遮断 )

12 超ねじれネマティック (STN) 型 SBE 型液晶デバイスの電気光学効果の原理 ねじれネマティック液晶セルの中央部における液晶分子長軸のチルト角と印加電圧の関係 ( 計算 )(φ: ねじれ角 V: 印加電圧 V 0 : 閾値電圧 )

13 D-STN と F-STN

14 表示方式 1. セグメント方式細長い表示単位を 8の字 型に並べ字型て 数字を表示する. ドットマトリックス方式 ( 文字表示 ) 表示単位を縦横の行列に並べて 文字を構成する 3. ドットマトリックス方式 ( グラフィック表示 ) 表示単位を縦横の行列に並べて 図形などを描く

15 晶セルスク投影レンズコンデンサレンズリーン表示の形態液晶セル 透過型 反射型液液晶セル 反射板 投影レンズ コンデンサーレンズ 投影型

16 駆動方式の進化 (I) スタティック駆動方式 ダイナミック駆動方式 8の字型の表示セグメントの一つひとつに電極がついている 上の電極を 4つに 下の電極をつにした例 上下の電極の組合せで 光らせたい表示が一つ決定する

17 駆動方式の進化 (II) 単純マトリックス駆動方式 アクティブマトリックス駆動方式クス駆動方式

18 単純マトリックスセルの構造 1- 偏光フィルター出入りする光をコントロールする -ガラス基板電極部からの電気がほかの部分に漏れないようにする 3- 透明電極液晶ディスプレイを駆動するための電極 表示の妨げにならないよう透明度の高い材料を使う 4- 配向膜液晶の分子を一定方向に並べるための膜 5- 液晶 6- スペーサー液晶物質をはさむ 枚のガラス基板に 均一なスペースを確保する 7- カラーフィルター RGBのそれぞれのフィルターをかけ 色を表示する 8-バックライトディスプレイの背後から光を当て 画面を明るくする モノクロ表示の液晶ディスプレイでは これの代わりに 反射板 を使い 自然光で見えるようにしてあるものもある

19 走査(行電圧平均化法 T F /n V(X 1 ) V 0 T F V(X ) V 0 -V 0 電X 1 -V 0 X X 3 V(X n ) V 0 X 4 -V 0 )V 0 /a X 5 極V(Y i ) -V 0 /a ( データON) X n Y 1 Y Y 3 Y 4 Y 5 Y n V(Y j ) ( データ OFF) -V 0 /a (1+1/a)VV 0 V 0 /a V 0 /a 信号 ( 列 ) 電極 単純マトリックス電極構成 V(X 1,Y i ) ( 表示画素 ) V(X 1,Y j ) ( 非表示画素 ) -V 0 /a -(1+1/a)V 0 (1-1/a)V1/ 0 V 0 /a -V 0 /a -(1-1/a)V 0

20 s us ' s us ' 3 3 動作電圧余裕度 表示画素電力 (V s : 表示電圧 ) V S n V a a n V V n a 0 n a a n 非表示画素電力 ( V us : 非表示電圧 ) V US n V a a n V V n a 0 n a a n α max V V s us max a n n 1 n 1 max : 動作電圧余裕度 V a an V a an V a an ya ( ) V a an y'( a) f / g' f '/ g fg'/ g f g fg g aa ana ana a an a 4a ana 4ana 4a ana 4an a an 4a 4n 4a na n a an a an ゆえに V V s us V a V0 a a a n n 0 走査電極数 n の限界 TN-LCD :100 a STN-LCD :400 a n n

21 アクティブマトリックス駆動 AM LCD の動作原理 AM-LCD の構造図 1フレームの駆動電圧波形 画素部の等価回路

22 アクティブマトリックスアレイ アクティブマトリックスアレイの断面図 アクティブマトリックスアレイ一画素の構造図

23 ピクセルの設計 ( 演習 )11-inch VGA カラー液晶ディスプレイのピクセルを設計せよ 1 inch=.54 cm ε 0 = F/cm q= C ε LC =10 t LC =5000 nm μ e =0.4 cm /Vs (1) ピクセルサイズおよびドットサイズを求めよ. L=6 m () LC の容量を求めよ.(( 開口率 70% とせよ ) ε SiN =7 (3) 選択時間は? t SiN =300 nm (4) LCを10Vに充電に要するチャネル幅 W V TH =1 V は?( 時定数が選択時間の 1/10 程度となる Cp=0.5 ff/m ようにせよ V G =0V) (5) 寄生容量 Cpによる V LC を求めよ. VGA: (6) V LC を0.V 以下にするには蓄積容量 Cs 11 inch はいくら必要か 60 Hz? (7) Csを考慮してWをもう一度計算せよ. Color (8) 配線幅 0mとして開口率を求めよ. (9) さらに開口率を上げるためのアイデアを述べよ. I I V D D SAT W C in e V G VTH V L 1 W C in e V G VTH L V V G TH D V D

24 LCD の特徴 長所 (1) 低電力消費 ( 数 ~ 数十 W/cm ) なので長時間の電池駆動に耐え, 省エネルギー型である. () 低電圧動作 ( 数 ~10V) なので直接 IC 駆動ができ, 駆動電子回路の小型化 簡素化が図れる. (3) 素子が薄型 ( 数 mm) で, しかも大型表示 ( 数十 cm 角 ) から小型表示 ( 数 mm 角 ) まで可能で, 特にポータブル機器に適する. (4) 受光型表示なので, 明るい場所でも表示が鮮明である. (5) 表示のカラー化が容易なので, 表示機能の拡大 多様化が図れる. (6) 投与拡大表示や集積表示ができるので, 大画面表示 ( 数 m 角 ) が容易である. 短所 (1) 非発光型表示であるため, 反射タイプ表示では暗所での表示の鮮明さに欠ける. () 鮮明な表示を要する場合やカラー表示の場合は, バックライトを必要とする. (3) 表示コントラストが見る方向に依存することが多いので, 視角が制約される. (4) 応答時間が周囲温度に依存するため, 低温動作 (-30~-40 ) が十分でない.

25 AM-LCD の今後の展開 mm 190x115 画素素数 mm mm 180x104 SXGA 104x768 XGA mm mm 800x600 SVGA 640x480 VGA 表示面積 (cm )

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