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JP4731239B2 - 表示装置 - Google Patents

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JP4731239B2
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Description

本発明は、アクティブマトリックス型の表示装置に関するが、特に高開口率で高精細な画素メモリ方式の表示を可能とした表示装置に好適なものである。
画素部にスイッチング素子を備えた、TFT(Thin Film Transistor)方式の液晶表示装置は、パソコン等の表示装置として広く使用されている。また、TFT方式の表示装置は、携帯電話機等の携帯用端末装置の表示装置にも利用されている。携帯用端末装置に用いられる表示装置は、従来の液晶表示装置に比べて、さらに小型で、低消費電力な性能を要求されている。
表示装置の電源にバッテリー等を用いる場合、その表示に伴う消費電力の低減化が必要になる。そのために、従来より液晶表示装置の各画素にメモリ機能を持たせようというアイデアが提案されている。
特許文献1には、映像信号を保持する2対のトランジスタと、画素電極に接続された容量の記載があり、データの書込み状態を容量に蓄積された電荷を利用して制御している。
特開2003−302946号公報
他方、表示装置は透過開口率を高くすることが要求されている。さらに、メモリ動作をより安定させ確実にするとともに、構成部品の数を低減することも要求されている。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、小型の表示装置において、最適な駆動回路を実現する技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
同一基板上に画素電極と、画素電極に映像信号を供給するスイッチング素子と、
スイッチング素子に映像信号を供給する駆動回路と、走査信号を出力する駆動回路と、画素部に設けられたメモリ回路とを有し。
メモリ回路は液晶容量に保持された電圧を用いて逆極性の電圧を生成する。
画素メモリの回路規模を低減でき、画素レイアウトにおける省スペース化が図れる。アナログ信号表示とメモリ表示の併用が実現でき、画素メモリの回路規模が低減できることから、2ビット以上の多色画素メモリの実現も可能である。
液晶表示装置に画素電極を設け、該画素電極に映像信号を供給する第1のスイッチング素子と、第1のスイッチング素子に映像信号を供給する映像信号線と、第1のスイッチング素子を制御する走査信号を供給する走査信号線と、第1のスイッチング素子に接続したインバータと、該インバータと画素電極との間に設けられた第1のアナログスイッチと、画素電極とインバータとの間に設けられた第2のアナログスイッチとを設け、
第1のスイッチング素子をオン状態として画素電極に映像信号を保持し、第1のスイッチング素子をオフ状態とした後、第2のアナログスイッチをオン状態とし、第1のアナログスイッチをオフ状態として、画素電極の電圧をインバータに供給して、画素電極に保持された電圧に対して反転した電圧を形成し、画素内に保持された電圧を用いて液晶表示装置の交流化駆動を行う。
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図1は、本発明の実施例の液晶表示装置の基本構成を示すブロック図である。同図に示すように、液晶表示装置100は、液晶表示パネル1と、制御回路3とから構成される。
液晶表示パネル1は、透明なガラス、またはプラスチック等の絶縁基板や、半導体基板からなる素子基板2を備えている。素子基板2には、マトリクス状に画素8が配置され表示領域9が形成されている。(図1では図が複雑になることを避け、1個の画素を記載し他は省略している。)画素8には画素電極11、スイッチング素子10、メモリ素子40が設けられる。
表示領域9の周辺には、素子基板2の端辺に沿って駆動回路部5が形成されている。駆動回路部5は素子基板2にスイッチング素子10と同様の工程で形成される。
駆動回路部5からは走査信号線20が表示領域に伸びていて、走査信号線20はスイッチング素子10の制御端子と電気的に接続している。そして駆動回路部5は、走査信号線20にスイッチング素子10をオン・オフする制御信号(走査信号とも呼ぶ)を出力する。
また、駆動回路部5からは映像信号線25が表示領域9に伸びており、映像信号線25はスイッチング素子10の入力端子に接続している。映像信号線25には駆動回路部5から、映像信号が出力し、走査信号によりオン状態となったスイッチング素子10を介して、映像信号が画素電極11に書き込まれる。
液晶表示パネル1には、フレキシブル基板30が接続しており、フレキシブル基板30には制御回路3が搭載されている。制御回路3は駆動回路部5に設けられた駆動回路を制御する機能を有しており、液晶表示パネル1にフレキシブル基板30を介して制御信号及び、映像信号等を供給する。
フレキシブル基板30には表示用配線31が設けられており、入力端子35を介して表示パネル1に電気的に接続している。表示用配線31を介して制御回路3から表示パネル1を制御する信号が供給される。
次に、図2を用いて画素8に用いられるスイッチング素子10とメモリ素子40について説明する。携帯電話機等の小型携帯機器では、電源として電池の利用が一般的である。そのため、表示装置も省電力であることが望まれている。
図2は画素毎のスイッチング素子10とメモリ素子40を示した概略ブロック図である。図2において符号26は1ビットのデータを保持するデータ保持素子SRAMである。画素8は図1に示した駆動回路部5から階調アナログ電圧が供給される。画素8はスイッチング素子10を介して階調アナログ電圧を画素電極11に印加するサンプリング機能と、1ビットデータをデータ保持素子SRAMに格納し、格納した1ビットのデータに応じた電圧を画素電極11に出力するメモリ素子40からなっている。
メモリ素子40を有すると、データ保持素子SRAMに保持されたデータを用いて表示を行うことができ、例えば携帯電話の待ち受け画面のように、同じ画像を連続して表示する場合には、表示データを繰り返し転送して、画像を書き直す必要がなく、保持したデータをもとに交流化駆動のために交番電圧Φ、Φバーを画素電極11に書き込むことで表示が行え、データ転送等の電力をセーブすることができる。
次に、図3に本発明の単位画素メモリの回路構成を示す。図中符号10はスイッチング素子で11は画素電極である。画素電極に対向配置された対向電極12には、信号電圧のハイレベルとロウレベルを周期的に繰り返すクロックパルスΦcomが印加されている。
スイッチング素子10は走査信号線20の走査信号ΦGによりオン・オフが制御される。図3ではスイッチング素子10をn型トランジスタで示したので、走査信号ΦGがハイレベルで導通状態となり、ロウレベルで高抵抗状態となる。スイッチング素子10がオン状態となると映像信号線25を介して伝送された映像信号がノードN1に伝達される。
図3では、スイッチング素子10から画素電極11に映像信号が伝達される経路が2つあり、一つはノードN1を経てCMOSトランジスタ(MTP2、MTN2)で構成されるインバータ回路16に入力し、ノードN2、アナログスイッチ17を介してノードN3、画素電極11に接続する。他方はノードN1からアナログスイッチ18を介してノードN3、画素電極11に接続している。
CMOSトランジスタで構成されるインバータ回路16には電源としてハイレベル電圧VHとロウレベル電圧VLが入力している。インバータ回路16は入力信号と逆極性の電圧を出力するが、例えばノードN1にロウレベルの信号が入力した場合、ノードN2にはハイレベル電圧VHが供給されることになる。
ノードN2とノードN3の間には制御パルスΦSLC1、ΦSLC2によりオン・オフが制御されるアナログスイッチ17が設けられ、ノードN3とノードN1との間には、同じく制御パルスΦSLC1、ΦSLC2によりオン・オフが制御されるアナログスイッチ18が設けられている。
アナログスイッチ17はn型トランジスタMTN3とp型トランジスタMTP3とで構成され、アナログスイッチ18はn型トランジスタMTN4とp型トランジスタMTP4とで構成され、制御パルスΦSLC1、ΦSLC2によりオン状態となった場合には、低抵抗となり双方向に信号を伝達可能である。アナログスイッチ18を例にとると、オン状態の場合には、ノードN1とノードN3の電圧によって、ノードN1からノードN3に信号が伝達することもノードN3からノードN1に信号が伝達することも可能である。
各画素の白表示、黒表示は、画素電極11に接続したノードN3の電圧が、対向電極12に印加されたクロックパルスΦcomの電圧と同じであるか逆であるかにより決まる。ノーマリブラックモードの場合は、ノードN3の電圧がクロックパルスΦcomと同じならば黒表示、ノードN3の電圧がクロックパルスΦcomと逆極性であるならば白表示となる。
なお、ノーマリホワイトモードの場合では逆になるが、本実施例ではノーマリブラックモードを前提に説明する。また、本実施例では、対向電極12には1画面(1フレーム)毎に極性が反転するクロックパルスを印加する所謂コモン交流化方式を例に説明するが、対向電極12に一定の電圧が印加される場合でも同様に適用可能である。
以下、図3に示す回路の動作を図4に示すタイミングチャートを用いて説明する。まず、図4に示す時刻t3以前ではノードN3の電圧がロウレベルで、クロックパルスΦcomがハイレベルの場合は、画素電極11の電圧がロウレベルで対向電極12の電圧がハイレベルであり、画素電極11と対向電極12とが逆極性なので、白表示となる。
時刻t3でパルスΦSLC1がロウレベルからハイレベルに変化し、パルスΦSLC2がハイレベルからロウレベルに変化すると、図3のノードN2とノードN3の間のアナログスイッチ17がオフ状態になり、ノードN3とノードN1間のアナログスイッチ18がオン状態になる。画素電極11と対向電極12との間の液晶容量をノードN1の容量より十分大きく設計することは可能で、その場合は時刻t3のタイミングで、ノードN1の電位はノードN3と同様のロウレベルに変わる。この時ノードN2はロウレベルからハイレベルに変わる。
時刻t4でパルスΦSLC1がハイレベルからロウレベルに変化し、パルスΦSLC2がハイレベルからロウレベルに変化すると、図3に示すノードN2とノードN3間のアナログスイッチ17がオン状態になり、ノードN3とノードN1との間に設けられたアナログスイッチ18がオフ状態になる。インバータ16を介してノードN3はノードN2同様にハイレベルになる。
時刻t4以前でパルスΦcomはハイレベルからロウレベルに変わっているので、前述したように、ノードN3の電位はパルスΦcomと逆極性の電位となり、白表示が継続される。
時刻t5で、走査信号線20がロウレベルからハイレベルに変わりスイッチング素子10がオン状態になる。この時のデジタル信号によりドレイン線がハイレベル(パルスΦcomと同極性で黒表示)であったとする。ノードN1はロウレベルからハイレベルに変化する。インバータ12の出力はロウレベルになるので、ノードN2とノードN3はロウレベルになる。この時パルスΦcomはロウレベルなので、液晶容量にかかる電界は0Vになり黒表示に変化する。
時刻t7でパルスΦSLC1がロウレベルからハイレベルに変化し、パルスΦSLC2がハイレベルからロウレベルに変化すると、ノードN2とノードN3間のアナログスイッチ17がオフ状態になり、ノードN3とノードN1との間のアナログスイッチ18がオン状態になる。時刻t7のタイミングでノードN1の電位はノードN3と同様のロウレベルに変わる。この時ノードN2はロウレベルからハイレベルにかわる。
時刻t8でパルスΦSLC1がハイレベルからロウレベルに変化し、パルスΦSLC2がロウレベルからハイレベルに変化すると、ノードN2とノードN3との間のアナログスイッチ17がオン状態になり、ノードN3とノードN1との間のアナログスイッチ18がオフ状態になる。インバータ16を介してノードN3はノードN2同様ハイレベルになる。
時刻t8以前でパルスΦcomはロウレベルからハイレベルに変わっているので、前述したように、ノードN3の電位はパルスΦcomの電位と同極性の電位であるから、黒表示が継続されかつ液晶駆動のための電圧反転方式も利用可能になった。
時刻t9でパルスΦSLC1がロウレベルからハイレベルに変化し、パルスΦSLC2がロウレベルからハイレベルに変化すると、ノードN2とノードN3間のアナログスイッチ17がOFF状態となり、ノードN3とノードN1との間のアナログスイッチ18がON状態となる。時刻t9のタイミングでノードN1の電位はノードN3と同様のハイレベルに変わる。この時ノードN2はハイレベルからロウレベルに変わる。
時刻t10でパルスΦSLC1がハイレベルからロウレベルに変化し、パルスΦSLC2がロウレベルからハイレベルに変化すると、ノードN2とノードN3との間のアナログスイッチ17がON状態となり、ノードN3とノードN1との間のアナログスイッチ18がOFF状態となる。またインバータ16を介してノードN3はノードN2同様にロウレベルになる。
時刻t10以前では、パルスΦcomはハイレベルからロウレベルに変わるので、前述の結果ノードN3の電位はパルスΦcomと同極性の電位であるから、黒表示が継続され、かつ交流化駆動も行うことができた。
以降、新たに信号が書き換えられなければ、上記各状態の変化が繰り返され、交流化駆動も行いながら、メモリ状態を維持、表示も可能である。
図5にアナログ信号表示の場合のタイミングチャートを示す。アナログ信号表示の場合には、メモリ動作用の電源であるハイレベル電圧VHとロウレベル電圧VLは同電位にしておく。これはインバータ16のゲート電圧であるノードN1がどのような電圧になっても、インバータ16に貫通電流が流れないようにするためである。ハイレベル電圧VHとロウレベル電圧VLとが同電位であれば、電圧は任意であるが、本実施例ではロウレベルに固定している。
制御パルスΦSLC1はハイレベル、ΦSLC2はロウレベルに固定する。すなわち、ノードN2とノードN3の間は遮断し、ノードN1とノードN3の間は接続状態とする。図5の時刻t1で走査信号ΦGがロウレベルからハイレベルに変化すると、画素トランジスタであるスイッチング素子10がオン状態となり、ノードN1とノードN3は映像信号線25からアナログ電圧が供給される。これにより、通常の表示動作同様に画素電極11にアナログ電圧を供給可能である。
図6は、図3に示したアナログスイッチ17をn型トランジスタMTN3で構成し、アナログスイッチ18をn型トランジスタMTN4で構成したものである。図4、図5に示した駆動方法で、メモリ動作及びアナログ信号表示が可能である。
図6に示した回路では、アナログスイッチ17、18のn型トランジスタとp型トランジスタとの間をつなぐコンタクト部を形成する必要が無くなるため、画素部のレイアウト面積を縮小できる。
なお、メモリ動作時に制御パルスΦSLC1とΦSLC2は図4に示すタイミングでも動作可能であるが、図7に示すように、制御パルスΦSLC2をロウレベルにしてから制御パルスΦSLC1をハイレベルにして、アナログスイッチ17と18が同時にオン状態となる可能性を排除するタイミングで駆動した方がより好ましい。この時、制御パルスΦSLC1とΦSLC2のハイレベルをハイレベル電圧VHに各n型トランジスタMTN3とMTN4のしきい値Vth分増加した電圧であるVH+Vth以上にすることで、しきい値による電圧の減少を抑えて動作することが可能となる。
図8は、図3に示したアナログスイッチ17をp型トランジスタMTP3で構成し、アナログスイッチ18をp型トランジスタMTP4で構成したものである。図4、図5に示した駆動方法で、メモリ動作及びアナログ信号表示が可能である。
図8に示した回路も、アナログスイッチ17、18のn型トランジスタとp型トランジスタとの間をつなぐコンタクト部を形成する必要が無くなるため、画素部のレイアウト面積を縮小できる。
なお、メモリ動作時に制御パルスΦSLC1とΦSLC2は図4に示すタイミングでも動作可能であるが、図9に示すように、制御パルスΦSLC1をハイレベルにしてから制御パルスΦSLC2をロウレベルにして、アナログスイッチ17と18が同時にオン状態となる可能性を排除するタイミングで駆動した方がより好ましい。この時、制御パルスΦSLC1とΦSLC2のロウレベルをロウレベル電圧VLに各p型トランジスタMTP3とMTP4のしきい値Vth分差し引いたした電圧であるVH−Vth以上にすることで、しきい値による電圧の減少を抑えて動作することが可能となる。
図10は、図3に示したアナログスイッチ17をn型トランジスタMTN3で構成し、アナログスイッチ18をp型トランジスタMTP4で構成したものである。図4、図5に示した駆動方法で、メモリ動作及びアナログ信号表示が可能である。
図10に示した回路も、アナログスイッチ17、18のn型トランジスタとp型トランジスタとの間をつなぐコンタクト部を形成する必要が無くなるため、画素部のレイアウト面積を縮小できる。さらには、制御パルスΦSLC2またはΦSLC1でアナログスイッチ17と18を制御することが可能であり、制御パルス用の信号線を1本にすることで、レイアウト上のメリットを有している。
なお、メモリ動作時に制御パルスΦSLC1とΦSLC2は図4に示すタイミングでも動作可能であるが、図11に示すように、制御パルスΦSLC2のみで動作可能である。
図12は、1画素中に画素電極11を2枚形成し、画素電極11−2を画素電極11−1の約2倍の面積に形成したものである。1画素中には画素電極11−1用のスイッチング素子10−1と、インバータ16−1とアナログスイッチ17−1、18−1が設けられ、画素電極11−2用のスイッチング素子10−2と、インバータ16−2とアナログスイッチ17−2、18−2が設けられている。
映像信号線25−1と25−2が設けられており、各画素電極11−1と11−2にメモリ動作用の信号が供給される。なお、メモリ動作用の信号を時間で分けて供給する場合には、映像信号線25とスイッチング素子10は各画素に一つとすることも可能である。
図13に画素電極11−1と、画素電極11−1に対して面積が約2倍の画素電極11−2を設けた液晶表示パネルの概略平面図を示す。図13では1画素に画素電極が2枚の場合を示しているが、画素電極11−1に対して面積が約4倍の画素電極を設け、1画素に3枚としたり、さらに増やすことも可能であり、約8倍の面積の画素電極を設けて1画素に4枚とすることも可能である。
図12に示した回路も、図4、図5に示した駆動方法で、メモリ動作及びアナログ信号表示が可能である。画素電極11−1、11−2共に黒表示とすることで階調0を表示し、画素電極11―1を白表示とし、画素電極11−2を黒表示として階調1を表示し、画素電極11―1を黒表示とし、画素電極11−2を白表示として階調2を表示し、画素電極11―1を白表示とし、画素電極11−2を白表示として階調3を表示することが可能となる。
本実施例によれば、2ビットの階調データを画素メモリに保持し、映像信号線25により書き換えることなく、交流化駆動することが可能である。また、画素メモリに必要なレイアウト面積も小さく抑えることができ、多ビットの画素メモリでありながら高開口率を得ることができる。
本発明の実施例の液晶表示装置を示す概略ブロック図である。 本発明の実施例の画素メモリを示す概略ブロック図である。 本発明の実施例の液晶表示装置に用いられる画素メモリを示す概略図である。 本発明の実施例の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例の液晶表示装置に用いられる画素メモリを示す概略図である。 本発明の実施例の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例の液晶表示装置に用いられる画素メモリを示す概略図である。 本発明の実施例の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例の液晶表示装置に用いられる画素メモリを示す概略図である。 本発明の実施例の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例の液晶表示装置に用いられる画素メモリを示す概略図である。 本発明の実施例の液晶表示装置を示す概略ブロック図である。
符号の説明
1…液晶表示パネル、2…表示領域、3…コントローラ、5…駆動回路、8…画素部、10…スイッチング素子(薄膜トランジスタ)、11…画素電極、12…対向電極、16…インバータ、17…アナログスイッチ、18…アナログスイッチ、20…走査信号線、25…映像信号線、30…フレキシブルプリント基板、100…表示装置。

Claims (3)

  1. 第1の基板と、第2の基板と、
    前記第1の基板に設けられた複数の画素電極と、
    該画素電極に対向して配置された対向電極と、
    前記画素電極に映像信号を供給するスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子に映像信号を供給する映像信号線と、
    前記スイッチング素子を制御する走査信号を供給する走査信号線と、
    前記スイッチング素子に入力端子が接続したインバータと、
    該インバータの出力端子と前記画素電極との間を電気的に接続する第1のスイッチと、
    前記画素電極と前記インバータの入力端子との間を電気的に接続する第2のスイッチとを有し、
    前記第1のスイッチと前記第2のスイッチそれぞれはn型トランジスタとp型トランジスタの並列で形成され、
    前記スイッチング素子をオン状態として画素電極に映像信号を保持し、
    前記スイッチング素子をオフ状態とした後、画素電極に保持した電圧を反転して、
    前記映像信号に対して逆極性の信号電圧を形成することを特徴とする表示装置。
  2. 第1の基板と、第2の基板と、
    前記第1の基板に設けられた複数の画素電極と、
    該画素電極に対向して配置された対向電極と、
    前記画素電極に映像信号を供給する第1のスイッチング素子と、
    前記第1のスイッチング素子に映像信号を供給する映像信号線と、
    前記第1のスイッチング素子を制御する走査信号を供給する走査信号線とを有し、
    前記第1のスイッチング素子に接続した信号反転素子と、
    該信号反転素子と前記画素電極との間に設けられた第2のスイッチング素子と、
    前記画素電極と前記信号反転素子との間に設けられた第3のスイッチング素子とを有し、
    前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子それぞれはn型トランジスタとp型トランジスタの並列で形成され、
    前記第1のスイッチング素子をオン状態として画素電極に映像信号を保持し、
    前記第1のスイッチング素子をオフ状態とした後、画素電極の電圧を前記第3のスイッチング素子を介して前記信号反転素子に供給して、
    前記映像信号に対して逆極性の信号電圧を形成することを特徴とする表示装置。
  3. 第1の基板と、第2の基板と、
    前記第1の基板に設けられた複数の画素電極と、
    該画素電極に対向して配置された対向電極と、
    前記画素電極に映像信号を供給する第1のスイッチング素子と、
    前記第1のスイッチング素子に映像信号を供給する映像信号線と、
    前記第1のスイッチング素子を制御する走査信号を供給する走査信号線と、
    前記第1のスイッチング素子に接続したインバータと、
    該インバータと前記画素電極との間に設けられた第1のアナログスイッチと、
    前記画素電極と前記インバータとの間に設けられた第2のアナログスイッチとを有し、
    前記第1のアナログスイッチと前記第2のアナログスイッチそれぞれはn型トランジスタとp型トランジスタの並列で形成され、
    前記第1のスイッチング素子をオン状態として画素電極に映像信号を保持し、
    前記第1のスイッチング素子をオフ状態とした後、画素電極の電圧を前記第2のアナログスイッチをオン状態とし、前記第1のアナログスイッチをオフ状態として、画素電極の電圧を前記インバータに供給して、
    前記画素電極に保持された電圧に対して反転した電圧を形成することを特徴とする表示装置。
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