JP2007034333A - 液晶表示装置および携帯情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィールド順次カラー方式の液晶表示装置を高画質化する。
【解決手段】 １つの画素が、複数の副画素から構成されており、前記複数の副画素の開口部の面積が最小の副画素の面積に対して２のｎ乗倍(ｎは自然数)である液晶表示装置において、最大の副画素と最小の副画素との面積比が２のｎmax乗のとき、各副画素の輝度を、０と、０でない最小単位輝度と、前記０でない最小単位輝度に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍(ｍは自然数)と、前記０でない最小単位輝度に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍の輝度のうちｍが０からｍmaxまでのうち少なくとも２つの輝度を足しあわせた輝度のいずれかの輝度とする液晶表示装置。
【選択図】 図２２

Description

本発明は、液晶表示装置に係り、特に、それを用いた携帯電話、携帯情報端末、家庭電器製品などの機器に関する。

近年、携帯情報機器の普及が著しく、特に、携帯電話や携帯情報端末(ＰＤＡ：Personal Digital Assistant)などの携帯情報機器の急激な普及には、目をみはるものがある。

携帯情報機器の多くは、液晶ディスプレイなどの表示装置を備えている。これらの表示装置は、携帯情報機器が送受信する情報などを表示して機器の利便性をさらに高め、携帯情報機器の普及に大きく貢献している。

さらに、近年の急激なインターネットの普及に伴う、人々すなわちユーザが扱う情報量の飛躍的な増加を背景に、携帯電話を始めとする携帯情報機器にも娯楽性をも含めたより一層の利便性の高さ、表示装置の高画質化、カラー化が求められてきている。

この要求は、多量の情報を表示する表示装置が必要であることを意味し、結果として従来の表示装置よりも多量の電力を消費することになる。

しかし、小型、軽量であることが求められる携帯情報機器において、電池容量を大きくするには、重量および体積の点から制限がある。

したがって、携帯情報機器における表示装置を高画質化しカラー化する上で、電池を交換または充電せずに長時間使用できるようにするためには、携帯情報機器の低消費電力化は、必要不可欠な性能となる。

携帯情報機器の表示装置におけるカラー化技術に関するものとしては、補助照明を備えたカラーフィルタ方式の反射型カラーディスプレイに関する技術があり(例えば、特許文献１参照)、カラーフィルタが不要のカラー表示方式であるフィールド順次カラー方式に関する技術がある(例えば、特許文献２参照)。

このように、近年の携帯情報機器には、高画質化、カラー化、低消費電力化が求められているが、従来のカラー携帯情報機器に関する技術には、以下のような多数の課題がある。

まず、補助照明を備えたカラーフィルタ方式の反射型カラーディスプレイには、カラーフィルタの光の吸収により外光使用時および補助照明使用時のいずれにおいても反射型白黒ディスプレイに比べ暗く見づらくなるという課題がある。

また、カラー表示をするには、１画素を赤、緑、青(Ｒ、Ｇ、Ｂ)の３つの副画素で構成する必要があるため画像の表示には、白黒ディスプレイに比べて常に３倍の電力が必要となるという課題もある。

さらに、機器の使用時と待機時(透過表示時と反射表示時)のいずれにおいても同じ駆動方式を採用しているため消費電力の差は、光源の点消灯による光源自身の消費電力分の差でしかないため、低消費電力化においても改善の余地も残る。

外光反射手段としてハーフミラー、半透過反射板または部分的な開口部を設けた部分透過反射板などを用いた場合には、透過表示時の輝度と反射表示時の輝度とがトレードオフの関係となるためいずれの表示品質においても中途半端な明るさの画質とならざるを得ない。

したがって、カラーフィルタによるカラー表示方式を採用した場合、反射表示時、透過表示時(補助光源使用時)のいずれにおいても白黒液晶表示装置に比べ消費電力が大きく、しかも暗い表示画像となってしまうという課題がある。

それに対し、カラーフィルタを使用しないフィールド順次カラー表示方式を採用すれば、上述したカラーフィルタによる問題を解決でき、かつ高画質化できる。

特開平０７−３６０２８号公報(第３、４頁 図１、図２) 特開平０５−１９２５７号公報(第２、３頁 図１〜図５)

しかし、フィールド順次カラー表示方式の液晶表示装置を実現するためには、以下に記述するような課題がある。

フィールド順次カラー表示方式の液晶表示装置における特有の課題として、高速な液晶応答性が必要であることが挙げられる。Ｒ、Ｇ、Ｂの３つのサブフレームを時間的に順次切換えてカラー表示するためには、サブフレーム期間毎に液晶が応答する必要がある。

フィールド順次カラー表示方式の液晶表示装置を実現するに当たっては、次に述べるいわゆる「電荷再配分」の問題により液晶応答が損なわれる可能性について注意する必要がある。通常液晶表示装置における各画素には、保持容量と液晶容量とが並列に配置される。通常、画素の選択時間は、液晶応答時間に比べて十分短い。ある電荷を保持容量および液晶に書込んだ直後には、保持容量と液晶容量との容量比から決まる電荷量がそれぞれ保持される。その後、液晶が応答すると共に液晶容量が変化し、保持容量と液晶容量との容量比が変化する。

このため保持容量と液晶容量との間で電荷の再配分が生じ、液晶への印加電圧が変化する。その結果、液晶への印加電圧は、当初画素に書込んだ電圧とは異なった電圧に落ち着くことになり、所望の液晶応答が得られない。

この電荷再配分に起因する液晶の応答不足の問題を防止するためには、液晶容量に比して十分な大きさの保持容量を備える必要がある。

しかし、保持容量を大きくするためには、面積が必要であり、光源からの光を通過させる開口部面積の１画素面積に占める割合である開口率が大幅に低下してしまう。開口率は、消費電力に直接的に関与するパラメータであり、低開口率は、低消費電力が要求される液晶表示装置においては、致命的な問題となる。

したがって、できるだけ小面積で大容量な保持容量を形成する必要がある。保持容量の具体的な構成の例としては、例えば特開平１０−３３３１７８号や特開平１０−３３９８８５号などに開示がある。

他のフィールド順次カラー表示方式の液晶表示装置における特有の課題として高速な走査が必要な点が挙げられる。通常カラーフィルタ方式の液晶表示装置においては、画面の切換え周期であるフレーム周期は、６０Ｈｚである。一方、フィールド順次カラー表示方式の液晶表示装置においては、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つのサブフレームを時間的に順次切換えてカラー表示する。したがって、フィールド順次カラー表示方式の液晶表示装置における画面の切換え周期(この場合サブフレーム周波数となる)は、フレーム周波数６０Ｈｚの三倍の１８０Ｈｚとなる。

しかも、通常液晶は、電圧書込み後、所望の状態に至るまで時間を要す。画面の上部と下部とでは、電圧書込みのタイミングが異なるため、画面全体を書き換えた後液晶が十分応答する時間をおいてから光源を点灯する必要がある。

すなわち、１つのサブフレームの期間は、画面の書き換え期間、液晶の応答期間、光源の点灯期間の３つの期間からなる。仮にそれぞれの期間を等しいとすれば、画面の書き換え期間は、カラーフィルタ方式の液晶表示装置のそれに比べて約９倍となってしまい、液晶を駆動するためのドライバへの負担が非常に大きい。

この問題を解決するために、各画素毎に一度サンプルホールドし、一括のタイミングで画面を書き換える方式が例えば特開平８−９５５２６号や特開平１１−８４４１９号に提案されている。

本発明の課題は、開口率を損なうことなく、液晶容量の変化に対する液晶印加電圧の変動を小さくし、液晶を高速応答させ、高画質なフィールド順次カラー方式のカラー画像表示が可能にする手段を備えた液晶表示装置およびそれを応用した携帯情報機器を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するために、１つの画素が、複数の副画素から構成されており、前記複数の副画素の開口部の面積が最小の副画素の面積に対して２のｎ乗倍(ｎは自然数)である液晶表示装置において、最大の副画素と最小の副画素との面積比が２のｎmax乗のとき、各副画素の輝度を、０と、０でない最小単位輝度と、前記０でない最小単位輝度に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍(ｍは自然数)と、前記０でない最小単位輝度に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍の輝度のうちｍが０からｍmaxまでのうち少なくとも２つの輝度を足しあわせた輝度のいずれかの輝度とした液晶表示装置を提案する。

上記液晶表示装置において、最大の副画素と最小の副画素の面積比が２のｎmax乗のとき、各副画素の輝度を０と、０でない最小単位輝度と、前記０でない最小単位輝度に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍(ｍは自然数)と、前記０でない最小単位輝度に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍の輝度のうちｍが０からｍmaxまでのうち少なくとも２つの輝度を足しあわせた輝度のいずれかの輝度となるような信号電圧を生成するデジタルアナログコンバータを備えることができる。

これらの液晶表示装置は、より具体的には、一対の基板と前記一対の基板に挟持された液晶層と、前記一対の基板の一方にマトリクス状に配置された画素と、前記各画素に接続されたドレイン配線とゲート配線とコモン配線と、前記ドレイン配線より供給される画像信号電圧を前記液晶層に印加するためのソース電極および前記ソース電極に接続された画素電極と、前記画像信号電圧を前記ソース電極および前記画素電極に供給するスイッチであるトランジスタと、前記ソース電極と前記コモン配線との間に形成した前記画像信号電圧を保持するための保持容量とを備え、前記コモン配線が、前記ゲート配線と同一の層に形成され、前記保持容量が、前記ソース電極と前記コモン配線および前記コモン配線に接続されかつ前記画素電極と同一の層に形成されたコモン電極との間に形成されている液晶表示装置である。

前記保持容量は、前記ドレイン線に平行に配置される。

上記いずれかの液晶表示装置を備えた携帯情報機器においては、フィールド順次カラー表示とモノクローム表示とを切換えるスイッチを備えることができる。

本発明によれば、フィールド順次カラー表示方式の液晶表示素子を備えた液晶表示装置において、開口率を損なわずに高保持容量を備えることができるため、液晶を高速駆動できるので、光源の点灯デューティを十分に確保できる。したがって、低消費電力かつ高輝度なフィールド順次カラー方式液晶表示装置を実現できる。また、画面の走査期間を十分長く確保できるので、動作周波数を低く設定し、表示装置の消費電力を大幅に低減できる。

次に、図１ないし図２８を参照して、本発明による液晶表示装置の実施例を説明する。

図１ないし図５を用いて、本発明による液晶表示装置の実施例における液晶表示素子１００の構造について説明する。図１に、実施例１の保持容量構造の断面図を示す。また、図２に本発明の高保持容量構造を備えた画素の実施例１のレイアウト図を示す。図３および図４は、図１の変形例である。

図５は、図２中のＡ−Ａ断面図に相当する。図５に表示素子１００における画素回路の全体を示しているが、図１は、このうちの１画素についてのレイアウト図に相当する。各画素回路に接続された配線は、ドレイン線１０１は、ドレインドライバ１３０に、ゲート線１０２は、ゲートドライバ１３１にそれぞれ接続される。コモン線１０４は、共通端子ＣＯＭに接続し外部に取り出される。もちろん、コモン線をドレインドライバ１３０および／またはゲートドライバ１３１に引き込む構成としてもよい。

なお、図５において、表示素子１００外部への配線は、省略されている。実施例１の保持容量１０８は、ガラス基板１１１上に形成された第一の金属配線層で形成されたコモン線１０４と、第二の金属配線層で形成されたソース電極１０３と、ITO層からなりかつコモン線１０４にスルーホールコンタクト１０７を介して電気的に接続されたコモン電極１０６と、第一の金属配線層と第二の金属配線層との間に形成された第一の絶縁層１０９と、第二の金属配線層とITO層との間に形成された第二の絶縁層１１０とからなる。

実施例１の保持容量１０８は、より具体的には、ソース電極１０３を第一の絶縁層１０９を介してコモン線１０４と第二の絶縁層１１０を介してコモン線１０４にスルーホールコンタクト１０７を介して電気的に接続されたコモン電極１０６とで挟み込んだ構造である。

この構造によれば、第一の絶縁層１０９と第二の絶縁層１１０の厚みほぼ同等であれば、ソース電極１０３とコモン線１０４との間で形成する保持容量に比べて同じ面積で概ね２倍の容量を形成できる。

第一の絶縁層１０９を構成する材料の例としては、窒化シリコンなどが挙げられる。第二の絶縁層１１０を構成する材料の例としては、窒化シリコンや酸化シリコンなどが挙げられる。

図３に示すように、第二の絶縁層１１０としては、単層ではなく第二の絶縁層１１０上にさらに第三の絶縁層１４０を設けた二層膜としてもよく、例えば有機材料からなる薄膜と窒化シリコンや酸化シリコンなどの無機膜との積層膜によって構成してもよい。それにより、第二の絶縁層１１０にピンホールが発生したとしても第三の絶縁層１４０により保護され、コモン電極１０６とソース電極１０３間のショートに起因する画素欠陥の発生を防止できる。

図４に示すように、第三の絶縁層１４１として低誘電率な有機材料により構成される厚膜を用い、かつコモン電極１０６とソース電極１０３との間において第三の絶縁層１４１の一部を除去し、除去部１４２においてコモン電極１０６とソース電極１０３間の絶縁層を第二の絶縁層１１０のみとする構成としてもよい。これにより、低誘電率な厚膜からなる保護膜により配線間の容量が小さくなる効果と、コモン電極１０６とソース電極１０３間の容量を大きく保つ効果とが両立できる。

実施例１の画素は、回路的には、１画素当たり１つのトランジスタ１１３と１つの主たる保持容量１０８を備えた構成である。トランジスタ１１３は、アモルファスシリコンを用いた薄膜トランジスタであり、ドレイン線１０１とソース電極１０３との間に形成され、ゲート線１０２によりオン／オフ制御される。トランジスタ１１３は、オン動作のときにドレイン線の信号電圧をソース電極１０３に書込む。ソース電極１０３と画素電極１０５は、スルーホールコンタクト１１２により電気的に接続されている。保持容量１０８は、ソース電極１０３をコモン線１０４とコモン線１０４にスルーホールコンタクト１０７を通じて接続された電極コモン電極１０６とによって上下を挟み込んだ構成となっている。したがって、コモン線とソース電極との間で形成された容量だけで同容量の保持容量を形成する場合に比べて保持容量の面積を大幅に低減でき、開口率を損なうことがない。

また、実施例１においては、保持容量１０８をドレイン線１０１に対し平行に配置している。本発明の保持容量１０８は、ソース電極の下側のみならず上側をもコモン電極で覆う構造であり電気的にシールド構造となっているため、ドレイン線１０１とソース電極１０３との容量結合を小さくでき、容量結合起因のソース電極の電位の変動に伴う画質の劣化を防止できる。

なお、実施例１は、主としてアモルファスシリコンを用いたトランジスタを使用する場合について述べてきたが、多結晶シリコンや単結晶シリコンを用いたトランジスタを使用する場合にも、本技術を同様に適用できることは、いうまでもない。

図６から図８を用いて実施例２の液晶表示装置における液晶表示素子１００について説明する。フィールド順次カラー表示方式の液晶表示装置における特有の課題として高速な走査が必要な点が挙げられる。通常のカラーフィルタ方式の液晶表示装置においては、画面の切換え周期であるフレーム周期は、６０Ｈｚである。一方、フィールド順次カラー表示方式の液晶表示装置においては、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つのサブフレームを時間的に順次切換えてカラー表示する。

したがって、フィールド順次カラー表示方式の液晶表示装置における画面の切換え周期(この場合サブフレーム周波数となる)は、フレーム周波数６０Ｈｚの三倍の１８０Ｈｚとなる。しかも、液晶は、通常、電圧書込み後、所望の状態に至るまで時間を要す。画面の上部と下部とでは、画素への電圧書込みのタイミングが異なるため、画面全体を書き換えた後液晶が十分応答する時間をおいてから光源を点灯する必要がある。すなわち、１つのサブフレームの期間は、画面書き換え期間、液晶の応答期間、光源の点灯期間の３つの期間からなる。

仮にそれぞれの期間を等しいとすれば、画面の書き換え期間は、カラーフィルタ方式の液晶表示装置のそれに比べて約１／９倍となってしまい、高速走査が必要となるため液晶を駆動するためのドライバへの負担が非常に大きい。駆動周波数が高くなることは、消費電力の観点からも問題である。

また、１走査線当たりの選択期間が短いと保持容量と液晶容量とを合わせた画素容量への書込み率が低下する恐れがある。１走査線の選択期間は、画面の書き換え期間を走査線数で除した値となる。

１走査線の選択期間を長くするためには、複数走査線を同時に選択できるような構成をとり、駆動すべきゲート線の本数を少なくすることが有効である。すなわち、複数の走査線により１本のゲート線を共有する構成をとればよい。複数走査線を同時に選択するためには、１画素当たりに複数のドレイン線を備える必要性がある。

図６に、実施例２の表示装置における表示素子の画素回路の一部を示す。図７は、実施例２の画素回路の全体図を示しており、図６は、図７の画素回路の一部である。なお、図７において表示素子１００外部への配線は、省略されている。図６は、ドレイン線１０１に沿った４画素の回路構成を示している。

実施例２の特徴は、１つの画素内に複数のドレイン線１０１Ａ、１０１Ｂを備え、各画素は、前記複数のドレイン線のうちのいずれかから画像データを供給されるように構成したことである。

言い換えれば、縦方向の画素列の左右端にドレイン線を備え、ある画素のトランジスタ１１３Ａについては、左側のドレイン線１０１Ａに接続され他方のトランジスタ１１３Ｂについては、右側のドレイン線１０１Ｂに接続されるように構成している。ゲート線１０２は、ドレイン線１０１方向に隣接する２つの画素のトランジスタによって共有されている。コモン線１０４もドレイン線１０１方向に隣接する２つの画素によって共有されている。

この構成により、２本の走査線を１本のゲート線により同時に駆動できる。よって、１走査線当たりの走査時間を長くすることが可能であり、または、１走査線当たりの走査時間を変えない場合、画面の書き換え期間を半分にできる。

ドレイン線１０１Ａと１０１Ｂとに印加する電圧のコモン電位に対する極性は、互いに反対極性にすることが望ましい。これにより、隣接しかつ平行に配置されているドレイン線１０１Ａと１０１Ｂとに流れる電流の方向が互いに反対方向となり、両配線が外部に形成する磁界は、互いに打ち消しあい、配線のインダクタンスが小さくなる効果が得られる。

以上のような構成により、充電時における配線部のインピーダンスが小さくなるので、保持容量１０８および液晶容量１２６への画像信号の書込みを高速にできる。

図８は、実施例２の画素のレイアウト図を示す。図８は、ドレイン線１０１に沿って隣接する２画素を示している。ライン毎にトランジスタ１１３が画素内で配置される位置が異なる構造である。

仮に一方の画素を画素Ａ、他方を画素Ｂと称する。開口部の形状が１ライン毎に異なると、１ライン毎の周期的な規則パターンとして視認される。この規則パターンは、本来不要なものであり、画質の低下につながる。よって、開口部の形状は、いずれの画素においても同一にする必要がある。ただし、画素Ａの保持容量の位置と画素Ｂの位置が異なると、開口部の形状を同一にするために本来遮光する必要のない領域を覆う必要性が生じ、結果として開口部の面積が大幅に小さくなってしまう。

実施例２においては、保持容量を隣接する画素にまたがって配置することにより、画素Ａおよび画素Ｂの保持容量の位置を同一にした。この結果、開口部の形状を効率よく画素Ａおよび画素Ｂにおいて等しくすることが可能となる。

また、実施例２によればソース電極１０３および画素電極１０５共に完全にドレイン線１０１に対して電気的にシールドされた構造となり、効果的にドレイン線１０１との容量結合に起因するソース電極の電位の変動に伴う画質の劣化を防止できる。

なお、実施例２では、隣接する走査線を共有するゲート線１０２により同時に駆動する場合について述べたが、同時に駆動する走査線は、必ずしも隣接していなくてもかまわない。この場合には、各走査線毎にゲート線１０２を備え、一方のゲート線に接続されたトランジスタ１１３Ａは、ドレイン線１０１Ａに接続され、他方のゲート線に接続されたトランジスタ１１３Ｂは、ドレイン線１０１Ｂに接続されるように構成すればよい。

画面を上下に二分割して上側の画面と下側の画面とでドレイン線１０１を独立して配置することにより、同時に駆動する走査線を２倍にできるため、１走査線当たりの走査期間をさらに２倍にできる。

なお、実施例２は、主としてアモルファスシリコンを用いたトランジスタを用いた場合について述べてきたが、多結晶シリコンや単結晶シリコンを用いたトランジスタを用いた場合にも本技術を同様に適用できるのは、いうまでもない。

図９ないし図１９を用いて実施例３の液晶表示装置における液晶表示素子１００について説明する。

図９は、保持容量への電圧書込みのタイミングと液晶容量への電圧書込みのタイミングとを時間的に分離することが可能な画素回路構成の実施例を示す図である。実施例３の画素回路構成は、１つの画素においてドレイン線１０１より供給される画像信号に対応する電圧を保持容量１０８に保持する第一のトランジスタ１１３と、保持容量１０８に保持された電圧を液晶層(液晶容量)１２６に伝える第二のトランジスタ１２４と、液晶層(液晶容量)１２６にリセット電圧線１２３から供給される特定の電圧(リセット電圧)を印加するための第三のトランジスタ１２５と、第二のトランジスタ１２４を制御する第二のゲート線(ストローブ線)１２１と、第三のトランジスタ１２５を制御する第三のゲート線(リセット線)１２０とを備える。

保持容量１０８と液晶容量１２６との容量比、ならびにそれぞれの容量に保持された電圧により、第二のトランジスタ１２４をオンにした後の液晶への電圧が決定される。現実には、画像によって液晶への印加電圧は、様々であり、リセットしない場合、１フレーム前の液晶電圧の影響が次のフレームの液晶電圧に影響を及ぼすことになる。

言い換えれば、あるフレームにおいてたとえ同一の電圧を保持容量１０８に書込んだとしても、１フレーム前の液晶電圧が異なると、最終的な液晶電圧は、異なる。１画素当たりの配線の本数は、６本である。

図１０は、液晶電圧と液晶容量との関係を示している。一般に、液晶電圧と液晶容量との関係は、このように非線型であり、かつ液晶電圧上昇に伴って液晶容量は、増大する。図１１は、液晶電圧と輝度との関係を示した図であり、ここでは、電圧が低いときに明表示し、電圧が高いときに暗表示するノーマリホワイト方式を用いた場合について示している。

図１２は、液晶電圧と液晶容量との関係を考慮した場合の保持容量への書込み電圧(コモン電位との差電圧)とストローブ後の液晶電圧との関係を示している。γは、保持容量Cstgとリセット電圧における液晶容量CLCrstとの比(γ=Cstg／CLCrst)である。図１２中には、γ<1、γ=1、γ>1のときの曲線が示されている。γ<1のときには、ドレイン電圧に対する液晶電圧の調整幅が小さく十分に輝度を制御するためには、ドレイン電圧幅をより広くする必要がある。

しかし、ドレイン電圧幅を広くすることは、耐圧および消費電力の観点からは、問題である。一方、γ>1の場合には、より狭いドレイン電圧の調整幅内において十分に輝度を制御することが可能である。ただし、保持容量を液晶容量に比べて大きくするということは、開口率の低下ならびに容量増大の観点からは、ドライバへの負担も大きくなる方向であるので、極端にγを１より大きくするのは、得策ではない。

γ=1の条件では、十分に輝度を制御できて、かつ、コモン電圧との差分のドレイン電圧の絶対値の最大値と液晶電圧の最大値を等しくできる。したがって、保持容量と液晶容量との比は、概ねγ=1とすることが望ましい。

ただし、図１１からも分かるように液晶電圧が低い領域では、輝度の変化が小さいため、実際に使用する液晶電圧範囲は、バイアス電圧をもたせることができる。よって、十分に輝度の制御ができる範囲で開口率を重視してγ<1とすることは、可能である。

図１３は、γ=1としてかつドレイン電圧(コモン電位との差分)の電圧極性を考慮した場合のドレイン電圧と液晶電圧との関係を示した図である。０を境に概ね対称波形となる(厳密には、いわゆるフィールドスルー電圧が重畳することによりドレイン電圧の中心とコモン電位とは、一致しない。

また、特定の極性においてドレイン電圧がコモン電位をまたがっていることも特徴である。このときのドレイン電圧と輝度との関係を図１４に示しておく。

図１５に、実施例３の画素回路の駆動シーケンスを示す。１フレーム期間３０７を単位として１サブフレーム期間３０６毎に三原色毎(Ｒ、Ｇ、Ｂ)の画像信号を順次書込む。ＷＲＴ ３０１は、各画素の保持容量への電圧書込みタイミングを示しており、ハイレベルが各画素の保持容量への電圧書込み、すなわち画像信号の書込みをしている期間を示している。図１５中のＷＲＴ ３０１に付記されているＲ、Ｇ、Ｂは、それぞれＲ画像、Ｇ画像、Ｂ画像の画像信号を書込んでいることを意味している。

ＧＴ ３０２は、各ゲート線１０２(１行−ｍ行)の選択パルスを示しており、ＷＲＴ ３０１のハイレベルの期間中に各ゲート線１０２を順次選択している。ＳＴＢ ３０３は、ストローブ線１２１の選択タイミングを示している。ＧＴ ３０２によるゲート線１０２選択の一巡後、ストローブ線１２１を選択して各画素の保持容量１０８に保持されていた信号電圧を各画素の液晶容量１２６に書込む。

ＲＳＴ ３０４は、リセット線１２０の選択タイミングを示している。リセット線１２０の選択タイミングは、ストローブ線１２１の選択タイミングに先んじて一定の期間をおいて設けられる。リセット線１２０の選択により、リセット電圧線１２３から供給されるリセット電圧を液晶容量１２６に書込む。

ＬＥＤ ３０５は、光源の点灯タイミングを示している。光源としては、発光ダイオード(ＬＥＤ)、冷陰極管、有機ＬＥＤ、ＥＬ素子などが考えられる。ＬＥＤ ３０５に付記されたＲ、Ｇ、Ｂは、それぞれＲ光源、Ｇ光源、Ｂ光源を点灯していることを意味している。光源点灯のタイミングは、例えばＲ画像の画像信号を各画素の保持容量１０８に書込んだ後、ストローブ線１２１選択する直前にＢ光源を消灯して、ストローブ線１２１を選択した直後にＲ光源を点灯するシーケンスとしている。

ＬＣｒｓｐ ３０６は、仮想的に時間的な連続光を照射した場合の液晶の光学応答の波形を示しており、図１５の例では、画像として白色を表示した場合を示している。ストローブ線１２１の選択直後から立ち上がり、リセット線１２０の選択直後に立ち下がるような波形を示す。保持容量１０８への電圧書込みのタイミングと液晶容量１２６への電圧書込みのタイミングとを時間的に分離しているので、あるサブフレームの画像表示をしている間に、次のサブフレーム画像を各画素の保持容量１０８に記憶でき、サブフレームのほぼ全期間を画面の書き換え期間にあてることができる。

したがって、１行当たりのゲート線選択期間を十分確保でき、ドライバへの負荷を低減できる。また同様にサブフレームのほぼ全期間を各色の光源の点灯期間にあてることができる。ＬＥＤなどの光源は、点灯デューティが大きいほど効率が高いため、表示装置の消費電力を低減する効果が得られる。

本方式の課題は、図９からも分かるように、１画素当たりの制御線、すなわち配線の本数が６本と多く、開口率が制限されることである。カラーフィルタ方式では、１画素(３副画素)当たりの配線数は、コモン線を含めて５本である。そこで実施例３においては、１画素当たりの配線数を低減するために、図１６に示すような画素回路構成とした。

図１７および図１８に実施例３の液晶表示素子１００の画素回路の全体図を示しておく。なお、図１７および図１８において、表示素子１００外部への配線は、省略している。図１６は、ドレイン線１０１に平行な４画素の画素回路を示す図である。

この画素回路の特徴の１つは、走査線１０２、コモン線１０４、ストローブ線１２１、リセット線１２０のいずれかを隣接２画素間で共有しているである。この画素回路の他の特徴の１つは、ドレイン線を時分割で、画像信号のデータ線とリセット電圧線として多重化していることである。以上の構成により、１画素当たりの配線数を４本にできる。

この画素回路の他の特徴の１つは、隣接画素間の配線数をいずれの画素間においても等しくしたことである。ここでは、行間ならびに列間いずれにおいても配線数を２本とした。もしも行間または列間のいずれかまたは双方の隣接画素間の配線数が場所によって異なると、画素毎に開口形状が異なり画像中に不要なパターンとして視認される問題が生じる。

開口形状を各画素で等しくしようとした場合に、本来遮光が不要な領域を覆う必要が生じ、開口率を高くできない。一方、隣接画素間の配線数をいずれの画素間においても等しくしたことにより、開口率を損なうことなくいずれの画素の開口形状を等しくすることが可能であり、高開口率かつ不要なパターンが視認されない高品質の画像表示を実現できる。

実施例３においては、図１６に示すようにある画素間には、コモン線とＳＴＢ線、他の画素間には、走査線とＲＳ線を配置している。すなわち１画素当たりの配線数を４本に減らすと同時に、いずれの画素間の配線数も等しくすることによりいずれの画素間のスペースも等しくでき、開口率を損なうことがない。

配線数を減らすことの他の効果は、周辺ドライバとの接続端子数を低減できることであり、周辺ドライバの低コスト化に寄与する、高精細化を容易にするなどの利点がある。多結晶シリコンや単結晶シリコンを用いて周辺ドライバを画素と同一基板上に内蔵する場合においても、周辺ドライバの回路規模を小さくできるため歩留まりの向上、表示領域外部の面積の縮小化などの利点がある。

図１７は、ストローブ端子およびリセット端子をそれぞれ共通端子として引き出した構成を示している。一方、図１８は、各ストローブ線および各リセット線を独立にドライバ１３２に接続し、各ストローブ線および各リセット線を時間的にずらして選択するように構成することにより、同時に駆動する容量を低減できるため、ドライバの負荷を軽減できる。ドライバ１３２は、ゲートドライバ１３１に機能を統合してもよく、その場合には、部品点数が減り、コストを低減できる。

実施例３の液晶表示装置においてモノクローム表示するときには、大まかには、以下の２通りの方法がある。

１つ目の方法は、第二のトランジスタ１２４を定常的にオン状態とし、第三のトランジスタ１２５を定常的にオフ状態とすることにより、等価的に図９と同様な回路構成とする方法である。

２つ目の方法は、第一のトランジスタ１１３を定常的にオフし、第二のトランジスタ１２４を定常的にオンした状態で、第三のトランジスタ１２５を用いて液晶容量１２６および保持容量１０８に書込む方法である。この場合も等価的に図６と同様な回路構成とすることができる。ただし、信号を印加すべきドレイン線と画像データとの対応関係であるＡとＢとをカラー表示時とモノクローム表示時とで切換える必要がある。

２つ目の方法の場合、液晶容量１２６の電圧保持率が十分高く保持容量１０８への書込みが不要であるなら、第二のトランジスタ１２４も定常的にオフして、液晶容量１２６のみへの書込むようにすれば、保持容量１０８の充放電に要する電力を削減でき、より低消費電力化が可能である。モノクローム表示時には、フィールド順次カラー表示には、必要であった高保持容量が必ずしも必要ではないこと、ならびに、液晶容量１２６が十分大きく電圧保持が十分可能であることから可能な方法であり、モノクローム表示時の低消費電力化において有力な方法である。

図１９に、実施例３のレイアウト図を示す。実施例３のレイアウトの特徴は、一方の組み合わせをゲート線１０２とリセット線１２０とし、他方の組み合わせをコモン線１０４とストローブ線１２１とにして、ドレイン線１０１に平行方向の隣接画素間の配線数をいずれの画素間においても等しく２本としたことである。

その結果、開口部の形状をいずれの画素においても開口率を損なうことなく同一形状にすることができている。保持容量１０８の容量値は、液晶容量１２６と等しくなるように設計されている。

実施例３においては、文字情報／画像情報を混載表示する表示装置を想定しているため、ドレイン線１０１に平行な画素列は、一直線上に揃ういわゆるストライプ配置である。これを実現するために、ドレイン線１０１を保持容量１０８を迂回させてジグザクに配置している。

一方、例えばテレビ放送の映像を主として表示するような用途では、むしろドレイン線１０１をジグザク配置することなく、画素を１行毎にずらして配置するいわゆるデルタ配置にすることにより、動画像を自然に表示できる。

各画素には、３つのトランジスタが配置されているが、チャネル長の幅と長さの比であるＷ／Ｌは、第一のトランジスタ１１３のそれを第二のトランジスタ１２４および第三のトランジスタ１２５のＷ／Ｌに比べて最大に設計した。

これは、第一のトランジスタ１１３の選択期間が第二のトランジスタ１２４および第三のトランジスタ１２５の選択期間に比べて短くせざるを得ないという理由による。

なお、実施例３は、主としてアモルファスシリコンを用いたトランジスタを用いた場合について述べてきたが、多結晶シリコンや単結晶シリコンを用いたトランジスタを用いた場合にも、本実施例３を同様に適用できるのは、いうまでもない。

図２０、液晶の応答時間の到達電圧依存性を示している。応答時間は、液晶への印加電圧をある初期電圧から他の到達電圧に切換えたとき光学応答に要する時間である。一般的にネマティック液晶の応答時間は、主として到達電圧の値に依存し、かつ到達電圧が高電圧側および低電圧側で応答時間が短く、中間の到達電圧において応答時間が遅くなる傾向にある。

フィールド順次方式に適用するには、応答時間が、十分短い必要がある。したがって、駆動電圧には、液晶応答時間の短い低電圧側および高電圧側のみを使い、中間の電圧を使わない駆動方式により、液晶の応答期間を短縮でき、その分を画面書き換え期間または光源点灯期間に割り振ることが可能となる。

しかし、低電圧側および高電圧側のみの間の駆動では、明表示および暗表示のデジタル的な階調表示となり、中間調の階調制御ができない。デジタル的な階調制御により多階調表示する方法としては、時分割階調と面積分割階調とが考えられる。このうち、時分割階調に関しては、さらに高速な駆動および液晶応答性が求められるため困難である。

実施例４においては、面積分割による階調制御を適用した方式を用い、さらに低ビット数のデジタルアナログコンバータと組み合わせると、低コストかつ低消費電力で階調制御が可能なフィールド順次カラー方式の液晶表示装置を提案する。

面積階調の分割方法は、一般的には、次のようになる。１つの画素が複数の副画素から構成され、かつ開口部の面積が最小の副画素に比べて他の副画素の開口部の面積が２のｎ乗倍(ｎは自然数)とするものである。各副画素を明表示または暗表示のいずれかとすると、デジタル的に(ｎ＋１)ビット階調表示を実現できる。

図２１は、ｎ＝２の場合であり、３ビット階調表示が可能な面積分割の例を示している。各副画素に対して明表示または暗表示のいずれかの電圧を印加すると、デジタル的に３ビットの階調表示が可能である。各色３ビットの階調表示では、５１２色カラー表示を実現できる。

より多階調が必要な場合には、副画素の分割数を増やせばよいが、１画素当たりのトランジスタ数および配線数が増加するため、あまり数多く分割することは、現実的でない。次に述べる輝度変調と組み合わせると、多階調を簡易に表示できる。

図２２および図２３は、面積階調と組み合わせて効果のある輝度変調の変調方式を示した図である。制御すべき輝度は、次のように離散的な値に設定する。具体的には、最大の副画素と最小の副画素の面積比が２のｎmax乗のとき、各副画素の輝度を０と、０でない最小単位輝度I0＝２0と、前記０でない最小単位輝度I0＝２0に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍(ｍは自然数、ｍの最大値をｍmaxとする)と、前記ｍ×(ｎmax＋１) ×I0のうちｍ＝１からｍmaxのうち２個からｍmax＋１個までを任意に選んで足しあわせた輝度とすればよい。ちなみにここで輝度０というのは、便宜的に最も暗い(または黒い)階調のことを指していることに注意されたい。

以上の面積階調と輝度変調との組み合わせにより(ｎmax＋１)×(ｍmax＋１)ビットの階調表示が可能となる。図２２は、ｎmax＝２、ｍmax＝１の場合を示しており、図２３は、ｎmax＝１、ｍmax＝２の場合を示しており、いずれの場合も６ビットの階調表示が可能である。その他のｎmaxとｍmaxの組み合わせに対する本発明の拡張は、容易である。

実施例４の液晶表示装置におけるドレインドライバ１３０は、上記輝度変調を実行するアナログ信号電圧を発生することが可能なデジタルアナログコンバータを備えている。

本方式によれば、必要な駆動電圧は、低電圧側および高電圧側に集中するため、応答時間が長い中間の電圧領域を使う必要がない。したがって、短時間の液晶応答期間でありながら多階調の表示が可能なフィールド順次カラー方式の液晶表示装置を実現できる。しかも、液晶応答期間を短時間にできるので、画面書き換え期間および／または光源点灯期間を長くできる。

その結果、駆動周波数の低減による消費電力低減または光源の光利用効率の向上につながり、ひいては、表示装置の低消費電力化につながる。しかも、デジタルアナログコンバータのビット数は、高々２または３ビット程度でよく、回路規模が小さく消費電力が低いのと同時に安価に作成できる。

実施例４の表示装置においても、実施例１において述べた高保持容量構造を保持容量として用いると、高開口率と高品質のフィールド順次カラー表示とを両立可能になる。

（表示装置）
図２４、図２５を用いて、実施例１、２、３、４の画素構造および周辺ドライバを備えた液晶表示素子を用いた液晶表示装置の実施例５を説明する。

実施例５の液晶表示装置は、フィールド順次カラー表示するとともに、必要に応じて、光源を消灯した状態で反射表示することも可能な液晶表示装置である。

図２４、図２５は、実施例５の表示装置における表示素子１００の断面図であり、図２４は、フィールド順次カラー表示時を、図２５は、反射表示時を、それぞれ示している。図２４または図２５における表示素子１００は、液晶セル５０７、光源５０１を備えかつ反射板を兼ねたバックライト５０２から構成されている。

まず、図２４、図２５における液晶セル５０７の構造について説明する。液晶セル５０７は、第１の偏光板５０８、透明電極など(図示せず)を備えた透明基板５０３、液晶層５０４、液晶層を駆動するためのアクティブマトリクス(図示せず)を備えたアクティブマトリクス基板５０５、第２の偏光板５０６を含んで構成されている。アクティブマトリクス基板５０５は、画素をマトリクス状に並べた表示部を有しており、各画素には、アクティブ素子であるトランジスタを設けてある。

本表示素子１００では、例の１つとしてアモルファスシリコンによるトランジスタを使用しているが、トランジスタなどのアクティブ素子を形成する半導体材料としては、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンのいずれを用いてもよい。

また、アモルファスシリコンおよび多結晶シリコンを用いる場合には、通常、ガラス基板を用いるので、実施例５では、アクティブマトリクス基板５０５としてガラス基板を用いている。

なお、アクティブマトリクス基板の作成方法として、アクティブ素子をガラス基板上に設けた単結晶シリコンのエピタキシャル成長層に設ける方法、予め単結晶シリコン基板上に形成したアクティブマトリクス回路構成をリフトオフ法によってはがしたガラス基板上に貼り付けるという方法もある。

アクティブマトリクス基板５０５は、実施例１、２、３、または４の画素構造および周辺ドライバを備えたアクティブマトリクス基板である。

光源５０１としては、三原色のＬＥＤを用いた。液晶層１２２には、ツイスト角度が９０度のツイストネマティックモードを採用した。また、図２４、図２５では、省略されているが、液晶を配向させるための配向膜が透明基板５０３およびアクティブマトリクス基板５０５の液晶層に接する側に形成されている。

さらに透明基板５０３とアクティブマトリクス基板５０５との距離であるセルギャップは、液晶の高速応答性を考慮して２μｍとした。なお、フィールド順次カラー表示が可能であれば、他の表示モードを適用することは、もちろん可能である。

フィールド順次カラー表示時においては、光源５０１からは、時分割で三原色光のうちいずれかが出射する。光源５０１からの出射光５０９は、それと同期して駆動される液晶セル５０７により変調され、カラー画像光５１０として図示されてはいない観測者に視認される。一方反射表示時においては、光源５０１は、消灯し、外光５１１を液晶セル５０７によって変調し、モノクローム画像光５１２として図示されてはいない観測者に視認される。

図２４、図２５におけるバックライト５０２について説明する。実施例５におけるバックライト５０２は、光源５０１からの光を散乱して液晶セル５０７方向に導く機能と、液晶セル５０７を介して入射する外光５１０を反射する反射板としての機能の両方を備えている。

なお、実施例５においては、光源としては、ＬＥＤを用いた場合について述べたが、三原色光の時分割照射が可能であれば冷陰極管やその他の光源を用いてもよいことは、いうまでもない。

（携帯電話）
図２６、図２７は、本発明の液晶表示装置を搭載した携帯情報機器の実施例６を示す図である。図２６、図２７に本発明の表示装置を備えた携帯電話の外観の模式図を示す。

図２６は、携帯電話２２０が操作を待ち受けている時などのいわゆる「待機時」に、表示素子１００へ情報を単色で表示している状態を示している。

図２７は、着信時などのいわゆる「使用時」に表示素子１００へ情報をカラーで表示している状態を表しており、その具体例として通話の相手を表示している例を示している。

実施例６の携帯電話２２０は、図２６、図２７のいずれもアンテナ２２１と、スピーカ２２２と、表示素子１００と、テンキーなどのキー２２３と、マイクロフォン２２４、カメラ２２７とを含んで構成される。

携帯電話の使用形態としては、たとえ待機時であっても蓄電池の残量をアイコン２２５で表示することや時刻を常時表示することが一般的であり、今後は、携帯情報端末としての機能も充実し、例えば予定を常時表示しておくような使用形態も十分に考えることができる。

しかし、いわゆる待機時の表示方法は、必要最低限のキャラクタ表示やアイコン表示で十分であるために、白黒表示または単色のモノクローム表示で十分であること、待機時と使用時との時間的割合は、待機時の方が一般には、大きいことなどを考慮すると、待機時に要求される最も重要な性能は、低消費電力性である。したがって、待機時の表示方式は、反射型表示方式が好適である。

図２８は、実施例６の携帯電話２２０の主要な構成を示すブロック図である。実施例６の携帯電話２２０は、少なくとも、アンテナ２２１と、無線部２３０と、通話処理部２３３と、音声処理部２３２と、機器全体の制御部２３１と、カメラ２２７と、スピーカ２２２と、マイクロフォン２２４とテンキーなどのキー２２３と、本発明の表示装置１００と、図示していない蓄電池などとを含めて機器を構成している。本発明の表示装置２５０は、既に述べたように、駆動回路部２５１と表示素子１００とを含んで構成される。

実施例６の表示装置２５０における駆動回路部２５１は、カラー発光表示と反射表示とを切換える駆動方法切換え回路部を備えており、表示状態の切換え条件は、少なくとも、カラー発光表示から反射表示に切換える場合と、反射表示からカラー発光表示に切換える場合との２通りがある。

本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例１の画素構造を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例１の画素構造を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例１の画素構造を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例１の画素構造を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例１の回路構成を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例２の画素回路構成を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例２の回路構成を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例２の画素構造を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例２の画素回路構成例を示す図である。 液晶電圧に対する各パラメータの相関の１を示す図である。 液晶電圧に対する各パラメータの相関の１を示す図である。 液晶電圧に対する各パラメータの相関の１を示す図である。 液晶電圧に対する各パラメータの相関の２を示す図である。 液晶電圧に対する各パラメータの相関の２を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例３の駆動シーケンスを示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例３の画素回路構成を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例３の回路構成を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例３の回路構成を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例３の画素構造を示す図である。 到達電圧と液晶応答時間との関係を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例４の階調表示方式を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例４の階調表示方式を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例４の階調表示方式を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例５の断面を示す図である。 本発明の液晶表示装置における液晶表示素子の実施例５の断面を示す図である。 本発明の液晶表示装置の実施例６を示す図である。 本発明の液晶表示装置の実施例６を示す図である。 本発明の液晶表示装置の実施例６の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００ 液晶表示素子
１０１ ドレイン線
１０２ ゲート線
１０３ ソース電極
１０４ コモン線
１０５ 画素電極
１０６ コモン電極
１０７ スルーホールコンタクト
１０８ 保持容量
１０９ 第一の絶縁層
１１０ 第二の絶縁層
１１１ ガラス基板
１１２ スルーホールコンタクト
１１３ トランジスタ
１２０ リセット線
１２１ ストローブ線
１２３ リセット電圧線
１２４ 第二のトランジスタ
１２５ 第三のトランジスタ
１２６ 液晶容量
１３０ ドレインドライバ
１３１ ゲートドライバ
１３２ ドライバ
１４０、１４１ 第三の絶縁層

Claims (5)

1. １つの画素が、複数の副画素から構成されており、前記複数の副画素の開口部の面積が最小の副画素の面積に対して２のｎ乗倍(ｎは自然数)である液晶表示装置において、
   最大の副画素と最小の副画素との面積比が２のｎmax乗のとき、各副画素の輝度を、０と、０でない最小単位輝度と、前記０でない最小単位輝度に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍(ｍは自然数)と、前記０でない最小単位輝度に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍の輝度のうちｍが０からｍmaxまでのうち少なくとも２つの輝度を足しあわせた輝度のいずれかの輝度としたことを特徴とする液晶表示装置。
2. 請求項１に記載の液晶表示装置において、
   最大の副画素と最小の副画素の面積比が２のｎmax乗のとき、各副画素の輝度を０と、０でない最小単位輝度と、前記０でない最小単位輝度に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍(ｍは自然数)と、前記０でない最小単位輝度に対してｍ×(ｎmax＋１)乗倍の輝度のうちｍが０からｍmaxまでのうち少なくとも２つの輝度を足しあわせた輝度のいずれかの輝度となるような信号電圧を生成するデジタルアナログコンバータを備えたことを特徴とする液晶表示装置。
3. 請求項１または２に記載の液晶表示装置において、
   一対の基板と前記一対の基板に挟持された液晶層と、前記一対の基板の一方にマトリクス状に配置された画素と、前記各画素に接続されたドレイン配線とゲート配線とコモン配線と、前記ドレイン配線より供給される画像信号電圧を前記液晶層に印加するためのソース電極および前記ソース電極に接続された画素電極と、前記画像信号電圧を前記ソース電極および前記画素電極に供給するスイッチであるトランジスタと、前記ソース電極と前記コモン配線との間に形成した前記画像信号電圧を保持するための保持容量とを備え、
   前記コモン配線が、前記ゲート配線と同一の層に形成され、
   前記保持容量が、前記ソース電極と前記コモン配線および前記コモン配線に接続されかつ前記画素電極と同一の層に形成されたコモン電極との間に形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
4. 請求項３に記載の液晶表示装置において、
   前記保持容量が、前記ドレイン線に平行に配置されていることを特徴とする液晶表示装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の液晶表示装置を備えた携帯情報機器において、
   フィールド順次カラー表示とモノクローム表示とを切換えるスイッチを備えたことを特徴とする携帯情報機器。

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