(57)【要約】【課題】画素内にメモリを内蔵した液晶表示装置において、開口率を向上し、消費電力を低減する。【解決手段】単一電源で駆動する画素内にメモリ素子２０を備えた液晶表示装置において、画素に形成されたスイッチ１１，１２，１３，１４を制御する制御信号を外部から供給して制御信号の反転信号を生成するためのインバータを削除するとともに、メモリ素子２０の入力端子に接続されたスイッチ１１を制御する選択信号Ｇａｔｅ，／Ｇａｔｅを供給する配線と、メモリ素子２０の出力端子に接続されたスイッチ１３，１４を制御する信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢを供給する配線とを別々の層に多層化する。また、画素電極７６と対向電極７７とを同一のガラス基板７３上に形成する。これにより、１ライン毎に対向電極７７の電位Ｖｃｏｍを反転することができ、消費電力の低減が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と第２の基板とにより液晶層を挟持する液晶セルと、
前記第１の基板にマトリクス状に配置された複数の信号線及び複数のゲート線と、
前記信号線と前記ゲート線の各交差部に配置された画素電極と、
前記画素電極のそれぞれに対応して配置され、前記信号線に供給されるデジタル信号を保持可能なメモリ素子と、
前記ゲート線に供給される選択信号に応じて前記デジタル信号を前記メモリ素子へ入力する第１のスイッチ素子と、
前記メモリ素子の出力端子及びその出力端子とは反転した値を出力する反転出力端子を前記画素電極にそれぞれ接続する第２，第３のスイッチ素子と、
前記ゲート線とは絶縁膜を介して異なる階層に配置され、互いに反対極性を有する制御信号を供給して前記第２，第３のスイッチ素子を制御する２本の制御線と、
を有することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記第１の基板に配置され、前記液晶層内において前記画素電極との間で前記液晶セルに平行な横電界を形成する対向電極を有することを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記制御線に供給される制御信号に連動して前記対向電極の電位を１ライン毎に反転させることを特徴とする請求項２記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記液晶セルを単一電源で動作させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画素内にメモリを内蔵した液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入力されるアナログ信号に基づいてフルカラー表示を行うとともに、画素にメモリを内蔵し２値表示を可能にした液晶表示装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の液晶表示装置では、メモリを使用して２値表示を行う際、液晶を交流駆動するための交流駆動回路のみを動作させて消費電力の低減を図っている。
【０００３】
図８は、画素内部にメモリを内蔵した従来の液晶表示装置における画素の回路構成を示す図である。同図に示す画素は、信号線とゲート線（Ｇａｔｅ）の交点にスイッチ５１と、インバータ６１，６２で構成されたメモリ素子６０とを備えている。メモリ素子６０を使用しないで表示を行う場合、信号線に供給された映像信号（アナログ信号）は、Ｇａｔｅをハイレベルにしてスイッチ５１をオンすることにより液晶容量ＬＣ及び補助容量Ｃｓに書き込まれる。このとき２つの制御信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢはともにローレベルにしてスイッチ５２，５３をオフにしておく。
【０００４】
一方、メモリ素子６０を使用して表示を行う場合、まずＧａｔｅをハイレベルにしてスイッチ５１をオンすることにより、信号線に供給されたデジタル信号を液晶容量ＬＣ及び補助容量Ｃｓに書き込むとともに、スイッチ５２をオンにしてメモリ素子６０にもそのデジタル信号を入力する。その後、スイッチ５４をオンにしてメモリ保持状態とした後に、スイッチ５１をオフにする。これにより、液晶容量ＬＣにはメモリ素子６０の保持する値がスイッチ５２，５３のいずれかを介して書き込まれる。制御信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢを交互に反転させるとともに、電位Ｖｃｏｍも同様に反転させて液晶の交流駆動を行う。
【０００５】
ここで、電源電圧を単一化し、各スイッチを制御する信号の電圧を液晶容量ＬＣに書き込む信号の電圧と同等の電圧にした場合は、片極性（ＰｃｈあるいはＮｃｈのみ）のスイッチでは、信号書き込みが十分にできないため、図８に示すように、双極性のスイッチが必要となる。双極性のスイッチを制御するための反転した制御信号は、画素内部に配置したインバータ６３，６４，６５で作っている。
【特許文献１】特開２００１−２６４８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、透過型の表示装置において、上記反転した制御信号を生成するインバータを画素内部に形成した場合、開口部の減少を招き、光の利用効率の低下が著しくなるという問題がある。一方、別配線により反転した制御信号を供給する場合は、その配線が遮光部になるため、同様に開口部の減少を招く。
【０００７】
また、メモリ素子６０を利用して表示を行う場合は、液晶を交流駆動するために、メモリ素子６０の出力に合わせて対向電極の電位Ｖｃｏｍを反転する必要がある。一般に、対向電極は液晶層を挟む基板の一方の全面に形成されるため、反応速度の要求はそれほど高くなくても、数十ｍｍ級のトランジスタが必要となる。そのトランジスタを動作させたり、対向電極の極性を反転することにより、消費電力が増大するという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、各画素にメモリを内蔵した表示装置における開口率を向上することにある。
【０００９】
本発明の別の目的は、各画素にメモリを内蔵した表示装置において消費電力を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る液晶表示装置は、第１の基板と第２の基板とにより液晶層を挟持する液晶セルと、第１の基板にマトリクス状に配置された複数の信号線及び複数のゲート線と、信号線とゲート線の各交差部に配置された画素電極と、画素電極のそれぞれに対応して配置され、信号線に供給されるデジタル信号を保持可能なメモリ素子と、ゲート線に供給される選択信号に応じてデジタル信号をメモリ素子へ入力する第１のスイッチ素子と、メモリ素子の出力端子及びその出力端子とは反転した値を出力する反転出力端子を画素電極にそれぞれ接続する第２，第３のスイッチ素子と、ゲート線とは絶縁膜を介して異なる階層に配置され、互いに反対極性を有する制御信号を供給して第２，第３のスイッチ素子を制御する２本の制御線と、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明にあっては、デジタル信号をメモリ素子へ入力する第１のスイッチ素子を制御するゲート線と、メモリ素子が保持するデジタル信号を画素電極に書き込む第２，第３のスイッチ素子を制御する２本の制御線とを絶縁膜を介して異なる階層に配置することにより、ゲート線と制御線を重ねて配置することができるので、これらの配線により遮光される部分を減らし、開口部の拡大が可能となる。
【００１２】
上記液晶表示装置において、第１の基板に配置され、液晶層内において画素電極との間で液晶セルに平行な横電界を形成する対向電極を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明にあっては、対向電極を画素電極と同じ第１の基板上に形成し、横電界により液晶層を操作することにより、第２の基板の全面に対向電極を形成した場合に比べて、対向電極の電位を反転させるために必要な消費電力を抑制することが可能となる。
【００１４】
ここで、制御線に供給される制御信号に連動して対向電極の電位を１ライン毎に反転させることが、液晶を交流駆動するうえで望ましい。
【００１５】
また、液晶セルを単一電源で動作させることが、液晶表示装置を簡素化するうえで望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、各画素にメモリを内蔵した表示装置における開口率を向上することができる。
【００１７】
また、別の本発明によれば、各画素にメモリを内蔵した表示装置において消費電力を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［第１の実施の形態］
以下、第１の実施の形態における液晶表示装置について説明する。本実施の形態における液晶表示装置が備えた液晶セルは、薄膜半導体プロセスをもとに形成した、薄膜トランジスタ、配線、電極、抵抗および容量を備えたガラス基板と、対向電極を形成したカラーフィルタ基板と、を有し、ガラス基板とカラーフィルタ基板との間に液晶を挟持している。また、本液晶表示装置は、各配線、電極に信号を供給して液晶セルの画素部を駆動する駆動回路を備えている。画素部を駆動する電圧は１つであり、供給された電圧の昇圧などを実施することなく単一電源で動作させる。このように、画素部を単一電源で駆動することにより、液晶表示装置の構成を簡素化することができる。
【００１９】
図１は、本実施の形態における液晶表示装置の画素の構成を示す回路図である。ガラス基板上に直交するように配置された複数の信号線および複数のゲート線（Ｇａｔｅ）の交差部付近に画素電極を配置し、その画素電極に印加する電圧を制御する回路を各画素のそれぞれに配置して液晶セルの画素部を形成する。同図に示すように、各画素は、スイッチ１１，１２，１３，１４と、インバータ２１，２２で構成されるメモリ素子２０とを備える。
【００２０】
信号線とＧａｔｅの交差部にはスイッチ１１，１２が接続される。スイッチ１１，１２は、選択信号Ｇａｔｅ，／Ｇａｔｅ（Ｇａｔｅの反転信号）で制御され、スイッチ１１とスイッチ１２とはその信号に対してオンオフが逆の動作となる相補スイッチとして働く。信号線に供給された映像情報（デジタル信号）は、スイッチ１１を介してメモリ素子２０に書き込まれる。スイッチ１２がオンするとメモリ素子２０は書き込まれた値を保持する保持モードとなる。
【００２１】
メモリ素子２０に保持された映像情報は、スイッチ１３，１４を介して液晶容量ＬＣに書き込まれる。スイッチ１３，１４の一方には、メモリ素子２０の出力端子およびその出力端子とは反転した値を出力する出力端子がそれぞれ接続され、他方には画素電極（図示せず）が接続される。スイッチ１３，１４は、制御信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢで制御される。制御信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢは、ほぼお互いに逆極性の信号であり、スイッチ１３，１４は交互にオンオフとなるので、メモリ素子２０に保持された映像情報は、制御信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢの反転タイミングにあわせて極性反転して画素電極に印加される。対向電極の電位Ｖｃｏｍもこのタイミングにあわせて極性反転を行う。このように映像情報は、画素電極と対向電極との間の液晶容量ＬＣに書き込まれる。
【００２２】
次に、本液晶表示装置の動作について説明する。図２は、液晶表示装置を駆動する信号のタイミングチャートである。まず、Ｇａｔｅをハイレベルにしてスイッチ１１をオンにする。このときスイッチ１２はオフとなり、信号線に供給される映像情報はスイッチ１１を介してメモリ素子２０に入力される。その後Ｇａｔｅをローレベルにし、スイッチ１１をオフに、スイッチ１２をオンにする。スイッチ１２がオンになるとメモリ素子２０が保持モードとなり、入力された映像情報を保持する。以後、液晶容量ＬＣに書き込まれる映像情報は、メモリ素子２０に保持される。
【００２３】
メモリ素子２０に保持された映像情報は、スイッチ１３又はスイッチ１４を介して液晶容量ＬＣに書き込まれる。具体的には、メモリ素子２０からスイッチ１３，１４には互いに反転した映像情報が入力され、制御信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢによりスイッチ１３，１４のうちいずれか一方のスイッチがオンとなり、映像情報と反転した映像情報が交互に液晶容量ＬＣに書き込まれる。対向電極の電位Ｖｃｏｍは、スイッチ１３，１４をオンオフするタイミング（制御信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢを反転するタイミング）に合わせて反転させる。これにより、液晶を交流駆動することが可能となる。本実施の形態では、電位Ｖｃｏｍを制御信号ＰｏｌＡに合わせて反転させたが、制御信号ＰｏｌＢに合わせて反転させるものであってもよい。
【００２４】
次に、開口部の面積の拡大について図を用いて説明する。図１に示した回路では、Ｇａｔｅ方向に多数の配線が必要である。バックライト装置を液晶パネルの背面に配置する透過型の液晶表示装置の場合、配線は遮光層となるためできる限り細線化して近接配置することが望ましい。しかし、配線を細くしたり、配線同士の間隔を厳しく切り詰めると、配線の断線や配線同士のショートなどの弊害が発生する。
【００２５】
そこで、ガラス基板に新たに金属配線層を追加して同方向の配線について、絶縁層を介して重ねることで開口部の面積の拡大を実現した。図３は、図１に示した回路の配線を多層化して開口部の面積を拡大した様子を示す図である。図３に示す例では、選択信号Ｇａｔｅ，／Ｇａｔｅと制御信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢとを別の階層に形成して多層化し、開口部の面積を拡大している。
【００２６】
図４は、第１の実施の形態における別の液晶表示装置の画素の構成を示す回路図である。同図に示す画素は、図１に示したものに対してメモリ素子２０の出力を制御するスイッチ１５，１６がＮｃｈのみの片極性スイッチを用いた点で異なっている。また、図５に示すように、スイッチ１５，１６が同時にオンしないように制御信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢのハイレベルの比率を小さくした駆動信号を供給する。このようにメモリ素子２０の出力を制御するスイッチ１５，１６が同時にオンしないように制御することにより、メモリ素子２０がショートするのを防ぎ、消費電流を削減することができる。なお、Ｎｃｈの片極性スイッチに替えてＰｃｈの片極性スイッチを用いてもよい。
【００２７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、単一電源で駆動する画素内にメモリ素子２０を備えた液晶表示装置において、画素に形成されたスイッチ１１，１２，１３，１４を制御する制御信号を外部から供給して制御信号の反転信号を生成するためのインバータを削除するとともに、メモリ素子２０の入力端子に接続されたスイッチ１１を制御する選択信号Ｇａｔｅ，／Ｇａｔｅを供給する配線と、メモリ素子２０の出力端子に接続されたスイッチ１３，１４を制御する信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢを供給する配線とを絶縁膜を介して異なる階層に積層配置することにより開口率の向上を図ることが可能となる。
【００２８】
なお、カラーフィルタでＲＧＢ各色を表示することで２値カラー表示を実現することができる。また、表示ビット数を１ビットから多ビット化して階調出力することは、各画素の面積を適宜変更し、カラーフィルタによりそれぞれの画素を着色することで実現可能である。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図６は、第２の実施の形態における液晶表示装置の画素の構成を示す回路図である。本実施の形態における液晶表示装置は、メモリ素子４０による動作に加えて、アナログ信号を液晶容量ＬＣに書き込めるようにしたものである。
【００３０】
図６に示す画素は、スイッチ３１，３２を備え、インバータ４１，４２で構成されるメモリ素子４０に映像情報（デジタル信号）を入力する。スイッチ３３，３４をメモリ素子４０の出力端子に接続し、メモリ素子４０に保持された映像情報は、スイッチ３３，３４を介して液晶容量ＬＣに書き込まれる。また、スイッチ３１は、メモリ素子４０の入力端子に接続されると同時に、スイッチ３３にも接続される。これにより、信号線に供給されたアナログ映像信号は、メモリ素子４０に入力されずに、スイッチ３１，３３を介して液晶容量ＬＣに書き込むことができる。
【００３１】
アナログ信号を液晶容量ＬＣに書き込むときは、Ｇａｔｅ２をローレベルに固定してスイッチ３２をオフとし、メモリ素子４０を動作させない。また、制御信号ＰｏｌＡをハイレベルにしてスイッチ３３をオンにする。
【００３２】
一方、図６に示す画素をメモリ動作させる場合には、第１の実施の形態で示したように、スイッチ３２をオンすることによりメモリ素子４０が映像情報を保持し、制御信号ＰｏｌＡ，ＰｏｌＢによりスイッチ３３，３４を交互にオンするとともに、電位Ｖｃｏｍの極性を反転させる。
【００３３】
なお、各素子の選定については、表示性能と回路動作マージン、消費電力を反映させて構成するとよい。スイッチ３３，３４は、図４に示したように片極性スイッチを用いてもよい。また、例えば、インバータ４１，４２を直列に接続したメモリ素子４０は、インバータ４１の出力性能を高くし、液晶保持電圧のフィードバックが強く加わるようにする。メモリ素子４０の出力を制御するスイッチ３３，３４は、インバータ４１，４２のスイッチよりも小さいサイズを用いて、書き換える電荷の逆流による保持信号の反転を防ぐ工夫ができる。さらに、液晶の応答速度は数ミリ秒で積分応答となることから、メモリ動作時の極性反転波形も、誤動作しない条件であれば制御信号自体を歪ませる（ゆっくり立ち上げる）ことで消費電力の削減を図ることができる。波形を歪ませる方法としては、周辺駆動回路のバッファサイズを適宜調節することで可能である。
【００３４】
アナログ信号を液晶容量ＬＣに書き込むタイミングを決めるＧａｔｅ信号については、波形歪みや遅延が発生することは問題となるが、Ｇａｔｅ２信号については、液晶容量ＬＣが電位を保持するため、数十ミリ秒遅れてＧａｔｅ２信号が変化しても問題とならない。したがって、Ｇａｔｅ２信号はＧａｔｅ信号の切り替えに同期して瞬時に切り替わる必要がないので、Ｖｃｏｍに合わせて一括して全画面を切り替えての駆動も可能である。
【００３５】
したがって、本実施の形態によれば、信号線に印加される映像信号を画素に入力するスイッチ３１をメモリ素子４０の入力端子に接続するとともに、スイッチ３３を介して液晶容量ＬＣに接続することにより、メモリ素子４０に映像情報を入力するだけでなく、アナログ信号を液晶容量ＬＣに書き込むことが可能となるので、２値表示にくわえてフルカラーの表示が可能な液晶表示装置を提供することができる。
【００３６】
［第３の実施の形態］
これまでは、画素に形成する素子、配線などの配置を工夫することにより開口率の向上を図った回路構成について説明したが、次に、画素内にメモリ素子を内蔵した表示装置において、液晶の駆動方法を変更することにより消費電力の低減を図る第３の実施の形態について説明する。
【００３７】
図７は、本実施の形態における液晶表示装置の液晶セルの構成を示す断面図である。同図に示す液晶セルは、カラーフィルタ基板７２とガラス基板７３との間に液晶層を有し、カラーフィルタ基板７２及びガラス基板７３の外側面には、偏光板７１，７４がそれぞれ配置される。ガラス基板７３上に形成される画素の回路は、第１の実施の形態で説明したものと同様である。もちろん、他の構成を用いることも可能である。
【００３８】
画素毎に、画素電極７６および対向電極７７が同一のガラス基板７３上に対向して形成される。液晶分子７５は、図７に示す矢印のように画素電極７６から対向電極７７へ向かう横電界により操作される。画素電極７６は、画素内に形成されたメモリ素子２０の出力を制御するスイッチ１３，１４に接続される。対向電極７７は、メモリ素子２０の出力に合わせて極性を反転する電位Ｖｃｏｍに接続される。
【００３９】
液晶の交流駆動は、従来の液晶表示装置のように、１ライン毎に極性を反転することが望ましい。しかし、ガラス基板７３に対向するカラーフィルタ基板７２の全面に対向電極を形成した場合、メモリ素子を利用して表示を行う際に液晶を交流駆動するために、その対向電極の電位を反転させる必要があり、１ライン毎に極性反転を行うとフリッカ（明滅）が発生し、消費電力が増大する。
【００４０】
そこで、図７に示すように対向電極７７を画素電極７６と同一のガラス基板７３上に形成する。これにより、メモリ素子２０から出力されるデータを反転するタイミングに合わせ、ゲート線の信号に同期させて、１ライン毎に対向電極７７の電位Ｖｃｏｍを反転することができ、消費電力を低減することが可能となる。
【００４１】
したがって、本実施の形態によれば、画素電極７６と対向電極７７とを同一のガラス基板７３上に形成することにより、１ライン毎に対向電極７７の電位Ｖｃｏｍを反転することができるので、消費電力の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１の実施の形態における液晶表示装置の画素の構成を示す回路図である。
【図２】図１の液晶表示装置を駆動する信号のタイミングチャートである。
【図３】図１の液晶表示装置の配線を多層化する様子を示した説明図である。
【図４】第１の実施の形態における別の液晶表示装置の画素の構成を示す回路図である。
【図５】図４の液晶表示装置を駆動する信号のタイミングチャートである。
【図６】第２の実施の形態における液晶表示装置の画素の構成を示す回路図である。
【図７】第３の実施の形態における液晶表示装置の液晶セルの構成を示す断面図である。
【図８】従来の液晶表示装置の画素の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１，１２，１３，１４…スイッチ
１５，１６…スイッチ
２０…メモリ素子
２１，２２…インバータ
３１，３２，３３，３４…スイッチ
４０…メモリ素子
４１，４２…インバータ
５１，５２，５３，５４…スイッチ
６０…メモリ素子
６１，６２，６３，６４，６５…インバータ
７１，７４…偏光板
７２…カラーフィルタ基板
７３…ガラス基板
７５…液晶分子
７６…画素電極
７７…対向電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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