JP4613562B2 - アクティブマトリクス型液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明はアクティブマトリクス型の液晶表示装置に関する。より詳しくは、各画素ごとに配された表示回路に加え、情報入力用の受光回路を各画素に備えたアクティブマトリクス型液晶表示装置の画素回路構成に関する。

アクティブマトリクス型の液晶表示装置は低消費電力であり小型化が可能である。これらの特徴から、アクティブマトリクス型の液晶表示装置（ＬＣＤ）は従来の典型的なディスプレイであるＣＲＴを凌駕しつつあり、多方面のディスプレイに用いられている。特に近年では、通信環境の発達などにより、低消費電力及び小型などの特長を生かしてＬＣＤはモバイル端末のディスプレイとして広く普及している。

モバイル機器ではディスプレイなどの出力機器デバイスの他入力デバイスも必要である。入力デバイスとしては従来から抵抗薄膜型のタッチパネルが使われている。しかしながら、タッチパネルは接触点における電位変化を検出する方式のため、２箇所以上の接触点を同時に検出することは原理的に不可能である。このため、タッチパネルはゲーム用途などに対応しきれない場合がある。またディスプレイデバイスの表示面上にタッチパネルを設置するため必然的に機器の厚さの増加及びディスプレイの輝度低下を招く問題がある。

また近年では、入力デバイスとしてＣＣＤカメラあるいはＣＭＯＳカメラが付属している携帯電話機が広く普及している。さらには、個人認証用に指紋センサーを内蔵する携帯電話機も登場している。しかしながら、これら入力デバイスとしてのセンサーは画像表示部とは一体になっていないため、機器の実装密度の増加を招くという課題があった。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明はアクティブマトリクス型液晶表示装置に対し出力デバイスとしての機能に加え入力デバイスとしての機能を付加することで、応用機器の一層の小型化を達成することを目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明にかかるアクティブマトリクス型液晶表示装置は、走査線の列と、信号線の列と、各走査線と各信号線が交差する部分にマトリクス状に配された画素とを備え、各画素は、液晶素子と、薄膜トランジスタで構成された表示回路と、同じく薄膜トランジスタで構成された受光回路とを含み、前記表示回路は、該走査線により選択された時該信号線から入力された映像信号に応じて該液晶素子を駆動し、以ってマトリクス状の画素に映像を表示し、前記受光回路は、該表示回路が動作していないときに選択され、画素に入射する光量に応じた受光信号を別の信号線に出力することを特徴とする。

好ましくは、前記受光回路は、該画素に形成された受光素子に入射する光量を検出して、対応する受光信号を出力する。又前記受光回路は、受光素子として薄膜トランジスタを用い、該薄膜トランジスタを逆バイアスの状態にセットするセット部と、逆バイアスの状態下入射する光量に応じて該受光素子に流れる光リーク電流を増幅して受光信号を生成する増幅部とを含む。又、前記受光回路は、入射する光量に応じて該受光素子に流れる光リーク電流を該増幅部に取り入れる入力スイッチと、取り入れた光リーク電流を増幅して得られた受光信号を該増幅部から信号線に読み出す出力スイッチとを含み、該入力スイッチと出力スイッチは互いに独立したタイミングでオンオフ制御する。この場合、前記受光回路は、該表示回路が動作している間該入力スイッチ及び出力スイッチをともにオフし、該表示回路が動作しなくなった時先ず該入力スイッチをオンして該増幅部に対する光リーク電流の供給を開始し、次に該光リーク電流の供給が安定した時点で該出力スイッチをオンする。一態様では、前記液晶素子は、光反射型である。他の態様では、前記液晶素子は、光透過型である。好ましくは、前記薄膜トランジスタは、多結晶シリコン薄膜を活性層とする。或いは、前記薄膜トランジスタは、非晶質シリコン薄膜を活性層としても良い。

本発明によれば、アクティブマトリクス型液晶表示装置の各画素内に表示回路と受光回路を薄膜トランジスタなどで集積形成している。表示回路は映像信号に応じて液晶素子を駆動することで、画像表示出力が可能になる。一方受光回路は、薄膜トランジスタに逆バイアス電圧を印加した状態で入射光量に応じた光リーク電流を流し、さらにこれを増幅することにより、画像情報の入力を可能にしている。本発明による液晶表示装置は、タッチパネルなどを用いなくとも光学的に座標位置検出が可能で、且つ２箇所以上の同時座標検出も原理的に可能である。また、座標検出用としてディスプレイ上に別途位置検出装置を設置する必要がないため、高輝度な画像表示を得ることができる。また、座標検出以外の応用として、画素単位の光検出に基づいたスキャナを実現できる。これにより、付加価値の高い液晶表示装置を提供することが可能である。特に本発明では、受光回路が受光電流制御と増幅出力制御を各々独立に行うことで、受光感度を改善している。なお、本発明は画素に液晶素子を用いているが、これに代えて有機ＥＬ素子などの自発光素子を用いたアクティブマトリクス型表示装置にも応用可能である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明にかかるアクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を示す模式的な全体平面図である。図示するように、本液晶表示装置はパネル１Ａとこれを駆動する周辺の回路とで構成されている。パネル１Ａは画素１Ｂをマトリクス状に集積形成した画素アレイ１Ｋを備えている。これを周辺から囲むように配された回路群は、映像信号線駆動用集積回路１Ｃ、映像信号制御回路１Ｄ、走査線駆動集積回路１Ｅ、走査線制御回路１Ｆ、受光信号処理基板１Ｇ、受光信号伝達用フレキシブルケーブル１Ｈなどを含んでいる。本実施形態では、映像信号線駆動用集積回路１Ｃはフレキシブルケーブルに搭載されている。映像信号制御回路１Ｄはこの映像信号線駆動用集積回路１Ｃを搭載したフレキシブルケーブルを介してパネル１Ａに接続されている。同様に走査線制御回路１Ｆは走査線駆動集積回路１Ｅを搭載したフレキシブルケーブルを介してパネル１Ａに接続されている。

図２は、図１に示した画素１Ｂの構成を示す模式的な平面図である。図示するように、画素１Ｂは、走査線の列と信号線の列とが交差する部分に配されている。信号線は１画素当たり２本配されており、表示用信号線２Ｄと出力用信号線２Ｅがある。表示用信号線２Ｄは図１に示した映像信号線駆動用集積回路１Ｃに接続している。一方出力用信号線２Ｅは図１に示した受光信号処理基板１Ｇに接続されている。走査線の方は１画素当たり３本配されており、表示用走査線２Ｆ、入力用走査線２Ｇ、出力用走査線２Ｈがある。これらの走査線２Ｆ，２Ｇ，２Ｈは図１に示した走査線駆動集積回路１Ｅに接続されている。

画素１Ｂは、液晶素子と、薄膜トランジスタで構成された表示回路２Ａと、同じく薄膜トランジスタで構成された受光回路とを含んでいる。本実施形態は反射型であり、液晶素子は反射電極２Ｒとこれに対向する透明電極との間に挟まれた液晶で構成されている。表示回路２Ａは、表示用走査線２Ｆにより選択されたとき表示用信号線２Ｄから入力された映像信号に応じて液晶素子を駆動し、以ってマトリクス状の画素に映像を表示する。一方受光回路は、表示回路２Ａが動作していないときに選択され、画素１Ｂに入射する光量に応じた受光信号を出力用信号線２Ｅに出力する。

本実施形態では、受光回路は画素１Ｂに形成された受光素子３Ｄに入射する光量を検出して、対応する受光信号を出力する。本実施形態では受光素子３Ｄとして薄膜トランジスタを用いている。さらにこの薄膜トランジスタを逆バイアスの状態にセットするセット部と、逆バイアスの状態下入射する光量に応じて受光素子３Ｄに流れる光リーク電流を増幅して受光信号を生成する増幅部とを含む。受光回路は、入射する光量に応じて受光素子３Ｄに流れる光リーク電流を増幅部に取り入れる入力スイッチと、取り入れた光リーク電流を増幅して得られた受光信号を増幅部から出力用信号線２Ｅに読み出す出力スイッチとを含む。入力スイッチと出力スイッチは互いに独立したタイミングでそれぞれ入力用走査線２Ｇ及び出力用走査線２Ｈによりオンオフ制御される。受光回路は、表示回路２Ａが動作しなくなったときまず入力スイッチをオンして増幅部に対する光リーク電流の供給を開始し、次に光リーク電流の供給が安定した時点で出力スイッチをオンする。なお、表示回路２Ａは反射電極２Ｒの下部に配されている。一方受光素子３Ｄは外部からの光を取り込むため、反射電極２Ｒに形成された開口部と整合するように配されている。

図３は、図２に示した画素１個分の液晶表示装置の断面構造を示す模式図である。図示するように、液晶表示装置は下側の基板４１と上側の基板４７との間に液晶４４を挟持したフラットパネル構成となっている。下側の基板４１には表示回路２Ａや受光素子３Ｄが形成されている。図示するように表示回路２Ａは薄膜トランジスタ３Ａなどで構成されている。受光素子３Ｄも同様に下側の基板４１に形成された薄膜トランジスタからなる。これらの薄膜トランジスタは例えば多結晶シリコン薄膜を活性層としている。場合によっては多結晶シリコン薄膜にかえて非晶質シリコン薄膜を活性層としてもよい。薄膜トランジスタで構成された表示回路２Ａや受光素子３Ｄは平坦化膜４２で被覆されており、その上に反射電極２Ｒが形成されている。この反射電極２Ｒは平坦化膜４２に形成されたコンタクトホールを介して表示回路２Ａに接続している。一方受光素子３Ｄの上方には反射電極２Ｒを切り欠いて開口部４３が形成されている。

一方上側の基板４７の内面にはカラーフィルタ４６や透明電極４５が形成されており、外面には偏光板４８が形成されている。上側の基板４７に配された透明電極４５と下側の基板４１に配された反射電極２Ｒとの間に液晶４４が保持されており、画素単位で光反射型の液晶素子を構成している。この液晶素子は表示回路２Ａから反射電極２Ｒに書き込まれる映像信号のレベルに応じて、液晶４４の透過率を変調する。これにより画素単位で反射光量を変調し、以って画像を表示する。

図４は、受光素子３Ｄとして用いる薄膜トランジスタの電流−電圧特性を示すグラフである。横軸に、ゲート・ソース間電圧を取り、縦軸にドレイン電流を対数で取ってある。ゲート・ソース間電圧が正の値を取る順バイアス状態では、薄膜トランジスタの閾値を超えた後ゲート・ソース間電圧に応じてドレイン電流Ｉｄが流れる。一方ゲート・ソース間電圧が負の値を取る逆バイアス状態では、基本的にドレイン電流Ｉｄは流れない。ただし、逆バイアス時には外部から入射した光の光励起により光リーク電流が流れる。この光リーク電流は外部から入射した光量が大きくなる程電流量が増大する。本発明は、この薄膜トランジスタの光励起によるドレイン電流の変化を利用して、光検出を行う。順バイアスにおけるドレイン電流に比べ、逆バイアスにおける光リーク電流は絶対量が少ない。そこで本発明は、光リーク電流を増幅して光検出を行っている。

図５は、図２に示した画素の具体的な構成を示す回路図である。図示するように、画素１Ｂは表示回路２Ａと受光回路２Ｂとで構成されている。表示回路２Ａが表示用信号線２Ｄと表示用走査線２Ｆとが交差する部分に配されている。表示回路２Ａは基本的にサンプリングトランジスタ３Ａで構成されている。このサンプリングトランジスタ３ＡはＮ型の薄膜トランジスタである。サンプリングトランジスタ３Ａのゲートは表示用走査線２Ｆに接続され、ドレインは表示用信号線２Ｄに接続されている。サンプリングトランジスタ３Ａのソースには、液晶素子３Ｂと保持容量３Ｃの一端が接続されている。液晶素子３Ｂの他端は所定の電源電圧Ｖｃｏｍに接続されている。また保持容量３Ｃの他端は所定の電位Ｖｃｓに接続されている。図３を参照して説明したように、液晶素子３Ｂはトランジスタ３Ａ側に接続した反射電極とこれに対向する透明電極と両者の間に保持された液晶層とで構成されている。

一方受光回路２Ｂは、出力用信号線２Ｅと走査線２Ｇ，２Ｈとが交差する部分に配されている。一方の走査線２Ｇは入力用であり、他方の走査線２Ｈは出力用である。入力用走査線２Ｇは入力スイッチとなる入力トランジスタ３Ｅのゲートに接続されている。一方出力用走査線２Ｈは、出力スイッチとなるトランジスタ３Ｈのゲートに接続されている。入力トランジスタ３Ｅのドレインには受光素子となる受光トランジスタ３Ｄのドレインが接続されている。受光トランジスタ３Ｄのゲートには、逆バイアスゲート電圧源Ｖｂ４が接続されており、逆バイアスセット部を構成する。受光トランジスタ３Ｄのソースには、受光電流生成用電圧源Ｖｂ３が接続されている。

一対のトランジスタ３Ｆ及び３Ｇでカレントミラー回路を構成しており、増幅部となっている。受光トランジスタ３Ｄにより生成された光リーク電流Ｉｐは、入力トランジスタ３Ｅを介して、一方のトランジスタ３Ｆのドレインとゲートに入力され、そのソースを介してバイアス電源Ｖｂ１に流れ込む。他方のトランジスタ３Ｇのゲートは、トランジスタ３Ｆのドレインとゲートに接続され、そのソースはバイアス電源Ｖｂ２に接続され、そのドレインは出力トランジスタ３Ｈを介して出力用信号線２Ｅに接続される。出力用信号線２Ｅに流れる受光信号電流Ｉｒｅａｄはカレントミラー回路を構成するトランジスタ３Ｆと３Ｇのサイズ比に応じて光リーク電流Ｉｐを増幅した値となる。

図６は、図５に示した画素回路の動作説明に供するタイミングチャートである。本実施形態では、１フレームの前半を表示動作期間（映像期間）とし、後半を受光動作期間として、時分割的な制御を行っている。タイミングチャートは、映像信号、表示用走査信号、出力用走査信号、入力用走査信号などの波形を表している。これと対応させて光リーク電流Ｉｐ及び受光信号電流Ｉｒｅａｄの変化も表してある。なお映像信号は外部システムから入力用信号線２Ｄに供給され、表示用走査信号は表示用走査線２Ｆに供給され、出力用走査信号は出力用走査線２Ｈに供給され、入力用走査信号は入力用走査線２Ｇに供給される。

まず表示動作であるが、表示用走査信号をハイレベルにして、サンプリングトランジスタ３Ａをオンする。これにより表示用信号線２Ｄから供給された映像信号がサンプリングトランジスタ３Ａにより取り込まれ、対応する液晶素子３Ｂに書き込まれる。これにより、液晶素子３Ｂは書き込まれた映像信号のレベルに応じて液晶層の透過率を変調し、所望の画像を表示する。サンプリングトランジスタ３Ａにより取り込まれた映像信号は、保持容量３Ｃにも保持される。これにより１フレームの２分の１に相当する映像表示期間中、安定して画像を表示することができる。

後半の受光動作期間では、まず入力用走査信号をハイレベルにして光リーク電流Ｉｐを入力トランジスタ３Ｅを介してカレントミラー回路の一方のトランジスタ３Ｆへと流し込む。このときトランジスタ３Ｆのゲート電圧Ｖｇは、光リーク電流Ｉｐによりゲート容量が充電されることにより上昇する。そして、ゲートに対する充電が完了しＩｐが飽和した所で、出力用走査信号をハイレベルにする。これにより出力トランジスタ３Ｈがオンし、出力用信号線２Ｅに受光信号Ｉｒｅａｄを流し込む。この期間では、入力トランジスタ３Ｅと出力トランジスタ３Ｈが共にオン状態であるため、受光信号Ｉｒｅａｄは、トランジスタ３Ｆと３Ｇにより構成されるカレントミラー回路により、光リーク電流Ｉｐを増幅した値となる。

本発明では、受光期間中にカレントミラー回路の動作点を決定するため、常に光電流を流す構成となっており、受光感度が上昇する。またカレントミラー回路により光リーク電流をアナログ的に増幅するので、諧調表現も可能である。さらに、画素内で表示回路と受光回路が完全に分離されているので、実施形態で示した１フレームを均等に映像表示期間と受光検出期間に分離する方式だけでなく、例えば受光動作は垂直ブランキング期間に行う構成も可能であり、タイミング上の制約も少ない。

以上説明したように、本発明ではアクティブマトリクス型液晶表示装置の画素内に表示回路と受光回路を形成している。受光期間中に受光トランジスタのゲートに逆バイアスを印加することで光励起電流を生成することができる。更にこの光励起電流をカレントミラー回路で増幅することにより、映像表示と画像検出の両方が可能な表示装置を形成することができる。本発明の表示パネルでは、タッチパネル等を別途用いなくとも座標位置検出が可能で、且つ複数点の同時座標検出が可能である。また座標検出用に表示パネルに重ねて位置検出デバイスを設置する必要がないため、高輝度な画像を得ることができる。また座標位置検出以外にも、光検出を応用したスキャナをパネルに一体形成できるので、高付加価値を有する液晶表示装置を提供することができる。

図７は、本発明にかかる液晶表示装置の他の実施形態を示す模式図であり、１画素分の平面図となっている。理解を容易にするため、図２に示した先の実施形態と対応する部分には対応する参照番号を付してある。異なる点は、図２に示した先の実施形態が光反射型の液晶素子を組み込んでいるのに対し、本実施形態は光透過型の液晶素子を用いていることである。図示するように、画素１Ｂは、信号線２Ｄ，２Ｅと走査線２Ｆ，２Ｇ，２Ｈとが交差する部分に配されており、表示回路２Ａと受光素子３Ｄを含む受光回路とに分かれている。表示回路２Ａと受光素子３Ｄを囲むように、液晶素子の透明電極２Ｔが形成されている。

図８は、図７に示した１画素分の液晶表示装置のＡ−Ａ´線に沿った断面構造を示している。図示するように、本液晶表示装置は、下側の基板４１と上側の基板４７と両者の間に保持された液晶４４とで構成されている。下側の基板４１の外面には偏光板４９が配されている一方、内面には表示回路２Ａや受光素子３Ｄが集積形成されている。表示回路２Ａや受光素子３Ｄは平坦化膜４２で被覆されており、その上に透明電極２Ｔが形成されている。この透明電極２Ｔは表示回路２Ａによって駆動される。

上側の基板４７の外面には偏光板４８が配されている一方、内面にはカラーフィルタ４６や透明電極４５が形成されている。下側の基板４１に配された透明電極２Ｔと上側の基板４７に配された透明電極４５との間に保持された液晶４４で透過型の液晶素子が構成されている。この液晶素子は表示回路２Ａを介して透明電極２Ｔに印加される映像信号のレベルに応じて透過率が変化する。これに応じて下側の基板４１から入射した光が変調され、透過光となって上側の基板４７から出射される。一方、受光素子３Ｄの上から透明電極２Ｔが除かれており、外部から入射した光の検出を行うことができる。

本発明にかかる液晶表示装置の全体構成を示すブロック図である。 図１に示した液晶表示装置の１画素分を示す平面図である。 同じく１画素分を示す断面図である。 本発明にかかる液晶表示装置に組み込まれる受光素子の電流電圧特性を示すグラフである。 本発明にかかる液晶表示装置に形成される画素回路の具体的な構成例を示す回路図である。 図５に示した画素回路の動作説明に供するタイミングチャートである。 本発明にかかる液晶表示装置の他の実施形態を示す模式的な平面図である。 同じく他の実施形態の断面図である。

符号の説明

１Ａ・・・パネル、１Ｂ・・・画素、２Ａ・・・表示回路、２Ｂ・・・受光回路、２Ｄ・・・表示用信号線、２Ｅ・・・出力用信号線、２Ｆ・・・表示用走査線、２Ｇ・・・入力用走査線、２Ｈ・・・出力用走査線、３Ａ・・・サンプリングトランジスタ、３Ｂ・・・液晶素子、３Ｄ・・・受光素子、３Ｅ・・・入力トランジスタ、３Ｆ・・・カレントミラートランジスタ、３Ｇ・・・カレントミラートランジスタ、３Ｈ・・・出力トランジスタ

Claims (3)

1. 表示回路と受光回路とを有する画素がマトリクス状に配されており、
   表示回路は、
   液晶素子とサンプリングトランジスタとを含み、
   サンプリングトランジスタは、主電極端の一方が表示用信号線に接続されており、主電極端の他方が液晶素子の一方の電極に接続されており、制御電極端が表示用走査線に接続されており、表示用走査線により選択されたとき表示用信号線から入力された映像信号に応じて液晶素子を駆動し、以ってマトリクス状の画素に映像を表示し、
   受光回路は、薄膜トランジスタで構成された受光素子と、逆バイアス状態の薄膜トランジスタに入射する光量に応じて薄膜トランジスタに流れる光リーク電流を増幅して受光信号電流を生成する増幅部と、表示回路が動作していないときに選択され光リーク電流を増幅部に取り入れる入力スイッチと、表示回路が動作していないときに選択され受光信号電流を増幅部から出力用信号線に読み出す出力スイッチとを含むアクティブマトリクス型液晶表示装置。
2. 増幅部は、カレントミラー回路を構成する一対の入力トランジスタと出力トランジスタとを含み、入力トランジスタと出力トランジスタのサイズ比に応じて光リーク電流を増幅した値が出力用信号線に流れる受光信号電流の値となる請求項１に記載のアクティブマトリクス型液晶表示装置。
3. 受光回路は、表示回路が動作している間は入力スイッチ及び出力スイッチをともにオフし、表示回路が動作しなくなったとき、先ず入力スイッチをオンして入力トランジスタに対する光リーク電流の供給を開始し、入力トランジスタの制御電極容量への充電が完了したとき出力スイッチをオンする請求項２に記載のアクティブマトリクス型液晶表示装置。

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