CN1017761B - 显示设备 - Google Patents

Abstract

在一个由有源矩阵驱动的图形显示设备中。在象素(12)两端的电压通过对固有电容的放电或充电而被精确地调整，如果需要，首先充电或放电到超过透过率/电压特性的转移范围(17)。为此目的而使用的开关部件(21，23)发挥了冗余措施带来的优点。

Description

本发明涉及一种显示设备，它的组成包括：在两块支持片之间的一种电-光显示介质，一个按矩阵行（row）和矩阵列（column）排列的象素系统，它的每个象素都由安装在支持片相对表面上的图形电极所形成;以及一个矩阵行和矩阵列的电极系统，用于提供选择和数据信号，利用这个电极系统可以在象素两端给电-光显示介质施加一定范围的电压以便显示图象，这个电压范围和电-光显示介质有关。

这种类型的显示设备适用于显示数字字母信息和视频信息，它利用的是被动（无源）的电-光显示介质，如液晶、电泳悬浮液和电致变色材料。

开头一段所描述的这种显示设备是从以申请人的名义公开供公众审查的荷兰专利申请8502663号中得知的。在该申请文件所示的设备中，用二极管作为有源矩阵的非线性开关元件，即每个象素有两个二极管。象素的每两个相继矩阵行都有一行电极是公用的。驱动方式是这样的：在电视中使用时（例如按照PAL或NTSC制式的驱动方式），两条相继的偶数行（line）和奇数行上的信息在场频下按交变的极性呈现在每一象素的两端。因此，一个象素的信息取决于两条相继的偶数行和奇数行上的平均信号。由于两个相继矩阵行每次都有一行电极是公共的，每次都有两个矩阵行图形电极是同时写入的，所以这种设备在选择所用的滤色器方面几乎没有灵活性。实际上，只能选用条状滤色器。

在非预公开的专利申请8701420号中申请人叙述了一种在开头一段中所说明的那类图形显示设备，其中的矩阵行电极不是公共的，而且象素的各矩阵行是独立驱动的，不必省掉公共的矩阵行电极而导致连接数的增加。

这可以保证在选择所用的滤色器方面有相当大的自由度。

这一点之所以可能，是通过象素所固有的电容首先进行过分放电或过分充电（精确地或不精确地）之后，再对它们充电或放电，从而做到对象素按矩阵行进行给定的调节。

为此，这种图形显示设备包括在选择之前，在象素两端加一个辅助电压装置，这个辅助电压超过或达到图形显示所用的电压范围的极限值。

在上述的专利申请所示的实施例中，二极管被作用为非线性开关元件。

本发明的目标是提供本文开头一段所描述的那种设备，它具有高成品率，这是由于这样一个事实而实现的，即能够获得大量满意地工作的开关部件。

本发明是基于这样的认识：可以用原来就知道的增加冗余度的措施来实现，而不会影响显示设备的运行，尤其是在灰度调节方面。

为此，按照本发明的一种设备具有这样的特征，即在支持片之一上面的图形电极以导电方式接到两个非线性开关部件的公共点上，这两个部件则串联连接于数据信号用的矩阵列电极和加辅助电压的电极之间，这个辅助电压是在选择之前加到象素两端，它超过或达到图形显示器所用的电压范围的极限值，而至少一个非线性开关部件含有多个非线性元件。

看来，似乎开关部件出故障的危险减少一百倍到一千倍，在制造这样的显示设备时生产率就增加同样的倍数。

开关部件可以包含串联布置或并联布置的非线性开关元件，也可以是两者的综合。

辅助电压举例来说，是一个固定的参考电压，它使得一个矩阵行中的所有象素首先被负向或正向充电到一个固定值，然后被充电或放电到正确的信号值，这个值取决于所提供的数据信号。

由于这是对每一单独的矩阵行实现的，并不影响其前一行和后一行，所以图形信息可以适合于所用的滤色器，这种滤色器可以是例如由三合透镜构成，如申请人在荷兰专利申请861063号中所叙述的，或者也可以例如是对角线结构的。

在用图形信息作实际驱动运行之前，放电和充电可以在图形信息被提供的同一行（line）周期内实现，也可以在前一行周期内实现。

由于矩阵每行象素是独立写入的，象素两端的电压也可以按矩阵行反相，这可导致更高的画面闪烁频率，从而导致更稳定的图形。

下面将结合例子并参考附图来详细描述本发明，在这些附图中：

图1是一个沿图2中Ⅰ-Ⅰ线所取的显示设备横截面示意图;

图2是图一设备的平面示意图;

图3表示相应的透过率（transmission）/电压特性;

图4是该设备的示意图;

图5表示与该设备相关的若干种驱动信号;

图6表示上述设备的一种改型;

图7表示按照本发明利用冗余措施对图4的设备的第一种改型;

图8表示按照本发明的第二种改型;

图9表示另一种透过率/电压特性。

这些图都是示意性而不是按比例的。相同的部件通常用同一个参考数号。

图1和图2用图解方式表示显示设备的一部分的截面图和平面图，在本实施例中这是一个液晶显示设备1，它有两块支持片2和3，在它们之间有例如扭转向列型或铁电液晶材料4。支持片2和3的内表面有电绝缘和化学隔离缘层5，在支持片2上装有一系列按矩阵行和列排列的铟锡氧化物或其它导电透明材料构成的图形电极6。同样，由例如铟锡氧化物构成的透明图形电极7和条状行电极11形成整体而装在支持片3上。面对面的图形电极6，7构成了显示设备的象素。

条状（例如金属的）矩阵列电极8安装在图形电极6的各列之间。每个图形电极6用一个开关部件接到列电极8上，在本实施例中这个部件示意地用二极管9来表示。从图2可以看出，相关的列电极8a、8b是安装在图形电极6a、6b之间的。液晶取向层10也装在支持片2和3的内表面上。如所周知，在液晶层4两端加一个电压可以使液晶分子得到另一种取向状态，从而得到不同的光学状态。显示设备可以制成透射设备或反射设备，也可以加上一个或两个极化器。

在本实施例中，辅助电极18有两个公共的图形电极6，辅助电极18被安装在图形电极6的边上，但不和列电极8处在同一侧，同时，它们也是处在图形电极6的各列之间。辅助电极18把图形电极6通过别的开关部件接到一个参考电压，在本实施例中，这个开关部件是被示意地画于图2中的二极管19。参考电压是这样选择的：根据选择线（line）11所用的电压和所用的电-光材料，使图形电极所固有的电容总是能通过二极管19而放电到一个电压值，该电压值超过或达到相应的电-光材料的透过率/电压特性的转变范围的极限值。

图3图解地表示在图1和图2所示的显示设备中显示单元的透过率/电压特性。在一个给定的阈值电压（V1或Vth）以下，该单元基 本上不透光，而在一给定的饱和电压（V2或Vsat）以上，该单元实际上是全透明的。这中间的范围构成了上述的转变范围，在图3中用大括号17表示。在这方面要注意横座标是按电压的绝对值画的，因为这种单元通常都用交变电压驱动。

图4示意地表示图1和图2的显示设备。由面对面的图形电极6、7构成的象素12在一端通过图形电极7连接到矩阵行电极11，它们和列电极8安排成矩阵形式。象素12通过二极管9连接到列电极8。它们还通过二极管19接到一个辅助电极18，这个辅助电极总都是由两个二极管19、19′共有的。

为了写信息，在选择周期ts期间，在选择线11上出现一个第一选择电压Vs1，而信息或数据电压Vd则同时出现于列电极8上;这导致在象素12两端有一个代表所提供信息的正向电压。

为了防止液晶的劣化和能够提高所谓画面闪烁频率，最好在象素12两端提供一个有交变符号的信息。在按照本发明的设备中，通过这样的办法，即先对象素12所固有的电容过分地放电（或对它过分地负向充电）之后，再提供一个第二选择电压Vs2，并同时提供反相的数据电压（-Vd）来实现在象素12两端提供一个负的代表所提供信息的电压。

图5表示如何挑选用于象素12的一系列矩阵行选择驱动信号，以便对它们写入每场都在改变符号的图形信息（例如在电视中的应用）。

从时刻to开始（见图5a），在选择周期ts期间，选择电压Vs1出现在矩阵行电极11上（在本例中ts选定为等于电视应用中的行（line）周期，即64微秒），而信号电压或数据电压Vd则同时出现在矩阵列电极8上。在t1后象素12的这一矩阵行不再被选 择，因为矩阵行电极11收到电压Vnsl。这个电压一直保持到象素12的一个矩阵行下次刚好被选择之前。在这个例子中这是这样实现的：即在刚要重新选择象素12的第一个矩阵行之前，即在t3＝tf-ts那个时刻，给选择线（line）11加一个复位电压，这里tf代表一个场周期。这样，复位电压及出现在二极管9，19′公共点上的参考电压可以这样来选择，使得象素12被负向充电到这样的程度，以致该矩阵行象素两端的电压超过图形显示所用的范围（达到≤-Vsat这样的值）。在下一个选择周期时（从t4开始），它们被充电到数据电压-Vd所确定的值。为此，矩阵行电极收到电压Vs2，在选择周期（t5之后）经过之后，它们收到非选择电压Vns2。这样，象素两端的电压在每个场周期被反相。

图5b表示与图5a同样的电压变化，但被移过一个场周期加一个选择周期（在这种情况下是一个行周期）。这提供了用相互反相的数据电压来写入两个相继的象素矩阵行的可能性。图5c与图5a相同，但被移过两个选择周期。

对具有垂直半分辨率的（电视）图形来说，这种图形的偶数场和奇数场的各行是相互重迭而写入的，实现了图形信息在每个场周期改变符号并刷新一次。虽然行闪烁频率在这种情况下是25赫（30赫），但在相继各矩阵行间的画面闪烁频率可达50赫（60赫），这是由于改变了每矩阵行的符号而引入了180度的相位差的缘故。

选择电压Vs1和Vs2当然也可以选择成比一个行周期（64微秒）更短。在这种情况下，如果能留出足够的时间让象素12充电的话，那么复位电压可以在发生选择的行周期的部分时间内交替的出现。这样可以实现电极11上的电压按照例如图5a中虚线14所示的那种方 式进行变化。

所示的设备非常适合于使用这样的驱动方法，即在象素两端的平均电压为Vc＝（Vsat+Vth）/2（见图3），使得在象素12两端的供图形显示用的电压的绝对值基本上限于Vth和Vsat的范围之内。

如果根据矩阵列电极8上的数据电压Vd，在象素12两端的电压值最大为Vc+Vdmax＝Vsat及最小为Vc-Vdmax＝Vth，则可以得到满意的灰度。消去Vc可得｜Vdmax｜＝1/2（Vsat-Vth），也就是说：-1/2（Vsat-Vth）≤Vdmax≤1/2（Vsat-Vth）

为了对一个矩阵行象素12充电，例如充正电，则相关的矩阵行电极11被加上一个选择电压Vs1＝-Von-1/2（Vsat+Vth），此处Von为二极管9的正向压降。因此取决于Vd，象素12两端的电压为Vd-Von-Vs1，它的范围在

-1/2（Vsat-Vth）+1/2（Vsat+Vth）＝Vth及

1/2（Vsat-Vth）+1/2（Vsat+Vth）＝Vsat之间。

为了在下一个选择时用反向的数据电压对象素12的同一个矩阵行负向充电（在下一个场或帧周期内），它们先通过接到参考电压上的二极管19被矩阵行电极11上的复位电压Vreset负向过充电。然后被选择的矩阵行电极接收一个选择电压Vs2＝-Von+1/2（ Vsat+Vth）（在同一行周期或下一个行周期内）。被负向过充电的象素12这时通过二极管9被充电到Vd-Von-Vs2，也就是说，到

-1/2（Vsat-Vth）-1/2（Vsat+Vth）＝-Vsat和

1/2（Vsat-Vth）-1/2（Vsat+Vth）＝-Vth之间的一个值，使得带有相反符号的信息出现在象素12的两端。

在非选择的情况下，下列要求必需满足，即不论二极管9或二极管19都不能导通，换句话说，对在接点13上的电压VA，下列情况必须满足：VA≥Vd及VA≤Vref或VAmin≥Vdmax    （1）

及VAmax≤Vref    （2）

对于最低非选择电压Vns1须满足：

（1）VAmin＝Vns1+Vth≥Vdmax＝（Vsat-Vth）或Vns1≥1/2（Vsat-Vth）-Vth    （3）从（2）可得

Vns1+Vsat≤Vref    或

Vns1≤Vref-Vsat    （4）

合并（3）和（4）可得

Vref-Vsat≥Vns1≥1/2（Vsat-Vth）-Vth

Vref≥3/2（Vsat-Vth）    （5）

对于最高的非选择电压Vns2，类似的满足：

VAmin＝Vns2-Vsat≥1/2（Vsat-Vth） 或Vns2≥1/2（Vsat-Vth）+Vsat    （3′）及Vns2-Vth≤Vref或Vns2≤Vref+Vth（4′）

合并（3′）和（4′）可得：

Vref+Vth≥Vns2≥1/2（Vsat-Vth）+Vsat    或

Vref≥3/2（Vsat-Vth）    （5）

这样，在因上述方法写完数据和反相的数据之后，参考电压3/2（Vsat-Vth）就足以阻断二极管19、19′。简而言之，对Vnsl、Vsl、Vref和Vreset电压而言，下列各式都满足：Vs1＝-Von-1/2（Vsat+Vth）;

Vs2＝-Von+1/2（Vsat+Vth）;

Vns1＝1/2（Vsat-Vth）-Vth;

Vns2＝1/2（Vsat-Vth）+Vsat;

Vref＝3/2（Vsat-Vth）;

Vres＝Von+5/2Vsat-3/2Vth。

当把二极管9，19的符号反转时，如图4a所示，也可以使用同样的驱动方式。类似的关系，不管符号是否相反，对各驱动信号都是适用的。

图6以图解方式表示对图4的设备的改型。由于对象素的每一列来说，都要有列电极8和辅助电极18，这种实现方式浪费了本来可以用于图形电极的表面积。除此以外，参考数号和前述实施例有相同的含义，驱动方式也相同。

如上所述，这种设备的突出优点是象素的每一矩阵行都可以独立驱 动而不需要外加连接线，以及可以自动选择所用的滤色器。

在上述的实施例中，该设备有两个开关部件，在现在的情况下，它们是用于每一象素12的二极管9、19。为了减小因为开关元件不工作或工作不正常而引起的象素工作不正常的危险性，使用了冗余措施，例如可以把两个二极管并联以抵销接线开路的后果，还可以把两个二极管串联以抵销二极管短路的后果。

图7表示，对于单个的象素12来说，开关部件21是怎样把象素12连接到提供参考电压的辅助电极上去的。开关部件有两个串联连接的二极管19a、19b。参考电压是这样取的：虽然因经过第二个二极管而有外加的电压降，象素仍可负向充电到使象素两端的电压仍能超过图形显示所用的范围（高达≤-Vsat的值），然后再以参考图4和5描述的同样方式充电到所需的电压值。如果二极管19a或19b中的一个二极管短路，则相应的象素12被负向充电到稍微超出一点的程度，但在下一个选择周期内仍能充电到所需的值。因此，这样的短路并不影响显示设备的运行。

另一种可能发生的故障是断路。这可以用安排一个或多个与二极管线路并联的开关元件来抵销其影响。

这已在相应的实施例中用二极管22a、22b以图解的方式表示出来。

在图8中的开关部件9a、9b，在本实施例中用的是二极管，被安排在开关部件23中，以抵销短路二极管造成的后果。为了补偿在开关部件中外加的一个二极管的影响，上面推导出来的选择电压（按图4的布置），不论是对显示元素作正向充电还是负向充电，都必须用一个量-Von来修正。

如果二极管9a、9b之一短路，则象素12在正向充电时会过充电一个量Von，但在负向充电时，按绝对值而言将少充同一个Von，这示于图9中。在此图中，参考值Pi是所要求的、与电压Vi相对应的灰度的设定值，参考值Pp和Pn分别表示当二极管9a和9b之一短路时在正向和负向写入时实际达到的值。因此，象素12会有闪烁。但是，已经发现，单个象素的闪烁是看不出或很难看得出的。另外，如果将两帧加以平均，则象素两端电压的有效值基本上等于所需的值。

在二极管两端的正向压降小一个Von值时，将会更加完美地达到所要设定的灰度。因此，肖特基二极管（Von≈0.3v）更适合于这一目的，但是pin二极管（Von≈0.8v）也可以替代使用。

为了抵销开路的后果，二极管24a、24b可以象开关部件21那样以同样方式安排成并联连接。但是如果一个支路失效，则开关部件23的正向特性会变化。这个变化值对肖特基二极管而言约为18毫伏。对于一种典型的液晶材料（ZLI84.460）Vth＝1.5伏，Vsat＝3.6伏。在这种情况下，这一变化仅为全程（Vsat-Vth＝2.1v）的1/83，因此实际上可以忽略不计。

如果开路情况很普遍，例如，由于接触孔太小以致在制造中不能腐蚀成开孔的情况，则也可以制造具有更大接触孔的更大的二极管。

上述在开关部件中提供冗余的措施可导致高得多的成品率（改进因子可达100到1000）。

本发明显然不限于所示的实施例，在本发明的范围内可以有多种变化方案。

除了二极管以外，别的非线性开关元件也可适用，例如基极-集电极短路的双极型晶体管，或栅和漏极短路的MOS晶体管，二极管本身 也有多种可能性。除了在显示设备技术中常用的二极管，如单晶形成的pn二极管、肖特基二极管或pin二极管以外，多晶或无定形硅、CdSe或其它半导体材料也可以考虑，而且二极管既可以垂直也可以横向地形成。

此外，可以利用复位电压这一点，使得上述设备特别适合于用在铁电显示介质中，如申请人在非预公开的荷兰专利申请第8700627号中所叙述的那样。

Claims (8)

1、一种显示设备，其组成为：在两块支持片之间的一种电-光显示介质，一个安排成矩阵行和列的象素系统，每个象素是由装在支持片相对表面上的图形电极所组成，以及一个用于提供选择和数据信号的矩阵行和列电极系统，利用它可以把取决于所述电-光显示介质的电压范围加到所述象素的两端以便显示图形；该显示设备特征在于：在所述支持片之一上的所述图形电极是以导电方式连接到两个非线性开关部件的公共点上的，而所述这些开关部件则串联连接于数据信号用的所述列电极和用于在选择之前给所述象素两端加一个辅助电压的电极之间，这个辅助电压要超出或达到图形显示所用的电压范围的极限值，而且其中至少一个所述非线性开关部件由多个非线性开关元件所组成。

2、根据权利要求1的显示设备，其特征在于：一个所述非线性开关部件包括两个串联连接的所述非线性开关元件。

3、根据权利要求1的显示设备，其特征在于：一个所述非线性开关部件包含两个并联连接的分支，每个所述分支至少有一个所述非线性开关元件。

4、根据权利要求1的显示设备，其特征在于：所述辅助电压超过或达到所述电-光介质的透过率/电压特性的转移范围的极限值。

5、根据权利要求2和3中任何一项的显示设备，其特征在于：所用的所述非线性开关元件是例如，pn二极管、pin二极管或肖特基二极管。

6、根据权利要求1的显示设备，其特征在于：在一矩阵行中所述图形电极，每次都有两个并置的所述图形电极通过所述非线性开关部件而接到一个提供所述辅助电压的公用电极，这个电极位于所述图形电极之间。

7、根据权利要求1的显示设备，其特征在于：所述电-光介质是液晶材料。

8、根据权利要求7的显示设备，其特征在于：所述电-光介质是铁电液晶材料。

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