CN1017762B - 显示设备及驱动这种设备的方法 - Google Patents

显示设备及驱动这种设备的方法

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Abstract

在用一个有源矩阵驱动的图形显示设备中，跨在在色素(12)两端的电压通过对固有的电容放电或充电而被精确地调整，如有需要，首先要充电或放电至超过透过率/电压特性的转变范围(17)。

Description

本发明涉及一种显示设备，其组成包括：位于两块支持片之间的一种电-光显示介质，一个按矩阵行和列排列的象素系统，其中每个象素都是由安装在支持片相对表面上的图形电极所形成的，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，通过它可以在象素的两端提供一个取决于电-光显示介质的电压范围以便显示图形。
本发明还涉及驱动这种显示设备的一种方法。
这种显示设备适合于利用被动型（无源的）电-光显示介质，例如液晶、电泳悬浮液或电致变色材料来显示数字字母信息和视频信息。
在开头一段所描述的这种显示设备是从以申请人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，二极管被用作有源矩阵中的非线性开关元件，即每个象素有两个二极管。象素的两相继矩阵行每次都有一行电极是公共的。其驱动方式是这样的：在应用于电视时（例如按照PAL或NTSC制式的驱动方式），两相继的偶数和奇数行（Line）的信息在场频下以交变的极性提供给每个象素的两端。所以象素的信息决定于两相继的偶数和奇数行的平均信号。由于两相继行每次都有一个矩阵行电极是公共的，因此每次都是同时写入两矩阵行图形电极，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（PHN12.154）中申请人描述了一种在本文开头一段所说的那种设备，其中的矩阵行电极不是公共的，其图形电极的各矩阵行是分别驱动的，不必因省掉公共电极 而导致连接数目的增加。
这保证了在所用的滤色器方面有相当的自由度。这一点之所以可能是通过对象素所固有的电容首先进行过份放电或过份充电（精确地或不精确地）后，再对它们充电或放电，从而做到对象素按矩阵行加以给定的调节。
在上述专利申请中这是这样实现的：在选择前先在象素两端加一个辅助电压，使其超过或达到图形显示所用的电压范围，例如，可以用一个辅助电压（参放电压）或复位电压。
在上述申请中所描述的设备的优选实施例中，在象素与矩阵行或列电极之间加了一个齐纳二极管。当使用这种设备时，所用的齐纳二极管的击穿性能也决定了要用的工作电压，其最小齐纳击穿电压限制了可用的电-光介质的数目。此外，在用于液晶设备（无定形硅、多晶硅）的线路技术中，齐纳二极管是难以做到能重复生产的。本发明的目标是为克服这些缺点提供另外的解决方法。
为此，按照本发明的设备特征是：它包含至少一个在图形电极和矩阵行或列电极之间的第一分支，这个分支包括至少一个非线性开关元件，该元件用于在选择之前在象素两端加一个辅助电压，该电压超过或达到图形显示所用的电压范围，按照本发明的设备特征还在于：对于每个象素还安排一个位于图形电极和矩阵行或列电极之间的第二分支，它至少包含一个非线性开关元件，这个分支和第一个分支的非线性开关元件是反向并联的。
第一分支最好包含由若干非线性开关元件，如二极管的串联连接。
可使串联的安排和反向并联连接的开关元件具有和一个齐纳二极管相似的开关性能，但具有更好的可重复性。
辅助电压最好超过或达到电-光介质的透过率（transmission）/电压特性的转变范围的极限值。
这里的辅助电压可以是一个复位电压，要使得在一个矩阵行中的所有各象素首先被负向或正向充电到一个给定值，然后再根据所提供的数据信号充电或放电到正确的信号值。
由于这是在每个独立的矩阵行实现的，并不影响下一行或前一行，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申请人在荷兰专利申请861063号中所描述的那种三合透镜构成，或者也可以例如是对角线型的。
在用图形信息作实际的驱动操作之前，放电或充电可以在图形信息出现的同一个行（Line）周期内实现，也可以在前一周期实现。
由于象素的每一矩阵行现在是单独写入的，所以这些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，从而得到更稳定的图形。最好选择二极管作为非线性开关元件;在这种情况下可以利用冗余度的优点，如申请人在非预公开的专利申请8800204号（PHN12.409）中所叙述的那样。
第一分支可以包括多个非线性开关元件的串联安排（或单个非线性开关元件，这种元件如一个MIM），这个分支可以独立地为每个象素配备。
一个按照本发明的优选实施例和上述专利申请8701420号中所描述的设备相比，它基本上不需要外加的部件（特别是在有许多矩阵行时），它的特征是：对一个矩阵列的多数（最好是全部）象素其第一分支至少部分是公共的。这个公共部分也可以用于两个（并置的）列。
根据本发明的一种方法的特征是：至少有一个含有至少为一个非 线性开关元件的第一分支，另外，对每个象素，有一个至少包含一个与它反向并联连接的非线性开关元件的第二分支，这两个分支联接到象素和矩阵行电极或列电极之间，另外的特征是：在出现数据信号之前，象素先被第一分支充电或放电到一个超过或达到图形显示所用的电压范围的极限值，然后通过反向并联的开关元件放电或充电到正确的值。
现在将结合例子来更详细地说明本发明并参考附图，其中：
图1是设备的示意图;
图2表示相应的透过率/电压特性;
图3表示与此设备相关的几种驱动信号;
图4表示上述设备的改型;
图5表示按照本发明的设备的另一种实施例;以及
图6表示按图1的设备的几种改型。
图1示意地表示按照本发明的显示设备1，在例如是液晶的显示设备中的象素12是由包含一层液晶材料在内的面对面的电极6、7所组成的，它们通过图形电极7接到矩阵行电极11，而矩阵行电极11与列电极8一起，安排成矩阵形式。象素12的图形电极6通过二极管9接到列电极8。它们还通过二极管19的串联回路2接到列电极18。
图2用图解表示图1的显示设备中的显示单元的透过率/电压特性。在某一阈值电压（V1或Vth）以下，该单元实际上不透过光线，而在给定的饱和电压（V2或Vsat）以上，则该单元基本上是完全透明的。中间范围构成了上述的转变范围，并在图3中用大括号17表示。在这方面需要指出，横座标上画的是电压的绝对值，因为这种 单元通常是用交变电压驱动的。
为了写入信息，在选择周期ts时，一个第一选择电压Vsl出现在选择线（Line）11上，而信息或数据电压Vd则同时出现在矩阵列电极8上，这导致在象素12两端有一个正向电压，它代表了所提供的信息。
为了防止液晶的性质劣化，以及能够提高所谓画面闪烁频率，最好是用具有交变符号的信号提供给象素12的两端。在根据本发明的设备中，跨越象素12的代表所提供的信息的负电压是这样实现的：先通过二极管19的串联回路2使象素12所固有的电容过放电（或使它负向过充电），再在出现第二选择电压的同时，提供反相的数据电压（-Vd）。
图3表示如何为象素12的许多矩阵行选择驱动信号，以便对它们写入在每一场中改变符号的图形信息（例如应用于电视时）。
从时刻to（见图3a）开始，在选择周期ts（在本例中被选择为等于电视应用中的行（Line）周期，即64微秒）期间，在矩阵行电极11上提供一个选择电压Vcl，同时在矩阵列电极8上加上信息或数据电压Vd。在时刻t1后，象素12的相应矩阵行不再被选择，因为矩阵行电极11收到一个电压Vnsl。这个电压一直维持到象素12的这一个矩阵行刚好被再次选择之前。在本例中这是这样实现的：在刚好再次选择象素12的第一个矩阵行之前，也就是在时刻t3＝tf-ts，在选择线（Line）11a上加一个复位电压，这里的tf表示场周期。复位电压可以这样选择：要使二极管19组成的串联回路2上的象素12被负向充电到这样的程度，使得在每个象素两端的电压超过图形显示所用的范围（高达≤-Vsat）。在下一个选 择周期（从t4开始），它们再通过二极管9被充电到由数据电压-Vd所决定的值。为此，矩阵行电极接收到电压Vs2，在选择周期（在t5之后）过去之后，它们接收到非选择电压Vns2。这样，在象素两端的电压在每个场周期都被反向。
图3b表示与图3a相同的电压变化，但这时已被移位一个场周期加上一个选择周期（在这种情况下是行周期）。这提供了这样的可能性，即对两个相继的象素矩阵行写入互相反相的数据电压。图3c和图3a相同，但被移过两个选择周期。
对于具有垂直半分辨率的（电视）图形来说，它们的偶数和奇数场的各行是互相重迭写入的，这可以通过在每个场周期把图形信息改变一次符号并刷新一次来实现。虽然行闪烁频率是25赫（30赫），但由于每矩阵行改变符号而引入了180°的相位差，所以画面闪烁频率可以达到50赫（60赫）。
选择电压Vsl和Vs2当然也可以选择成比一个行周期（64微秒）更短些。在这种情况下，如果能留下足够的时间使象素12充电，则复位电压也可以在发生选择的行周期的部分时间内提供。这时电极11上的电压变化可以变成象图3a中用虚线14所表示的那样。
所示的设备是非常适合于使用这种驱动方法的，在该方法中Vc＝ (Vsot+Vth)/2 被选择为在象素两端的平均电压（见图3），使得为了图形显示的目的而跨越象素12两端的电压的绝对值基本上限于在Vth和Vsat之间的范围内。
如果根据矩阵列电极8上的数据电压Vd，使象素12两端的电压值最大为Vc+Vdmax＝Vsat，而最小为Vc-Vdmax＝Vth，则在灰度方面可以得到满意的效果。消去Vc，可得
｜Vdmax｜＝ 1/2 （Vsat-Vth）
也就是说：
- 1/2 （Vsat-Vth）≤Vdmax≤ 1/2 （Vsat-Vth）。
为了要对一个矩阵行象素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Vsl＝-Von- 1/2 （Vsat+Vth），这里Von是二极管9的正向电压。因此，取决于Vd象素12两端的电压为
Vd-Von-Vs1其范围在
-1/2（Vsat-Vth）+1/2（Vsat+Vth）＝Vth和
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的同一矩阵行负向充电（在下一个场或帧周期内），它们先被矩阵行电极11上的复位电压Vreset通过接到参考电压上的二极管19负向过充电。然后被选择的矩阵行电极收到一个选择电压Vs2＝-Von+1/2（Vsat+Vth）（在同一个行周期或下一个周期）。本来被过分负向充电的象素12这时通过二极管充电到Vd-Von-Vs2，也就是说，充电到
-1/2（Vsat-Vth）-1/2（Vsat+Vth）＝-Vsat和
1/2（Vsat-Vth）-1/2（Vsat+Vth）＝-Vth
之间，使得具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，下列情况必须满足：即不论二极管9或二极管19都不能导通，或者它们在电压Voff的情况下所能导通的电流Ioff要足够小，以致通过二极管19的放电实际上可以忽略不计。
对于最低的非选择电压Vnsl，要满足下列情况：在接点13上的电压VA应在下列范围之内：
VAmin＝Vns1+Vth（1）和
VAmax＝Vns1+Vsat（2）
对VAmin和VAmax应满足下列条件;
VAmax≤-Vdmax+r Voff（3）
这里r是串联回路2中的二极管19的数目。通过二极管的放电也必须防止，所以要满足下列条件：
VAmin≥Vdmax-Voff（4）
由式（1）和（4）可得：
+Vdmax-Voff≥Vns1+Vth
或（在Vdmax＝1/2（Vsat-Vth） 时）
Vns1≥-1/2（Vsat-Vth）-Voff-Vth（5）
式（2）和（4）还导致：
-Vdmax+r Voff≥Vns1+Vsat或
Vns1≤-1/2（Vsat-Vth）-Vsat+r Voff（6）
合并（5）和（6）可得
-1/2（Vsat-Vth）-Vsat+r Voff≥Vns1≥ 1/2（Vsat-Vth）-Voff-Vth或 (r+1)/2 Voff≥（Vsat-Vth） （7）
如果这样来选择二极管的数量r，使得
(r+1)/2 Voff＝（Vsat-Vth） （8）
则可得 Vns1＝-1/2（Vsat+Vth）+ (r+1)/2 Voff（9）
然后象素12通过对矩阵行电极11a加一个足够高的复位电压而放电（见图3a）到值-Vsat。这时下列情况满足：
Vreset≥Vdmax+Vsat+r Von
或Vreset≥1/2（Vsat-Vth）+Vsat+r Von
接着，通过二极管9给象素精确地充电。为此，给矩阵行电极11a提供一个选择电压VS2＝1/2（Vsat+Vth）-Von，同时给列电极8也提供数据电压。
然后矩阵行电极11a被加上一个非选择电压Vns2，对于在结点14上的电压来说，下列情况是正确的：
VAmax＝Vns2-Vth和VAmin＝Vns2-Vsat
根据式（3）和（4）以及Vdmax＝1/2（Vsat-Vth），可导出：
Vns2≤-Vdmax+r Voff＝-1/2（Vsat-Vth）+Vth+r Voff（10）
和Vns2≥Vdmax-Voff+Vsat＝+1/2（Vsat-Vth）-Voff+Vsat（11）
合并（10）和（11）可得：
1/2（Vsat-Vth）-Voff+Vsat≤-1/2（Vsat-Vth+r Voff（12）
所以再次有下列关系：
(r+1)/2 Voff≥（Vsat-Vth） （7′）
如果再按下列条件去选择r
(r+1)/2 2Voff＝（Vsat-Vth） （8′）
则可得：
Vns2＝1/2（Vsat+Vth）+ (r-1)/2 Voff（13）
这样，这种设备的可利用性决定于最小电压Voff和相应的液晶材料或其它电-光介质的透过率/电压特性（由图2的大括号17表示）中的转变范围的最大宽度。
对于开关元件是由所谓二极管环组成的这种显示设备中，存在类似的限制。在这种由双二极管组成的n个二极管环的线路安排形成的开关元件中，nVoff≥（Vsat-Vth）这一条件是正确的，这里每一个 象素需要2n个二极管。
举例来说，假定Vsat-Vth＝1.8伏而Voff＝0.4伏，在用二极管环时最小的二极管数是n＝10，而在图1的设备中r+1＝9。
在图1的实施例中，象素12在写入时总是通过一个二极管9而被充电或放电。在整个设备中这些二极管的正向电压Von的分散范围约为20毫伏，即（Vsat-Vth）范围的1/90。这可导致比含有多个二极管环的设备具有更好的一致性，在那种设备中，分散范围将随二极管环的数量而累计增加。
通过把一部分或多数同一矩阵列象素中的部分二极管分支2变成公共的，则二极管的数量可以显著减少。这示于图4中。这时公共的二极管分支3包括（r-1）个二极管19，而每个图形电极6通过一个二极管19′连接到公共电极4，这个公共电极4则连接到（r-1）个二极管19的串联回路的公共部分3′。这个串联回路3用来在每个行周期时对象素的相继各矩阵行充电或放电。和图1中的设备相比，现在可以用少量的、（n-1）×（r-1）个二极管就已足够了（n＝矩阵行数）。
此外，二极管分支3可以为两个矩阵列所公用，如图5所示。这个图是这样得到的：以平行于列的方向的线为轴，引入右侧列的镜象，其中电极4和4′成为一个公共电极。其优点是，二极管分支3′（用虚线表示）可以放在右侧的列中，所以它实际上是见余的。
对各种元件的冗余性当然也可以通过把二极管增加一倍（串联和/或并联）而得到，这已由申请人在非预公开的申请8800204号（PHN12.409）中详细地叙述过。
图1所示的设备中的二极管可以换一种方式安排成相反方向，或 者也可以安排在列电极8和象素12之间，如图6所示。对于这样的结构也可以象图1中的设备一样，推导出（非）选择电压、数据电压和复位电压的类似表达式来，而驱动信号的相同的电压值可以加到如图6b中的设备上，其反向的电压值则可以加到图6a和6c的线路上。
本发明当然并不仅局限于所示的实施例，而在本发明的范围内可以有多种变化。
除了二极管以外的非线性开关元件，例如基极-集电极短路的双极型晶体管，或栅极与漏极短路的MOS晶体管也可适用。特别是二极管2、2′和3、3′的串联连接可以用MIM（金属-绝缘体-金属）元件来代替，这种器件应具有这样的电流/电压特性，使得象素12可以通过复位电压而放电（或者在二极管为相反方向时应能充电），这样，二极管9和MIM元件就具有和齐纳二极管相似的性能，对二极管本身也有各种可能性，除了在显示设备的工艺中常用的那样的二极管例如由单晶形成的Pn二极管、肖特基二极管或Pin二极管以外，多晶或无定形硅以及CdSe或其它半导体材料等都可以考虑，而且二极管既可以垂直也可以横向地生成。
另外，可以利用一个复位电压这一点，使得上述设备和方法特别适合于使用铁电显示介质，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 (17)

1、一种显示设备，其组成包括：在两块支持片之间的一种电一光显示显示介质，一个按矩阵行和列排列的象素系统，其中每一个象素是由安装在所述支持片相对表面上的图形电极形成，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，通过它可以在象素两端加上取决于电一光显示介质的电压范围以便显示图形，其特征在于：所述显示设备至少含有一个第一分支，这个分支联接在一个图形电极和一个矩阵行或列电极之间，并至少包含一个非线性开关元件以便在选择之前给象素加一个辅助电压，其值要达到或超过图形显示所用的电压范围的极限值，其特征还在于：对每一个象素，它有一个第二分支，所述第二分支联接在所述一个图形电极和所述一个矩阵行或列电极之间，并包括至少一个非线性开关元件，这个元件与所述第一个分支中的所述开关元件是反向并联的。
2、根据权利要求1的显示设备，其特征在于：所述第一分支有一个由所述非线性开关元件组成的串联回路。
3、根据权利要求1或2的显示设备，其特征在于：第一分支是二极管的串联回路。
4、根据权利要求1或2的显示设备，其特征在于：所述第一分支包含有金属-绝缘物-金属元件。
5、根据权利要求1或2的显示设备，其特征在于：所述设备具有一个分支，它对每个象素包括至少一个非线性开关元件，它还有一个与它反向并联的含有一个开关元件的分支。
6、根据权利要求1或2的显示设备，其特征为：所述分支的一部分包括至少一个非线性开关元件，这个部分是一个矩阵列中的多个象素所公有的。
7、根据权利要求6的显示设备，其特征在于：所述分支的一部分包括至少一个非线性开关元件，这个部分为两个矩阵列象素所公有。
8、根据权利要求7的显示设备，其特征在于：所述两个矩阵列的每一列具有分支的一个公共部分，这个分支至少包括一个非线性元件。
9、根据权利要求1或2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/电压特性的转变范围的极限值。
10、根据权利要求1或2的显示设备，其特征在于：所述电-光介质包括液晶材料。
11、根据权利要求10的显示设备，其特征在于：所述电-光介质包括铁电液晶材料。
12、一种驱动显示设备的方法，这种显示设备包括：在两块支持片之间的一种电-光显示介质，一个按矩阵行和列排列的象素系统，其中的每个象素是由安装在所述支持片相对表面上的图形电极所形成，以及一个矩阵行和列电极系统，在行周期的至少一部分时间内，象素的一矩阵行通过矩阵行电极而被选择，而且数据信号由矩阵列电极提供，该方法其特征在于：至少有一个第一分支和对每个象素有一个第二分支，它们被连接到象素和所述矩阵行电极或列电极之间，在所述第一分支中至少包含一个非线性开关元件，所述第二分支也至少有一个与所述第一分支的非线性开关元件反向并联的非线性开关元件，其特征还在于：在提供数据信号之前，象素通过所述第一分支充电或放电到超过或达到图形显示所用的电压范围的极限值，然后通过所述反向并联的开关元件放电或充电到正确值。
13、根据权利要求12的一种方法，其特征在于：对于一个矩阵行的象素，数据信号是在同一行选择周期内进行充电或放电并被提供的。
14、一种根据权利要求12的方法，其特征在于：充电或放电发生在象素的一矩阵行被选择的行周期之前的那个行选择周期内。
15、一种根据权利要求12的方法，其特征在于：提供给一矩阵行象素两端的电压其极性与刚写入的一矩阵行象素的极性正好相反。
16、一种根据权利要求12的方法，其特征在于：所述显示设备含有一种液晶材料。
17、一种根据权利要求16所提出的方法，其特征在于：所述显示设备含有一种铁电液晶材料。
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