CN101859784A

CN101859784A - 感光元件及其驱动方法以及应用该感光元件的液晶显示器

Info

Publication number: CN101859784A
Application number: CN200910132588A
Authority: CN
Inventors: 刘挺中; 陈柏仰; 胡宪堂; 萧建智
Original assignee: Hannstar Display Corp
Current assignee: Hannstar Display Corp
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: CN101859784B

Abstract

一种感光元件及其驱动方法以及应用该感光元件的液晶显示器。该感光元件具有感光薄膜晶体管、开关薄膜晶体管、补偿薄膜晶体管。感光薄膜晶体管经光照后产生感应的光电流；第一开关线路控制开关薄膜晶体管，使光电流由读取线读出；第二开关线路控制补偿薄膜晶体管以形成补偿电流，补偿电流给予感光薄膜晶体管逆偏压，使其临界电压不会偏移、产生光电流的效率不会大幅衰减。

Description

感光元件及其驱动方法以及应用该感光元件的液晶显示器

技术领域

本发明涉及一种液晶显示器，特别涉及一种具有内嵌式触控面板的液晶显示器。

背景技术

常见的触控面板(touch panel)有电磁感应、电容或电阻式等感应方法，其被设置于显示装置例如阴极射线管显示器(Cathode ray tube display)或液晶显示器(liquid crystal display)的外侧，具有透明层配置于屏幕与使用者之间。屏幕上显示有多个选项按钮，使用者以笔或手指靠近或直接触碰透明层上的选项按钮而完成操作。此外，触控面板也可以作为手写输入的工具，取代鼠标与键盘。

当应用于液晶显示器时，这种类型的触控面板会降低约20％的光穿透度。且触控面板表面的透明层结合液晶面板的光学薄膜，使光线形成多次反射而降低对比度，或产生炫光。

另一种内嵌式触控面板(In-cell touch panel)，其原理是利用具有感光能力的材料制成感光元件，通过检测光电流(photo-induced current)的改变确认触碰位置。这种内嵌结构因为相容于既有主动矩阵式液晶显示器的工艺，可节省多余的设备与生产成本。

图1例示了一种内嵌电流式感光元件的等效电路图，感光元件100包含感光薄膜晶体管110与开关薄膜晶体管130。开关薄膜晶体管130的源极136连接读取线140、栅极132连接开关线路150、漏极134连接感光薄膜晶体管110的源极116。此外，感光薄膜晶体管110的栅极112与漏极114连接至偏压线路120，偏压线路120提供电压至感光薄膜晶体管110。当开关薄膜晶体管130被开启后，由感光薄膜晶体管110产生的光电流会通过开关薄膜晶体管130而由读取线140读出。通常，光电流与感光薄膜晶体管110所检测到的亮度成正比。当使用者以光笔照射，或以手指触控，会增加或减少照射到感光薄膜晶体管的光亮度，而使感应的光电流大小改变，据此可确认触碰位置。

嵌入式触控面板在设计上利用原有的像素布局上增加感光元件100，感光元件可规则性地结合于部分的一般像素内，以形成读取像素(readout pixel)。

图2例示了一个读取像素的等效电路图，读取像素200由像素元件210与前述的感光元件100构成，两个元件可共享同一条偏压线路120，偏压线路120提供像素元件210中储存电容Cst的参考电位，也提供电压驱动光电流由读取线读出。另外，图1中的开关线路150相当于图2的扫描线Gn-1、Gn，以及Dm-1、Dm代表数据线，提供驱动像素元件210所需要的电压。

通常感光元件100中的开关薄膜晶体管130操作在有遮蔽物的暗态环境下，而感光薄膜晶体管110操作在光环境下，因此后者在受到长时间光照后的可靠度会降低、灵敏度变差、感应光电流衰减。如果感应的光电流衰减的太严重，系统上的信噪比(signal/noise ratio)会减小，会造成信号误判，因此感光薄膜晶体管受光后的可靠度是很重要的课题。

感光薄膜晶体管所操作的光环境，一般在办公室内约为300～500lux(勒克斯：亮度单位)；户外则为1000(阴天)～30000(日正当中)lux。图3与图4揭示了感光薄膜晶体管在长时间操作下的I-V曲线图，其中图3操作在室内暗态环境下，图4操作在1500lux下，Vd(V：伏特)代表给予感光薄膜晶体管的栅极与漏极的电压，Is(A：安培)代表在感光薄膜晶体管的源极端116所测量的光电流值。(其中，偏压的条件图3为2.63V，图4则为1.95V，且工作周期(duty cycle)同为1/600)。

图3显示，在暗态下给予电压2小时后，给予相同的栅极电压，例如6V，感应光电流由77.2μA降至约70μA后就不会有衰减的现象，因此可靠度可接受；然而图4显示，在1500lux下操作，光电流会随着施加电压的时间增加而衰减，当经过时间231小时后感应的光电流衰减了45.28％，衰减程度非常严重，如此会造成触碰信号读出产生误判。

因此，亟需提供一种输入式的液晶显示器，其具有新的感光元件架构，可解决感光薄膜晶体管受到光照后光电流衰减的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的感光元件及其驱动方法，以及应用此感光元件的液晶显示器，以克服公知技术的缺点。

根据上述目的，本发明提供一种感光元件，包含感光薄膜晶体管；读取线；开关薄膜晶体管，该开关薄膜晶体管的源极连接该读取线、栅极连接第一开关线路、漏极连接该感光薄膜晶体管的源极；偏压线路，该感光薄膜晶体管的栅极与漏极连接至该偏压线路；以及补偿薄膜晶体管，该补偿薄膜晶体管的栅极与漏极连接至第二开关线路、源极连接至开关薄膜晶体管的漏极。

根据上述目的，本发明提供上述感光元件的驱动方法，包含步骤：持续给予该偏压线路偏压，使得感光薄膜晶体管持续被打开；给予该第一开关线路高电压，该开关薄膜晶体管被打开，该光电流会由该开关薄膜晶体管的漏极流向源极，并由该读取线读出；给予该第一开关线路低电压，使得该开关薄膜晶体管被关闭；给予该第二开关线路高电压，使得该补偿薄膜晶体管被打开；其中，给予该第二开关线路的高电压，其值高于给予该偏压线路的偏压的电压值。

附图说明

图1显示了公知的感光元件的示意电路图；

图2显示了公知的感光元件应用于一般像素，形成读取像素的示意电路图；

图3显示了感光薄膜晶体管在暗态下施以电压应力持续各种时间下的I-V曲线；

图4显示了感光薄膜晶体管在1500lux下施以电压应力持续各种时间下的I-V曲线；

图5显示了感光薄膜晶体管的临界电压在长期照光环境后，其临界电压偏移的实验结果；

图6显示了根据本发明实施例的感光元件的示意电路图；

图7显示了图6电路结构的驱动方法；以及

图8显示了根据本发明实施例液晶显示器的读取像素的示意电路图。

具体实施方式

虽然由文献中了解，当非晶硅薄膜在长时间光照后，其自由载子的寿命减短，导致非晶硅薄膜的导电率下降，感应的光电流减小。此暗示了感光薄膜晶体管的临界电压(threshold voltage)可能会受到影响。为了确立感光薄膜晶体管在光照下，其临界电压在长时间施加偏压后的稳定性，发明人做了一系列的实验，实验结果如图5所示。

图5中，Vg代表给予感光薄膜晶体管栅极的电压，Id(A)则是在源极测量的光电流值。感光薄膜晶体管被操作在1500lux的环境下，其中曲线Vd_1V_S为给予加压(stressed)490小时后，测量时给予漏极偏压1V，给予栅极由-15～25V范围下测得的I-V曲线，曲线Vd_1V_I为起始状态，亦即未施加任何电压应力前，测量时给予漏极偏压1V，给予栅极由-15～25V范围下测得的I-V曲线，其他曲线以此类推。

由实验结果发现，在给予偏压490小时后，各曲线的临界电压由原先的0V往正方向偏移，增加为6.3V。而在薄膜晶体管可能的操作范围1.7至3.2V的范围，光电流衰减了十的三至四次方倍。

临界电压往正向偏移，表示需要施加更大的正偏压才能诱导出相同量的光电流。为解决此问题，本发明提供一感光元件结构及其驱动方法可以避免临界电压往正向偏移。

图6揭示了本发明实施例的感光元件，本发明的感光元件280包含了开关薄膜晶体管230、感光薄膜晶体管260、以及补偿薄膜晶体管270(compensation TFT)。

图6实施例中的开关薄膜晶体管230与补偿薄膜晶体管270，其上方有遮光材料，例如黑矩阵所覆盖，因此其操作在暗态环境下，不会受环境光影响，其可靠度可以维持，而感光薄膜晶体管260至少有部分或全部不被遮光材料覆盖，操作于环境光线的照射下。

其中，开关薄膜晶体管230的源极236连接读取线240、栅极232连接第一开关线路250、漏极234连接感光薄膜晶体管260的源极264。此外，感光薄膜晶体管260的栅极262与漏极266连接至偏压线路220，偏压线路220提供电压至感光薄膜晶体管260。补偿薄膜晶体管270的栅极272与漏极276连接至第二开关线路251、源极274连接至开关薄膜晶体管230的漏极234。图7例示了图6电路结构的驱动方法。首先，持续给予偏压线路220偏压，例如3至5V，使得感光薄膜晶体管260持续被打开，而感应的光电流由感光薄膜晶体管260产生，经由源极264流向开关薄膜晶体管230。同时或者稍后，给予第一开关线路250高电压，例如15或16V，因此开关薄膜晶体管230被打开，光电流会由开关薄膜晶体管230的漏极234流向源极236，并由读取线240读出。

稍后，给予第一开关线路低电压，例如0至1V，使得开关薄膜晶体管230被关闭。稍后，给予第二开关线路251高电压，例如15或16V，使得补偿薄膜晶体管270被打开，并给予逆偏压于感光薄膜晶体管260，其中给予第二开关线路251信号的电压，高于给予偏压线路220的信号的电压。

上述感光元件280的结构与驱动方法，使得光电流不会衰减的原理为，当给予高电压于第一开关线路250后，感光薄膜晶体管260所感应的光电流会经由开关薄膜晶体管230送到读取线240读出，此时B点的电压将会大于A点的电压(V_B-V_A＞0)，因此对感光薄膜晶体管260而言有一个正偏(forward-biased)的电压应力，导致临界电压往正方向偏移；当给予第二条开关线路251高电压时，补偿薄膜晶体管270将会开启，此时B点的电压小于A点的电压(V_B-V_A＜0)，因此对感光薄膜晶体管260而言有一个逆偏(reverse-biased)的电压应力，由逆偏压来补偿，使感光薄膜晶体管的临界电压不会偏移、感应的光电流不会衰减。

图8例示了将本发明图6的感光元件应用于读取像素的等效电路图。本发明的感光元件可应用于液晶显示器，该液晶显示器包含薄膜晶体管阵列基板，基板上包含有多条栅极线与数据线，定义了多个像素，本发明的感光元件可结合于部分或全部的所述多个像素内，以形成多个读取像素。在实施例中，本发明的感光元件被结合于每一个蓝色的像素(较精确的说法为次像素)内。

读取像素300包含一个像素元件310与前述的感光元件280。像素元件310的结构可与任何公知技术相同，不再赘述。为了维持较高的开口率，前述感光元件280的开关线路可结合于栅极线，例如第一开关线路250等同于图中的栅极线Gn-1、第二开关线路251等同于栅极线Gn。像素元件310包含像素薄膜晶体管311，如图所示其栅极连接于栅极线Gn、源极连接至数据线Dm，但也可以改变为其栅极连接于栅极线Gn-1、以及(或者)其源极连接于数据线Dm-1。

此外，为了提高透光的开口率与均匀性，利用开关(图中未示出)可将读取线240结合于数据线，例如结合于数据线Dm-1，此时像素薄膜晶体管311的源极亦连接至数据线Dm-1，当Gn-1为高准位信号时，同时切换开关使得数据线Dm-1作为读取线读出，当Gn为高准位信号时，同时切换开关以供应电压予像素薄膜晶体管311。

此外，由于光照强度亦会影响感光薄膜晶体管260的临界电压，以及不同使用环境的光亮度，感光薄膜晶体管260所需的灵敏度亦不相同；因此，本发明的液晶显示器亦可包含检测元件(图中未示出)，用于检测使用环境的光强度，所检测的光强度被反馈至微处理器(图中未示出)，根据此检测的光强度决定施加在偏压线路220上的电压值。

而根据图7所示的驱动方法应用于图8的读取像素300，当给予高电压于栅极线Gn-1时，开关薄膜晶体管230会打开，感光薄膜晶体管260所感应的光电流会经由开关薄膜晶体管230送到读取线240读出，此时B点的电压大于A点，对感光薄膜晶体管260而言有一个正偏的电压应力；而当给予高电压于栅极线Gn时，会打开像素薄膜晶体管311并写入灰阶电压，此时补偿薄膜晶体管270也被开启，写入补偿电流至A点，此时A点的电压大于B点，对感光薄膜晶体管260而言有一个逆偏的电压应力，与先前正偏的电压应力相互补偿，使得临界电压不会偏移、光电流不会衰减。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求的保护范围；凡其他未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或变型，均应包含在所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种感光元件，包含：

感光薄膜晶体管，用于感应产生光电流；

读取线，用于读取所述光电流；

开关薄膜晶体管，用于控管光电流读取，所述开关薄膜晶体管的源极连接所述读取线、栅极连接第一开关线路、漏极连接所述感光薄膜晶体管的源极；

偏压线路，所述感光薄膜晶体管的栅极与漏极连接至所述偏压线路；以及

补偿薄膜晶体管，所述补偿薄膜晶体管的栅极与漏极连接至第二开关线路、源极连接至所述开关薄膜晶体管的漏极。

2.如权利要求1所述的感光元件，其中当所述第一开关线路被施加高电压时，所述偏压线路被施加偏压、所述第二开关线路被施加低电压；当施加至所述第一开关线路的所述电压被降低至低电压时，所述偏压线路仍施加所述偏压、所述第二开关线路被施加高电压，且所述偏压的电压值小于施加于所述第二开关线路的电压值。

3.如权利要求1所述的感光元件，其中所述感光元件被设置于液晶显示器的薄膜晶体管阵列基板上，所述薄膜晶体管阵列基板上包含有多条栅极线与数据线，定义了多个像素，所述感光元件结合于部分或全部的所述多个像素内，形成多个读取像素。

4.如权利要求3所述的感光元件，其中所述感光元件被结合于每一个蓝色次像素内。

5.如权利要求3所述的感光元件，其中所述液晶显示器还包含检测元件，用于检测使用环境的光强度，所检测的光强度被反馈至微处理器，所述微处理器根据此检测的光强度决定施加于所述偏压线路的偏压值。

6.如权利要求1所述的感光元件，其中所述开关薄膜晶体管与所述补偿薄膜晶体管，其上方被遮光材料所覆盖，所述感光薄膜晶体管至少有部分或全部不被遮光材料覆盖。

7.一种感光元件的驱动方法，所述感光元件包含感光薄膜晶体管；读取线；开关薄膜晶体管，所述开关薄膜晶体管的源极连接所述读取线、栅极连接第一开关线路、漏极连接所述感光薄膜晶体管的源极；偏压线路，所述感光薄膜晶体管的栅极与漏极连接至所述偏压线路；以及补偿薄膜晶体管，所述补偿薄膜晶体管的栅极与漏极连接至第二开关线路、源极连接至开关薄膜晶体管的漏极，所述驱动方法包含下列顺序步骤：

持续给予所述偏压线路偏压，使得所述感光薄膜晶体管被打开，而所述光电流由所述感光薄膜晶体管的源极流出，流向所述开关薄膜晶体管；

给予所述第一开关线路高电压，所述开关薄膜晶体管被打开，所述光电流会由所述开关薄膜晶体管的漏极流向源极，并由所述读取线读出；

给予所述第一开关线路低电压，使得所述开关薄膜晶体管被关闭；

给予所述第二开关线路高电压，使得所述补偿薄膜晶体管被打开；

其中，给予所述第二开关线路的高电压值，高于给予所述偏压的电压值。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述感光元件被设置于液晶显示器的薄膜晶体管阵列基板上，所述薄膜晶体管阵列基板上包含有多条栅极线与数据线，定义了多个像素，所述感光元件结合于部分或全部的所述多个像素内，形成多个读取像素。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述感光元件被结合于每一个蓝色次像素内。

10.如权利要求8所述的方法，其中给予所述偏压线路的所述偏压，是检测所述液晶显示器所使用环境的光强度，根据此检测的光强度决定施加在所述偏压的电压值。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述开关薄膜晶体管与所述补偿薄膜晶体管，其上方被遮光材料所覆盖，所述感光薄膜晶体管至少有部分或全部不被遮光材料覆盖。

12.一种液晶显示器，包含：

薄膜晶体管阵列基板，所述薄膜晶体管阵列基板上包含有多条栅极线与数据线，定义了多个像素，多个感光元件被结合于部分或全部的所述多个像素内，形成多个读取像素，其中每个感光元件包含：

感光薄膜晶体管，用于感应产生光电流；

读取线，用于读取所述光电流；

补偿薄膜晶体管，所述补偿薄膜晶体管的栅极与漏极连接至第二开关线路、源极连接至开关薄膜晶体管的漏极。

13.如权利要求12所述的液晶显示器，其中当所述第一开关线路被施加高电压时，所述偏压线路被施加偏压、所述第二开关线路被施加低电压；当施加至所述第一开关线路的所述电压被降低至低电压时，所述偏压线路仍施加所述偏压、所述第二开关线路被施加高电压，且所述偏压的电压值小于施加于所述第二开关线路的电压值。

14.如权利要求12所述的液晶显示器，其中所述感光元件被结合于每一个蓝色次像素内。

15.如权利要求12所述的液晶显示器，还包含检测元件，用于检测使用环境的光强度，所检测的光强度被反馈至微处理器，所述微处理器根据此检测的光强度决定施加于所述偏压线路的电压值。

16.如权利要求12所述的感光元件，其中所述开关薄膜晶体管与所述补偿薄膜晶体管，其上方被遮光材料所覆盖，所述感光薄膜晶体管至少有部分或全部不被遮光材料覆盖。