CN1040879A - 显示器件 - Google Patents

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卡雷尔·埃尔伯特·库伊克
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Abstract

在一种用有源矩阵驱动的图象显示器件中，其中选择线路(11)系容性耦合到象素的电极(6)上，这些象素两端的电压系通过先对有关电容进行放电或充电到超过透射/电压特性的过渡范围以外而进行精确调节的。

Description

本发明涉及一种显示器件，该显示器件包括电光显示介质和一象素系统，电光显示介质介在两个设有电极的支撑板之间，象素系统则位于配置在在成行成列配置的显示介质一侧的第一支撑板上的图象电极区中，所述第一支撑板还配备有由行电极和列电极组成的系统，供提供选择信号和数据信号之用，借助于该行列电极系统就可以把与电光显示介质有关的一个范围内的电压供到诸象素两端用于图象显示，所述行电极容性耦合到图象电极上。
这种显示器件借助于诸如液晶、电泳悬浮体、电化色材料等之类的无源电光显示介质而适宜于显示例如字母数字信息和图象信息。
《SPIE（摄影仪器工程师协会）第765卷的成象传感器和显示器》（1987）中介绍了本说明书开头段落中所述的那种器件。
这种器件通过采用每单位象素的开关装置〔MIM（金属-绝缘体-金属）元件〕而使自身具有存储作用，从而使提供给受驱动的行电极的信息在其它行电极被驱动期间会保持出现在一象素两端达足够长的一段时间;此外各行电极与各图象电极之间的容性耦合还限制了信息（因漏泄电流而引起的）损失。
但将这类显示器件用在电视系统中可能会出现问题。在诸如PAL（逐行倒相制）〔NTSC〕系统之类的一般电视机驱动系统中，在1/25秒和（1/30秒）的每帧期间书写的行数大约为575（525）行，这些行分布在整个大约每1/50（1/60）秒288（265）行的偶数和奇数场上。要防止液晶材料老化变质最好是交替地用正电压和负电压加到液晶的两端进行驱动。显示屏的行数约为288（265）行时，可以先用在奇数场周期期间出现的信息和接着再用偶数场周期期间出现的信息来驱动图象单元，奇数场周期期间在象元两端的电压的极性与偶数场周期期间的象元两端的电压极性不同。在这种情况下不会出现交错现象，但第二图象线会书写在第一图象线上，第四图象线会在第三图象线上，如此类推。提供给一象素的同极性信息每1/50（1/60）秒就要更新并改变极性一次。屏幕上的图象扫描线的数目实际上只有两个场总行数的一半。但要描出行数为575（525）的完整图象，图象信息必须以隔行扫描的方式提供，从而使极性相反的信息不是在1/50（1/60）秒之后而是在1/25（1/30）秒之后更新，同时同极性的信息则每隔2/25（1/15）秒提供。由于这时各象元是在较长的时间内由同样的（正或负）电压进行驱动的，因而该信息会因所述漏泄电流而部分损失（温度越高越显著，因为这时漏泄电流增加）。由于正负信息不同，因而图象会以25/2（15）赫的频率闪烁。
本发明的目的特别是提供在本说明书开头段落中所述的那一种能用PAL（NTSC）制系统加以驱动而不会有因所述漏泄电流而使图象质量下降或使图象闪烁的显示器件。
为达到上述目的，根据本发明的显示器件的特征在于，各图象电极以导电的方式连接到两个非线性双级开关装置在公共点上，该二个开关装置串联配置在一数据信号用的列电极与一参考电压用的电极之间，籍此就可将辅助电压在进行选择之前加到各象素两端。
在本申请案中，非线性双极开关装置首先是指在制造所述显示器件的技术中的一般的开关元件，例如，举例说由硅、CdSe或其它半导体材料的晶体、多晶体或非晶体制成的Pn二极管、肖特基二极管和Pin二极管等，但并不排除其它非线性的双极开关装置，例如MIM或基极-集电极之间短接了的双极晶体管或其栅极与漏极区互连的MOS（金属氧化物半导体）晶体管。
也可以将上述元件组合起来使用，这样就可以使装置例如具有一定程度的冗余度。
辅助电压最好是在电光介质的透射/电压特性过渡范围极限值外或极限值上。
辅助电压是例如通过固定的参考电压提供的，使一行中的所有象素首先是负向或正向充电至一固定值，然后再将其充电或放电到正确的值，这视乎所提供的数据信号而定。
在图象信息的实际驱动操作之前的放电或充电可在有信息的同一个行扫描周期进行，但也可在前一个行扫描周期进行。
鉴于这时各行象素是分开扫描出的，因而这些象素两端的电压也可逐行加以反转，这样就会提高屏面闪烁的频率，从而使图象更稳定。
应该指出的是，在精确调整与象素有关的电容两端的电压之前过量负向光的方法已在以本申请人的名义申请的未预公开申请No.8701420（PHN12.154）中提出过。
但在上述申请中所述的器件中，各行电极包括设在第二支撑板内侧上的结构透明金属层（例如铟锡氧化物）。在制造这类器件时会产生种种问题，特别是在制造设有滤色片的用于彩色显示的器件时更是如此。在各电极上有滤色片会导致额外容性电压降的产生，由于制造滤色片的太多数工序会使滤色片较厚，（＞1微米）因而上述产生额外容性电压降的情况更厉害。此外各滤色片层实际上是不平的，这给器件的工作带来不利的影响。
通过在电极下设置滤色片确实可获取平坦的表面，但通常要构制双层滤色片和铟锡氧化物却是有困难。
与此相比，在本发明的器件中只要有一个非结构的副电极就足够了，这样可以轻易地在该副电极下面设置滤色片。
因此根据本发明的器件的一个最佳实施例的特征在于，第二支撑板设置有一个滤色片，它配置在该支撑板与覆盖住该滤色片的一个公用副电极之间。
现在参看附图以举例的方式更详细地说明本发明的内容。附图中：
图1是本发明器件的一部分的平面示意图;
图2和3是分别沿图1中的Ⅱ-Ⅱ线和Ⅲ-Ⅲ线截取的剖面示意图;
图4示意地示出了传输/电压特性的曲线图;
图5示出了图1、2、3的显示器件的一部分的示意图;
图6示出了若干可能使用的驱动信号;
图7示出了对图1、2、和3显示器件进行改良的示意图。
图1、2和3以示意平面图和剖面图的方式示出了显示器件的一部分，在本实施例中液晶显示器件1有两个举例说由石英或玻璃制成的支撑板3和13，支撑板13上设置有例如汽相沉积的氧化硅那样的绝缘材料制成的基本上连续的薄层2。在两支撑板之间举例说有一个扭曲的向列或铁电性的液晶材料4。支撑板3和绝缘层13的内表面有电绝缘和化学绝缘保护层5。薄层2上设有多个成行和成列配置的铟锡氧化物或其它导电透明材料制成的图象电极6。支撑板3上有一个例如铟锡氧化物制成的透明电极7，该电极起副电极的作用。在副电极7与支撑板3之间配置有一个滤色片12，该滤色片分成例如呈三角形、正方形或例如六角形的红色、绿色和蓝色图形，各图象电极6确定了显示器件的象素。
在各列图象电极6之间配置有条形（举例说金属）的列电极8。各图图象电极6通过二极管9连接到一个列电极8上，如图1中示意示出的那样。从图1可以清楚地看到，有关的列电极8a和8b系配置在两图象电极6a和6b之间。该器件还包括液晶定向层10。大家知道，往液晶层4两端加电压可以使液晶分子处于另一种定向状态，从而处于不同的光学状态。该显示器件可以看作是一个透射式或反射式器件，因而可以配备一两个偏振器。为了能够选择一行象素，本器件在支撑板13上，在该支撑板与绝缘层2之间包括有一些行电极或选择线路11，在本实施例中，这些选择线路都容性耦合到图象电极6上（绝缘层2即作为电介层）。
根据本发明，在各列图象电极6之间还设有一些辅助电极18，该辅助电极在本实施例中有两列公用的图象电极6（边缘上的那些辅助电极例外），且配置在与列电极8不同的图象电极的6的一侧。辅助电极18经由二极管19将图象电极6连接到参考电压上，如图1的示意图所示。
图1中用点划线表示的边缘14将液晶材料4封闭起来。支撑板13的一部分可延伸出边缘14之外，该部分是空着的，例如供设置如移位寄存器之类的用以存储待显示的信息的驱动电子器件之用。
在所示的实施例中，辅助电极18在象素矩阵的一端通过互连线15连接到连接电极16上，连接电极16又将辅助电极连接到一参考电压上。和行电极11一样，连接电极16设在支撑板13上的绝缘层2底下，因而无需为提供参考电压而对绝缘层2采取措施。现在支撑板13的裸露部分就可以举例说完全（至少在边缘14附近）供装设集成电路17（举例说移位寄存器）之用，以便存储和提供图象信息。信息可经由电路17和列电极8a以及类似的电极供到象素的（奇数）列9a、9c、……上，同时象素（偶数）列（9b及类似的象素）的信息则通过矩阵反面上的类似电路（图中未示出）经由列电极8b和类似的列电极提供。
另一方面，从冗余度方面考虑，必要时也可在两面形成电极8a、8b，如图1、3中用虚线20所示意地表示的那样。
但这一点是以所要求的接线接点21的数目和它们彼此间的间距为代价的，如果不受取该项措施，则该间距就大约为图1器件中象素宽度的两倍。
集成电路17可例如借助于在玻璃上设置芯片的技术装置。
举例说，在透射式显示器件中，支撑板13和绝缘层2可以是透明的。行电极11伸出边缘14外的各部分可设置有一金属层，这样既有利于接触也降低了串联电阻值。若器件1系制成反射式的显示器件，则电极11可整体形成金属线路。这同样也适用于参考电压用的辅助电极16。参考电压应选择得使与象素有关的电容根据选择线路11上所使用的电压和所使用的电光材料而始终可放电到一个在有关电光材料的透射/电压特性中过渡范围的极限以外或极限上的电压值。
图4示出了在图1和2的显示器件中的显示单元的透射/电压特性曲线的示意图。在低于某一给定的临界电压值（V1或Vth）时，显示单元基本上不让光线通过，而高于某给定的饱和电压值（V2或Vsat）时，显示单元基本上完全透光。其中间范围构成了上述的过渡范围，在图4中用大括弧22所示。在这方面应该指出的是，电压的绝对值系在横坐标上标出，因为这些显示单元通常是在交流电压下驱动的。
图5示意示出了图1、2和3的显示器件。
按矩阵配置且在图象电极6的区城处形成的象素23经由图象电极6容性地耦合到行电极11上，该行电极连同列电极8一起配置成矩陈的形式。象素23的图象电极6经由二极管9连接到列电极8。它们还经由二极管19连接到一辅助电极18，该辅助电极18除了图1实施例中沿各边缘的外，每次总是为两个二极管19所共有。图象电极6与行电极18之间的容性耦合借助于电容24示意地示于图5中。
书写信息时，在往选择线路11上供电压Vns之后在选择期间ts将第一选择电压Vs1供到选择线路11上，同时将信息电压或数据电压Vd供到列电极8上，这导致象素12两端出现代表所提供的信息的电压。
为了防止液晶老化变质和能够提高所谓屏面闪烁的频率，最好在象素23两端加具有交变符号的信息，在本发明的器件中，这一点是通过在选择线路11上加第二选择电压Vs2，同时加倒相的数据电压（-Vd），然后在使与象素23有关电容过度放电之后（或使其过度负向充电之后），往选择线路11上加Vns。
图6示出了如何为本发明的器件选择驱动信号以便用在每场变化符号的图象信息书写这些驱动信号（例如在电视的应用中）。
从to时刻起（见图6a），选择电压Vs1系在选择周期ts（在本实例中该周期选择得等于用在电视应用时的行扫描周期，即64微秒）期间加到选择线路（行电极）11上，同时信息电压或数据电压Vd则加到列电极8上。在时刻t1之后就不再选取象素12的那一行，因为行电极11收到电压Vns。这个电压一直保持直到下一次选择有关象素23之前为止。在本实例中，这一点是通过在再次选择象素行之前给选择线路11提供一复位电压Vres进行的，即在t2＝tf-ts的时刻进行的，其中tf表示场周期。这时可将加到二极管9和19的公共点上的复位电压Vres和参考电压Vref选择得使象素行两端的最大电压超过图象显示所使用的范围。在下一个选择周期（从t3开始）就将它们充电到由数据电压-Vd所确定的所需要的值。为达到此目的，行电极接收电压Vs2，并在选择周期过了之后（即t4之后），它们再次接收非选择电压Vns。这样，象素两端的电压在每场周期期间就倒转了。
图6b示出了与图6a同样的电压变化情况，但移位了一个场周期加一个选择周期（在此情况下为行扫描周期）。这就有可能用彼此相反的数据电压书写象素的两个连续行。图6c与图6a完全一样，只是偏移了两个选择周期。
对于其中偶数场和奇数场的各行是彼此重叠写出的具有一半垂直清晰度的（电视）图象就要使图象信息改变其符号，并每个场周期更新一次。尽管在此情况下行闪烁频率为25赫（30赫），但由于因改变每一行的符号而产生的180度相位差，在二连续的行之间可实现50赫（60赫）屏面闪烁频率。
所示的这种器件非常适用于使用选取V＝ (Vsat+Vth)/2 为象素两端的平均电压（见图4）从而使象素12两端的图象显示用的电压绝缘值大致上限定在Vth和Vsat之间的范围的驱动方法。
下面即将证明本器件可用下列的Vd、Vs1、Vs2、Vns、Vres和Vref的各值进行驱动：
-1/2（Vsat-Vth）≤Vd≤1/2（Vsat-Vth）
Vs1＝-（ (α+1)/(α) ）Von-（ (α+1)/(α) ）1/2（Vsat+Vth）- (Vce)/(α)
Vs2＝-（ (α+1)/(α) ）Von+ (α+1)/(α) 1/2（Vsat+Vth）- (Vce)/(α)
Vns＝Vce＝1/2（Vsat-Vth）+Vsat
Vref＝1/2（Vsat-Vth）+2Vsat
Vres＝（ (α)/(α+1) ）Vref+（ (α)/(α+1) ）Von+（ (α)/(α+1) ）Vsat- (Vce)/(α)
其中，Von是二极管9、19的正向电压，Vce是副电极7的电压，而a＝ (Cex)/(Cp) ，其中Cex为电容24的值，Cp则为象素23的平均电容值。
为说明这一点，先假设Ce＞＞Cp，因而 (α)/(α+1) ≈1且 (Vce)/(α) 可以忽略不计。
在选择一行象素23期间（时刻to），有关的行电极被提供一选择电压Vs1＝-Von-1/2（Vsat+Vth）。这时电容24两端的与该象素23有关的电压变为Vd-Von-Vs1-Vd+1/2（Vsat+Vth）。
在时刻t1，行电极11处的电压将为Vns＝Vce。由于Ce＞＞Cp，行电极11与象素6之间的容性耦合基本上处于理想状态，因而点26处的电压VA（图5）变为Vce+Vd+1/2（Vsat+Vth）。于是在象素23两端的电压为VA-Vce＝Vd+1/2（Vsat+Vth）。视乎Vd而定，当该值至少为Vth至多为Vsat时，在灰度级方面就达到令人满意的工作情况。从Vd+1/2（Vsat+Vth）≥Vth可知Vd≥-（1/2Vsat-Vth），而从Vd+1/2（Vsat+Vth）≤Vsat，可知Vd≤1/2（Vsat-Vth）。
在t2时刻，行电极11接收复位电压Vres＝Vref+Von+Vsat。由于容性耦合的缘故，在点26处的电压VA将是大于（Vres-Vns）的值，从而使VA等于大于Vd+1/2（Vsat+Vth）+Vref+Von+Vsat。由于此电压大于Vref+Von，因而二极管19开始导通直到VA（t2′）＝Vref+Von为止。
从t3起，行电极接收选择电压VS2＝-Von+1/2（Vsat+Vth）。由于容性耦合的缘故，电压VA先减少（Vres-Vs2）变为
VA（t3）＝Vref+Von-Vres+Vs2＝
Vref+Von-Vref-Von-Vsat-Von+1/2（Vsat+Vth）
-Von-1/2（Vsat-Vth）。
这时象素两端的电压为
VA-Vce＝-Von-（Vsat-Vth）-Vsat＝-Von-2Vsat+Vth、由于︱Vth︱＜︱Vsat︱，因而VA-Vce≤-Von-Vsat成立，从而使象素被过份负向充电。
从时刻t3起也出现符号相反的信息-Vd。在选择电Vs2＝-1/2（Vsat+Vth）的情况下，这使电容24两端的电压-Vd-Von-Vs2＝Vd-1/2（Vsat+Vth）。在时刻t4，行电极11处的电压再次变为Vns＝Vce。由于基本上理想的容性耦合缘故，点26处的电压VA这时变为Vce-Vd-1/2（Vsat+Vth）。象素23两端的电压变为VA-Vce，即-Vd-1/2（Vsat+Vth）。此电压值介于-Vsat与Vth之间，视乎Vd而定，因而这时在象素23两端就出现符号相反的电压。
Vns和Vref的值是根据二极管9、19在非选择期间必须是截止这一情况得出的。当点26处的电压处于最小和最大值的，下列关系式成立：
VAmin＝Vce-Vsat，VAmax＝Vce+Vsat。若Vamin≥Vdmax，Vce-Vsat≥1/2（Vsat-Vth）或Vce≥1/2（Vsat-Vth）+Vsat时，二极管9不导通。若VAmax≤Vref，Vce+Vsat≤Vref或Vref≥1/2（Vsat-Vth）+2Vsat时，二极管19不导通。于是复位电压Vres≥1/2（Vsat-Vth）+Vsat+Von。
假设与上述的假设情况相反，容性耦合系处于基本上不理想的状态，则在时刻t1时，在点26处的电压跳变就不是ΔV（＝Vns-Vs1），但由于电容分配作用，就有：
(Cex/Cp)/(1+Cex/Cp) ΔV＝ (α)/(α+1) ΔV
这就是说，需要将点26充电到足够程度的电压跳变应选得大于 (α+1)/(α) 。若
Vs1＝- (α+1)/(α) Von- (α+1)/(α) 1/2（Vsat+Vth）- (Vce)/(α)
且Vns1＝Vce时，在点26处的电压跳变
（Vns1-Vs1）＝Vce（ (α+1)/(α) ）+（ (α+1)/(α) ）Von+ (α+1)/(α) ·1/2（Vsat+Vth）
＝ (α+1)/(α) （Vce+von+1/2（Vsat+Vth））
缩小 1/(α+1) 倍变为Vce+Von+1/2（Vsat+Vth）。该点处的电压在取决于在ts∶Vd-Von期间所存在的数据电压Vd，并在VA（t1）时刻会变Vd+Vce1/2（Vsst+Vth），从而使显示元件24两端的电压成为等于VA-Vce＝Vd+1/2（Vsat+sat+Vth），和上一个情况（ (α+1)/(α) ≈1）一样，它视乎Vd而定，处在Vth与Vsat之间的范围。在复位电压。
Vres＝（ (α+1)/(α) ）Vref+（ (α+1)/(α) ）Von+Vsat（ (α+1)/(α) ）- (Vce)/(α) 的情况下，在点26处行电极11的电压跳变（Vres-Vns）在时刻t2降为 (α)/(α+1) （Vres-Vns）＝Vref+Von-Vce，从而使在点26处的新电压将为：
VA（t2）＝Vref+Von+Vsat-Vce+Vd+Vce+1/2（Vsat+Vth）
＝Vref+Von+Vsat+Vd+1/2（Vsat+Vth）
该电压高得足以使二极管19导通，于是点26就被放电到VA（t2′）＝Vref+Von的值。
在时刻t3，行电极11处的电压从Vres变为
Vs2＝-（ (α+1)/(α) ）Von+（ (α+1)/(α) ）1/2（Vsat+Vth）- (Vce)/(α) 电压跳变-（Vres-Vs2）＝-〔（ (α+1)/(α) ）Vref+（ (α+1)/(α) ）Von+（ (α+1)/(α) ）+Vsat- (Vce)/(α) -（ (α+1)/(α) ）1/2（Vsat+Vth）+ (Vce)/(α) +（ (α+1)/(α) ）Von〕
在点26处减小 1/(α+1) 倍变为ΔV＝-Vref-2Von-Vsat+1/2（Vsat+Vth），而由于此电压跳变的缘故，在点26处的电压值从VA（t2′）＝Vref+Von变为VA（t3）＝-Von-Vsat+1/2（Vsat+Vth）＝-Von＝1/2（Vsat-Vth）。象素24两端的电压变为
VA-Vce＝-Von-1/2（Vsat-Vth）-1/2（Vsat-Vth）-Vsat＝-Von-2Vsat+Vth，从而也使象素24再次被过份负向充电。
但从t3起，二极管19又能导通，于是点26获得视乎已加的数据电压而定的Vd-Von值。在时刻t4的下一个电压跳变（Vns-Vs2）为
（ (α+1)/(α) ）Von-（ (α+1)/(α) ）1/2（Vsat+Vth）+（ (α+1)/(α) ）Vce，而由于电容分配的缘故，它在点26处减少到Von-1/2（Vsat+Vth）+Vce，于是点26处的电压变为V（t4）＝Vd+Vce-1/2（Vsat+Vth）。
这时象素24两端就出现在-Vsat与-Vth之间的电压VA-Vce＝Vd-1/2（Vsat+Vth）。
当然本发明并不局限于所示的实施例。举例说，图7的器件示意示出了其中附加的电容24系由图象电极8、绝缘体27和列电极11组合而成的一部分。
图6中的其它编号与图1至3中的编号具有同样的含义。在连通连接区，各列电极系借助于绝缘层28在电气上彼此绝缘起来。
可以采用二极管9、19以外的非线性开关元件，或者如在本申请人申请的未预公开的荷兰专利申请No8800204（PHN    12，409中所介绍的那样，可以采用多个（备用的）开关元件。
当然选择电压Vs1和Vs2也可以选取为小于一个行周期（64微秒）的值。在这种情况下，如果有足够的时间来给电容器24充电，则复位电压也可以在进行选择时的部分行周期期间加上。这时电极11处的电压变化就例如象图6中示意地由虚线25所示那样地进行。

Claims (8)

1、一种显示器件，该器件包括电光显示介质和一象素系统，电光显示介质介在两个设有电极的支撑板之间，象素系统则位于配置在在成行成列配置的显示介质一侧的第一支撑板上的图象电极区中，所述第一支撑板还配置有由行电极和列电极组成的系统，供提供选择信号和数据信号之用，借助于该行电极列电极系统就可以把与电光介质有关的一个范围内的电压供到诸象素两端用于显示图象，所述行电极容性耦合到图象电极上，该显示器件的特征在于，各图象电极以导电的方式连接到两个非线性双极开关装置的公共点上，该二开关装置系串联配置在一数据信号用的列电极与一参考电压用的电极之间，藉此就可将辅助电压在进行选择之前加到各象素两端。
2、如权利要求1所述的显示器件，其特在于，辅助电压超过或等于电光介质的透射/电压特性中的过渡范围的极限值。
3、如权利要求1或2所述的显示器件，其特征在于，所述非线性双极开关装置是二极管。
4、如权利要求1至3中任一权利要求所述的显示器件，其特征在于，在一行图象电极中，每次两个并列的图象电极经由一非线性双极开关装置连接到一参考电压的一公共电极上，该电极位于该图象电极之间。
5、如以上任一权利要求所述的显示器件，其特征在于，在各行电极与图象电极之间设有基本上连续的绝缘材料层。
6、如以上任一权利要求所述的显示器件，其特征在于，第二支撑板设有滤色片，它配置在该支撑板与覆盖该滤色片的公用副电极之间。
7、如以上任一权利要求所述的显示器件，其特征在于，所述电光介质包括一种液晶材料。
8、如权利要求7所述的显示器件，其特征在于，所述电光介质包括一种铁电性的液晶材料。
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