CN1265339C - 有源矩阵型发光元件的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是为了提高由以有机EL元件等为代表的电流控制型发光元件构成的显示装置的灰度等级，实现高的图象质量。本发明提供通过与发光元件并联地设置开关装置，改变该开关装置和发光元件的电导，作成电流路径，能够控制发光元件的发光·不发光的电路构成。通过模拟地改变电导，既可以实施灰度等级显示，又可以通过控制发光时间实施时间灰度等级。

Description

有源矩阵型发光元件的驱动电路
技术领域
本发明涉及用于图象显示装置的发光元件的驱动电路，详细地说涉及驱动控制有机和无机的电子·发光(以下称“EL”)元件和发光二极管(以下称“ELD”)等的自发光元件的有源矩阵型发光元件的驱动电路和用它的有源矩阵型显示面板。
背景技术
将有机和无机EL发光元件或LED等的发光元件组合成阵列状，用点矩阵进行文字显示的显示器广泛用于电视，便携式终端等。
特别是，这些用自发光元件的显示器的特征是与用液晶的显示器不同，不需要用于照明的后照光，视野角宽广等，因此集中了人们的注意。其中，将晶体管等和这些发光元件组合起来进行静态驱动，称为有源矩阵型的显示器，与进行时分驱动的单纯矩阵驱动的显示器比较，具有高亮度，高对比度和高精细等优越性，近年来令人注目。
即便关于有机EL元件，也与为了在图象中显示出灰度性的已有方法相同，可以举出模拟灰度方式，面积灰度方式和时间灰度方式。
(1)模拟灰度方式
作为已有的例子，关于有源矩阵驱动的发光元件，最单纯的是每一个象素备有2个薄膜晶体管(以下称为TFT)的显示元件，它的例子如图6，图7所示。在图6中，101是有机EL元件，102，103是TFT，107是扫描线，108是信号线，109是电源线，110是接地电位，111是用电容器的存储电容。
我们如下说明图6的工作。当由于扫描线107，TFT102成为接通状态时，将来自信号线108的图象数据电压存储在存储电容111中，即便通过断开扫描线107使TFT102成为断开状态，因为在TFT103的栅极上继续加上上述电压，所以TFT103继续处于接通状态。
另一方面，在TFT103中源极与电源线109连接，漏极与发光元件的一个电极连接，在栅极上输入TFT102的漏极的图象数据电压，源极和漏极之间的电流量由上述图象数据电压进行控制。这时，将有机EL元件101配置在电源线109和接地电位之间，与上述电流量相应地进行发光。
这时，流过的电流量与TFT103的栅极电压有关，用建立起源极电流与上述栅极电压的特性(Vg-Is特性)的区域(饱和区域)，通过模拟地改变电流特性，使发光亮度变化。
结果，作为发光元件的有机EL元件的发光亮度受到控制，能够进行包含灰度等级的显示。这种灰度表现方式，因为是用模拟的图象数据电压进行的，所以称为模拟灰度方式。这时，需要在驱动信号一侧，与有机EL元件的电压-亮度特性相应地，改变图象数据信号一侧的γ特性。
关于与液晶显示元件和CRT等相同的发光元件，为了进行计算机的终端，个人计算机的监视器，电视机等的动画显示，也能够进行各象素的亮度变化的浓淡灰度等级显示，当得到与CRT的互换性时也是有利的。又，这在使驱动系统简单化等和降低成本方面也是有利的。
现在用的上述TFT是非晶硅(a-Si)方式和多晶硅(p-Si)方式，但是从由于高迁移率可以实现元件微细化，又由于激光加工技术的进步可以实现制造过程的低温化的观点来看，多晶硅TFT所占的比重正在增大。可是，一般地多晶硅TFT容易受到构成它的结晶粒子边界的影响，特别是在上述饱和区域中Vg-Is特性对于每个TFT元件容易出现大的零散。因此，即便假定输入象素的电视信号电压是均匀的，也存在着显示中出现不均匀那样的问题。
又，因为一般现在将大多数TFT只用作开关元件，在加上比晶体管的阈值电压高得多的栅极电压，漏极电压对源极电压的关系恒定的区域(将这个区域称为线性区域)中使用，所以不容易受到上述的在饱和区域中零散的影响。
(2)面积灰度方式
另一方面，文献AM-LCD2000，AM3-1中提出了面积灰度方式。这是将一个象素分割成多个子象素，进行各子象素的接通/断开，根据接通的象素面积表现灰度等级的方式。
在这样的利用方法中，因为能够在TFT的栅极上加上比阈值电压高得多的电压，漏极电压对源极电压的关系恒定的上述线性区域中使用，所以可以在也使TFT特性稳定的条件下使用，也能使发光元件的发光亮度稳定。这种方式只对各元件进行接通断开的控制以不产生浓淡的恒定亮度进行发光，与发光子象素的面积相应地控制灰度。我们将它称为面积灰度方式。
可是，在这种方式中，只能产生与子象素的分割方法有关的数字灰度等级，又为了增加灰度等级数，必须使子象素的面积更小来增加子象素的数量。但是，即便假定通过用多晶硅TFT使晶体管微细化，因为配置在各象素上的晶体管部分的面积侵蚀发光部分的面积，使象素孔径率下降，所以导致使显示面板的发光亮度下降的结果。因此，当提高孔径率时，使灰度性下降，亮度与灰度性之间存在着折衷关系，结果要提高灰度性是困难的。
(3)时间灰度方式
又，时间灰度方式是通过有机EL元件的发光时间控制灰度的方式，在2000SID36.4L中报告了这种方式。
图7是采用时间灰度方式的已有的显示面板的一个象素部分的电路图的一个例子。在图7中，101是有机EL元件，102～104是TFT，107是扫描线，108是信号线，109是电源线，110是接地电位，111是存储电容，112是复位线。
用这个电路构成的时间灰度方式是当TFT103接通时，由于来自信号线的电压使有机EL元件101以最高亮度发光，接着由于TFT104，使TFT103在1个半帧的时间内适时地重复进行接通和断开，根据这个发光时间显示灰度的方式。
又，在这种方式中，选择多个发光期间调整发光时间。例如，当表示8位(256个灰度等级)时，从发光时间之比为1∶2∶4∶8∶16∶32∶64∶128的这样8个子域期间中进行选择。而且，因为就在各子域期间前，选择这个子域中的发光，不发光，所以这时存在全部象素的扫描线的寻址期间。在这个寻址期间结束后通过使全部电源线109的电压一齐变化等，使显示面板全面发光。
因此，因为在寻址期间内基本上不显示，所以1个半帧内的有效发光期间，当进行N位灰度显示时，成为
有效发光期间＝(1个半帧期间)-(1个画面寻址期间×N)。
因此，相对地发光时间变短，对于观察者来说显示面板的发光量降低。
因此，产生通过提高每1个子域的发光量补偿半帧全体中的发光量的必要性，但是为此需要提高各个发光元件的发光亮度，这导致发光元件的寿命降低等。又，在通常的液晶显示器(LCD)中，因为对于每个半帧完成1次寻址，需要只与灰度位次数相当的寻址，所以需要更高速的寻址电路，增大消耗功率是不可避免的。
发明内容
本发明的目的是改良上述已有技术，提供用于新的有源矩阵型发光元件的象素晶体管的新的电路构成，提供比已有技术优越的显示面板。
本发明主要部分是对于发光元件，电路上并联地配置开关元件的有源矩阵型发光元件的电路构成。
又，本发明的第2个部分是在上述发光元件的恒流电源一侧配置第2开关元件的有源矩阵型发光元件的电路构成。
为了解决上述课题的本发明是以在基片上矩阵状地形成扫描线和信号线，并在该扫描线和信号线的交叉点附近至少具有1个发光元件的有源矩阵型发光元件，备有与驱动电源连接的恒流源；与所述恒流源串联设置的第二开关元件；与所述第二开关元件串联设置的发光元件；和与所述恒流源串联设置，并与所述发光元件电气并联的第一开关元件的驱动电路。
在本发明的驱动电路中包含上述第1开关元件是由源极，漏极，栅极这样3个电极构成的第1薄膜晶体管那样的令人满意的样态。
在本发明的驱动电路中包含具有存储图象数据信号的存储电路那样的令人满意的样态。即，备有由具有与扫描线连接的栅极、与信号线连接的源极、漏极的第2薄膜晶体管，与第1存储电容构成的存储电路的本发明的驱动电路是本发明的一个令人满意的形态。
进一步，在本发明的驱动电路中包含利用上述驱动电路构成对接通断开进行控制的令人满意的样态。即，流过所述恒流源的电流被分配给所述第一开关元件和所述发光元件，并且根据来自所述扫描线和所述信号线的信息控制流过所述第一开关元件的电流，从而控制所述发光元件的接通断开状态是本发明的一个令人满意的形态。
进一步，本发明包含利用上述驱动电路构成实施灰度等级显示的令人满意的样态。可以用时间灰度等级方式和模拟灰度等级方式。即，通过上述发光元件的接通断开来控制其发光时间实施灰度等级显示的本发明的驱动电路是本发明的一个令人满意的形态，又，流过所述恒流源的电流被分配给所述第一开关元件和所述发光元件，并且根据来自所述扫描线和所述信号线的信息控制流过所述第一开关元件的电流，从而控制所述发光元件的发光强度。
又，对上述驱动电路构成实施改良的电路也包含在本发明的令人满意的形态中。即，通过上述第2开关元件的切换，对发光元件的接通断开进行控制是令人满意的。上述第2开关元件是由源极，漏极，栅极这样3个电极构成的第3薄膜晶体管，这是更令人满意的。又，具有由第4薄膜晶体管和第2存储电容构成的第2存储电路，配置该存储电路的输出端与上述第3薄膜晶体管的栅极连接的上述第2开关元件的本发明的驱动电路也是令人满意的。
附图说明
图1是本发明的显示面板的一个实施形态的一个象素部分的电路图。
图2是表示具有图1的象素构成的显示面板的矩阵配置的电路图。
图3是表示本发明的其它实施形态的一个象素部分的电路图。
图4是表示具有图3的象素构成的显示面板的矩阵配置的电路图。
图5是表示在具有本发明的驱动电路的显示面板中实施时间灰度时的定时图的图。
图6是表示已有的有源矩阵型发光元件的一个象素部分的电路图。
图7是表示已有的有源矩阵型发光元件的其它实施形态的一个象素部分的电路图。
具体实施方式
本发明主要部分是对于发光元件，电路上并联地配置开关元件的新的有源矩阵型发光元件的驱动电路构成。
如果根据这种构成，则根据来自扫描线和信号线的信号对第1开关装置的接通·断开进行控制，当第1开关装置处于接通状态时，或者通过电流分配在电流流到发光元件一侧期间能够使发光元件发光。下面，我们通过表示具体的实施形态说明本发明，但是本发明不限定于这些实施形态。
图1是本发明的发光元件的一个元件部分的电路图。
其中，11是作为发光元件的有机EL元件，12，13是分别与本发明的第1，第2开关装置对应的TFT，16是恒流电源，15是扫描线，14是图象数据信号线，17是电源线，18是第1电源(本图中是接地电位)，19是存储电容，20是第2电源(本图中是接地电位GND)。
发光元件11在本电路中总是和与驱动电源(图中未画出)连接的电源线17，与它连接的恒流电源16和第1电源18连接，与该发光元件和作为第1开关装置的TFT13的电导相应地，分配在恒流电源和接地电位之间的电流，与这个电流量相应地从发光元件得到所定亮度的发光。
当将这时的图象数据信号输入TFT12的栅极时，TFT13接通同时在存储电容19上存储电荷，在TFT13中流过电流。因此，由于来自恒流电源的电流通过TFT13流动，所以在发光元件一侧没有电流流动处于不发光状态。
又这里，第1电源18和第2电源20都是接地电位如图所示，但是它们也可以分别是独立的其它的电位。
这样通过调整发光元件和开关元件的电流的电导，能够使发光元件接通断开。这时，上述图象数据信号的大小具有使发光元件接通时TFT13必须断开，或者使发光元件处于不发光状态时TFT13接通的关系。
因此，对于发光元件的发光亮度特性，上述图象数据信号的大小必须具有相反的关系，需要用生成图象数据信号的校正电路，进行逆γ校正。
因此，设置图象数据信号的校正电路这一点是新的需要，又来自恒流电源的电流总是流过发光元件11或TFT13中的任何一个，作为恒流电源总是不断流着相同强度的电流。这与已有实施例的不发光状态中不消耗电流的发光元件比较消耗电流变大是一个缺点。
但是当瞬间地重复进行接通断开时，即便是恒流电源也需要电流达到稳定的过渡时间，因为在这个期间不能得到所要的发光亮度，所以在发光元件的对于图象数据信号的响应速度方面，本电路是有利的。又，恒流电源应该总是不断流着恒定的电流，在电流稳定性这一点上本发明的电路是令人满意的。
另一方面，TFT13需要的特性是希望当发光元件接通时，与发光元件的电导比较具有尽可能高的电阻。但是相反地当使发光元件断开时，需要使电流集中在TFT13一侧，理想地需要使流过发光元件的电流为零，实际上只需要流过不到发光元件的发光阈值的电流那样地，使TFT13的电阻成为低电阻。
现在作为利用计算机等的数字灰度方式的一个例子，例如可以考虑各元件进行256个灰度等级的浓淡灰度显示时的情形。当使发光时间一定时，发光亮度与流过元件的电流量成正比，假定表示发光状态的最大亮度的电流量为1时，则最小亮度的电流量为1/256。最好使在不发光元件中只流过比这个最小亮度电流量少的电流那样地对TFT的电导进行控制。即便假定不发光状态的电流量为上述最小亮度电流量的1/5，则TFT13的接通断开比也具有1比1000左右是足够的，我们知道只要有3个数量级的接通断开比就可以了。
因此，就上述接通断开比而言，与一般的多晶硅TFT等需要4到6个数量级左右的接通断开比比较，对用于本发明电路的TFT13要求的晶体管特性是非常缓和的。如果是这种程度的特性，则使用最近的有机半导体的TFT的可能性也是很大的，可以说它是非常有希望的电路构成。
又在图2中，表示了矩阵状地配置具有图1构成的发光元件的发光面板的电路配置图。在与图1相同的部分上用相同的标号。
从扫描控制电路21将扫描线的选择信号给予扫描线15，当将扫描线的选择电压输入TFT12的栅极时，使TFT12接通。在相同的定时从图象数据控制电路22将对信号线14实施上述逆γ校正的图象数据信号输入TFT12的源极，将图象数据信号存储在由配置在TFT12的漏极和第2电源20(在本图中为接地电位)之间的电容器形成的存储电容19中。在保持这个电压的期间中将图象数据信号电压加到TFT13的栅极上，与此相应，发光元件11发光。
这里表示第1电源18和第2电源20都处于接地电位的一般的例子，但是当然它们也可以用不同的电位。然而当处于别的电位时，需要在矩阵配线中设置别的电源线，对于发光元件面板的制作来说成为烦杂的构造。
图3是表示本发明的其它实施形态的构成图。在与图1相同的部分上用相同的标号。
与图1比较不同之处在于在恒流电源16和发光元件11之间配置第3个TFT26，又追加由第4个TFT24和第2个存储电容25构成的存储电路这些点上。下面我们表示本电路构成的工作例。
首先，将来自扫描线15的扫描线的选择信号输入到第2个TFT12和第4个TFT24。这时，在信号线14上加上作为发光元件的发光信号的低电平的电压，并存储在存储电容19中，使TFT13断开。因此并联配置的发光元件的电导变小。
另一方面，在复位线23上加上用于使第3个TFT26接通的高电平的信号电压，同时存储在存储电容25中进行保持。
在这个条件下来自恒流电源的电流流过发光元件，与TFT13和发光元件的电导相应，能够得到所定的发光亮度。
相反地当在信号线上加上高电平的信号电压，TFT13成为低电阻(接通状态)时，不管TFT26的接通断开，电流不流过发光元件，发光元件不发光。进一步因为为了使发光元件断开，只要使TFT26断开，就能够截断来自恒流电源的电流，所以不能不管TFT13的状态使发光元件发光。
这样我们看到由于上述电路构成，能够对发光元件的接通断开进行控制。又通过控制TFT13和发光元件的电导，实施灰度等级显示与图1相同。
图4表示将图3的电路构成应用于矩阵面板的配置图。
又，通过对TFT26的接通断开进行控制，也可以实施时间灰度等级显示。我们用图3，图4和图5说明这个工作。
图5表示用备有本发明的驱动电路的发光元件，通过对1帧期间内的发光时间进行控制实施灰度等级显示时的定时图。
在图5中，A1到A4表示各子域的地址期间。在A1期间内在矩阵状配置的各扫描线X＝1到n上顺次地加上扫描信号。在各个扫描期间内，从信号线顺次地加上Y＝1到m的图象的on/off(接通/断开)信号，各个图象开始发光。由E1到E4表示的期间是各个子域的发光期间，将它们称为PWM控制发光期间。
这时，将1帧内的点亮时间分成长度分别为1/2，1/4，1/8，1/16的子域期间，对在子域期间是否接通进行控制。例如为了得到1/2的发光亮度的象素只在扫描线的选择期间(地址期间)的8的长度的子域期间点亮。
当在图5的地址期间将扫描选择信号输入图3的扫描线25时，使TFT12和TFT24接通，并且由存储电容19和25在所定期间保持这个状态。使TFT24接通的期间是地址期间，是决定1个子域的信息的期间。这时，从图象数据控制电路22，例如从发光面板左侧的信号线顺次地向各信号线14输入低电平的电压(发光信号)或高电平的电压(不发光信号)，决定各象素的TFT13的状态。此后输入了发光信号的各发光元件开始发光。
当达到下一个子域期间时，从复位线将下一个复位电压加到TFT24上，同时与上一个子域相同在各信号线上加上发光信号或不发光信号，在下一个子域期间保持这个状态。
在这个例子中，在选择扫描线的1帧的开头的地址期间中，从图象数据控制电路22，例如向信号线14输出ON(接通)信号在1/2长度的期间(这时为1帧的1/2的时间)中发光元件发光。而且在与余下期间相当的地址期间中断开，观察者可以看到50％的发光亮度。
上面我们以图3所示的驱动电路为例说明了接通断开控制，但是即便是图1所示的驱动电路也同样能够实现对TFT13的接通断开控制。通过将1个半帧期间分成多个子域，对在各子域期间内的接通断开进行控制，能够与前面所述相同地实施时间灰度。
又，与图1的例子比较扫描线成为每2条线，与烦杂相反得到下列的优点。在上述的例子中，如果将输入图象数据信号线14和23的信号形成高电平和低电平的关系，则使发光元件面板内的信号传送难以受到噪声的影响能够稳定工作，此外因为通过降低给予各配线的电压电平可以在低电压进行工作，所以可以进行更高速的信号传送。
又，利用本发明的驱动电路，模拟地改变发光亮度，能够得到浓淡灰度等级。因为例如发光元件接通时和断开时的电导之差约为3个数量级，所以将TFT13的电导范围同样作成约为3个数量级，使图1所示的发光元件和TFT13的电导相等地进行控制，如果改变来自恒流电源16的电流量的分配，则可以自由地控制发光亮度。例如每次进行等量分配，则发光元件的电流量为1/2可以得到表示50％的灰度等级的亮度。
满足以上性能的晶体管，不限于非晶硅和多晶硅TFT，因为即便最近的用有机半导体材料的有机TFT也具有足够的有用的特性，所以与TFT构成材料无关，这是不言而喻的。
如以上说明的那样，能够利用少量象素晶体管的构成，构成用有机EL元件的新的象素电路。进一步，当实施时间灰度等级时可以加长发光时间，并提高发光面板的亮度。

Claims (9)

1.一种用于有源矩阵型发光元件的驱动电路，其在基片上具有以矩阵排列的扫描线和信号线，并在所述扫描线和所述信号线的交叉点附近具有至少一个发光元件，所述驱动电路包括：
与驱动电源连接的恒流源；
与所述恒流源串联设置的第二开关元件；
与所述第二开关元件串联设置的发光元件；和
与所述恒流源串联设置，并与所述发光元件电气并联的第一开关元件。
2.根据权利要求1所述的发光元件的驱动电路，其特征在于：上述第1开关元件是由源极，漏极，栅极这样3个电极构成的第1薄膜晶体管。
3.根据权利要求1所述的发光元件的驱动电路，其特征在于包括：由具有与扫描线连接的栅极、与信号线连接的源极、漏极的第2薄膜晶体管，与第1存储电容构成的存储电路。
4.根据权利要求1所述的用于发光元件的驱动电路，其特征在于：流过所述恒流源的电流被分配给所述第一开关元件和所述发光元件，并且根据来自所述扫描线和所述信号线的信息控制流过所述第一开关元件的电流，从而控制所述发光元件的接通断开状态。
5.根据权利要求4所述的用于发光元件的驱动电路，其特征在于：通过控制所述发光元件的接通断开状态来控制其发光时间，从而实现灰度等级显示。
6.根据权利要求1所述的用于发光元件的驱动电路，其特征在于：流过所述恒流源的电流被分配给所述第一开关元件和所述发光元件，并且根据来自所述扫描线和所述信号线的信息控制流过所述第一开关元件的电流，从而控制所述发光元件的发光强度。
7.根据权利要求1所述的发光元件的驱动电路，其特征在于：通过上述第2开关元件的切换，对发光元件的接通断开进行控制。
8.根据权利要求7所述的发光元件的驱动电路，其特征在于：上述第2开关元件是由源极，漏极，栅极这样3个电极构成的第3薄膜晶体管。
9.根据权利要求8所述的发光元件的驱动电路，其特征在于：具有由第4薄膜晶体管和第2存储电容构成的第2存储电路，该存储电路的输出端与上述第3薄膜晶体管的栅极连接。
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