CN1589463A - 具有两种驱动模式的双稳态液晶设备 - Google Patents

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Abstract

在AMLCD低压驱动中，使用在高电压模式中在两个稳态之间切换的扭曲向列型双稳态液晶(2)。图像电极(14)和计数器电极(15)是主动矩阵的一部分，使得也能够以快速视频模式来使用显示器。因此，提供了一种双稳态液晶显示设备，其具有两种驱动模式，即用于需要较慢开关时间和较低能量消耗的应用的低频模式(第一驱动模式，也称为“双稳态模式”、“被动模式”或“高电压模式”)，以及用于灰度图像和视频应用的高频模式(第二驱动模式，也称为“主动模式”，“主动矩阵驱动模式”或“快速视频模式”)。

Description

具有两种驱动模式的双稳态液晶设备
本发明涉及一种包含位于第一衬底和第二衬底之间的向列型液晶材料的液晶显示设备，至少一衬底具备定义像素的电极，所述设备包含用于以在两个稳态之间驱动的第一模式来驱动像素的驱动装置。
基于向列型液晶材料的双稳定性的液晶显示器效果已众所周知。一个例子是表明两个稳态的超扭曲向列效应，其在从移动电话到便携式电脑的许多显示器应用中被使用。例如Dozov等人(“RecentImprovements of Bistable nematic Displays Switched by AnchoringBreaking”，SID 2001，第224-7页)以及Guo等人(“Three-terminalbistable twisted nematic liquid crystal displays”，AppliedPhysics Letters，第77卷，第23期，第3716-3718页)已描述了其他双稳态的电-光效应。
如果更新频率低，那么双稳态的液晶显示器具有很低的能量消耗。这使他们非常适合于在移动设备中的应用、例如电子书。然而，在这些应用中，对可以显示具有颜色、灰度和视频内容的图像的需求不断增长。
通常不太可能利用双稳态的电-光效应来满足这些要求。一般而言，这些效应仅限于一些颜色应用以及对于视频应用(要求10-20ms级的开关时间)来说太慢的开关时间(300ms级)。
本发明的一个目的是通过提供一种具有两种驱动模式的双稳态液晶显示设备来克服这些缺点，所述两种驱动模式就是用于要求较慢的开关时间的应用的低频模式和用于例如视频应用的高频模式。
此外，本发明的另一个目的是提供一种同样适用于视频应用或其他需要高频模式的应用的双稳态液晶显示设备。
为此，根据本发明，液晶显示设备包括以下部分：用于以在两个稳态之间驱动的第一模式来驱动像素的驱动装置，在所述第一驱动模式中，从一个衬底向另一个衬底方向看，处于稳态的液晶分子具有不同的扭角，以及用于以在像素的两个光极限值之间驱动的第二模式来驱动像素的驱动装置，在所述第二驱动模式中，从一个衬底向另一个衬底方向看，液晶分子扭角的差值基本上是恒定的。
在这方面，最优化的极限值可以参考电压-光传播曲线、电压-光反射曲线或电压-光吸收曲线中的极限值。
本发明是基于下面的理解：通过避免使分子在第二驱动模式中扭曲太多，分子在可以由开关设备提供的电压确定的中间状态之间更快的转换。在第二模式中，可以通过将像素上的电压限制在一个最大值上来避免扭曲太多，基本上在该最大值上触发到其他双稳态的转换。在该第二模式中，由于表明效应或由于驱动的性质(例如由于侧向转换域)，在所述第二模式中从一个衬底向另一个衬底方向看，液晶分子扭角的差值可能不同于处于一个稳态时扭角的差值。
在第一驱动模式中，通常需要较高的开关电压。如果在第二模式中使用主动矩阵驱动(例如TFT-矩阵)，那么通常该主动矩阵将不能提供第一驱动模式所需的高电压，此外将必须在可能与完整的帧周期不一致的时间周期内调节所述第一驱动模式。在许多情况下，需要较短的脉冲来以所述第一驱动模式建立双稳态。在一个可能的解决方法中，显示器具备两个完整的驱动系统、即主动矩阵和例如通过提供第二衬底上的条形电极的被动(如果必要，具有复位)驱动系统，所述条形电极可以从分离的被动矩阵类型的驱动芯片处来驱动。在主动矩阵模式中，用适当的信号来短路(实际上)和驱动第二衬底上的电极。此外，如果标准列驱动器为被动(复位)驱动提供的电压不充分，那么也可以将列连接到第二(更高电压)芯片上。
在第一个实施方案中，液晶显示设备在第一衬底上具有用于每个像素的梳型电极以及另一个电极。
在该实施方案中，用于以第一驱动模式来驱动像素的驱动装置为第一衬底上的梳型电极提供驱动脉冲并且为另一个电极提供驱动脉冲。
如果第二衬底具备条形电极，那么这时液晶显示设备就具有用于以第一驱动模式来驱动像素的驱动装置并且为第一衬底上的梳型电极提供驱动脉冲以及为另一个条型电极提供驱动脉冲。
与在主动矩阵模式中相比，在第一驱动模式中通常需要更高的电压。为了避免使用高电压驱动器，可以引入包含使像素达到一个规定状态的装置的驱动装置，因此可以使用商业上可用的(低电压)驱动设备。
为此，液晶显示设备的一个实施方案包含在第一衬底上的两个用于每行图像电极的行电极以及列电极，开关元件包含至少两个薄膜式晶体管，每个薄膜式晶体管可以由所述两个行电极之一来选择。
在另一个实施方案中，通过电容耦合来产生用于使像素达到规定状态的脉冲。
如果在第一衬底上的像素包含至少三个电极，驱动装置包含用于在不同(优选地为基本上垂直的)方向上产生电场的装置，那么在第二(主动矩阵)驱动模式中的驱动速度被提高。
如果必要，第二(主动矩阵)驱动模式可以被应用于双稳态液晶显示设备，而无需与第一(被动的)模式耦合。于是，该设备包含用于以在像素的两个光极限值之间驱动的模式来驱动像素的驱动装置，在所述驱动模式中从一衬底向另一衬底方向看，液晶分子扭角的差值基本上是恒定的。
参考下文所描述的实施方案来阐述本发明的这些和其他方面，并且通过这些实施方案将很容易理解本发明的各个方面。
在附图中：
图1是显示设备的电路图，
图2是根据本发明的设备的显示单元的横截面，
图3是在根据本发明的设备的显示单元中图像电极的平面图，
图4是在图3中的线IV-IV上所取的横截面，
图5示出了这样一个显示设备的响应，
图6示出了可应用本发明的另一效应，
图7，8是在根据本发明的设备的显示单元中其他图像电极的平面图，
图9是在根据本发明的另一设备的显示单元中图像电极的平面图以及驱动脉冲，
图10示出了用于产生列脉冲的设备的一部分，而
图11，12是在根据本发明的其他设备的显示单元中图像电极的平面图和驱动脉冲，以及
图13是另一个显示单元的横截面。
附图仅用于原理示意，而非按比例描绘；相应的部分一般用相同的参考数字来表示。
图1是可应用本发明的显示设备1的一部分的等效电路图。其包括在行或选择电极17和列或数据电极6的交叉范围处的像素18的矩阵。在通过行驱动器16连续地选择行电极时，通过数据寄存器5为列电极提供数据。为此，如果必要，首先在处理器10中处理输入数据8。借助于驱动线7产生行驱动器16和数据寄存器5之间的相互同步。
在被称为“主动模式”的驱动模式中，来自行驱动器16的信号通过薄膜式晶体管(TFT)19选择图像电极，所述薄膜式晶体管(TFT)19的门极20被电连接到行电极17上并且源极21被电连接到列电极上。位于列电极6的信号经TFT传递到与漏极22耦合的像素18的图像电极。其他的图像电极被连接到例如一个(或多个)共同的计数器电极15。
图2是位于例如由玻璃或(能变形的)合成材料构成的两个衬底3、4之间的一部分液晶材料2的横截面，所述两个衬底分别具备(ITO或金属的)图像电极(没有示出)和计数器电极(没有示出)。如Guo等人(“Three-terminal bistable twisted nematic liquid crystaldisplays”，Applied Physics Letters，第77卷，第23期，第3716-3718页)所描述的，如果使用双稳态液晶显示器，那么在两个双稳态φ，φ+π之间发生转换(如图2a所示，其中液晶分子(的导向偶极子27)扭曲(右侧)或者不扭曲(左侧))。
通过相当高的(15-30V级的)电压脉冲实现两个稳态之间的转换，用于转换的阈值电压相当高。然而，发明人已发现，通过使用所述阈值电压以下的电压，在两个传播极限值之间的灰度范围内，在灰度之间快速转换的驱动模式是可能的。两个状态之一可以是第一状态，如图2b(左侧)所示，在该状态中基本上所有液晶分子(的导向偶极子27)都具有平行于第一衬底3的方向。该状态类似于两个双稳态之一。在其他的传播极限值中，出现引入偏振变化的液晶分子(的导向偶板子27)的倾斜。在这个实施例中，在交叉的起偏振器之间，依赖于所使用的电压获得一个黑色的像素(左侧，无电压)或者获得一个白色或灰色的像素(右侧)。因为基本上不出现扭曲，所以所述在两个传播极限值之间的驱动可以比在双稳态之间的驱动快很多。
液晶分子(的导向偶极子27)不是必须倾斜。也就是说与“平面转换”效应相比，扭曲效应是可能的。在图3，4中示出了使用该效应的像素。图3是平面图，以及图4是在图3液晶设备的一部分中的线IV-IV上所取的横截面。液晶材料2出现在例如玻璃或(能变形的)合成材料的两个衬底3、4之间，这两个衬底分别配备有(ITO或金属)梳型图像电极14和计数器电极15。图像电极14的梳型引入了在双稳态之间转换所需的边缘场。该设备还包括使液晶材料定位在衬底内壁上的定位层13。此外，该设备包括起偏器(没有示出)和(相互垂直地交叉的)分析器。在这种情况下，液晶材料是(扭曲)向列型材料，其具有正的非传导性的各向异性。此外，该设备包括通过绝缘层11与图像电极14绝缘的(ITO)接地平面电极12。
在第一驱动模式、“双稳态模式”或“被动模式”中，使用梳型图像电极14上的信号Vcomb(由图4b中的模式30所表示的电压)和接地平面电极12上的Vcomb(由图4b中的模式31所表示的电压)分别从暗的状态转换到亮的状态以及从亮的状态转换到暗的状态。
图3示出了行或选择电极17和列或数据电极6。如上所述，在被称为“主动模式”的第二驱动模式中，经(如图所示)薄膜式晶体管(TFTs)选择图像电极，当所述薄膜式晶体管的门极20被电连接到行电极17时，源极21被电连接到列电极。在列电极6上出现的信号经TFT传递到图像电极14。依赖于所使用的电压，在液晶分子中引起一些定义了特定灰度值的扭曲和倾斜。然而，像素上的信号不应这么高，以致可能发生到其他双稳态的转换。
图5示出了一种以快速的“主动模式”转换的方法。首先，类似于图4(与帧周期相比，复位脉冲可能很短)，在计数器电极15和电极12、14之间，通过充分高的电压(例如40V)复位(一部分)显示器。随后，在第一个帧周期tf1期间，电压Vcount被保持在例如0V(电压模式32)，同时为图像电极14和接地平面电极1 2提供高电压(Vcomb，Vground，电压模式30，31)。如果必要，可以为图像电极14和接地平面电极12提供相同的电压，例如通过引入额外的箕舌线。在后面的帧周期中的线选择期间，计数器15和电极12、14之间的(较低的)电压定义了灰度值。由参考数字33表示了由此产生的传输曲线。
如图4b所示，在第一驱动模式中，通过所述薄膜式晶体管(TFTs)来应用所述复位电压以及“双稳态模式”或“被动模式”信号。
基于Dozov等人所描述的效应(“Recent Improvements of BistableNematic Displays Switched by Anchoring Breaking”，SID 2001，第224-7页)，将相似的要点应用于设备。图6再次示出了两个双稳态φ、φ+π，在这两个双稳态中，液晶分子(的导向偶极子27)扭曲(右侧，T状态)或者不扭曲(左侧，U状态)。脉冲模式35介绍了从U状态到T状态的转换，反之(电压)脉冲模式36介绍了从T状态到U状态的转换。利用被动矩阵中的这个效应，用直到16V的线电压和±2V的列电压可以实现多路驱动。
图1的显示设备在每个像素的位置上还包括一个辅助电容器23。可以将该辅助电容器一端连接在漏极22与像素给定行中的像素的交点上，另一端连接在前一行像素的行电极上；例如在所述交点和下一行像素之间，或如图1所示在该点和额外的用于固定(或可变)电压的行电极17之间，可以可选地实现其他配置。
在该实施方案中，显示设备包括分离的电极15，但这些电极也可以作为单个的公用电极(计数器电极)而被提供。如后面将要讨论的，这些附加的电容器可以参与产生高电压脉冲，正如复位(部分的)显示屏或为双稳态寻址(第一模式)产生高电压脉冲所需。
在图7中，矩阵列驱动器5配备了提供充分高的电压Vreset(脉冲40)以用于复位和双稳态寻址(第一模式)的驱动器。通过下列方式实现电压脉冲必要的持续时间：在第一线时间t11期间，经由行电极17所选择的TFT晶体管19选择电压Vt(脉冲42)，并且在规定的时间周期tr之后，经由附加的行电极17’在第二线时间t12期间所选择的第二个TFT晶体管19’使该电压回到0。晶体管19’的漏极21(经电容或直接)被耦合到电压线34、在本实施例中为接地线。可选地，在规定的时间周期tr之后，可以再次选择TFT晶体管19以使每个像素复位到参考电压(例如0)(图8)。该复位脉冲可以从显示屏的顶部扫描到底部(每次一行)或被应用于整个显示屏。
图9示出了一个实施方案，其中低电压列驱动器5不产生充分高的电压以实现如上所述的复位驱动。与图1的显示器相似，示出了显示器的一部分，像素18由其电容CIc来表示。使用与该像素平行的、由电容Cstore表示的存储电容器23以将(附加的)电压耦合到像素。在该实施方案中，分离的选择线17’被用于电压与像素的耦合。首先，在时刻t1用可从列驱动器获得的最大电压Vcmax来驱动该像素，之后，在时刻t2通过电容耦合加上附加电压(图9b中的实线)。通过选择线17’上所施加的电压Vcap和像素与存储电容器(优选大存储容量电容)的比值来确定该附加电压的幅值，同时通过存储电容线上的脉冲来确定时间间隔t2-t3。由
ΔV＝Vcap·(Cstore/(CIc+Cstore))来确定该附加电压。不需要高选择电压的像素可以通过下列方式来选择：首先将这些像素驱动到最低可能的列驱动器电压上(在本实施例中即为0V，参见图9b中的点划线)或者甚至就在应用电容耦合之前将这些像素驱动到相反极性的最大电压上(图9b中的虚线)。这样，这些像素将不会达到转换所需的电压，并且将保持在最初规定的状态。如图1所示，存储电容器也可以连接到下一行或前一行的电极17上。
在图10的实施方案中，列线6可以直接连接到高电压线44上。在该实施方案中，在作为单独的高电压(能量)线44的列驱动器IC中可获得高电压。用每个(IC)输出缓冲器46中的开关45将列线6连接到高电压线44上或连接到标准低电压(灰度)输出驱动电路47。为了改变双稳态，像素被驱动到高电压上并且保持一个较长的周期(例如全帧周期或其积分)。不需要改变状态的像素将被直接连接到低电压输出驱动电路47上(图10中列1和3)。
当以双稳态模式驱动显示器时，必须激活高电压线。为了减少能量消耗，在显示器以标准的主动矩阵模式工作时，禁用高电压线(切断高电压能量供应)是可取的。因此，优选地依赖于所使用的显示模式而改变能量供应电压。
在图11中示出了获得如图6所示的脉冲(用于如Dozov等人(“Recent Improvements of Bistable Nematic Displays Switched byAnchoring Breaking”，SID 2001，第224-7页)所描述的设备))的实施方案。通过施加一个高电压(例如15V)并且以到扭曲状态的单个步骤恢复到0V(图11b中的脉冲48)或者利用在中间电压处的停顿(图11b中到非扭曲状态的脉冲49)来执行选择。
在该实施方案中，利用低电压列驱动器，(经TFT19’)将像素连接到从行驱动器16处可达到的高电压选择线17’上。在这个直接驱动的实施方案中，可以在第一个帧期间内在时刻t1使一行中的所有像素寻址到高电压(从Vselect)，然后在使所有像素在第三个帧中恢复到0V之前，执行到0V(图11b中的脉冲48)的选择或者在第二个帧期间在时刻t2执行到中间电压(例如5V)(图11b中的脉冲49)的选择。也可以更快地驱动这些设备。例如，当信号的第一部分(如t1-t2所表示的上阈值)可以是至少50μs的时候，信号的第二部分可以具有任何在50μs和一个帧时间之间的持续时间。紧跟在选择整个显示屏之后，在施加第二个门脉冲之前，可以逐线进行选择以使分离的线依次达到规定的状态。
图12示出了一个实施方案，其中用如图9所述的相似方法，从分离的电容器线处使用电容耦合而将(整行的)像素驱动到高电压上。所有像素被再次寻址到最大像素电压Vmax上，然后寻址到Vselect上。该选择电压通过增加电容电压ΔV(例如在将像素驱动到像素电压Vmax之后的一段线时间)而再次获得。在这种情况下，电压被保持为高，直到正好在后面的寻址周期(在后面的帧中)之前，电容耦合恢复到0。在下一个寻址周期，直接在电容电压阶跃之后(在几个微秒之内)，待扭曲的像素被寻址到0V(与图11b中的线48类似的图12b中固定的线)。这在LC看来似乎电压直接恢复到0V，并且将建立扭曲状态。不应被扭曲的像素应寻址到中间像素电压(例如像素电压Vmax)，并且在后面的帧(与图11b中的线49类似的图12b中的虚线)中，在恢复到0V之前，在充分长的周期内被保持在所述电压上。
当分子根据灰度值在不同的位置之间倾斜时，通过“动态驱动”提高了尤其是在“主动”模式中的驱动速度。在图13中示出了一个实施例，其中图像电极14已被分解成由分离的列线和TFTs(没有示出)驱动的子电极14a、14b。依赖于数据线和计数器电极15上的电压，在这些电极之间引入了电场。电极14适合于产生平行于衬底3、4的电场51，而这些电极与计数器电极15一起适合于产生垂直于衬底3、4的电场52。通过在转换期间适当地选择电压，由此产生的电场施加在液晶分子(的导向偶极子)上的扭距在“主动”模式中的接通和切断期间都被最优化。
本发明的被保护范围并不局限于所述实施方案。例如，图6中所述的脉冲形状36可以是不同的(线性的或在第二部分按指数下降)，例如借助于必要时由一个附加的开关控制的(可控)电阻器达到(固定)电压。本发明在于每个新颖的特有特征以及特有特征的每个组合。权利要求中的参考数字并不限制它们的保护范围。动词“包括”以及其变化的使用不排斥存在不同于那些在权利要求中所述的元件。在元件之前的冠词“一个”的使用不排斥存在多个这样的元件。

Claims (18)

1.包含位于第一衬底和第二衬底之间的向列型液晶材料的液晶显示设备，至少一衬底具备定义像素的电极，所述设备包含以下部分：用于以在两个稳态之间驱动的第一模式来驱动像素的驱动装置，在所述第一驱动模式中从一衬底向另一衬底方向看，处于稳态的液晶分子具有不同的扭角；以及用于以在像素的两个光极限值之间驱动的第二模式来驱动像素的驱动装置，在所述第二驱动模式中从一衬底向另一衬底方向看，液晶分子的扭角差值基本上是恒定的。
2.如权利要求1所述的液晶显示设备，其中在所述第二模式中从一衬底向另一衬底方向看的液晶分子的扭角差值不同于在所述第一驱动模式中的扭角差值。
3.如权利要求1所述的液晶显示设备，其中在第二模式中像素上的电压具有一个最大值，在所述最大值上不发生到第一模式的转换。
4.如权利要求1所述的液晶显示设备，包括在第一衬底上的、位于驱动电极和图像电极之间的开关元件。
5.如权利要求4所述的液晶显示设备，包括在第一衬底上的行电极和列电极，所述开关元件是薄膜式晶体管。
6.如权利要求4所述的液晶显示设备，包括在第二衬底上的条形电极。
7.如权利要求1所述的液晶显示设备，具有在第一衬底上的用于每个像素的梳型电极和另一个电极。
8.如权利要求6所述的液晶显示设备，包括第二衬底上的条形电极，所述用于以第一驱动模式来驱动像素的驱动装置为所述第一衬底上的所述梳型电极提供驱动脉冲，并且为所述第二衬底上的所述条形电极提供驱动脉冲。
9.如权利要求7所述的液晶显示设备，其中所述用于以第一驱动模式来驱动像素的驱动装置为所述第一衬底上的所述梳型电极提供驱动脉冲，并且为所述另一个电极提供驱动脉冲。
10.如权利要求1所述的液晶显示设备，其中所述第一衬底上的像素包括至少两个电极，所述驱动电极包括用于在两个不同的方向产生电场的装置。
11.如权利要求10所述的液晶显示设备，其中在所述设备中所述电场具有基本上垂直的方向。
12.如权利要求1所述的液晶显示设备，其中用于以所述第一模式驱动的驱动装置包括用于使像素达到规定状态的装置。
13.如权利要求12所述的液晶显示设备，包括第一衬底上的行电极和列电极，所述开关元件包括薄膜式晶体管，所述驱动装置包括用于产生使像素达到所述规定状态的脉冲的装置。
14.如权利要求12所述的液晶显示设备，包括在所述第一衬底上的用于每行图像电极的两个行电极以及列电极，所述开关元件包括至少两个薄膜式晶体管，每个薄膜式晶体管可通过所述两个行电极之一来选择。
15.如权利要求12所述的液晶显示设备，其中通过电容耦合产生用于使像素达到所述规定状态的脉冲。
16.如权利要求1所述的液晶显示设备，其中在所述第一驱动模式中从一衬底向另一衬底方向看，扭角的差值基本上是180度或是180度的倍数。
17.液晶显示设备，包括位于第一衬底和第二衬底之间的向列型液晶材料，至少一衬底具备定义像素的电极，所述液晶分子可以获得从一衬底向另一衬底方向看而具有不同扭角的两个稳态，所述设备包括用于以在像素的两个光极限值之间驱动的模式来驱动像素的驱动装置，在所述驱动模式中从一衬底向另一衬底方向看，所述液晶分子的扭角差值基本上是恒定的。
18.如权利要求11所述的液晶显示设备，其中像素上的电压具有一个最大值，在所述最大值上不发生到另一稳态的转换。
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