CN1787063A - 液晶显示器设备及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

在光学补偿弯曲(OCB)模式液晶的液晶显示器(LCD)设备以及驱动该设备的方法中，对于预定时间长度，源驱动器向液晶的像素电极施加变换脉冲波电压。该脉冲波电压最大为5到7伏特，并且具有100到500Hz的频率。相应地，因为不需要施加高电压的DC－DC转换器，并且因为使用低初始弯曲变换电压，所以降低了制造成本与功耗。

Description

液晶显示器设备及其驱动方法
技术领域
本发明涉及液晶显示器(LCD)设备，更具体地，涉及一种在具有光学补偿弯曲(OCB)模式的LCD设备中提供脉冲波电压以加速液晶弯曲变换(bendtransition)的LCD设备，以及驱动LCD的方法。
背景技术
与阴极射线管(CRT)相比，LCD设备较薄、重量小、功耗低，并且具有较少的电磁波辐射。因此，LCD设备已经被广泛用作诸如手机、计算机、以及个人数字助理(PDA)等便携式信息设备的显示器。
然而，根据观察角度，LCD设备具有不同的亮度与颜色，并且具有狭窄的观看角度。已经提出了解决该观看角度问题的各种途径。
例如，为了提高LCD设备的观看角度范围，人们已经应用了以下的技术：在光导面板上排列棱镜片，以提高从背光发射来的光的直线性，使得垂直方向上的亮度提高大于30％。另外，人们还正在采用提供负补偿膜以提高观看角度范围的技术。
另外，人们开发了平面内开关(In Plane Switching)模式，以得到160°的宽阔观看角度，该观看角度几乎与CRT的相同。然而，该方法具有低孔径比，因此需要进一步的改进。
另外，为了提高观看角度范围，人们提出了TFT驱动技术，包括光学补偿弯曲(OCB)模式、聚合物分散液晶(PDLC)模式、变形螺旋铁电(DeformedHelix Ferroelectric，DHF)模式等等。
具体地，因为OCB方法具有较快的液晶响应速度与较宽的观看角度，因此其为许多研究与开发的重点。
至于OCB模式的操作，在上板电极与下板电极之间排列的液晶的初始配向状态为均质状态，并且当在上下板电极上施加预定电压时，液晶的状态通过瞬间斜展(transient splay)与非对称斜展，改变为弯曲(bend)状态，然后以OCB模式操作。
OCB液晶单元一般具有大约10°到20°的倾角，大约4μm到7μm的厚度，并且配向层以相同方向摩擦(rubbed in the same direction)。
液晶层中间部分中的液晶分子为左右对称排列，因此在小于预定的电压上倾角为0°，在大于预定的电压上倾角为90°。开始施加高电压，从而液晶层中间部分中的液晶分子的倾角变为90°，然后改变所提供的电压，以改变未在液晶层中间部分中的液晶分子的倾角，由此调制通过液晶层的光的极性。
排列中间部分中的液晶分子的倾角从0°到90°需要数十秒，并且响应时间快至10，这是因为没有回流(back flow)，并且其弯曲较大弹性模量的转换。
一般地，当OCB模式为接通状态时，从瞬间斜展至非对称斜展的变换较快，并且从瞬间斜展至弯曲状态的变换相对较快，但是从非对称斜展至弯曲状态的变换较慢。
当OCB模式为关断状态时，从弯曲状态至均质状态的变换较慢，但是从瞬间斜展至均质状态的变换、或者从非对称斜展至均质状态的变换较快。
关于对于液晶弯曲配向的、相对于变换电压Vt的变换时间T，如果变换时间T长，则显示屏幕所需的准备时间较长，并且功耗增加，这是因为在变换时间T期间，所提供的电压高。如果变换电压Vt高，则功耗高，并且需要高性能电源。
如上所述，花费预定时间、即变换时间T，来获得OCB模式的弯曲配向。为了降低变换时间T，必须对液晶的两端施加高电压。
为了缩短初始弯曲变换的变换时间，在变换时间T期间，初始施加DC变换电压Vt，然后提供具有对应于图像信号的波形的数据电压，以在屏幕显示周期内显示图像。如果如上所述地提高变换电压Vt，则预期会缩短变换时间T，但是因为LCD具有精细结构，所以不可能在液晶(LC)电容器的终端之间提供超过耐受电压的电压。另外，为了提供高电压，需要相应的电源。当使用LCD设备作为便携式终端的监控器时，这会增加便携式终端的大小。
为了得到快速的初始弯曲变换，上述的LCD设备一般向液晶的两端施加大于15伏特的高电压。作为提供该高电压的电源，利用现有的LCD模块，可以使用源驱动器来提供数据电压，或者可以另外提供DC电压供应电路，例如DC-DC转换器，以向公共电极提供高电压。
然而，当从源驱动器提供高电压时，需要能够耐受高电压的绝缘设计。现有的源驱动器一般设计来耐受大约5.5伏特的电压。然而，因为对于初始弯曲变换需要大于15伏特的高电压，所以当设计源驱动器时，必须考虑电压耐受结构，这会增加源驱动器的体积与制造成本。
另外，当向公共电极提供高电压时，需要分离的线路提供高电压，这会使制造工艺变得复杂。因为必须另外提供DC电压供应电路，例如DC-DC转换器，所以也增加了制造成本。
发明内容
本发明提供了一种可以通过提供脉冲波电压作为OCB模式液晶弯曲变换的初始电压而缩短变换时间的LCD设备，以及驱动该设备的方法。
根据本发明的一种示范性实施例，提供了一种液晶显示器(LCD)设备，该设备包含：液晶显示器(LCD)面板，包括排列在多条扫描线与多条数据线交叉部分上的多个像素电路，每个像素电路都具有包含公共电极、像素电极、以及液晶的液晶(LC)电容器；扫描驱动器，用来通过多条扫描线施加选择多个像素电路的门极电压；源驱动器，用来通过多条数据线对多个像素电路施加数据电压；背光，用来向LCD面板发射光；背光控制器，用来向背光施加背光电压；以及定时控制器，用来施加控制扫描驱动器、数据驱动器、以及背光控制器的控制信号；其中对于初始驱动阶段中的预定时间长度，源驱动器向多个像素电路施加变换脉冲波电压。
根据本发明的另一种示范性实施例，提供了一种驱动液晶显示器(LCD)设备的方法，该设备包含：多个像素电路，每个像素电路都具有由像素电极、公共电极、以及液晶构成的液晶(LC)电容器；LCD面板，具有排列在多条扫描线与多条数据线交叉部分上的多个像素电路；扫描驱动器，用来向多个像素电路施加门极电压；源驱动器，用来对多个像素电路施加数据电压；以及背光控制器，用来向排列在LCD面板背面部分上的背光施加驱动电压；所述方法包括：对于预定时间长度，从源驱动器输出变换脉冲波电压；在经过该预定时长之后，从源驱动器输出数据电压；以及向LCD面板发射背光的光。
附图说明
通过参照以下结合附图的详细描述，将容易获得对本发明及其诸多优点的更完整理解，其中
图1为用来描述OCD模式操作的液晶状态的视图；
图2为对于液晶弯曲配向的、相对于变换电压的变换时间的图示；
图3为相对于时间的、提供给LCD设备液晶的电压的图示；
图4为根据本发明实施例的、通过利用低脉冲波电压而迅速达到初始弯曲配向的LCD设备的方框图；
图5为本发明实施例的LCD设备中的NxM像素电路中的一个代表性像素电路的电路图；
图6为相对于时间的、提供给本发明LCD设备液晶的电压的图示，其显示了根据本发明实施例驱动LCD设备液晶的过程；
图7A与7B为当向根据本发明实施例的LCD设备施加变换脉冲波电压与变换DC电压时的液晶状态变化的照片；和
图8为根据对液晶弯曲变换应用变换电压的液晶状态变化的照片。
具体实施方式
图1为用来描述OCD模式操作的液晶状态的视图。
参照图1，在上板电极与下板电极之间排列的液晶的初始配向状态为均质状态，并且当在上下板电极之间施加预定电压时，液晶的状态通过瞬间斜展与非对称斜展，改变为弯曲状态，然后以OCB模式操作。
如图1所示，OCB液晶单元具有大约10°到20°的倾角，大约4μm到7μm的厚度，并且配向层以相同方向摩擦。
液晶层中间部分中的液晶分子为左右对称排列，因此在小于预定的电压上倾角为0°，在大于预定的电压上倾角为90°。开始施加高电压，从而液晶层中间部分中的液晶分子的倾角变为90°，然后改变所提供的电压，以改变未在液晶层中间部分中的液晶分子的倾角，由此调制通过液晶层的光的极性。
排列中间部分中的液晶分子的倾角从0°到90°需要数十秒，并且响应时间快至10，这是因为没有回流，并且其弯曲较大弹性模量的转换。
一般地，当OCB模式为接通状态时，从瞬间斜展至非对称斜展的转换较快，并且从瞬间斜展至弯曲状态的转换相对较快，但是从非对称斜展至弯曲状态的转换较慢。
当OCB模式为关断状态时，从弯曲状态至均质状态的转换较慢，但是从瞬间斜展至均质状态的转换、或者从非对称斜展至均质状态的转换较快。
图2为对于液晶弯曲配向的、相对于变换电压Vt的变换时间T的图示。
为了保证液晶的弯曲变换，变换电压Vt与变换时间T的值应该在图2实线之上。如果变换时间T长，则显示屏幕所需的准备时间较长，并且功耗增加，这是因为在变换时间T期间，所提供的电压高。如果变换电压Vt高，则功耗高，并且需要高性能电源。因此，最好围绕所述实线设置变换电压Vt与变换时间T。例如，如果变换电压Vt设置为15伏特，则在5秒种内实现变换。
如上所述，花费预定时间、即变换时间T，来获得OCB模式的弯曲配向。如图2所示，为了降低变换时间T，必须对液晶的两端施加高电压。
图3为相对于时间的、施加到LCD设备液晶的两端的电压的图示。
参照图3，为了缩短初始弯曲变换的变换时间，在变换时间T期间，开始施加大约15伏特DC变换电压Vt，然后施加具有对应于图像信号的波形的数据电压，以在屏幕显示周期内显示图像。如果如上所述地提高变换电压Vt，则预期会缩短变换时间T，但是因为LCD具有精细结构，所以不可能在液晶(LC)电容器的终端之间提供超过耐受电压的电压。另外，为了施加高电压，需要相应的电源。当使用LCD设备作为便携式终端的监控器时，这会增加便携式终端的大小。由此，提供高于20伏特的电压是不现实的，并且需要至少一秒的变换时间。
现在参照附图更全面地描述本发明，在附图种显示了本发明的实施例。
图4为根据本发明实施例的、通过利用低脉冲波电压而迅速达到初始弯曲配向的LCD设备的方框图。
参照图4，本发明的LCD设备包括：定时控制器100、扫描驱动器200、源驱动器300、LCD面板400、背光控制器500、以及背光600。
LCD面板400包括在多条扫描线S1至Sn和多条数据线D1至Dm的交叉点上形成的多个像素电路410。以下参照图5描述像素电路410。
图5为本发明实施例的LCD设备中的NxM像素电路中的一个代表性像素电路的电路图。
参照图5，每个像素电路410都包括开关晶体管MS、LC电容器CLC、以及存储电容器Cst。开关晶体管MS的源极连接到数据线Dm，开关晶体管MS的门极连接到扫描线Sn。响应于门电压，导通开关晶体管MS，并且向LC电容器CLC传送数据电压。LC电容器CLC由像素电极、公共电极COM、以及像素电极与公共电极之间的OCB模式LC层构成，并且通过开关晶体管MS传送的数据电压施加到像素电极。存储电容器Cst与LC电容器CLC并联连接，用来在预定时间周期期间存储数据电压。对于OCB模式液晶的弯曲变换，当在驱动LCD设备的初始阶段导通开关晶体管MS时，通过数据线Dm向像素电极施加变换脉冲波电压，从而液晶经过弯曲变换。在完成了弯曲变换之后，通过数据线Dm施加图像显示的数据电压。
返回参照图4，如下驱动LCD面板400：扫描驱动器200通过多条扫描线S1至Sn施加门电压，并且驱动器300通过多条数据线D1至Dm向相应像素施加数据电压。
扫描驱动器200持续通过多条扫描线S1至Sn施加门电压，并且驱动器300通过多条数据线D1至Dm施加变换脉冲波电压，直至完成初始弯曲变换。可以通过按照预定时间间隔通断预定电压，生成该变换脉冲波电压。在当前可用的源驱动器300的情况下，该预定电压可以在5至7伏特的范围内。因此，因为在OCB模式的液晶分子的初始驱动阶段施加了幅度低于平常的变换脉冲波电压，所以在液晶层中间部分中的液晶分子倾角可以迅速倾斜到90°角。
在LCD设备的初始驱动阶段，定时控制器100施加控制信号Sd与Sg，该信号控制扫描驱动器200与源驱动器300，从而向像素电极施加预定电压，例如5至7伏特，直至液晶完全经过弯曲变换。在液晶弯曲变换之后，定时控制器100施加控制信号Sd与Sg，从而扫描驱动器200与源驱动器300输出门电压，用来选择像素电路以及数据电压，以显示图像。在完成液晶弯曲变换之后，定时控制器100向背光控制器500施加背光控制信号Sb，以驱动背光600。
背光控制器500施加预定电压，以根据从定时控制器100施加的背光控制信号Sb，驱动排列在LCD面板400背部上的背光600。根据场顺序驱动方法，背光600可以由红色LED、绿色LED、以及蓝色LED构成，其依次输出红色光、绿色光、以及蓝色光；或者根据使用滤色镜的驱动方法，背光600可以由输出白色光的白色LED或冷阴极荧光灯(CCFL)构成。当LCD设备使用滤色镜驱动时，在每个像素的公共电极上排列红色、绿色、以及蓝色的滤色镜。
如上所述，LCD设备使用源驱动器300来施加5至7伏特的变换脉冲波电压，以在初始驱动阶段迅速进行液晶的弯曲变换，并且因此不需要DC-DC变换器来施加高电压。相应地，减少了制造成本与功耗。
图6为驱动根据本发明的实施例的LCD设备的液晶过程的时序图。
参照图6，在本发明的LCD设备中，对于初始驱动阶段的液晶弯曲变换，在变换时间T期间，源驱动器300通过数据线D1至Dm向像素电极施加具有预定频率的脉冲波电压，作为变换电压Vtb。脉冲波电压的峰值电压与源驱动器300的最大输出相关，并且优选地在5至7伏特的范围内。在完成了液晶的弯曲变换之后，在图像显示周期期间，施加对应于正常图像信号的数据电压波形，并且驱动背光以显示图像信号。如图6所示，本发明的LCD设备提供短于普通变换时间Ta的变换时间Tb，这是因为对于液晶的初始弯曲变换、向液晶的两端施加了低于高DC电压Vta的变换脉冲波电压Vtb。
图7A与7B为当向根据本发明实施例的LCD设备施加变换脉冲波电压与变换DC电压时的液晶状态变化的照片。
图7A显示当在500Hz频率上施加6伏特变换脉冲波电压0.5秒时的液晶变换状态。如图7A所示，当施加6伏特变换脉冲波电压时，完成了LCD面板整个液晶的弯曲变换。虽然该变换脉冲波电压只施加了0.5秒，但是也可以与普通变换时间一样，施加1秒。即，变换脉冲波电压的变换时间优选为0.5至1秒。另外，因为LCD面板400中的薄膜晶体管(TFT)以100Hz频率驱动，所以变换脉冲波电压优选具有100-500Hz范围内的频率。
在另一方面，图7B显示当施加6伏特DC电压0.5秒时的液晶变换状态。当向液晶施加6伏特DC电压时，LCD面板中的整个液晶如图7B所示地演变，其中部分1表示正在进行变换的部分，部分2表示根本没有进行变换的部分。可以看出，施加变换脉冲波电压使液晶的弯曲变换比当施加恒定DC电压时的要快。
以下参照图8解释当施加变换脉冲波电压时弯曲变换较快的原因。
图8为根据对液晶弯曲变换应用变换电压的液晶状态变化的照片。
参照图8，左侧的灰色部分表示斜展状态，右侧的黑色部分表示弯曲状态，中间部分表示当施加变换脉冲波电压时、在电压脉冲期间以及脉冲之间的液晶状态变化。
为了OCB模式的弯曲变化，从斜展状态至弯曲状态的变换以大于预定能量的水平进行。为了从斜展状态变换到弯曲状态，其经过非连续能量区间。当向液晶施加DC电压时，需要非常高的变化电压与长变换时间以经过该非连续能量区间。这就是为什么通常的LCD设备向液晶施加高DC电压的原因。
然而，当施加变换脉冲波电压时，形成了初始变换核，如图8所示，然后当部分地经过弯曲变换的部分由于在脉冲之间缺乏供应电压而恢复到斜展状态时，施加另一变换脉冲波电压。由此，考虑到弯曲增长，与施加DC电压相比，施加变换脉冲波电压效率更高，并且即使在低电压上也可能进行初始弯曲变换。
如上所述，当施加DC电压时，在弯曲增长边界上需要高电压，该弯曲增长边界为图8的中间部分，并且增长速度慢。当施加变换脉冲波电压时，边界处的非连续能量与施加DC电压时相比相对较低。
如上所述，本发明的LCD设备通过在液晶上施加低至5到7伏特的变换脉冲波电压，可以造成液晶中快速弯曲变换。另外，因为变换脉冲波电压由源驱动器施加，所以不需要用来施加高电压的、通常的DC-DC变换器。相应地，降低了制造成本与功耗。
对于本领域技术人员来说，显然可以在不脱离本发明的精神或范围的前提下对本发明进行各种修改与变化。因此，本发明覆盖对本发明的这些修改与变化，只要其在权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种液晶显示器设备，包含：
液晶显示器面板，包括排列在多条扫描线与多条数据线交叉部分上的多个像素电路，每个像素电路都具有包含公共电极、像素电极、以及液晶的液晶电容器；
扫描驱动器，用来通过多条扫描线施加选择多个像素电路的门极电压；
源驱动器，用来通过多条数据线对多个像素电路施加数据电压；
背光，用来向液晶显示器面板发射光；
背光控制器，用来向背光施加背光电压；以及
定时控制器，用来施加控制扫描驱动器、数据驱动器、以及背光控制器的控制信号；
其中对于初始驱动阶段中的预定时间长度，源驱动器向多个像素电路施加变换脉冲波电压。
2.如权利要求1所述的设备，其中液晶为光学补偿弯曲液晶。
3.如权利要求2所述的设备，其中预定时间长度对应于液晶从斜展状态变换到弯曲状态所需的时间。
4.如权利要求3所述的设备，其中预定时间长度在0.5到1秒的范围内。
5.如权利要求2所述的设备，其中最大变换脉冲波电压在5到7伏特的范围内。
6.如权利要求5所述的设备，其中最小变换脉冲波电压为0伏特。
7.如权利要求5所述的设备，其中公共电极接地。
8.如权利要求2所述的设备，其中变换脉冲波电压具有100到500Hz范围内的频率。
9.如权利要求2所述的设备，其中当正在提供变换脉冲波电压时，定时控制器向背光控制器施加控制信号以关断背光。
10.如权利要求2所述的设备，其中背光包括：用来依次发射红色光、绿色光、以及蓝色光的红色发光二极管、绿色发光二极管、以及蓝色发光二极管。
11.如权利要求2所述的设备，其中背光包括：发射白色光的白色发光二极管或冷阴极荧光灯。
12.如权利要求11所述的设备，还包括用来过滤从背光发射的光的红色、绿色、以及蓝色滤色镜。
13.如权利要求2所述的设备，其中每个像素电路都包含：
开关晶体管，用来响应于扫描线的选择电压，向像素电极传送通过数据线传送的脉冲波电压或者数据电压；以及
存储电容器，用来存储脉冲波电压或者数据电压。
14.一种驱动液晶显示器设备的方法，该设备包含：多个像素电路，每个像素电路都具有由像素电极、公共电极、以及液晶构成的液晶电容器；液晶显示器面板，具有排列在多条扫描线与多条数据线交叉部分上的多个像素电路；扫描驱动器，用来向多个像素电路施加门极电压；源驱动器，用来对多个像素电路施加数据电压；以及背光控制器，用来向排列在液晶显示器面板背面部分上的背光施加驱动电压；所述方法包括：
对于预定时间长度，从源驱动器输出变换脉冲波电压；
在经过该预定时长之后，从源驱动器输出数据电压；以及
向液晶显示器面板发射背光的光。
15.如权利要求14所述的方法，其中液晶为光学补偿弯曲液晶。
16.如权利要求15所述的方法，其中预定时长对应于液晶从斜展状态变换到弯曲状态所需的时间。
17.如权利要求15所述的方法，其中预定时间长度在0.5到1秒的范围内。
18.如权利要求15所述的方法，其中最大变换脉冲波电压在5到7伏特的范围内。
19.如权利要求18所述的方法，其中最小变换脉冲波电压为0伏特。
20.如权利要求18所述的方法，还包括：在对于预定时间长度从源驱动器输出变换脉冲波电压期间，将公共电极接地。
21.如权利要求15所述的方法，还包括：在对于预定时间长度从源驱动器输出变换脉冲波电压期间，扫描驱动器通过多条扫描线向多个像素电路施加门极电压；以及在经过该预定时长度之后，从源驱动器输出数据电压。
22.如权利要求15所述的方法，其中变换脉冲波电压具有100到500Hz范围内的频率。
23.如权利要求15所述的方法，还包括：背光利用红色、绿色、以及蓝色发光二极管依次发射红色光、绿色光、以及蓝色光。
24.如权利要求15所述的方法，还包括：背光利用白色发光二极管或冷阴极荧光灯发射白色光。
25.如权利要求24所述的方法，还包括：液晶显示器设备利用红色、绿色、以及蓝色滤色镜过滤由背光发射的光。
26.如权利要求15所述的方法，还包括：
响应于扫描线的选择电压，每个像素电路向像素电极传送通过数据线传送的脉冲波电压或者数据电压；以及
存储脉冲波电压或者数据电压。
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