CN1975520A - 液晶显示器的像素架构与其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种驱动液晶分子层的方法,用于一液晶显示装置,其包括一第一基板、一第二基板及数个像素结构,其中每一像素结构具有至少一个切换元件,该切换元件具有一第一电极及一第二电极,及该液晶分子层设于该第一基板及该第二基板之间,该方法包括步骤:在该第一电极及该第二电极间形成一第一势能差,以产生一第一电场;及以该第一电极及该第二电极执行一初始化程序,以将该液晶分子层中其液晶的排列状态由扩张态转换至过渡态,在该第一基板及该第二基板之间提供一第二势能差,以产生一第二电场,用于将该液晶分子层中其液晶的排列状态由过渡态转换至弯曲态。

Description

液晶显示器的像素架构与其驱动方法
【技术领域】
本案涉及一种用于液晶显示装置的像素结构及其驱动方法,特别是指一种用于光学补偿双折射式(OCB)液晶显示装置的像素晶体管结构及其驱动方法
【背景技术】
近年来,越来越多关于液晶显示器的研发系将焦点集中如何以光学补偿双折射式(optically compensated birefringence,OCB)单元取代扭转式向列型(twisted nematic,TN)单元而将其作为液晶单元而应用在液晶显示器相关产品上。对于OCB液晶显示器而言,在启动时经由对液晶分子施加额外电压,令其排列由原本的同质态(homogenousstate)转变至扩张态(splay state),然后再施加一较高的电压差至OCB式液晶显示器,使其中的液晶分子由扩张态转变为弯曲态(bendstate)。但上述的转变需要消耗使用者一些时间。对OCB单元而言,其在弯曲态时,顶部及底部的分子群总是以对称的方式排列,以此补偿液晶分子群产生的双折射,其相较于取向分配(orientation division)方法,更有利于使用者获得均匀的全方向视角,且对于设计精良的OCB单元而言,其反应时间极可能较传统TN单元的反应时间快一个级数(order)以上。
请参照图1A及图1B,分别用于显示OCB式液晶显示器其中的液晶分子处于扩张态及弯曲态。如图1A所示,在扩张态时,液晶分子104在上层及下层基板100及102间均匀扩张,但当一电压差施加至上层及下层基板100及102后,液晶分子104将转换至弯曲态,如图1B中所示,故对于OCB式液晶显示装置而言,液晶分子104由扩张态转换至弯曲态的转换时间为影响OCB式液晶显示装置性能的因素之一,因为OCB式液晶显示装置其光电特性必须要在液晶分子处于弯曲态时方可发挥。
然而,在一些早期的专利当中已揭露了部分的液晶显示装置的像素结构,如US 6,115,087、US 6,226,058、US 6,661,491及US 6,597,424等美国专利中,但这些专利中所揭露的像素结构并不适合应用在OCB式液晶显示装置中,此外,US 6,933,916的美国专利,揭露了一种通过在像素中布置额外的电极而驱动其中的液晶分子的方法,或如同在US 6,801,284美国专利中揭露了一种位于像素中的辅助结构,以助于产生高电压差。但就上述这些专利而言,虽然对于已知的像素结构改良具有某种程度上不可抹灭的贡献,但这些贡献都将造成液晶显示装置其孔径比的大幅降低,而导致液晶显示装置其亮度及对比度的降低。
此外,虽然在某些专利当中亦揭露了一些驱动液晶分子的方法,如在Takayuki Konno et al.,(US 6,873,377)及Katsuji Hattori et al.,(US6,671,009)的专利中,均揭露了关于驱动OCB式液晶显示装置的方法,及Hajime Nakamura et al.,(US 6,005,646)亦揭露了另一种关于驱动薄膜晶体管式液晶显示装置(TFT/LCD)的方法,然而就上述专利仍存在了相当的缺陷。举例而言在Katsuji Hattori et al.所提出的专利中,必须对液晶显示装置输入非常复杂电子信号输入程序,且必须额外设计一个电路,专门负责操控这种复杂的电子信号输入程序,故KatsujiHattori et al.所提出的专利因此而具有较高的制造成本,且这种依赖复杂的电子信号输入程序的驱动方法难以应用在实际的产品制造上,由其在目前讲究轻薄的潮流中,更是难以受到青睐。此外,在HajimeNakamura et al.的专利中,单一电极和共用电极间的势能差必须超过10伏特,及栅电极和单一电极间的势能差也必须超过10伏特,但如此势必造成液晶分子过慢的过渡时间(transition time)及不佳的均匀度。
基于以上所述,由于OCB式液晶显示装置其光电特性必须要在液晶分子处于弯曲态时方可发挥,因此OCB式液晶显示装置中的液晶分子,必须能够有效且迅速的由扩张态(非显示状态)转换至弯曲态(显示状态),因此就已知的OCB式液晶显示装置其像素电极布置而言,其驱动液晶分子的结构及方法,仍存有许多可改良之处,因此迫切需要一种驱动液晶分子的结构及方法,可有效提升OCB式液晶显示装置的孔径比、工作亮度、更清晰的对比及良好的均匀性等特性。
鉴于上述,本发明提出了一种液晶显示器的像素结构及其驱动方法,能够克服上述已知液晶显示装置的各种缺点。
【发明内容】
本发明提出一种关于驱动液晶显示装置中的液晶分子的驱动方法,其无须在像素中布置多余的电极,仅利用薄膜晶体管的源极及漏极、像素电极及共用电极等已知液晶显示装置的元件,仅须对各类电极施以不同的调变电压,即可驱动夹在其中的液晶分子,采用此种驱动方法的液晶显示装置将具有极佳的孔径比,并可大幅提升液晶显示装置的画质,更可有效提升其亮度及其色彩对比度。
根据本发明的构想,提出一种驱动液晶分子层的方法,用于一液晶显示装置,所述液晶显示装置包括一第一基板、一第二基板及数个像素结构,其中每一个像素结构具有至少一切换元件,该切换元件具有一第一电极及一第二电极,及该液晶分子层设于该第一基板及该第二基版之间,该方法包括步骤:在该第一电极及该第二电极间形成一第一势能差,以产生一第一电场;及以该第一电极及该第二电极执行一初始化程序,以将该液晶分子层中其液晶的排列状态由扩张(splay)态转换至过渡(transition)态,在该第一基板及该第二基板之间提供一第二势能差,以产生一第二电场,用于将该液晶分子层中其液晶的排列状态由过渡(transition)态转换至弯曲(bend)态。
根据本发明的构想,提出一光学补偿双折射式液晶显示装置,由上述驱动液晶分子层的方法进行驱动。
根据本发明的构想,再提出一种操作液晶显示装置的方法,该液晶显示装置包括一第一基板、一第二基板及数个像素结构,其中该第一基板及该第二基板间设有一液晶层,及每一个像素结构具有至少一切换元件,该切换元件具有一第一电极及一第二电极,该方法包括步骤提供一脉冲信号至该第一电极及该第二电极其中之一,并提供一周期脉冲信号至上述选定的该第一电极及该第二电极其中之一的另一电极,以产生一第一电场;在该第一基板及该第二基板之间提供一势能差,以产生一第二电场;通过该第一电场及该第二电场驱动该液晶显示装置由启动阶段转换至常规操作状态;及提供操作信号至该第一电极及该第二电极。
根据本发明的构想,提出一光学补偿双折射式液晶显示装置,由上述一种操作液晶显示装置的方法进行驱动。
【附图说明】
图1A是OCB式液晶显示器其中的液晶分子处于扩张态的示意图;
图1B是OCB式液晶显示器其中的液晶分子处于弯曲态示意图;
图2A是本发明的光学补偿双折射式液晶显示装置其第一种像素结构示意图;
图2B图2A中沿AA’剖线的横截面视图;
图2C本发明的光学补偿双折射式液晶显示装置其第二种像素结构示意图;
图2D本发明的光学补偿双折射式液晶显示装置其第三种像素结构示意图;
图3A本发明中所揭露的第一实施例的示意图;
图3B本发明中所揭露的第二实施例的示意图;及
图3C本发明中所揭露的第三实施例的示意图。
【附图符号说明】
100:上层基板                    102:下层基板
104:液晶分子
201:液晶分子                    202:像素电极
203:数据线                      204:门线
2031:第一电极                   2041:门线延伸部
205:第一基板                    206:薄膜晶体管
207:第二基板                    2061:第二电极
208:公共电极                    209:间隙
210:配向膜之rubbing direction
【具体实施方式】
本发明将可由以下的实施例说明而得到充分了解,使得本领域的普通技术人员可以实现,然而本发明的实施并非受到下列实施案例的限制。
请参照图2A、图2C及图2D,它们为本发明的光学补偿双折射式液晶显示装置的像素结构示意图,而图2B为图2A中沿AA’剖线的横截面视图。
如图2A、图2C及图2D中所示,其中门线(gate line)204在靠近与数据线203交会处具有门线延伸部2041,除了已示于图2A、图2C及图2D中的形状外,门线延伸部2041的外形可为三角形、矩形、L形、阶梯状、V形及延伸状等等,通常门线延伸部2041的形状亦与第一电极2031及第二电极2061间的形状将趋于一致,并由于第一电极2031及第二电极2061两者间的形状为互补,因此介于两者间的间隙209其形状亦与第一电极2031及第二电极2061的形状一致,因此基本上第一电极2031、第二电极2061及间隙209其形状亦可为三角形、矩形、L形、阶梯状、V形及延伸状等(另如Z字形、曲柄状、波浪状、框架状、十字形、L字形、楼梯状、弯曲状、蜿蜒状、曲折状等等)。此外,第一电极2031及第二电极2061与数据线203在同一层中形成,做为薄膜晶体管206的漏极的第一电极2031与做为薄膜晶体管206的源极的第二电极2061均为V形,两者均通过做为薄膜晶体管206的栅极的延伸部2041上方,其中第一电极2031为数据线203的延长,第二电极2061电连接至像素电极202。再者,第一电极2031及第二电极2061均为V形,且两者其V形的尖端点的虚拟连线,恰与液晶分子的配向(rubbing direction)方向210在实质上一致,以此以缩短相变过渡(phase transition)时间。
基于以上的电路布置,数据线203首先将信号传送至第一电极2031,再通过门线204传送一门信号以开启(turn on)栅极,此时第一电极2031及第二电极2061经由薄膜晶体管206通道而电性连接,而后原本经由第一电极2031所传送的信号亦同时被传送至第二电极2061,再由于第二电极2061与像素电极202间有电性连接,该信号亦被同步传送至像素电极202,借此以在液晶显示装置上产生图像(未示于图中)。实际生产时,间隙209其宽度通常自1μm至15μm,较佳者自3μm至6μm,而像素电极202以透明导体所制成,如氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)、氧化铟锌(indium zinc oxide,IZO)、氧化铟锡锌(indium tin zinc oxide,ITZO)或铝掺杂氧化锌(Aluminumdoped zinc oxide,AZO)。
再者,如同图2B中所示,公共电极208位于第一基板(上层玻璃板)205之上,像素电极202则位于第二基板(下层玻璃板)207之上,而液晶分子201则夹在上层玻璃板205及下层玻璃板207之间。此外,第一电极2031及第二电极2061位于同一层中,同时覆盖于延伸部2041之上。
在驱动具有如图2A、图2C及图2D中所示像素结构OCB式液晶显示装置时,首先通过调变介于第一电极2031与第二电极2061间的侧向电场(第一势能差)以形成一种子液晶(未示于图中),该种子液晶处于弯曲态(bend state),再通过调变介于像素电极202与公共电极208间的垂向电场(第二势能差),以启动一初始化程序,该程序用于将该种子液晶的弯曲态传递给其他液晶分子,主要目的在于将处于过渡态的液晶分子的排列状态转换至弯曲态。以上是将平行于上层玻璃板205及下层玻璃板207的方向定义为侧向,将垂直于上层玻璃板205及下层玻璃板207的方向定义为垂向,且第一电压及第二电压为周期脉冲信号,此外,第一势能差通过分别对于第一电极2031及第二电极2061提供一第一电压与一第二电压而形成,薄膜晶体管206则用于控制前述分别提供电压的步骤。
对于侧向电场而言,其最小压差的建议差值为10伏特,然而较佳值约落在12~13伏特间,基本上液晶分子在相变后的均匀度与电压差值间有密切的关联。同样的,对于垂向电场而言,其最小压差的建议差值为20伏特,而垂向电场的压差最大值则决定于系统可供给的最大电压。在侧向电场中所存在的势能差必须具有时变的特性,方可促使液晶分子进行相变,故对于产生侧向电场的第一电压及第二电压采用周期脉冲信号。
基于上述原理,可推知至少三种液晶分子驱动的实施例,将分别说明如下,请同时参考图3A至图3C,分别为本发明中所揭露的不同实施例的示意图。首先参照图3A,为本发明第一种液晶分子驱动实施例的给定电压信号变化示意图,亦请同时参照图2A~(D)。首先在启动阶段前,对门线204末端的延伸部2041(作为门电极)施加一门信号Vgate,此一门信号Vgate为正脉冲(高电压信号)信号用以开启薄膜晶体管206,薄膜晶体管开启后,再对第一电极2031、第二电极2061及像素电极202施加一数据信号Vdata,此一数据信号Vdata分为两种方式传输,其一是经由数据线203施加至第一电极2031,其二是经由薄膜晶体管206施加至第二电极2061及像素电极202,此时门信号Vgate将迅速转变为负脉冲(或低电压信号)以关闭薄膜晶体管206,此后,门信号Vgate在整个启动阶段时,均将保持在负脉冲(或低电压信号)的输入状态,在整个启动阶段,第二电极2061及像素电极202将维持先前写入的数据信号Vdata并储存在电极上,以维持在第一电压的电位,此外,当薄膜晶体管206关闭时,经由数据线203施加至第一电极2031的数据信号Vdata(周期脉冲信号)仍持续供应,以产生第二电压的电位,其电压波形为阶跃函数状的高低压交替的电压信号,以持续在第一电极2031及第二电极2061之间产生第一势能差,也就是侧向电场。当第一势能差达到10伏特时,在其中的液晶分子将因第一电场的驱动而由扩张(splay)态转换至过渡(transition)态,此外,另对共用电极208施加第三电压Vcom,以在像素电极202及共用电极208间形成第二势能差,也就是垂向电场,在其中的液晶分子将因第二电场的驱动而迅速的由过渡态转换至弯曲态,第二电场将促使处于弯曲态的种子液晶将其弯曲态传播至所有在整个像素范围内的液晶分子,使其全部转换至弯曲态,此称为初始化程序。举例言之,若第一电压为6伏特,第二电压则建议设定为-6伏特,而第三电压则建议设定为-25伏特。当液晶分子完成状态的转换后,液晶显示装置进入常规操作状态,系统将经由门线204、数据线203、第一电极2031、第二电极2061及像素电极202开始对像素施加操作信号,在此阶段,第三电压将随之转变至正常的电压范围,就是5~7伏特之间。
请继续参照图3B,为本发明第二种液晶分子驱动实施例的给定电压信号变化示意图,亦请同时参照图2A~(D)。此处所提出的第二种液晶分子驱动实施例是基于前述第一种液晶分子驱动实施例改进获得的。在启动阶段前,门线204及栅极2041施加一门信号Vgate,此一门信号Vgate为正脉冲(高电压信号)信号用以开启薄膜晶体管206。薄膜晶体管开启后,再对第一电极2031、第二电极2061及像素电极202施加一数据信号Vdata,此一数据信号Vdata分为两种方式传输,其一经由数据线203施加至第一电极2031,其二经由薄膜晶体管206施加至第二电极2061及像素电极202,此时门信号Vgate将迅速转变为负脉冲(或低电压信号)以关闭薄膜晶体管206,此后,门信号Vgate在整个启动阶段时,均将保持在负脉冲(或低电压信号)的输入状态,在整个启动阶段,第二电极2061及像素电极202将维持先前写入的数据信号Vdata并储存在电极上,以维持在第一电压的电位,此外,当薄膜晶体管206关闭时,经由数据线203施加至第一电极2031的数据信号Vdata(周期脉冲信号)仍持续供应,以产生第二电压之电位,其电压波形为阶跃函数状,具有较前述第一实施例为缓和的高低压交替的电压信号,以持续在第一电极2031及第二电极2061之间产生第一势能差,也就是侧向电场。在此对数据信号Vdata采用较缓和的电压波形其原因在于,其可对液晶分子提供更佳的驱动效果,减少液晶分子停留在过渡阶段的时间。当第一势能差达到10伏特时,在其中的液晶分子将因侧向电场的驱动而由扩张态转换至过渡态,此外,另对共用电极208施加第三电压Vcom,以在像素电极202及共用电极208间形成第二势能差,也就是垂向电场,在其中的液晶分子将因第二电场的驱动而迅速的由扩张态转换至过渡态,再转换至弯曲态,第二电场将促使处于弯曲态的种子液晶将其弯曲态传播至所有在整个像素范围内的液晶分子,使其全部转换至弯曲态,此称为初始化程序。当液晶分子完成状态的转换后,液晶显示装置进入常规操作状态,系统将经由门线204、数据线203、第一电极2031、第二电极2061及像素电极202开始对像素施加操作信号,在此阶段,第三电压将随之转变至正常的电压范围,就是5~7伏特之间。
请继续参照图3C,为本发明第三种液晶分子驱动实施例的给定电压信号变化示意图,亦请同时参照图2A~(D)。此处所提出的第三种液晶分子驱动实施例是基于前述第一种液晶分子驱动实施例改进获得的,但又与所述第二种液晶分子驱动实施例有别。由于储存在像素电极202及第二电极2061中的第一电压将随着时间的演进而衰减,因此本实施例的重点在于维持启动阶段中第一电压的电位。经由数据线203施加至第一电极2031的数据信号Vdata(周期脉冲信号)基本上是具有高低压交替的电压信号,但在前述两个实施例中,门信号Vgate仅在启动阶段前瞬间为正脉冲(高电压信号)信号,用以开启薄膜晶体管206,之后便迅速转变为负脉冲(或低电压信号)以关闭薄膜晶体管206,然后在整个启动阶段门信号Vgate便维持在低电压的状况,但在本实施例中,门信号Vgate可以在启动阶段的任意时间中转变为高电压信号,其变动周期并不需要与Vdata的信号周期一致,用以在于启动阶段中对持续对储存在第二电极2061以及像素电极202上的第一电压进行充电,以维持第一电压在第二电极2061及像素电极202上的应有电位。然而无论薄膜晶体管206是开启或关闭的,数据信号Vdata将持续在第一电极2031上保持具有第二电压的电位状态,以持续在第一电极2031和第二电极2061间保持第一势能差,以产生侧向电场,当第一势能差达到10伏特时,在其中的液晶分子将因侧向电场的驱动而由扩张态转换至过渡态,此外,另对共用电极208施加第三电压Vcom,以在像素电极202及共用电极208间形成第二势能差,也就是垂向电场,在其中的液晶分子将因第二电场的驱动而迅速的由扩张态转换至过渡态,再转换至弯曲态,第二电场将促使处于弯曲态的种子液晶将其弯曲态传播至所有在整个像素范围内的液晶分子,使其全部转换至弯曲态,此称为初始化程序。举例言之,若第一电压为6伏特,第二电压则建议设定为由-6伏特,而第三电压则建议设定为-25伏特。当液晶分子完成状态的转换后,液晶显示装置进入常规操作状态,系统将经由门线204、数据线203、第一电极2031、第二电极2061及像素电极202开始对像素施加操作信号,在此阶段,第三电压将随之转变至正常的电压范围,就是5~7伏特之间。
综合而言,本发明提出一种经由调变于第一电极2031及第二电极2061间的势能差而产生侧向电场,及经由调变于像素电极202及共用电极208间的势能差而产生垂向电场而驱动液晶分子的方法,经实验后发现,以本发明所提出的方法所驱动的液晶分子,其由启动至常规操作状态仅须耗时约1~3秒钟,另,实验结果亦显示,在三种实施例中,无论对第一电极或第二电极施加交流电压或直流电压,其中液晶分子的状态转换速度其耗时均小于3秒钟,其耗时远较已知的一般的液晶显示装置为迅速。
采用本发明所提出的驱动方法,可无须在像素中布置多余的电极以驱动液晶分子,因本发明通过薄膜晶体管的源极及漏极、像素电极及共用电极等原本就是液晶显示装置所必要的元件,另施以不同的调变电压而驱动位于其中的液晶分子,实施本发明所提出的驱动方法的液晶显示装置具有极佳的孔径比因此将大幅提升液晶显示装置的画质。相较于传统的LCD均须额外布置电极以驱动液晶分子的方法,本发明还可有效提升LCD的亮度及其色彩对比。另请特别注意,本说明书中上述所揭露的三种电压调变实施例仅为举例说明,本发明的实施并非局限于上述三种的实施例。本发明的保护范围由后附的权利要求限定。

Claims (24)

1、一种驱动液晶分子层的方法,用于一液晶显示装置,该液晶显示装置包括一第一基板、一第二基板及数个像素结构,其中每一个像素结构具有至少一切换元件,该切换元件具有一第一电极及一第二电极,及该液晶分子层设于该第一基板及该第二基版之间,该方法包括步骤:
在该第一电极及该第二电极间形成一第一势能差,以产生一第一电场;及
以该第一电极及该第二电极执行一初始化程序,以将该液晶分子层中其液晶的排列状态由扩张态转换至过渡态。
2、根据权利要求1所述的方法,其中该切换元件为一薄膜晶体管(TFT),及该第一电极与该第二电极为该薄膜晶体管的漏极与源极。
3.根据权利要求1所述的方法,其中该第一势能差为至少10V的一侧向电压差。
4.根据权利要求1所述的方法,还包括步骤:
分别提供一第一电压及一第二电压给该第一及第二电极以形成该第一势能差。
5.根据权利要求4所述的方法,其中该步骤由该切换元件所控制。
6.根据权利要求4所述的方法,其中一第一电压及一第二电压选自一周期脉冲信号及一脉冲信号其中之一。
7.根据权利要求1所述的方法,其中初始化程序还包括步骤:
在该第一基板及该第二基板之间提供一第二势能差,以产生一第二电场,用于将该液晶分子层中其液晶的排列状态由过渡态转换至弯曲态。
8.根据权利要求7所述的方法,其中该第二势能差为至少20Volt的一垂向电压差。
9.一光学补偿双折射式液晶显示装置,由根据权利要求7所述的方法驱动。
10.根据权利要求9所述的装置,还包括一像素电极及一共用电极,分别形成于彼此相对之该第一基板及该第二基板之上,用以产生该第二势能差。
11.根据权利要求9所述的装置,其中介于该第一电极及该第二电极间的一间隙的间距范围在1μm至15μm内。
12.根据权利要求11所述的装置,其中介于该第一电极及该第二电极间的一间隙的间距范围在1μm至o6μm内。
13.根据权利要求9所述的装置,其中该第一电极及该第二电极的外观为V字型。
14.根据权利要求13所述的装置,其中该第一电极及该第二电极以互补方式排列。
15.根据权利要求13所述的装置,其中该V字型其端点的连线实质上与摩擦配向方向平行。
16.一种操作液晶显示装置的方法,该液晶显示装置包括一第一基板、一第二基板及数个像素结构,其中该第一基板及该第二基版间设有一液晶层,及每一该数个像素结构具有至少一切换元件,该切换元件具有一第一电极及一第二电极,该方法包括步骤:
提供一脉冲信号至该第一电极及该第二电极其中之一,并提供一周期脉冲信号至上述选定的该第一电极及该第二电极其中之一的另一电极,以产生一第一电场;
在该第一基板及该第二基板之间提供一势能差,以产生一第二电场;
通过该第一电场及该第二电场驱动该液晶显示装置由启动阶段转换至常规操作状态;及
提供操作信号至该第一电极及该第二电极。
17.根据权利要求16所述的方法,其中该切换元件为一薄膜晶体管(TFT),及该第一电极与该第二电极为该薄膜晶体管之漏极与源极。
18.根据权利要求16所述的方法,还包括步骤:
提供一开启信号以开启该切换元件,以便于提供一脉冲信号至该第一及该第二电极其中之一。
19.根据权利要求18所述的方法,还包括步骤:
提供一关闭信号以关闭该切换元件,以便于提供一周期脉冲信号至该第一及该第二电极其中之一以产生一第一电场,该第一及该第二电极电性连结至一数据线。
20.一光学补偿双折射式液晶显示装置,由根据权利要求19所述的方法驱动。
21.根据权利要求18或19所述的方法,其中在该启动阶段中,该开启信号及该关闭信号为周期信号。
22.根据权利要求18所述的方法,其中该脉冲信号为电压信号。
23.根据权利要求19所述的方法,其中该周期脉冲信号的最大值与最小值间的势能差至少为10V。
24.根据权利要求16所述的方法,其中该势能差为至少20V的一垂向电压差。
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