DE2904596C2

DE2904596C2 - Flüssigkristall-Anzeigematrix

Info

Publication number: DE2904596C2
Application number: DE2904596A
Authority: DE
Inventors: Kohei Tenri Nara Kishi; Keisaku Nara Nonomura; Keiichiro Yamatokoriyama Nara Shimizu; Hisashi Yamatokoriyama Nara Uede
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1978-02-08
Filing date: 1979-02-07
Publication date: 1983-07-28
Also published as: US4386352A; GB2016780A; GB2016780B; DE2953769C2; DE2904596A1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode in Streifen (31) unterteilt ist, die jeweils einer Bildpunktzeile mit gemeinsamer Gate-Leitung (2, 8) zugeordnet sind, daß an die Streifen (31) während ungeradzahliger Zyklen eine Nullspannung und während geradzahliger Abtastzyklen eine Spannung angelegt ist, die gegenüber der Drain-Spannung (Vd) eines angeschalteten Bildelementes (4) eine Phasenverschiebung von 180° sowie eine umgekehrte Polarität aufweist, daß bei angeschalteten Bildelementen (4) während der geradzahligen Abtastzykleii die Somte-Spa-.mung die Nullspannung ist und während dtr 'jngerad/.ahligen Abtastzyklen Source-Spannungsimpuls>. (Vs, VsI) angelegt sind, und bei abgeschalteten Bildelementen (4) während der ungeradzahligen Abtastzyklen die Source-Spannung die Nullspannung ist und während der geradzahligen Abtastzyklen Source-Spannungsimpulse (Vs, Vs) angelegt sind.

2. Anzeigematrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Spannungsimpulse (Vsi) jeweils ein Paar aus einem positiven und negativen Impuls sind, wobei deren Impulsbreitenverhältnis derart gewählt ist, daß die bei abgeschalteten Bildelementen sich über den Abschaltwiderstand des zugehörigen Dünnfilmtransistors aufbauende Spannung für jeden Abtastzyklus denselben Betrag hat.

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristall-Anzeigematrix gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Flüssigkristali-Anzeigematrix ist aus der Veröffentlichung IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. Ed-20, 1973, Nr. 11, S. 995- 1001, bekannt und wird zum besseren Verständnis kurz erläutert.

Die in Fig. 1 der Zeichnung für vier Bildelemente dargestellte bekannte Schaltung enthält für jedes Bildelement der Anzeigematrix einen Dünnfilmtransistor 3 und eine Speicher-Kapazität 5. Das zugehörige Impulsdiagramm ist in F i g. 2 dargestellt.

Durch Anlegen der Source-Spannung V\ an die Source-Elektrode 1 und der Gate-Spannung — V\ an die Gate-Elektrode 2 von Fig. 1 wird der Dünnfilmtransistor in den leitenden (ON) Zustand versetzt, so daß die mit der Kapazität 4 (de) des Flüssigkristallmaterials verbundene Speicher-Kapazität 5 (C₅) über den Leitungswiderstand Ron des Dünnfilmtransistors von der Source-Elektrode 1 her aufgeladen wird. Damit ändert sich das Potential (VDrain i) der Drain-Elektrode 6 gemäß nachstehender Formel:

V₁

('-ir)

worin

ISt.

Wenn dann die Gate-Spannung der Gate-Elektrode 2 auf + Vi geladen wird, sperrt der Dünnfilmtransistor 3 (OFF-Zusiand). Anschließend beginnt eine Entladung der Kapazitäten 4 (C_Lc und 5(Cs) über den Abschaltwiderstand Roff des Dünnfilmtransistors 3 und den Widerstand Rlc des Flüssigkristallmaterials. Da die Beziehung

Roff> Ron. Rlc> Roff

zwischen den Widerständen Roff, fite und Ron besteht, erfolgt dieser Entladeprozeß sehr langsam, so daß das Potential (V Drain 2) der Drain-Elektrode für einen relativ langen Zeitraum beträchtlich hoch bleibt, wie aus folgender Formel hervorgeht:

V Drain 2

"••ir

OFF

HC

_0FF

R_LC

worin
J5 r2 = (Qc + C

ist

Der Ablauf dieses Lade- und Entladeprozesses geht aus Fig.2 hervor. Die Effektivspannung der Drain-Elektrode, d. h. die sich über ein beireffendes Flüssigkristall-Element entwickelnde Effektivspannung ist beträchtlich hoch und ermöglicht eine kontrastreiche Anzeige, obwohl die an die Source-Elektrode 1 angelegte Spannung ein kleines Nutzimpuls-Verhältnis und einen sehr geringen Effektivwert hat.

Der nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip arbeitende bekannte Zellenaufbau ist in F i g. 3 dargestellt und besteht im wesentlichen aus einem Substrat 22 mit Dünnfilmtransfetoranordnung sowie einem Gegensubstrat 23. Das Substrat 22 trägt den Dünnfilmtransistor 3, die Kapazität 5 und eine Elektrode U, die nach einer bekannten Vakuumtechnik auf einer Glasunterlage 7 aufgetragen und als X- oder Y-Leitungen ausgebildet sind. Das Gegensubstrat 23 trägt einen vollständig transparenten leitfähigen Film 17, der sämtlichen Anzeigeelementen gemeinsam zugeordnet und auf einer weiteren Glasunterlage T aufgetragen ist. Beide Elektrodensubstrate sind einem konventionellen TN-(twisted nematic)-Ausrichtungsprozeß wie einer schrägen Bedampfung und Reibbehandlung unterzogen worden, nachdem transparente Isolierschichten 14 und 15 aus SiO, S1O2 und dergleichen darauf abgelagert wurden. Die beiden Substrate sind über ein Dichtungselement 21 miteinander verkittet worden, und der Hohlraum zwischen ihnen ist mit einem geeigneten Flüssigkristalimaterial gefüllt. Außerhalb der Flüssigkristall-Anzeigematrixtafel befindet sich mindestens ein

Paar Polarisatoren 18,19 und ein Reflektor 20.

Der Aufbau gemäß F i g. 3 enthält eine Gate-Elektrode 8 aus Al oder dergleichen, eine Elektrode 9 der Kapazität Cs einen Isolierfilm 10 für das Gate des TFT und als Dielektrikum der Kapazität Cs die bereits erwähnte Elektrode 11 des Flüssigkristallelements, eine Source-Elektrode 12, eine Drain-Elektrode 13 und eine Halbleiterschicht 24.

Bei der Ansteuerung der Schaltung von Fig. 1 mit den in Fig.2 dargestellten Spannungen ergibt sich wegen der unsymmetrischen Betriebscharakteristik üblicher Dünnfilmtransistoren bezüglich der Polarität der angelegten Drainspannung zusätzlich zur reinen Wechselspannung eine Gleichspannungskomponente.

Solange nämlich die Spannung-Strom-Charakteristik (Vd-Id) des TFT sich symmetrisch zur Polarität verhält, ist auch eine Idealform der Drain-Spannung vorhanden, die keine Gleichspannungskomponente enthält, wie man in Fi g. 2(c) erkennt In Wirklichkeit ist jedoch die Betriebscharakteristik (Vd-Id) konventioneller TFT's (Dünnfilmtransistoren) nicht ideal gemäß F i g. 4, sondern asymmetrisch in bezug auf die Polarität, , wie in F i g. 5 dargestellt ist Die Wellenform der ' Drain-Spannung, d. h. der über das Flüssigkastallmaterial angelegten Spannung ist somit asymmetrisch gemäß Fig.2(d). Dadurch besteht die Gefahr, daß dem Flüssigkristallmaterial eine Spannung zugeführt wird, die eine Gleichspannungskomponente enthält und die Lebensdauer der Flüssigkristall-Anzeigematrix verkürzt in

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristall-Anzeigematrix der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein Gleichspannungsanteil in der Betriebswechselspannung eingeschalteter Bildpunktelemente vermieden wird. Diese Aufgabe wird durch die im » Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die gemeinsame Elektrode mit einer Spannung versorgt wird, deren Impulsform während ungeradzahliger bzw. geradzahliger Abtastzyklen jeweils unter- 4» schiedlich ist. Einem zu beschreibenden bestimmten Bildelement der Anzeigematrix wird eine Spannung zugeführt, welche einen Phasenunterschied von 180° gegenüber der Spannung aufweist, die der gemeinsamen Elektrode aufgeprägt wird. Das Flüssigkristallmaterial ·»"> erhält somit eine reine Wechselspannung. Dagegen erhält ein nicht zu beschreibendes Bildelement ein? Spannung, welche mit der an die gemeinsame Elektrode gehenden Spannung in Phase liegt; das Flüssigkristallmaterial erhält dann im wesentlichen keine Spannung. >» Die Merkmale des Unteranspruchs 2 gestatten es, in Verbindung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, zusätzlich polungsabhängige Leckströme eines ausgeschalteten Dünnfilmtransistors zu kompensieren, so daß eine Kontrastreduzierung durch Leckströme unter- *·*> bleibt.

Nachstehend werden die Merkmale der Erfindung aufweisende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Zeichnung, die auch den eingangs erläuterten Stand der Technik enthält, näher beschrieben. Darin &o zeigen

F i g. 1 und 2 ein schematisches Schaltbild der eingangs erörterten bekannten Flüssigkristall-Anzeigematrix mit zugehörigem Spannungsdiagramm,

Fig.3 einen Querschnitt durch eine mit Dünnfilmtransistoren versehene Flüssigkristall-Anzeigematrix,

Fig.4 ein Kennlir.iendiagramm eines idealen Dünnfilmtransistors.

Fig.5 ein Kennliniendiagramm eines Te als Halbleitermaterial enthaltenden Dünnfilmtransistor,

Fig.6 ein Spannungsdiagramm zum erfindungsgemäßen Aktivieren einer Flüssigkristallanzeige,

Fi g. 7 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Flüssigkristall-Anzeigematrix,

F i g. 8 ein schematisches Schaltbild zu der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Anzeigematrix,

Fig.9 ein weiteres Spannungsdiagramm zum erfindungsgemäßen Aktivieren einer Flüssigkristallanzeige,

Fig. 10 und 11 ein Schaltbild und ein Signal-Zeitdiagramm einer Schaltung zur Erzeugung der Verfolgungsspannung und

Fig. 12 und 13 ein Schaltbild und ein Signal-Zeitdiagramm einer Schaltung zur Erzeugung der Spannungen Vcj- V_cj+2.

Nachstehend wird in Verbindung mit dem Spannungsdiagramm von Fig.6 beschrieben, wie sich erfindungsgemäß das in der Beschreibungseinleitung erwähnt; Problem bezüglich des Gleichspannungsanteils überwinden läßt Zum BesrVreiben eines ausgewählten Biideiements führt man der "iource-Eiektrode des betreffenden Dünnfilmtransistors den gerichten Source-Spannungsimpuls Vs von F i g. 6{a) zu. Dieser Source-Spannungsimpuls ist für aus Te hergestellte DünpHlmtransistoren (TFT) negativ und für aus CdS oder CdSe hergestellte TFTs positiv.

Da die TFTs während der ungeradzahligen Zyklen eingeschaltet und während der geradzahligen Zyklen abgeschaltet sind, siehe F i g. 6{a) und (c), nimmt ihre Drain-Spannung V_D (ON = eingeschaltet) den in F i g. 6(d) dargestellten Spannungsverlauf an, wobei nur die negative Spannungsseite dargestellt und selbstverständlich eine Gleichspannungskomponente enthalten ist. Erfindungsgemäß wird während der geradzahligen Zyklen von der Gegenelektrode gemäß Fig.6(f) die Gegenspannung V_c mit entgegengesetzter Polarität zugeführt, so daß eine in Fig.6(g) dargestellte Differenzspannung zwischen den beiden Spannungen von F i g. 6(d) und 6(f) auftritt, welche zur Durchführung der Schreiboperation an das Flüssigkristallmaterial augelegt wird. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß der Spannungswert und die Impulsform der gemeinsamen Gegenspannung V_cin Verbindung mit der Drain-Spannung Vb sorgfältig so ausgewählt wird, daß der Flüssigkristall-Anzeigematrix eine reine Wechselspannung zugeführt wird, die keine Gleichspannungskomponente enthält.

Soll ein ausgewähltes Bildelement des Flüssigkristallmaterials nicht beschrieben werden, dann erhält die Source-Elektrode des betreffenden TFT die Source-Spannung V₅ (OFF = abgeschaltet) gemäß Fig.6(b) zusammen mit dem Gate-Spannungsimpuls Vc von F i £,· ü(c), so daß dieser TFT des betreffenden Bildelements während der ungeradzahligen abgeschaltet und der geradzahligen Zyklen angeschaltet wird. Folglich entspricht die Drain-Spannung Vb(OFF) dieses TFT der Spannungsform von Fig.6(e) und wird einer Elektrode des Bildelements das Flüssigkristalimateiials zugeführt. Während der geradzahligen Zyklen wird die Gegenspannung V_caus F i g. 6(f) von der Gegenelektro· de mit der entgegengesetzten Polarität, aber einer gleichen Spannungsform zugeführt, Folglich existiert keine Potentialdifferenz zwischen, den beiden gegenüberliegenden Elektroden der Anzeigetafel in bezug auf die Drain-Spannung Vb (OFF), wie in Fig.6(h) dargestellt ist.

Um der gemeinsamen Gegenelektrode der Flüssig-

kristall-Anzeigematrix die gemeinsame Gegenspannung V_c in Übereinstimmung mit der gleichförmig beabstandeten bzw. .abgetasteten Gate-Elektrode 5 bei den obigen Beispielen zuzuführen, ist es notwendig, den transparenten leitfähigen Film streifenförmig und s parallel zu den Gate-Elektroden anzuordnen. Fig.7 zeigt einen entsprechenden Querschnitt durch eine solche Flüssigkristall-Anzeigematrix, und F i g. 8 enthält das Schaltbild dazu. Einzelheiten, soweit sie mit den Fig. 1 und 3 übereinstimmen, tragen in Fig. 7 und 8 gleiche Bezugszahlen.

Zur Halbton-Darstellung ist es erwünscht, die Amplitude der Source-Spannung Vsund der gemeinsamen Spannung entsprechend dem Schreibstärkengrad zu verändern. In F i g. 6(i) und 6(j) sind die Drain-Spannung und die an das Flüssigkristallmaterial angelegte Spannung aufgetragen.

Wie schon erwähnt, gibt es bei der Erfindung Unterschiede zwischen den Punkten wo der TFT ein- bzw. ausgeschaltet wird. Die Spannungsversorgung eines ausgewählten Bildelements der Anzeigematrix mit der Schreibspannung oder die Reduzierung der Schreibspannung auf Null entweder vom TFT oder von der gemeinsamen Elektrode erfolgt im gleichen Augenblick. Folglich reagieren die TFTs nur auf keine störende Eigenschaften aufweisende Gleichspannungsimpulse und es erfolgt eine sehr wirksame Aktivierung mit einer reinen Wechselspannung, die keine Gleichspannungskomponenten enthält. Dadurch wird eine relativ lange Lebensdauer verwirklicht. -»ο

Nachstehend wird in Verbindung mit dem Spannungsdiagramm von Fig.9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, welches sehr gut geeignet ist, sowohl das Problem des Gleichspannungsanteils als auch ein weiteres Problem zu lösen, das Kontrastverluste durch polungsabhängige Leckströme eines ausgeschalteten TFT betrifft. Dabei wird die in F i g. 7 dargestellte Flüssigkristall-Anzeigematrix und eine Fig.8 gleichwertige Schaltung verwendet.

F i g. 9(a) zeigt die Spannungsform der Source-Spannung für die /-te Kolonne, wobei entsprechende Bildelemente wiederholt und in Sequenz zur Schreiboperation, zur Nicht-Schreiboperation und zur Nicht-Schreiboperation aktiviert werden. Im Zeitraum von fi bis f2 erfolgt die Zufuhr der negativen und positiven Impulse, und während der Zeiträume zwischen ti bis f3 und von h bis U erfolgt das Anlegen der Null-Spannung.

Um die TFTs im Zeitraum zwischen fi bis U während der ungeradzahligen Zyklen ein-, aus- und auszuschalten und während des Zeitraums /)' bis U' bei den geradzahligen Zyklen aus-, ein- und einzuschalten, wird die Source-Spannung zusammen mit der Gate-Spannung so ausgelegt, daß von t\' bis fe' die Null-Spannung steht, von ti bis ij' die negativen und positiven Impulse und von f3' bis U' ebenfalls die negativen und positiven Impulse zugeführt werden.

In den F i g. 9{b), (c) und (d) sind die Spannungsformen der Gate-Spannungen für die /-te, £/+l)-te bzw. #+2)-te Zeile dargestellt Aus diesen Figuren ist zu «j entnehmen, daß die Gate-Spannungsimpulse den Gate-Elektroden zwecks sequentieller Abtastung in Sequenz zugeführt werden. In den F i g. 9(e) bis 9(g) sind die Spannungsformen der gemeinsamen Spannung dargestellt, wie sie der gemeinsamen Elektrode auf der ^fi5 /ten bis Q+ 2)-ten Zeile zugeführt werden; d.h. während der geradzahligen Zyklen werden den gemeinsamen Elektroden die gemeinsamen Spannungen Vcj, Ky₊1 und Vcj+i auf der gleichen Leitung wie die abgetasteten Gate-Elektroden zugeführt.

Daraus läßt sich entnehmen, daß während der ungeradzahligen Zyklen dem TFT im Schnittpunkt (i,j) die Source-Spannung der /-ten Kolonne und die Gate-Spannung der /-ten Zeile zugeführt werden, so daß das Flüssigkristallmaterial des betreffenden Bildpunktes (i, j) die Source-Spannung und somit die Spannung V_Lcj erhält. Dies führt zum Beschreiben des betreffenden Bildelements (Ij).

Weil während der nächstfolgenden Zeilenabtastung die Source-Spannung in der /-ten Kolonne im ungeradzahligen Intervall gleich Null ist, befindet sich der TFT am Schnittpunkt (i, /+1) im ausgeschalteten Zustand, und die Spannung VtGy+1 an dem Bildelement (i.j+ 1) ist ebenfalls gleich Null.

Der gleiche Vorgang wird wiederholt während der zweiten nachfolgenden (j+ 2)-ten Zeile ohne Durchführung der Schreiboperation. Dieser Vorgang wird fortgesetzt bis zur letzten Zeile, d. h. bis ein Abtastzyklus durchlaufen ist.

Beim nächstfolgenden Abtastzyklus, d. h. dem geradzahligen Zyklus, werden die TFTs umgekehrt betrieben. Dies kommt daher, daß die Source-Spannung zusammen mit der Spannungsversorgung für die Gate-Elektrode in der Weise erfolgt, daß der TFT (i, j) abgeschaltet, der TFT (i, /'+I) eingeschaltet und der TFT (i.j+2) eingeschaltet ist. Bei dem Bildelement, zu dem der abgeschaltete TFT gehört, wird die Spannung von der gemeinsamen Elektrode so zugeführt, daß das Flüssigkristallmaterial eine solche Spannung erhält, die der Spannung entgegengesetzt ist, welche während des ungeradzahligen Abtastzyklus angelegt wird (siehe Fig.9(h)). Bei dem Bildelement, dessen TFT im eingeschalteten Zustand ist, erhält das Flüssigkristallmaterial die Source-Spannung V₅, sowie die gemeinsamen Spannungen Vq+1 bzw. Vq+2 gleichzeitig. Da diese Spannungen in Polarität, Form und Größe identisch sind, wird gar keine Spannung angelegt, wie am besten aus den F i g. 9(i) und 9(j) ersichtlich ist

Weil erfindungsgemäß die gemeinsame Elektrode aus Herstellungs- und Funktionsgründen streifenförmig gestaltet ist, kann man selbst bei Verwendung von TFTs (Dünnfilmtransistoren) mit einem schlechten Verhältnis -^■ideale Aktivierungsbedingungen erzielen, solange

diese TFTs untereinander keine Leistungs- bzw. Betriebsunterschiede aufweisen. Von d?n Erfindern angestellte Versuche haben gezeigt, daß eine 128-Zeilen-Matrixanzeige bei Verwendung von Elementen, deren Verhältnis -^²- ungefähr =300 beträgt, einen

Kon

genauso hohen Kontrast aufweist wie bei einem konventionellen statischen Betrieb.

Dank der Erfindung sind somit Elemente verwendbar, deren Verhältnis von Abschaltwiderstand zu Einschaltwiderstand etwa 300 ist um eine erfindungsgemäße Aktivierschaltung aufzubauen. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur Te als Halbleitermaterial, sondern auch CdS, CdSe, PbS und dergleichen zu verwenden.

Die Fig. 10 und Il zeigen das Beispiel einer konkreten Schaltung zur Erzeugung der Quellenspannung Vs, die die Quellenelektrode des TFT beaufschlagt Diese Schaltung enthält im allgemeinen ein exklusives ODER-Glied 51, ein Paar von ODER-Gliedern 52, 53 sowie ein Paar von Bipolartransistoren 54, 55. Die Arbeitsweise dieser Schaltung dürfte dem Fachmann in Verbindung mit den Signalverläufen an

entsprechend markierten Punkten der Schaltung nach Fig. 10 ohne weitere Erläuterungen klar sein.

Die Fig. 12 und 13 zeigen das Beispiel einer Schaltung zur Erzeugung der gemeinsamen Spannung Vc₁- V_c;+2 mit einem P-Kana!-MOS-FET32 und einem

Kondensator 33. Auch hier ist die Arbeitsweise für den Fachmann sofort einleuchtend, wenn die Signalverläuft· der Fig. 13 an verschiedenen, in der Schaltung nach F i g. 12 gekennzeichneten Punkten betrachtet werden.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flüssigkristall-Anzeigematrix mit

— einem ersten Substrat, welches eine Dünnfilmtransistor-Anordnung mit mehreren Gate-Leitungen sowie mehreren dazu senkrecht verlaufenden Source-Leitungen aufweist, wobei an jedem zwischen den Gate- und den Source-Leitungen gebildeten Schnittpunkt je ein Dünnfilmtransistor vorgesehen ist,

— einem eine Gegenelektrode tragenden zweiten Substrat,

— einem zwischen der Dünnfilmtransistor-Anordnung und der Gegenelektrode eingefügten Flüssigkristallmaterial,

— einer Ansteuerschaltung zur sequentiellen Ansteuerung der Anzeigematrix und zur Zuführung einer bipolaren Source-Spannung, deren Polaritä'.nach jedem Abtastzyklus wechselt,