JP2005234562A

JP2005234562A - アクティブマトリクス液晶ディスプレイ

Info

Publication number: JP2005234562A
Application number: JP2005029850A
Authority: JP
Inventors: Christopher James Brown; ジェイムスブラウンクリストファー
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-02-07
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2005-09-02
Also published as: US20050200310A1; KR100654875B1; KR20060041830A; GB0402713D0; US7205728B2; GB2410826A

Abstract

【課題】回路部の消費電力と部品数を低減したアクティブマトリクス液晶ディスプレイを提供する。
【解決手段】アクティブマトリクス液晶ディスプレイは、画素マトリクスおよびポリシリコン薄膜トランジスタで形成されたソースおよびゲート線ドライバが形成された表示基板を含む。ＤＣ−ＤＣ変換器も基板上に形成され、入力された電源電圧を基板上に形成されたトランジスタおよび画素を動作させるためのより高い電圧に変換する。変換器は少なくともディスプレイ動作のスタートアップフェーズ中に、バックライトによって照射される光起電性セルによって電力を付与される昇圧回路を含む。セルは十分な電力を変換器に供給し、入力された電源電圧を基板上の回路が必要とするより高い電圧に変換し得る。回路の出力電圧は回路自体に電力を付与するために用いられ、その結果、バックライトがスタートアップ動作の後表示に必要でない場合、バックライトをオフにできる。
【選択図】図３

Description

本発明は、アクティブマトリクス液晶ディスプレイに関する。

アクティブマトリクス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）は、表示駆動回路がアクティブマトリクスと同一の基板上に集積されるように、ポリシリコン薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）で製造することができる。このようなＴＦＴは標準的なＣＭＯＳＩＣ（集積回路）プロセスで製造されたトランジスタが示すよりもはるかに高い閾値電圧を示し得る。その結果、ＴＦＴ回路はＣＭＯＳＩＣよりもはるかに高い電源電圧を必要とする。さらに液晶材料のスイッチング電圧がＣＭＯＳＩＣの電源電圧よりもはるかに大きいことがあり得る。

添付の図面における図１に示すように、公知のＡＭＬＣＤモジュール１は、画素（絵素）のアクティブマトリクス３を有する表示基板２と、表示基板２上に集積されたソースおよびゲート線駆動回路４、５と、液晶表示コントローラ（ＬＣＤＣ）ＩＣ６と、ＬＣＤＣ６を搭載したフレキシブルプリント回路（ＦＰＣ）７と、バックライト８とを備える。表示モジュール１の消費電力を最小限に抑えるためには、モジュールにはできるだけ低い電源電圧を供給することが望ましい。典型的にはこれは液晶表示コントローラ６が必要とする電源電圧である。したがって表示モジュール１は、電源電圧を、集積されたＴＦＴ回路が必要とするレベルにまで昇圧する手段としてＤＣ−ＤＣ変換器９をさらに含む必要がある。ＤＣ−ＤＣ変換器９は典型的にはＩＣチップの形態でモジュール内に含まれ、ＬＣＤＣ６と共にＦＰＣ７上に見いだされ得る。

表示モジュール１の部品の数を低減し、それにより費用を低減するためには、添付の図面における図２に示すように、ＤＣ−ＤＣ変換器９を表示基板２上に集積することが望ましい。ＤＣ−ＤＣ変換器９を表示基板２上に集積することの問題点は、ＬＤＣＤ６に供給されるよりもはるかに高い電源電圧が供給されない限り、このような集積回路を構成するＴＦＴ回路が動作しないということである。

表示基板上に集積するに適しているとされている公知のＤＣ−ＤＣ変換器がＹ．Ｎｏｎａｋａら、「６ビットＤＡＣを含むポリシリコンＴＦＴ−ＬＣＤに集積されたＤＣ−ＤＣ変換回路」（ＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ２００３）（非特許文献１）に開示されている。この回路が必要とする電源電圧および入力信号電圧は、表示基板上に集積されたＴＦＴ回路が必要とするものよりも低いが、この回路は電源電圧が構成要件であるトランジスタの閾値よりも高いことに依存している。その結果、表示モジュールにＬＣＤＣのみが必要とするよりも高い電圧を供給しなければならないため、この回路は消費電力を最小限に抑えることができない。

高ＴＦＴ閾値電圧の問題を克服した、表示基板上に集積するに適した昇圧回路が米国特許第６，４０４，２７１号（特許文献１）に開示されている。上記米国特許は、Ｊ．Ｄｉｃｋｓｏｎ、「向上した電圧マルチプライア技術を用いたＭＮＯＳ集積回路におけるオンチップ高圧生成」（ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＣｉｒｃｕｉｔｓ、１９７６年６月）（非特許文献２）に開示されている周知のディクソンチャージポンプ回路の一形態を記載している。上記技術によると、スイッチング素子はゲートＰＩＮダイオードにより形成されている。ＰＩＮダイオードはより低い電源電圧の使用を可能にする。しかし、この回路の問題点は、効率が悪いということである。ＰＩＮダイオードは大きなオン抵抗および容量ならびに大きな漏れ電流を示す。これにより回路の出力電圧および駆動能力が低下する。
Ｙ．Ｎｏｎａｋａら、「６ビットＤＡＣを含むポリシリコンＴＦＴ−ＬＣＤに集積されたＤＣ−ＤＣ変換回路」（ＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｉｓｐｌａｙ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ２００３）Ｊ．Ｄｉｃｋｓｏｎ、「向上した電圧マルチプライア技術を用いたＭＮＯＳ集積回路におけるオンチップ高圧生成」（ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＣｉｒｃｕｉｔｓ、１９７６年６月）米国特許第６，４０４，２７１号明細書

本発明の一実施形態は、アクティブマトリクス液晶構造およびＤＣ−ＤＣ変換器を備えたアクティブマトリクス液晶ディスプレイを提供する。電圧上昇回路は、外部電源からの第１の電源電圧を第２のより高い、該構造に電力を付与する電源電圧に変換する。光起電性生成器は、少なくとも該ディスプレイのスタートアップ期間中に入射光からの回路に電力を付与する。

ディスプレイは、前記構造を有する表示基板をさらに含んでいてもよく、前記変換器は該基板上に集積されている。前記構造および前記変換器は薄膜トランジスタ、例えばポリシリコントランジスタ、を含んでもよい。

前記回路は、前記ディスプレイの前記スタートアップ期間に続いて該回路自体に電力を供給するように構成されていてもよい。前記回路は電源入力と、前記ディスプレイの前記スタートアップ期間中に逆バイアスを付与されたダイオードを介して該電源入力に接続された電源出力とを含んでいてもよい。ディスプレイは、前記ディスプレイを照射し、かつ、少なくとも該ディスプレイの前記スタートアップ期間中に前記生成器に前記入射光を供給する光を含んでいてもよい。前記光がバックライトまたはフロントライトを含んでいてもよい。前記構造がアクティブマトリクス液晶アレイならびにソースおよびゲート線ドライバを含んでいてもよい。

前記回路はパルス生成器およびチャージポンプを含んでいてもよい。

前記生成器は少なくとも１つの光起電性ダイオードを含んでいてもよい。前記少なくとも１つのダイオードは薄膜ラテラルダイオードであってもよい。前記少なくとも１つのダイオードはＰＩＮダイオード、例えばゲートＰＩＮダイオード、であってもよい。

前記生成器は、前記第１の電源電圧よりも高い開回路電圧を生成するように構成されていてもよい。前記開回路電圧が前記第２の電源電圧よりも高くてもよい。

ディスプレイは、前記外部電源により電力を付与されるように構成されたリモートディスプレイコントローラをさらに含んでいてもよい。前記コントローラはＣＭＯＳ集積回路を含んでいてもよい。

本発明によれば、ＤＣ−ＤＣ変換器を表示基板上に集積することができ、集積されたトランジスタ、例えば薄膜トランジスタ、の閾値電圧などよりもはるかに低い外部電源電圧から動作するディスプレイを提供することができる。例えば電圧上昇回路のトランジスタを薄膜トランジスタとして、効率的な構造を提供することができる。例えばＣＭＯＳ集積回路に適した比較的低い電源電圧での動作により、消費電力の小さいディスプレイを提供することができる。

以下の記載において、同様の要件には同様の参照符号を付す。

図３に示すＡＭＬＣＤモジュール１が図２に示すＡＭＬＣＤモジュールと異なるのは、表示基板２上に集積されたＤＣ−ＤＣ変換器９が光起電性セル１０と昇圧回路１１とを備えていることである。特に図２に示す変換器９は、コントローラ６に供給された電源電圧を、画素マトリクス３とソースおよびゲート線ドライバ４および５とを含むアクティブマトリクス構造に電力を供給するに適した高電圧に変換するように意図されている。図３に示す表示モジュール１の場合、光起電性セル１０は表示基板２上に設けられるが、光起電性１０がバックライト８からの光を受け、かつ、回路１１が供給される電源電圧を昇圧してマトリクス３とドライバ４および５とに電力を与えるに適した値にするために、光起電性が十分な電力を十分に高い電圧で生成するような位置に設けられる。特に、光起電性セルは少なくともディスプレイのスタートアップ期間中に、回路１１が供給される電源電圧を変換して基板２上のＴＦＴ回路の残りの部分に電力を与えるに適したより高い値にするために十分な電力を十分な電圧で供給するように動作することが必要とされる。

モジュールがフロントライトを有するタイプのものであれば、セル１０はフロントライトからの光を受け取るような位置に設けられてもよい。あるいはセル１０は周囲光を受け取るような位置に設けられてもよい。

モジュール１のスタートアップ後にセル１０によって回路１１に電力が与えられることが可能ではあるが、回路１１が出力電源電圧をそれ自体の電源電圧入力に供給することによって回路１１自体に電力を提供することも可能であり概してより好都合である。したがってスタートアップ後に表示のためにバックライト８が必要でない場合、モジュール１の消費電力を低減するためにバックライト８をオフにしてもよい。

変換器９として用いられるに適した構成を図４により詳細に示す。リザーバまたは平滑化キャパシタＣ_ｓが光起電性セル１０の供給出力リードに接続されている。供給出力リードはリング発振器１５および２相クロック生成器１６の供給入力に接続されている。セル１０は電源電圧Ｖ_ｍおよび電源電流Ｉ_ｍを供給する。リング発振器は従来または公知のタイプのものでよいためこれ以上説明しないが、クロック生成器１６に出力クロック信号Φ_ＲＯを供給する。クロック生成器１６はクロックパルスを２相の重複しないクロックパルスΦ_１およびΦ_２に変換する。２相クロックパルスは、電源電圧入力Ｖ_ＤＤＬを有しコントローラ６に直接供給されるモジュール１用の電源電圧を受け取るチャージポンプ１７に供給される。チャージポンプ１７はこの電源電圧を変換して、表示基板２上のすべての他の回路に供給するために用いられるより高い電源電圧Ｖ_ＤＤＨにする。

図５は、図４の変換器内で用いられるに適したクロックパルス生成器の一例を示す。生成器１６は、従来のリセットフリップフロップを構成するクロスカップルＮＯＲゲート２０および２１を含む。ゲート２０の予備入力は生成器の入力２２に接続されており、生成器の入力２２はインバータ２３を介して他方のゲート２１の予備入力に接続されている。重複しない２層クロックパルスΦ_１およびΦ_２は生成器１６の出力２４および２５に供給される。

図６は、図４のチャージポンプ１７の一例を示す。チャージポンプ１７は、ポリシリコン薄膜Ｍ１〜Ｍ４およびキャパシタＣ０およびＣ１を含む。ポンプ１７は、電源電圧Ｖ_ＤＤＬを受け取る供給入力３０と、電源電圧Ｖ_ＤＤＬを表示基板２上の他の回路に供給する供給出力３１とを有する。クロック入力３２および３３は、クロック生成器１６から２相クロック信号Φ_１およびΦ_２を受け取る。このようにチャージポンプは従来のタイプのものであり、その動作はこれ以上説明しない。

チャージポンプ１７を形成するためにいずれの数の段をカスケードしてもよく、段の数はＶ_ＤＤＬからＶ_ＤＤＨまでの必要とされる電圧の増加量に依存する。

変換器９は以下のように動作する。光起電性セル１０が、入射光強度およびセルに付与される負荷に依存する電圧Ｖ_ｍおよび電流Ｉ_ｍを生成する。図７は、異なる入射光強度に対する典型的な光起電性セルの特性を示す。セルは３５で示す光起電性領域で動作する。図８は、電圧および電流が典型的な入射光強度に対して負荷に応じて変化する様子を示す。

負荷抵抗Ｒ_Ｌがゼロに等しい場合、セルはゼロ電圧で短絡電流Ｉ_ＳＣを供給する。逆に負荷抵抗が非常に大きく無限大になる傾向にある場合、セルは開回路電圧Ｖ_ＯＣでゼロ電流を生成する。負荷抵抗が中間的値である場合、得られる電圧および電流は曲線３６によって示され得る。

表示モジュール１のスタートアップ期間中、モジュールの電力入力に電力が供給され、バックライト８からの光が光起電性セル１０に入射する。回路１１の漏れ電流がセル１０の出力電流Ｉ_ｍより小さい場合、キャパシタＣ_ｓはチャージされ、その電圧はセルの開電圧Ｖ_ＯＣに向けて上昇する。この電圧がリング発振器１５が動作するために必要な閾値電圧より高くなると、リング発振器１５はオンされ出力パルスを生成する。出力パルスを生成するためにリング発振器１５は電力を消費し、その結果キャパシタＣ_ｓの電圧は降下する。リング発振器１５が消費する電力がセル１０が生成する電力を越えた場合、キャパシタＣ_ｓの電圧はリング発振器１５の閾値電圧未満にまで降下し、これによりリング発振器１５はオフとなる。キャパシタＣ_ｓはリング発振器に閾値電圧よりも高い電圧を供給するまでチャージされ、その後リング発振器は次のパルスを生成する。

セル１０が生成する電力がリング発振器１５および生成器１６の消費電力を越えると、キャパシタＣ_ｓの電圧はセルの開回路電圧Ｖ_ＯＣに向かって上昇し、リング発振器１５は引き続いて動作する。クロックパルスΦ_ＲＯの周波数は電源電圧Ｖｍに比例し、従って入射光強度の関数である。２相クロック信号Φ_１およびΦ_２はチャージポンプ１７に供給され、チャージポンプ１７は電源電圧Ｖ_ＤＤＬを、表示モジュール１の薄膜トランジスタ回路が動作するに十分な値Ｖ_ＤＤＨまで上昇させる。

図９は、直列および並列に接続されたフォトダイオードのアレイを含む光起電性セルの一例を示す。フォトダイオードは直列および並列に接続されており、それによりセル１０がバックライト８に照射されるときに変換器９が動作することを保証するために十分な電源電圧Ｖ_ｍおよび電源電流Ｉ_ｍを供給する。図９はさらに１つのフォトダイオード（例えば４０で示す）の構成を断面図で示す。フォトダイオードは、表示基板２上に形成されたラテラルｐ−ｎ接合４１を有する薄膜ラテラルフォトダイオードという形態である。ｐ型およびｎ型ポリシリコン領域を４２および４３で示す。

図１０は、別のタイプのフォトダイオードを示し、このフォトダイオードはＰＩＮ薄膜ラテラルフォトダイオードの形態である。このようなダイオードの構成は４５で示されており、Ｉ型ポリシリコン４６のイントリンジック領域を含む。このタイプのダイオードは公知であり、例えばＨ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎら、「ＳＯＩ上の大領域ラテラルＰＩＮフォトダイオード」（ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ、２００２年２月）に開示されている。このようなＰＩＮダイオードの利点は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用可能な領域が標準的ＰＩＮ接合よりも大きいということである。効率的な動作を維持するためには、イントリンジック領域から完全にチャージキャリアが除かれなければならず、これによりイントリンジック領域の幅が制限され従って変換に使用可能な領域も制限される。

変換に使用可能な領域を増加させるために、ＰＩＮダイオードは図１１に示すようなゲートラテラルＰＩＮダイオードの形態であってもよい。このタイプのデバイスはゲート端子５０を有し、例えば米国特許第６，１１１，３０５号に開示されている。各ダイオード４９のゲート端子５０に適した電圧を付与することにより、ゲート５１下のイントリンジック領域４６が完全に空乏化されたままになる。そのためイントリンジック領域４６の幅は実質的に増加し、よって光の変換に使用可能な領域も増加する。

図１２に示す変換器が図４に示すものと異なるのは、チャージポンプ１７の出力とリング発振器１５およびクロック生成器１６の電源供給入力との間にダイオードＤ_１が接続されていることである。ダイオードＤ_１は、光起電性セル１０の出力電圧Ｖｍがチャージポンプ１７の出力電圧Ｖ_ＤＤＨよりも高いときに逆バイアスを付与されるような方向に設けられており、その結果セル１０はリング発振器１５およびクロック生成器１６には電力を供給するが表示モジュール１の他の部分には電力を供給しない。逆に、セル１０の出力電圧Ｖｍがチャージポンプ１７の出力電圧Ｖ_ＤＤＨよりも低い場合、ダイオードには順バイアスを付与され、その結果チャージポンプ１７はリング発振器１５およびクロック生成器１６のみならず表示基板２上の他の回路にも電力を供給する。

このような構成により、バックライトが表示のために必要でない場合、表示モジュールのスタートアップに続いてバックライト８をオフにすることができる。図１３は表示モジュール１のスタートアップ期間中およびその後の発振器１５およびクロック生成器１６の供給入力における電圧を示す。図１３に示すように、バックライト８は、最初のスタートアップ期間中にキャパシタＣ_ｓの電圧が上昇して発振器１５および生成器１６の動作を維持するに適した値になるように、照射される。その電圧は、チャージポンプ１７が電源電圧Ｖ_ＤＤＬを上昇させて表示基板２上の回路に電力を付与するに十分な値Ｖ_ＤＤＨにする機会を得るまで、維持される。その後バックライトはオフにされるが、ダイオードＤ_１は、キャパシタＣ_ｓの電圧が、（上昇した電源電圧Ｖ_ＤＤＨ−ダイオードＤ_１での順電圧降下）の値に等しい値に降下するまで逆バイアスを付与されたままである。バックライトはオフになるが発振器１５および生成器１６への電源電圧がダイオードＤ_１を介してチャージポンプ１７の出力から行われている場合、セル１０は実質的な電気出力を生成しない。

このような構成により、バックライト８が表示のために必要でない場合、およびモジュールのスタートアップに続く期間中にオフにすることを可能にすることにより、表示モジュール１の消費電力を最小限に抑えることができる。例えば、反射モードにおいて表示を読むために周囲光で十分である透過反射型ディスプレイの場合、ディスプレイのスタートアップに続いてバックライトをオフにすることができる。そのためバックライトは、変換器９が「自給自足可能」になるために十分な期間のみオンである必要があるにすぎない。しかし、状況によってバックライトをオンにしておく必要がある場合、例えば、周囲照射光が不十分である場合、ディスプレイは透過モードで動作するように命令されるか、ディスプレイは透過型のみのディスプレイである。バックライトは照射されたままであってもよく、（チャージポンプ１７の出力電圧Ｖ_ＤＤＨ−ダイオードＤ_１での順電圧降下）の値がセル１０の出力電圧Ｖｍを越えない限り、セル１０は発振器１５および生成器１６に電力を供給し続ける。

公知のタイプのＡＭＬＣＤの模式的ブロック図である。別の公知のタイプのＡＭＬＣＤの模式的ブロック図である。本発明の実施形態を構成するＡＭＬＣＤの模式的ブロック図である。図３のディスプレイのＤＣ−ＤＣ変換器のブロック回路図である。図４の変換器の２相クロック生成器の回路図である。図４の変換器のチャージポンプの回路図である。光強度をパラメータとして光起電性ダイオードにより生成される電流−電圧特性を示す図である。光起電性ダイオードに対する負荷の影響を示す、電流−電圧特性グラフである。図４の変換器内で用いられる光起電性ダイオードを示す概略図である。図４の変換器内で用いられる光起電性ダイオードを示す概略図である。図４の変換器内で用いられる光起電性ダイオードを示す概略図である。図３のディスプレイ内で用いられる別のＤＣ−ＤＣ変換器のブロック回路図である。図１２の変換器を用いた図３のディスプレイのスタートアップ期間中およびそれに続く期間の電圧−時間特性を示すグラフである。

符号の説明

１アクティブマトリクス液晶ディスプレイ
２表示基板
３画素マトリクス
４ソース線ドライバ
５ゲート線ドライバ
９ＤＣ−ＤＣ変換器
１０光起電性セル
１１昇圧回路

Claims

アクティブマトリクス液晶構造およびＤＣ−ＤＣ変換器を備えたアクティブマトリクス液晶ディスプレイであって、外部電源からの第１の電源電圧を第２のより高い、該構造に電力を付与する電源電圧に変換する電圧上昇回路と、少なくとも該ディスプレイのスタートアップ期間中に入射光からの回路に電力を付与する光起電性生成器とを含むアクティブマトリクス液晶ディスプレイ。
前記構造を有する表示基板をさらに含み、前記変換器は該基板上に集積されている、請求項１に記載のディスプレイ。
前記構造および前記変換器が薄膜トランジスタを含む、請求項２に記載のディスプレイ。
前記トランジスタがポリシリコントランジスタである、請求項３に記載のディスプレイ。
前記回路が、前記ディスプレイの前記スタートアップ期間に続いて該回路自体に電力を供給するように構成されている、請求項１〜４のいずれかに記載のディスプレイ。
前記回路が電源入力と、前記ディスプレイの前記スタートアップ期間中に逆バイアスを付与されたダイオードを介して該電源入力に接続された電源出力とを含む、請求項５に記載のディスプレイ。
前記ディスプレイを照射し、かつ、少なくとも該ディスプレイの前記スタートアップ期間中に前記生成器に前記入射光を供給する光を含む、請求項１〜６のいずれかに記載のディスプレイ。
前記光がバックライトまたはフロントライトを含む、請求項７に記載のディスプレイ。
前記構造がアクティブマトリクス液晶アレイならびにソースおよびゲート線ドライバを含む、請求項１〜８のいずれかに記載のディスプレイ。
前記回路がパルス生成器およびチャージポンプを含む、請求項１〜９のいずれかに記載のディスプレイ。
前記生成器が少なくとも１つの光起電性ダイオードを含む、請求項１〜１０のいずれかに記載のディスプレイ。
前記少なくとも１つのダイオードが薄膜ラテラルダイオードである、請求項１１に記載のディスプレイ。
前記少なくとも１つのダイオードがＰＩＮダイオードである、請求項１１または１２に記載のディスプレイ。
前記ＰＩＮダイオードがゲートＰＩＮダイオードである、請求項１３に記載のディスプレイ。
前記生成器が、前記第１の電源電圧よりも高い開回路電圧を生成するように構成されている、請求項１〜１４のいずれかに記載のディスプレイ。
前記開回路電圧が前記第２の電源電圧よりも高い、請求項１５に記載のディスプレイ。
前記外部電源により電力を付与されるように構成されたリモートディスプレイコントローラをさらに含む、請求項１〜１６のいずれかに記載のディスプレイ。
前記コントローラがＣＭＯＳ集積回路を含む、請求項１７に記載のディスプレイ。