JP4168290B2 - 表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、画素毎に配した発光素子を電流駆動して画像を表示する表示装置に関する。詳しくは、各画素回路内に設けた絶縁ゲート型電界効果トランジスタによって有機ELなどの発光素子に通電する電流量を制御する、いわゆるアクティブマトリクス型の表示装置に関する。
表示装置、例えば液晶ディスプレイなどでは、多数の液晶画素をマトリクス状に並べ、表示すべき画像情報に応じて画素毎に入射光の透過強度又は反射強度を制御することによって画像を表示する。これは、有機EL素子を画素に用いた有機ELディスプレイなどにおいても同様であるが、液晶画素と異なり有機EL素子は自発光素子である。その為、有機ELディスプレイは液晶ディスプレイに比べて画像の視認性が高く、バックライトが不要であり、応答速度が高いなどの利点を有する。又、各発光素子の輝度レベル(階調)はそれに流れる電流値によって制御可能であり、いわゆる電流制御型であるという点で液晶ディスプレイなどの電圧制御型とは大きく異なる。
有機ELディスプレイにおいては、液晶ディスプレイと同様、その駆動方式として単純マトリクス方式とアクティブマトリクス方式とがある。前者は構造が単純であるものの、大型且つ高精細のディスプレイの実現が難しいなどの問題がある為、現在はアクティブマトリクス方式の開発が盛んに行なわれている。この方式は、各画素回路内部の発光素子に流れる電流を、画素回路内部に設けた能動素子(一般には薄膜トランジスタ、TFT)によって制御するものであり、以下の特許文献に記載がある。
特開2003−255856 特開2003−271095 特開2004−133240 特開2004−029791 特開2004−093682
従来の画素回路は、制御信号を供給する行状の走査線と映像信号を供給する列状の信号線とが交差する部分に配され、少なくともサンプリングトランジスタと画素容量とドライブトランジスタと発光素子とを含む。サンプリングトランジスタは、走査線から供給される制御信号に応じ導通して信号線から供給された映像信号をサンプリングする。画素容量は、サンプリングされた映像信号の信号電位に応じた入力電圧を保持する。ドライブトランジスタは、画素容量に保持された入力電圧に応じて所定の発光期間に出力電流を駆動電流として供給する。尚一般に、出力電流はドライブトランジスタのチャネル領域のキャリア移動度及び閾電圧に対して依存性を有する。発光素子は、ドライブトランジスタから供給された出力電流により映像信号に応じた輝度で発光する。
ドライブトランジスタは、画素容量に保持された入力電圧をゲートに受けてソース/ドレイン間に出力電流を流し、発光素子に通電する。一般に発光素子の発光輝度は通電量に比例している。更にドライブトランジスタの出力電流供給量はゲート電圧すなわち画素容量に書き込まれた入力電圧によって制御される。従来の画素回路は、ドライブトランジスタのゲートに印加される入力電圧を入力映像信号に応じて変化させることで、発光素子に供給する電流量を制御している。
ここでドライブトランジスタの動作特性は以下の式1で表わされる。
Ids=(1/2)μ(W/L)Cox(Vgs−Vth)・・・式1
このトランジスタ特性式1において、Idsはソース/ドレイン間に流れるドレイン電流を表わしており、画素回路では発光素子に供給される出力電流である。Vgsはソースを基準としてゲートに印加されるゲート電圧を表わしており、画素回路では上述した入力電圧である。Vthはトランジスタの閾電圧である。又μはトランジスタのチャネルを構成する半導体薄膜の移動度を表わしている。その他Wはチャネル幅を表わし、Lはチャネル長を表わし、Coxはゲート容量を表わしている。このトランジスタ特性式1から明らかな様に、薄膜トランジスタは飽和領域で動作する時、ゲート電圧Vgsが閾電圧Vthを超えて大きくなると、オン状態となってドレイン電流Idsが流れる。原理的に見ると上記のトランジスタ特性式1が示す様に、ゲート電圧Vgsが一定であれば常に同じ量のドレイン電流Idsが発光素子に供給される。従って、画面を構成する各画素に全て同一のレベルの映像信号を供給すれば、全画素が同一輝度で発光し、画面の一様性(ユニフォーミティ)が得られるはずである。
しかしながら実際には、ポリシリコンなどの半導体薄膜で構成された薄膜トランジスタ(TFT)は、個々のデバイス特性にばらつきがある。特に、閾電圧Vthは一定ではなく、各画素毎にばらつきがある。前述のトランジスタ特性式1から明らかな様に、各ドライブトランジスタの閾電圧Vthがばらつくと、ゲート電圧Vgsが一定であっても、ドレイン電流Idsにばらつきが生じ、画素毎に輝度がばらついてしまう為、画面のユニフォーミティを損なう。従来からドライブトランジスタの閾電圧のばらつきをキャンセルする機能を組み込んだ画素回路が開発されており、例えば前記の特許文献3に開示がある。
しかしながら、発光素子に対する出力電流のばらつき要因は、ドライブトランジスタの閾電圧Vthだけではない。上記のトランジスタ特性式1から明らかなように、ドライブトランジスタの移動度μがばらついた場合にも、出力電流Idsが変動する。この結果、画面のユニフォーミティが損なわれる。移動度のばらつきを補正することも、解決すべき課題となっている。
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は個々の画素内にドライブトランジスタの移動度補正機能を組み込んだ表示装置を提供することを目的とする。特に、移動度補正期間のばらつきを抑制し、以って表示装置の画面のユニフォーミティを一層高めることを目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明にかかる表示装置は、基本的に画素アレイ部とこれを駆動する駆動部とからなる。前記画素アレイ部は、行状の第1走査線及び第2走査線と、列状の信号線と、これらが交差する部分に配された行列状の画素と、各画素に給電する電源ライン及び接地ラインとを備えている。前記駆動部は、各第1走査線に順次第1制御信号を供給して画素を行単位で線順次走査する第1スキャナと、該線順次走査に合わせて各第2走査線に順次第2制御信号を供給する第2スキャナと、該線順次走査に合わせて列状の信号線に映像信号を供給する信号セレクタとを備えている。前記画素は、発光素子と、サンプリングトランジスタと、ドライブトランジスタと、スイッチングトランジスタと、画素容量とを含む。前記サンプリングトランジスタは、そのゲートが該第1走査線に接続し、そのソースが該信号線に接続し、そのドレインが該ドライブトランジスタのゲートに接続している。前記ドライブトランジスタ及び前記発光素子は該電源ラインと接地ラインとの間で直列に接続して電流路を形成する。前記スイッチングトランジスタは該電流路に挿入されるとともに、そのゲートが該第2走査線に接続している。前記画素容量は、該ドライブトランジスタのソースとゲートの間に接続している。ここで前記サンプリングトランジスタは、該第1走査線から供給された第1制御信号に応じてオンし、該信号線から供給された映像信号の信号電位をサンプリングして該画素容量に保持する。前記スイッチングトランジスタは、該第2走査線から供給された第2制御信号に応じオンして該電流路を導通状態にする。前記ドライブトランジスタは、該画素容量に保持された信号電位に応じて駆動電流を該導通状態に置かれた電流路を通って該発光素子に流す。前記駆動部は、該第1走査線に該第1制御信号を印加して該サンプリングトランジスタをオンし信号電位のサンプリングを開始した後、該第2制御信号が該第2走査線に印加されて該スイッチングトランジスタがオンする第1タイミングから、該第1走査線に印加された該第1制御信号が解除されて該サンプリングトランジスタがオフする第2タイミングまでの補正期間に、該ドライブトランジスタの移動度に対する補正を該画素容量に保持された該信号電位に加える。その際該信号線に供給される映像信号の信号電位が高いとき該補正期間が短くなる一方、該信号線に供給される映像信号の信号電位が低いとき該補正期間が長くなる様、自動的に該第2タイミングを調整する一方、前記ドライブトランジスタは、そのチャネル幅をWとしチャネル長をLとするとそのサイズ比W/Lが0.5以上に設定されており、該補正期間中に該ドライブトランジスタの駆動電流の供給能力を高めて該補正期間を全体的に短縮化する。
好ましくは、前記ドライブトランジスタは、そのサイズ比W/Lが1.0以上に設定されている。又前記第1スキャナは、第2タイミングで該サンプリングトランジスタをオフするとき、該第1制御信号の立下り波形に傾斜をつけることで、該信号線に供給される映像信号の信号電位が高いとき該補正期間が短くなる一方、信号電位が低いとき該補正期間が長くなる様自動的に該第2タイミングを調整する。前記第1スキャナは、該第1制御信号の立下り波形に傾斜をつける際、少なくとも二段階に分けて初めに傾斜を急にし後で傾斜をなだらかにすることで、信号電位が高いときと信号電位が低いときの両方で該補正期間を最適化する。各画素は、映像信号のサンプリングに先立って該ドライブトランジスタのゲート電位及びソース電位をリセットする追加のスイッチングトランジスタを含み、前記第2スキャナは、映像信号のサンプリングに先立って該第2制御線を介して該スイッチングトランジスタを一時的にオンし、以ってリセットされた該ドライブトランジスタに駆動電流を流してその閾電圧に相当する電圧を該画素容量に保持しておく。
本発明によれば、サンプリングトランジスタをオンして信号電位のサンプリングを開始した後、スイッチングトランジスタがオンする第1タイミングからサンプリングトランジスタがオフする第2タイミングまでの補正期間に、ドライブトランジスタの移動度に対する補正(移動度補正動作)を行っている。具体的には信号電位に応じてドライブトランジスタに流れる駆動電流を、補正期間中に画素容量に負帰還して、保持されている信号電位を調整する。ドライブトランジスタの移動度が大きいと負帰還量がその分大きくなり、信号電位の減少分が増え、結果として駆動電流を抑制することが出来る。一方ドライブトランジスタの移動度が小さい時は画素容量に対する負帰還量が小さくなるので、保持された信号電位の減少幅は少ない。したがって駆動電流はあまり減少しない。この様に個々の画素のドライブトランジスタの移動度の大小に応じこれをキャンセルする方向に信号電位を調整している。よって個々の画素のドライブトランジスタの移動度がばらつくにもかかわらず、同一の信号電位に対して個々の画素はほぼ同レベルの発光輝度を呈する。以って画面のユニフォーミティを改善することが出来る。
ところで最適な移動度補正期間は必ずしも一定ではなく、信号電位に応じて移動度補正期間を最適に設定することが好ましい。一般に信号電位がホワイトで高い時は最適補正期間は短くなる傾向にあり、信号電位がグレーレベルからブラックレベルに下がるにしたがって、最適補正期間は長くなる傾向にある。本発明は信号電位に応じて移動度補正期間を最適に可変調整することで、より画面のユニフォーティを高めている。即ち、信号線に供給される映像信号の信号電位が高いとき補正期間が短くなる一方、信号線に供給される映像信号の信号電位が低いとき補正期間が長くなるように、自動的に補正期間の終期を規定する第2タイミングを調整している。
移動度補正期間を信号電位に応じて適応的に制御すると、信号レベルが下がるに従って最適補正期間を延長しなければならず、結局最長補正期間は長くなる傾向になる。しかしながら、補正期間が長くなると、スイッチングトランジスタのオンタイミングやサンプリングトランジスタのオフタイミングのばらつきの影響を強く受け、補正期間自体がばらつくようになり、ユニフォーミティの悪化を招く。そこで本発明は、移動度補正期間中に負帰還用の駆動電流を供給するドライブトランジスタの駆動能力を高め、移動度補正期間を信号電位が高い範囲から低い範囲まで全体的に圧縮するようにしている。即ち移動度補正期間中に加えられる補正量はドライブトランジスタの駆動能力を高めた分大きくなるので、補正期間自体は全体的に短縮化可能である。この様に補正期間を短縮化することで、スイッチングトランジスタのオンタイミングやサンプリングトランジスタのオフタイミングのばらつきの影響を受け難くなり、正確な移動度補正を行うことが出来る。具体的には、従来ドライブトランジスタのサイズ比W/Lが0.5未満であったところ、本発明はドライブトランジスタのサイズ比を0.5以上に設定することで、補正期間中にドライブトランジスタの駆動電流の供給能力を高めて補正期間を全体的に圧縮化している。より好ましくは、ドライブトランジスタのサイズ比W/Lを1.0以上に設定することで、顕著に画面のユニフォーミティを改善することが出来る。
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は本発明にかかる表示装置の全体構成を示すブロック図である。図示する様に、本表示装置は基本的に画素アレイ部1とスキャナ部と信号部とで構成されている。スキャナ部と信号部とで駆動部を構成する。画素アレイ部1は、行状に配された第1走査線WS、第2走査線DS、第3走査線AZ1及び第4走査線AZ2と、列状に配された信号線SLと、これらの走査線WS,DS,AZ1,AZ2及び信号線SLに接続した行列状の画素回路2と、各画素回路2の動作に必要な第1電位Vss1,第2電位Vss2及び第3電位VDDを供給する複数の電源線とからなる。信号部は水平セレクタ3からなり、信号線SLに映像信号を供給する。スキャナ部は、ライトスキャナ4、ドライブスキャナ5、第一補正用スキャナ71及び第二補正用スキャナ72からなり、それぞれ第1走査線WS、第2走査線DS、第3走査線AZ1及び第4走査線AZ2に制御信号を供給して順次行毎に画素回路2を走査する。
図2は、図1に示した画像表示装置に組み込まれる画素の構成を示す回路図である。図示する様に画素回路2は、サンプリングトランジスタTr1と、ドライブトランジスタTrdと、第1スイッチングトランジスタTr2と、第2スイッチングトランジスタTr3と、第3スイッチングトランジスタTr4と、画素容量Csと、発光素子ELとを含む。サンプリングトランジスタTr1は、所定のサンプリング期間に走査線WSから供給される制御信号に応じ導通して信号線SLから供給された映像信号の信号電位を画素容量Csにサンプリングする。画素容量Csは、サンプリングされた映像信号の信号電位に応じてドライブトランジスタTrdのゲートGに入力電圧Vgsを印加する。ドライブトランジスタTrdは、入力電圧Vgsに応じた出力電流Idsを発光素子ELに供給する。発光素子ELは、所定の発光期間中ドライブトランジスタTrdから供給される出力電流Idsにより映像信号の信号電位に応じた輝度で発光する。
第1スイッチングトランジスタTr2は、サンプリング期間に先立ち走査線AZ1から供給される制御信号に応じ導通してドライブトランジスタTrdのゲートGを第1電位Vss1に設定する。第2スイッチングトランジスタTr3は、サンプリング期間に先立ち走査線AZ2から供給される制御信号に応じ導通してドライブトランジスタTrdのソースSを第2電位Vss2に設定する。第3スイッチングトランジスタTr4は、サンプリング期間に先立ち走査線DSから供給される制御信号に応じ導通してドライブトランジスタTrdを第3電位VDDに接続し、以ってドライブトランジスタTrdの閾電圧Vthに相当する電圧を画素容量Csに保持させて閾電圧Vthの影響を補正する。さらにこの第3スイッチングトランジスタTr4は、発光期間に再び走査線DSから供給される制御信号に応じ導通してドライブトランジスタTrdを第3電位VDDに接続して出力電流Idsを発光素子ELに流す。
以上の説明から明らかな様に、本画素回路2は、5個のトランジスタTr1ないしTr4及びTrdと1個の画素容量Csと1個の発光素子ELとで構成されている。トランジスタTr1〜Tr3とTrdはNチャネル型のポリシリコンTFTである。トランジスタTr4のみPチャネル型のポリシリコンTFTである。但し本発明はこれに限られるものではなく、Nチャネル型とPチャネル型のTFTを適宜混在させることが出来る。発光素子ELは例えばアノード及びカソードを備えたダイオード型の有機ELデバイスである。但し本発明はこれに限られるものではなく、発光素子は一般的に電流駆動で発光する全てのデバイスを含む。
本発明の特徴事項として、表示装置の駆動部は、第1走査線WSに第1制御信号WSを印加してサンプリングトランジスタTr1をオンし信号電位のサンプリングを開始した後、第2制御信号DSが第2走査線DSに印加されてスイッチングトランジスタTr4がオンする第1タイミングから、第1走査線WSに印加された第1制御信号WSが解除されてサンプリングトランジスタTr1がオフする第2タイミングまでの補正期間tに、ドライブトランジスタTrdの移動度μに対する補正を画素容量Csに保持された信号電位に加え、もって移動度補正を行う。
図3は、図2に示した画像表示装置から画素回路2の部分のみを取り出した模式図である。理解を容易にするため、サンプリングトランジスタTr1によってサンプリングされる映像信号の信号電位Vsigや、ドライブトランジスタTrdの入力電圧Vgs及び出力電流Ids、さらには発光素子ELが有する容量成分Coledなどを書き加えてある。以下図3に基づいて、本発明にかかる画素回路2の動作を説明する。
図4は、図3に示した画素回路のタイミングチャートである。図4を参照して、図3に示した画素回路の動作を具体的に説明する。図4は、時間軸Tに沿って各走査線WS,AZ1,AZ2及びDSに印加される制御信号の波形を表してある。表記を簡略化する為、制御信号も対応する走査線の符号と同じ符号で表してある。トランジスタTr1,Tr2,Tr3はNチャネル型なので、走査線WS,AZ1,AZ2がそれぞれハイレベルの時オンし、ローレベルの時オフする。一方トランジスタTr4はPチャネル型なので、走査線DSがハイレベルの時オフし、ローレベルの時オンする。なおこのタイミングチャートは、各制御信号WS,AZ1,AZ2,DSの波形と共に、ドライブトランジスタTrdのゲートGの電位変化及びソースSの電位変化も表してある。
図4のタイミングチャートではタイミングT1〜T8までを1フィールド(1f)としてある。1フィールドの間に画素アレイの各行が一回順次走査される。タイミングチャートは、1行分の画素に印加される各制御信号WS,AZ1,AZ2,DSの波形を表してある。
当該フィールドが始まる前のタイミングT0で、全ての制御線号WS,AZ1,AZ2,DSがローレベルにある。したがってNチャネル型のトランジスタTr1,Tr2,Tr3はオフ状態にある一方、Pチャネル型のトランジスタTr4のみオン状態である。したがってドライブトランジスタTrdはオン状態のトランジスタTr4を介して電源VDDに接続しているので、所定の入力電圧Vgsに応じて出力電流Idsを発光素子ELに供給している。したがってタイミングT0で発光素子ELは発光している。この時ドライブトランジスタTrdに印加される入力電圧Vgsは、ゲート電位(G)とソース電位(S)の差で表される。
当該フィールドが始まるタイミングT1で、制御信号DSがローレベルからハイレベルに切り替わる。これによりスイッチングトランジスタTr4がオフし、ドライブトランジスタTrdは電源VDDから切り離されるので、発光が停止し非発光期間に入る。したがってタイミングT1に入ると、全てのトランジスタTr1〜Tr4がオフ状態になる。
続いてタイミングT2に進むと、制御信号AZ1及びAZ2がハイレベルになるので、スイッチングトランジスタTr2及びTr3がオンする。この結果、ドライブトランジスタTrdのゲートGが基準電位Vss1に接続し、ソースSが基準電位Vss2に接続される。ここでVss1−Vss2>Vthを満たしており、Vss1−Vss2=Vgs>Vthとする事で、その後タイミングT3で行われるVth補正の準備を行う。換言すると期間T2‐T3は、ドライブトランジスタTrdのリセット期間に相当する。また、発光素子ELの閾電圧をVthELとすると、VthEL>Vss2に設定されている。これにより、発光素子ELにはマイナスバイアスが印加され、いわゆる逆バイアス状態となる。この逆バイアス状態は、後で行うVth補正動作及び移動度補正動作を正常に行うために必要である。
タイミングT3では制御信号AZ2をローレベルにし且つ直後制御信号DSもローレベルにしている。これによりトランジスタTr3がオフする一方トランジスタTr4がオンする。この結果ドレイン電流Idsが画素容量Csに流れ込み、Vth補正動作を開始する。この時ドライブトランジスタTrdのゲートGはVss1に保持されており、ドライブトランジスタTrdがカットオフするまで電流Idsが流れる。カットオフするとドライブトランジスタTrdのソース電位(S)はVss1−Vthとなる。ドレイン電流がカットオフした後のタイミングT4で制御信号DSを再びハイレベルに戻し、スイッチングトランジスタTr4をオフする。さらに制御信号AZ1もローレベルに戻し、スイッチングトランジスタTr2もオフする。この結果、画素容量CsにVthが保持固定される。この様にタイミングT3‐T4はドライブトランジスタTrdの閾電圧Vthを検出する期間である。ここでは、この検出期間T3‐T4をVth補正期間と呼んでいる。
この様にVth補正を行った後タイミングT5で制御信号WSをハイレベルに切り替え、サンプリングトランジスタTr1をオンして映像信号Vsigを画素容量Csに書き込む。発光素子ELの等価容量Coledに比べて画素容量Csは充分に小さい。この結果、映像信号Vsigのほとんど大部分が画素容量Csに書き込まれる。正確には、Vss1に対するVsigの差分Vsig−Vss1が画素容量Csに書き込まれる。したがってドライブトランジスタTrdのゲートGとソースS間の電圧Vgsは、先に検出保持されたVthと今回サンプリングされたVsig−Vss1を加えたレベル(Vsig−Vss1+Vth)となる。以降説明簡易化の為Vss1=0Vとすると、ゲート/ソース間電圧Vgsは図4のタイミングチャートに示すようにVsig+Vthとなる。かかる映像信号Vsigのサンプリングは制御信号WSがローレベルに戻るタイミングT7まで行われる。すなわちタイミングT5‐T7がサンプリング期間に相当する。
サンプリング期間の終了するタイミングT7より前のタイミングT6で制御信号DSがローレベルとなりスイッチングトランジスタTr4がオンする。これによりドライブトランジスタTrdが電源VDDに接続されるので、画素回路は非発光期間から発光期間に進む。この様にサンプリングトランジスタTr1がまだオン状態で且つスイッチングトランジスタTr4がオン状態に入った期間T6‐T7で、ドライブトランジスタTrdの移動度補正を行う。即ち本発明では、サンプリング期間の後部分と発光期間の先頭部分とが重なる期間T6‐T7で移動度補正を行っている。なお、この移動度補正を行う発光期間の先頭では、発光素子ELは実際には逆バイアス状態にあるので発光する事はない。この移動度補正期間T6‐T7では、ドライブトランジスタTrdのゲートGが映像信号Vsigのレベルに固定された状態で、ドライブトランジスタTrdにドレイン電流Idsが流れる。ここでVss1−Vth<VthELと設定しておく事で、発光素子ELは逆バイアス状態におかれる為、ダイオード特性ではなく単純な容量特性を示すようになる。よってドライブトランジスタTrdに流れる電流Idsは画素容量Csと発光素子ELの等価容量Coledの両者を結合した容量C=Cs+Coledに書き込まれていく。これによりドライブトランジスタTrdのソース電位(S)は上昇していく。図4のタイミングチャートではこの上昇分をΔVで表してある。この上昇分ΔVは結局画素容量Csに保持されたゲート/ソース間電圧Vgsから差し引かれる事になるので、負帰還をかけた事になる。この様にドライブトランジスタTrdの出力電流Idsを同じくドライブトランジスタTrdの入力電圧Vgsに負帰還する事で、移動度μを補正する事が可能である。なお負帰還量ΔVは移動度補正期間T6‐T7の時間幅tを調整する事で最適化可能である。
タイミングT7では制御信号WSがローレベルとなりサンプリングトランジスタTr1がオフする。この結果ドライブトランジスタTrdのゲートGは信号線SLから切り離される。映像信号Vsigの印加が解除されるので、ドライブトランジスタTrdのゲート電位(G)は上昇可能となり、ソース電位(S)と共に上昇していく。その間画素容量Csに保持されたゲート/ソース間電圧Vgsは(Vsig−ΔV+Vth)の値を維持する。ソース電位(S)の上昇に伴い、発光素子ELの逆バイアス状態は解消されるので、出力電流Idsの流入により発光素子ELは実際に発光を開始する。この時のドレイン電流Ids対ゲート電圧Vgsの関係は、先のトランジスタ特性式1のVgsにVsig−ΔV+Vthを代入する事で、以下の式2のように与えられる。
Ids=kμ(Vgs−Vth)=kμ(Vsig−ΔV)・・・式2
上記式2において、k=(1/2)(W/L)Coxである。この特性式2からVthの項がキャンセルされており、発光素子ELに供給される出力電流IdsはドライブトランジスタTrdの閾電圧Vthに依存しない事が分かる。基本的にドレイン電流Idsは映像信号の信号電圧Vsigによって決まる。換言すると、発光素子ELは映像信号Vsigに応じた輝度で発光する事になる。その際Vsigは負帰還量ΔVで補正されている。この補正量ΔVは丁度特性式2の係数部に位置する移動度μの効果を打ち消すように働く。したがって、ドレイン電流Idsは実質的に映像信号Vsigのみに依存する事になる。
最後にタイミングT8に至ると制御信号DSがハイレベルとなってスイッチングトランジスタTr4がオフし、発光が終了すると共に当該フィールドが終わる。この後次のフィールドに移って再びVth補正動作、移動度補正動作及び発光動作が繰り返される事になる。
図5は、移動度補正期間T6‐T7における画素回路2の状態を示す回路図である。図示するように、移動度補正期間T6‐T7では、サンプリングトランジスタTr1及びスイッチングトランジスタTr4がオンしている一方、残りのスイッチングトランジスタTr2及びTr3がオフしている。この状態でドライブトランジスタTr4のソース電位(S)はVss1−Vthである。このソース電位(S)は発光素子ELのアノード電位でもある。前述したようにVss1−Vth<VthELと設定しておく事で、発光素子ELは逆バイアス状態におかれ、ダイオード特性ではなく単純な容量特性を示す事になる。よってドライブトランジスタTrdに流れる電流Idsは画素容量Csと発光素子ELの等価容量Coledとの合成容量C=Cs+Coledに流れ込む事になる。換言すると、ドレイン電流Idsの一部が画素容量Csに負帰還され、移動度の補正が行われる。
図6は上述したトランジスタ特性式2をグラフ化したものであり、縦軸にIdsを取り横軸にVsigを取ってある。このグラフの下方に特性式2も合わせて示してある。図6のグラフは、画素1と画素2を比較した状態で特性カーブを描いてある。画素1のドライブトランジスタの移動度μは相対的に大きい。逆に画素2に含まれるドライブトランジスタの移動度μは相対的に小さい。この様にドライブトランジスタをポリシリコン薄膜トランジスタなどで構成した場合、画素間で移動度μがばらつく事は避けられない。例えば両画素1,2に同レベルの映像信号の信号電位Vsigを書き込んだ場合、何ら移動度の補正を行わないと、移動度μの大きい画素1に流れる出力電流Ids1´は、移動度μの小さい画素2に流れる出力電流Ids2´に比べて大きな差が生じてしまう。この様に移動度μのばらつきに起因して出力電流Idsの間に大きな差が生じるので、スジムラが発生し画面のユニフォーミティを損なう事になる。
そこで本発明では出力電流を入力電圧側に負帰還させる事で移動度のばらつきをキャンセルしている。先のトランジスタ特性式1から明らかなように、移動度が大きいとドレイン電流Idsが大きくなる。したがって負帰還量ΔVは移動度が大きいほど大きくなる。図6のグラフに示すように、移動度μの大きな画素1の負帰還量ΔV1は移動度の小さな画素2の負帰還量ΔV2に比べて大きい。したがって、移動度μが大きいほど負帰還が大きくかかる事となって、ばらつきを抑制する事が可能である。図示するように、移動度μの大きな画素1でΔV1の補正をかけると、出力電流はIds1´からIds1まで大きく下降する。一方移動度μの小さな画素2の補正量ΔV2は小さいので、出力電流Ids2´はIds2までそれ程大きく下降しない。結果的に、Ids1とIds2は略等しくなり、移動度のばらつきがキャンセルされる。この移動度のばらつきのキャンセルは黒レベルから白レベルまでVsigの全範囲で行われるので、画面のユニフォーミティは極めて高くなる。以上をまとめると、移動度の異なる画素1と2があった場合、移動度の大きい画素1の補正量ΔV1は移動度の小さい画素2の補正量ΔV2に対して小さくなる。つまり移動度が大きいほどΔVが大きくIdsの減少値は大きくなる。これにより移動度の異なる画素電流値は均一化され、移動度のばらつきを補正する事ができる。
以下参考の為、上述した移動度補正の数値解析を行う。図5に示したように、トランジスタTr1及びTr4がオンした状態で、ドライブトランジスタTrdのソース電位を変数Vに取って解析を行う。ドライブトランジスタTrdのソース電位(S)をVとすると、ドライブトランジスタTrdを流れるドレイン電流Idsは以下の式3に示す通りである。
Figure 0004168290
またドレイン電流Idsと容量C(=Cs+Coled)の関係により、以下の式4に示す様にIds=dQ/dt=CdV/dtが成り立つ。
Figure 0004168290
式4に式3を代入して両辺積分する。ここで、ソース電圧V初期状態は−Vthであり、移動度ばらつき補正時間(T6‐T7)をtとする。この微分方程式を解くと、移動度補正時間tに対する画素電流が以下の数式5のように与えられる。
Figure 0004168290
上述したように各画素の発光素子に流れる出力電流は式5で示すようになっている。この式5中で、移動度補正時間tは実用的なレベルで数μsに設定されている。前述したように、この移動度補正時間はスイッチングトランジスタTr4のオンタイミング(立下りタイミング)とサンプリングトランジスタTr1のオフタイミング(立下りタイミング)との間隔で決定される。図7は、スイッチングトランジスタTr4のゲートに印加される制御信号DSの立下り波形と、サンプリングトランジスタTr1のゲートに印加される制御信号WSの立下り波形を時間軸に沿って表している。これらの制御信号DS,WSが伝播する走査線は金属モリブデンなどの比較的高抵抗なパルス配線からなる。さらに他の層の配線との間のオーバーラップ寄生容量が大きいため、これらのパルス配線の時定数は大きく、制御信号DSやWSの立下り波形が鈍ってしまう。即ち各制御信号DS,WSは、電源電位Vccから接地電位Vssまで一瞬で立ち上がるのではなく、配線抵抗や配線容量で決まる時定数の影響で立下り波形に鈍りが生じる。この立下り波形はスイッチングトランジスタTr4やサンプリングトランジスタTr1のゲートに印加される。
一方サンプリングトランジスタTr1のソースには信号電位Vsigが供給されている。したがってサンプリングトランジスタTr1はゲート電位がVsig+Vtnを下回ったところでオフする。なおVtnはNチャネル型のサンプリングトランジスタTr1の閾電圧である。一般に製造プロセスなどの影響を受けてサンプリングトランジスタTr1の閾電圧Vtnは画素毎にばらつく。したがって制御信号WSの立下り波形に鈍りがあると、閾電圧Vtnのばらつきの影響を受けて、サンプリングトランジスタTr1のオフタイミングにずれが生じる。この為、移動度補正時間tの終期に画素ごとで差が現れる。
同様にスイッチングトランジスタTr4のソースは画素の電源電位VDDに接続されている。したがってスイッチングトランジスタTr4のゲート電位がVDD−|Vtp|まで低下した時、スイッチングトランジスタTr4がオンする。ここでVtpはPチャネル型のスイッチングトランジスタTr4の閾電圧を示している。製造プロセスの影響を受けてこの閾電圧Vtpもばらつきがある。したがって制御信号DSの立下りに鈍りがあると、閾電圧Vtpのばらつきの影響を受けて、スイッチングトランジスタTr4のオンタイミングにずれが生じる。即ち移動度補正期間tの始期にずれが生じる。図7は、閾電圧Vtn,Vtpが平均レベルにあるときの標準動作点を点線で表し、Vtn及びVtpのばらつきが最悪になる動作点を一点差線で表してある。標準的な移動度補正時間tに対し、ワーストケースでは移動度補正時間が短くなっている。逆に平均的な移動度補正時間tに対してワーストケースの移動度補正時間が長くなることもある。
図8は、移動度補正時間と画素に流れる駆動電流(画素電流)との関係を示すグラフである。このグラフは横軸に移動度補正時間を取り、縦軸に画素電流を取ってある。グラフから明らかなように移動度補正時間がばらつくと、画素電流が画素毎に変動してしまう。これにより画面のユニフォーミティが損なわれる。前述したように、移動度補正時間のばらつきは、主としてサンプリングトランジスタTr1やスイッチングトランジスタTr4の閾電圧のばらつきに起因する。
図9は薄膜トランジスタの閾電圧のばらつき原因を説明するための模式図である。図示する様に、表示装置は1枚の絶縁性基板で形成されており、フラットなパネル0である。このパネル0の上には画素アレイ部1に加えて周辺のライトスキャナ4、ドライブスキャナ5、水平セレクタ3なども集積形成されている。これらの周辺駆動部は中央の画素アレイ部1と同じく、薄膜トランジスタで集積形成されている。一般に薄膜トランジスタは多結晶シリコン膜を素子領域とする。この多結晶シリコン膜は、例えば絶縁性の基板上に非晶質のシリコン薄膜を成膜した後、レーザ光を照射することで結晶化し、多結晶シリコン薄膜に転換している。このレーザ光の照射は、例えばライン状のレーザビームを、パネル0の上から下に向かって順次重ねながら照射することで、非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に転換している。このレーザ光の照射過程でレーザ出力に局部的な変動が生じると、パネル0の上下方向で多結晶シリコン膜の結晶性に差が生じ、これが結果的に薄膜トランジスタの閾電圧のばらつきとなって現れる。よって通常閾電圧のばらつきは、レーザ光のラインに沿って、パネル0の水平方向に現れる。図示の例では、一部のラインで閾電圧の変動により補正時間が変動している。図8に示したように補正時間の変動は画素電流の変動につながるので、ラインに沿ってスジ状に輝度ムラが現れてしまう。平均に比べて補正時間が短くなると信号電位に対する負帰還量が少なくなる為、周囲より明るいスジが発生してしまう。逆に補正時間が標準より長くなると、信号電位に対する負帰還量が増えるため信号電位が低下しその分周囲より暗いスジが生じてしまう。
ところで最適な移動度補正時間は必ずしも一定ではなく、信号電圧に応じて最適移動度補正時間は変化する。図10は、この最適移動度補正時間と信号電圧との関係を示すグラフである。図から明らかなように、信号電圧が白レベルで高い時、最適移動度補正時間は比較的短い。信号電圧がグレーレベルでは最適移動度補正時間も長くなり、さらにブラックレベルでは最適移動度補正時間が一層延長する傾向にある。前述したように、移動度補正期間中、画素容量に負帰還する補正量ΔVは信号電圧Vsigに比例している。信号電圧が高いとその分負帰還量も大きくなるので、最適移動度補正時間は短くなる傾向にある。逆に信号電圧が下がるとドライブトランジスタの電流供給能力が下がるため、十分な補正に必要な最適移動度補正時間は延びる傾向にある。
そこで本発明は、信号線SLに供給される映像信号の信号電位Vsigが高い時補正期間tが短くなる一方、信号線SLに供給される映像信号の信号電位Vsigが低い時補正期間tが長くなるように、自動的にサンプリングトランジスタWSのオフタイミングを調整している。この原理を図11に示す。
図11の波形図は、移動度補正期間tを規定するスイッチングトランジスタTr4のオンタイミング及びサンプリングトランジスタTr1のオフタイミングを律する、制御信号DSの立下がり波形及び制御信号WSの立下り波形を表している。前述したように、スイッチングトランジスタTr4のゲートに印加される制御信号DSがVDD−|Vtp|を下回った時点で、スイッチングトランジスタTr4はオンし、移動度補正時間が開始する。
一方サンプリングトランジスタTr1のゲートには制御信号WSが印加されている。その立下り波形は図示する様に、始め電源電位Vccから急峻に下がり、その後接地電位Vssに向かって緩やかに低下していく。ここでサンプリングトランジスタTr1のソースに印加される信号電位Vsig1が白レベルで高い時サンプリングトランジスタTr1のゲート電位はVsig1+Vtnまで速やかに降下するので、最適移動度補正時間t1は短くなる。信号電位がグレーレベルのVsig2になると、ゲート電位がVsig2+VtnまでVccから下がった時点でサンプリングトランジスタTr1がオフする。その結果グレーレベルのVsig2に対応した最適補正時間t2は、t1に比べて長くなる。さらに信号電位がブラックレベルに近いVsig3になると、最適移動度補正時間t3は、グレーレベルの時の最適移動度補正時間t2に比べ一層長くなる。
この様にライトスキャナ4は、第2タイミングでサンプリングトランジスタTr1をオフする時、第1制御信号WSの立下り波形に傾斜を付けることで、信号線SLに供給される映像信号の信号電位Vsig1が高い時補正期間t1が短くなる一方、信号電位Vsig3の様に低い時補正期間t3が長くなるよう自動的にサンプリングトランジスタTr1のオフタイミングを調整している。即ちライトスキャナ4は、第1制御信号WSの立下り波形に傾斜を付ける際、少なくとも2段階に分けて始めに傾斜を急にした後で傾斜をなだらかにすることで、信号電位Vsig1が高い時と信号電位Vsig2,3が低い時の両方で補正期間t1,t2及びt3を最適化している。
この様に信号電位Vsigに応じて移動度補正時間tを適応的に調整する方式では、信号電位が低い場合の最適補正時間に合わせて制御信号WSの立下りが非常に鈍った形状になる。この様なパルス波形では、サンプリングトランジスタTr1の閾電圧Vtnばらつきによる移動度補正時間tのばらつきの度合いがさらに悪化してしまう。特に信号電位Vsigが低い領域ではサンプリングトランジスタTr1の閾電圧Vtnのわずかなばらつきでも、最適補正時間t3は大きく変動してしまう。この為スジ状のムラがより顕著に発生する傾向がある。
このような問題を除くためには、高い信号電位から低い信号電位まで全体にわたって最適移動度補正時間を短縮化すれば良い。短縮化することで制御信号WSの立下り波形の鈍り具合も少なく出来るので、その分サンプリングトランジスタTr1の閾電圧のばらつきの影響を受け難くなる。本発明では、最適移動度補正期間を短縮化するため、ドライブトランジスタTrdのサイズ比(W/L)を大きく設定している。図12は、最適移動度補正時間と信号電圧との関係を示すグラフであり、特にドライブトランジスタTrdのサイズ比W/Lをパラメータにとってある。グラフから明らかなように、ドライブトランジスタTrdのサイズ比を大きく取るほど、その電流供給能力が高くなり、最適移動度補正時間を全体的に短縮化できる。従来ドライブトランジスタTrdのサイズ比W/Lは0.5未満に設定されていた。即ちドライブトランジスタTrdのチャネル幅(ゲート幅)Wはチャネル長(ゲート長)Lの半分に満たないように設計されていた。本発明では、これを改め、ドライブトランジスタTrdのサイズ比W/Lを0.5以上に取ることで、最適移動度補正時間を短縮化し、以って制御信号WSの立下り波形を従来に比べて急峻化している。立下り波形を全体的に急峻化することで、サンプリングトランジスタTr1の閾電圧のばらつきの影響を受け難くしている。図12のグラフから明らかなように、好ましくはドライブトランジスタTrdのサイズ比W/Lを1以上とするとこで、最適移動度補正時間を信号電圧の全レベルに渡って効果的に短縮できることがわかる。
図13は、本発明の効果を表した波形図であり、制御信号DS及びWSの立下り波形を示している。図13の上側半分は、ドライブトランジスタTrdのサイズが小さい場合で、制御信号WSの立下り波形を特に急峻化していない場合である。これに対し下側の制御信号WSの波形は、ドライブトランジスタTrdのサイズ比を大きくして、制御信号WSの立下り波形を急峻化した場合である。
制御信号WSの立下りを急峻化しない場合、サンプリングトランジスタTr1の閾電圧Vtnが最小値VtnMINから最大値VtnMAXの間でばらついた時、移動度補正時間tは最短のtminから最長のtmaxの間でばらつく。なおこの場合の信号電位Vsigは比較的低いレベルにとってあり、サンプリングトランジスタTr1の閾電圧Vtnのばらつきの影響を強く受けるレベルである。
これに対し制御信号WSの立下り波形を急峻化した場合、サンプリングトランジスタTr1の閾電圧VtnがVtnMINからVtnMAXの間でばらついた時、同様に移動度補正時間tも最短tminから最長tmaxまで変動するが、何ら制御信号WSの立下り波形を急峻化しない場合に比べて、移動度補正時間tの変動幅は明らかに狭くなっている。
この様にドライブトランジスタTrdのサイズを大きく設定すると、制御信号WSの立下り波形を急峻化できる。よってサンプリングトランジスタTr1の閾電圧がばらついても、移動度補正期間tのばらつき量は小さくなる。その結果スジ状ムラの画面不良を抑制することが出来る。ドライブトランジスタのサイズ比は従来に比べて大きくすれば良いが、好ましくはW/Lを1以上とすることが良い。
本発明にかかる表示装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明にかかる表示装置の画素構成を示す回路図である。 本発明にかかる表示装置の動作説明に供する回路図である。 同じく動作説明に供するタイミングチャートである。 同じく動作説明に供する回路図である。 同じく動作説明に供するグラフである。 同じく動作説明に供する波形図である。 同じく動作説明に供するグラフである。 同じく動作説明に供する模式図である。 信号電位と最適移動度補正時間との関係を示すグラフである。 本発明の動作説明に供する波形図である。 本発明の動作説明に供するグラフである。 本発明の動作説明に供する波形図である。
符号の説明
0・・・パネル、1・・・画素アレイ部、2・・・画素回路、3・・・水平セレクタ、4・・・ライトスキャナ、5・・・ドライブスキャナ、71・・・第一補正用スキャナ、72・・・第二補正用スキャナ、Tr1・・・サンプリングトランジスタ、Tr2・・・第1スイッチングトランジスタ、Tr3・・・第2スイッチングトランジスタ、Tr4・・・第3スイッチングトランジスタ、Trd・・・ドライブトランジスタ、Cs・・・画素容量、EL・・・発光素子、Vss1・・・第1電源電位、Vss2・・・第2電源電位、VDD・・・第3電源電位、WS・・・第1走査線、DS・・・第2走査線、AZ1・・・第3走査線、AZ2・・・第4走査線

Claims (5)

  1. 画素アレイ部とこれを駆動する駆動部とからなり、
    前記画素アレイ部は、行状の第1走査線及び第2走査線と、列状の信号線と、これらが交差する部分に配された行列状の画素と、各画素に給電する電源ライン及び接地ラインとを備え、
    前記駆動部は、各第1走査線に順次第1制御信号を供給して画素を行単位で線順次走査する第1スキャナと、該線順次走査に合わせて各第2走査線に順次第2制御信号を供給する第2スキャナと、該線順次走査に合わせて列状の信号線に映像信号を供給する信号セレクタとを備え、
    前記画素は、発光素子と、サンプリングトランジスタと、ドライブトランジスタと、スイッチングトランジスタと、画素容量とを含み、
    前記サンプリングトランジスタは、そのゲートが該第1走査線に接続し、そのソースが該信号線に接続し、そのドレインが該ドライブトランジスタのゲートに接続し、
    前記ドライブトランジスタ及び前記発光素子は該電源ラインと接地ラインとの間で直列に接続して電流路を形成し、
    前記スイッチングトランジスタは該電流路に挿入されるとともに、そのゲートが該第2走査線に接続し、
    前記画素容量は、該ドライブトランジスタのソースとゲートの間に接続している表示装置であって、
    前記サンプリングトランジスタは、該第1走査線から供給された第1制御信号に応じてオンし、該信号線から供給された映像信号の信号電位をサンプリングして該画素容量に保持し、
    前記スイッチングトランジスタは、該第2走査線から供給された第2制御信号に応じオンして該電流路を導通状態にし、
    前記ドライブトランジスタは、該画素容量に保持された信号電位に応じて駆動電流を該導通状態に置かれた電流路を通って該発光素子に流し、
    前記駆動部は、該第1走査線に該第1制御信号を印加して該サンプリングトランジスタをオンし信号電位のサンプリングを開始した後、該第2制御信号が該第2走査線に印加されて該スイッチングトランジスタがオンする第1タイミングから、該第1走査線に印加された該第1制御信号が解除されて該サンプリングトランジスタがオフする第2タイミングまでの補正期間に、該ドライブトランジスタの移動度に対する補正を該画素容量に保持された該信号電位に加え、
    その際該信号線に供給される映像信号の信号電位が高いとき該補正期間が短くなる一方、該信号線に供給される映像信号の信号電位が低いとき該補正期間が長くなる様、自動的に該第2タイミングを調整する一方、
    前記ドライブトランジスタは、そのチャネル幅をWとしチャネル長をLとするとそのサイズ比W/Lが0.5以上に設定されており、該補正期間中に該ドライブトランジスタの駆動電流の供給能力を高めて該補正期間を全体的に短縮化することを特徴とする表示装置。
  2. 前記ドライブトランジスタは、そのサイズ比W/Lが1.0以上に設定されていることを特徴とする請求項1記載の表示装置。
  3. 前記第1スキャナは、第2タイミングで該サンプリングトランジスタをオフするとき、該第1制御信号の立下り波形に傾斜をつけることで、該信号線に供給される映像信号の信号電位が高いとき該補正期間が短くなる一方、信号電位が低いとき該補正期間が長くなる様自動的に該第2タイミングを調整することを特徴とする請求項1記載の表示装置。
  4. 前記第1スキャナは、該第1制御信号の立下り波形に傾斜をつける際、少なくとも二段階に分けて初めに傾斜を急にし後で傾斜をなだらかにすることで、信号電位が高いときと信号電位が低いときの両方で該補正期間を最適化することを特徴とする請求項3記載の表示装置。
  5. 各画素は、映像信号のサンプリングに先立って該ドライブトランジスタのゲート電位及びソース電位をリセットする追加のスイッチングトランジスタを含み、
    前記第2スキャナは、映像信号のサンプリングに先立って該第2制御線を介して該スイッチングトランジスタを一時的にオンし、以ってリセットされた該ドライブトランジスタに駆動電流を流してその閾電圧に相当する電圧を該画素容量に保持しておくことを特徴とする請求項1記載の表示装置。
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