JP4403373B2

JP4403373B2 - アクティブマトリクス型自発光表示装置

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Publication number: JP4403373B2
Application number: JP2003327607A
Authority: JP
Inventors: 和夫中村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: JP2005092006A

Description

本発明はアクティブマトリクス型の自発光表示装置に関する。より詳しくは、各画素毎に発光素子に加え受光素子を備えた外光適応型の自発光表示装置に関する。

アクティブマトリクス型の自発光表示装置は、走査線の列と、これに直交する信号線の列と、各走査線及び各信号線が交差する部分に配され画素を構成する発光素子と、各発光素子を駆動する画素回路とを備えている。発光素子としては、現在有機ＥＬ素子が有望であり、盛んに開発が進められている。有機ＥＬ素子は有機薄膜に電界を掛けると発光する現象を利用したものである。有機ＥＬ素子は、印加電圧が１０Ｖ以下で発光する為、低電圧駆動・低消費電力である。又、有機ＥＬ素子は自発光素子である為、バックライトなどの照明部材を必要とせず、軽量化及び薄型化が容易である。更に、有機ＥＬ素子の応答速度は数μｓ程度と非常に高速であるので、動画表示時の残像が発生しない。

有機ＥＬ素子を用いた平面自発光表示装置の中でも、取り分け画素回路を構成する駆動素子として薄膜トランジスタを用いたアクティブマトリクス型平面自発光表示装置の開発が盛んであり、以下の特許文献１〜特許文献３に記載されている。
特開２００１−８５１６０号公報特開２００２−２９７０９６号公報特開２００３−１１８１６４号公報

しかしながら、従来から提案されている平面自発光装置では、あらかじめ所定の外光条件を設定して、その外光条件下で最も見栄えがよくなる様な設計となっている。換言すると、標準的な外光条件に合わせて発光輝度はあらかじめ固定されている。その為、戸外の様な明るい場所では相対的に発光輝度が足らなくなり、画面が暗く見えてしまう。逆に照明の乏しい暗い場所では画面が明るくなり過ぎるという問題があった。

上述の様な問題に対処する為に、外部システムに外光に応じて発光素子の印加電圧を変えることで輝度調整を行う回路を組み込む方法が提案されており、例えば前記の特許文献２や特許文献３に記載がある。しかしながら、輝度調整用の回路を外部システムに組み込む方法では、自発光表示装置セットのコスト増大を招くという課題がある。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は内部画素回路に受光素子を付加することで自立的に外光に応じた輝度調整を可能にすることを目的とする。係る目的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち、走査線の列と、これに直交する信号線の列と、各走査線及び各信号線が交差する部分に配され画素を構成する発光素子と、各発光素子を駆動する画素回路と、各発光素子に対応して各画素回路に配され外光を受光する受光素子とからなるアクティブマトリクス型自発光表示装置であって、前記画素回路は、対応する走査線によって走査された時、対応する信号線から映像信号をサンプリングし、これに応じて該発光素子を駆動し該映像信号に応じた輝度で発光を行なわせるとともに、該受光素子に応答して自律的に該発光素子の駆動を制御し、外光に適応して発光輝度を調整することを特徴とする。

一態様では、前記画素回路は、走査線及び信号線に接続して映像信号をサンプリングするサンプリング用薄膜トランジスタと、これに接続し該サンプリングされた映像信号に応じて該発光素子を駆動する駆動用薄膜トランジスタとを含み、前記受光素子は光検出用ダイオードからなり、該駆動用薄膜トランジスタのソース・ドレイン間と電気的に並列に接続されている。この場合、前記光検出用ダイオードは、そのカソード側が該駆動用薄膜トランジスタのソース・ドレインの高電位側に接続されている。

他の態様では、前記画素回路は、走査線及び信号線に接続して映像信号をサンプリングするサンプリング用薄膜トランジスタと、これに接続し該サンプリングされた映像信号に応じて該発光素子を駆動する駆動用薄膜トランジスタとを含み、前記受光素子は光検出用ダイオードからなり、該駆動用薄膜トランジスタのゲートに接続されている。この場合、前記駆動用薄膜トランジスタはＮチャネル型であり、前記光検出用ダイオードは、そのアノードが該駆動用薄膜トランジスタのゲートに接続する一方、そのカソードが該駆動用薄膜トランジスタのゲートより高電位の電源ラインに接続している。或いは前記駆動用薄膜トランジスタはＰチャネル型であり、前記光検出用ダイオードは、そのカソードが該駆動用薄膜トランジスタのゲートに接続する一方、そのアノードが該駆動用薄膜トランジスタのゲートより低電位の電源ラインに接続されている。

本発明によれば、アクティブマトリクス型平面自発光表示装置の各画素回路に光検出用ダイオードなどの受光素子を付加することにより、外光変化に応じて発光輝度を自立的に調整できる。これにより、外光条件に依存することなく常に良好な画像表示を提供できる。又、外部システムに外光変化に応じた調整機能を必要としない為、低コスト且つ高画質の平面表示装置セットを提供できる。

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は本発明に係るアクティブマトリクス型自発光表示装置を示すものであり、（Ａ）は全体構成図、（Ｂ）は画素平面図、（Ｃ）は画素回路図である。（Ａ）に示す様に、本表示装置は、主要部となる平面パネル１１と、駆動用の外付け回路とでセットになる。平面パネル１１は中央部分に表示アレイ１２を備えている。この表示アレイ１２には画素３がマトリクス状に配列され、画面を構成する。表示アレイ１２には走査線の列とこれに直交する信号線の列とが格子状に配されており、各画素３は各走査線及び各信号線が交差する部分に配されている。各画素３には発光素子と、これを駆動する画素回路と、外光を受光する受光素子とが集積形成されている。

これに対し外部の駆動用回路は、映像信号制御回路１３と信号線駆動用集積回路１４を含んでいる。映像信号制御回路１３は信号線駆動用集積回路１４を介して表示アレイ１２の各信号線に接続されている。外部の駆動用システムは更に、走査線制御回路１５と走査線駆動用集積回路１６を含んでいる。走査線制御回路１５は走査線駆動集積回路１６を介して表示アレイ１２の各走査線に接続されている。

（Ｂ）に示す様に、各画素３は、走査線１、信号線２及び電源ライン６で囲まれた矩形形状を有する。画素３の大部分が発光領域４Ｒを占め、一部を受光領域５Ｒが占めている。発光領域４Ｒには有機ＥＬ素子などの薄膜型発光素子が形成される。又受光領域５Ｒには光検出用ダイオードなどの受光素子が形成される。画素３は積層構造となっており、発光領域４Ｒ及び受光領域５Ｒの下部には、薄膜トランジスタなどで構成された画素回路が形成されている。

（Ｃ）に示す様に、画素回路７は、直交配列された走査線１と信号線２の交差部にサンプリング用薄膜トランジスタ８が配置されている。このサンプリング用薄膜トランジスタはＮ型で、そのゲートが走査線１に接続され、ドレインが信号線２に接続されている。サンプリング用薄膜トランジスタ８のソースにはサンプリング容量１０と、駆動用薄膜トランジスタ９のゲートが接続されている。駆動用薄膜トランジスタ９はＰ型である。電源ラインから供給されるアノード電源Ｖａには、駆動用薄膜トランジスタ９のソースとサンプリング容量１０と受光素子（光検出用ダイオード）５のカソードが接続される。そして駆動用薄膜トランジスタ９のドレインには光検出用ダイオード５のアノードと有機ＥＬなどダイオード型発光素子４のアノードが接続されている。有機ＥＬ発光素子４のカソードは、別の電源ラインから供給されるカソード電源Ｖｋに接続される。光検出用ダイオード５は、アノード電圧Ｖａが駆動用薄膜トランジスタのドレイン電位より常に大きいので、常時逆バイアス状態となっている。

係る構成において、画素回路７は、対応する走査線１によって走査された時、対応する信号線２から映像信号をサンプリングし、これに応じて発光素子４を駆動し映像信号に応じた輝度で発光を行わせるとともに、光検出用ダイオード（受光素子）５に応答して自立的に発光素子４の駆動を制御し、外光に適応して発光輝度を調整する。本実施形態では、受光素子５が光検出用ダイオードからなり、駆動用薄膜トランジスタ９のソース・ドレイン間と電気的に並列に接続されている。より具体的には、光検出用ダイオード５は、そのカソード側が駆動用薄膜トランジスタ９のソース・ドレインの高電位側に接続されている。

図２は、図１に示した実施形態に含まれる画素回路の動作を説明するタイミングチャートであり、有機ＥＬ発光素子を明状態から暗状態にする動作を図示している。走査線にパルス状の走査信号が入力されることで、走査線電位が高電位に遷移すると、サンプリング用薄膜トランジスタはオン状態となり、映像信号をサンプリング容量に充電する。すると、駆動用薄膜トランジスタのゲート電位は上昇を開始し、ソース・ドレイン間抵抗が大きくなる。その為、有機ＥＬ発光素子のアノード電位は下降するとともに、発光輝度は図示の様に低下する。そして、走査線電位が高電位から低電位に戻ると、サンプリング用薄膜トランジスタはオフ状態となり、サンプリング容量には映像信号がそのまま保持される。これにより、駆動用薄膜トランジスタのゲート電位は一定となり、発光素子の発光輝度は、次フレームまで一定に維持される。

ここで光検出用ダイオードに外光が照射されると、外光による光キャリアの効果により、アノード電源から有機ＥＬ発光素子に光検出用ダイオードを介して電流Ｉｌｅａｋが流れる。駆動用薄膜トランジスタのソース・ドレイン間電流をＩｄｒｉｖｅとすると、有機ＥＬ発光素子に流れるトータル電流Ｉｅｌは、
Ｉｅｌ＝Ｉｄｒｉｖｅ＋Ｉｌｅａｋ
となる。検出用ダイオードの光電流Ｉｌｅａｋは外光が強い程大きくなるので、Ｉｅｌも外光が明るい程大きくなり、有機ＥＬ発光素子の発光輝度は図２に示した様に上昇する。逆に外光強度が弱い場合には、光検出用ダイオードに流れる光電流Ｉｌｅａｋは非常に小さい値となり、Ｉｅｌも低下し発光輝度が下がる。この様に有機ＥＬに流れるトータル電流Ｉｅｌは、外光強度に応じて変化するので、外光に応じて自立的に発光強度を調整することが可能となり、高品位な画像表示を提供することができる。

図３は、本発明に係るアクティブマトリクス型自発光表示装置の他の実施形態を示す画素回路図である。理解を容易にする為、図１に示した実施形態と対応する部分には対応する参照番号を付してある。図示の画素回路は、直交配列された走査線１と信号線２の交差部にサンプリング用Ｎ型の薄膜トランジスタ８が配置されている。サンプリング用薄膜トランジスタ８は、そのゲートが走査線１に接続し、ドレインと信号線２が接続する。サンプリング用薄膜トランジスタ８のソースには、光検出用ダイオード５のアノードと、サンプリング容量１０の一方の電極と、駆動用Ｎ型の薄膜トランジスタ９のゲートとが接続される。駆動用薄膜トランジスタ９のドレインには、有機ＥＬ発光素子４のアノードが接続される。アノード電源Ｖａには、駆動用薄膜トランジスタ９のソースと、光検出用ダイオード５のカソードが接続される。カソード電源Ｖｋには有機ＥＬ発光素子４のカソードが接続される。光検出用ダイオード５は、アノード電源Ｖａの電位が駆動用薄膜トランジスタ９のゲート電位より常に高い為、常時逆バイアス状態となる。逆バイアス状態下では、光照射により光電流が励起される。

図４は、図３に示した実施形態の画素回路の動作を説明するタイミングチャートであり、有機ＥＬ発光素子を暗状態から明状態に遷移させる場合を表わしている。走査線にパルス状の走査信号ＳＣＮを印加することで走査線電位が高レベルに遷移すると、サンプリング用薄膜トランジスタはオン状態となり、信号線から供給される映像信号ＳＩＧをサンプリング容量に充電する。すると駆動用薄膜トランジスタのゲート電位は上昇を開始し、そのソース・ドレイン間抵抗が小さくなる。その為、有機ＥＬ発光素子のアノード電位が上昇するとともに発光輝度が高くなる。

走査信号ＳＣＮの解除により走査線電位が高レベルから低レベルに戻ると、サンプリング用薄膜トランジスタがオフ状態となりサンプリング容量に充電された映像信号電位が保持される。光検出用ダイオードのアノード電位も信号電位に保持される。

ここで外光が光検出用ダイオードに照射されると、光キャリアの影響により光リーク電流Ｉｌｅａｋが発生する。すると保持期間中に、サンプリング容量に蓄積された映像信号電位に相当する電荷は、Ｉｌｅａｋにより徐々に増加する。この結果駆動用薄膜トランジスタのゲートも上昇を始め、それに伴いソース・ドレイン間抵抗が小さくなり、有機ＥＬ発光素子の輝度は図示の様に上昇する。この上昇は次フレームで映像信号の書き込みが開始されるまで続く。この様に、本実施形態の画素回路は、図１に示した実施形態と同様に、外光強度に応じて自立的に発光素子の駆動を制御し、外光に適用して発光輝度を調整することで、高品位な画像表示を実現できる。尚、本実施形態はフレーム毎にサンプリング容量がリフレッシュされるので、光リーク電流Ｉｌｅａｋの影響も１フレーム毎にリフレッシュされる。従って、Ｉｌｅａｋがサンプリング容量に蓄積され正常な動作が不能となる様なことはない。

図５は、図３に示した画素回路の変形例を示す回路図である。理解を容易にする為、図３に示した先の画素回路と対応する部分には対応する参照番号を付してある。図３に示した実施形態は、駆動用薄膜トランジスタがＮチャネル型であり、光検出用ダイオードは、そのアノードが駆動用薄膜トランジスタのゲートに接続する一方、そのカソードが駆動用薄膜トランジスタのゲートより高電位の電源ラインに接続していた。これに対し、図５の変形例は、駆動用薄膜トランジスタがＰチャネル型であり、光検出用ダイオードは、そのカソードが駆動用薄膜トランジスタのゲートに接続する一方、そのアノードが駆動用薄膜トランジスタのゲートより低電位の電源ラインに接続されている。具体的には図示する様に、直交配列された走査線１と信号線２の交差部にサンプリング用Ｎ型の薄膜トランジスタ８が配置されている。サンプリング用薄膜トランジスタ８は、そのゲートが走査線１に接続し、ドレインが信号線２に接続している。サンプリング用薄膜トランジスタ８のソースには、光検出用ダイオード５のカソードと、サンプリング容量１０の一方の電極と、駆動用薄膜トランジスタ９のゲートが接続されている。駆動用薄膜トランジスタ９はＰ型であり、そのドレインには有機ＥＬ発光素子４のアノードが接続される。アノード電源Ｖａには、駆動用薄膜トランジスタ９のソースが接続される。カソード電源Ｖｋには光検出用ダイオード５のアノードと、有機ＥＬ発光素子４のカソードが接続される。駆動用薄膜トランジスタ９のゲート電位はカソード電源Ｖｋの電位より常に高い為、光検出用ダイオードは常時逆バイアス状態となる。

図６は、図５に示した画素回路の動作説明に供するタイミングチャートであり、有機ＥＬ発光素子を明状態から暗状態に遷移させる場合を表わしている。走査信号ＳＣＮの印加により走査線電位が高電位に遷移すると、サンプリング用薄膜トランジスタはオン状態となり、映像信号電位をサンプリング容量に充電する。すると、駆動用薄膜トランジスタのゲート電位は上昇を開始し、そのソース・ドレイン間抵抗が大きくなる。その為有機ＥＬ発光素子のアノード電位は低下するとともに発光輝度は図示の様に低下する。

走査信号ＳＣＮの解除により走査線電位が低電位に遷移すると、サンプリング容量に充電された映像信号電位が保持されるとともに、光検出用ダイオードのカソード電位も映像信号電位に保持される。

ここで外光が光検出用ダイオードに照射されると、光検出用ダイオードの光リーク電流Ｉｌｅａｋにより、保持期間中にサンプリング容量は光検出用ダイオードを介して放電される。すると駆動用薄膜トランジスタのゲート電位も下降を始め、それに伴いソース・ドレイン間抵抗も小さくなり、有機ＥＬ発光素子の輝度は上昇する。この上昇は次フレームの書き込みが開始されるまで続く。次フレームの書き込みが開始されるとリフレッシュされる。この様に本画素回路は、受光素子に応答して自立的に発光素子の駆動を制御し、外光に適応して発光輝度を調整することができる。

本発明に係るアクティブマトリクス型自発光表示装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示した実施形態の動作説明に供するタイミングチャートである。本発明に係るアクティブマトリクス型自発光表示装置の他の実施形態を示す画素回路図である。図３に示した実施形態の動作説明に供するタイミングチャートである。本発明に係るアクティブマトリクス型自発光表示装置の別の実施形態を示す画素回路図である。図５に示した実施形態の動作説明に供するタイミングチャートである。

符号の説明

１・・・走査線、２・・・信号線、３・・・画素、４・・・発光素子、５・・・光検出用ダイオード（受光素子）、６・・・電源ライン、７・・・画素回路、８・・・サンプリング用薄膜トランジスタ、９・・・駆動用薄膜トランジスタ、１０・・・サンプリング容量、１１・・・平面パネル、１２・・・表示アレイ

Claims

走査線の列と、これに直交する信号線の列と、各走査線及び各信号線が交差する部分に配され画素を構成する発光素子と、各発光素子を駆動する画素回路と、各発光素子に対応して各画素回路に配され外光を受光する受光素子とを備え、
前記画素回路が、対応する走査線によって走査された時、対応する信号線から映像信号をサンプリングし、これに応じて該発光素子を駆動し該映像信号に応じた輝度で発光を行なわせるとともに、該受光素子に応答して自律的に該発光素子の駆動を制御し、外光に適応して発光輝度を調整するアクティブマトリクス型自発光表示装置であって、
前記画素回路は、走査線及び信号線に接続して映像信号をサンプリングするサンプリング用薄膜トランジスタと、これに接続し該サンプリングされた映像信号に応じて該発光素子を駆動する駆動用薄膜トランジスタとを含み、
前記受光素子は光検出用ダイオードからなり、該駆動用薄膜トランジスタのソース・ドレイン間と電気的に並列に接続されており、当該光検出用ダイオードのカソード側が該駆動用薄膜トランジスタのソース・ドレインの高電位側に接続されている
ことを特徴とするアクティブマトリクス型自発光表示装置。