JP4537063B2 - 光集積回路内に提供される光増幅機構およびその機構を集積した増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、広く電気光学ディスプレイのディスプレイ駆動装置に関し、特に、アクティブマトリックス有機発光ダイオードディスプレイに関する。

有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）は、特定の形態の電気光学ディスプレイを備える。それらは、明るく色彩に溢れ高速に点灯し、広い視野角があり、様々な基板上に容易かつ安価に製造することができる。有機ＬＥＤは、ポリマーあるいは小分子を用いて、様々な色で（あるいはマルチカラーディスプレイにおいて）、使用する素材に応じて製造することができる。ポリマーを使用した有機ＬＥＤの例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載され、また、いわゆる小分子を用いた例は、特許文献４に記載される。

典型的な有機ＬＥＤの基本的構造１００が、図１ａに示される。ガラス製あるいはプラスティック製の基板１０２は、例えば、その上にホール搬送層１０６が置かれるインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）と、電子発光層１０８と、カソード１１０とを備える搬送アノード層１０４を支えている。電子発光層１０８は、例えば、ＰＰＶ（ポリ（ｐ−フェニレンビニレン））を備え、アノード層１０４のホールエネルギーレベルと電子発光層１０８の適合を助けるホール搬送層１０６とは、例えば、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（ポリスチレン−スルホン酸塩−ドープされたポリスチレン−ジオキシチオフェン）を備えていよう。カソード層１１０は、典型的には、カルシウムのような低仕事関数の金属（low work function metal）を備え、電子エネルギーレベルの適合を改善するために、アルミニウムの層のような電子発光層１０８のすぐ隣りの追加の層を含んでいよう。アノードとカソードへのそれぞれのコンタクト線１４，１１６は、電源１１８への接続を提供する。同じ基本構造を、小分子素子に対して使用することができる。

図１ａに示した例において、光１２０は、透過アノード１０４と基板１０２を通して放射され、そのような素子が“底部エミッタ（bottom emitter）”と呼ばれる。カソードを通して放射する素子は、例えば、カソード層の厚さを５０−１００ｎｍ未満に抑えるように構築して、カソードが実質的に透過的となるようにすることもできる。

有機ＬＥＤは、画素マトリックス内の基板上に置かれて、単色或いはマルチカラーの画素を持つ（pixellated）ディスプレイを形成する。マルチカラーのディスプレイは、赤と緑と青の発光画素を用いて構成することができる。そのようなディスプレイにおいては、個々の要素は、一般的に、画素を選択する行（あるいは列）ラインを活性化することでアドレスし、画素の行（あるいは列）は書き込まれて、ディスプレイを形成する。そのような装置では、画素に書き込まれるデータが、他の画素がアドレスされる間も保持されるために、各画素に関連したメモリ要素を持つことが望ましいということを理解されたい。一般的に、このことは、駆動トランジスタのゲート上に設定される電圧を格納する蓄積コンデンサによって達成される。そのような素子は、アクティブマトリックスディスプレイと呼ばれ、ポリマーと小分子アクティブマトリックスディスプレイの駆動器の例が、特許文献５と特許文献６とにそれぞれ見られる。

図１ｂには、そのような典型的なＯＬＥＤ駆動回路１５０が示されている。回路１５０は、ディスプレイの各画素に与えられて、接地電位１５２とＶ_ｓｓ１５４と行選択母線（busbar）１６４と列データ母線１６６には、画素の内部接続が提供される。このように、各画素には、電源と接地の接続があり、画素の各行には、共通の行選択ライン１６４があり、画素の各列には、共通のデータライン１６６がある。

各画素には、接地電位１５２と電力ライン１５４の間の駆動トランジスタ１５８と直列に接続される有機ＬＥＤ１５６がある。駆動トランジスタ１５８のゲート接続部は、蓄積コンデンサ１６０に結合され、制御トランジスタ１６２は、列選択ライン１６４の制御下でゲート１５９を列データライン１６６に結合する。トランジスタ１６２は、行選択ライン１６４が活性化されると、列データライン１６６をゲート１５９とコンデンサ１６０に接続する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチである。こうして、スイッチ１６２がオンのとき、列データライン１６６上の電圧は、コンデンサ１６０上に格納することができる。この電圧は、駆動トランジスタ１５８へのゲート接続が比較的高いインピーダンスであることと、スイッチトランジスタ１６２が“オフ”状態にあることとから、少なくともフレームのリフレッシュ期間の間、コンデンサ上に保持される。

駆動トランジスタ１５８は、典型的には、ＦＥＴトランジスタであり、閾値以下であるトランジスタのゲート電圧によって決まる（ドレイン−ソース間の）電流を流す。こうして、ゲートノード１５９における電圧は、ＯＬＥＤ１５６を通る電流を制御し、それゆえＯＬＥＤの明るさを制御する。

ＷＯ ９０／１３１４８号公報 ＷＯ ９５／０６４００号公報 ＷＯ ９９／４８１６０号公報 米国特許第４５３９５０７号公報 ＷＯ ９９／４２９８３号公報 ＥＰ ０７１７４４６Ａ号公報 ＷＯ ０１／２０５９１号公報 ＥＰ ０９２３０６７Ａ号公報 ＥＰ １０９６４６６Ａ号公報 ＪＰ ５−０３５２０７号公報 ＥＰ ８８０３０３号公報 ＷＯ９９／５４９３６号公報 英国特許出願第０１２１０７７.２号公報

図１ｂの標準的な電圧制御式回路は、いくつかの欠点に悩まされる。主な問題は、ＯＬＥＤ１５６の明るさがＯＬＥＤの特性と、それを駆動するトランジスタ１５８とによって決まる点から起こる。概して、これらは、ディスプレイの全域で、時間と温度と経年変化とによって変わるものである。列データライン１６６上の所定の電圧によって駆動される時に、実際問題として、ある画素がどのくらい明るくなるかを予測することが難しいものとなる。カラーディスプレイにおいて、色表示の正確度も影響を受けるだろう。

これらの問題に部分的に取り組む２つの回路が図２ａと図２ｂに示される。図２ａは、電流制御式画素駆動回路２００を示しており、そこでは、基準電流シンク２２４を用いて、ＯＬＥＤ駆動トランジスタ２１２に対するドレーン−ソース電流を設定し、かつ、このドレーン−ソース電流に対して必要な駆動トランジスタゲート電圧を記憶することによって、ＯＬＥＤ２１６を通る電流が設定される。従って、ＯＬＥＤ２１６の明るさは、調整可能な基準電流シンク２２４へ流れ込む電流Ｉ_ｃｏｌ’によって決定され、これは、画素を扱うのに望まれるのに応じて設定される。一つの電流シンク２２４は、各画素に対してというより、各列のデータライン２１０に対して供給される。

より詳細には、電力ライン２０２，２０４と列データライン２１０と行選択ライン２０６とが、図１ｂの電圧制御式画素駆動器に関連する記載のように提供される。加えて、反転した行選択ライン２０８も提供され、反転した行選択ラインは、行選択ライン２０６がローの時にハイとなり、逆もまた同様である。駆動トランジスタ２１２には、望んだドレーン−ソース電流を通すようにトランジスタを駆動するためのゲート電圧を格納するために、ゲート接続に結合される蓄積コンデンサ２１８がある。駆動トランジスタ２１２とＯＬＥＤ２１６は、電源２０２と接地電位２０４の間で直列に接続され、加えて、さらなるスイッチングトランジスタ２１４が駆動トランジスタ２１２とＯＬＥＤ２１６の間で接続され、トランジスタ２１４は、反転した行選択ライン２０８に接続されるゲート接続部を持っている。さらなる２つのスイッチングトランジスタ２２０，２２２は、反転されていない行選択ライン２０６によって制御される。

図２ａに示される電流制御式画素駆動回路２００の態様において、全てのトランジスタは、ＰＭＯＳであるが、これは、より大きな安定性とホットエレクトロン効果に対するより大きな抵抗のゆえに、好ましいことである。しかし、ＮＭＯＳトランジスタを用いることもできる。以下に記載される本発明に従った回路もまた正しい。

図２ａの回路において、トランジスタのソースの接続は、接地電位に向かっており、本発明のＯＬＥＤ素子にとって、Ｖ_ＳＳは、典型的には−６ボルトのあたりである。行がアクティブの時、それに従って行選択ライン２０６は、−２０ボルトで駆動され、反転した行選択ライン２０８は０ボルトで駆動される。

行選択がアクティブの時、トランジスタ２２０と２２２はオンして、トランジスタ２１４はオフする。一旦、回路が安定状態に至ると、電流シンク２２４への基準電流Ｉ_ｃｏｌ’は、トランジスタ２２２とトランジスタ２１２を通って流れる（２１２のゲートはハイインピーダンスを表す）。こうして、トランジスタ２１２のドレーン−ソース電流は、実質的に、電流シンク２２４により設定される基準電流に等しく、このドレーン−ソース電流に必要なゲート電圧は、コンデンサ２１８に蓄えられる。そして、行選択がインアクティブになると、トランジスタ２２０と２２２は、オフして、トランジスタ２１４はオンし、今度はこの同じ電流がトランジスタ２１２とトランジスタ２１４とＯＬＥＤ２１６を通って流れる。こうして、ＯＬＥＤを通る電流は、実質的に、基準電流シンク２２４によって設定されるものと同じであるように制御される。

この安定状態が得られる前、コンデンサ２１８上の電圧は、一般的に、必要な電圧とは異なり、その結果、トランジスタ２１２は、基準シンク２２４によって設定される電流Ｉ_ｃｏｌ’に等しいドレーン−ソース電流を通さないだろう。そのような不整合が存在する時は、基準電流とトランジスタ２１２のドレーン−ソース電流との間の差に等しい電流が、トランジスタ２２０を通ってコンデンサ２１８へと／から流れ、その結果、トランジスタ２１２のゲート電圧を変える。ゲート電圧は、トランジスタ２１２のドレーン−ソース電流がシンク２２４による基準電流に等しくなるまで、つまり上記不整合が無くなって電流がトランジスタ２２０を通って流れるまで、変化する。

図２ａの回路は、ＯＬＥＤ２１６を通る電流が画素駆動トランジスタ２１２の特性におけるばらつきに関係なく設定できるので、図１ｂの電圧制御式回路に関連した問題のいくつかを解決する。しかし、図２ａの回路は、依然として画素間の、またアクティブマトリックス素子間の、また時間経過によるＯＬＥＤ２１６の特性が変動しがちである。ＯＬＥＤ特有の問題は、その光出力が、自身が駆動される電流によって時間と共に減少する傾向があることである（これは、ＯＬＥＤを通す電子の通過に関係しているかも知れない）。そのような劣化は、特に、近くの画素の相対的な明るさが容易に比較できるような画素の与えられたディスプレイにおいて明らかである。図２ａの回路に関する更なる問題は、トランジスタ２１２，２１４，２２２の各々が、Ｉ_ｃｏｌ基準電流に等しいＯＬＥＤ２１６を通る電流を扱うのに十分に物理的に大きくなくてはならないために起こる。大きなトランジスタは、一般的に望ましくないし、アクティブマトリックス駆動構造によって、画素の領域の一部をあいまいにしたり使用するのを妨いたりすることもある。

これらの更なる問題に取り組む試みにおいて、ＯＬＥＤ電流を制御するのに光帰還を使用する多くの試みがあった。これらの試みは、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０に記載されており、全て基本的に同じ手法を用いている。特許文献７から取られた図２ｂは、この手法を示しており、蓄積コンデンサを通して光ダイオードに接続されるものである。

図２ｂは、光帰還２５２を持った電圧制御式画素駆動回路２５０を示している。図２ｂの駆動回路２５０の主要部品は、図１ｂの回路１５０の部品、すなわちゲート接続部に結合される蓄積コンデンサ２５８を持った駆動トランジスタ２５６と直列なＯＬＥＤ２５４に対応する。スイッチトランジスタ２６０は、行の導体２６２に制御され、またオンしたときには、列の導体２６４へ電圧信号を与えることによってコンデンサ２５８上の電圧が設定されることを可能にする。しかし、加えて、逆バイアスされるように、蓄積コンデンサ２５８の向こうに光ダイオード２６６が接続される。そのような訳で、光ダイオード２６６は、必然的に暗い場所では動作せず、発光の度合いに応じて小さな逆コンダクタンスを示す。画素の物理的構造は、ＯＬＥＤ２５４が光ダイオードを照らすように整えられて、光帰還パス２５２を提供する。

光ダイオード２６６を通る光電流（photocurrent）は、おおよそ、ＯＬＥＤ２５４からの瞬間的な光出力レベルに直線的に比例する。そのような訳で、コンデンサ２５８上に蓄積される電荷と、それに従って、コンデンサに跨る電圧とＯＬＥＤ２５４の明るさは、時間と共におよそ指数関数的に衰える。ＯＬＥＤ２５４から出力されたものを集めた光は、発せられた光子の全数であり、従ってＯＬＥＤ画素の読み取られた明るさであるので、コンデンサ２５８上に蓄積された最初の電圧によって概ね決定される。

図２ｂの回路によって、駆動トランジスタ２５６とＯＬＥＤ２５４の直線性と可変性に関する上述の問題は解決することができるが、実際の実現に対していくつかの重要な欠点を呈する。大きな欠点は、ディスプレイの各画素が、蓄積コンデンサ２５８がこの期間でのみ放電されるために、フレーム毎にリフレッシュする必要があることである。これに関して、図２ｂの回路には、経時効果を補償する能力に限界があり、これもまた、ＯＬＥＤ２５４から発せられた光パルスがフレーム期間を超えることができないからである。同様に、ＯＬＥＤがオンとオフにパルスされるので、所定の光出力に対する増加した電圧で動作しなくてはならず、これは、回路の効率を減じる傾向にある。最後に、コンデンサ２５８は、しばしば、非直線性を示すために、蓄積された電荷は、必ずしも列の導体２６４上に与えられる電圧に直線的に比例する訳ではない。この結果、光ダイオード２６６が、受信する発光の程度によって決まる光電流（従って電荷も）を出すので、画素に対する電圧と明るさの関係が非直線的になる。

従って、上記の問題に取り組むような、有機ＬＥＤに対するディスプレイ駆動回路を改善する必要がある。

本発明の第１の面に従って、電気光学ディスプレイ要素を駆動するためのディスプレイ要素駆動回路が与えられ、その回路は、駆動電圧に従って電気光学ディスプレイを駆動する駆動器と、電気光学ディスプレイ要素に光学的に結合されて、光電性の素子に達する発光による電流を出す光電性素子と、駆動器に結合されて光電性ディスプレイ要素の明るさを制御し、電気光学素子に結合される電流検知入力を持った制御ライン、および、基準電流生成器に結合するための電流設定ライン、および、アクティブな時に制御回路に基準電流生成器により設定される電流に従って電気光学ディスプレイ要素を駆動させるディスプレイ要素選択ラインを持った制御回路とを備えている。

このように光学的な帰還を利用することで、電気光学的ディスプレイ要素の光出力を、列ラインに流れ込む基準電流によって直接的に制御することが可能となり、これによって、従来の技術による光学的帰還の手法に関連した問題を解決し、そこでは、ディスプレイ要素の光出力は効果的にパルス化される。さらに、回路応答の線形性は、基本的に、光電性素子の線形性によって制御され、光ダイオードのような良好な線形性を持つ素子は、比較的容易に製造することができる。以下に説明するように、本回路は、さらに、光出力よりむしろ駆動電流がサーボ制御されるような、電流制御式駆動回路が必要とする３つの大きなトランジスタよりも、駆動器のためには、むしろ一つの大きなトランジスタを必要とする。

ディスプレイ駆動回路には、制御ラインに結合される、コンデンサ或いはディジタルコンデンサのような蓄積要素が含まれるのが好ましい。このように、要素選択ラインがインアクティブのときには、基準電流生成器によって設定される駆動電圧が記憶される。

蓄積要素は、駆動器の内部容量を備えていようし、この駆動器は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を備えており、上記蓄積要素は、ＦＥＴゲート容量を単に備えていよう。ＦＥＴは、増加するゲート容量に対して、蓄積要素を効果的に駆動トランジスタと統合するために製造される。使用時には、誤り電流が制御ラインへ／から流れ、コンデンサに電荷を預けたり電荷を除いたりし、コンデンサを通した電圧をそして駆動電圧を変更する。

一実施形態において、共通ゲート（ＦＥＴ）トランジスタあるいは共通ベース（バイポーラ）トランジスタが、光電素子と電流検知入力との間に結合されて、光電素子の両端の電圧を減じる。素子の両端の電圧を減じることで、素子を流れる漏洩電流を減らすが、これは、素子を流れる光電流は一般的に比較的少なく、特にディスプレイ要素の明るさのレベルが低い時には小さいので、有利となる。この共通ゲート或いは共通ベースのトランジスタは、有利なことに、整合の取られたＶ_Ｔ（ゲート−ソース閾値電圧）あるいは整合の取られたＶ_ｂｅ（ベース−エミッタ電圧）を用いてバイアスをかけることができる。そして電流は、第２トランジスタを通過して、第２トランジスタに対してゲート（あるいはベース）電圧を設定することができ、これは、次にコモン−ゲート（コモン−ベース）トランジスタに与えられて適切なバイアス点を設定することができる。

この実施形態の改良点において、列ラインを流れる基準電流は、光帰還パスが利用される前に、最初のバイアス設定サイクルにおいて第２トランジスタを通して迂回させられる。これは、第２トランジスタを通して電流を迂回させるスイッチ、それに望ましくは第２スイッチと、このように設定されるバイアス条件を保持するためのさらなる蓄積要素を提供することで達成できる。スイッチは、ディスプレイ阻止選択ラインがアクティブにされる前に、共通ゲート（或いは共通ベース）のトランジスタに対するバイアスを設定するためにアクティブにされる補償ラインによって制御されるのが好ましい。

一実施形態において、上述した種類のディスプレイ要素駆動回路が、アクティブマトリックスディスプレイの中の各画素に対して与えられる。そのような装置において、ディスプレイの行アドレスラインは、対応する行の画素のディスプレイ要素選択ラインに結合され、ディスプレイ要素列選択ラインは、対応する列の画素の電流設定ラインに結合され、逆もまた同様である。そして、プログラム可能な基準電流生成器が、各列アドレスラインに与えられて、選択した行の画素の明るさをプログラムできるのが望ましい。

対応する面において、本発明は、アクティブマトリックスディスプレイの中の電気光学ディスプレイ要素の明るさを制御する方法を提供し、本方法は、各要素に対して光電性素子を提供する段階と、要素に対して光電性素子によって送られた光電流を検知することによって各要素の明るさを検知する段階と、検知された光電流が基準電流に依って決定され、かつ好ましくは基準電流に実質的に一致するように、各要素の明るさを制御する段階とを備え、前記光電性素子は、素子の発光によって光電流を送ることを特徴とする。

アクティブマトリックスディスプレイには、各ディスプレイ要素に対する電圧制御式の駆動器が含まれ、各駆動器は、ディスプレイ要素駆動電圧を蓄積するための蓄積コンデンサを持つのが好ましい。そして、本方法は、蓄積コンデンサを充電或いは放電することによって、基準電流と光電流との差を補償する段階をさらに備えることができる。

上述したように、本方法は、トランジスタを通る素子に対するバイアス電圧の少なくとも一部を低下させることによって、減らされたバイアス条件の下で、光電性素子を動作させる段階をさらに含むのが望ましい。本方法を改良すると、基準電流を用いて光電性素子に対するバイアスを設定するバイアスサイクルが、明るさの検知段階と制御段階に先立って提供される。

電気光学的ディスプレイ素子は、有機発光ダイオードを備えるのが好ましい。
本発明の以上の面および他の面は、次に、添付の図面を参照して、単なる例として、より詳細に説明される。

最初に図３ａを見ると、この図は、本発明の一実施形態による光帰還を持った、電流制御式有機ＬＥＤ駆動回路３００を示している。アクティブマトリックスディスプレイにおいて典型的には、各画素は、そのような駆動回路が与えられ、さらなる回路（図示せず）が１行毎に画素を扱い、希望する明るさに各画素を設定するために与えられる。駆動回路とＯＬＥＤディスプレイ要素に電力を与え、かつこれらを制御するために、そのようなアクティブマトリックスディスプレイには、図示されるような接地（ＧＮＤ）ライン３０２と電源或いはＶ_ｓｓライン３０４と行選択ライン３０６と列データライン３０８とを含む電極のグリッドが与えられる。各列データラインは、プログラム可能な定電流基準供給源（あるいはシンク）３２４に接続される。これは、各画素に与えられる駆動回路の一部ではないが、代わりに、各列に与えられる回路の一部を備えている。基準電流生成器３２４は、画素の明るさを設定するために、希望するレベルまで調整できるようにプログラム可能であり、より詳細には下記に説明する。

駆動回路３００は、ＧＮＤライン３０２とＶ_ｓｓライン３０４の間で、有機ＬＥＤディスプレイ要素３１２と直列に接続される駆動トランジスタ３１０を備えている。トランジスタ３１０のゲートと結合することのできる蓄積コンデンサ３１４は、ＯＬＥＤ要素３１２を通る駆動電流を制御するために、記憶したゲート電圧に対応する電荷を蓄積する。駆動器の制御回路は、行選択ライン３０６に結合される共通ゲート接続を持った２つのスイッチングトランジスタ３２０，３２２を備えている。行選択ライン３０６がアクティブの時、これら２つのスイッチトランジスタはオンとなる、すなわちスイッチが“閉じ”て、ライン３１５，３１７，３０８の間には、比較的小さなインピーダンス接続がある。行選択ライン３０６がインアクティブの時、トランジスタ３２０，３２２はオフになり、コンデンサ３１４と、トランジスタ３１０のゲートは、有効に分離され、コンデンサ３１４上に設定された全ての電圧が記憶される。

図３ａの回路と、後で説明する図３ｂ、３ｃ、４，５の回路において、トランジスタは全てＰＭＯＳである。

光ダイオード３１６は、逆バイアスされるようにＧＮＤライン３０２とライン３１７との間に結合される。光ダイオードは、物理的に、光帰還パス３１８が、ＯＬＥＤ３１２と光ダイオード３１６との間に存在するように、ＯＬＥＤディスプレイ要素３１２に対して置かれる。言い換えると、ＯＬＥＤ３１２は、光ダイオード３１６を発光させ、これによって、発光によって発生する電流が、光ダイオードを通って逆方向に流れる、すなわちＧＮＤライン３０２からＶ_ｓｓへと流れる。当業者ならば理解されようが、広く見ると、各光子は、光電流を導くことのできる光ダイオード３１６内において電子を生成する。

列データライン３０８は、ある列の終端において、プログラム可能な基準電流生成器３２４に結合される。これは、基準電流を作ることを企てており、この電流はＩ_ｃｏｌと呼ばれ、オフ画素Ｖ_ｓｓ接続部３２６へと流れる。ライン３１７は、電流検知ラインと呼ばれ、電流Ｉ_{ｓｅｎｓｅ}をを送り出し、ライン３１５は制御ラインと呼ばれ、電流Ｉ_{ｅｒｒｏｒ}を送り出してＯＬＥＤ３１２を制御するためにコンデンサ３１４上に電圧を設定する。行選択ライン３０６がアクティブで、トランジスタ３２０と３２２がオンの時、Ｉ_ｃｏｌ＝Ｉ_{ｓｅｎｓｅ}＋Ｉ_{ｅｒｒｏｒ}であり、従って、ＯＬＥＤ３１２が光ダイオード３１６に発光してＩ_{ｓｅｎｓｅ}＝Ｉ_ｃｏｌとなるまで、電流Ｉ_{ｅｒｒｏｒ}は、コンデンサ３１４へ／から流れる。この時、行選択ライン３０６は、非アクティブとすることができ、この明るさのレベルに必要な電圧がコンデンサ３１４によって記憶される。

コンデンサ３１４上の電圧を安定させるのに必要な時間は、それは希望する素子の特性に相応して変化するいくつかの要因によって決まるものであり、数マイクロ秒であろう。広い意味で、典型的なＯＬＥＤ駆動電流は、１μ秒のオーダーであり、一方、典型的な光電流はこの約０.１％であるか、１ｎＡのオーダーである（部分的に光ダイオードの領域によって決まる）。従って、トランジスタ３２０と３２２の電力取り扱いの要求は、駆動トランジスタ３１０の比較的大きなそれと比べて極くわずかであることが分かる。回路の設定時間を速めるために、相対的に小さな値のコンデンサ３１４と、相対的に大きな領域の光ダイオードを使って、光電流を増やすことが好ましい。また、これによって、列データライン３０８上の浮遊容量あるいは寄生容量に関連した非常に小さな明るさのレベルにおける、雑音と安定性の危険が減少した。

図３ｂと３ｃは、図３ａの回路の一部を示しており、図３ａのスイッチングトランジスタ３２０と３２２に対応するスイッチングトランジスタの、可能性のある異なる構成のものを表している。トランジスタ３２０と３２２の目的は、行選択ライン３０６がアクティブの時にライン３１５と３１７と３０８を結合することであり、３つのノードを２つの制御可能なスイッチを用いて接続するのに３つの異なる方法があることを理解されたい。図３ｂにおいて、第１スイッチングトランジスタ３５０が、ライン３０８と３１５の間で接続され、第２スイッチングトランジスタ３５２が、ライン３１５と３１７の間で接続される。トランジスタ３５０と３５２の両方は、行選択ライン３０６によって制御される。図３ｃにおいて、第１スイッチングトランジスタ３６０は、ライン３０８と３１５の間で接続され、第２スイッチングトランジスタ３６２は、ライン３０８と３１７の間で接続される。状況に応じて、第３スイッチングトランジスタ３６４をライン３１５と３１７の間で接続することもできる。２つ（あるいは３つ）のスイッチングトランジスタは、皆、行選択ライン３０６によって制御される。

図３ａの基本的回路の一つの欠点は、この光ダイオードが逆バイアスされる時に流れる、光ダイオード３１６を通る漏洩電流である。この漏洩電流は、電圧に依存しており、それゆえに、光ダイオード３１６を通るバイアス電圧を減らすことによって減らすことができる。図４は、これが行われる改良型回路４００を示している。図４の回路は、図３ａの回路の変更したものであり、参照番号４０２から４２６で示される要素は、図３ａの回路の要素３０２と３２６に対応する。

図４の駆動回路４００の中の追加された部品は、図３ａの駆動回路３００と比べると、トランジスタ４２８と４３０及び抵抗４３２である。図３ａの駆動回路３００において、行選択３０６がアクティブの時に光ダイオード３１６を渡る電圧は、ライン３１５上の駆動トランジスタ３１０のゲート電圧にほぼ等しく、これは、スイッチングトランジスタ３２０がオンである（閉じている）からである。当業者ならば、ＦＥＴ上のゲート電圧が、閾値Ｖ_Ｔに、希望するドレーン−ソース電流Ｉ_ｄｓを設定するのに必要な追加電圧を加えたものに等しいことに気付くであろう。図４において、トランジスタ４２８は、少なくとも、この閾値電圧を下げるのに使用され、従って、光ダイオード４１６の両端でおおよそＶ_{ｃｏｎｔｒｏｌ}に等しい電圧のみを残す。これは、トランジスタ４３０と抵抗４３２によって設定されるゲートバイアス電圧を持った、トランジスタ４２８を共通ゲート構成で使用することによって成される。

図４で描かれる実施形態において、トランジスタ４２８と４３０は、共に、ＰＭＯＳ素子であるので、ソースはＧＮＤへ接続されている。トランジスタ４３０は、ドレーンとゲートが互いに結合されており、そうして、（非線形の）トランジスタとして動作する。トランジスタ４３０は、ＧＮＤライン４０２とＶ_ｓｓライン４０４の間で、抵抗４３２と直列に接続されて、トランジスタ４３０のドレーン−ソース電流は、トランジスタの特性と抵抗４３２の値とで決定される。このドレーン−ソース電流を提供するのに必要なトランジスタ４３０のゲート電圧は、トランジスタ４３０の閾値電圧に、制御用追加電圧を加えたものに等しい。トランジスタ４２８のゲートは、実質的に同じ閾値電圧を持つように、トランジスタ４３０のゲートに結合される。トランジスタ４２８と４３０は、共に、実質的に同じ閾値電圧を持つように一致させられるのが好ましい。

以上の説明から、トランジスタ４２８は、ＦＥＴ閾値電圧に、抵抗４３２によって設定されるトランジスタ４３０のドレーン−ソース電流によって決まる小さな制御用追加電圧を加えただけ降下することが理解されよう。トランジスタ４２０がオンの時、ライン４１７上の電圧は、トランジスタ４１０のゲート上の電圧にほぼ等しい。トランジスタ４１０と４２８の閾値電圧は、ほぼ等しく、その結果、光ダイオード４１６上のバイアス電圧は、トランジスタ４１０のゲート上とトランジスタ４３０のゲート上のＶ_{ｃｏｎｔｒｏｌ}の差にほぼ等しくなる。トランジスタ４３０のドレーン−ソース電流は、ＯＬＥＤ４１２がぼんやりと発光した時のトランジスタ４１０のドレーン−ソース電流に近くなるように選ばれる。

動作時に、ライン４１７の光電流Ｉ_{ｓｅｎｓｅ}は、電流の通る別のパスは無いので、実質的に変化しない。従って、トランジスタ４２０と４２２のサーボ機構は、駆動回路３００のトランジスタ３２０と３２２のサーボ機構と同様に動作する。トランジスタ４２８は、大体オフであり、光ダイオード４１６を通る光電流で決まる量によってオンする。駆動回路３００と同様に、コンデンサ４１４は、この光電流Ｉ_{ｓｅｎｓｅ}がＩ_ｃｏｌに等しいように充電される。

模範的ではあるが必ずしも典型的では無いいくつかの電圧値を、回路が実際にはどのように動作するかを説明するのに使用することができる。ＯＬＥＤ４１２が暗い時、光ダイオード４１６の両端の電圧であるＶ_ＰＤは、−１ボルトに等しく、例えばトランジスタ４２８は実質的にオフし、トランジスタ４２８のゲートソース電圧であるＶ_ＧＳは、≒Ｖ_Ｔである。ＯＬＥＤ４１２が辛うじて点灯している時、Ｖ_ＰＤは、−０.９ボルトに等しく、例えば、トランジスタ４２８がかすかにオンし、Ｖ_ＧＳ≒ＶＴ＋０.５ｖである。ＯＬＥＤ４１２が明るい時、Ｖ_ＰＤは−０.５ボルトに等しく、例えば、Ｖ_ＧＳ≒Ｖ_Ｔ＋０.５ｖである。光ダイオード４１６が非常に明るく発光している時、光ダイオードは、光電セルとして動作し、その場合、Ｖ_ＰＤは、＋０.２ボルトに等しく、例えば、トランジスタ４２８が完全にオンし、Ｖ_ＧＳ≒Ｖ_Ｔ＋１.２ｖである。

図４の回路は、トランジスタ４２８の両端で約Ｖ_Ｔだけ降下することで、光ダイオードを通した漏洩電流が起こす不正確さを減らすための役に立つが、Ｖ_Ｔに加えて必要な（可変）制御電圧に概ね対応する残留光ダイオードバイアス電圧は残る。従って、光ダイオードのバイアスは、ＯＬＥＤが明るいほど逆バイアスは少なくなる、実際には、トランジスタ４２８の有限の相互コンダクタンスによって、ＯＬＥＤ４１２の希望する明るさに応じて変化する。トランジスタ４２８に対して、ＦＥＴよりもバイポーラトランジスタを使用することで、相互コンダクタンスが増加するが、それを用いてＩ_ｃｏｌがＩ_{ｓｅｎｓｅ}を決定するところの正確さは少なくなる。図５は、基準電流Ｉ_ｃｏｌがバイアス設定トランジスタを通って導かれて、光ダイオードのバイアス電圧のこの付加的変動を効果的にゼロにすることができるような回路を示している。

図５を参照すると、この図は、光ダイオードのバイアス電圧をゼロにする手段を含んだ駆動回路５００を示している。図５の駆動回路５００は、図４の駆動回路を変更したものであり、要素５０２〜５３０は、図４の要素４０２〜４３０に対応する。しかし、トランジスタ４３０のドレーンをＶ_ｓｓに結合する抵抗４３２は、トランジスタ５３０のドレーンを接続部５４０を介して列データライン５０８に結合するトランジスタ５３４によって置き換えられた。トランジスタ４３０のドレーンとゲートの間の連結は外され、次にトランジスタ５３２は、トランジスタ５３０のドレーンとゲートの間で接続される。バイアス電圧保持コンデンサ５３６も、トランジスタ５２８と５３０の結合したゲートに接続される。トランジスタ５３２と５３４は、補償ライン５３８によって制御されるＦＥＴスイッチとして動作する。

補償ライン５３８がアクティブの時、トランジスタ５３２と５３４はオンに切り換わる。そして駆動回路５００は、駆動回路４００に似た動作をするが、行選択ライン５０６がインアクティブの時にトランジスタ５３０のドレーン−ソース電流が、実質的に、トランジスタ５２２がオフで電流シンク５２４に流れ込む基準電流Ｉ_ｃｏｌに等しくなる点は、別である。従って、補償ライン５３８がアクティブで、行選択ライン５０６がインアクティブの時、トランジスタ５３０のゲート電圧は、トランジスタ５３０のゲート閾値電圧に、トランジスタ５３０にＩ_ｃｏｌに等しいドレーン−ソース電流を与えるのに必要な付加的制御電圧を加えたものに等しくなる。トランジスタ５２８のドレーン−ソース電流がＩ_ｃｏｌに等しく、かつトランジスタ５２８のゲート−ソース電圧がトランジスタ５３０のゲート−ソース電圧と同じである時に、全ての光ダイオードバイアス電圧が実質的にトランジスタ５２８の両端で降下して、実質的に光ダイオード５１６の両端でゼロのバイアス電圧のままにするように、トランジスタ５３０は、トランジスタ５２８に実質的に同等のものとする。コンデンサ５３６は、トランジスタ５２８と５３０のゲートに接続され、このようにして設定されるバイアス電圧を保存する。

図５の駆動回路５００は、２つの段階で動作するが、１番目は、バイアス電圧がトランジスタ５３０を介してトランジスタ５２８に対して設定されるバイアスサイクル段階であり、２番目は、ＯＬＥＤ５１２の明るさが基準電流Ｉ_ｃｏｌに従って制御される画素制御段階である。バイアスサイクル段階において、補償ライン５３８はアクティブであり、かつ行選択ラインはインアクティブであり、画素制御段階において、行選択ライン５０６はアクティブであり、かつ補償ライン５３８はインアクティブである。最初に、所定の期間、補償ライン５３８はアクティブにされ、かつ行選択ライン５０６はインアクティブにされて、必要なバイアス電圧までコンデンサ５３６を充電することができる。その後、補償ライン５３８は、インアクティブにされ、かつ行選択ラインはアクティブにされて、主たる光帰還サーボループは、第２の所定の期間に渡って安定することができる。両方の期間は、典型的には、１マイクロ秒から数マイクロ秒のオーダーである。行選択ライン５０６は、その後、インアクティブにされて、コンデンサ５１４は、ＯＬＥＤ５１２を設定された明るさに保つ。

次に図６を見ると、概略では、光帰還を組み込んだＯＬＥＤ画素駆動回路（図は倍率を掛けるものではない）のための、選択的な２つの物理的構造を示している。図６ａは、底部発光構造６００を示し、図６ｂは、上部発光器６５０を示す。

図６ａにおいて、ＯＬＥＤ構造６０６は、ガラス基板６０２上のポリシリコン駆動回路６０４と並んで置かれる。駆動回路６０４は、光ダイオード６０８をＯＬＥＤ構造６０６の片側に組み込む。光６１０は、基板の底部（アノード）を通して発せられる。

図６ｂは、その上部（カソード）表面から光６６０を発する、代わりの構造６５０を通した断面図を示している。ガラス基板６５２は、駆動回路を備え、光ダイオード６５２を含む第１層６５４を支持している。そして、ＯＬＥＤ画素構造６５６は、駆動回路６５４を覆うように置かれる。保護層あるいは停止層は、層６５４と層６５６の間に含まれるであろう。駆動回路は、ポリシリコンやアモルファスシリコンでなく（結晶）シリコンを用いて製造される場合は、図６ｂに示される種類の構造が必要であり、基板６５２はシリコン基板である。

図６ａと図６ｂの構造において、画素駆動回路は、従来の手段によって製造することができる。有機ＬＥＤは、特許文献１１に記載されるもののような、ポリマーベースの材料を蒸着させるインクジェット蒸着（ink jet deposition）手法か、あるいは、小分子材料を蒸着させる蒸発蒸着手法（evaporative deposition）を用いて製造することができる。従って、例えば、図６ｂに図示した種類の構造を持つ所謂マイクロディスプレイは、ＯＬＥＤ材料を従来の基板の上にインクジェット印刷することで製造することができ、その上には、ＣＭＯＳ画素駆動回路が最初に製造されている。

駆動回路の図示した実施形態は、ＰＭＯＳトランジスタを使用するが、本回路は、反転させてＮＭＯＳを使用することができるし、あるいは代わりに、ＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタの組み合わせを使用することもできる。トランジスタは、ガラス或いはプラスチック基板上のアモルファスあるいはポリシリコンから製造される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を備えることもできるし、従来からのＣＭＯＳ回路を使用することもできる。他の実施形態では、特許文献１２に記載されるもののようなプラスチックトランジスタを使用することができ、光ダイオードは逆バイアスされたＯＬＥＤを備えて、全体の回路をプラスチックから製造することもできる。同様に、本回路は、電界効果トランジスタを参照して説明されたが、バイポーラトランジスタを使用することもできる。

ディスプレイ要素駆動回路は、有機ＬＥＤを駆動するための使用に関して説明してきたが、本回路は、無機ＴＦＥＬ（薄膜電子発光）ディスプレイや、シリコンディスプレイ上のガリウム砒素や、多孔性シリコンディスプレイや、特許文献１３に記載される光ルミネセンス消光（quenching）ディスプレイ等々のような電子発光ディスプレイの他の種類を使用することもできる。本駆動回路は、最初、アクティブマトリックスディスプレイに応用を見出したが、セグメント化されたディスプレイやハイブリッドの半アクティブディスプレイのような、他の種類のディスプレイと共に使用することもできる。

好ましい光センサーは、ＴＦＴ技術によるＰＮダイオード、あるいは結晶シリコン内のＰＩＮダイオードを備えていよう光ダイオードである。しかし、光電流がその発光のレベルで決まるような特徴を持つならば、光抵抗（photoresistor）と光電性のバイポーラトランジスタのような光電性素子、およびＦＥＴも使用することができる。

明らかに、他の効果的な代替物も当業者にはあり得るであろうし、本発明は、記載した実施形態に限定されるものでは無いことを理解されたい。
な用途にも適用できる。

基本的な有機ＬＥＤ構造を示した図である。 典型的な電圧制御式ＯＬＥＤ駆動回路を示した図である。 従来技術による光帰還を備えた電流制御式ＯＬＥＤ駆動回路の図である。 従来技術による光帰還を備えた電圧制御式ＯＬＥＤ駆動回路の図である。 光帰還を備えた電流制御式ＯＬＥＤ駆動回路の図である。 第１の代替のスイッチング装置の図である。 第２の代替のスイッチング装置の図である。 光帰還を備え、光ダイオードのバイアスを減らされた電流制御式ＯＬＥＤ駆動回路の図である。 光帰還と光ダイオードのバイアス零化手段とを備えた電流制御式ＯＬＥＤ駆動回路の図である。 光帰還を組み込んだ駆動回路を備えたＯＬＥＤディスプレイ要素の素子構造の中の垂直断面図である。 光帰還を組み込んだ駆動回路を備えたＯＬＥＤディスプレイ要素の素子構造の中の垂直断面図である。

符号の説明

３０４…電源或いはＶ_ｓｓライン
３０６…行選択ライン
３０８…列データライン
３１０…駆動トランジスタ
３１２…有機ＬＥＤディスプレイ要素
３１４…蓄積コンデンサ
３１５，３１７…ライン
３１６…光ダイオード
３１８…光帰還パス
３２０，３２２…スイッチングトランジスタ
３２４…基準電流生成器
３５０，３６０…第１スイッチングトランジスタ
３５２，３６２…第２スイッチングトランジスタ

Claims (17)

1. 電気光学ディスプレイの電気光学ディスプレイ要素を駆動するためのディスプレイ要素駆動回路において、該回路は、
   駆動電圧に従って電気光学ディスプレイ要素を駆動する駆動器と、
   電気光学ディスプレイ要素に光学的に結合されて、該電気光学ディスプレイ要素から光電性の素子に達する発光による電流を出す光電性素子と、
   駆動器に結合されて電気光学ディスプレイ要素の明るさを制御する制御ラインを持ち、光電性素子に結合されて該光電性素子の検知による電流を入力する光電流検知ライン、および、基準電流生成器に結合するための電流設定ライン、および、アクティブな時に制御回路に基準電流生成器により設定される電流に従って電気光学ディスプレイ要素を駆動させるように配置されたディスプレイ要素選択ラインを持った制御回路と、
   前記光電性素子と前記基準電流生成器との間に直列に結合されて前記光電性素子の両端の電圧を減じる第１トランジスタと
   を備え、
   前記第１トランジスタは、前記第１トランジスタをバイアスするために、共通ゲートあるいは共通ベース構成で、更に追加のトランジスタに接続されることを特徴とするディスプレイ要素駆動回路。
2. 制御回路の制御ラインに結合される蓄積要素をさらに備え、前記蓄積要素は、前記駆動器に対する駆動電圧を記憶するように配置され、そのため、前記ディスプレイ要素選択ラインがインアクティブの時に、基準電流生成器によって設定される駆動電圧は、蓄積要素によって記憶されることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ要素駆動回路。
3. 蓄積要素は、コンデンサを備えることを特徴とする請求項２記載のディスプレイ要素駆動回路。
4. 駆動器は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備え、コンデンサは、前記電界効果トランジスタのゲート容量を備えることを特徴とする請求項３記載のディスプレイ要素駆動回路。
5. 前記制御回路は、２つのＦＥＴスイッチを備え、各ＦＥＴスイッチは、前記ディスプレイ要素選択ラインがアクティブの時に、前記電流設定ラインを前記制御ラインと前記光電流検知ラインとに結合することによって、前記ディスプレイ要素選択ライン上の信号に応答するように配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のディスプレイ要素駆動回路。
6. 前記第１トランジスタは前記共通ゲート構成で接続され、前記更に追加のトランジスタは、前記第１トランジスタと同等のものとされ、前記第１トランジスタのゲートに結合されるゲートを持ったバイアス設定トランジスタであることを特徴とする請求項１から５のうちの何れかに記載のディスプレイ要素駆動回路。
7. 前記第１トランジスタは前記共通ベース構成で接続され、前記更に追加のトランジスタは、前記第１トランジスタと同等のものとされ、前記第１トランジスタのベースに結合されるベースを持ったバイアス設定トランジスタであることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれかに記載のディスプレイ要素駆動回路。
8. 前記バイアス設定トランジスタを通して電流設定ラインによって決定される電流を出すバイアスサイクル手段をさらに備えることを特徴とする請求項６あるいは７に記載のディスプレイ要素駆動回路。
9. 前記バイアスサイクル手段は、補償ラインと、前記補償ラインがアクティブの時に、前記バイアス設定トランジスタを通して前記電流設定ラインに対して電流を出すことによって、前記補償ライン上の信号に応答するように配置されたバイアスサイクルＦＥＴとを備えることを特徴とする請求項８記載のディスプレイ要素駆動回路。
10. 前記バイアスサイクル手段は、さらに、前記共通ゲートあるいは共通ベーストランジスタに対して、バイアス設定を保持するバイアス保持手段を備えることを特徴とする請求項８あるいは９に記載のディスプレイ要素駆動回路。
11. 前記バイアス保持手段は、前記第１トランジスタの前記ゲートあるいはベースに結合されるバイアス保持コンデンサと、前記補償ライン上の信号に応答して、前記補償ラインがインアクティブの時に、前記バイアス保持コンデンサと前記第１トランジスタの前記ゲートあるいはベースを実質的に分離するように配置されたバイアス保持ＦＥＴとを備えることを特徴とする請求項１０記載のディスプレイ要素駆動回路。
12. 複数の電気光学ディスプレイ要素を備えるアクティブマトリックスディスプレイであり、各電気光学ディスプレイ要素は、請求項１から１１のいずれか一つに記載されるディスプレイ要素駆動回路を持つことを特徴とするアクティブマトリックスディスプレイ。
13. 行と列のディスプレイ要素駆動ラインを持った請求項１２記載のアクティブマトリックスディスプレイであり、
    前記行ディスプレイ要素駆動ラインは、電気光学ディスプレイ要素のディスプレイ要素駆動回路のディスプレイ要素選択ラインに結合され、かつ、前記列ディスプレイ要素駆動ラインは、電気光学ディスプレイ要素のディスプレイ要素駆動回路の電流設定ラインに結合されるか、
    または、
    前記行ディスプレイ要素駆動ラインは、電気光学ディスプレイ要素のディスプレイ要素駆動回路の電流設定ラインに結合され、かつ、前記列ディスプレイ要素駆動ラインは、電気光学ディスプレイ要素のディスプレイ要素駆動回路のディスプレイ要素選択ラインに結合される
    ことを特徴とする請求項１２記載のアクティブマトリックスディスプレイ。
14. 請求項１から１１のいずれか一つに記載のディスプレイ要素駆動回路、あるいは請求項１２もしくは１３に記載のアクティブマトリックスディスプレイであり、前記電気光学ディスプレイ要素は、有機発光ダイオードを備えることを特徴とするディスプレイ要素駆動回路あるいはアクティブマトリックスディスプレイ。
15. アクティブマトリックスディスプレイ内の電気光学ディスプレイ要素の明るさを制御する方法において、該方法は、
    複数の光電性素子の各々によって光電流を送る段階と、
    対応する電気光学ディスプレイ要素に対して光電性素子によって送られた光電流を検知することによって各電気光学ディスプレイ要素の明るさを検知する段階と、
    検知された光電流が基準電流生成器からの基準電流に依って決定されるように、各電気光学ディスプレイ要素の明るさを制御する段階と、
    前記光電性素子と前記基準電流生成器との間に直列に結合された第１トランジスタを渡る前記光電性素子に対するバイアス電圧の少なくとも一部を低下させることによって、減らされたバイアス条件の下で、前記光電性素子を動作させる段階と
    を備え、
    前記光電性素子は、各電気光学ディスプレイ要素と関係付けられ、該光電性素子は、関係付けられた要素からの光によって照らされるように配置され、かつ、関係付けられた要素から受信される光によって前記光電流を送り、
    前記第１トランジスタは、前記第１トランジスタをバイアスするために、共通ゲートあるいは共通ベース構成で、更に追加のトランジスタに接続されることを特徴とする方法。
16. 前記アクティブマトリックスディスプレイは、各電気光学ディスプレイ要素に対する駆動器を含み、各駆動器は、電気光学ディスプレイ要素駆動電圧を蓄積する蓄積コンデンサを持ち、前記制御する段階は、さらに、前記基準電流と光電流の差を、前記蓄積コンデンサを充電或いは放電することによって補償する段階を備えることを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記検知する段階と制御する段階の前に、バイアスサイクルをさらに備え、該バイアスサイクルは、前記基準電流を用いて、前記光電性素子に対するバイアスを設定する段階を備えることを特徴とする請求項１５記載の方法。

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