JP4727029B2 - El表示装置、電気器具及びel表示装置用の半導体素子基板 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子(半導体薄膜を用いた素子)を基板上に作り込んで形成されたEL(エレクトロルミネッセンス)表示装置及びそのEL表示装置を表示ディスプレイ(表示部)として有する電気器具に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、基板上にTFTを形成する技術が大幅に進歩し、アクティブマトリクス型表示装置への応用開発が進められている。特に、ポリシリコン膜を用いたTFTは、従来のアモルファスシリコン膜を用いたTFTよりも電界効果移動度(モビリティともいう)が高いので、高速動作が可能である。
【0003】
アクティブマトリクス型EL表示装置の画素構造は図3に示すようなものが一般的である。図3において、301はスイッチング素子として機能するTFT(以下、スイッチング用TFTという)、302はEL素子303に供給する電流を制御するための素子(電流制御素子)として機能するTFT(以下、電流制御用TFTという)、304はコンデンサ(保持容量)である。スイッチング用TFT301はゲート線305及びソース線(データ線)306に接続されている。また、電流制御用TFT302のドレインはEL素子303に、ソースは電流供給線307に接続されている。
【0004】
ゲート線305が選択されるとスイッチング用TFT301のゲートが開き、ソース線306のデータ信号がコンデンサ304に蓄積され、電流制御用TFT302のゲートが開く。そして、スイッチング用TFT301のゲートが閉じた後、コンデンサ304に蓄積された電荷によって電流制御用TFT302のゲートは開いたままとなり、その間、EL素子303が発光する。このEL素子303の発光量は流れる電流量で変化する。
【0005】
つまり、アナログ駆動の階調表示において、ソース配線306から入力されるデータ信号によって電流制御用TFT302に流れる電流量が制御され、EL素子の発光量が変化するのである。
【0006】
図4(A)は電流制御用TFTのトランジスタ特性を示すグラフであり、401はId−Vg特性(又はId−Vg曲線)と呼ばれている。ここでIdはドレイン電流であり、Vgはゲート電圧である。このグラフにより任意のゲート電圧に対して流れる電流量を知ることができる。
【0007】
通常、EL素子を駆動するにあたって、上記Id−Vg特性の点線402で示した領域を用いる。402で囲んだ領域の拡大図を図4(B)に示す。
【0008】
図4(B)において、斜線で示す領域はサブスレッショルド領域と呼ばれている。実際にはしきい値電圧(Vth)近傍又はそれ以下のゲート電圧である領域を指し、この領域ではゲート電圧の変化に対して指数関数的にドレイン電流が変化する。この領域を使ってゲート電圧による電流制御を行う。
【0009】
図3におけるスイッチング用TFT301が開いて画素内に入力されたデータ信号は、まずコンデンサ304に蓄積され、その信号がそのまま電流制御用TFT302のゲート電圧となる。このとき、図4(A)に示したId−Vg特性に従ってゲート電圧に対してドレイン電流が1対1で決まる。即ち、データ信号に対応して所定の電流がEL素子303を流れ、その電流量に対応した発光量で前記EL素子303が発光する。
【0010】
以上のように、入力される信号によってEL素子の発光量が制御され、その発光量の制御によって階調表示がなされる。この方式はいわゆるアナログ階調と呼ばれる方式であり、信号の振幅の変化で階調表示が行われる。
【0011】
しかしながら、上記アナログ階調方式はTFTの特性バラツキに非常に弱いという欠点がある。例えばスイッチング用TFTのId−Vg特性が同じ階調を表示する隣接画素のスイッチング用TFTと異なる場合(全体的にプラス又はマイナス側へシフトした場合)を想定する。
【0012】
その場合、各スイッチング用TFTのドレイン電流はバラツキの程度にもよるが異なるものとなり、各画素の電流制御用TFTには異なるゲート電圧がかかることになる。即ち、各EL素子に対して異なる電流が流れ、結果として異なる発光量となり、同じ階調表示を行えなくなる。
【0013】
また、仮に各画素の電流制御用TFTに等しいゲート電圧がかかったとしても、電流制御用TFTのId−Vg特性にバラツキがあれば、同じドレイン電流を出力することはできない。さらに、図4(A)からも明らかなようにゲート電圧の変化に対して指数関数的にドレイン電流が変化するような領域を使っているため、Id−Vg特性が僅かでもずれれば、等しいゲート電圧がかかっても出力される電流量は大きく異なるといった事態が生じうる。こうなってしまうとEL素子の発光量が隣接画素で大きく異なってしまう。
【0014】
実際には、スイッチング用TFTと電流制御用TFTとの、両者のバラツキの相乗効果となるので条件的にはさらに厳しい。このように、アナログ階調方式はTFTの特性バラツキに対して極めて敏感であり、その点が従来のアクティブマトリクス型EL表示装置の多色カラー化における障害となっている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、鮮明な多階調カラー表示の可能なアクティブマトリクス型EL表示装置を提供することを課題とする。そして、そのようなアクティブマトリクス型EL表示装置を表示部として具備する高性能な電気器具を提供することを課題とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本出願人は、TFT特性のバラツキの影響を受けにくい画素構造とするためには、電流制御によってEL素子の発光量を制御する従来のアナログ駆動の階調方式よりも、電流制御用TFTを単に電流供給用のスイッチング素子として用いたデジタル駆動の階調方式の方が良いと考えた。
【0017】
そこで、アクティブマトリクス型EL表示装置においてデジタル駆動で、時間分割方式の階調表示(以下、時分割階調という)を行うことを考えた。
【0018】
さらに、ソース駆動回路にビデオ信号を入力する際、ビデオ線を分割して、一度に複数のデータを入力することで、パネル表示の高速化を実現した。なお、ここでいうビデオ信号は、本明細書中のソース駆動回路に入力されるデータ信号のことである。
【0019】
図5に時分割階調表示を行う際の書込期間と表示期間の駆動タイミング全体を示す。ここでは6ビットデジタル駆動方式により64階調表示を行う場合について説明する。なお、書込期間とは、1フレームを構成する全ての画素に信号が書き込まれるのに要する時間であり、表示期間とは、書込に対して画素表示が行われる期間を示している。
【0020】
書込期間ではEL駆動電源を切り(全画素消灯)、画素内のEL素子に電圧がかからない状態にする。また、表示期間ではEL駆動電源を入れ、画素内のEL素子に電圧がかかる状態にしてある。このとき画素が点灯するデータ信号が入力されると画素は点灯する。
【0021】
表示領域の画像が完全に表示される期間を1フレームと呼ぶ。通常のELディスプレイでは発振周波数は60Hzであり、図5(a)に示すように1秒間には、60フレーム存在することになる。例えば4番目の1フレームにおいて6ビットデジタル階調(64階調)表示を行う場合、1フレームを16分割して書込期間と表示期間の比率を6:10に決めると図5(b)に示すように書込期間(≒6.24msec)に6回の書込ができる。なお、この6回の書込を書き込む順に書込1から書込6とする。また、書込期間(書込1から書込6)に対応する表示期間をそれぞれ表示1から表示6とする。
【0022】
また、表示期間については、表示1:表示2:表示3:表示4:表示5:表示6=1:1/2:1/4:1/8:1/16:1/32となるように設定する。
【0023】
図5(c)は、1フレーム中で6回の書込(書込1から書込6)を行う際、各表示期間が、それぞれの書込に対して上記の比になる様子を示したものである。ここで、図5(c)の下部に示されている数値は、書込期間と表示期間の長さの関係を示すものである。
【0024】
具体的には、書込1における表示期間(表示1)は、書込期間を63としたときに320に値することを示している。さらに、各書込期間が63であるのに対して、表示2は表示期間が160、表示3は表示期間が80、表示4は表示期間が40、表示5は表示期間が20、表示6は表示期間が10にそれぞれ値することを示している。
【0025】
1書込期間(書込)と1表示期間(表示)をあわせて1フィールドという。つまり、図5(c)には、書込期間が全て一定で表示期間の異なる6つのフィールドが存在することになる。ここで1フレームを完成させるために、はじめに表示される1つ目のフィールドをフィールド1(F1)と呼び、以下表示される順に2つ目のフィールドから6つ目のフィールドまでをフィールド2(F2)〜フィールド6(F6)と呼ぶ。
但し、フィールド1からフィールド6を出現させる順序はどのようにしても良い。この表示期間の組み合わせで64階調のうち所望の階調表示を行うことができる。
【0026】
また、実際のタイミングは、図5(d)に示すように表示期間の異なる6つのフィールドを分散させた組み合わせにする。
【0027】
図5(d)においては、表示1の期間、所定の画素を点灯させるとすると次に、書込5に入り、全画素にデータ信号を入力したら表示5に入る。つぎに書込4で全画素にデータ信号を入力したら表示4に入る。このようにして、書込2、書込3、書込6においても同様にそれぞれのフィールドで表示所定の画素を点灯させる。
【0028】
図5(e)は、図5(d)に示された6つのフィールドのフィールド5においてゲート回路から入力されるデータ信号によってあるゲート線が選択されるというデータが書き込まれる期間(書込5)と、選択されたゲート線にソース線からの信号が入力されて画素が表示される表示期間(表示5)を示したものである。
【0029】
図5は、VGA(640×480)のパネル表示をもとにしているため、ゲート配線は480本であり、さらに何本かのダミーを含むゲート線全てを選択する期間が、図5(e)の書込期間である。
【0030】
書込期間においてソース線から入力される信号をドットデータという。1ゲート選択期間にソース駆動回路から入力されるドットデータは、図5(f)に示す期間でサンプリングされる。これは、図5(e)に示す書込期間に選択されるゲートのデータが書き込まれると同時にソース線から入力された信号が書き込まれていることを示している。なお、データが一度にサンプリングされる期間は、40nsec.である。
【0031】
なお、ソース駆動回路から入力されるドットデータは、図5(f)に示すように16個ずつ40nsec.ごとに同時に入力される。
【0032】
さらに、1ゲート選択期間に選択されるドットデータは、全てのデータサンプリングがなされるまで、図6に示すソース駆動回路内のラッチ1(6001)にそれぞれ保持され、全てのサンプリングが終了した後にラッチ線6003からラッチデータが入力されて、全てのデータが一斉にラッチ2(6002)に移動する。なお、シフトレジスタ6004は、クロック線6005からのクロックパルスによりビデオ線6006から入力されるビデオ信号を選択している。
【0033】
図5(f)中にサンプリング期間の他に設けられているラインデータラッチ期間とは、ラッチ1(6001)からラッチ2(6002)にデータを移動させる際にラッチ信号が入力され、データが移動する期間のことをいう。
【0034】
本発明におけるアクティブマトリクス型EL表示装置の画素構造を図7に示す。図7において、701はスイッチング素子として機能するTFT(以下、スイッチング用TFTまたは、画素スイッチTFTという)、702はEL素子703に供給する電流を制御するための素子(電流制御素子)として機能するTFT(以下、電流制御用TFTまたはEL駆動TFTという)、704はコンデンサ(保持容量または、補助容量という)である。スイッチング用TFT701はゲート線705及びソース線(データ線)706に接続されている。また、電流制御用TFT702のドレインはEL素子703に、ソースは電流供給線(または、EL駆動電源線という)707に接続されている。
【0035】
ゲート線705が選択されるとスイッチング用TFT701のゲートが開き、ソース線706のデータ信号がコンデンサ704に蓄積され、電流制御用TFT702のゲートが開く。そして、スイッチング用TFT701のゲートが閉じた後、コンデンサ704に蓄積された電荷によって電流制御用TFT702のゲートは開いたままとなり、その間、EL素子703が発光する。このEL素子703の発光量は流れる電流量で変化する。
【0036】
つまり、デジタル駆動の階調表示において、ソース線706から入力されるデータ信号によって電流制御用TFT702のゲートが開または閉になり、EL駆動電源が入ると電流が流れ、EL素子が発光するのである。
【0037】
画素の電流制御用TFTの機能は、表示期間に当該画素を点灯(表示)させるか消灯(非表示)させるかを制御することである。表示期間と書込期間の切り替えは、右のパネル外の電源がFPC端子を通して行う。
【0038】
また、パネル外に取り付けられた電源(図7の72の709)は、書込期間と表示期間を切り替えるためのスイッチ機能を果たしている。書込期間では、この電源を切った状態(電圧を加えない状態)で、各画素にデータ信号を入力していく。
【0039】
そして、全ての画素にデータが入力されて書込期間が終了したら、電源(図7の72の709)を入れ、一斉に表示を行う。この期間が表示期間となる。EL素子が発光し画素を点灯させる期間は6つのフィールドのうち表示1〜表示6までのいずれかの期間である。
【0040】
6つのフィールドが出現したら1フレームを終えたことになる。このとき、表示期間の積算によってその画素の階調が制御される。例えば、表示1と表示2を選択した場合には全灯を100%としたうちの76%の輝度が表現でき、表示3と表示5を選択した場合には16%の輝度が表現できる。
【0041】
なお、以上は64階調の場合について説明したが、他の階調表示を行うことも可能である。
【0042】
仮にNビット(Nは2以上の整数)の階調(2n階調)の表示を行う場合には、図8に示すように、まず1フレームをNビットの階調に対応させてN枚のフィールド(F1、F2、F3…F(n-1)、F(n)と表す)に分割する。階調が多くなるにつれて1フレームの分割数も増え、駆動回路を高い周波数で駆動しなければならない。
【0043】
さらに、これらN枚の各フィールドは書込期間(Ta)及び表示期間(Ts)に分離される。
【0044】
そして、N枚の各フィールドの表示期間(但し、F1、F2、F3…F(n-1)、F(n)に対応する表示期間を各々Ts1、Ts2、Ts3…Ts(n-1)、Ts(n)と表す)をTs1:Ts2:Ts3:…:Ts(n-1):Ts(n)=20:2-1:2-2:…:2-(n-2):2-(n-1)となるように処理する。
【0045】
この状態で、任意の1フィールドでは順次画素が選択され(厳密には各画素のスイッチング用TFTが選択され)、電流制御用TFTのゲート電極に所定のゲート電圧(データ信号に対応する)が加わる。このとき、電流制御用TFTが導通状態になるようなデータ信号が入力された画素のEL素子は、書込期間終了後、電源が入力されるとそのフィールドに割り当てられた表示期間だけ画素が点灯する。
【0046】
この動作をN枚のフィールド全てにおいて繰り返し、その表示期間の積算によって1フレームにおける各画素の階調が制御される。従って、任意の1画素に注目すると、その画素が各フィールドでどれだけの期間点灯したか(どれだけの表示期間を経由したか)によって、その1画素の階調が制御される。
【0047】
以上のように、アクティブマトリクス型EL表示装置にデジタル駆動の時分割階調方式を用いる点が本発明の最大の特徴である。この時分割階調駆動を用いることでアナログ駆動の階調表示において問題であったTFT特性の影響を受けずに階調表示を行うことが可能となる。
【0048】
【発明の実施の形態】
図1は、本実施例のアクティブマトリクス型EL表示装置の概略ブロック図である。図1のアクティブマトリクス型EL表示装置は、基板上に形成されたTFTによって画素部101、画素部の周辺に配置されたソース駆動回路102、ゲート駆動回路103が形成される。また、113は時分割階調データ信号発生回路(SPC;Serial-to-Parallel Conversion Circuit)である。
【0049】
ソース駆動回路102は、シフトレジスタ102a、ラッチ1(102b)、ラッチ2(102c)を有している。その他、バッファ(図示せず)を有している。
【0050】
なお、本実施例のアクティブマトリクス型EL表示装置においては、ソース駆動回路を1つだけ設けているが、画素部の上下を挟むように2つのソース駆動回路を設けても良い。
【0051】
また、103はゲート駆動回路であり、シフトレジスタ、バッファ等(いずれも図示せず)を有している。
【0052】
画素部101は、640×480(横×縦)の画素を有している。各画素にはスイッチング用TFTおよび電流制御用TFTが配置されている。スイッチング用TFT105はゲート線106及びソース線(データ線)107に接続されている。また、電流制御用TFT108のドレインはEL素子109に、ソースは電流供給線110に接続されている。
ゲート線106が選択されるとスイッチング用TFT105のゲートが開き、ソース線107のデータ信号がコンデンサ112に蓄積され、電流制御用TFT108のゲートが開く。つまり、ソース線107から入力されるデータ信号により電流制御用TFT108に電流が流れ、EL素子が発光する。
【0053】
ここで、本実施例のアクティブマトリクス型EL表示装置の動作および信号の流れを説明する。
【0054】
まず、ソース駆動回路102の動作を説明する。ソース駆動回路102は、基本的にシフトレジスタ102a、ラッチ1(102b)、ラッチ2(102c)を含む。シフトレジスタ102aにクロック信号(CK)およびスタートパルス(SP)が入力される。シフトレジスタ102aは、これらのクロック信号(CK)およびスタートパルス(SP)に基づきタイミング信号を順に発生させ、バッファ(図示せず)を通して後段の回路へタイミング信号を順次供給する。
【0055】
シフトレジスタ102aからのタイミング信号は、バッファ等によって緩衝増幅される。タイミング信号が供給されるソース線には、多くの回路あるいは素子が接続されているために負荷容量(寄生容量)が大きい。この負荷容量が大きいために生ずるタイミング信号の立ち上がりまたは立ち下がりの”鈍り”を防ぐために、このバッファが設けられる。
【0056】
バッファによって緩衝増幅されたタイミング信号(デジタルデータ信号(Digital Data Signals))は、ラッチ1(102b)に供給される。ラッチ1(102b)は、6ビットデジタル信号(6bit digital signal)を処理するラッチを有する。ラッチ1(102b)は、前記タイミング信号が入力されると、時分割階調データ信号発生回路113から供給される6ビットデジタルデータ信号を順次取り込み、保持する。
【0057】
ラッチ1(102b)の全てのステージにデジタルデータ信号の書込が一通り終了するまでの時間を書込期間という。すなわち、ラッチ1(102b)の中で一番左側のステージのラッチにデジタルデータ信号が書き込まれる時点から、一番右側のステージのラッチにデジタルデータ信号の書込が終了する時点までが書込期間である。また、上記書込期間をライン期間と呼ぶこともある。
【0058】
書込期間終了後、シフトレジスタ102aの動作タイミングに合わせて、ラッチ2(102c)にラッチシグナル(Latch Signal)が供給される。この瞬間、ラッチ1(102b)に書き込まれ保持されているデジタルデータ信号は、ラッチ2(102c)に一斉に送出され、ラッチ2(102c)に保持される。
【0059】
デジタル信号をラッチ2(102c)に送出し終えたラッチ1(102b)には、シフトレジスタ102aからのタイミング信号に基づき、再び時分割階調データ信号発生回路113から供給されるデジタル信号の書込が順次行われる。
【0060】
また、ラッチ2(102c)にはラッチ信号(Latch Signals)が入力される。
【0061】
ゲート駆動回路103においては、シフトレジスタ(図示せず)からのタイミング信号がバッファ(図示せず)に供給され、対応するゲート線(走査線)に供給される。
【0062】
113は時分割階調データ信号発生回路(SPC;Serial-to-Parallel Conversion Circuit)である。時分割階調データ信号発生回路113は、外部から入力されるデジタル信号の周波数を1/mに落とすための回路である。外部から入力されるデジタル信号を分割することにより、駆動回路の動作に必要な信号の周波数も1/mに落とすことができる。
【0063】
本発明では画素部に入力されるデータ信号がデジタル信号であり、また液晶表示装置と異なり電圧階調表示ではないので、「0」または「1」の情報を有するデジタルデータ信号がそのまま画素部へと入力される。
【0064】
画素