JP5646140B2 - ディスプレイ - Google Patents

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Description

本発明は、ディスプレイアレイ(display arrays)に関し、特に、このようなディスプレイアレイを駆動する技術に関する。
駆動回路と同一の基板上に、ディスプレイのためのアクティブマトリクスアレイを集積する装置の開発が行われている。例えば、ポリシリコン薄膜トランジスタ(polysilicon thin film transistor(poly-Si TFT))が、アクティブマトリクスアレイのスイッチング素子として使用され、同様に、アレイと同一の基板上に集積される駆動回路に使用される。透過モードのアクティブマトリクス液晶ディスプレイ(active matrix liquid crystal display(AMLCD))のために、アレイとその駆動回路が、双方とも、透明水晶ウェーハ、または大きなガラス基板上に形成される。
同一基板上にアレイと駆動回路を集積することの大きな利点は、簡単で、信頼性の高い実装、低コストと、最も重要な、高い表示画素密度が得られることである。高画素密度と、高グレースケール精度(gray scale precision)が要求される用途には、LCD投射システム、ビューファインダー、バーチャルリアリティゴーグル(virtual reality(VR) goggle)が含まれる。
特開平4−116688号公報 特開平8−36371号公報 特開昭61−205983号公報 特開平2−913号公報
本発明の第一の観点は、駆動回路の形成される基板と同一の基板上に、アクティブマトリクスディスプレイを集積する上での基本問題を解決することにある。高画素密度と、回路の複雑さとの間には拮抗関係があり、この関係をここでは“密度対複雑さの問題”と呼ぶ。
密度対複雑さの問題は、(多くのグレースケールビットを供給する)複雑な集積データ駆動回路には、大きな領域が要求されることにより生じる。これは、画素密度を制限する。従って、集積データ駆動回路を用いて高グレースケール精度にすると、外部駆動電子回路の複雑さとコストを増すことなしには、高画素密度の達成は難しくなる。
本発明の第一の観点は、密度対複雑さの問題を簡潔に解決する技術の発見に基礎をおいている。この技術により、グレースケール精度を増加させることが可能となる一方で、簡単な集積駆動回路及びデジタル入力インタフェースによってこれらの構成を得ることができる。
この技術は、走査信号が走査周波数の周期を有し、各周期はデューティ期間(duty interval)を含み、このデューティ期間の期間中、データ信号がある電圧値の信号セグメントを含むようなディスプレイに適用される。この技術は、電気光学ディスプレイの各セルの電気光学素子が、最大応答周波数を有しており、この周波数を超えると、続く次の周期に受信する信号に対して個別には応答できないという事実の上に構築されている。この技術は、また、通常の観察者が、最大知覚可能周波数を持ち、これを超えては、2つの異なる色の切り替えを知覚することができなく、連続する中間色として知覚するという事実の上に構築されている。
この技術はディスプレイにおいて適用される。そのようなディスプレイは、走査駆動回路を有し、電気光学素子の最大応答周波数(maximum response frequency)と、通常の観察者の最大知覚可能周波数(normal human viewer's maximum perceptual frequency)と、のいずれか小さい方の少なくともK倍の走査周波数を供給するよう構成される。加えて、データ駆動回路は、デジタル入力信号を受信し、これに応じて、各デューティ期間の期間中、最大電圧値又は最小電圧値のいずれかの信号セグメントを供給するよう構成される。電気光学素子は、各デューティ期間に、最大電圧値又は最小電圧値のいずれかを受信し、その時間平均をとり、知覚可能なフリッカの無い、任意のKのそれぞれ別の(distinct)連続的なグレーレベルを表示する。
また、この技術は、更に広く、基板上のアレイ回路、走査駆動回路及びデータ駆動回路を備える装置に適用される。アレイ回路は、対をなす走査線及びデータ線の各組毎に、走査線及びデータ線に接続されるセル回路を有する。このセル回路は、画像要素の表示を制御する電気光学素子と、走査線上の信号の制御のもとに、データ線と電気光学素子を電気的に接続するスイッチング素子を含む。電気光学素子は、データ線から信号を受信するデータ導線を持つ。
走査駆動回路は、各走査線に走査信号を供給し、各走査信号は、走査周波数の周期を持ち、各周期はデューティ期間を含む。走査周波数は、電気光学素子の最大応答周波数と、通常の観察者の最大知覚可能周波数と、のいずれか小さい方の少なくともK倍であり、ここでKは8またはそれ以上、つまり8以上の数値である。
データ駆動回路は、デジタル入力信号に応じて、データ信号をデータ線に供給する。各セル回路のスイッチング素子は、走査線での走査信号の各デューティ期間の期間中、データ線と電気光学素子の構成要素であるデータ導線とを電気的に接続する。
データ駆動回路によりデータ線に供給されるデータ信号は、走査信号のデューティ期間の間、2つのみの電圧値、つまり最大電圧値と最小電圧値の内の一方の信号セグメントを含む。
このため、電気光学素子は、デューティ期間の期間中、ほぼ最大電圧値又はほぼ最小電圧値のいずれかを受け取る。そして、電気光学素子は、時間平均をとって、知覚可能なフリッカが無い、任意のKであってそれぞれ異なる連続的なグレーレベルを表示する。
液晶における適用例では、例えば、走査周波数は、毎秒480であり、これは、8個の異なる連続的なグレーレベルが表示可能である。また、走査周波数が毎秒1920の場合には、32個の異なる連続的なグレーレベルを表示し、毎秒3840では、64個の異なる連続的なグレーレベルを表示することができる。
最小電圧値は、電気光学素子の低電圧状態を変化させることなしに、この電気光学素子に印加される最高電圧にほぼ等しい。ノーマリホワイトの構成では、最大電圧値によって、画像要素が最小強度の表示を行う状態に電気光学素子が駆動され、一方、最小電圧値により、画像要素が最大強度の表示を行う状態に電気光学素子が駆動される。ノーマリブラックの場合には、表示強度は逆となる。ここで、最小電圧値は、約0ボルトRMSであり、最大電圧値は、約5ボルトRMS、または、駆動される電気光学素子の種類に適した電圧が適用可能である。
ライトバルブ(light valve)のためのアクティブマトリクス回路として使用される装置としては、例えば、アクティブマトリクス液晶ディスプレイ(AMLCD)、或いは電界発光ディスプレイ(elctrooptical display)又はプラズマディスプレイのような他の電気光学ディスプレイ等が適用されうる。走査周波数、デューティ期間、信号セグメントが、適切に関係付けられれば、データ駆動回路が、2個の電圧値のみの信号を供給する場合でも、AMLCDの観察者は、Kレベルの色を識別できる。
各セルのスイッチング素子は、ポリシリコンTFTを採用可能であり、走査駆動回路と、データ駆動回路もまた、ポリシリコンTFTを採用可能である。各電気光学素子には、高駆動周波数と短充電時間が要求されるため、各素子の記憶キャパシタは、一般的なAMLCDのものより低く、スイッチ漏れ電流を低くすることに対する通常の厳しい要求は、本発明の場合には緩和される。従って、各セル回路では、記憶キャパシタを減らすか、または省くことによって簡単な構成となり、更に、二重ゲートやLDD(lightly doped drain)装置のような漏れ電流(leakage)を低くするために設計されたものに替えて、簡単なTFTを使用することによって簡単に構成される。
上に述べた技術は、デジタル入力信号を受け取るより簡単な集積回路によって、6から8ビットの良いグレースケール精度を提供でき有効である。データ駆動回路は、アナログ値ではなく、2個の電圧値のみの信号を供給するので、この技術には、スチュワート/リーチョップランプ走査回路(Stewart/Lee chop rampscannig circuit)のようなDACは要求されない。
走査駆動回路と、データ駆動回路が、上に述べた条件を満たす周波数の信号を供給すれば、各セルの付加キャパシタの必要性が軽減される。この付加キャパシタは、液晶(liquid crystal(LC))で生じる、キャパシタンスの電圧に依存する変化を減らすことにより、直線性を保証するものである。付加キャパシタの必要性が軽減されるのは、LC容量が、走査周期の間に変化する時間が無いためである。
このように回路構成が簡単になる結果、全体としての集積回路の歩留まりが向上する。加えて、この技術によれば、各走査線の構成部分を記憶キャパシタ電極として使用することにより、走査線キャパシタンスを増やす必要性が無くなり、高走査周波数が容易に得られる。
上に述べた技術は、高解像度や高画像忠実度表示のために、多くの入力線を必要としないので有利である。データ線の充電に必要な時間は、典型的には、高解像度ディスプレイにおいては約1μsであるが、マルチプレクサは、広帯域にはできない。よって、各マルチプレクサに対し1つという、多くのアナログ入力が要求されることを意味する。また、マルチプレクサを使用する設計は、充電される最後の線が、充電される最初の線からの異なる寄生結合を受けやすいので、本質的に均一性の問題を持つ。上述の技術によれば、全てのデータ線は、同時に充電され、この問題は軽減される。最後に、多重化アナログアーキテクチャでは、一般的には、各入力線に外部高電圧DACが必要であるが、一方、上述の技術では、電気光学素子においてディザリングを行うか、または時間平均をとることにより、デジタルアナログ変換を行っており、このような技術によれば、2つのみの外部dc信号レベル、或いは、バックプレーン(backplane)又は対向電極がスイッチされない場合は、3または4個の外部dc信号レベルが必要とされるのみである。
上述の技術では、すでに説明したように、ディスプレイガラス上に簡単な回路が形成され有利である。集積DACを持つ各データ線を駆動するために要求される大規模な回路では、データ線ピッチを細かくすることは難しく、従って、マトリクス密度が制限される。しかし、本発明に係る上述の技術によれば、高マトリクス密度が可能となる。加えて、集積DACでは、一般的には、8またはそれ以上の精細なdcレベルの生成、または一対の外部ランプ(external ramp)信号が必要となる。これに対して、この発明では、2または3個の外部信号レベルのみにより実現される。
図1と図2は、本発明の好適な実施の形態に係る一般的な特徴を示す。図1において、走査駆動回路16は、デューティ期間を有する走査周波数を供給し、また、データ駆動回路18は、外部から供給されるデジタル入力信号に応じて、最大電圧値または最小電圧値のいずれかを供給し、これにより、アレイにおける電気光学素子は、デューティ期間の期間中、ほぼ最大電圧値又はほぼ最小電圧値のいずれかを受け取る。図2は、図1の走査駆動回路16により供給される信号の走査周波数が、電気光学素子の最大応答周波数と、最大知覚可能周波数と、のいずれか小さい方の少なくともK倍の大きさであることを示す。ここでKは、8またはそれ以上である(K≧8)。
図1の装置(article)10は、表面に回路が形成される基板12を含む。回路は、アレイ回路14、走査駆動回路16、データ駆動回路18を含む。
アレイ回路14は、M本の走査線と、N本のデータ線を含む。またアレイ回路14は、走査線/データ線の対、つまり対をなす走査線及びデータ線の各組毎に、走査線及びデータ線に接続されるセル回路を含む。図においては、m番目の走査線30と、n番目のデータ線32に接続されるセル回路20が、例示されている。
セル回路20は、電気光学素子22を含み、電気光学素子22は、データ導線24を持つ。セル回路20は、また、スイッチング素子26を含み、m番目の走査線30上の信号の制御により、n番目のデータ線32と、データ導線24を電気的に接続する。
走査駆動回路16は、各走査線に走査信号を供給する。図1に示されるように、走査信号は、走査周波数で供給される周期信号であり、各周期にデューティ期間を持つ。デューティ期間は、例えば、周期の約1/M、またはそれ以下であり、走査信号は、同期がとられ、2本の走査線のデューティ期間が重なることはない。
データ駆動回路18は、デジタル入力信号を受ける導線を持ち、デジタル入力信号に応答し、各データ線上にデータ信号を供給する。データ駆動回路18により各データ線に供給されるデータ信号は、各走査信号デューティ期間の間、信号セグメントを含み、信号セグメントは、2個のみの電圧値の1個である。2個の電圧値の内の大きい方、または最大電圧値は、図1において、“MAX”として示され、一方、2個の内の小さい方、または、最小電圧値は、“MIN”として表されている。示されているように、電気光学素子22は、各デューティ期間の間、ほぼMAX、またはほぼMINのいずれかを受ける。
対数周波数[log F]軸に沿った関連する周波数の間の関係が、図2にさらに詳しく示されている。最大知覚可能周波数(maximum perceptual frequency(MPF))、すなわち、通常の観察者が、2個の色の切り替えを知覚できる最大周波数、つまり、それを超えると、連続する中間色としてしか知覚できない最大周波数は、60Hzである。これは、ヌマオ(Numao)による、米国特許第5,488,495号、4欄、35〜39行に示されている。最大応答周波数(maximum response frequency(MRF))、すなわち、電気光学素子22が、続く信号に対してそれぞれ独立に応答することのできる最大周波数は、電気光学素子22の実現方法に依存する。例えば、LCDにおいては、MRFは、アレイ回路14に沿って一定ではないが、一般的には、約20〜60Hzであり、これは、フィスケ(Fiske T.)、ハック(Hack,M)、マーチン(Martin,R.A.)、スティーマース(Steemers,H.)による、“Analysisof Transient Optical Response of Active-Matrix LCDs"、SID 95 Digest、1995年5月、743〜746ページに示されている。
走査周波数(scanning frequency(SF))は、MPF、またはMRFの、いずれか小さい方の少なくともK倍であり、ここで、Kはグレーレベルの数であり、K≧8である。言い換えれば、MPFとMRFの、いずれか小さい方から、(図2において、Min(MPF、MRF)として示されている)、SFまでのlog F軸に沿う距離は、少なくともlog Kと同じ大きさである。従って、電気光学素子は、時間平均をとり、知覚可能なフリッカの無い、K個のそれぞれ異なった(distinct)連続的なグレーレベルを表示することができる。
K=8のグレーレベルにおいて、Min(MPF、MRF)=60Hzをとると、最小値SF=480Hzが得られ、これは、全アレイが、毎秒480回走査されることを意味する。このSFは、各M本の走査線について、(1/480M)秒の最大デューティ期間を与える。グレーレベルの数を64に増やすには、SFは、少なくとも8が乗ぜられ、従って、最小でもSF=3840Hzとする必要がある。
上述の一般的な特徴は、多くの方法により実現される。下に述べる実施形態は、poly-Si TFTを持つ液晶ライトバルブを提案するものである。例として、この実施形態は、640×480の電気光学素子(簡単に画素とも称される)を持つディスプレイを供給する。
ライトバルブ
図3は、上に述べた一般的な特徴が実施される液晶ライトバルブの関連する特徴を示す。
図3のライトバルブ100は、基板102を含み、その上に、アレイ104、走査駆動レジスタ106、データ駆動レジスタ108を含む回路が形成される。走査駆動シフトレジスタ106は、パッド110に接続され、外部同期信号を受け、例示されるバッファ112を持つバッファを介して、アレイ104の480本の各走査線に走査信号を供給する。データ駆動シフトレジスタ108は、パッド120に接続され、外部デジタル入力信号を受け、図3に例示されるドライバ122と124を有するドライバを介して、アレイ104の640本の各データ線にデータ信号を供給する。
走査線130とデータ線132が交差する領域において、アレイ104は、セル回路を含み、この構成が図3に概略的に示されている。TFT140は、走査信号を受けるよう接続されるゲートを有し、走査線130に供給される走査信号を受ける。走査信号のデューティ期間の間、つまり期間中、TFT140のチャネルは、データ線132を電極142に電気的に接続し、これにより、データ線132に供給されるデータ信号が、電極142に到達する。電極142は、断面の詳細150に示される他の構成要素と共に、キャパシタとして機能し、データ線132から受けるデータ信号を一時的に記憶する。液晶領域152の光透過率は、データ線132から受けるデータ信号により制御される。電極154は、液晶領域152の反対側にある異なる基板上に形成されており、図示されるように接地されている。
基板102は、透明水晶ウェーハ、または広いガラス基板である。TFT140には、ポリシリコン(poly-Si)TFTが使用され、走査駆動回路とデータ駆動回路の構成要素には、同様に、下でさらに詳細に述べるように、poly-Si TFTが使用される。
走査線130とその他の走査線、データ線132とその他のデータ線は、従来の技術により実現される。その幾つかは、ここに双方とも参照され取り入れられている、同時出願中の、同一人に譲渡された“Array with Metal Scan Lines Controlling Semiconductor Gate Lines"と題する、米国特許出願第08/572,357号と、“Forming Array with Metal Scan Lines to Control Semiconductor GateLines"と題する、米国特許出願第08/367,983号に記載されている。
図3により理解されるように、走査線130での走査信号は、走査周波数の各周期の1/480より短いデューティ期間を有する。デューティ期間の期間中、データ線132と他のすべてのデータ線は、データ信号を供給し、これは、走査線130に接続された行のセルに受け取られる。電極142は、デューティ期間とデューティ期間の間は、データ線132から信号を受けないが、細部150に示すキャパシタンスが十分に大きければ、1デューティ期間内に受けた信号は、次のデューティ期間まで記憶される。
走査駆動回路
走査駆動回路の図3に示す構成例では、走査駆動シフトレジスタ106と、バッファ112として例示された各走査線毎のバッファを含む。図4は、走査駆動シフトレジスタの構成例を示す。図5は、TFTレベルで実現されるシフトレジスタのある段(stage)を示す。
図4の走査駆動回路200は、240段のシフトレジスタを含み、その各段は、2本の走査線に走査信号を供給する。各段は、210、212、214〜216のDタイプのラッチの一つを含む。各段は、また、一対のANDゲートを含む。この第一の段は、ANDゲート220、222、第二の段は、ANDゲート224、226、第三の段は、ANDゲート230、232、最後の段は、ANDゲート234、236を含む。また、第一の段は、インバータ240を含み、最後の段には、シフトレジスタ出力信号(shift register output signal(SR out))を供給するバッファ242が続く。
ANDゲート220〜236は、アレイの走査線により与えられるキャパシタンス負荷を駆動するよう設計される。上の図3に関連して述べたセル回路により、キャパシタンス負荷は、走査線が記憶キャパシタの電極として機能する従来技術のものに比べ小さくなる。
2個のゲート信号(Gate-1とGate-2)は、シフトレジスタ出力パルスの形成に使用され、ディスプレイ上で重ならないことを保証する。各段が2本の走査線を受け持つ配置により、2つの主な利点が得られる。第一の利点は、小さなシフトレジスタが使用され、領域が減り、歩留まりが上がることである。第二の利点は、対応するフレームの、各奇数、または偶数の走査線のみ動作可とされ、インタレースモードと、非インタレースモードのいずれの表示動作も可能となることである。
図4のシフトレジスタは、各DタイプラッチのR入力に接続されるリセット入力(Reset input)がH(high)になることにより起動される。これにより、ラッチ210、212、214〜216までの全てのQ出力がL(low)となる。一方、第一段のインバータ240は、第一段からの出力を反転してHとする。シフトレジスタ入力(shift register input(SR in))が、2相クロック信号の印加により、Hを保持していれば、H値は、シフトレジスタに沿って進み、要求に従い走査線に走査信号が供給される。
図5の段260は、Dタイプラッチ262と、ANDゲートドライバ264、266を含む。クロックバッファ270は、クロック信号phi−1’を受け、クロック信号phi−1と、nphi−1を供給し、一方、クロックバッファ272は、クロック信号nphi−2’を受け、クロック信号nphi−2と、phi−2を供給する。各段において、2相クロック信号をバッファに記憶することにより、クロックスキュー(clock skew)問題が軽減され、単一のバッファが全てのレジスタを受け持つ必要性が無くなり、回路動作はシフトレジスタ長と独立に行われる。ANDゲートドライバ264と266は、一般的なCMOS構造であり、このCMOS構造は、(out-1とout-2を供給する)最終インバータにTFTを持ち、これは、要求される速度において、走査線キャパシタンスを駆動するに十分な大きさである。言い換えれば、シフトレジスタが、1MHzを十分に超えるクロック速度で動作しているとき、ANDゲートドライバ264と266は、100ns以下の立ち上がりと立ち下がり時間で走査線を駆動することができる必要がある。
ルイス(Lewis,A.G.)、リー(Lee,D.D.)及びブルース(Bruce,R.H.)による、“Polysilicon TFT Circuit Design and Performance”、IEEE Journal of Solid-State Circuits、27巻、12号、1992年12月、1833〜1842ページによれば、その図4及び図5のような簡単な走査駆動回路について、さらに詳細な情報が得られる。また、その1837ページの図6に関連し、ルイス他は、poly-Si TFT CMOSダイナミックシフトレジスタを使用し、9〜30MHzの範囲の周波数において、誤りのないデータ転送が得られることを示している。その範囲の周波数は、図2に関連し述べた走査駆動回路に十分に短いデューティ期間を与える。
データ駆動回路
データ駆動回路の図3に示す構成例では、データ駆動シフトレジスタ108と、バッファ122と124で例示された各データ線のバッファを含む。図6は、データ駆動波形を示す。
シフトレジスタ108と、データ線バッファを含むデータ駆動回路は、一般的には、ここに参照され取り入れられている、アレン(Allen)他による、米国特許第5,491,347号に記載されているように実施される。アレン他は、その図12〜図15に関連した14欄31行〜15欄17行に、使用されるデータ駆動回路について述べている。本発明の実施形態では、データ駆動回路は、アレン他が述べている大きなデザインルールによる別のチップにではなく、1または2μmデザインルールが使用され、アレイと同一の基板に集積される。
各データ駆動シフトレジスタの各段は、また、ここに参照され取り入れられている、ルイス(Lewis,A.G.)、リー(Lee,D.D.)及びブルース(Bruce,R.H.)による、“Polysilicon TFT Circuit Design and Performance"、IEEE Journal of Solid-State Circuits、27巻、12号、1992年12月、1833〜1842ページに記載されているように実現される。また、その1836ページと1837ページにおいて、ルイス他は、図6のインセット(inset)に関連するレジスタ段について述べている。
アレン他のデータ駆動回路は、バックプレーン電圧が固定されているとすると、3レベルデータドライバ(three level data drivers)を含む。各セルの液晶領域により見られる駆動極性は、各フレーム毎に反転されるので、少なくとも、3個の電圧レベルが必要である。固定バックプレーン電圧には、4レベルドライバ(four level drivers)も使用される。
バックプレーン電圧が、フレーム毎に反転される代わりに、反転されるデータを使用し、必要な極性反転を行う、2レベルドライバ(two level drivers)も使用され得る。これは、アモルファスシリコンディスプレイに使用される技術であり、ここに参照され取り入れられている、ルイス(Lewis,A.G.)と、ターナー(Turner,W.)による、“Driver Circuit for AMLCDs"、Conference Record of the1994 International Display Research Conference and International Workshop on Active-Matrix LCDs & Display Materials、カリフォルニア、モントレー、1994年、10月10日〜13日、56〜64ページの図5に関連し記載されているものである。バックプレーンが、Hレベルであれば、画素は、“0”に対しHレベルに駆動され、“1”に対しLレベルに駆動され、バックプレーンが、Lレベルであれば、この逆になる。
セパレートされた記憶キャパシタが、各画素に使用されれば、画素の対向電極は、バックプレーンとともにスイッチされる必要がある。スイッチされるバックプレーン駆動方法の問題は、寄生キャパシタンスのため、画素電圧がバックプレーンに正確に追随しないことである。この追随の失敗により、不均一性が持ち込まれる。これは、バックプレーンの追随が画素電圧に影響されるようになるためである。必要であれば、この問題は、バックプレーンがスイッチされる直前に、ダミーのサブフレームを書き込み、スイッチによるいずれの誤りも、各画素に対し同一になるよう保証することで解決される。
図6は、データ駆動波形を示す。波形300は、固定バックプレーン電圧に適し、波形302は、スイッチされるバックプレーン電圧に適している。電圧は、双方の組の波形について、同一スケールでは示されていない。双方とも、走査線iと(i+1)での走査信号が示されており、走査線(i+1)でのデューティ期間の直前に、走査線iでのデューティ期間がある。双方とも、波形は、複数のサブフレーム間でのデータ駆動の反転を示すが、他の方法も使用される。
固定バックプレーン電圧では、“1”を表すデータ信号は、正のフレームの間、V1+で供給され、一方、“0”を表すデータ信号は、正フレームの間、V0+で供給される。負フレームの間は、“1”を表すデータ信号は、V1-で供給され、一方、“0”を表すデータ信号は、V0-で供給される。V0+とV0-が等しければ、3電圧レベルのみになり、V0+とV0-が等しくなければ、4電圧レベルになる。
スイッチされるバックプレーン電圧では、“1”を表すデータ信号は、正のフレームの間、VDHで供給され、一方、“0”を表すデータ信号は、正フレームの間、VDLで供給される。負フレームの間は、“1”を表すデータ信号は、VDLで供給され、一方、“0”を表すデータ信号は、VDHで供給される。従って、この技術では、2電圧レベルのみ要求される。
上で述べたデータ駆動回路は、時間平均をとりデジタルアナログ変換を行う。この変換は、本質的に線形である。しかし、液晶材は、非線形の電圧透過率変換特性を持つ。従って、低電圧状態の液晶を変えることなく加えられる最大電圧値であるVOFFを、最小電圧値に選べば有利である。これにより、液晶の低電圧状態の範囲の使用が不要になる。ノーマリホワイト色のLCDでは、画素は、VOFFでは白であり、VONでは黒である。一方、ノーマリブラック色のLCDでは、画素は、VONでは白であり、VOFFでは黒である。
波形300の固定バックプレーン電圧では、電圧レベルは、次に示すように調整される。
OFF=V0+−VBP=VBP−V0-、および
ON=V1+−VBP=VBP−V1-
波形302のスイッチされるバックプレーン電圧では、電圧レベルは、次に示すように調整される。
OFF=VDL−VBPL=VBPH−VDH および
ON=VDH−VBPL=VBPH−VDL
ここでVDL>VBPLであり、VBPH>VDHである。
セル回路
図3のアレイは、ここに双方とも参照され取り入れられている、ウー(Wu,I-W)による、“High-definition displays and technology trends in TFT-LCDs"、Journal of the SID、2巻、1号、1994年、1〜14ページに記載されているような簡単なセル回路、または、同時出願中の、同一人に譲渡された、“Array with Metal Scan Lines Controlling Semiconductor Gate Lines"と題する、米国特許出願第08/572,357号に記載されているさらに複雑なセル回路に、受容可能なレベルのキャパシタンスを与えるよう特性を適切に調整し実現される。図7は、図3の構成に使用される別のセル配置を示す。
図7は、m番目の走査線350、(m+1)番目の走査線352、点線で示されるn番目のデータ線354、(n+1)番目のデータ線356を持つアレイ104の一部を示す。図7は、また、m番目の走査線350と、n番目のデータ線354に接続されるセルの、セル回路の一部を示す。
セル回路は、第一の接続点362から、第二の接続点364まで延びる線のpoly-Siパターン360を含む。第一の接続点362は、n番目のデータ線354のエッジ内に実質的にすべて入り、この接続点は、金属による接続などにより、データ線に電気的に接続される。
また、セル回路は、ゲートパターン370を含む。これは、チャネル372においてpoly-Siパターン360と交差する線である。ゲートパターン370は、m番目の走査線350から延び、この走査線350に電気的に接続される。ゲートパターン370は、m番目の走査線と同一の層に形成され、双方ともpoly-Si、または、双方とも金属によって形成されている。或いは、ゲートパターンは、異なった層に形成される。この層は、ここに双方とも参照され取り入れられている、同時出願中の、同一人に譲渡された、“Array with Metal Scan Lines Controlling Semiconductor Gate Lines"と題する、米国特許出願第08/572,357号と、“Forming Array with Metal Scan Controlling Semiconductor Gate Lines"と題する、米国特許出願第08/367,983号に記載されている異なる層である。いずれの場合も、走査線は、分路(シャント:shunt)380、382で例示されている導電率を増すための分路層を含む。
図示された構成において、m番目の走査線350での走査信号は、第一接続点362と、第二接続点364の間のpoly-Siパターンの導電率を制御する。m番目の走査線350での電圧がHであれば、チャネル372は、高い導電性になり、m番目の走査線350での電圧がLであれば、チャネル372は、漏れ電流のみ通す。
図7のセル回路は、独立の(セパレートされた)記憶キャパシタンスを用いず設計される。これは、セルの応答を改善し、加えて、各走査線に沿ってキャパシタ電極を設ける必要がなくなるので、走査線キャパシタンスを最小にできる。集積されたダークマトリクスは、開口の犠牲を最小にとどめ、エッジなどに生じる迷光(stray illumination)を阻止することによって画像品質を改善するために使用することができる。
図7に示されるセルの設計では、漏れ電流を減らすため従来使用されている二重ゲート(デュアルゲート)TFTではなく、シングルゲートTFTが使用される。このセルの設計は、セルの記憶キャパシタンスを減らす。しかし、高速リフレッシュにより、セルの動的な記憶に対する要求が減るので、この設計で十分である。
また、セル記憶キャパシタンスは、従来、キャパシタンスの線形化を行っている。これは、液晶キャパシタンスが、電圧に大きく依存するので、液晶応答時間が、リフレッシュ時間と同等の場合には重要である。線形化キャパシタンスが無いと、セルでの電圧の変化が、液晶をフレーム時間中に応答させ、液晶のキャパシタンスを変え、セルでの電圧を変える。セルに正しい電圧、つまり、正しいグレーレベルを与えるためには、幾つかのフレームが必要となる。しかし、この構成では、各セルの電圧は、液晶が応答するよりも速く更新され、従って、この線形化機能を発揮する記憶キャパシタンスは不要となる。
記憶キャパシタが不要となると、キャパシタ電極の形成と、それに必要なマスクステップが除かれ、製造が簡単になり有利になる。加えて、記憶キャパシタは、従来、ゲート誘電体を使用して形成されるので、キャパシタの除去により、全体のゲート誘電体領域が減り、歩留まりが改善される。記憶キャパシタが無くなれば、走査線キャパシタンスが減り、走査ドライバに小さなTFTを使用することが可能となり、さらに歩留まりが改善される。また、記憶キャパシタが無くなれば、全体の画素キャパシタンスが減り、必要な高速画素充電が容易に行なわれる。
上に述べたアレイは、例えば、ここに参照され取り入れられている、ウー(Wu,I-W.)、スチューバー(Stuber,S.)、ツァイ(Tsai,C.C.)、ヤオ(Yao,W.)、ルイス(Lewis,A.)、フォルクス(Fulks,R.)、チャン(Chiang,A.)、トンプソン(Thompson,M)による、“Processing and Device Performance of Low-Temperature CMOSPoly-TFTs on 18.4-in.-Diagonal Substrates for AMLCD Application"、SID 92 DIGEST、1992年、615〜618ページに記載されている、従来技術が使用され製造される。
駆動方法
上に述べたように製造されるライトバルブは、多くの方法により駆動される。図8は、その様なライトバルブを駆動する信号を供給するために実行される機能ブロックを示す。
ホストマシン400は、Kグレーレベルを持つ画像データを、フレームバッファ402に供給し、同期信号を同期回路404に供給する。フレームバッファ402は、一般的な技術を用いて、同期回路からのリード/ライト信号に応じて、画像データを記憶し、供給する。
また、同期回路404は、インクリメントおよびクリア信号をサブフレームカウンタ410に供給する。このカウンタは、データが供給される現在のサブフレームを示すカウントを保持する一般的なカウンタである。同期回路404は、また、適切な走査およびデータタイミング信号を供給する。この信号は、知覚可能なフリッカが無く、時間平均がとられた現画像に要求される高周波数でのタイミング信号の供給を除いては、従来のものと同じである。
一方、ディザロジック414は、フレームバッファ402からKグレーレベルの画像データを受け、また同様に、サブフレームカウンタ410から現行サブフレームカウントを受ける。これに応答し、ディザロジック414は、画像データを使用し、サブフレームデータを供給する。このサブフレームデータは、各サブフレーム毎に、ライトバルブ420で表示される画像の画素毎の1ビットを含む。サブフレームデータと、データタイミング信号は、データ駆動回路422に受けられ、一方、走査タイミング信号は、走査駆動回路424で受け取られる。これに応じて、データ駆動回路422は、アレイ426のデータ線にデータ信号を供給し、走査駆動回路424は、アレイ426の走査線に走査信号を供給し、これにより、アレイ426は、時間平均をとり、知覚可能なフリッカの無い、Kグレーレベルの画像データにより規定される画像を表示する。
例えば、ディザロジック414は、適切なアルゴリズムを使用し、時間的にディザを実行し、Kグレーレベル画像データからPサブフレーム画像を規定するサブフレームデータを生成する。これらのPサブフレーム画像は、互いに一つのフレームを規定し、また、サブフレーム画像の時間平均がとられ、Kグレーレベル画像データにより規定される画像が表示される。スイッチされるバックプレーンが使用される場合は、フレームには、バックプレーンの各スイッチに先行するダミーサブフレームが含まれ、スイッチにより引き起こされるどの誤りも各フレームに対し同一となるよう保証される。
表1は、ディザロジック414が、P=15の場合において、16グレースケールレベルの1つを示す4ビット値を15サブフレームに割り付ける方法を示す。例えば、4ビット値が1111であれば、15全てのサブフレームは、ONであり、4ビット値が1010であれば、奇数サブフレームと、サブフレーム4、12のみが、ONであり、4ビット値が0101であれば、サブフレーム4、12を除く偶数サブフレームが、ONであり、以下同様である。
Figure 0005646140
表1の方法は、そのまま拡張され、必要に応じ、さらに多い、または少ないサブフレームにより、さらに多い、または少ないグレーレベルが形成される。例えば、8グレーレベルに対しては、表1のサブフレーム1から7までが利用され、7個のサブフレームが使用される。32グレーレベルに対しては、表1が2回使用されて、サブフレーム1から15までが繰り返し用いられ、ビット4を通過させる16番目のサブフレームにより区分される、31個のサブフレームが使用される。64のグレーレベルに対しては、32のグレーレベルに対する31のサブフレームが2回繰り返し用いられ、ビット5を通す32番目のサブフレームにより区分される、63個のサブフレームが使用される。
ディザロジック414は、一度に1ビットを選ぶ簡単な組み合わせロジックにより実現される。必要であれば、ディザロジック414は、表索引(table lookup)、例えば、画像画素値をサブフレーム画素値に高速に変換する表索引により実現される。ディザロジック414は、これに替えて一般的なフレームバッファ記憶技術を使用し、一方で、サブフレームごとに、画素毎の1ビットのみ記憶するので簡単な、サブフレームバッファによっても実現される。メモリは、各画素の全画素値に等しい長さのビット列を記憶し、記憶された値は、サブフレームカウンタ410からのカウントに応答し、ビット直列に読み出される。
表1に示されるように、高次ビットに対するリフレッシュ速度は、低次ビットに対するものより速い。従って、液晶材が、フリッカを発生するに十分な早さで応答するものであれば、フリッカの大きさは、周波数の低下に従い減る。人のフリッカに対する感度は、フリッカ輝度の大きさの減少に従い低下するので、サブフレームの速度を上げると共に全体のフレーム時間を増やすことにより、グレースケール精度(すなわち、サブフレーム数)を上げることができる。例えば、8ビット精細度グレースケールに、2kHzサブフレーム速度が使用され、これは、8Hzフレーム速度を与える。5個の最上位データビットが、64Hzまたはそれ以上でディスプレイに書き込まれ、この速度でデータが更新される。速く動く画像は、少しグレースケールを犠牲にすれば、円滑に動き、一方、静止画像は、8ビットグレースケールを全て表示する。
表1の方法では、時間的にディザを行う方法に基づき、低い周波数で低振幅の色変化を表示する。この様な色は、知覚される明るさの差が小さいので、フリッカは、高い強度の色の間で知覚されるよりも小さくなる。結果的に、表1の方法によれば、高振幅の色変化のフリッカを引き起こすサブフレーム時間においても目に見えるフリッカは発生しない。
表1の方法では、このようにして、フリッカを除きながら、復号されていない2進データが、ディスプレイに書き込まれる。
同期回路404は、タイミング信号を、走査駆動回路424と、データ駆動回路422に供給し、これにより、サブフレームが、連続的にアレイのセルに供給される。例えば、通常のフレーム時間は、要求されるグレースケール精度の、K個のサブフレームに分割される。ここでKは、要求されるグレースケール精度であり、また、各サブフレーム時間は、セルの液晶領域の応答時間と、フリッカが知覚される最小切り替え周期と、のいずれか長い方より、はるかに短い時間である。適切な走査信号により、また、1サブフレームの各画素に、データ信号として1ビット値を供給することにより、セルの全てのアレイは、各サブフレームの間に1度更新される。特定のセルに対するONとOFFのサブフレームの適切な組み合わせにより、セルの液晶領域は、所望のグレーレベルを示すRMS電圧を受ける。
別の方法による構成例
上に述べた実施形態では、水晶またはガラスのような、絶縁基板上に薄膜回路が形成される。本発明は、他の種類の基板上に、他の種類の回路を形成することによっても実現される。
上に述べた実施形態では、液晶が使用され、光透過率を制御する電気光学素子が含まれる。しかし、本発明は、光の放射か、または透過率ではなく反射率を制御する電気光学素子により、または、電界発光ディスプレイ(electroluminescent display)、またはプラズマディスプレイのような、液晶を使用しない電気光学素子によっても実現される。
上に述べたように、本発明は、2レベルデータドライバとバックプレーンスイッチング、または、3または4レベルドライバにより実現される(この場合、バックプレーンスイッチングは不要である)。
上に述べた実施形態では、アレイの一方の側にのみ配置されるデータ駆動回路が含まれる。しかし、本発明は、アレイの2つの対向する側に配置されるデータ駆動回路によっても実現される。
上に述べた実施形態では、アレイの一方の側にのみ配置される走査駆動回路でも実現される。一方で、本発明は、アレイの2つの対向する側に配置される走査駆動回路でも実現される。また、ここに双方とも参照され取り入れられている、同時出願中の、同一人に譲渡された、“Array with Redundant Integrated Self-Testing Scan Drivers"と題する、米国特許出願第08/575,784号と、“Array with Reparable Integrated Scan Drivers"と題する、米国特許出願第08/575,785号に記載されている冗長性、試験、修理技術によっても実現される。
上に述べた実施形態では、現在可能な技術により実現できる特定の駆動速度が使用されるが、本発明は、技術が進めばさらに速い駆動速度によっても実現される。また、速い駆動速度によれば、さらに多くのグレースケールレベルが得られる。
上に述べた実施形態では、特定の形状および電気特性を持つ回路が供給されるが、本発明は、異なる形状と異なる回路によっても実現される。
上に述べた実施形態では、特定のプロセスにより特定の材料から製造される特定の厚さの層が含まれるが、TFTの性能を改善するための薄い半導体と、ゲート酸化層のような、他の厚さ、他の材料と他のプロセスも使用される。また、poly-Siではなく、十分に速いTFTを供給する他の半導体材料が、半導体層に使用され得る。これには、CdSe、SiGe、または、poly-SiとSiGeの複合層が含まれるが、これに制約されるもではない。また、本発明は、広い範囲の他の絶縁ゲート電界効果トランジスタによっても実現される。これには、SOI(silicon oninsulator)、SOQ(silicon on quartz)、SOS(silicon on sapphire)、バルクシングルクリスタルMOSFETが含まれるが、これに制約されるものではない。
上に述べた実施形態では、ディスプレイに使用されるライトバルブに適した配置と、透過性のITO層が使用されるが、他の応用に使用されるライトバルブのような、他の応用に適した配置や層も使用される。ツイストネマティック液晶のLCDライトバルブであれば、VDD≦12Vでの動作に適したアレイが要求され、PDLC、またはコレステリック液晶材であれば、高い電圧での動作に適したアレイが求められる。
上の実施形態では、ゲート電圧がHのとき、高い導電性を持つエンハンストモードのnチャネルTFTが使用されるが、ディプリーション(空乏)モードTFT、またはpチャネルTFTによる本発明の実現も可能である。
上に述べた実施形態では、セル回路にシングルゲートTFTが使用されるが、本発明は、複数ゲートTFT、また、ここに全て参照され取り入れられている、同時出願中の、同一人に譲渡された、“Circuitry with Gate Line Crossing Semiconductor Line at Two or More Channels"と題する、米国特許出願第08/367,984号や、“Array Having Multiple Channel Structures with Continuously Doped Interchannel Regions"と題する、第08/559,862号、“Forming Array Having Multiple Channel Structures with Continuously Doped Interchannel Regions"と題する第08/560,724号、に記載されている漏れ電流を減らす技術によっても実現される。
上に述べた実施形態は、ここに双方とも参照され取り入れられている、同時出願中の、同一人に譲渡された、“Array with Metal Scan Lines Controlling Semiconductor Gate Lines"と題する、米国特許出願第08/572,357号、“Forming Array with Metal Scan Lines to Control Semiconductor Gate Lines"と題する、第08/367,983号、に記載されている発明に従い、半導体ゲート線を制御する金属走査線を持つアレイに実施される。しかし、本発明は、また、他の回路を形成する他の技術によっても実現される。例えば、一回のリソグラフィ操作によりパターンを作成し、同一の金属又は半導体材料に、走査線とゲート領域の双方を形成することによっても実現される。
上に述べた実施形態では、poly-Si TFTのチャネルとチャネル導線(channel lead)が、同一層に形成されるが、チャネル導線は、チャネルとは異なる層にも形成され得る。
本発明は、多くの方面に応用される。これには、ライトバルブのアレイ、直視型ディスプレイと投射型ディスプレイを含む多くの種類のディスプレイのアレイが含まれる。本発明は、投射型ディスプレイ、ビューファインダ、VRゴーグルなどの高密度アレイを採用する応用に特に適している。
また、本発明は、薄膜化技術に関連し述べられているが、本発明は、単結晶技術によっても実現される。
なお、本発明は、その修正、変更、拡張と共に、多くの実施形態に関連し述べられているが、他の実施、修正、変更、拡張も、本発明の範囲に含まれる。従って、本発明は、ここに含まれる記述、または、図により制限されるものではなく、請求項によってのみ規定される。
走査駆動回路とデータ駆動回路を示す概要図である。 図1の走査駆動回路により供給される信号の周波数を示す図である。 図1のデータ駆動回路と走査駆動回路を含む液晶ライトバルブを示す図である。 図3の走査駆動レジスタの構成例を示す概要図である。 図4の走査駆動シフトレジスタ段の構成例を示す概要図である。 図3の走査線とデータ線上に供給される信号波形を示すタイミング図である。 図3のアレイのセルの配置を示す概要配置図である。 Kグレーレベルを有する画像を規定するデータを用いて実行する機能構成を示すブロック図である。
符号の説明
12 基板、14 アレイ回路、16 走査駆動回路、18 データ駆動回路、20 セル回路、22 電気光学素子、24 データ導線、26 スイッチング素子、30 走査線、32 データ線、100 ライトバルブ、102 基板、104 アレイ、106 走査駆動シフトレジスタ、108 データ駆動シフトレジスタ、110 パッド、112 バッファ、120 パッド、122,124 ドライバ、130 走査線、132 データ線、140 TFT、142電極、150 断面の詳細、152 液晶領域、154 電極、200 走査駆動回路、210,212,214,216 Dタイプラッチ、220,222,224,226,230,232,234,236 ANDゲート、240インバータ、242 バッファ、260 段、262 Dタイプラッチ、264,266 ANDゲートドライバ、270,272 クロックバッファ、300,302 波形、350 m番目の走査線、352 (m+1)番目の走査線、354 n番目のデータ線、356 (n+1)番目のデータ線、360 poly-Siパターン、362 第一接続点、364 第二接続点、370 ゲートパターン、372 チャネル、380,382 分路、400 ホストマシン、402 フレームバッファ、404 同期回路、410 サブフレームカウンタ、414 ディザロジック、420 ライトバルブ、422 データ駆動回路、424 走査駆動回路、426 アレイ。

Claims (4)

  1. ディスプレイであって、
    複数の走査線、複数のデータ線、及び、複数のセル回路を有するアレイ回路であって、各セル回路が前記複数の走査線の一本と前記複数のデータ線の一本とに接続されており、前記セル回路は、画素の表示を制御する電気光学素子及びポリシリコン薄膜トランジスタのスイッチング素子を有している、アレイ回路と、
    前記走査線への走査信号を、少なくとも毎秒480サイクルの予め選択した走査周波数で供給する走査駆動回路であって、前記電気光学素子が連続する複数の信号に独立に応答することができる最大周波数と観察者の最大知覚可能周波数(MPF)とのいずれか小さい方のK倍(Kは8以上)の予め選択した走査周波数を持った前記走査信号を供給し、動く画像に対する前記Kの値を静止画像に対する前記Kの値より小さくするように構成され、前記観察者の前記最大知覚可能周波数は、該周波数を超えると前記観察者がフリッカを知覚しない周波数である、走査駆動回路と、
    を有する、前記ディスプレイ。
  2. 前記ディスプレイがアクティブマトリクス液晶ディスプレイである、請求項1に記載のディスプレイ。
  3. データ駆動回路をさらに有し、
    該データ駆動回路は、デジタル入力導線からのデジタル入力信号を受けるよう構成され、及び、各デューティ期間の期間中において前記デジタル入力信号の示す値に応じて、選択された前記走査線に接続された前記スイッチング素子が前記データ線と前記電気光学素子とを接続し、最大電圧値または最小電圧値のいずれかを有する信号セグメントを前記電気光学素子に供給するよう構成されている、請求項1または2に記載のディスプレイ。
  4. 前記電気光学素子は、供給される前記最大電圧値または前記最小電圧値のいずれかについて時間平均を取得し、及び、それぞれ異なり、少なくとも8であるKに等しい数のグレーレベルを表示する、請求項3に記載のディスプレイ。
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