JP6084616B2 - Oled画素構造及び駆動方法 - Google Patents

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Description

本発明は有機発光ディスプレイ素子の画素構造及びその駆動方法に関する。
電流型発光素子として、有機発光ダイオード(OLED)はますます高性能表示に応用されていく。表示サイズの増大に伴い、従来のパッシブ・マトリクス有機発光表示素子(Passive Matrix OLED、PMOLED)は、更なる短い1つの画素あたりの駆動時間が要求されるので、瞬間電流を大きくして電力消費を増大する必要がある。それとともに、大きい電流の使用によってインジウムスズ酸化物(ITO)ラインに電圧降下が大きすぎるようになり、OLEDの作業電圧が高すぎるようになり、OLEDの效率が下降してしまう。アクティブマトリクス有機発光表示素子(Active Matrix OLED、AMOLED)は、スイッチトランジスタによって入力OLED電流をラインずつにスキャンすることで、上記問題をうまく解決した。
AMOLEDバックプレートを設計するとき、主に解決すべき課題は画素と画素との間の輝度が不均一なことである。
まず、AMOLEDは、OLED素子に対応する電流を供給するよう低温多結晶シリコン薄膜トランジスタ(LTPS TFT)で画素回路を構成することが多い。LTPS TFTは、一般的な非結晶シリコン薄膜トランジスタ(amorphous−Si TFT)に比べ、より高い移動率及びより安定する特性を有するので、AMOLED表示により適合する。然し、結晶化技術の制限により、大面積のガラス基板に形成されるLTPS TFTは、例えば、閾値電圧、移動率等の電気パラメータに常に不均一性を有する。この不均一性は、OLEDの電流差異及び輝度差異になってしまい、肉眼に感知される。即ち、ムラ(mura)現象が生じてしまう。
第二に、大きいサイズの表示に、バックプレート電源線にある程度電気抵抗を有し、かつ全ての画素の駆動電流がARVDDにより供給されるので、バックプレートにおいて、ARVDD電源の供電位置領域に近い電源電圧は供電位置から遠い領域の電源電圧より高い。このような現象はIR Dropと称する。ARVDDの電圧は電流に関わるので、IR Dropによって異なる領域の電流が異なるようになり、表示の時にムラ現象が生じてしまう。
第三に、OLED素子が蒸着されるとき、膜厚の不均一によって電気性能の不均一性ももたらす。また、長時間の作業を行った後、OLED内部の電気学性能の劣化によって閾値電圧が高くなり、発光效率が低下し、輝度が低下する。図6(a)に示すように、OLED素子は使用時間の増加に伴って、輝度は次第に低下する一方、閾値電圧は次第に上昇する。
「Current programming pixel circuit and data−driver design for active−matrix organic light−emitting diodes」Journal of the Society for Infomation Display 12(2004)227
現在、如何にOLED素子の劣化を補償するかは1つの重要課題になった。OLEDの劣化によって、固定画面を長時間に表示する領域に画像残像(Image Sticking)が生じ、表示效果が影響される。
図6b、図6cに示すように、OLEDの閾値電圧の上昇は輝度損失とほぼリニア関係をなし、OLED電流と輝度の関係もリニア関係であるので、OLEDの劣化を補償するとき、OLEDの閾値電圧の増大に従って、OLEDの駆動電流をリニア増加させることで、輝度損失を補償することができる。
AMOLEDは駆動の種類によってデジタル型、電流型及び電圧型の三種類に分けられる。デジタル型駆動法は、TFTをスイッチとして駆動時間を制御することでグレーレベルを実現し、不均一性を補償する必要がないが、作業頻度が表示サイズの増大に伴って倍に上昇し、電力消費が大きくなり、一定の範囲内に設計が物理の極限になるので、大きいサイズの表示に適合しない。電流型駆動法は、駆動トランジスタに大きさの異なる電流を直接に供給することでグレーレベルを実現し、TFT不均一性及びIR Dropを比較的によく補償できるが、低いグレーレベル信号を書き込むとき、小さい電流でデータラインにおけるより大きい寄生容量を充電することで、書き込み時間が長すぎてしまう。この問題は、大きいサイズ表示で特に厳しくて克服しがたい。電圧型駆動方法は従来のAMLCD駆動方法に類似し、駆動ICによって1つのグレーレベルを示す電圧信号を供給し、該電圧信号は画素回路内で駆動トランジスタの電流信号に変換し、OLEDを駆動して輝度グレーレベルを実現する。このような方法は、駆動速度が速く、簡単に実現できるメリットを有し、大きいサイズのパネルの駆動に適合するので、業界に広く採用されたが、別途のTFT及びコンデンサ素子を設計してTFT不均一性及びIR Dropを補償する必要がある。
図7は従来の2つのTFTトランジスタ及び1つのコンデンサからなる電圧駆動型画素ユニット回路構造(2T1C)を示す。それにおいて、スイッチトランジスタT2はデータラインにおける電圧を駆動トランジスタT1のゲート電極に伝送し、駆動トランジスタT1はこのデータ電圧を対応する電流に転換してOLEDに供給する。正常に作業するとき、駆動トランジスタT1は飽和領域にあり、1つのラインのスキャン時間内に定電流を供給する。その駆動電流は下式(1)で表す。
それにおいて、
はキャリヤー移動率であり、
はゲート酸化層容量であり、W/Lはトランジスタの幅と長さの比であり、Vdataはデータ電圧であり、ARVDDはAMOLEDバックプレートの電源であって全ての画素ユニットに共有され、VTHはトランジスタの閾値電圧である。上式から分かるように、異なる画素ユニット間のVTHが異なれば、電流が異なるようになる。また、OLED素子の劣化に従って、定電流を供給しても、OLEDの発光輝度が低減する。
文献1は、図8に示すように、VTH均一性、IR dropを補償できる画素構造及び制御シーケンスを公開している。図8に示す構造はVTH不均一性、IR Drop及びOLEDの劣化による影響を補償できるが、電流型駆動であるので、大きいサイズのパネルに応用に適しない。従って、従来技術は、OLED素子の劣化、TFT駆動トランジスタの閾値電圧の不均一性、及びバックプレート電源のIR Dropによる発光不均一をどのように補償するか、という前記技術的課題を解決する有効な手段を提供していない。
本発明の実施例は、改良された有機発行表示素子(OLED)の画素構造を提供し、当該画素構造は前記OLED素子に流れる駆動電流を薄膜トランジスタの閾値電圧及びバックプレート電源と無関係にさせることによって、TFT駆動トランジスタの閾値電圧の不均一性、及びバックプレート電源の電圧降下(IR drop)による発光不均一の問題を除去するものである。
本発明の一つの実施例によれば、当該画素構造は第1から第5の薄膜トランジスタ、コンデンサ及びOLED素子を有し、第1の薄膜トランジスタのドレイン電極はOLED素子を通じて負電源に接続され、第1の薄膜トランジスタのソース電極は第3の薄膜トランジスタのドレイン電極に接続され、第3の薄膜トランジスタのソース電極は正電源に接続され、コンデンサの一端は第1の薄膜トランジスタと第3の薄膜トランジスタの間にある第3のノードN3に接続され、コンデンサの他端は第2の薄膜トランジスタと第4の薄膜トランジスタのソース電極の間にある第2のノードN2に接続され、第2の薄膜トランジスタのドレイン電極は第1薄膜トランジスタとOLED素子の間にある第4のノードN4に接続され、第4の薄膜トランジスタのドレイン電極は第5の薄膜トランジスタのドレイン電極及び第1の薄膜トランジスタのゲート電極の間にある第1のノードN1に接続され、第5の薄膜トランジスタのソース電極はデータラインに接続され、第5の薄膜トランジスタ及び第2の薄膜トランジスタのゲート電極はスキャンラインに接続され、第1の制御信号(EM)は第3の薄膜トランジスタのゲート電極に提供され、第2の制御信号(EMD)は第4の薄膜トランジスタのゲート電極に提供される。
本発明のもう一つの実施例によれば、例えば、当該画素構造は、プレチャージ周期内でスキャンライン上のラインスキャン電圧及び第1の制御信号は低レベルとなり、第2の制御信号は高レベルとなり、第4の薄膜トランジスタがオフとなり、第1の薄膜トランジスタ、第2の薄膜トランジスタ、第3の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタがオンとなり、データ電圧は第5の薄膜トランジスタを通じて第1の薄膜トランジスタのゲート電極に伝送される。
本発明のもう一つの実施例によれば、例えば、当該画素構造の補償周期内で、スキャンラインのラインスキャン電圧が低レベルとなり、第1の制御信号及び第2の制御信号は高レベルとなり、第3の薄膜トランジスタ及び第4の薄膜トランジスタはオフとなり、第1の薄膜トランジスタ、第2の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタがオンとなり、データ電圧は第5の薄膜トランジスタを通じて第1の薄膜トランジスタのゲート電極に伝送される。
本発明のもう一つの実施例によれば、例えば、当該画素構造の発光周期内で、スキャンラインのラインスキャン電圧が高レベルとなり、第1の制御信号及び第2の制御信号は低レベルとなり、第2の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタがオフとなり、第1の薄膜トランジスタ、第3の薄膜トランジスタ及び第4の薄膜トランジスタがオンとなる。
本発明のもう一つの実施例によれば、例えば、当該画素構造のプレチャージ周期と補償周期内で、データライン上の信号(DATA)は実際のデータ電圧である。
本発明のもう一つの実施例によれば、例えば、当該画素構造にある第1から第5の薄膜トランジスタは低温多結晶シリコン薄膜トランジスタである。
本発明のもう一つの実施例によれば、例えば、当該画素構造にある第1の薄膜トランジスタの幅長比はOLED素子の劣化による輝度損失を補償できるように設定されている。
本発明の実施例によれば、上記画素を駆動するための駆動方法であって、それぞれのフレームの画像リフレッシュ過程において、プレチャージ周期にスキャンラインと第1の制御信号(EM)は低レベルとなり、第2の制御信号(EMD)は高レベルとなって第4の薄膜トランジスタをオフにさせ、第1の薄膜トランジスタ、第2の薄膜トランジスタ、第3の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタをオンさせるステップと、補償周期にスキャンラインは低レベルとなり、第1の制御信号(EM)及び第2の制御信号(EMD)が高レベルとなって、第3の薄膜トランジスタ及び第4の薄膜トランジスタをオフさせ、第1の薄膜トランジスタ、第2の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタをオンさせるステップと、発光周期にスキャンラインは高レベルとなり、第1の制御信号(EM)及び第2の制御信号(EMD)は低レベルとなって第2の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタをオフさせ、第1の薄膜トランジスタ、第3の薄膜トランジスタ、第4の薄膜トランジスタをオンさせるステップとを有する駆動方法を提供する。
上記のAMOLED画素構造及び駆動方法によれば、OLED素子の劣化及びTFT駆動トランジスタの閾値電圧の不均一性、バックプレート電源の電圧降下を有効的に補償でき、表示効果及び消費電力の改善を図ることができる。
本発明の画素構造を示す図である。 図1aの画素構造の制御手順を示す図である。 図1の画素構造の三つの異なる周期での回路状態を示す図である。 図1の画素構造の三つの異なる周期での回路状態を示す図である。 図1の画素構造の三つの異なる周期での回路状態を示す図である。 薄膜トランジスタ駆動トランジスタの閾値電圧に対する均一性補償をシミュレートしたグラフである。 バックプレート電源の電圧降下に対する補償をシミュレートしたグラフである。 OLED素子の劣化に対する補償をシミュレートしたグラフである。 OLED素子の輝度及び閾値電圧の使用時間の増加に伴う変化を示すグラフである。 OLED素子の輝度及び閾値電圧の使用時間の増加に伴う変化を示すグラフである。 OLED素子の輝度及び閾値電圧の使用時間の増加に伴う変化を示すグラフである。 従来の画素構造を示す回路図である。 参考文献1の画素補償回路図及び制御シーケンス図である。 参考文献1の画素補償回路図及び制御シーケンス図である。
図1(a)に示すように、当該画素回路構造はP型TFTトランジスタ1〜5、コンデンサ6及びOLED7によって構成され、ARVDD及びARVSSはそれぞれバックプレートの直流正、負レベルであり、DATAはデータ電圧信号であり、SCANはラインスキャン電圧信号であり、EM、EMDは制御信号であり、同一の行の画素部はSCAN及びEM、EMD制御信号を共用し、同一の列の画素部はDATAデータ電圧信号を共用する。本発明に基づく画素回路構成において、第1の薄膜トランジスタ1のドレイン電極はOLED素子を通じてバックプレートの負レベルに接続され、第1の薄膜トランジスタ1のソース電極は第3の薄膜トランジスタ3のドレイン電極に接続され、第3の薄膜トランジスタ3のソース電極はバックプレートの正レベルに接続され、コンデンサ6の一端は第1の薄膜トランジスタ1と第3の薄膜トランジスタ3の間(N3)に接続され、コンデンサ6の他端は第2の薄膜トランジスタ2と第4の薄膜トランジスタ4のソース電極(N2)に接続され、第2の薄膜トランジスタ2のドレイン電極は第1薄膜トランジスタ1のドレイン電極とOLED素子7(N4)に接続され、第4の薄膜トランジスタ4のドレイン電極は第5の薄膜トランジスタ5のドレイン電極及び第1の薄膜トランジスタ1のゲート電極(N1)に接続され、第5の薄膜トランジスタ5のソース電極はデータラインに接続され、第5の薄膜トランジスタ5及び第2の薄膜トランジスタ2のゲート電極はスキャンラインに接続され、第1の制御信号(EM)は第3のトランジスタ3のゲート電極に提供され、第2の制御信号(EMD)は第4のトランジスタに提供される画素構造である。
当該画素回路の作業プロセスはプレチャージ、補償、発光の三段階に分かれ、その制御信号のシーケンスは図1(b)に示すとおりである。
図2(a)に示すように、第1の段階はプレチャージ段階である。この段階では、SCAN、EMは低レベルとなり、EMDは高レベルとなり、DATAは実際のデータ電圧である。このときトランジスタ4はオフとなり、トランジスタ1、2、3、5はオンとなる。データ電圧はトランジスタ5を通じてトランジスタ1のゲート電極にある第1のノードN1に伝送される。第3のノードN3はトランジスタ3を通じてARVDDに接続され、そのレベルはARVDDである。第4のノードN4の電圧はARVSSにOLED駆動電圧を加えたものとなる。トランジスタ2がオンであるため、このときコンデンサ6は第3のノードN3と第4のノードN4の間に接続されていることになる。プレチャージの役割は第3のノードN3をあらかじめ高レベルにするようにして、第2段階の補償プロセスでトランジスタ1に正確な初期電圧を確立させることである。
図2(b)に示すように、第2の段階は補償段階である。この段階では、SCANは低レベルとなり、EM,ENDは高レベルとなり、Vdataは実際のデータ電圧となる。このときトランジスタ3、4はオフとなり、トランジスタ1、2、5はオンとなる。データ電圧はトランジスタ5を通じてトランジスタ1のゲート電極にある第1のノードN1に伝送される。EMが高レベルになる前に第3のノードN3はトランジスタ3を通じてARVDDに接続されるため、第3のノードN3はトランジスタがオフとなる瞬間の初期電圧は高レベルであるARVDDとなる。トランジスタ3がオフになった後、第3のノードN3はフローティングし、トランジスタ1はオンとなり、第3のノードN3はARCVSSに対して放電し、よって第3のノードN3の電位はトランジスタ1がオフ臨界点に達するまで次第に低下する。このとき第3のノードN3の電圧はVDATA−VTHであり、VTHはトランジスタ1の閾値電圧となる。このプロセスにおいて、トランジスタ1とOLEDに流れる電流はだんだん小さくなり、第4のノードN4の電位もこれに伴って小さくなり、トランジスタ1がオフとなると、電流がゼロになる。このとき、第4のノードN4の電圧はVOLED_0、即ちOLED7の閾値電圧となる。こうして、コンデンサ6に(VDATA-VTH-VOLED_0)・Cの電荷が蓄えられる。
図2(c)に示すように、第2の段階は発光段階である。この段階では、SCANは高レベルとなり、EM,EMDは低レベルとなる。このときトランジスタ2、5はオフとなり、トランジスタ1、3、4はオンとなる。第3のノードN3はトランジスタ3を通じてARVDDと接続され、その電位はARVDDとなる。トランジスタ5がオフとなり、第1のノードN1に直流の通路がなくなるため、当該点の電荷総量は第2の段階と変わらず、下記の式(2)のようになる。
計算の結果、以下の式が得られる。
このとき、トランジスタ1に流れる電流は以下のとおりである。
上記の式(4)から分かるように、その電流は閾値電圧及びARVDDと関係なく、閾値電圧の不均一性及びIR Dropの影響を基本的になくした。図3は閾値電圧の不均一性を補償する場合をシミュレートした結果を示す図である。補償を行わない従来の構造では、閾値電圧が±0.6Vドリフティングしたとき、その電流は最大で1.8倍以上もドリフティングすることがあるが、本発明の構造においては、電流のバラツキは3%より小さい。図4はIR Dropを補償する場合をシミュレートした結果を示す図である。補償を行わない従来の構造では、ARVDD電圧降下が±0.5Vドリフティングしたとき、電流は最大で81%ドリフティングする。これに対して、本発明の構造において、電流のバラツキは3.4%より小さい。
同時に、IOLED電流はOLEDの閾値電圧VOLED_0と関連しており、OLED劣化による輝度の損失を補償することができる。OLED素子が劣化するとき、VOLED_0は次第に増大し、発光効率が低減し、第1の薄膜トランジスタ(駆動トランジスタ)1が更に大きな電流を提供して同様の輝度を維持する必要がある。そして、応用にあたって、VDATA<0且つVDATA<VOLED_0とする場合、VOLED_0の増大に伴い、|VDATA-VOLED_0|も増大し、IOLEDを増加させることによって、OLED輝度の損失を補償する。
テイラー級数の展開により、閾値電圧にドリフティングが発生した場合、ドリフティング後の閾値電圧をV’OLED_0=VOLED_00+ΔVOLED_0と表すことができ、したがってIOLEDのΔVOLED_0に対する1次近似展開式は以下のとおりとなる。
OLEDはΔVOLED_0とリニア関係であり、設計するときに、OLED劣化の測定結果にしたがって、第1の薄膜トランジスタ1の幅長比を設定することで、IOLED曲線の傾斜度を調整し、それを輝度―ΔVOLED_0曲線と補完関係にさせて、丁度OLED劣化による輝度損失を補償するようにする。図5はOLED劣化を補償する場合をシミュレートした結果を示す図である。補償を行わない従来の構造では、OLED閾値電圧が0〜8Vドリフティングしたとき、その電流は緩やかに減少する傾向があり、表示輝度の低減を深刻化させる。しかし、本発明の構造においては、電流はOLED閾値電圧の増大と同時にリニアに増加するので、OLED輝度の損失を効果的に補償することができる。第1の薄膜トランジスタ1の幅長比を調節することによって、電流の速度や範囲を制御することができる。
1、2、3、4、5 薄膜トランジスタ
6、コンデンサ
7 OLED

Claims (9)

  1. 第1から第5の薄膜トランジスタ、コンデンサ及び有機発光表示素子を有する有機発光表示素子の画素構造であって、第1の薄膜トランジスタのドレイン電極は有機発光表示素子を通じてバックプレートの負レベルに接続され、第1の薄膜トランジスタのソース電極は第3の薄膜トランジスタのドレイン電極に接続され、第3の薄膜トランジスタのソース電極はバックプレートの正レベルに接続され、コンデンサの一端は第1の薄膜トランジスタと第3の薄膜トランジスタの間に接続され、コンデンサの他端は第2の薄膜トランジスタと第4の薄膜トランジスタのソース電極に接続され、第2の薄膜トランジスタのドレイン電極は第1薄膜トランジスタのドレイン電極と有機発光表示素子に接続され、第4の薄膜トランジスタのドレイン電極は第5の薄膜トランジスタのドレイン電極及び第1の薄膜トランジスタのゲート電極に接続され、第5の薄膜トランジスタのソース電極はデータラインに接続され、第5の薄膜トランジスタ及び第2の薄膜トランジスタのゲート電極はスキャンラインに接続され、第1の制御信号(EM)は第3の薄膜トランジスタのゲート電極に提供され、第2の制御信号(EMD)は第4の薄膜トランジスタのゲート電極に提供される画素構造。
  2. プレチャージ周期内でスキャンライン上のラインスキャン電圧及び第1の制御信号は低レベルとなり、第2の制御信号は高レベルとなり、第4の薄膜トランジスタがオフとなり、第1の薄膜トランジスタ、第2の薄膜トランジスタ、第3の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタがオンとなり、データ電圧は第5の薄膜トランジスタを通じて第1の薄膜トランジスタのゲート電極に伝送される請求項1に記載の画素構造。
  3. 前記プレチャージ周期の直後の補償周期内で、スキャンラインのラインスキャン電圧が低レベルとなり、第1の制御信号及び第2の制御信号は高レベルとなり、第3の薄膜トランジスタ及び第4の薄膜トランジスタはオフとなり、第1の薄膜トランジスタ、第2の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタがオンとなり、データ電圧は第5の薄膜トランジスタを通じて第1の薄膜トランジスタのゲート電極に伝送される請求項2に記載の画素構造。
  4. 前記補償周期の直後の発光周期内で、スキャンラインのラインスキャン電圧が高レベルとなり、第1の制御信号及び第2の制御信号は低レベルとなり、第2の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタがオフとなり、第1の薄膜トランジスタ、第3の薄膜トランジスタ及び第4の薄膜トランジスタがオンとなる請求項3に記載の画素構造。
  5. プレチャージ周期と補償周期内で、前記データライン上の信号(DATA)は実際のデータ電圧である請求項1から請求項4のいずれかに記載の画素構造。
  6. 前記第1から第5の薄膜トランジスタは低温多結晶シリコン薄膜トランジスタである請求項1から請求項5のいずれかに記載の画素構造。
  7. 第1の薄膜トランジスタの幅長比を設定することで、有機発光表示素子に流れる電流の曲線の傾斜度を調整し、それを有機発光表示素子の輝度と有機発光表示素子の閾値電圧のドリフティング量との差の曲線と補完関係にさせる請求項1から請求項6のいずれかに記載の画素構造。
  8. 請求項1の画素構造を駆動するための方法であって、
    それぞれのフレームの画像リフレッシュ過程において、
    プレチャージ周期にスキャンラインと第1の制御信号(EM)は低レベルとなり、第2の制御信号(EMD)は高レベルとなって第4の薄膜トランジスタをオフさせ、第1の薄膜トランジスタ、第2の薄膜トランジスタ、第3の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタをオンさせるステップと、
    補償周期にスキャンラインは低レベルとなり、第1の制御信号(EM)及び第2の制御信号(EMD)が高レベルとなって、第3の薄膜トランジスタ及び第4の薄膜トランジスタをオフさせ、第1の薄膜トランジスタ、第2の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタをオンさせるステップと、
    発光周期にスキャンラインは高レベルとなり、第1の制御信号(EM)及び第2の制御信号(EMD)は低レベルとなって第2の薄膜トランジスタ及び第5の薄膜トランジスタをオフさせ、第1の薄膜トランジスタ、第3の薄膜トランジスタ、第4の薄膜トランジスタをオンさせるステップとを有する方法。
  9. プレチャージ周期及び補償周期内で、前記データライン上の信号(DATA)は実際のデータ電圧である請求項8に記載の方法。
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