TW594338B

TW594338B - A two TFT pixel structure liquid crystal display

Info

Publication number: TW594338B
Application number: TW092103165A
Authority: TW
Inventors: Chu-Hung Tsai
Original assignee: Quanta Display Inc
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2004-06-21
Also published as: US6914588B2; TW200415427A; US20040160403A1

Description

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發明所屬之技術領域本發明係提供一種雙薄膜電晶體畫素結構之液晶顯示器（t w ο T F T p i X e 1 s t r u c t u r e 1 i q u i d c r y s t a 1 display, two TFT pixel structure LCD)’ 特別是一種具有南解析度（high resolution)以及高顯示頻率（high display frequency)之液晶顯示器。先前技術

薄膜電晶體液晶顯示器（TFT-LCD)，主要是利用呈矩陣狀排列的薄膜電晶體，再配合以適當的電容、連接墊等電子元件來驅動液晶像素，進而產生豐富亮麗的圖像。傳統的薄膜電晶體液晶顯示器基本上包含有一透明基板（transparent substrate)，其上具有許多排歹!J成陣列的薄膜電晶體、像素電極（pixel electrode)、互相垂直交錯（orthogona 1 )的掃瞄線（scan or gate 1 i ne)以及訊號線（data or signal line)、一濾光板（color

f i 11 e r )、以及填充於透明基板與濾光板之間的液晶材料，並輔以適當的電子元件來驅動液晶像素，以產生豐富亮麗的圖形。由於TFT-LCD具有外型輕薄、耗電量少\ 及無輻射污染等特性，因此被廣泛地應用在筆記型電月每 (notebook)、個人數位助理（PDA)等攜帶式資訊產品上，甚至已有逐漸取代傳統桌上型電腦之CRT監視器的趨勢。

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- 考圖—與圖二，圖一為一tft~lcd之示意圖，圖 =Ί /技術中一像素2 〇之等效電路示意圖，圖二B為 ” σ人術中一像素20之上視圖。如圖一所示，一 TFT一LCD ^匕3有掃描線驅動電路區1 2、一訊號線驅動電路區以及像素陣列（P i X e 1 a r r a y )區1 6，其中像素陣列區 1 6内另包含有複數個像素（未顯示）。如圖二A與圖二B所示，每一個設於像素陣列區丨6内的像素20均包含有一填充有液晶分子（Uquid crystal molecules，未顯示）之液晶單元（Hquid unH， L C u n i t ) 2 2，且液晶單元2 2係電連接至一共通電極 (common counter electrode，CE)與一薄膜電晶體（thin f i 1 m t r a n s i s t 〇 r， T F T ) 2 4。薄膜電晶體2 4之一閘極2 6係電連接於一掃描線G n，一源極2 8係電連接於一訊號線s n，一及極3 2係電連接於一像素電極（pixei electrode，未顯示）。此外’像素20還包含有一健存電容sc(storage capac it or)電連接液晶單元22與共通電極，一閘極-汲極電容GD(gate-drain capacitor)電連接薄膜電晶體24之閘極2 6與汲極3 2。其中，儲存電容SC的功用之一是減少漏電流對液晶單元2 2的電壓的影響，亦即協助液晶單元 22儲存電荷，而閘極-汲極電容GD則係為一寄生電容 (parasitic capacitor)0

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請參考圖二，圖二為習知技術中對圖二之像素2 Q充電之示意圖。如圖三所示，一第一電壓脈衝（f irst voltage pulse)依照其脈衝時序（time)先被施加於前— 列掃描線G n—A上’再依照其脈衝時序於下一週期（n e X七 per i od )被施加於後一列掃描線G A上，同時間，一第一電壓脈衝（second voltage pulse)亦依照其脈衝時序f 被施加於前一行訊號線S n+<上，再依照其脈衝時序於下一週期被施加於後一行訊號線S象上。而當第一電壓脈衝以及第二電壓脈衝被同時施加於後一列掃描線G私及後一行訊號線S A上時，薄膜電晶體2 4將被開啟 (turn-on)以對像素電極（未顯示）充電（charge)，使所士田的像素電壓（pixel volt age)上升，進而將像素2〇中壤明於液晶早元（未顯不）内之液晶分子（未顯示）旋轉 (rotate)至預期的角度，以控制光的穿透度。為因應高解析度（high resolution)以及高顯示 ^ (high frequency )之液晶顯示器的規格要求，掃描線率訊號線的數量必需被大量增加，而當掃描線與訊^線與數ΐ被大量增加時，相對的每一個像素的充電時間的將被縮短。由於液晶分子的旋轉，需要一定大小的像。η) 電壓，也就疋δ兒，當充電時間不足以至於像素電壓 ’、大時，便無法提供足夠的電場（electric fieid)來夠晶分子旋轉至預期的角度，這將嚴重影響光對各你液的穿透度，甚至造成不良品。素

第7頁 594338 五、發明說明（4) 習知技術中解決此種問題的方法係提高薄膜電晶體之通道寬度（channel width)對通道長度（channel 1 e n g t h )之比值（W/L value)，糟由提南通道I度對通道長度之比值以增加流過薄膜電晶體通道（channel)内之電流（c u r r e n t )，使達到相同像素電壓時所需的時間被縮短，進而避免因為充電時間不夠所衍生之無法到達預期輝度電壓的問題。然而，引用這種解決方法的習知技術卻會衍生出其他的問題。請參考圖四，圖四為習知液晶顯示器中薄膜電晶體6 0產生閘極-沒極電容的示意圖。如圖四所示，由於薄膜電晶體6 0之閘極6 2以及汲極6 4係為導電的材質，同時閘極62與汲極64之間係被絕緣的材質（未顯示）所隔絕’因此薄膜電晶體6 0閘極6 2與沒極6 4的重疊區域 (overlapped region)66，便形成了一個寄生的 (Paras i tic)閘極-汲極電容（GD)，而且當薄膜電晶體6〇之通道寬度對通道長度之比值被增加時，閘極〜汲極之電容值（C gd)也會被增加。奋係薄極請再參照回圖二可知，施加在液晶單元2 2上的為共通電極CE與像素電極（未顯示）之間的電壓差，去膜電晶體24因充電完成而關閉（turn —〇f f )時， ^ (未顯示）並未連接至任何電壓源，因而處在浮動”電

594338 發明說明 (f lo^Ung)狀態，此時像素電極（未顯示）的周圍若有任何電壓變動，此電壓變動會透過寄生的電容而耦合至像 ^電極（未顯示），並改變其電壓，因而使得施加在液晶單元2 2上的電壓偏離原先設定之值。而此電壓變動量稱為饋通電壓（Feed-through voltage，VFD)，其可表示 (1)

V FD- [ C gd〆（C lc+ C SC+ C gd) ] *△ V G 其中’方程式（1)内的C L為液晶單元2 2之電容值，C sc 為儲存電容SC之電容值，CG為薄膜電晶體24之閘極-汲極電容之電容值，△ V刺為施加於掃描線上之脈衝電壓之振幅。因此，當薄膜電晶體60之通道寬度對通道長度之比值被增加時，閘極-汲極電容之電容值也因而被增&加，進而造成v 的改變。尤其是當製作大尺寸的液晶3顯示器時，由於面板太大，現行製程大多是將面板分為好幾個區域分次曝光，在這種情形之下，每一區於曝光對準 (al ignment)時往往會有不同的偏移，再加上通道寬度對通道長度比值被增加的效應，便相當容易產生、線缺陷 (stitching defect)，使得最後完成的液晶顯示器產生線波紋（shot mura)的現象，成為製程上一項難以克服的障礙。因此，如何能發展出一種高解析度以及高顯示頻率

594338 五、發明說明（6) 之液晶顯示器，不但能解決充電時間過短的問題，又能避免因為閘極-汲極電容之電容值被增加而造成的線波紋 (shot mura)現象，便成為十分重要的課題。發明内容本發明的目的是提供一種雙薄膜電晶體晝素結構之液晶顯示器（two TFT pixel structure liquid crystal display, two TFT pixel structure LCD),尤指一種具有高解析度（high resolution)以及高顯示頻率（high display f r equency )之液晶顯示器。本發明一第一掃描線、至少第一訊號，該像素第一訊號有複數個控制對該制對該像線、至少一佳實施例中掃描線、該含有一填充極、一用以及一用以控顯示頻率的液晶顯掃描線、至第一開關電源極係電連素電極；且二掃描線、接於該第該第二開 ;原極係一第二線以及係電連線以及液晶分像素電素電極閘極係一訊號關電晶電連接示器包含有至少少一第一訊號至少一像素接於該第一該第二訊號子之液晶單極充電之第充電之第二。在本掃描線線，且元、一一開關開關電電連接於該第一掃線、及極體之一閘極於該第二訊係電連係電連號線、發明的最、該第二該像素包像素電電晶體以晶體。該描線、— 接於該像接於該第一汲極係

第10頁 594338 五、發明說明（7) --- ，連接於該像素電極。其中，該第一開關電晶體具有一 iLl)以及二I—通道寬度（Wl)，該第、二開關電曰曰體八有第二通道長度（l2)以及一第二通道賞产 ;Μ第一通道寬度對該第二通道長度之比值（^凡2)。曰辦由=t明之液晶顯不器，係利用增加一個薄膜電 ;，便預前：行訊號j接收電壓脈衝 i # Γ 線接收電壓脈衝時，繼續對像素電極充，丄吏像素電壓上升至預期的電壓值，因此不僅每一個 ΐ ϊ: m:從τ°搢加至2τ:，示畫面的晝質也不曰，〜響，同時也不容產生輝點。另外，本發明方法 t ϊ，於習知因應高解析度與高顯示頻率的規格要求而木取提高薄膜電晶體之通道寬度對通道長度比值的 u t，因此閘極—汲極電容之電容值不會被增加，故可中用壓（Frd —thr〇Ugh V〇ltage， VpD)，而且利 2 於實際生產線時，亦可有效製作出具高解析度阿顯不頻率、無線波紋（shot mura)的大尺寸面板。實施方式請^考圖五，圖五A為本發明之各個像素1〇〇之等效電路不思圖，圖五B為本發明之各個像素1〇〇之上視圖。

594338 五、發明說明（8) 如圖五A與圖五B所示，本發明之每一個像素1 〇〇均包含有一填充有液晶分子（liquid crystal molecules，未顯示）之液晶單元（liquid crystal unit，LC unit)102、一像素電極（pixel electrode，未顯示）、一第一薄膜電晶體（first thin film transistor， first TFT)104以及一第二薄膜電晶體（second thin film transistor， second TFT) 106。液晶單元102係電連接至一共通電極 (common counter electrode’ CE)，而第一薄膜電晶體 1 04以及第二薄膜電晶體1〇 6均用來作為開關（sw it ch)之用，以控制對像素電極（未顯示）的充電。其中，第一薄膜電晶體104之閘極108係電連接於前一列掃描線Gn i，/第一薄膜電晶體1 04之源極i丨2係電連接於前一行訊號°線s 第二薄膜電晶體丨〇4之汲極11 4係電連接於像素電極未顯不^ ;而第二薄膜電晶體丨〇 6之閘極π 8係電連接於後一列掃描線G η，第二薄膜電晶體1 〇 6之源極1 2 2係電連接於後一行訊號線Sn，第二薄膜電晶體1〇6之汲極124係電連接於像素電極（未顯示）。值彳于注意的是，第一薄膜電晶體1 〇4具有一第一通道長度（1^)以及一第一通道寬度（Wi)，第二薄膜電晶體ι〇6 具有了第二通道長度（L2)以及一第二通道寬度（w2)，且第了通道，度對第一通道長度之比值（Wi/Li)小於第二通道寬度對第二通道長度之比值（W2/L2)。此外，像素1〇〇還包 S有至儲存電容SC(storage capacitor)，圖五a十

第12頁 594338 五、發明說明（9) 所示的係為一種常見的情形，即一儲存電容SC電連接液晶單元1 02與共通電極的情形，一由第一薄膜電晶體1 〇4 的閘極1 0 8與没極1 1 4之重疊區域（未顯示）所衍生的第一閘極-没極電容 GDl(first gate-drain capacitor)電連接第一薄膜電晶體1 〇 4之閘極1 〇 8與汲極1 1 4，以及一由第二薄膜電晶體1 06的閘極1 1 8與汲極1 24之重疊區域（未顯示）所衍生的第二閘極-汲極電容GD2( second gate-drain 〇3?3以1；01〇電連接第二薄膜電晶體1〇6之閘極118與汲極 1 2 4。儲存電容s C的功用之一是用來減少漏電流對液晶單元1 0 2的電壓的影響，亦即協助液晶單元丨〇 2儲存電荷，而第一閘極-汲極電容GDI以及第二閘極〜沒極電容GD2均為寄生電容（parasitic capacit〇r)。一 f參考圖六，圖六為本發明中對圖五之像素1〇〇充電之不意圖。如圖六所示，一第一電壓脈衝依照其脈衝時序（t i me )先被施加於前一列掃描線G n a上，然後再依照其脈衝時序於下一週期被施加於後一列掃描線G a上，同樣地，一第二電壓脈衝（sec〇nd v〇ltage 亦依照其脈衝時序先被施加於前一行訊號線S n+<上，缺後再，照二脈衝時序於下一週期被施加於後一行訊號線、 i當第一電壓脈衝以及第二電壓脈衝被同時施加於掃 ί i ?n从及訊號線上時，第一薄膜電晶體104將被二祝/Hr011)以對像素電極（未顯示）充電（charge)，使所明的像素電壓上升至一定的程度。而當第一電壓脈衝

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上暗第坌電f脈衝被同時施加於掃描線G私及訊號線s之像夸雷搞广土\膜-電晶體ι〇6將被開啟（turn—on)以繼續對升! 7示）充電（Charge)，使像素電壓繼續上 a曰八；^ a動-像素100中填充於液晶單元（未顯示）内之液 =I ΐ 未”、、員不）旋轉（rotate)至預期的角度，以控制光 W穿透度。一由於在第一薄膜電晶體1 0 4被開啟時，像素1 〇〇便已經開始被充電，換句話說，當第一電壓脈衝被施加於前 :列掃描線G n_之上，與前一行訊號線s 上時，像素電壓便已經開始上升至一特定值，而當第二電壓脈衝被.施加於後一列掃描線G &上，與後一行訊號線δ a上時，像素電麇便很容易並快速地上升至預期的電壓值。換句話說，本發明之作法，相當於是將每一個像素的充電時間從T。择加至2 τ⑽’而因為每一個像素的充電時間均被拉長成為雨倍，故於高解析度的要求下，本發明液晶顯示器之顯系頻率將可以明顯被提高。此外，由於第一通道寬度對第一通道長度之比值（W〆L0小於第二通道寬度對第二通道長度之比值（W/L2)，所以第二薄膜電晶體106之充電速率（charging rate)將明顯大於第一薄膜電晶體1〇4 之充電速率，同時由於整個充電時間2T J系非常的短暫，因此在第一與第二電壓脈衝係分別施加於前一列掃描線离前一行訊號線Sn+i的預衝階段（pre pump stage)時’ 顯示爹面的畫質（display qua 1 ity)將不會因為第一薄膜

594338 五、發明說明（11) 電晶體1 0 4已被開啟並對像素電極做預充而變差。另外，值得注意的是，因為第一薄膜電晶體1 〇 4以及第二薄膜電晶體1 〇 6均用來對像素電極（未顯示）充電，故當其中有一顆電晶體故障時，仍有另外一顆可以用來充電，而不至於有輝點（1 ight defect)的現象產生，故可有效良率’甚至月b製作出零缺陷（zer〇 d e f e c t )的產品。而且本發明之液晶顯示器更因為可以利用第一薄膜電晶體1 0 4來做預充，所以充電的時間將相對地被拉長，因此本發明不必像前述之習知技術一般，需藉由提高第二薄膜電晶體1 0 6之通道寬度對通道長度的比值（w〆L ^來解決達不到輝度電壓的問題，如此一來，不僅閘極118盘 >及極1 24重疊部份所形成之第二閘極—汲極電容GD2之電容值（cgd2)不會被增加以降低饋通電壓（Feed—thr〇ugh vo It age, VFD)，相對而言，本發明製程上也較不容生線波紋（shot mura)的現象。間rtn έ之，由於奉發明之液晶顯示器係利用捭個薄膜電晶體，於前一列掃描線以及前一行訊號^一，壓脈衝時，便預先對像素電極充電，再於後二列= 線以及後一行訊號線接收電壓脈衝時，繼續對 =描充電，使像素電壓上升至預期的電壓值，不但可ϋ極力^間，又可以保持閘極—沒極電容之電容值不被7 594338

本&明乃是利用增加一個薄# 夕υ婦描綠以及前一行魂，腰冤像紊雷炻亦雷仃汛唬綠接收電壓脈衝像素電極充電，然後再於後一列，接收電壓脈衝時，繼續對像素電極充壓上升至預期的電壓值，因此不一間會從T。增加至2T〇n，顯示畫面的書母質：時也=容產生輝點。另外，本發明方不不因應咼解析度與高顯示頻率的規格要求而薄膜電晶體之通道寬度對通道長度比值的極-汲極電容之電容值不會被增加，故可大壓(Feed-through voltage, vfd)，而且利際生產線時，亦可有效製作出具高解才斤率、無線波紋（shot mura)的大尺寸面板。相較於習知技術晶體，時，便及後一電，使像素的會受影必受限被迫採做法，幅降低用本發度、南預先對行訊號像素電充電時響，同於習知取提南因此閘饋通電明於實顯示頻以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發印請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發^ s 之涵蓋範圍。 χ π 中利

594338 圖式簡單說明圖示之簡單說明圖一為一 TFT-LCD之示意圖。圖二A為習知技術中一像素之等效電路示意圖。圖二B為習知技術中一像素之上視圖。圖三為習知技術中對圖二之像素充電之示意圖。圖四為習知液晶顯不中薄膜電晶體產生閘極及極電容的示意圖。圖五A為本發明之各個像素之等效電路示意圖。圖五B為本發明之各個像素之上視圖。圖六為本發明中對圖五之像素充電之示意圖。圖示之符號說明 10 TFT-LCD 12 掃描線驅動電路區 14 訊號線驅動電路區 16 像素陣列區 20 像素 22 液晶單元 24 薄膜電晶體 26 閘極 28 源極 32 汲極 60 薄膜電晶體 62 閘極 64 汲極 66 重疊區域 100 像素 102 液晶單元 104 第一薄膜電晶體 106 第二薄膜電晶體 108 閘極 112 源極

第17頁 594338 圖式簡單說明 114 汲極 1 18 閘極 122 源極 124 汲極 mi 第18頁

Claims

59433^^ ㈤教專利焱 •曰種具有咼顯示頻率（high display frequency)之液晶顯示器（liquid crystal dispiay，LCD)，其包含有：至少一第一掃描線（scan line); 至少一第二掃描線；至少一第一訊號線（signal line); 至少一第二訊號線；以及，少一像素（p 1 xe 1 )，該像素係電連接於該第一掃描線、豸第二掃描線、該第一訊號線以及該第二訊號線，且該像素包含有：一填充有複數個液晶分子（liquid c;rystal molecules)之液晶單元（liquid crystai ceii); 一像素電極（pixel electrode); 一用以控制對該像素電極充電之第一開關電晶體 (first switching transistor)，且該第一開關電晶體之=閘極係電連接於該第一掃描線、一源極係電連接於該第一訊號線、一汲極係電連接於該像素電極；以及、一用以控制對該像素電極充電之第二開關電晶體 (second switching transistor)，且該第二開關電晶之一閘極係電連接於該第二掃描線、—源極係電連接於該第二訊號線、一汲極係電連接於該像素電極· 、其中該第一開關電晶體具有一第一通道.声及一第一通道寬度（w〇，該第二開關電晶體具一1二通道長度（L2)以及一第二通道寬度（W2)，且該、第一通f寬

594338 六、申請專利範圍度對遠第一通道長度之比值（Wi/L !)係小於該第二通道寬度對該第二通道長度之比值（W 2/ L 2)。 2 · 如申請專利範圍第1項的液晶顯示器，其中當一第一電壓脈衝（first voltage pulse)被施加於該第一掃描線以及一第二電壓脈衝（second voltage pulse )被施加於該第一訊號線時，該第一開關電晶體將被開啟（turn-on) 以對該像素電極充電（c h a r g e )。 3 · 如申請專利範圍第2項的液晶顯示器，其中於該第一掃描線接收該第一電壓脈衝之後，該第二掃描線依照該第電壓脈衝之時序（time )於下一週期（next period )接收該第一電壓脈衝，並且於該第一訊號線接收該第二電壓脈衝之後，該第二訊號線依照該第二電壓脈衝之時序於下一週期接收該第二電壓脈衝。 4· 如申請專利範圍第3項的液晶顯示器，其中當該第一電壓脈衝被施加於該第二掃描線以及該第二電壓脈衝被施加於該第二訊號線時，該第二開關電晶體將被開啟以對該像素電極充電。 5 ·如申請專利範圍第1項的液晶顯示器係為一雙薄膜電日日體畫素結構之液晶顯示器（tw〇 TFT pixel structure liquid crystal display, two TFT pixel structure

594338 六、申請專利範圍 LCD)。 6. 如申請專利範圍第5項的液晶顯示器，其中該第一開關電晶體以及該第二開關電晶體均用以對該像素電極充電，以增加該像素電極之充電時間（T Qn)。 7. 如申請專利範圍第6項的液晶顯示器，其中增加該像素電極之充電時間，係用以提高該液晶顯示器之顯示頻率(high frequency)0

8. 如申請專利範圍第1項的液晶顯示器，其中該第一開關電晶體之該閘極與該汲極之間具有一第一重疊區域 (〇 v e r 1 a p p e d r e g i ο η )，且該第二開關電晶體之該閘極與該汲極之間具有一第二重疊區域。

9. 如申請專利範圍第8項的液晶顯示器，其中該第一重疊區域造成一第一開關電晶體之該閘極與該汲極間之寄生電容（parasitic GD of the first switching transistor)，該第二重疊區域造成一第二開關電晶體之該閘極與該没極間之寄生電容（p a r a s i t i c G D 〇 f t h e second switching transistor)。 1 0 .如申請專利範圍第1項的液晶顯示器，其中該第一開關電晶體以及該第二開關電晶體均用以對該像素電極充

第21頁 594338 六、申請專利範圍電，以推動該液晶單元内之各該液晶分子之旋轉 (rotation)0 1 1 ·如申請專利範圍第1項的液晶顯示器，其中該第一通道寬度對該第一通道長度之比值係小於該第二通道寬度對該第二通道長度之比值，以使該第二開關電晶體之充電速率（charging rate)大於該第一開關電晶體之充電速率〇 1 2 ·如申請專利範圍第1項的液晶顯示器，其中該像素另包含有至少一儲存電容（storage capacitor，SC)，用以協助該液晶單元儲存電荷（store charges)。

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