TWI351663B - Tft lcd and related method for low driving voltage - Google Patents

Description

1351663 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種薄膜電晶體液晶顯示器及其驅動方 法，尤指一種可改善低電壓驅動高臨限電壓之效能的薄膜 電晶體液晶顯不益及其驅動方法。 【先前技術】 省電、無輻射、重量輕以及體積小等，漸漸成為現代 人對於顯示器的訴求。相較於傳統陰極射線管（cathode ray tube，CRT )顯示器，液晶顯示器（liquid crystal display ) 以其輕薄特性勝出，而各家面板廠商皆致力於提升液晶顯 示器的影像品質以獲得市場上之競爭性。其中，垂直配向 (vertical-aligned )液晶技術能提高液晶顯示器的反應速度 並且增廣視角，已成為一主流採用之液晶技術。 請參閱第1圖。第1圖所示係為一習知之採用垂直配 向技術之液晶單元10於無外加電壓下之示意圖。液晶單元 10包含二電極101與103,再向外是二偏光片102與104， 以及二電極101與103中之液晶110。在第1圖中，液晶 早元10之二電極101與103之間沒有電壓差’因此液晶 110垂直於偏光片102與104 ;即當二電極間未施加電壓 時，液晶110將呈垂直，而光線無法穿透它，因此液晶單 元10在其所屬之顯示器上是呈現黑色的。再請參閱第2 6 1351663 圖。第2圖所示係為在液晶單元10施加一電壓V’時之示 意圖。在第2圖中，電極101與103間有一電壓差V’，這 使得液晶110旋轉了 一個角度而與偏光片104間之夾角呈 Θ ;這表示光線將部份穿透它，因此液晶單元10在其所屬 之顯示器上是呈現一介於全黑與全白間之一灰階值。 第1圖與第2圖說明了垂直配向液晶技術的基本原 理。請參閱第3圖。第3圖所示係為一垂直配向薄膜電晶 體液晶顯示器（vertical-aligned Thin Film Transistor Liquid Crystal Display, VA TFT LCD )之示意圖。第3圖所示係為 垂直配向薄膜電晶體液晶顯示器之局部示意圖。在第3圖 中，310至360係為六個液晶單元；Sn_丨、8„與Sn+】係為三 條相鄰之掃描線（scan line) ; Dm_丨、Dm與Dm+丨則為三條相 鄰之資料線（data line )。當掃描線Sw為高電位時，液晶 單元310、320與330之電晶體被打開而可分別依資料線 Dm-!、Dm與Dm+]所輸入之電壓顯示影像（顯示相對於資料 線電壓之灰階），而液晶單元340、350與360之電晶體則 為關閉狀態，無法接收資料以顯示影像。同理，當掃描線 Sn為高電位時，液晶單元340、350與360之電晶體會被打 開而可分別依資料線、Dm與Dm+1所輸入之電壓顯示 影像（顯示相對於資料線電壓之灰階），而液晶單元310、 320與330之電晶體則為關閉狀態，無法接收資料以顯示 影像。液晶單元310至360分別包含一表示液晶單元電容 7 1351663 值之液晶電容Cli至Cu6 ’以及一儲存電容cs,至c S6 請參閱第4圖。第4圖所示係為習知之施加於掃 511-1、811與Sn+1之電壓隨時間變化之示意圖；其中，v v—uv—w分別代表掃描線^义與^之電壓^ 4圖所不係為在正周期之控制電壓。在第4圖所與之例 習知技術是以15V之正電壓開啟液晶單元之電晶體 晶單元能顯示相對於資料線所輸入之電壓之灰階，則 V—Sn-】、V_Sn與V—sn+1將依序由-15V提升為15V， 持-單位時間後再降回_15v。在時間tut2中， 為15V而打開掃描線Sn_】之TFT;此時v—Sn為七^-即 使得資料線因Cs,、cS2與Cs3上之壓差而注入電荷。即至 時間t2至t3時’ V__S^ 15V而打開掃招線&之tft ; 且V_Sn]降回-15V而關閉掃描線Sn i之订/。同理，在 下一個時間周期G至t4中’掃描線Vi之所打開而掃 描線sn之TFT關閉。各液晶單元所包含之儲存電容係用 來於掃電壓由15V降至·15V ’即當—原本開啟 的TFT轉為關時，儲存電容中之電荷將補償液日日日電容中 可能漏出去的電荷。 然而，對於小尺寸的垂直配向液晶顯示器來說，通常 會為了省電而採胃不大於…的低電壓來驅動電路；然其臨 限電壓（threshold voltage )卻通常接近2 v m 因此，小尺寸 $ 1351663 的垂直配向液晶顯示器常遭遇灰階電壓區間過窄（僅2V 至5V)、亮度不足、灰階反轉及對比的視角較窄等等問題。 【發明内容】 因此，本發明之主要目的，即是要提出一種可改善低 電壓驅動高臨限電壓之效能的薄膜電晶體液晶顯示器及其 驅動方法，以解決先前技術之問題。 本發明提供一種可改善低電壓驅動高臨限電壓之效能 的薄膜電晶體液晶顯示器之驅動方法，包含輸入一第一預 定電位之掃描線訊號於該複數個顯示元件中之一顯示元 件，使得該顯示元件無法接收一資料訊號；輸入一第二預 定電位之掃描線訊號以及一資料訊號於該顯示元件，使得 該顯示元件可以接收與顯示影像之相對應資料訊號；及於 輸入該第二預定電位之掃描線訊號後，輸入一第三預定電 位之掃描線訊號於該顯示元件，使得該顯示元件無法接收 一資料訊號；其中該第三預定電位不等於該第一預定電 位，且第一預定電位與第三預定電位之絕對值彼此間的大 小關係根據顯示期間液晶單元極性切換來決定。 本發明另提供一種可改善低電壓驅動高臨限電壓之效 能的薄膜電晶體液晶顯示器。該液晶顯示器包含複數個顯 示列，其中每一顯示列包含複數個顯示元件。其中每一顯 9 1351663. 示元件包含一電晶體、一液晶單元以及一儲存電容。該電 晶體包含：一閘極耦接於同一顯示列之其他電晶體之閘 極，用來依序接收三種不同預定電位之掃描線訊號；一汲 極用來接收一資料訊號；及一源極。該液晶單元係耦接於 該電晶體之源極’用來於該電晶體之閘極接收該第二預定 電位之掃描線訊號時，接收欲顯示影像相對應之資料訊 號；該液晶單元於該電晶體接收該第一預定電位之掃^線 訊號與該第二預疋電位之掃描線訊號時，並無法接故 訊號。該儲存電容之兩端分別耦接於該電晶體之源極=料 電晶體之齡列之下-顯㈣之掃描線。其㈣複數= 不列之各顯示列係依序接收該第二預定電位之掃插線& 的大 號’且第-預定電位與第三預定電位之絕對值彼此間訊 小關係根據顯示期間液晶單元極性切換來蚊。θ 【實施方式】 本發明改變了習知垂直配 方法’使得液晶顯示器之各顯示 Γ架構)能提供更多的回補電容而使得液晶 區間加大。 氏付狀日日电奋之電壓 之Γ方法中掃描線控制電 …”„+|隨時間變化之示意圖。請同時參見: Ϊ351663· 配合本發明所提出之驅動方法’其中每_顯示树之儲存 電容係_麟齡元件之電晶體祕與該電晶體顯示列 2-顯示狀掃描線，以達本發明之目的。帛5圖所示 係為本發明之驅動方法在正周_施加於掃料之控制電 ，。本發明之驅動方法，係於-掃描線被叫之前

之負電壓，於開啟該掃描線時施加—Vhi之正電壓此 2料線同習知技術般藉由施加不同的電壓值以表現相對 =灰階顯示，且同時間將循序上相對於該掃描線之下一 的施加電壓由V』整為Vu’之後施加一〜 之負電壓以再次關閉連接於該掃描線之tft且V ::二舉例來說’在時間t5。至t51間，¥二^ 於掃描線Sn-^TFT為關閉狀態（0FF她）。 S之TF it52中’Ί升為15V而打開連接於掃描線 n-1 之 TFT (ON state);在此同時將 v 、’ 猶。因此’相較於習知技術，本發:至 料，Cs2與C“有更大的壓差(1== 入了較多的電荷。即至時間t52至t (2GV))而注 打開連接於掃描線Sn ^TFT;J_V s A為15V而 連接於掃私之聊。同樣地

而使得資料線_存電容Cs4、Cs5* c f Ο""為_20 V 電荷。當在時㈣至t5"，連接於;之壓差而注入

打開而掃描線Sn之電壓由簡降 ^線I之丁FT TFT時，此時原先掃描線1上之液曰„時而關閉連接之 <成日日早元31〇、32〇與 1351663· 330會因為其所包含之儲存電容CS1、CS2與CS3的端點電 壓由-20V提尚到-15V ’使得儲存電容Csi_、Cs2與Cs3的兩 端壓差減少而將電荷移動到液晶電容CL1、與CL3上； 當液晶電容Cli、Cl2與Cl3的電荷量平衡後，液晶電容Cli、 CL2與CL3上的電壓差變大，即使得採用本發明之驅動方法 的垂直配向液晶顯示器之灰階電壓區間加寬。 請參閱下列算式。假設各儲存電容之電容值為cst，以 及各液晶单元之電容值為Clc ;且Cst=CLc。 在液晶極性切換的正周期中，此時VCC)m=0,資料線提供5 V 的電壓以顯示相對應的灰階，當一條掃描線打開，且儲存 電容之端點電壓為-20V ;令Q1表示此時儲存電容上之電 荷，Q2表示此時液晶電容上之電荷，而QtQtal表示此時該 液晶早元内總電何.

Ql=(5V-(-20V)) · Cst=25V · Cst; 式（1 ) Q2=(5V-0V)) . Clc=5V · CLC ; 式（2 )

Qt〇tarQl+Q2=30V · cst; 式（3) 當該條掃描線關閉，且儲存電容之端點電壓為-15V ;設液 晶電容之端點電壓為X V，Q'l表示此時儲存電容上之電 荷，Q'2表示此時液晶電容上之電荷，而Q'total表示此時該 1351663. 液晶單元内總電荷： Q'l=(xV-(-15V)).Cst=(x+15)v.Cst； 式⑸ 式（6 ) Q'2=( ^V-OV))· CLc= xV. Clc； Q't〇tai=Q'l+Q'2=(2 · ^ V+15V) . Cs 應用電荷守恆原理作以下话計： 式（3)=式（6) s γ=7 5 式（7)

因此可得液晶電容之壓差增加值為 Vlc=7.5 V-0V=7.5V 由上述算式推導可知’本發明應用如第5圖所示之驅動方 法月匕實質地提焉垂直配向液晶顯示器之灰階電壓區間（上 述之實施例係於正周期中將最高灰階電壓由5v提高至 7.5V)’因而能在維持低電壓驅動之下，實現高對比、高亮 度的垂直配向液晶顯示器。 同理，本發明之精神亦可實施在液晶單元極性切換的 負周期。4參閱第6圖並同時參見第3圖。第6圖所示係 為本發明提出之薄膜電晶體液晶顯示器之驅動方法於負周 期時’掃描線控制電壓、v—Sn與v—Sn+i隨時間變化 之π意圖。如第6圖所示’根據本發明之驅動方法，在負 周/月中，掃描線原本所施加之電壓係為一負電壓ν ， 1351663· ’ 於該掃描線被開啟之前調整其控制電壓為一 vL2之負電 • 且Vl2不等同於VL1 ’於開啟該掃描線時施加一 vH1 之正電壓’而於藉由資料線注入相對應於欲顯示灰階之電 壓值之後，施加一 Vli之負電壓以再次關閉該掃描線。 關於本發明之驅動方法於負周期中加寬灰階電壓區 間，凊參考下列推導算式。其中如儲存電容之電容值、液 • 晶單元之電容值、儲存電容上之電荷、液晶電容上之電荷、 液晶電容之壓差以及液晶單元内總電荷等之代表符號皆與 正週期推導時所述相同，但此時Vc〇m = 5V，資料線提供〇 V 的電壓以顯示相對應的灰階與滿足液晶極性切換。 在負周期中’當一條掃描線打開，且儲存電容之端點電壓 為-15V : 籲 Ql=(0V-(-15V)) · Cst=i5y - Cst； 式（8) Q2=(0V-5V)) · Clc-.5V . CLc ； 式（9)

Qt〇tai=Ql+Q2=10V · cst ； 式（10) 當該條掃描線關閉，且儲存電容之端點電壓為_2〇V ;設液 • 晶電容之端點電壓為ων: 14 1351663· Q'2=(wV-5V) . Clc=(0-5)V . CLC; 式（12) Q't〇ta.=Q'l+Q'2=(2ie；+15)V · Cst; 式（13) 應用電荷守恆原理作以下估計： 式（10 )=式（13 ) — ω =-2.5 因此可得液晶電容之壓差增加值為：

Vlc=-2.5V-5V=-7.5V 式（14) 由上述算式推導可知，本發明採用如第6圖所示之驅動方 法，同樣能於負周期中實質地加大垂直配向液晶顯示器之 灰階電壓區間。 上述為本發明之驅動方法之基本精神與實施例。實際 上，液晶單元的電容值CLC會因應用電壓不同而略有變 化，第7圖即顯示穩態的液晶電容隨端電壓不同而改變； 另外當液晶單元壓差增加後，第3圖中所標示的Vcom也 會被拉抬（例如由0V增至2.5V)。這些變異有可能使得儲 存於液晶單元中的電壓發生些微浮動而造成所顯示之灰階 值錯誤，但只要配合建立一適當的補償電壓對照表（look up table)，以調整儲存電容的端點電壓即可補償之。而在儲存 電容值的選擇上，考慮TFT製程時不可避免的寄生電容所 造成的影響（feed through voltage)，經模擬證明，當正破 地規劃而選定一適當的儲存電容值與液晶電容之比值時， 15 1351663· 本發明之驅動方法所計劃達到之電壓拉抬效果可確保實 現。以下列出考慮因寄生電容所造成的電壓改變（Δν)， 其中Cgs為TFT閘極與源極間之寄生電容，各儲存電容之 電容值為cst，以及各液晶單元之電容值為Clc，dv為掃描 線的電壓值變化： 利用上述判斷式可決定適當之儲存電容值與液晶電容值以 有效減少因寄生電容所產生之影響。模擬結果發現當 ，即會失去本發明欲達到之電壓拉枱效果，因此設計 上需有效地控制以上電容值之間的比例關係。 综上所述，本發明提供了-液晶顯示器及其相關驅動 方法，在儲存電容耦接於閘端之電路架構 capacitance on gate，Cs on gate)下，於啟動掃描線之前後 施加不同之掃描線控制電壓’間接地增加了顯示以牛的灰 階電壓區間，以破除低電壓驅動高臨限電壓之液晶模熊的 限制，提高了整體效能。本發明所提出之驅動方法可^現 於現打的液晶顯7F器之結構上，僅靠修改掃描線的^制電 麼即可達成。本發明可另搭配採用—儲存補償電輯昭表 (look up table)之記憶體，以補償因改變控制電壓所造成 之影響而嫁保正確顯示影像。本發明實現了古對比 視角、低電壓驅動以及高亮度之半透式垂直薄= 1351663 晶體液日日顯示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT LCD);並可推廣適用於其他欲以低電壓驅動 高臨限電壓之液晶模態。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請 專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖係為-習知之垂直配向式之液晶單元於無外加電壓 下之示意圖。 第2圖係為_習知之垂直配向式之液晶單元於有外加電壓 下之示意圖。 第3圖係為一垂直配向薄膜電晶體液晶顯示器之局部示咅圖。 第4圖係為掃描線、心與&+!之電壓隨時間變'化:示° 意圖。 μ 第5圖所示係為本發明之掃描線控制電壓1、V s與 V—Sn+1於正周期隨時間變化之示意圖。 第6圖所示係為本發明之掃描線控制電壓V S λ/ 〇 t ~〇η-ι、V—Sn 與 v_sn+丨於負周期隨時間變化之示意圖。 第7圖係為一穩態液晶電容隨電壓的變化圖。 【主要元件符號說明】 !〇, 310, 320, 330, 340, 350, 360 液晶單元 1351663· 101， 103 電極 102, 104 偏光片 110 液晶 30 液晶顯 示器 Sn-1，Sn，Sn+i 掃描線 Dm-i，Dm， Dm+i 資料線 ClI，CL2, Cl3, Cl4, Cl5, Cl6 液晶電 容 Csi，Cs2, Cs3，Cs4, Cs5, Cs6 儲存電 容

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Claims (1)

1351663 r- J 帛95133204號 修正日期:l〇〇.6.28 修正本 十、申請專利範圍： I-- • 月W日修正替換頁 - L 一種薄膜電晶體液晶顯示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFTLCD)之驅動方法，其中該薄 -膜電晶體液晶顯示器包含複數個顯示元件，該方法依序包 含： 輸入了第一預定電位之掃描線（scanUne)訊號於該複 數個顯不70件中之-顯示元件，使得該顯示元件無法接收 一資料訊號； 輸入-第一預定電位之掃描線訊號以及一資料訊號於 該顯不70件，使得該顯示元件可以接收該資料訊號顯示影 像；及 於輸入該第二預定電位之掃描線訊號後，輸入-第三 預疋電位之掃播線訊號於該顯示元件，使得該顯示元件無 法接收一資料訊號； 其中該第—預疋電位不等於該第一預定電位，且輸入 ( 該第二預疋電位之掃插線訊號於該顯示元件直到下一個更 新顯示週期。 2.如請求項丨所述之方法，其中該第一預定電位之掃 描線訊號、該第二預定電位之掃描線訊號以及該第三預定 -電位之掃描線訊號係輪入該顯示元件所包含之一電晶體之 閘極、及資料訊號係輸入該顯示元件所包含之該電晶 體之源極° 一 3·如:求項1所述之方法，其中該薄臈電晶體液晶顯 不器所Ο 3之複數個顯示元件係分為複數個顯示列，其中 19 丄 ^ 95133204 ^ ^ «：100.6.28 該複數個顯示列中同一顯示列之各 掃描線訊號。 修正本 /σί年（月4日修正眷換頁 顯示元件，係接收同 昭矣。如/求項1所迷之方法’更包括建立—補償電壓對 S該資料訊號的變動 0 ^ ^ ' 各題- ？丨之月=項3所述之方法’其中該複數個顯示列中之 =各顯示元件係依序分別接收-第二預定電位之 之二其中該複數個顯示元件中 其中該儲存電^ =體、—液晶以及—儲存電容， 該顯示元件之分別電連接於該電晶體之没極與 〈下一顯不列之掃描線。 值項6所述之方法，其中該電晶體的寄生電容 與該液晶單元之電容值(心) 糸^：，。 照表(look二項J;斤述之方法’更包括建立1償電壓對 成該液晶單修正因該掃描線訊料位切換所造 疋之·電谷值的變動。 、·.種薄膜電晶體液晶顯示器，包含： 複數個！員示列，其中每一顯示列包含： 複數個顯示元件’其中每一顯示元件包含： 一電晶體，包含： 號、來依序接收一第一預定電位之掃描線訊 一預定電位之掃插線訊號與一第三預定電位之掃 20 1351663 · - 第95133204號 修正曰期:100.6.28 修正本年^月修正督換寅 描線訊號，該閘極係耦接於同一顯示列之其他電晶體之閘 極；其中該第三預定電位不等於該第一預定電位； • 一源極，用來接收一資料訊號；及 一淡極； 一液日a單，耦接於該電晶體之源極，該液晶單元係 用來於該^體之閘極接㈣第二預定電位之掃描線訊號 時’ 接收欲顯示影像之相對應資料訊號； 該液晶早几於該電晶锣々^ - 體之閘極接收該第一預定電位之掃描 線訊说與該第二預宏带y I位之掃把綠訊號瞎，訪带日触浪 :訊“與該第；預閑極接收該第一預定電位之掃描 極無法接收欲顯示^之掃躲訊號時’該電晶體之源 -儲存電容，兩=相對應資料訊號；及 晶體之顯示列之端分別耦接於該電晶體之汲極與該電 〜其中該複數個顯t列之婦描線； 疋電位之掃描線訊號。之各顯示列係依序接收該第二預 1〇，如請求項9 、— 該第-電位與該 述之薄興電晶體液晶顯示器，其中 如請求項Γ〇位係為二不同之負電位。 當該液晶單元極性為^述之薄祺電晶體液晶顯示器，其中 三電位之絕對值。’、’、肖，該第-電位之絕對值大於該第 一 12.如請求項1 當該液晶單元極性斤f之薄祺電晶體液晶顯示器，其中 三電位之絕對值。、時’該第-電位之絕對值小於該第 13·如請求項9 該第二電位係為二述之薄螟電晶體液晶顯示器 電位。 /、 21 1351663 第95133204號 修正曰期:100.6.28 修正本年（月Y日修正替換頁 14. 如請求項9所述之薄膜電晶體液晶顯示器，係為 一垂直配向式（vertical-aligned )薄膜電晶體液晶顯示器。 15. 如請求項9所述之薄膜電晶體液晶顯示器，另包 含一記憶體，用來儲存一補償電壓對照表（lookup table) 以修正因該掃描線訊號電位切換所造成該資料訊號的變 動。 16. 如請求項9所述之薄膜電晶體液晶顯示器，其中 該電晶體的寄生電容（CgS )、該儲存電容（Cst)與該液晶 單元之電容值（CLC)維持一比例關係？7^^^9.〇9%。 22 1351663· 十一、圖式： 23 1351663

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Y_Sn-l y_Sn V_Sn+l (( 15V )) 1 rr-ir 15V U V )) 1 rri r lOV 15V )) 1 rrv lOV tO tl t2 t3 t4 第4圖 1351663

t50 t51 t52 t53 t54 第5圖 1351663

第6圖 1351663

寸 C\J Ιο 腫卜竦(Λ)ιίι 01 CN1I 2: 91 0 Ζ