TWI381298B

TWI381298B - 感光元件與其驅動方法以及應用此感光元件的液晶顯示器

Info

Publication number: TWI381298B
Application number: TW098109166A
Authority: TW
Inventors: Ting Chung Liu; Po Yang Chen; Hsien Tang Hu; Chien Chih Hsiau
Original assignee: Hannstar Display Corp
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2013-01-01
Also published as: US8269751B2; TW201035830A; US20100238140A1

Description

感光元件與其驅動方法以及應用此感光元件的液晶顯示器

本發明係關於一種液晶顯示器，特別是關於一種具有內嵌式觸控面板的液晶顯示器。

常見的觸控面板(touch panel)有電磁感應、電容或電阻式等感應方法，其被設置於一顯示裝置例如陰極射線管顯示器(Cathode ray tube display)或液晶顯示器(liquid crystal display)的外側，具有一透明層配置於螢幕與使用者之間。螢幕上顯示有多個選項按鈕，使用者以筆或手指靠近或直接觸碰透明層上的選項按鈕而完成操作。此外，觸控面板也可以作為手寫輸入的工具，取代滑鼠與鍵盤。

當應用於一液晶顯示器時，這類型的觸控面板會降低約20%的光穿透度。且觸控面板表面的透明層結合液晶面板的光學薄膜，使光線形成多次反射而降低對比度，或產生炫光。

另一種內嵌式觸控面板(In-cell touch panel)，其原理是利用具感光能力的材料製成感光元件，藉由偵測光電流(photo-induced current)的改變確認觸碰位置。這種內嵌結構因為相容於既有主動矩陣式液晶顯示器的製程，可節省多餘的設備與生產成本。

第一圖例示一種內嵌電流式感光元件的等效電路圖，感光元件100包含一感光薄膜電晶體110與一開關薄膜電晶體130。開關薄膜電晶體130的源極136連接一讀取線140、閘極132連接一開關線路150、汲極134連接感光薄膜電晶體110的源極116。此外，感光薄膜電晶體110的閘極112與汲極114連接至一偏壓線路120，偏壓線路120提供一電壓至感光薄膜電晶體110。當開關薄膜電晶體130被開啟後，由感光薄膜電晶體110產生的光電流會通過開關薄膜電晶體130而由讀取線140讀出。通常，光電流與感光薄膜電晶體110所偵測到的亮度成正比。當使用者以一光筆照射，或以手指觸控，會增加或減少照射到感光薄膜電晶體的光亮度，而使感應的光電流大小改變，據此可確認觸碰位置。

嵌入式觸控面板在設計上是利用原有的畫素佈局上增加感光元件100，感光元件可規則性地結合於部分的一般畫素內，以形成讀取畫素(readout pixel)。

第二圖例示一個讀取畫素的等效電路圖，讀取畫素200由一畫素元件210與一前述的感光元件100構成，兩個元件可共享同一條偏壓線路120，偏壓線路120提供畫素元件210中儲存電容Cst的參考電位，也提供一電壓驅動光電流由讀取線讀出。另外，第一圖中的開關線路150相當於第二圖的掃描線Gn-1、Gn，以及Dm-1、Dm代表資料線，提供驅動畫素元件210所需要的電壓。

通常感光元件100中的開關薄膜電晶體130操作在有遮蔽物的暗態環境下，而感光薄膜電晶體110操作在光環境下，因此後者在受到長時間光照後的可靠度會降低、靈敏度變差、感應光電流衰減。如果感應的光電流衰減的太嚴重，系統上的雜訊比(signal/noise ratio)會減小，會造成訊號誤判，因此感光薄膜電晶體受光後的可靠度是很重要的課題。

感光薄膜電晶體所操作的光環境，一般在辦公室內約為300~500lux(勒克斯：亮度單位)；戶外則為1000(陰天)~30000(日正當中)lux。第三圖與第四圖揭示感光薄膜電晶體在長時間操作下的I-V曲線圖，其中第三圖操作於室內暗態環境下，第四圖操作於1500lux下，Vd(V：伏特)代表給予感光薄膜電晶體的閘極與汲極的電壓，Is(A：安培)代表在感光薄膜電晶體的源極端116所測量的光電流值。(其中，偏壓的條件第三圖為2.63V，第四圖則為1.95V，且工作週期duty cycle同為1/600)。

第三圖顯示，在暗態下給予電壓2小時後，給予相同的閘極電壓，例如6V，感應光電流由77.2μA降至約70μA後就不會有衰減的現象，因此可靠度可接受；然而第四圖顯示，在1500lux下操作，光電流會隨著加電壓的時間增加而衰減，當經過時間231小時後感應的光電流衰減了45.28%，衰減程度非常嚴重，如此會造成觸碰訊號讀出產生誤判。

因此，急需提供一種輸入式的液晶顯示器，其具有新的感光元件架構，可解決感光薄膜電晶體受到照光後光電流衰減的問題。

本發明的目的在於提供一種新的感光元件與其驅動方法，以及應用此感光元件的液晶顯示器，以克服習知技術的缺失。

根據上述目的，本發明提供一種感光元件，包含一感光薄膜電晶體；一讀取線；一開關薄膜電晶體，該開關薄膜電晶體的源極連接該讀取線、閘極連接一第一開關線路、汲極連接該感光薄膜電晶體的源極；一偏壓線路，該感光薄膜電晶體的閘極與汲極連接至該偏壓線路；及一補償薄膜電晶體，該補償薄膜電晶體的閘極與汲極連接至一第二開關線路、源極連接至開關薄膜電晶體的汲極。

根據上述目的，本發明提供上述感光元件的驅動方法，包含步驟：持續給予該偏壓線路一偏壓，使得感光薄膜電晶體持續被打開；給予該第一開關線路一高電壓，該開關薄膜電晶體被打開，該光電流會由該開關薄膜電晶體的汲極流向源極，並由該讀取線讀出；給予該第一開關線路一低電壓，使得該開關薄膜電晶體被關閉；給予該第二開關線路一高電壓，使得該補償薄膜電晶體被打開；其中，給予該第二開關線路的高電壓，其值高於給予該偏壓線路的偏壓的電壓值。

雖然由文獻中了解，當非晶矽薄膜在長時間照光後，其自由載子的壽命減短，導致非晶矽薄膜的導電率下降，感應的光電流減小。此暗示了感光薄膜電晶體的臨界電壓(threshold voltage)可能會受到影響。為了確立感光薄膜電晶體在照光下，其臨界電壓在長時間施加一偏壓後的穩定性，發明人做了一系列的實驗，實驗結果如第五圖所示。

第五圖中，Vg代表給予感光薄膜電晶體閘極的電壓，Id(A)則是在源極測量的光電流值。感光薄膜電晶體被操作在1500lux的環境下，其中曲線Vd_1V_S為給予加壓(stressed)490小時後，量測時給予汲極偏壓1V，給予閘極由-15~25V範圍下測得的I-V曲線，曲線Vd_1V_I為起始狀態，亦即未施加任何電壓應力前，量測時給予汲極偏壓1V，給予閘極由-15~25V範圍下測得的I-V曲線，其他曲線以此類推。

由實驗結果發現，在給予偏壓490小時後，各曲線的臨界電壓由原先的0V往正方向偏移，增加為6.3V。而在薄膜電晶體可能的操作範圍1.7至3.2V的範圍，光電流衰減了十的三至四個次方倍。

臨界電壓往正向偏移，表示需要施加更大的正偏壓才能誘導出相同量的光電流。為解決此問題，本發明提供一感光元件結構與其驅動方法可以避免臨界電壓往正向偏移。

第六圖揭示本發明實施例的感光元件，本發明的感光元件280包含了一開關薄膜電晶體230、一感光薄膜電晶體260、及一補償薄膜電晶體270(compensation TFT)。

第六圖實施例中的開關薄膜電晶體230與補償薄膜電晶體270，其上方有遮光材料，例如黑矩陣所覆蓋，因此其操作在暗態環境下，不會受環境光影響，其可靠度可以維持，而感光薄膜電晶體260至少有部分或全部，不被遮光材料覆蓋，操作於環境光線的照射下。

其中，開關薄膜電晶體230的源極236連接一讀取線240、閘極232連接一第一開關線路250、汲極234連接感光薄膜電晶體260的源極264。此外，感光薄膜電晶體260的閘極262與汲極266連接至一偏壓線路220，偏壓線路220提供一電壓至感光薄膜電晶體260。補償薄膜電晶體270的閘極272與汲極276連接至一第二開關線路251、源極274連接至開關薄膜電晶體230的汲極234。第七圖例示於第六圖電路結構的驅動方法。首先，持續給予偏壓線路220一偏壓，例如3至5V，使得感光薄膜電晶體260持續被打開，而感應的光電流由感光薄膜電晶體260產生，經由源極264流向開關薄膜電晶體230。同時或者稍後，給予第一開關線路250一高電壓，例如15或16V，因此開關薄膜電晶體230被打開，光電流會由開關薄膜電晶體230的汲極234流向源極236，並由讀取線240讀出。

稍後，給予第一開關線路一低電壓，例如0至1V，使得開關薄膜電晶體230被關閉。稍後，給予第二開關線路251一高電壓，例如15或16V，使得補償薄膜電晶體270被打開，並給予一逆偏壓於感光薄膜電晶體260，其中給予第二開關線路251信號的電壓，高於給予偏壓線路220的信號的電壓。

上述感光元件280的結構與驅動方法，使得光電流不會衰減的原理為，當給予一高電壓於第一開關線路250後，感光薄膜電晶體260所感應的光電流會經由開關薄膜電晶體230送到讀取線240讀出，此時B點的電壓將會大於A點的電壓(V_B -V_A ＞0)，因此對感光薄膜電晶體260而言有一個正偏(forward-biased)的電壓應力，導致臨界電壓往正方向偏移；當給予第二條開關線路251一高電壓時，補償薄膜電晶體270將會開啟，此時B點的電壓小於A點的電壓(V_B -V_A ＜0)，因此對感光薄膜電晶體260而言有一個逆偏(reverse-biased)的電壓應力，藉此逆偏壓來補償，使感光薄膜電晶體的臨界電壓不會偏移、感應的光電流不會衰減。

第八圖例示將本發明第六圖的感光元件應用於一讀取畫素的等效電路圖。本發明的感光元件可應用於一液晶顯示器，該液晶顯示器包含一薄膜電晶體陣列基板，基板上包含有複數個閘極線與資料線，定義了複數個畫素，本發明的感光元件可結合於部分或全部的該複數個畫素內，以形成複數個讀取畫素。於一實施例中，本發明的感光元件被結合於每一個藍色的畫素(較精確的說法為次畫素)內。

一讀取畫素300包含一個畫素元件310與一前述的感光元件280。畫素元件310的結構可與任何習知技術相同，不再贅述。為了維持較高的開口率，前述感光元件280的開關線路可結合於閘極線，例如第一開關線路250等同於圖中的閘極線Gn-1、第二開關線路251等同於閘極線Gn。畫素元件310包含一畫素薄膜電晶體311，如圖所示其閘極連接於閘極線Gn、源極連接至資料線Dm，但也可以改變為其閘極連接於閘極線Gn-1、以及(或者)其源極連接於資料線Dm-1。

此外，為了提高透光的開口率與均勻性，利用一開關(未圖示)可將讀取線240結合於資料線，例如結合於資料線Dm-1，此時畫素薄膜電晶體311的源極亦連接至資料線Dm-1，當Gn-1被輸入一高電壓時，同時切換開關使得資料線Dm-1作為讀取線讀出，當Gn被輸入一高電壓時，同時切換開關以供應一電壓予畫素薄膜電晶體311。

此外，由於照光強度亦會影響感光薄膜電晶體260的臨界電壓，以及不同使用環境的光亮度，感光薄膜電晶體260所需的靈敏度亦不相同；因此，本發明的液晶顯示器亦可包含一偵測元件(未圖示)，用於偵測使用環境的光強度，所偵測的光強度被回饋至一微處理器(未圖示)，根據此偵測的光強度決定施加在偏壓線路220上的電壓值。

而根據第七圖所示的驅動方法應用於第八圖的讀取畫素300，當給予一高電壓於閘極線Gn-1時，開關薄膜電晶體230會打開，感光薄膜電晶體260所感應的光電流會經由開關薄膜電晶體230送到讀取線240讀出，此時B點的電壓大於A點，對感光薄膜電晶體260而言有一個正偏的電壓應力；而當給予一高電壓於閘極線Gn時，會打開畫素薄膜電晶體311並寫入灰階電壓，此時補償薄膜電晶體270也被開啟，寫入補償電流至A點，此時A點的電壓大於B點，對感光薄膜電晶體260而言有一個逆偏的電壓應力，與先前正偏的電壓應力相互補償，使得臨界電壓不會偏移、光電流不會衰減。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其他未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100．．．感光元件

110．．．感光薄膜電晶體

112．．．閘極

114．．．汲極

116．．．源極

120．．．偏壓線路

130．．．開關薄膜電晶體

132．．．閘極

134．．．汲極

136．．．源極

140．．．讀取線

150．．．開關線路

200．．．讀取畫素

210．．．畫素元件

220．．．偏壓線路

230．．．開關薄膜電晶體

232．．．閘極

234．．．汲極

236．．．源極

240．．．讀取線

250．．．第一開關線路

251．．．第二開關線路

260．．．感光薄膜電晶體

262．．．閘極

264．．．源極

266．．．汲極

270．．．補償薄膜電晶體

272．．．閘極

274．．．源極

276．．．汲極

280．．．感光元件

300．．．讀取畫素

310．．．畫素元件

311．．．畫素薄膜電晶體

第一圖顯示一習知的感光元件的示意電路圖；

第二圖顯示一習知的感光元件應用於一般畫素，形成讀取畫素的示意電路圖；

第三圖顯示感光薄膜電晶體在暗態下施以電壓應力持續各種時間下的I-V曲線；

第四圖顯示感光薄膜電晶體在1500lux下施以電壓應力持續各種時間下的I-V曲線；

第五圖顯示感光薄膜電晶體的臨界電壓在長期照光環境後，其臨界電壓偏移的實驗結果；

第六圖顯示根據本發明實施例的感光元件的示意電路圖；

第七圖顯示第六圖電路結構的驅動方法；及

第八圖顯示根據本發明本發明實施例液晶顯示器之讀取畫素的示意電路圖。

200‧‧‧讀取畫素

220‧‧‧偏壓線路

230‧‧‧開關薄膜電晶體

232‧‧‧閘極

234‧‧‧汲極

236‧‧‧源極

250‧‧‧第一開關線路

251‧‧‧第二開關線路

260‧‧‧感光薄膜電晶體

262‧‧‧閘極

264‧‧‧源極

266‧‧‧汲極

270‧‧‧補償薄膜電晶體

272‧‧‧閘極

274‧‧‧源極

276‧‧‧汲極

280．．．感光元件

Claims

一種感光元件，包含：一感光薄膜電晶體，用於感應產生一光電流；一讀取線，用於讀取該光電流；一開關薄膜電晶體，用於控管光電流讀取，該開關薄膜電晶體的源極連接該讀取線、閘極連接一第一閘極線、汲極連接該感光薄膜電晶體的源極；一偏壓線路，該感光薄膜電晶體的閘極與汲極連接至該偏壓線路；及一補償薄膜電晶體，該補償薄膜電晶體的閘極與汲極連接至一第二閘極線、源極連接至該開關薄膜電晶體的汲極；其中當該第一閘極線被施加一高電壓時，該偏壓線路被施加一偏壓、該第二閘極線被施加一低電壓；當施加至該第一閘極線的該電壓被降低至一低電壓時，該偏壓線路仍施加該偏壓、該第二閘極線被施加一高電壓，且該偏壓的電壓值小於施加予該第二閘極線的電壓值。
如申請專利範圍第1項的感光元件，其中該感光元件被設置於一液晶顯示器的一薄膜電晶體陣列基板上，該薄膜電晶體陣列基板上包含有複數個閘極線與資料線，定義了複數個畫素，該感光元件結合於部分或全部的該複數個畫素內，形成複數個讀取畫素。
如申請專利範圍第2項的感光元件，其中該感光元件被結合於每一個藍色次畫素內。
如申請專利範圍第2項的感光元件，其中該液晶顯示器尚包含一偵測元件，用於偵測使用環境的光強度，所偵測的光強度被回饋至一微處理器，該微處理器根據此偵測的光強度決定施加在該偏壓線路的偏壓值。
如申請專利範圍第1項的感光元件，其中該開關薄膜電晶體與該補償薄膜電晶體，其上方被遮光材料所覆蓋，該感光薄膜電晶體至少有部分或全部，不被遮光材料覆蓋。
一種感光元件的驅動方法，該感光元件包含一感光薄膜電晶體；一讀取線；一開關薄膜電晶體，該開關薄膜電晶體的源極連接該讀取線、閘極連接一第一閘極線、汲極連接該感光薄膜電晶體的源極；一偏壓線路，該感光薄膜電晶體的閘極與汲極連接至該偏壓線路；及一補償薄膜電晶體，該補償薄膜電晶體的閘極與汲極連接至一第二閘極線、源極連接至開關薄膜電晶體的汲極，該驅動方法包含下列順序步驟：持續給予該偏壓線路一偏壓，使得該感光薄膜電晶體被打開，而該光電流由該感光薄膜電晶體的源極流出，流向該開關薄膜電晶體；給予該第一閘極線一高電壓，該開關薄膜電晶體被打開，該光電流會由該開關薄膜電晶體的汲極流向源極，並由該讀取線讀出；給予該第一閘極線一低電壓，使得該開關薄膜電晶體被關閉；給予該第二閘極線一高電壓，使得該補償薄膜電晶體被打開；其中，給予該第二閘極線的高電壓值，高於給予該偏壓的電壓值。
如申請專利範圍第6項的方法，其中該感光元件被設置於一液晶顯示器的一薄膜電晶體陣列基板上，該薄膜電晶體陣列基板上包含有複數個閘極線與資料線，定義了複數個畫素，該感光元件結合於部分或全部的該複數個畫素內，形成複數個讀取畫素。
如申請專利範圍第7項的方法，其中該感光元件被結合於每一個藍色次畫素內。
如申請專利範圍第7項的方法，其中給予該偏壓線路的該偏壓，係偵測該液晶顯示器所使用環境的光強度，根據此偵測的光強度決定施加在該偏壓的電壓值。
如申請專利範圍第6項的方法，其中該開關薄膜電晶體與該補償薄膜電晶體，其上方被遮光材料所覆蓋，該感光薄膜電晶體至少有部分或全部，不被遮光材料覆蓋。
一種液晶顯示器，包含：一薄膜電晶體陣列基板，該薄膜電晶體陣列基板上包含有複數個閘極線與資料線，定義了複數個畫素，複數個感光元件被結合於部分或全部的該複數個畫素內，形成複數個讀取畫素，其中每個感光元件包含：一感光薄膜電晶體，用於感應產生一光電流；一讀取線，用於讀取該光電流；一開關薄膜電晶體，用於控管光電流讀取，該開關薄膜電晶體的源極連接該讀取線、閘極連接一第一閘極線、汲極連接該感光薄膜電晶體的源極；一偏壓線路，該感光薄膜電晶體的閘極與汲極連接至該偏壓線路；及一補償薄膜電晶體，該補償薄膜電晶體的閘極與汲極連接至一第二閘極線、源極連接至開關薄膜電晶體的汲極；其中當該第一閘極線被施加一高電壓時，該偏壓線路被施加一偏壓、該第二閘極線被施加一低電壓；當施加至該第一閘極線的該電壓被降低至一低電壓時，該偏壓線路仍施加該偏壓、該第二閘極線被施加一高電壓，且該偏壓的電壓值小於施加予該第二閘極線的電壓值。
如申請專利範圍第11項的液晶顯示器，其中該感光元件被結合於每一個藍色次畫素內。
如申請專利範圍第11項的液晶顯示器，尚包含一偵測元件，用於偵測使用環境的光強度，所偵測的光強度被回饋至一微處理器，該微處理器根據此偵測的光強度決定施加在該偏壓線路的電壓值。
如申請專利範圍第11項的感光元件，其中該開關薄膜電晶體與該補償薄膜電晶體，其上方被遮光材料所覆蓋，該感光薄膜電晶體至少有部分或全部，不被遮光材料覆蓋。