TWI404040B

TWI404040B - 畫素電路與其驅動方法以及所應用之顯示面板與顯示器

Info

Publication number: TWI404040B
Application number: TW99106960A
Authority: TW
Inventors: Kuei Yu Lee; Jui Hsin Chang; Chang Po Chao; Hong Shen Lin
Original assignee: Au Optronics Corp
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2013-08-01
Also published as: TW201131545A

Description

畫素電路與其驅動方法以及所應用之顯示面板與顯示器

本發明是有關於一種平面顯示技術，且特別是有關於一種關聯於有機發光二極體的畫素電路與其驅動方法以及所應用之顯示面板與顯示器。

邁入二十一世紀後，電子產品的趨勢將逐漸朝向輕巧化以及傳輸大量的資訊和影像。有鑑於此，人們逐漸需要符合未來生活的新一代平面顯示器。自1987年美國柯達公司發表具實用潛力的有機發光二極體(organic light emitting diode，以下簡稱OLED)元件至今，已吸引無數亞洲以及歐美各國投入OLED顯示器的研究以及量產，儼然已經被視為繼薄膜電晶體液晶顯示器(thin film transistor liquid crystal display，以下簡稱TFT LCD)後，未來最具發展潛力的平面顯示技術之一。

OLED受到青睞的原因除了具有自發光、高應答速度特性(lus)、省電(功率消耗僅TFT LCD的三分之一)、輕薄(面板厚度可小於1mm)、廣視角(180度)、廣色域(NTSC 100%以上)、低操作電壓(3-10V)、高對比(可達104：1)等優點外，另有製程簡單低成本、可應用於撓曲性面板等特色。

現今OLED顯示器大致可分為被動式矩陣(passive matrix)OLED顯示器與主動式矩陣(active matrix)OLED 顯示器。前者的驅動方式主要是利用掃描手段/機制來瞬間產生高亮度，故而耗電力較高、元件較易劣化，而且不適合發展高解析度面板；另外，後者主要驅動方式為利用薄膜電晶體(TFT)元件，並且搭配電容來儲存不同的資料訊號，藉以控制面板上之各個畫素的灰階(grayscale)。

由於主動式矩陣OLED顯示器在掃描過後，畫素仍然能保持原有的亮度，而且主動式矩陣OLED顯示器並不需要驅動到非常高的亮度。因此，相較於被動式矩陣OLED顯示器而言，主動式矩陣OLED顯示器不但可以達到較佳的壽命表現，且也可以達成高解析度的需求。因此，目前研究均朝向可用於大型面板的主動式矩陣OLED顯示器前進。

然而，OLED元件所遇最大問題即為產生劣化，其原因分為非本質劣化與本質劣化。其中，非本質劣化為製程或封裝時造成的元件衰退，其主要表現在黑點(dark spots)的產生；另外，本質劣化為OLED元件在持續點亮的狀況下，其亮度會隨著時間增加而慢慢衰減，此一現象非由外界所造成，而是OLED元件本身使用一段時間後所產生的劣化。至目前為止，研究此一現象之成果可謂百家爭鳴。

OLED元件的本質劣化是影響OLED面板均勻性的主要原因，而成因為OLED之畫素電路中的薄膜電晶體(TFT)元件在長時間受正偏壓所造成之臨界電壓(threshold voltage,Vth)的飄移(drift)。如圖1所示，其為現今最簡單之OLED的畫素電路(2T1C)100示意圖。請參照圖1，畫素電路100的運作原理大致為：當掃描線SL所接收之掃描訊號Vscan致使薄膜電晶體T1導通時，此時資料線DL所接收的資料訊號Vdata會儲存在電容Cc內；另外，當掃描線SL所接收之掃描訊號Vscan致使薄膜電晶體T1關閉時，薄膜電晶體T2會導通，藉以致使儲存在電容Cc的電壓會對應到給予OLED的驅動電流Ioled。

如下公式(1)所示，其表示為流經OLED的驅動電流Ioled：

其中，K為薄膜電晶體T2的製程參數(為常數)；V_GS為薄膜電晶體T2之閘源極間的電壓；而V_th為薄膜電晶體T2的臨界電壓。

由於薄膜電晶體T2之臨界電壓Vth會因長時間處於正偏壓驅動而產生飄移，所以一旦薄膜電晶體T2的臨界電壓Vth產生飄移，就會直接影響流經OLED的電流Ioled大小。如此一來，各OLED畫素電路反應相同之資料訊號Vdata所流經的電流大小就會不同，從而使得各OLED畫素所呈現的灰階也會不同，而這也是影響OLED面板均勻性的主因。此一現象不但導致OLED面板壽命與目前市面上之TFT LCD面板差異極大，且更導致OLED面板無法順利大量量產。

有鑒於此，本發明提供一種畫素電路，其得以補償薄膜電晶體的臨界電壓飄移、延緩OLED元件產生劣化，以及降低資料訊號的輸入複雜度。

本發明提供一種畫素電路，其包括第一至第四電晶體、固定電流源、電容，以及發光元件。其中，第一電晶體的第一汲/源極用以接收資料訊號。第二電晶體的閘極用以接收掃描訊號，而第二電晶體的第一汲/源極電性連接第一電晶體的第二汲/源極。固定電流源電性連接於第二電晶體之第二汲/源極與接地電位之間。第三電晶體的閘極用以接收掃描訊號，第三電晶體的第一汲/源極電性連接第二電晶體的第一汲/源極，而第三電晶體的第二汲/源極電性連接第一電晶體的閘極。電容的第一端電性連接第一電晶體的閘極，而電容的第二端用以接收時變訊號。第四電晶體的閘極電性連接第一電晶體的閘極，而第四電晶體的第一汲/源極電性連接至系統高電壓。發光元件的陽極電性連接第四電晶體的第二汲/源極，而發光元件的陰極電性連接至系統低電壓。

於本發明的一實施例中，時變訊號可以為鋸齒波訊號或方波訊號；第一至第四電晶體可以為P型電晶體；以及發光元件可以為有機發光二極體。

本發明另提供一種具有上述本發明所提出之畫素電路的顯示面板與其所應用之顯示器。

於本發明的一實施例中，時變訊號的頻率實質上等於顯示器的畫面更新率。

本發明又提供一種適於驅動具有一有機發光二極體之畫素電路的驅動方法，其包括：於一畫面期間的充電期間，反應於畫素電路所接收之掃描訊號與資料訊號，而控制畫素電路中用以驅動有機發光二極體之電晶體的閘極電壓等於資料訊號的電壓準位，並且致使有機發光二極體發光；以及於同一畫面期間的調整期間，反應於畫素電路所接收之時變訊號(可以為鋸齒波訊號或方波訊號，但不限制於此)，而提升用以驅動有機發光二極體之電晶體的閘極電壓，直至此電晶體關閉為止，並且致使有機發光二極體停止發光。

於本發明的一實施例中，流經有機發光二極體的電流與用以驅動有機發光二極體之電晶體的臨限電壓無關。

本發明更提供一種畫素電路，其包括發光元件與驅動單元。其中，驅動單元電性連接發光元件，用以反應於資料訊號與掃描訊號而致使發光元件發光，並且反應於時變訊號而致使發光元件停止發光。

基於上述，本發明所提出的畫素電路至少具有以下幾點特點：1、利用電流鏡補償方式來補償用以驅動發光元件(亦即OLED元件)之電晶體的臨界電壓飄移；2、藉由施加時變訊號以讓畫素電路之OLED元件在每一畫面期間均有停止發光的休息時間，從而來延緩OLED元件產生劣化；以及3、利用固定電流源搭配電壓型態輸入的資料訊號來控制畫素電路所呈現的灰階，如此一來僅需設計合適的固定電流源(毋需使用複雜的可變電流源)以搭配電壓型態輸入的資料訊號處理晶片即可，藉以達成降低資料訊號輸入的複雜度。

應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。

現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。

圖2繪示為本發明一實施例之主動式矩陣有機發光二極體(AMOLED)顯示器200的示意圖。請參照圖2，主動式矩陣有機發光二極體顯示器200包括顯示面板201、資料驅動裝置203、掃描驅動裝置205，以及時變訊號產生器207。於本實施例中，顯示面板201包括至少一條電性連接至資料驅動裝置203的資料線DL、至少一條電性連接至掃描驅動裝置205的掃描線SL以及至少一畫素電路Pix，而且畫素電路Pix包含有發光元件OLED(亦即有機發光二極體)與驅動單元DU。

於本實施例中，驅動單元DU電性連接發光元件OLED，用以反應於資料驅動裝置203所提供的資料訊號(data signal)Vdata與掃描驅動裝置205所提供的掃描訊號(scan signal)Vscan而致使發光元件OLED發光，並且反應於時變訊號產生器207所產生的時變訊號(time-vary signal)Vtv(例如可以是鋸齒波訊號或方波訊號，但並不限制於此)而致使發光元件OLED停止發光。

更清楚來說，驅動單元DU包括P型電晶體T1~T4、固定電流源Is，以及電容Cc。其中，第一電晶體T1的第一汲/源極用以接收資料訊號Vdata。第二電晶體T2的閘極用以接收掃描訊號Vscan，第二電晶體T2的第一汲/源極電性連接第一電晶體T1的第二汲/源極。固定電流源Is電性連接於第二電晶體T2之第二汲/源極與接地電位之間。

第三電晶體T3的閘極用以接收掃描訊號Vscan，第三電晶體T3的第一汲/源極電性連接第二電晶體T2的第一汲/源極，而第三電晶體T3的第二汲/源極電性連接第一電晶體T1的閘極。電容Cc的第一端電性連接第一電晶體T1的閘極，而電容Cc的第二端用以接收時變訊號Vtv。

第四電晶體T4的閘極電性連接第一電晶體的閘極T1，第四電晶體T4的第一汲/源極電性連接至一系統高電壓Vdd，第四電晶體T4的第二汲/源極電性連接發光元件OLED的陽極(anode)，而發光元件OLED的陰極(cathode)電性連接至一系統低電壓Vss。

基於上述，假設時變訊號產生器207所產生的時變訊號Vtv為鋸齒波訊號(sawtooth wave signal)的話(以下換稱時變訊號Vtv為鋸齒波訊號Vtv)，則圖3繪示為本發明一實施例之畫素電路Pix在主動式矩陣有機發光二極體顯示器200一個畫面期間FP內掃描訊號Vscan、第四電晶體T4之閘極電壓Vg，以及流經發光元件OLED之電流Ioled的示意圖。請合併參照圖2與圖3，於本實施例中，畫素電路Pix在主動式矩陣有機發光二極體顯示器200一個畫面期間FP內的運作狀況大致可分為兩個階段，其一為充電期間(charging period)A，而另一為調整期間(adjusting period)B，且鋸齒波訊號Vtv的頻率(frequency)實質上等於主動式矩陣有機發光二極體顯示器200的畫面更新率(frame rate)。

當畫素電路Pix處於充電期間A時，其會反應於掃描訊號Vscan與資料訊號Vdata而發光。更清楚來說，當畫素電路Pix處於充電期間A時，掃描訊號Vscan為低電壓準位。如此一來，電晶體T2和T3會導通以使得電容Cc經時變訊號Vtv以及電晶體T2和T3而進行充電。於本實施例中，當電容Cc充電直到穩態時，第四電晶體T4的閘極電壓Vg會基於固定電流元Is與資料訊號Vdata而呈現為一個固定電壓差Vgs。也亦因如此，第四電晶體T4的閘極電壓Vg會因此固定偏壓而被資料訊號Vdata所控制。換言之，第四電晶體T4的閘極電壓Vg會完全依照資料訊號Vdata的大小所決定。

畫素電路Pix經過充電期間A而決定第四電晶體T4之閘極電壓Vg的電壓準位後，則會進入調整期間B。根據圖3所示，第四電晶體T4的閘極電壓Vg會被逐漸上升的鋸齒波訊號Vtv拉升。如此一來，當第四電晶體T4的閘極電壓Vg上升到達其臨限電壓Vth時，發光元件OLED便不會流經任何的電流Ioled，亦即無電流流經發光元件OLED。

於本實施例中，關於流經發光元件OLED的電流Ioled何時會為零，以及其初始電流之大小則需視第四電晶體T4之閘極電壓Vg於充電期間A所定義的電壓準位而定。若第四電晶體T4之閘極電壓Vg的電壓準位較高，則會造成流經發光元件OLED的電流Ioled較小，且會較快提升至第四電晶體T4的臨限電壓Vth，從而導致發光元件OLED有較長的時間不會流經任何的電流Ioled，反之亦然。

基於上述可知，畫素電路Pix於充電期間A所接收的資料訊號Vdata會決定第四電晶體T4的閘極電壓Vg大小，藉以調整畫素電路Pix進入調整期間B，流經發光元件OLED的電流Ioled大小以及發光元件OLED關閉的時間長短。於此，若主動式矩陣有機發光二極體顯示器200的畫面更新率大於60Hz的話，則人類視覺並不會察覺到無電流流經畫素電路Pix時，發光元件OLED無(停止)發光的閃爍現象。而且，經過人眼之視覺暫留的影響，流經發光元件OLED的電流Ioled大小以及發光元件OLED無發光的時間長短將會共同決定畫素電路Pix所呈現的灰階(grayscale)。

由此可知，畫素電路Pix在每一個畫面期間FP裡均有一段讓發光元件OLED停止發光的休息時間(時間長短可視實際設計需求來決定)，藉以達到降低發光元件OLED 之本質劣化的影響。

更清楚來說，圖4繪示為本發明一實施例之第四電晶體T4的閘極電壓Vg與流經發光元件OLED之電流Ioled的模擬圖。請參照圖4，圖4中所示的標號401為系統高電壓Vdd；標號402為第四電晶體T4的閘極電壓Vg；而標號403為流經發光元件OLED的電流Ioled。從圖4可以清楚看出，當第四電晶體T4的閘極電壓Vg上升到超過電晶體T4的臨限電壓Vth時，流經發光元件OLED的電流Ioled將會下降直到第四電晶體T4關閉為止(亦即無電流流經發光元件OLED)。也亦因如此，本實施例利用此一電流關閉現象，將可以達到降低發光元件OLED之本質劣化的影響。

另一方面，固定電流源Is在畫素電路Pix進入充電期間A的電流可表示成如下公式(2)：Is=K _T1(V _{GS_T1}+|V _TH,T1|)²...公式(2)

其中，K_T1為電晶體T1的製程參數(為常數)；V_{GS_T1}為電晶體T1之閘源極間的電壓；而V_TH,T1為電晶體T1的臨界電壓。如此一來，第四電晶體T4的閘極電壓Vg可轉換成如下公式(3)：

因此，通過第四電晶體T4而流經發光元件OLED的電流Ioled可表示成如下公式(4)：

其中，K_T4為電晶體T4的製程參數(為常數)；而V_TH,T4為電晶體T4的臨界電壓。

於此，假設電晶體T1的製程參數V_TH,T1以及電晶體T4的製程參數V_TH,T4沒有差異的話，則通過第四電晶體T4而流經發光元件OLED的電流Ioled可更能表示成如下公式(5)：

基於公式(5)可以得知，第四電晶體T4處於長時間正偏壓所導致之臨界電壓飄移並不會影響到流經發光元件OLED之電流Ioled的大小，從而使得顯示面板201的均勻度上升。

再者，本實施例之畫素電路Pix係以固定電流源Is搭配電壓型態輸入的資料訊號Vdata來控制畫素電路Pix所呈現的灰階。如此一來，本實施例僅需設計合適的固定電流源Is(毋需使用複雜的可變電流源)以搭配電壓型態輸入的資料訊號處理晶片即可，藉以達成降低資料訊號Vdata輸入的複雜度。

除此之外，雖然上述實施例係以時變訊號Vtv為鋸齒波訊號為例來進行說明，但是本發明並不限制於此。更清楚來說，假設時變訊號產生器207所產生的時變訊號Vtv為方波訊號(square wave signal)的話，則圖5繪示為本發明另一實施例之畫素電路Pix在主動式矩陣有機發光二極體顯示器200一個畫面期間FP內掃描訊號Vscan、第四電晶體T4之閘極電壓Vg，以及流經發光元件OLED之電流Ioled的示意圖。

於本實施例中，當時變訊號產生器207所產生的時變訊號Vtv為方波訊號的話(其頻率實質上也等於主動式矩陣有機發光二極體顯示器200的畫面更新率)，畫素電路Pix在主動式矩陣有機發光二極體顯示器200一個畫面期間FP內的運作狀況大致也可分為兩個階段，其一為充電期間A’，而另一為調整期間B’。然而，由於畫素電路Pix進入充電期間A’與調整期間B’係分別類似於畫素電路Pix進入充電期間A與調整期間B，故而在此並不再加以贅述之。

另一方面，雖然上述實施例之畫素電路Pix係以P型電晶體T1~T4為例來進行說明，但是本發明並不限制於此。更清楚來說，在本發明其他實施例中，也可將畫素電路Pix之P型電晶體T1~T4轉換為N型電晶體。如此一來，僅需將掃描訊號Vscan與時變訊號Vtv做相對應地改變，藉以達到與上述實施例相似/類似的技術功效即可。然而，該等教示內容乃屬本領域具有通常知識者所熟識的技藝，且應可自行推演/類推出，故而在此並不再加以贅述之。

基於上述實施例所揭示的內容，圖6繪示為本發明一實施例之適於驅動具有一有機發光二極體(OLED)之畫素電路的驅動方法，其包括：於一畫面期間的充電期間，反應於畫素電路所接收之掃描訊號與資料訊號，而控制畫素電路中用以驅動有機發光二極體之電晶體的閘極電壓等於資料訊號的電壓準位，並且致使有機發光二極體發光(步驟S601)；以及於同一畫面期間的調整期間，反應於畫素電路所接收之時變訊號(例如可以為鋸齒波訊號或方波訊號，但不限制於此)，而提升用以驅動有機發光二極體之電晶體的閘極電壓，直至此電晶體關閉為止，並且致使有機發光二極體停止發光(步驟S603)。

綜上所述，本發明所提出的畫素電路至少具有以下幾點特點：1、利用電流鏡(亦即第一電晶體T1與第四電晶體T4)補償方式來補償用以驅動發光元件OLED之電晶體(亦即第四電晶體T4)的臨界電壓飄移；2、藉由施加時變訊號(Vtv)以讓畫素電路之發光元件OLED在每一畫面期間均有停止發光的休息時間，從而來延緩OLED元件產生劣化；以及3、利用固定電流源搭配電壓型態輸入的資料訊號來控制畫素電路所呈現的灰階，如此一來僅需設計合適的固定電流源(毋需使用複雜的可變電流源)以搭配電壓型態輸入的資料訊號處理晶片即可，藉以達成降低資料訊號輸入的複雜度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、Pix‧‧‧畫素電路

200‧‧‧主動式矩陣有機發光二極體顯示器

201‧‧‧顯示面板

203‧‧‧資料驅動裝置

205‧‧‧掃描驅動裝置

207‧‧‧時變訊號產生器

SL‧‧‧掃描線

DL‧‧‧資料線

Cc‧‧‧電容

T1~T4‧‧‧電晶體

DU‧‧‧驅動單元

OLED‧‧‧有機發光二極體/發光元件

Vscan‧‧‧掃描訊號

Vdata‧‧‧資料訊號

Vtv‧‧‧時變訊號/鋸齒波訊號/方波訊號

Ioled、403‧‧‧流經有機發光二極體的電流

Is‧‧‧固定電流源

Vdd、401‧‧‧系統高電壓

Vss‧‧‧系統低電壓

Vgs‧‧‧電晶體之閘源極間的電壓

Vg、402‧‧‧電晶體的閘極電壓

Vth‧‧‧電晶體的臨界電壓

FP‧‧‧畫面期間

A、A’‧‧‧充電期間

B、B’‧‧‧調整期間

S601、S603‧‧‧本發明一實施例之適於驅動具有一有機發光二極體(OLED)之畫素電路的驅動方法各步驟

圖1繪示為現今最簡單之有機發光二極體(OLED)的畫素電路(2T1C)示意圖。

圖2繪示為本發明一實施例之主動式矩陣有機發光二極體(AMOLED)顯示器的示意圖。

圖3繪示為本發明一實施例之畫素電路在主動式矩陣有機發光二極體顯示器一個畫面期間內掃描訊號、第四電晶體之閘極電壓，以及流經發光元件之電流的示意圖。

圖4繪示為本發明一實施例之第四電晶體的閘極電壓與流經發光元件之電流的模擬圖。

圖5繪示為本發明另一實施例之畫素電路在主動式矩陣有機發光二極體顯示器一個畫面期間內掃描訊號、第四電晶體之閘極電壓，以及流經發光元件之電流的示意圖。

圖6繪示為本發明一實施例之適於驅動具有一有機發光二極體(OLED)之畫素電路的驅動方法