TWI520119B - 像素電路及顯示裝置 - Google Patents

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Description

像素電路及顯示裝置
本發明涉及使用自發光元件的像素電路及其顯示裝置。
近來，有機電致發光(EL)顯示器正積極地發展，取得了顯著的進步。使用如有機EL的自發光元件的顯示器在視角特性以及表示傑出顯示特性的對比方面係具有優勢。
有機EL顯示器係藉被動方法或主動方法而驅動。對於具有大螢幕、高清晰度以及高刷新速率的顯示器，因為有機EL元件在大電流密度中使用時易於損壞，所以主要係使用主動方法。主動矩陣驅動系統大體分為類比驅動系統和數位驅動系統。
例如，使用第1圖的結構係當作類比驅動系統的像素電路。P通道當作P通道驅動電晶體(薄膜電晶體，TFT)T1，其源極連接至電源VDD且保留電容Cs係位於閘極以及源極之間。而且，驅動電晶體T1的汲極經由有機EL元件OLED連接至電源CV。資料信號Vdata自資料線經由開關SW提供至驅動電晶體T1的閘極。基本上，有機EL元件OLED連接至驅動電晶體T1的汲極。
基於亮度階度的資料信號(信號電壓)Vdata係施加於驅動電晶體T1的閘極，該信號電壓Vdata由保留電容Cs保留1圖框週期，然後基於信號電壓Vdata的像素電流提供至有機EL元件OLED。
像素電流係由在飽和區驅動之驅動電晶體T1的閘極和源極之間的電壓Vgs(VDD-Vdata)所控制。通常，有機EL的驅動電壓大約為3V至10V，但因為驅動電晶體T1在飽和區驅動，所以需要額外大約5V作為電源電壓。
第2A圖說明驅動電晶體T1的汲極Va和汲極電流之間的關係以及有機EL元件LED的施加電壓Va和有機EL元件電流Ioled之間的關係。一旦確定Vgs，就確定了驅動電流和Vds的關係。因此，Va和Ioled係由Vgs和Voled所選定之特徵線的相交處而確定。如上所述，驅動電晶體T1係用於飽和區，且其Vds=VDD-Va變為相當大的數值。
一般，多晶矽或非晶矽是用於驅動TFT。多晶矽具有源於不均勻晶粒的特性變動，而非晶矽具有伴隨著驅動的臨界漂移，並在類比驅動系統中，有機EL元件的驅動電流受到驅動TFT之特性的影響，而導致像素中亮度變動。
因此在類比驅動系統中，一種補償驅動TFT之臨界電壓變動的驅動像素電路方法已被提出。
另一方面，在數位驅動系統中，驅動TFT當用作簡易開關且亮度階度係由時序共用驅動而實現。一個圖框週期分為複數個子圖框，而且每個子圖框內的發光和不發光係基於顯示階度而控制。
驅動TFT利用數位驅動系統在線性區域內運行。因此，如第2B圖所示，汲極和源極之間的電壓Vds與有機EL元件OLED的驅動電壓Voled(Va和VDD之間的壓差為Vds)小。從而，與類比驅動系統相比，不會輕易地受到驅動TFT特性變化的影響，且具有降低功耗的優勢。
另一方面，因為亮度階度由發光時間控制，所以電流密度在發光時會變大。因此，一圖框需要基於顯示階度而分成子圖框。另外，分成子圖框會有限制，且變成很難實現高階度表現以及高解析度表現。因此，提出一種包含除了資料寫入TFT外還包含資料抹除TFT且相鄰子圖框暫時重疊的驅動方法(參見專利參考文獻2)。
又，有機EL元件的劣化通常是以大約正比於電流密度的1.5至1.7次方的速度進行。在數位驅動系統中，階度係藉發光時的時間共用驅動以及電流密度而表示，使得有機EL元件相對容易劣化。另外，依據驅動所導致的劣化，有機元件的驅動電壓很容易變高，而且在固定電壓驅動系統的數位驅動系統中，像素亮度的下降會變得較大。
[專利參考文獻1]　日本公開未審專利申請第2007-310034號
[專利參考文獻2]　日本公開未審專利申請第2001-343933號
如上述說明，與數位驅動系統相比，在類比驅動系統中的功耗會變大，但數位驅動系統具有下列問題且無法廣泛地應用。另一方面，對具低功耗的有機EL顯示器有很大的需求，而且很期待低功耗驅動系統。
根據本發明，像素電路包含有機EL元件以及用於將電流從電源提供至所述有機EL元件的驅動電晶體，其中所述驅動電晶體的源極端連接至所述有機EL元件的一端，所述有機EL元件的另一端連接至電源電位，其特徵在於，所述驅動電晶體的所述有機EL元件的每顯示單元面積的互導係等於或大於1x10-11(A/V2/m2)。
較佳地，所述驅動電晶體的互導是藉滿足下列其中之一而做成較大：當驅動電晶體的遷移率等於或大於15cm2Vs而閘極電壓等於或小於20V時通道電容變大；或者驅動電晶體的閘極絕緣體的厚度等於或小於1000埃；或者自所述有機EL元件傳輸至驅動電晶體的光線相對於驅動電晶體的通道層或相對於源電極的可見光具有70%或以上的最大波長透光率，而且驅動電晶體也做成較大。
又，驅動電晶體為薄膜電晶體(TFT)，且驅動TFT的通道層較佳係由多晶矽或非晶矽或微晶矽或半導體氧化物而形成。
較佳地，驅動TFT的臨界電壓或有機EL元件的開啟電壓或其總和係加入階度信號電壓，並施加至驅動TFT的閘極。
又較佳地，有機元件的溫度是由室溫、顯示器溫度、顯示影像以及顯示影像之歷史而推測，並且包括調節提供給像素或信號電壓的電源電壓的功能。
又，根據本發明顯示裝置的特徵在於應用上述像素電路。
如上述說明，根據本發明，在使用有機EL元件的顯示裝置中，類比驅動可能具有低功耗。
本發明的實施例將基於以下圖式而詳細說明。
根據實施例中的顯示裝置，有機EL元件連接至驅動TFT的源極。
一般而言，有機EL元件為汲極連接至驅動電晶體(TFT)，且該驅動電晶體的每顯示面積上的互導係設計為大約1x10-12至5x10-12(A/V2/m2)。在本實施例中，驅動電晶體的每顯示面積上的互導是等於或大於1x10-11(A/V2/m2)，而較佳為1x10-10(A/V2/m2)。在此，電晶體的互導是定義成相對於閘極電壓的偏微分汲極電流所獲得的數值，且通常是與通道電場相關。因此，互導的數值係取決於施加至電晶體的閘極電壓。所以傳統上，在適當閘極電壓內的汲極電流之閘極電壓的最大偏微分是用來當作互導值。
結果，驅動電晶體的閘極和源極之間的電壓需要等於或小於1V，較佳是等於或小於0.4V，其與有機EL元件的驅動電壓相比是足夠小。因此，使驅動電晶體在飽和區內操作所必需的汲極及源極間電壓，是有機EL元件的驅動電壓的一部分，較佳是等於或小於1/10。
如上述說明，根據本實施例，在傳統類比驅動系統中，與驅動電晶體的汲極和源極所需大約5V的電壓相比，電源電壓可減少30%至60%，而且功耗可降低。
在數位驅動系統中，當驅動電壓因有機EL元件的劣化而增加很大時，便很難校正亮度。本實施例為類比驅動系統，並且相當容易將有機EL元件增大的驅動電壓加入像素電路中驅動電晶體的閘極。
為了實現本實施例，需要使用具有高互導的電晶體。增大互導的方法包括：增加通道遷移率、降低通道電容、使通道寬長比加大，等等。
增加以TFT製成之驅動電晶體的互導的最簡單方法是增加通道遷移率。具有高遷移率的TFT通道材料包括多晶矽(ELA(準分子雷射退火)方法，SPC(固相結晶)方法以及雷射退火方法)、以及半導體氧化物(ZnO、IGZO、IZO、ZTO等)。在此情況下，遷移率等於或大於15cm2/Vs，較佳是等於或大於20cm2/Vs。
多晶矽較佳是本實施例的驅動電晶體，因為其載子的遷移率很高。一般而言，較佳是在有機EL元件的陰極上形成接觸，或相反地，有機EL元件是由陰極藉累積而形成，因為多晶矽形成P通道。
又，半導體氧化物是較佳的，因為其通常形成N通道且其遷移率很高。半導體氧化物在均勻初始特性和偏壓應用元件的穩定性上的優勢，所以是較佳的。尤其，當遷移率足夠大或通道長寬比可使用透明電極及通道而變得更大時，半導體氧化物是較佳的，因為閘極電壓可設置為低，且施加到閘極上的電場可設置為最小，以控制因偏壓所導致的驅動電晶體的劣化。
所述驅動電晶體可藉增大通道電容以增大互導。對於增大通道電容的方法，最好使用如化學蒸氣沉積(CVD)方法和原子層沉積(ALD)方法的層壓方法，以便形成閘極絕緣體。該閘極絕緣體的厚度最好等於或小於1000(埃)，尤其最好等於或小於大約500 。
所述驅動電晶體可藉增大該驅動電晶體的通道長寬比而增加互導。鑒於加工精度及良率，所以縮短通道會有限制，並因而主要是藉加寬TFT通道寬度而達成。
為了增加驅動電晶體的尺寸，較佳是加寬通道寬度，而確保有機EL元件的亮度區域。因此，較佳是具有頂部發光結構，該結構用於將有機EL元件的發光抽引至設置有如驅動電晶體之TFT的TFT基板的相對側上。
又，當使用底部發光結構時，較佳是藉使用透明電極和透明通道而重疊一部分驅動電晶體以及有機EL發光區域，而使光線穿過一部分TFT。在此情況下，相對於透明通道和電極的可見光，最大波長透光率等於或大於70%。更佳是，對幾乎整個可見光區域是等於或大於70%，並且最大波長透射比相對於可見光是等於或大於80%。結果，儘管當驅動電晶體藉加寬該驅動電晶體的通道寬度而變大時，仍保持具充足孔徑比的像素。
使用有機EL元件當作負載之源極隨耦電路的IV特性係取決於有機EL元件的特性。尤其，EL元件是強烈的取決於溫度，而且本發明所應用的像素電路的IV特性是強烈的取決於操作溫度。因此，較佳的是包括用以調節電源電壓或信號電壓的功能，最好基於顯示溫度、室溫以及顯示內容以校正像素電路IV的溫度相依性，且是依據有機EL元件的溫度相依性。也就是說，有機EL元件的溫度可藉測量顯示溫度和環境溫度(室溫)而估計。而且，有機EL元件的溫度可基於從影像資料內容(顯示內容)的歷史以估計顯示電流的結果而估計。又，基於由此獲得之有機EL元件被估計的溫度，藉調節電源電壓和信號電壓，基於溫度變動以補償有機EL元件的驅動電流的變動(=發光亮度)會變成可能。
“實施例1”
第3圖為本發明第一實施例中像素電路的結構圖式。該電路由兩個TFT和保持電容組成。
N型驅動電晶體(TFT)T1的汲極連接至電源VDD，而且閘極係經寫入電晶體(TFT)T2而連接至信號線。保持電容Cs連接至N型驅動電晶體T1的閘極和汲極之間。有機EL元件OLED的陽極連接至驅動電晶體T1的源極，且其陰極連接至電源CV。
第一實施例電路的操作將在下面詳細解釋。第3圖的電路，作為傳統像素電路，藉由將來自信號線的信號電壓Vdata施加至T1的閘極，基於目標亮度以從驅動電晶體T1供應驅動電流至有機EL元件OLED。然而，在第3圖的電路中，有機EL元件OLED連接至驅動電晶體T1的源極側以形成所謂的源極隨耦電路，而且施加到閘極的電壓Vg變成供應有機EL元件OLED之驅動電流所需之驅動電晶體T1的閘極及源極電壓Vgs以及有機EL元件OLED本身的驅動電壓Voled的總合(Vg=Vgs+Voled)。
在此，當驅動電晶體T1的互導等於或大於1x10-11(A/V2/m2)時，最好等於或大於1x10-10(A/V2/m2)，驅動有機EL元件OLED所必需的驅動電晶體T1之Vgs通常等於或小於1V。
例如，如果有機EL顯示器具有8位元階度，則在類比驅動系統中，信號電壓需要利用256階度來控制。如果驅動電晶體T1的驅動範圍變得較小，則很難精確控制階度。根據本實施例，藉控制由加入有機EL元件OLED的驅動電壓所獲得的電壓，階度電壓可精確控制，即使是利用具高互導的驅動電晶體T1。
第4圖為第一實施例中電路的操作偏壓的實例。曲線Va代表有機EL元件OLED的陽極電位Va之變動以及流入有機EL元件之電流loled之間的關係，並且曲線Vg代表驅動電晶體T1的閘極電壓Vg以及於此時施加的電流loled之間的關係。第4圖中驅動電晶體的閘極電壓Vg以及有機EL元件OLED的陽極電壓(=驅動電晶體T1的源極電壓)之間的壓差係對應於驅動電晶體T1的Vgs，因為驅動電晶體T1的電流以及有機電晶體T1的電流相同。又，第4圖表示當驅動電晶體T1的Vgs為常數值且其源電位被修正時施加至驅動電晶體T1的電流值。
因為驅動電晶體T1的互導很高且驅動電晶體的Vgs相對較小，所以汲極及源極電壓Vds不需要很大就可操作驅動電晶體T1在飽和區。當第4圖與第2A圖所示的習用技術中之操作偏壓作比較時，可以清楚瞭解到電源電壓VDD-CV被抑制。也就是說，驅動電流Voled可藉Vgs修正，但Vds=VDD-Va可能相對較小，允許VDD為相對較低電壓。
又，當微結晶矽或半導體氧化物當作驅動電晶體T1時，預計可保持臨界電壓漂移為最小值，因為驅動電晶體T1的閘偏壓係保持低電壓。因此，可以解決傳統的問題，比如使用這種電晶體於驅動TFT中所引起的元件劣化。
“實施例2”
當有機EL元件OLED的電阻藉驅動而增加時，對於在劣化之後增大的開啟電壓，會很有效的補偏EL元件OLED的驅動電壓Voled。當作第二實施例，包括將有機EL元件的開啟電壓加入驅動TFT的閘極之功能的電路。
第5圖為第二實施例的電路圖，第6圖為該電路的驅動時序圖。為了簡化，有機EL元件OLED的陰極電位CV係被視為0V。
電晶體T4係設置於驅動電晶體T1的汲極和電源VDD之間，且保持電容Cs是設置在驅動電晶體T1的閘極和寫入電晶體T2之間。又，電晶體T3設置在驅動電晶體T1的閘極和源極之間，且寫入電晶體T2和保持電容的連接點是經電晶體T5連接至電源VDD。電晶體T4及T5藉信號ENB而開啟以及關閉，且電晶體T3是藉與電晶體T2相同的信號SCN而開啟及關閉。
當信號電壓被重寫時，信號ENB設定為低位準，信號SCN設定為高位準。結果，電晶體T4關閉且有機EL元件OLED兩端的電壓下降以停止發光。此時，有機EL元件OLED的陽極電位Va變為開啟電壓Vturn-on。藉開啟電晶體T3而將Vturn-on引入驅動電晶體T1的閘極。因為驅動電晶體T1導通，所以藉使用當作驅動電晶體T1的抑制型TFT而將Vturn-on引入閘極電壓Vg。
同時，電晶體T5關閉而且寫入電晶體T2開啟，而將信號電壓Vdata寫入至保持電容Cs的寫入電晶體T2一側上的電壓Vb。當目標閘極和源極電壓為Vgs時，該信號電壓Vdata如下所示：
Vdata=VDD-(Vgs-ΔVoled)
然而，當有機EL元件的目標驅動電壓為Voled時，會變為：
ΔVoled=Voled-Vturn-on
接著，當信號ENB設定為低位準，信號SCN設定為高位準，電晶體T2及T3關閉，且電晶體T4及T5開啟時，Vg變為：Vgs+Voled。結果，Vgs係施加至驅動電晶體T1的閘極和源極之間，且Voled係施加至有機EL元件OLED，以校正有機EL元件OLED的驅動電壓增量ΔVoled所引起的亮度變動。
電晶體T1及T5的互導係設計成高值，並因此電源電壓VDD-CV幾乎等於有機EL元件的驅動電壓，如第一實施例中所述，且第二實施例中的電路也在低功耗中操作。
第7圖顯示使用P型TFT當作第3影像素電路中之驅動電晶體T1的第一實施例之變換結構。在此情況中，有機EL元件的陽極連接至電源CV，且陰極連接至驅動電晶體T1的源極。驅動電晶體T1的汲極連接至電源VDD且閘極經電晶體T2連接至信號線。又，保持電容Cs在驅動電晶體T1的閘極和汲極之間連接。在此情況下，電源CV的電壓高於電源VDD的電壓，且電流從電源CV流至有機EL元件OLED和驅動電晶體T1。又，有機EL元件OLED的陰極是在每個像素上形成以造成像素電極，而且陽極會變成所有像素的公共電極。如上所述，這個結構適合多晶矽，因為多晶矽通常形成P型通道。
Cs．．．保持電容
CV．．．電源(電位)
ENB．．．信號
Ioled．．．電流
OLED．．．有機EL元件
SCN．．．信號
SW．．．開關
T1．．．驅動電晶體
T2．．．寫入電晶體
T3-T5．．．電晶體
TFT．．．薄膜電晶體
Va．．．電壓(電位)
Vdata．．．資料信號(信號電壓)
VDD．．．電源
Vds．．．電壓
Vg．．．電壓
Vgs．．．電壓
Voled．．．驅動電壓
所附圖式其中提供關於本發明實施例的進一步理解並且結合與構成本說明書的一部份，說明本發明的實施例並且描述一同提供對於本發明實施例之原則的解釋。
第1圖為說明傳統像素電路結構的示意圖；
第2A圖為傳統類比驅動的偏壓示意圖；
第2B圖為傳統數位驅動的偏壓示意圖；
第3圖為第一實施例中像素電路結構的示意圖；
第4圖為第一實施例中驅動的偏壓示意圖；
第5圖為說明第二實施例的像素電路結構的示意圖；
第6圖為第二實施例中所述驅動的時序示意圖；以及
第7圖說明修改的第一實施例中結構的示意圖。
Cs．．．保持電容
OLED．．．有機EL元件
T1．．．驅動電晶體
T2．．．寫入電晶體
VDD．．．電源
Va．．．電壓(電位)
Vg．．．電壓
Vdata．．．資料信號(信號電壓)
OLED．．．有機電致發光元件

Claims (4)

  1. 一種像素電路，包括：複數個有機電致發光(EL)元件；以及一驅動電晶體，用於從一電源提供一電流至該等有機EL元件，其中該驅動電晶體的一源極端連接至該等有機EL元件的一端，該等有機EL元件的另一端連接至一電源電位，其特徵在於，該驅動電晶體的該等有機EL元件的每顯示單元面積的互導係等於或大於1x10-11(A/V2/m2)，其中該驅動電晶體為一薄膜電晶體(TFT)，且該驅動TFT的通道層係由多晶矽或非晶矽或微晶矽或半導體氧化物而形成，以及其中該驅動TFT的臨界電壓或該等有機EL元件的開啟電壓或其總和係加入階度信號電壓，並施加於該驅動TFT的閘極。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述的像素電路，其中該驅動電晶體的互導係藉滿足下列其中之一而做成較高：當該驅動電晶體的遷移率等於或大於15cm2Vs而閘極電壓等於或小於20V時，一通道電容係做成較大；或該驅動電晶體的一閘極絕緣體的厚度等於或小於1000埃；或由該有機EL元件傳輸至該驅動電晶體的光線相對於該驅動電晶體的通道層或相對於源極電極的可見光具有70%或以上的最大波長透光率，而且該驅動電晶體也做成較大。
  3. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述的像素電路，其中該等有機EL元件的溫度係由室溫、顯示器的溫度、顯示影像或顯示影像之歷史而推測，且包括調節提供給複數個像素或信號電壓的電源電壓的功能。
  4. 一種顯示裝置，包括依據申請專利範圍第1項至第3項任一項所述的像素電路。
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