专利名称：近晶态液晶多稳态电子纸显示器的像素电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子纸显示器(Electronic Paper Displayer-EPD)的像素电路,具体涉及一种近晶态液晶多稳态电子纸显示器的像素电路。
背景技术：
目前，各种形式的反射型电子纸显示器发展非常迅速。和透射型的传统液晶显示器(LCD)等相比，电子纸显示器具有很好的环境光适应能力，适宜阅读；透射型的显示器背光光源需要透过显示屏各结构层，透过率一般在20%以下，光源利用效率低，电子纸显示器使用环境光源或者反射式照明光源，光源的利用率高；电子纸显示器的图像无需加电维持，显示材料具有多稳态的性能；因此电子纸显示器功耗低，绿色环保，和传统的液晶等显示器相比具有很大的优势。·当前的电子纸显示器技术涉及领域很广，包括E-ink的电子墨水技术、Sipix的微娃杯技术，日本BridgeStone的快速电子粉流技术,等等。特别是源于英国剑桥大学在我国获得发展的、基于近晶态液晶(Smectic Liquid Crystal)的电子纸显示器技术(ZL200710175959. 9)。和其他电子纸显示器技术相比它不需要复杂的专用生产技术，比传统的双扭曲型液晶(DSTN)显示器技术还简单；通过合理控制施加在导电电极层的电压大小、频率或者作用时间，使液晶分子和染料分子呈现不同的排列形态，即可实现宏观上介质透明和有色遮光状态之间的切换，并且具有保持当前状态的“多稳态”特性，因此，具有很强的优势。图IA示出了近晶态多稳态液晶较低频率下的近晶态液晶分子磨砂状态的排列，图IB示出了近晶态多稳态液晶较高频率下的近晶态液晶透明状态的排列。根据图IA和图1B，近晶态液晶材料作为一种调光介质，是一定比例的近晶态液晶31和其他添加物32的混合物。合理控制导电电极层4的信号频率、幅度和时间，可以使近晶态液晶分子变为部分扭曲，从而产生不同程度的散光，在透明和遮光之间产生不同的中间状态，显示图案。根据当前技术的发展，可以使用30-200V、IOOOHz以上的交流信号驱动，可以在不到I秒的时间内，使像素材料从不透明的状态恢复到全透明的状态；使用30-200V、50-200HZ的交流信号，作用时间不到I秒，使像素材料从全透明的状态进入不透明的状态。而且根据具体的材料特性，当驱动交流信号的幅度大于作用的阈值电压之后，电压越高，需要的脉冲数越少，作用的时间越短。根据近晶态液晶电子纸显示器材料和技术的特点，可以使用无源矩阵的方式构成点阵显示器(ZL 200710304410.5)。图2示出了近晶态多稳态液晶无源点阵。如图2，在玻璃基板上加工好透明的导电电极，条状电极141和条状电极151垂直交叉，条状电极的垂直交叉点7形成显示器的像素点，并形成显示器的MXN点阵。图3示出了近晶态液晶无源3x3点阵R波/D波驱动示例，根据图3，通过在条状电极层14和条状电极层15施加相应的驱动信号R波和D波，可以实现显示器的扫描驱动。图4示出了近晶态液晶无源点阵驱动的R波/D波合成示例。为了不使非驱动行和驱动行非工作像素(指该像素的当前状态和前一状态相同，不需要在不同的状态之间切换)产生误动作，就要对驱动的R波和D波做出精心的安排。根据图4，首先，R波作为扫描波，仅工作行有相应的驱动R波脉冲，其他非工作行的驱动信号为零；其次，对于所有的D波，其幅度要足够低，这样对于所有的非扫描行，在D波输出期间，非扫描行不会产生误动作；最后，对于扫描行的工作像素，要求R波和D波的相位反相，从而在像素两侧的电极上得到大于材料阈值电压的信号，驱动像素工作，而对于扫描行的非工作像素，R波和D波的相位相同，这样像素电极的实际电压幅度低于材料的阈值电压，像素没有变化；通过逐行扫描，可以得到MxN点阵的图像。无源矩阵显示器具有一定的优点，但是也有很多缺点，因此，需要设计出一种基于有源矩阵的、低压电源驱动的、近晶态液晶电子纸显示器，在发挥近晶态液晶电子纸显示器优点的同时，克服现有实现方案的缺点。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了 MxN点阵的液晶，使用i表示行、使用j表示列，第ij像素的电路包括晶体管Tij、缓存电容Cij、固态升压变压器PTij和像素CPij ;输入信号包 括栅控制电压VGp源端驱动电压VSj和中间电压Vmidij ;其中，i行晶体管Tij的栅极和栅控制电压VGi相连，j列晶体管Tij的源极和源端驱动电压VSj相连，缓存电容Cij的一端和晶体管Tu的漏端以及固态升压变压器PTu的初级一个输入端子相连，缓存电容Cu的另一端和一个中间电压Vmidij信号以及固态升压变压器PTij的初级另一个输入端子相连，固态升压变压器PTij的次级高压输出端和近晶态液晶电子纸显示器像素CPij的两个极板相连，其中，M为液晶的行数，N为液晶的列数，i为小于等于M的正整数，j为小于等于N的正整数。该电路提高了显示器的刷新速度。
通过对附图中本发明实施例方式的更详细描述，本发明的上述、以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，相同的参考标号通常代表本发明示例实施例方式中的相同部件。图IA示出了近晶态多稳态液晶较低频率下的近晶态液晶分子磨砂状态的排列，图IB示出了近晶态多稳态液晶较高频率下的近晶态液晶透明状态的排列；图2示出了近晶态多稳态液晶无源点阵；图3示出了近晶态液晶无源3x3点阵R波/D波驱动示例；图4示出了近晶态液晶无源点阵驱动的R波/D波合成示例；图5A给出了根据本发明的一种实施方式的近晶态液晶电子纸显示器有源像素的电路原理图，图5B是近晶态液晶电子纸显示器有源像素的器件结构图；图6示出了近晶态液晶电子纸显示器的固态升压变压器的特性确定方法；图7示出了近晶态液晶电子纸显示器的有源像素点阵控制和驱动电压；以及图8示出了近晶态液晶电子纸显示器的有源像素点阵屏幕刷新的工作方式。
具体实施例方式将参照附图更加详细地描述本发明的优选实施方式，在附图中显示了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以各种形式实现而不应该理解为被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且，完全将本发明的范围传达给本领域的技术人员。无源矩阵显示器具有实施简单的优点，但是缺点也很明显首先，足行扫描方式的整屏刷新时间和扫描的行数成正比，显示器的行越多，整个显示器刷新速度越慢。这也是无源行扫描显示器的一般缺点。因此在无源近晶态多稳态液晶屏的驱动方面，又提出了“近晶态夜景显示屏用列脉冲双边驱动方法，申请号201010139674. 1”，其本质是将大的显示器分为多个小时区域独立驱动来降低整个屏的刷新时间。其次，对于使用近晶态液晶的电子纸显示器来说，如果像素的驱动电压在30V以上，无源显示屏就需要使用30V幅度的D波和60V幅度的R波(在ZL200710304410. 5中使用了 +/-100V的R波和+/-50V的D波驱动阈值电压大于50V的像素)。在显示器的接口中使用高压信号是一个很不安全的因素信号线之间的间距很小，只有几十到几百个微米，容易短接对器件造成损伤；电压脉冲的幅度大于人体的安全电压(36V)，对使用的人员来讲也很不安全。此外，使用两个独立的信号源合 成单个像素的交流驱动信号，交变驱动信号是分别使用两个独立信号源的一个正高压和一个副高压相减得到的，交变驱动信号对称性不好，容易导致液晶材料的电性能退化，从而影响显示器的寿命。最后一点，无源矩阵的行扫描过程中，虽然非扫描行和扫描行的非工作像素(指像素新的状态和上一状态相同，无须调整)在驱动信号幅度小于阈值电压的情况下不产生透明或者磨砂的转换，对照图3和图4，假定扫描行为第一行，工作像素为T11和T13,在驱动过程中，第2行和第三行所有的像素两端仍有D波驱动电压工作，T12像素两端的信号为R波和D波的差，因此非扫描行和扫描行的非工作像素仍有暗电流通过，除了额外不必要的耗电之外，还会产生不必要的热，使像素材料的驱动特性变得复杂，在驱动过程中需要考虑温度等复杂因素，增加了控制电路的复杂程度(发明专利申请201010104302. 5)。本发明根据近晶态多稳态电子纸液晶的驱动特点，提供了一种近晶态液晶多稳态电子纸显示器的像素电路，通过有源晶体管控制缓存电容的一端电压，缓存电容的另一端接固定的中间电压，从而在缓存电容两端得到极性相反、为零、浮空高阻状态，对应的，在固态变压器的输出端得到驱动像素的对称的特定频率的高压脉冲、零电压和高阻的输出，通过设置不同的源端驱动电压、频率，并保持中间电压恒定，可以实现驱动像素的磨砂和透明控制，同时实现非工作像素零电流。该发明可以实现整屏驱动，实现高效的屏显刷新。在优选的实施方式中，还实现了低压安全和绿色低功耗驱动，从而提升显示器的安全性能，显示性能，进一步降低能耗，实现更精确的控制。图5A给出了根据本发明的一种实施方式的近晶态液晶电子纸显示器的有源像素电路图，图5B是近晶态液晶电子纸显示器的有源像素器件结构图。根据图5A，MxN点阵的液晶，使用i表示行、使用j表示列，第ij像素的电路包括晶体管Tu、缓存电容Cu、固态升压变压器PTij和像素CPij ;输入信号包括栅控制电压VGp源端驱动电压VSj和中间电压Vmidij ;其中，i行晶体管Tij的栅极和栅控制电压VGi相连，j列晶体管Tij的源极和源端驱动电压相连，缓存电容Cu的一端和晶体管Tu的漏端以及固态升压变压器PTu的初级一个输入端子相连，缓存电容Cu的另一端和一个中间电压Vmidu信号以及固态升压变压器PTij的初级另一个输入端子相连，固态升压变压器PTij的次级高压输出端和近晶态液晶电子纸显示器像素CPu的两个极板相连，其中，M为液晶的行数，N为液晶的列数，i为小于等于M的正整数，j为小于等于N的正整数。晶体管Tij是采用薄膜晶体管(Thin Film Transistor-TFT)工艺制作的器件，和现有的有源矩阵液晶显示器的TFT晶体管制作方法相同。缓存电容Ci」从制作方法上讲，和有源矩阵液晶显示器的存储电容(StorageCapacitor)制作方法相同。缓存电容Cu的大小和像素CPu电容的大小以及固态升压变压器PTu有关，根据电荷守恒得原则，缓存电容Cu的大小等于像素CPu容值乘上固态升压变压器PIu的升压比再除以固态升压变压器PIu的效率。第ij像素的中间电压信号Vmidij等于中间电压VMid，VMid固定等于源端驱动电压电源VSj最高电压VSmax和最低电压VSmin的一半(VSmax+VSmin)/2。固态升压变压器PTij可以采用和有源矩阵显示器像素加工方法兼容的化学气相沉积(CVD)或者等离子增强的化学气相沉积(PCVD)等方法加工。固态升压变压器PTij的 用途是对缓存电容Cu的低压交变信号进行电压幅度放大，放大到液晶像素CPu工作的电压范围。传统上，固态升压变压器PTu的升压比是根据交变信号的工作频率来设计的，即在设计的工作频率处有最大的升压比。本发明提及的固态升压变压器PTu需要在两个频率下工作，可以选择位于这两个频率之间的一个频率使用现有技术设计出固态升压变压器PTij,图6示出了某个设计出来的固态升压变压器PTij升压比和信号频率的关系。选择近晶态多稳态液晶两个驱动频率，比如50Hz (用于磨砂操作)和2KHz (用于透明操作)的中间频率fo，具有电压升压比r0，根据图6，可以确定该固态变压器在50Hz和2KHz频率下的升压比rl 和 r2。对于设计出的固态升压变压器PTij，测量该固态升压变压器PTij在两个工作频率下的升压比rl和r2，响应于在两个工作频率下的升压比rl和r2的差别小于5%，选择相同的最大源驱动信号VSmax和最小源驱动信VSmin ;响应于在两个工作频率下的升压比rl和r2的差别大于5%，细分源端驱动电压为VSmax—lf、VSmax—hf、VSmin—lf、和VSmin hf,分别对应高频率hf信号和低频率If下的驱动电压，并且(VSmax lf+ · VSmin lf) /2 = (VSmax hf+VSmin hf) /2，也就是说满足两个驱动频率下中间电压VMid相等。也就是说，当显示器磨砂和透明两个驱动信号频率的升压比差别在5 %以内的时候，源端驱动电压VSj是三电平驱动信号，分别是VSmax、VMid和VSmin ;当显示器磨砂和透明两个驱动信号频率的升压比差别大于5%的时候，源端驱动电压VSj是五电平驱动信号，分别是VSmax—hf、VSmax lf, VMid、VSmin hf和VSmin—lf。关于有源像素点阵驱动电压信号VGi和VS^的选取，图7示出了近晶态液晶电子纸显示器的有源像素点阵栅控制电压VGp源驱动电压VSj和缓存电容Cij两端电压AVCij以及液晶像素CPij两端驱动电压关系。对于第i行的栅控制电压VGi,驱动液晶像素工作时，栅控制电压VGJIf号大于(VSmax+Vth)，晶体管Tij的漏(Drain)源(Source)导通，其中Vth是有源晶体管Tij的阈值电压。晶体管Tij的漏(Drain)源(Source)导通，源驱动电压VSj就会被传递到像素的缓存电容Cu电极和固态升压变压器PTu的输入端，可以通过如下方式可以得到液晶像素CPij的驱动电压信号如果像素ij对应的源端驱动电压VSj在有源晶体管Tij导通期间分别为VSmax和VSmin,则在内部缓存电容Cij的两端可以得到幅度为(VSmax-VSmin)/2的低压交变电压，经过η倍电压放大的固态升压变压器PTij，近晶态液晶多稳态显示器像素两端的电压为(VSmax-VSmin) *η/2和-(VSmax-VSmin) *η/2。在一种实施方式中，例如为了实现显示屏的36V以下的低压驱动，可以按下列方式选择栅控制电压VGp源端驱动电压VSj和中间电压VMid :对于显示器磨砂和透明频率下升压比为6的固态升压变压器PTij,晶体管Tij的Vth小于IV，选择25V和OV的栅控制电压VGi,选择VSmax等于24V，VSmin等于0V, VMid = 12V。当像素ij的择栅控制电压VGi为25V的时候，晶体管Tu导通，缓存电容Cu和晶体管Tu漏极相连的一端电压等于源端驱动电压VSj,分别为0V、12V和24V，缓存电容Cij和中间电压Vmidij相连的一端电压固定等于12V，因此，缓存电容Cij的电压可以是_12V、0V和12V，对应的，固态升压变压器PTij次级和液晶像素CPij两端的电压为-72V、0V和72V，控制栅控制电压VGi开启晶体管Tij的频率和源端驱动电压VSj对应的电平，就可以得到驱动液晶像素CPij磨砂或者透明的驱动信号。当像素i j的栅控制电压VGi为OV的时候，晶体管Tij截止，缓存电容Cij和固态变压器P Tij初级的可调电压端为高阻态，固态变压器PTu次级和液晶像素CPu两端也是高阻态，没有电流流过液晶像素CPijtl采用有源像素矩阵的电子纸显示器，可以采用逐行扫描的方式工作，也可以采用整屏更新的方式驱动。对应的，采用行扫描方式下，非扫描行的栅控制电压VGi为0V，液晶 像素CPij两端是高阻态，没有电流流过液晶像素CPij ;扫描行非工作像素的栅控制电压VGi为晶体管Tu的有效开启电压，但是源端驱动电压VS^等于VMid，因此液晶像素CPu两端电压为0V，也没有电流流过液晶像素CPijtl两种控制状态都不改变液晶像素CPij的状态，并且不产生有害的欧姆热从而真正实现低功耗控制。在整屏更新的驱动方式下，为了实现有源矩阵整个屏的磨砂或者透明控制，则需要在像素控制信号半个周期内细分驱动信号。如图8示出了近晶态液晶电子纸显示器的有源像素点阵屏幕刷新的工作方式。Tdrv是像素磨砂或者透明驱动信号的周期，比如，使用50Hz的信号驱动像素磨砂，则Tdrv等于20毫秒；使用2KHz的信号驱动像素磨砂，则Tdrv等于500微秒。根据电子纸显示器屏幕的行数，将Tdrv细分，对于M行的显示器，每行的栅控制电压VGi的开启时间只占Tdrv/2的1/M，即Tdrv/2M。对应像素ij栅控制电压VGi的开启时刻，如果像素ij的显示状态需要更新，则设置源端驱动电压VSj分别为VSmax、VSfflin,对应驱动信号的两个半周期，如果像素ij的显示状态不需要更新，则设置源端驱动电压VSj为VMid，从而可以在Tdrv的时间间隔内实现所有显示器液晶像素更新需要的驱动信号。对应图8的波形，第I行和jl列的像素，可以得到对应频率的驱动信号，像素产生磨砂或者透明的变化；对于第I行和j2列的像素，像素两端的驱动信号为零，像素保持原有的状态不变；第2行第jl和j2列的像素，像素两端的驱动信号都为零，像素保持原有的状态不变。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种近晶态液晶电子纸显不器的有源像素电路，其中对MxN点阵的液晶，使用i表不行、使用j表示列，第ij像素的电路包括晶体管Tij、缓存电容Cij、固态升压变压器PTijP像素CPij ;输入信号包括栅控制电压Vh、源端驱动电压VSj和中间电压Vmidij ； 其中，第i行全部晶体管Tu的栅极和栅控制电压VGi相连，第j列全部晶体管Tu的源极和源端驱动电压VSj相连，缓存电容Cij的一端和晶体管Tij的漏端以及固态升压变压器PTij的初级一个输入端子相连，缓存电容Cij的另一端和一个中间电压Vmidij信号以及固态升压变压器PTij的初级另一个输入端子相连，固态升压变压器PTij的次级高压输出端和近晶态液晶电子纸显示器像素CPu的两个极板相连，其中，M为液晶的行数，N为液晶的列数，i为小于等于M的正整数，j为小于等于N的正整数。
2.根据权利要求要求I所述的电路，其中缓存电容Cu的大小等于像素CPu容值乘上固态升压变压器PTij的升压比再除以固态升压变压器PTij的效率。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中第ij像素的中间电压信号Vmidij等于源端驱动电压VSj的最高电压VSmax和最低电压VSmin的一半(VSmax+VSmin)/2。
4.根据权利要求1-3之一所述的电路，其中固态升压变压器PTu在两个频率下工作，选择位于所述两个频率之间的一个频率设计出固态升压变压器PTijt5
5.根据权利要求4所述的电路，其中对于设计出的固态升压变压器PTU，测量该固态升压变压器PTij在两个工作频率下的升压比，响应于在两个工作频率下的升压比差别小于5%，选择相同的最大源驱动信号VSmax和最小源驱动信VSmin ;响应于在两个工作频率下的升压比差别大于5%，将源端驱动电压分为VSmax—lf、VSmax—hf、VSmin—lf、和VSmin hf,分别对应较高频率hf信号和较低频率If下的驱动电压，并且(VSmax lf-VSmin lf) /2 = (VSmax hf-VSmin hf) /2。
6.根据权利要求5所述的电路，其中驱动液晶像素工作时，第i行的栅控制电压VGJf号大于(VSmax+Vth)，晶体管Tij的漏(Drain)源(Source)导通，源驱动电压VSj被传递到像素的缓存电容Cu电极和固态升压变压器PTu的输入端，在内部缓存电容Cu的两端得到幅度为(VSmax-VSmin)/2的低压交变电压，经过η倍电压放大的固态升压变压器PTij，像素两端的电压为(VSmax-VSmin) *η/2和-(VSmax-VSmin) *η/2，其中Vth是有源晶体管Tij的阈值电压，像素i j对应的源端驱动电压VSj在有源晶体管Tij导通期间分别为VSmax和VSmin。
7.根据权利要求6所述的电路，其中对于升压比为6的固态升压变压器PTU，晶体管Tij的Vth小于IV，选择25V和OV的栅控制电压VGi,选择VSmax等于24V，VSmin等于OV。
8.根据权利要求7所述的电路，其中当像素ij的择栅控制电压VGi为25V的时候，晶体管Tu导通，缓存电容Cu和晶体管Tu漏极相连的一端电压等于源端驱动电压VSp分别为0V、12V和24V，缓存电容Cij和中间电压Vmidij相连的一端电压等于12V，缓存电容Cij的电压可以是_12V、0V和12V，对应的，固态升压变压器PTij次级和液晶像素CPij两端的电压为-72V、0V和72V，控制栅控制电压VGi开启晶体管Tij的频率和源端驱动电压VSj对应的电平，得到驱动液晶像素CPij磨砂或者透明的驱动信号；当像素ij的栅控制电压VGi为OV的时候，晶体管Tu截止，缓存电容Cu和固态变压器PTu初级的可调电压端为高阻态，固态变压器PTij次级和液晶像素CPij两端也是高阻态，没有电流流过液晶像素CPU。
9.根据权利要求1-8之一所述的电路，其中所述电路采用如下之一方式工作逐行扫描；整屏更新。
10.根据权利要求3-8之一所述的电路，其中根据液晶的行数M,将液晶像素磨砂或者透明驱动信号的周期Tdrv细分，每行的栅控制电压VGi的开启时间占Tdrv/2的1/M，对应像素 ij栅控制电压VGi的开启时刻，如果像素ij的显示状态需要更新，则设置源端驱动电压VSj分别为VSmax、VSmin，对应驱动信号的两个半周期，如果像素ij的显示状态不需要更新，则设置源端驱动电压VSj为(VSmax+VSmin)/2。
全文摘要
本发明公开了一种近晶态液晶电子纸显示器的有源像素电路，其中对对M x N点阵的液晶，使用i表示行、使用j表示列，第ij像素的电路包括晶体管Tij、缓存电容Cij固态升压变压器PTij和像素CPij；输入信号包括栅控制电压VGi、源端驱动电压VSj和中间电压Vmidij；其中，第i行全部晶体管Tij的栅极和栅控制电压VGi相连，第j列全部晶体管Tij的源极和源端驱动电压VSj相连，缓存电容Cij的一端和晶体管Tij的漏端以及固态升压变压器PTij的初级一个输入端子相连，缓存电容Cij的另一端和一个中间电压Vmidij信号以及固态升压变压器PTij的初级另一个输入端子相连，固态升压变压器PTij的次级高压输出端和近晶态液晶电子纸显示器像素CPij的两个极板相连。该电路提高了显示器的刷新速度。
文档编号G09F9/35GK102890899SQ20121040273
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者于秀兰, 张海英, 彭春华 申请人:于秀兰, 张海英, 彭春华