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(ZL 200710175959. 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，公开了一种近晶态液晶电子纸显示器的有源像素电路， 对M X N点阵的液晶，使用i表不行、使用j表不列，第ij像素的电路包括晶体管Tlij和 T2U、振荡器OSCm电荷泵CBlij和电荷泵CB2U，像素CPij ;驱动信号包括栅控制电压VG^ 源端驱动电压VSlj和VS2j，其中，第i行晶体管Tlij和T2U的栅极和栅控制电压VGi相连； 第j列晶体管Tlij的源极和源端驱动电压VSlj相连，第j列晶体管T2U的源极和源端驱动电压VS2]相连；晶体管Tlu的漏极和电荷泵CBlu的输入端相连，晶体管T2U的漏极和电荷泵CB2U的输入端相连；电荷泵CBlij和电荷泵CB2U的和振荡器OSCij的振荡器振荡信号 Φ Iij和Φ2〃相连；振荡器OSCij使用栅控制电压VGi供电；电荷泵CBlij和电荷泵CB2U的输出端分别和像素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。
该电路能够进一步降低能耗，并实现更精确的控制。
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5示出了近晶态液晶电子纸显示器有源像素的电路；
图6示出了使用电阻电容调整振荡频率的环形振荡器；
图7示出了采用薄膜晶体管的Dickson升压电荷泵电路；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驱动信号和像素信号示例。
具体实施方式
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，通过设置一对有源晶体管分别和两个升压电荷泵相连，电荷泵的输出和液晶像素的电容极板相连，设置由栅控制电压低压供电的本地振荡信号源用于电荷泵的驱动，放大源端驱动电压低压信号，得到驱动像素的、对称的、特定频率的高压脉冲， 从而在实现驱动像素的磨砂和透明控制的同时实现非工作像素零电流或者高阻开路控制。 该电路能够进一步降低能耗，实现更精确的控制。在优选的实施方式中，本发明还实现低压驱动，提升近晶态液晶多稳态电子纸显示器的安全性能。
图5示出了本发明所说的近晶态液晶电子纸显示器有源像素的电路。根据图5的描述，对MxN点阵的液晶，使用i表不行、使用j表不列，第i j像素的电路包括晶体管Tlij 和T2U、振荡器OSCm电荷泵CBlij和电荷泵CB2U，像素CPij ;驱动信号包括栅控制电压 VGp源端驱动电压VSlj和VS2」，其中，第i行晶体管Tlij和T2U的栅极和栅控制电压VGi相连；第j列晶体管Tlu的源极和源端驱动电压VSl相连，第j列晶体管T2U的源极和源端驱动电压VS2]相连；晶体管Tlu的漏极和电荷泵CBlu的输入端相连，晶体管T2U的漏极和电荷泵CB2U的输入端相连；电荷泵CBlij和电荷泵CB2U的和振荡器OSCij的振荡器振荡信号01^和Φ2〃相连；振荡器OSCij使用栅控制电压VGi供电；电荷泵CBlij和电荷泵CB2U 的输出端分别和像素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。
晶体管Tlij和T2u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。
图6示出了使用电阻电容调整振荡频率的环形振荡器。振荡器OSCu是采用薄膜晶体管制作的奇数个反相器环形连接构成，反相器使用栅控制电压VGi供电。比如，可以使用3个反相器，或者5个反相器，反相器的数目一定是奇数个；奇数个反相器中间可以加入电阻、电容器件，来实现振荡器的输出脉冲频率的调整；振荡器OSCij输出两个反向的振荡源Olij和0 2^用于驱动电荷泵CBlij和CB2U提升源端输入电压VSlj和VS2」。振荡器的输出频率要求能够在指定的时间内，可以通过驱动电荷泵CBlij和CB2U将源端驱动电压VSlj 和VS2]的电压提升到液晶像素CPiJg动所需要的高压范围。对于近晶态液晶多稳态显示器像素来说，透明驱动需要较高频率的驱动信号，比如2KHz。因此，振荡器的频率应能够满足在驱动信号半个周期，也就是250微秒之内，通过电荷泵CBlij和CB2U将源端输入电压VSlj 和VS2]提升到驱动高压要求的电压范围内。
进一步，振荡器OSCij的频率可以采用如下方法确定液晶像素CPij的磨砂和透明控制分别使用两种频率的信号，其中透明控制使用较高的频率，设该频率对应的周期为Th ； 电荷泵CBlu和CB2U需要k个振荡周期才能完成升压；要求液晶像素CPu的驱动电压在驱动信号半周期的L分之一之内要上升到最大值，则振荡器OSCu的频率如下式2L*k/Th。在一个优选的具体设计中，电荷泵CBlu和CB2U需要3个振荡器脉冲才能将输入低压提升到 3倍的高压输出，且要求在2KHz的1/5个驱动信号半周期，也就是50微秒之内，将液晶像素 CPij两端的高压提升到输入低压的3倍，则可以选择周期低于16微秒的振荡器振荡信号， 或者说频率高于62. 5KHz的振荡信号。振荡器OSCij如果满足较高频率的驱动要求，则一定可以满足较低频率的驱动要求。
图7示出了采用薄膜晶体管的Dickson升压电荷泵电路。电荷泵CBlu和CB2U 可以采用Dickson等电路，根据电荷泵电路结构的不同，可以将输入的电压幅度加倍、3倍、 2n_l倍(η为整数)或者分数倍。采用薄膜晶体管工艺，通过将薄膜晶体管按照PN结方法连接，可以在有源液晶薄膜晶体管工艺基础上制作电荷泵CBlij和CB2U。电荷泵CBlij和 CB2U的结构和参数完全相同。
在本发明中，栅控制电压VGi是两个电平的电压信号，可以取VGh和0V，分别用于液晶像素CPij晶体管Tlij和T2U的打开和关闭；源端驱动电压VSlj和VS2」是三电平的输入信号，三个电平分别是VSmax、VSmin和中间电压VSmid = (VSmax+VSmin)/2，上述信号的大小关系为=VGh > VSmax+Vth, Vth是晶体管Tlij和Τ2υ的阈值电压，一般小于IV。
对于扫描行的工作像素，当晶体管Tlij和T2U栅控制电压VGi等于VGh，即晶体管的源-漏导通的时候，其源端驱动电压VSlj和VS2j交替等于VSmax、VSmin,电荷泵CBlij的输出高压为VHlij,电荷泵CBlij的输出高压为ViEij,液晶像素CPij两端的电压是VHlij-Vffiij =Δ VCPij = 土(VSmax-VSmin) *η，η是电荷泵CBlij和CB2U的电压升压倍数；对于扫描行的非工作像素，当晶体管Tlu和T2U栅控制电压VGi等于VGh的时候，即晶体管Tlu和T2U的源_漏导通，其源端驱动电压VSlj和VS2j都等中间电压VSmid,电荷泵CBlij和CB2U的输入电压差和输出电压差都为0V，液晶像素CPu两端的电压也为OV ;对于非扫描行，无论源端输入电压VSL和vsI为何种电压，有源晶体管Tlu和T2U的栅控制电压VGi等于0V，有源晶体管Tlij和T2U的源漏是截止的，电荷泵CBlij和CB2U的输入、输出和液晶像素CPij两端都浮空，为高阻态。因此，扫描行的非工作像素的两端电压为零，非扫描行的像素两端开路呈高阻状态，像素保持原来的状态且内部电流为零，不产生欧姆热，不影响像素的驱动特性；对于扫描行的工作像素，进一步通过控制栅控制电压VGi和源端驱动电压VSlj和VS2j. 的重复频率，可以实现液晶像素CPij的磨砂和透明控制。
图8示出了本发明近晶态液晶电子纸显示器的有源像素点阵控制信号和像素驱动信号。设栅控制电压VGi取OV和VGh = 26V，低于36V的安全电压；取源端驱动电压VSlj 和VS2」的三个电平分别为IV、13V和25V，则当栅控制电压VGi为26V时，晶体管Tlij和T2U 的源_漏导通；当源端驱动电压VSlj和VS2j都取13V的时候，电荷泵CBlij和CB2U输入和输出的压差为0V，像素CPu不工作；电荷泵CBlu和CB2U的电压增益倍数取3，当源端电压 VSlj取25V，VS2j取IV的时候，电荷泵CBlij和CB2i」输出的压差Λ VCPij为(25-1) *3 = 72V ； 当源端驱动电压VSlj取IV，VS2j取25V的时候，电荷泵CBlij和CB2U输出的压差AVCPij 为(l-25)*3 = -72V。根据像素磨砂和透明控制信号的频率调整栅控制电压VGi和源端驱动电压VSlj和VS2j，可以实现扫描行的工作像素磨砂和透明控制。
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示器的有源像素电路，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Tlij和T2U、振荡器OSCij、电荷泵CBlij和电荷泵CB2U，像素CPij ;驱动信号包括栅控制电压VGp源端驱动电压VSlj和VS2」，其中，第i行晶体管Tlu和T2U的栅极和栅控制电压VGi相连；第j列晶体管Tlu的源极和源端驱动电压VSlj相连，第j列晶体管T2U的源极和源端驱动电压VS2j相连；晶体管Tlij的漏极和电荷泵CBlu的输入端相连，晶体管T2U的漏极和电荷泵CB2U的输入端相连；电荷泵CBlij和电荷泵CB2U的和振荡器OSCij的振荡器振荡信号Φ Iij和Φ2〃相连；振荡器OSCu使用栅控制电压VGi供电；电荷泵CBluIP电荷泵CB2U的输出端分别和像素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。
2.根据权利要求I所述的电路，其中振荡器OSCu是采用薄膜晶体管制作的奇数个反相器环形连接构成，反相器使用栅控制电压VGi供电，奇数个反相器中间加入一个电阻和一个电容器件，来实现振荡器的输出脉冲频率的调整。
3.根据权利要求2所述的电路，其中振荡器OSCu振荡器的频率在驱动信号半个周期内输出两个反向的振荡源Olij和fI^ij用于驱动电荷泵CBlij和CB2U提升源端输入电压VSlj和VS2」液晶像素CPij驱动所需要的高压范围。
4.根据权利要求3所述的电路，其中振荡器OSCu的频率可以采用如下方法确定液晶像素CPu的磨砂和透明控制分别使用两种频率的信号，其中透明控制使用对应的周期为Th的较高的频率,如果要求电荷泵CBlu和CB2U需要k个振荡周期完成升压，并要求液晶像素CPu的驱动电压在驱动信号半周期的L分之一之内要上升到最大值，则振荡器OSCu的频率为 2L*k/Th。
5.根据权利要求4所述的电路，其中，如果电荷泵CBlu和CB2U需要3个振荡器脉冲以及1/5个驱动信号半周期将输入低压提升到3倍的高压输出，选择振荡器OSCij的频率为高于62. 5KHz的振荡信号。
6.根据权利要求1-5之一所述的电路，其中栅控制电压VGi是两个电平的电压信号，取VGh和0V，分别用于液晶像素CPu晶体管Tlu和T2U的打开和关闭，源端驱动电压VSlj和VS2j是三电平的输入信号，三个电平分别是VSmax、VSmin和中间电压VSmid = (VSmax+VSmin)/2，上述信号的大小关系为VGh > VSmax+Vth，其中Vth是晶体管Tl^和T2U的阈值电压。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述电路采用逐行扫描方式工作， 对于扫描行的工作像素，如果晶体管Tlu和T2U栅控制电压VGi等于VGh，晶体管的源-漏导通，其源端驱动电压VSlj和VS2」交替等于VSmax、VSmin，液晶像素C Pij两端的电压是(VSmax-VSmin)的η倍，其中η是电荷泵CBlu和CB2U的电压升压倍数； 对于扫描行的非工作像素，如果晶体管Tlij和T2U栅控制电压VGi等于VGh，晶体管Tlu和T2U的源-漏导通，其源端驱动电压VSL和vs 2j都等中间电压VSmid,电荷泵CBlij和CB2U的输入电压差和输出电压差都为0V，液晶像素CPu两端的电压也为OV ； 对于非扫描行，无论源端输入电压和VS2]为何种电压，有源晶体管Tlu和T2U的栅控制电压VGi等于0V，有源晶体管Tlu和T2U的源漏是截止的，电荷泵CBlu和CB2U的输入、输出和液晶像素CPij两端都浮空，为高阻态。
8.根据权利要求7所述的电路，其中栅控制电压VGi取OV和VGh=26V，源端驱动电压VSlj和VS 2j的三个电平分别为1V、13V和25V，则当栅压VGi为26V时，晶体管Tlij和T2U的源-漏导通；当源端驱动电压VSlj和VS2j都取13V的时候，电荷泵CBlij和CB2U输入和输出的压差为0V ，像素CPu不工作；电荷泵CBlu和CB2U的电压增益倍数取3，当源端电压VSlj取25V，VS 2j取IV的时候，电荷泵CBlij和CB2U输出的压差AVCPij为(25-1) *3 =72V ;当源端电压VSlj取IV，VS2j取25V的时候，电荷泵CBlij和CB2U输出的压差AVCPij为(1-25)*3 = -72V。
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，对MxN点阵显示器，第i行j列对应的像素电路包括晶体管T1ij和T2ij、振荡器OSCij、电荷泵CB1ij和CB2ij，像素CPij；驱动信号包括栅控制电压VGi、源端驱动电压VS1j和VS2j，其中，第i行晶体管T1ij和T2ij的栅极和栅控制电压VGi相连；第j列晶体管T1ij的源极和源端驱动电压VS1j相连，第j列晶体管T2ij的源极和源端驱动电压VS2j相连；晶体管T1ij的漏极和电荷泵CB1ij的输入端相连，晶体管T2ij的漏极和电荷泵CB2ij的输入端相连；电荷泵CB1ij和电荷泵CB2ij的和振荡器OSCij的振荡器振荡信号Φ1ij和Φ2ij相连；振荡器OSCij使用栅控制电压VGi供电；电荷泵CB1ij和电荷泵CB2ij的输出端分别和像素CPij的两个极板相连。该电路能够进一步降低能耗，实现更精确的控制。
文档编号G09G3/36GK102930841SQ20121040282
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者彭春华, 张海英, 于秀兰, 曹方明 申请人:沃谱瑞科技(北京)有限责任公司