專利名稱：雙穩態手相向列液晶顯示器及驅動它的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用手相向列反射雙穩態液晶材料的顯示器以及驅動這種顯示器的方法。這種材料也被描述為膽甾型。特別地，本發明涉及一種有源矩陣像素排列及驅動方案。
膽甾型液晶材料是一種提供強的彩色二元圖象的反射材料。這種材料是雙穩態的，具有很寬的視角，并且不象超級扭曲向列(STN)型顯示器那樣需要偏振片，濾色片或磨擦。因此，這種材料能提供具有高清晰度及優質單色圖象的低功耗、低成本顯示器。這種形式的顯示器正被建議用于手持便攜裝置，以及用于電子文件閱讀器，如電子圖書或報紙裝置。
膽甾型材料有三種穩定狀態。平面(P)狀態是該材料的反射狀態，在零施加的場下是穩定的。焦點二次曲線(FC)是該材料的透射散射狀態，也是在零施加的場下穩定。垂直(Homeotropic)(H)狀態僅在高于大約30V的閾電壓時穩定，而且也是透明的。置于該材料背后的黑色吸收層意味著H及FC狀態呈現黑色。
還存在第四種不穩定狀態，它可發生在該材料由H狀態的弛豫時。這稱為瞬時平面(P*)狀態。這種狀態僅出現于如果在H狀態下，該材料上的高電壓被快速降低時，例如在2ms或更短時間內。施加的電壓不存在時，瞬時平面狀態弛豫到平面狀態(P)。
使用該材料時，驅動方案被設計來使其P和FC狀態之間切換，其在零施加的電壓下是穩定的。第一個問題出現是因為P和FC狀態之間的任何轉變都需該材料經過高電壓H狀態。因此，已知的無源矩陣切換方案需要快速的高電壓切換。傳統的驅動方案作如此安排，每次對像素尋址時，材料中的轉變都被引起進入到H狀態。這意味著處于反射P狀態的像素因此經過可透射的H狀態，即使是在下一場周期中，該像素要被驅動到反射P狀態。這導致產生所謂黑色尋址條這種可見假象。
該材料的進一步問題是由于緩慢的響應時間產生的。例如，電壓需要施加至少20ms，以使材料的狀態轉變能夠進入H狀態。該材料還有強烈的溫度相關性。
該材料在零施加的電壓下的雙穩態特性意味著，使用該材料的顯示器不需要不斷更新或刷新。如果顯示信息不變，顯示可以一次寫入并在沒有電力消耗的情況下長時間保持在它的信息傳輸配置。這導致對那些可在相當長時間周期上慢慢地來更新的圖像，使用膽甾型液晶顯示器。不過，上面所概述的問題，特別是緩慢的尋址響應，限制了這種顯示技術在更廣泛的應用領域內進一步發展。
US 5 748 277公布了一種用于膽甾型顯示器的無源矩陣尋址方案，設法縮短尋址時間。該方案依靠從H狀態到P*狀態的快速轉變。如果電壓快速關斷，則實現到P*狀態的轉變(以及到P狀態的轉變)，反之，如果電壓緩慢關斷，則發生到FC狀態的轉變。
該驅動方案提供具有三個階段(phase)的地址電壓分布。這三個階段稱為“預備(preparation)”、“選擇(selection)”和“展開”。預備階段置液晶材料于垂直狀態，通過向像素行施加約50ms的高電壓，典型值為35V，來實現。選擇階段僅為1ms長，它規定是快速還是緩慢電壓關斷。施加到行的電壓典型值為7V，而列電壓介于-3V到+3V之間。在此階段，施加到列的電壓決定該像素最終將處于何種狀態。展開階段允許液晶材料弛豫到平面或焦點二次曲線狀態，這取決于先前的選擇階段。在此階段，可施加25V電壓，典型地持續40ms。在這三個階段過程之后，在液晶材料上的電壓回到零。
對相鄰行來說，預備和展開階段可以同時實行，所以，對于大數目的行來說，平均行地址周期趨于1ms的選擇階段持續時間。
和其它液晶材料一樣，LC狀態取決于LC單元上的RMS電壓，然而，跨接于該單元的平均電壓應為零，以防止電化學退化。出于此目的，行電壓被布置為交流脈沖串，因此其RMS電壓是非零，而平均電壓是零。典型地，行電壓信號的頻率將是1000Hz，所以選擇階段包括持續時間1ms的單波長信號。這就強制在行電極上進行消耗功率的大量高電壓轉換。
雖然這種三階段尋址方案改進了尋址時間，并未解決快速高電壓切換或黑色尋址條的其它問題。
根據本發明，所提供的顯示器設備，包括一層雙穩態手相向列液晶材料。
一個限定像素尋址電路行和列的有源矩陣襯底，每個像素地址電路有一個輸出，用于施加信號到該液晶材料的相應部分。
其中每個像素地址電路包括第一開關器件，用于切換電源電壓到像素地址電路其余部分并且其由行地址線控制；第二開關器件，用于允許或阻止電源電壓提供到液晶材料相應部分并且其由列選線控制。
當該材料保持于P或FC狀態時，該像素的開關器件使其向H狀態的轉變得以避免。特別地，如果從P狀態到H狀態的轉變得以避免，黑色尋址條假象就可避免。用于控制第一開關器件的行地址線和用于控制第二開關器件的列選線的使用，使各個像素電源電壓的供給得到單獨控制。電源電壓是導致膽甾型材料轉變到H狀態所需的電壓。
可提供第三開關器件，用于切換選擇電壓到像素地址電路，并且其受控于第二行地址線，選擇電壓被提供到列線上，第二開關器件允許或阻止該選擇電壓加到液晶材料的相應部分。這能夠使選擇階段得以執行，但是第二開關器件還能夠使選擇階段的電壓分布被阻止到達液晶材料。
可提供第四開關器件，用于切換地電壓到液晶材料，并且其受控于第三行地址線。在材料內相變結束時，它維持像素處于穩定的零電壓狀態。
列選線上的信號可加到取樣和保持電路，以便需要短時間將信號提供到像素上。這使列選線快速連續提供信號到不同的像素行。第二開關器件可包括一個晶體管，并且列選線上的信號就是用于晶體管的柵信號。取樣和保持電路優選地包括取樣晶體管和保持電容器，柵壓存儲于該電容器用于可控地開啟或關斷該晶體管。
可提供幀存儲器，用于基于前一幀和當前幀的像素輸出，決定哪些像素要被提供電源電壓。
本發明還提供一種尋址雙穩態手相向列液晶顯示器件的方法，該裝置包括一個限定像素地址電路行和列的有源矩陣襯底，每個像素地址電路有一個輸出，用于施加信號到該液晶材料的相應部分，該方法包括選擇一個像素行，從而提供電源電壓到各像素，該電源電壓足以使液晶材料達到垂直狀態；
確定哪些像素需要電源電壓加到其液晶材料的相應部分。那些在前一幀處于反射平面狀態，而在當前幀保持在反射平面狀態的像素，被確定為不需電源電壓；提供電源電壓到被確定為需要電源電壓的那些像素，所述電源電壓置液晶材料于垂直狀態；提供選擇電壓到被確定為需要電源電壓的那些像素，選擇電壓決定液晶材料是馳豫到焦點二次曲線還是平面狀態；并且提供電壓讓液晶材料從垂直狀態馳豫。
該方法使黑色尋址條假象得以消除，并避免高電壓的快速切換。然而，通過讓一些幀的電源電壓為正，其它幀為負，平均電壓仍然可以為零。
參考附圖，本發明的示例將加以詳述。其中

圖1顯示雙穩態反射膽甾型液晶的電-光響應；圖2顯示根據本發明的一種用于膽甾型顯示器的有源矩陣像素電路；圖3更詳細地顯示圖2所示像素電路；圖4是用于圖3電路的時序圖；和圖5顯示一種根據本發明的顯示器。
在下述說明和權利要求中，“行”和“列”的定義是有些隨意的。這些術語僅打算用來表示一個按兩個正交軸排列的元件群組成的二維元件陣列。因此，行或列可以從顯示器的一邊跑到另一邊或從頂跑到底。
圖1表示雙穩態反射膽甾型液晶的電-光響應。曲線表示施加開始于穩定的低電壓平面或焦點二次曲線狀態的給定電壓的方波脈沖后的反射率。低于V1的電壓不改變材料的狀態。介于V2和V3之間的電壓脈沖轉換材料到焦點二次曲線狀態，而高于V4的電壓導致平面狀態。為了在液晶顯示器中使用該材料，該材料被驅動到具有低施加電壓(＜V1)的平面或焦點二次曲線狀態。不過，為在平面或焦點二次曲線狀態之間切換，該材料必需被驅動到高電壓狀態(圖1未示出)，其中該材料是透射的。在其下高電壓隨之從該材料除去的條件，規定該材料馳豫到穩定的低電壓狀態的方式。如果該電壓快速除去，在馳豫到穩定平面狀態之前，該材料經過瞬時平面狀態。如果該高電壓較慢地除去，該材料馳豫到焦點二次曲線低電壓穩定狀態。
用于膽甾型顯示器的傳統驅動方案使用無源矩陣尋址方案，它可能是由于液晶記憶效應的結果。在該尋址方案的每個場周期內，該材料因而進入可透射的垂直狀態。這就引起上述黑色尋址條假象。
本發明提供一種有源矩陣尋址方案，其中施加到像素行的高電壓可選擇切換到該行每個像素的液晶材料。因此，就有可能規定每個像素是否轉到垂直狀態。對于那些處于反射平面狀態并且要保持處于反射平面狀態的像素來說，禁止垂直狀態避免了黑色尋址條問題。
圖2顯示本發明的第一種有源矩陣像素設計圖。每個像素由第一行導體10“TPE”來尋址，它用來尋址像素行，并允許來自電壓線12的高電源電壓“VPE”施加到液晶材料。這個電壓線12帶有用于預備和展開階段的電壓。行導體10耦合到第一晶體管14的柵極，它允許或阻止來自導體12的電壓加到該像素的其余部分。當一行像素被行導體10尋址時，該行所有的晶體管14導通，這樣電源電壓到達這行每個像素的像素其余部分。第二晶體管16允許或阻止晶體管14輸出電壓加到膽甾型液晶單元18，而且，該第二晶體管16的柵由鎖存裝置20提供，它的實現將在下面進一步加以描述。
行地址線10和鎖存裝置20一起允許用于預備和展開階段的電源電壓加到每行中的各像素或與之隔絕。這使得某些像素與這些電壓隔絕，因此這些像素不能進入垂直狀態。特別地，如果一個像素從一個場周期的反射狀態被驅動進入下個場周期的反射狀態，第二晶體管16被鎖存裝置20關斷。當然，這需要場存儲器以便該像素的當前狀態能被記住。
如上所述，對于膽甾型材料被驅動到垂直狀態的那些像素來說，從垂直狀態的放電情況，支配該像素是返回可透射的焦點二次曲線狀態還是反射平面狀態。
如上所述的無源矩陣尋址方案，選擇電壓施加到該液晶材料來用于此目的。選擇電壓VA加到列線22，并且由第三晶體管24將其切換到第二晶體管16的輸入或與其隔絕。用于第三晶體管的柵極信號由第三行導體26“TA”提供。第四晶體管28使地電壓29切換到液晶材料18，并且這由第四行導體30“TGND”來控制。它提供狀態轉變結束時材料的零電壓穩定工作。
加到電壓線12的預備和展開電壓可以是直流電平，比較傳統無源矩陣尋址方案這導致一個低功率尋址方法。不過，仍然有必要保證在該液晶單元上的平均電壓是零，而這是通過在連續的幀中，使用正和負電源電壓(例如35伏)于預備階段和展開階段，對該像素輪流尋址來實現的。
如上所述，通過控制該材料是否被驅動進入垂直狀態，鎖存裝置20能使黑條效應得以消除。鎖存電路20的實現在圖3中顯示得更詳細。圖3中顯示與圖2相同元件的地方使用相同的參考號碼，但不重復說明。
鎖存裝置20接收來自列選線32的鎖存信號。對于第二晶體管16來說，該鎖存信號“VSEL”是有效柵電壓，從而確定該晶體管是開啟還是關斷，它轉而確定那個晶體管輸入端17上的電壓是否傳遞到液晶材料18。鎖存裝置20充當取樣和保持電路，它對列選線32上的電壓進行采樣。為此目的，提供了一個取樣晶體管34，在采樣周期，它對保持電容器36充電到使其電壓與列選線32上的電壓一致。這個電容器36連接在第二晶體管16柵極和地29之間。因此，在采樣周期，一個電壓由電容器36儲存在第二晶體管16柵極上，它足以開啟晶體管16或是保證晶體管16保持關斷。取樣和保持電路的使用使得列選線32上的鎖存信號在很短的時間內就加到像素行，因此像素行快速連續地被尋址。取樣操作受控于另一個行導體37“TSEL”，因此對一行中的每個像素來說，鎖存信號是同時提供的，并儲存在相應的保持電容器36上。
圖4是描述圖3電路工作時序圖，用于對顯示器像素的兩個連續行尋址。
一開始，晶體管28被行導體30“TGND”導通，并置液晶單元18上的電壓為零，它保持該單元處于穩定工作狀態，或者是平面狀態或者是焦點二次曲線狀態。當尋址序列開始時，晶體管28被圖4所示下降沿40關斷。保持電容器36隨后被充電到取決于列選線32電壓“VSEL”的一個電壓。為了完成鎖存20的取樣和保持操作，行37“TSEL”被提供一個脈沖42。圖4示例中，對于第N行，電壓VSEL是高電位，從而將保持電容器36充電到足以導通第二晶體管16的電壓。
然后，預備電壓施加到第二行導體12上作為電壓脈沖44，例如，35伏。在此期間，第一晶體管14被第一行導體10利用脈沖46開啟。這樣，預備電壓通過第二晶體管16被施加到液晶單元18。預備階段結束時，第一晶體管14被關斷，并且改為，加到列選線VA上的選擇脈沖48利用行導體26“TA”上的脈沖50，通過晶體管24被切換到液晶材料18。
選擇階段結束時，該像素進入展開階段，而第一晶體管14再次被脈沖52開啟，其傳送展開電壓54，例如25伏，通過第二晶體管16到達單元18。
尋址序列結束時，使用列選線32上的零伏脈沖58，取樣晶體管34被短時導通，如箭頭60所指。這樣就保證零伏施加到保持電容器36，以保證第二晶體管16隨后關斷。最后，行導體30上的上升沿56保證單元18兩端沒有電壓，以便它保持低電壓穩定狀態。
圖4顯示的N+1行的波形圖，表示液晶單元18沒有充電到垂直狀態時的情況。在這種情況下，列選線32上的電壓“VSEL”在脈沖42B期間保持低電位，以便零伏儲存在保持電容器36上，而且第二晶體管16將因此不被導通。
行尋址信號的重疊意味著有效行尋址時間等于選擇階段的長度。典型值為1ms.對于大數量的行來說，平均行地址周期因此趨于選擇階段的持續時間。
該行波形圖不說明在第二行導體12上的交流電壓。例如，對于該顯示器的每一個場周期，電壓極性反轉都應執行一次。
本發明能使黑色條現象消除，但還提供一種快速尋址方案，平均行尋址周期趨于短暫的選擇階段持續時間。正和負電平之間的快速切換也得以避免，這提供了能源節約。
圖5顯示一種根據本發明的液晶顯示器件。該器件有兩個玻璃襯底80、82，它們彼此面對以固定其間的液晶材料(未顯示)。下部襯底82是限定上述像素布局的有源板。每個像素限定一個用于液晶材料的接觸片84。每個像素由若干個行導體86(圖8中僅表示其中一個)和若干個列導體88(圖8中僅表示其中一個)尋址。上部襯底80承載公共地電勢層90，以便液晶材料各區域上具有限定于它們上的電勢，其受接觸片84上的電勢支配。
有源板能夠用已知技術制造，例如，利用與形成傳統有源矩陣液晶顯示器有源板相同的工藝。這樣，所需的晶體管和電容器可利用膜技術來形成，而這些晶體管可限定為非晶硅或多晶硅器件。
對本領域的技術人員來說，各種修改將是顯而易見的。
權利要求
1.一種顯示器裝置，包括一層雙穩態手相向列液晶材料。一個有源矩陣襯底，它限定像素地址電路行和列，每個像素地址電路有一個輸出，用于向該液晶材料的相應部分施加信號。其中每個像素地址電路包括第一開關器件，用于切換電源電壓到像素地址電路其余部分并且其受控于行地址線；第二開關器件，用于允許或阻止電源電壓加到液晶材料相應部分，并且其受控于列選線。
2.權利要求1中的裝置，進一步包括第三開關器件，用于切換選擇電壓到像素地址電路，并且其受控于第二行地址線，選擇電壓被提供到列線，第二開關器件允許或阻止該選擇電壓提供到液晶材料的相應部分。
3.權利要求1或2的裝置，進一步包括第四開關器件，用于切換地電壓到液晶材料，并且其受控于第三行地址線。
4.前面的任何一個權利要求的裝置，其中列選線上的信號被提供到取樣和保持電路上。
5.權利要求4中的裝置，其中第二開關器件包括一只晶體管，而其中列選線上的信號是用于該晶體管的柵極信號，并且其中取樣和保持電路包括取樣晶體管和保持電容器，柵極電壓存儲于該電容器用于可控地開啟和關斷該晶體管。
6.前面的任何一個權利要求的裝置，其中每個開關器件包括一個晶體管。
7.前面的任何一個權利要求的裝置，包括一個幀存儲器，用于基于在前一幀和當前幀的像素輸出來決定哪些像素要被提供電源電壓。
8.一種對雙穩態手相向列液晶顯示器裝置尋址的方法，該裝置包括一個限定像素地址電路行和列的有源矩陣襯底，每個像素地址電路有一個輸出，用于施加信號于該液晶材料的相應部分。該方法包括選擇一個像素行，從而提供電源電壓到各像素，該電源電壓足以使液晶材料達到垂直狀態；確定哪些像素需要電源電壓施加到其液晶材料的相應部分，在前一幀處于反射平面狀態而且在當前幀要保持在反射平面狀態的那些像素被確定為不需電源電壓；提供電源電壓到那些確定為需要電源電壓的像素，該電壓置液晶材料于垂直狀態；提供選擇電壓到那些確定為需要電源電壓的像素，選擇電壓決定液晶材料是馳豫到焦點二次曲線還是平面狀態；以及提供電壓使液晶材料從垂直狀態馳豫。
9.權利要求10或11的方法，其中對某些幀電源電壓為正而對其它幀，電源電壓為負。
全文摘要
雙穩態手相向列液晶顯示器有像素地址電路，它包括第一開關器件(14)，用于切換電源電壓到像素地址電路的其余部分，并且其受控于行地址線(10)，還包括第二開關器件(16)，用于允許或阻止電源電壓加到液晶材料(18)的相應部分，并且其受控于列選線(32)。這種像素布局使當該材料保持在P或FC狀態時，向II狀態的轉換得以避免，因此所謂黑色尋址條假象能夠被避免。
文檔編號G02F1/133GK1398393SQ01804571
公開日2003年2月19日 申請日期2001年9月21日 優先權日2000年10月5日
發明者N·C·比爾德, D·A·菲斯 申請人:皇家菲利浦電子有限公司