DE102010019667B4

DE102010019667B4 - Schaltungsanordnung für in einer zweidimensionalen Matrix angeordnete organische Leuchtdioden

Info

Publication number: DE102010019667B4
Application number: DE102010019667.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel KREYE; Dr. Presberger Thomas
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2030-04-29
Also published as: US20130099700A1; KR101681666B1; WO2011134461A1; DE102010019667A1; CN102971783A; EP2564383B1; CN102971783B; US9066379B2; KR20130094687A; EP2564383A1

Abstract

Schaltungsanordnung für in einer zweidimensionalen Matrix angeordnete organische Leuchtdioden, bei der jede organische Leuchtdiode (5) mittels einer Speicherschaltung (10), einem Ausleseverstärker (20) und einer Treiberschaltung (30) ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (30) mit mindestens drei in Reihe geschalteten Transistoren (1, 2 und 3) und einem weiteren Ausgangstransistor (4) dessen Drain an die Anode der jeweiligen organischen Leuchtdiode (5) angeschlossen ist, gebildet ist und dabei der als Treiber fungierende Transistor (1) an seiner Source mit einer konstanten elektrischen Betriebsspannung LVDD und seinem Gate mit einer weiteren ebenfalls konstanten elektrischen Betriebsspannung VDrive beaufschlagt ist; dabei das Drain des Transistors (1) an die Source des nachfolgend zu ihm in Reihe geschalteten Transistors (2) und die beiden Gates der Transistoren (2 und 3), die einen Schalter bilden, an den Ausgang des Ausleseverstärkers (20) angeschlossen und mit dessen elektrischer Ausgangsspannung VsenseOut beaufschlagt sind; und die Drains der beiden den Schalter bildenden Transistoren (2 und 3) an die Source des Ausgangstransistors (4), dessen Gate an Massepotential angeschlossen oder mit negativer elektrischer Spannung beaufschlagt ist, angeschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für in einer zweidimensionalen Matrix angeordnete organische Leuchtdioden.
Eine ständig wachsende Zahl von Informationssystemen und Umgebungseinflüssen liefert dem Menschen angeforderte und nichtangeforderte Informationen. Zunehmende Bedeutung hat dabei die mobile Informationsdarstellung. Mikrodisplays, d. h. sehr kleine Displays mit Bilddiagonalen kleiner gleich 20 mm, bieten dabei die Möglichkeit Bild- und Videoinformationen hochauflösend und nutzerspezifisch, d. h. für ausschließlich einen oder mehrere Benutzer darzustellen. Anwendungsgebiete von Mikrodisplays sind im Bereich der Near-to-Eye-Anwendungen (Anwendungen mit Displays nahe dem Auge) zu sehen. Das sind zum Beispiel Videobrillen, die an mobile Multimediageräte (Smartphones oder mobile Audio- und Videoabspielgeräte) angeschlossen werden können. Diese Videobrillen können für mobiles Fernsehen, Videodarstellung oder Darstellung von Internetinhalten genutzt werden. Darüber hinaus können Mikrodisplays in digitalen Foto- und/oder Videokameras als hochauflösender elektronischer Sucher eingesetzt werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Augmented Reality (Erweiterte Realität). Für diese Anwendungen wird das Mikrodisplay in eine See Through-Optik (Brille) montiert. Durch diese Brille sieht der Nutzer die reale Umwelt und über das Mikrodisplay können diesem Bild der realen Umwelt zusätzliche Informationen in Form von Bildern, Texten, Grafiken usw. überlagert werden. Dies kann zum Beispiel bei der Wartung von komplizierten Anlagen und Maschinen zur Einblendung von Montagehinweisen oder Anweisungen genutzt werden. In der Luft- und Raumfahrttechnik kann Piloten die Anzeige verschiedener Messinstrumente eingeblendet werden. In der Medizin können für Chirurgen die Daten wichtiger Geräte zusätzlich dargestellt werden. Darüber hinaus sind vielseitige Anwendungen im militärischen Bereich denkbar.
Weitere Anwendungen von Mikrodisplays sind Picoprojektoren, d. h. sehr kleine Projektoren, die Bild- und Videoinhalte auf eine plane Oberfläche projizieren und für mehrere Benutzer sichtbar darstellen. Solche Projektoren mit Mikrodisplays können auch in der Messtechnik zur Projektion definierter Muster auf eine zu untersuchende Oberfläche und der anschließenden optischen Erfassung der 3-D Struktur dieser Oberfläche genutzt werden.
Insbesondere für die Projektions- und See-Through-Anwendungen sind sehr hohe Helligkeiten notwendig (> 100.00 Cd/m²). Für die Multimediaanwendungen bzw. Videobrillen sind im Gegensatz dazu vergleichsweise geringe Helligkeiten (≤ 150 Cd/m²) notwendig. Für Mikrodisplays auf Basis organischer Leuchtdioden (OLEDs) sollte die Möglichkeit bestehen, mit einem Display all diese Anwendungen zu adressieren. Dabei sollen hochaufgelöste Bildinformationen mit einer über mehrere Größenordnungen einstellbaren Helligkeit (von < 100 Cd/m² bis über 10000 Cd/m²) dargestellt werden können. Dafür ist eine Erweiterung des elektrischen Strom- und Spannungsbereiches, den eine solche Schaltung ansteuern können muss, erforderlich.
Gegenwärtig sind verschiedene Mikrodisplay-Technologien verfügbar. Dabei kann in licht-modulierende (nicht emittierende) Technologien und licht emittierende Technologien unterschieden werden.
Zu den licht-modulierenden Displays zählen LCOS (Liquid Crystal an Silicon) und MOEMS-basierende Mikrodisplays. Diese Technologien verlangen eine zusätzliche externe Beleuchtung, welche die Komplexität, die Größe und das Gewicht des Gesamtsystems erhöhen, aber gleichzeitig nur begrenzten Kontrast (typisch < 1:100) bieten.
Auf der Basis organischer Leuchtdioden (Organic light emitting diodes, OLED) können neuartige selbst emittierende Flachdisplays mit vielen Vorteilen verwirklicht werden. Dazu gehören die mögliche großflächige Abscheidung, die selbstleuchtenden Eigenschaften, die sehr dünne und leistungsarme Displays ermöglichen und die potentiell hohe Effizienz solcher Displays. OLED-Mikrodisplays sind gegenwärtig mit monochromen oder breitbandigen (weißen) Emittern ausgestattet. Für farbige OLED-Mikrodisplays werden die Displayprimärfarben häufig durch einen weißen Emitter und dem zusätzlichen Aufbringen eines Farbfilters realisiert.
Alle genannten Technologien sind mit aktiven und passiven Bauelementen (Transistoren und Kondensatoren) asugebildet. Jede Organische Leuchtdiode als Pixel (Bildpunkt) wird dabei durch eine eigene integrierte elektronische Schaltung angesteuert. Diese Pixelschaltung ist dabei so ausgeführt, dass sie mit der Bildinformation in Form einer elektrischen Spannung oder eines Stromes beschreibbar ist. Die Bildinformation wird in der der organischen Leuchtdiode zugeordneten Schaltung gespeichert und diese Schaltung treibt die OLED mit einem elektrischen Strom oder einer Spannung, die der gespeicherten Bildinformation entspricht.
Gegenwärtig sind dabei folgende Konzepte realisiert:

1. Programmierung der jeweiligen Schaltung einer organischen Leuchtdiode mit einem analogen elektrischen Strom, dessen Größe proportional zum Grauwert der darzustellenden Bildinformation ist. Dieser analoge elektrische Strom wird in eine analoge Spannung umgewandelt und mittels eines Kondensators gespeichert. Die gespeicherte elektrische Spannung wird in einen der Bildinformation entsprechenden elektrischen Strom umgewandelt. Dieser Strom beeinflusst die jeweilige organische Leuchtdiode. Die Helligkeit wird dabei durch die Größe des elektrischen Stromes, der durch die organische Leuchtdiode (Analogwert) fließt, eingestellt. Grauwerte/Abstufungen der Helligkeit werden durch einen entsprechend geringeren elektrischen Strom realisiert.
2. Eine elektrische Spannung kann in einem Kondensator gespeichert werden. Die elektrische Spannung wird dabei in der der jeweiligen organischen Leuchtdiode zugeordneten Schaltung in einen elektrischen Strom umgewandelt. Dieser Strom beeinflusst die Helligkeit mit der elektromagnetische Strahlung von der organischen Leuchtdiode emittiert wird. Die Helligkeit wird dabei durch die Größe des elektrischen Stroms, der durch die organische Leuchtdiode fließt (Analogwert), eingestellt. Die Grauwertdarstellung ist dabei wie unter 1.) realisiert.
3. Eine Programmierung der Schaltung für eine organische Leuchtdiode kann mit einer analogen elektrischen Spannung und Speicherung der Spannung auf einem Kondensator erreicht werden. Die organische Leuchtdiode kann mit der gespeicherten elektrischen Spannung bzw. einer Spannung, die in ihrer Größe dieser gespeicherten Spannung entspricht, betrieben werden. Die Helligkeit wird durch die Größe der an die organische Leuchtdiode angelegten elektrischen Spannung eingestellt. Grauwerte/Abstufungen können durch eine entsprechend geringere elektrische Spannung realisiert werden.
4. Die Programmierung der Schaltung von organischen Leuchtdioden kann mit digitalen elektrischen Spannungen und Speicherung dieser digitalen Spannungen/Zustände auf Kondensatoren erfolgen. Die Anzahl der Kondensatoren entspricht der Bitbreite der Bildinformation für einen Bildpunkt (üblicherweise 5, 6 oder 8 Bit). Die organische Leuchtdiode wird mit einem zeitlich gepulsten elektrischen Strom konstanter Größe angesteuert. Die Anzahl der Pulse pro Bildsequenz entspricht dabei der Bitbreite der Bildinformation. Die Länge der Pulse ist dabei von der Wertigkeit der Bits abhängig. In Abhängigkeit des digitalen Zustands der einzelnen Speicherkondensatoren einer einer organischen Leuchtdiode zugeordneten Schaltung, wird der elektrische Strom durch die organische Leuchtdiode für die entsprechende Pulsdauer an- oder aus geschaltet. Die Helligkeit der emittierten Strahlung kann durch die Größe des durch die organische Leuchtdiode fließenden elektrischen Stroms eingestellt werden. Grauwerte/Abstufungen werden durch Pulsweitenmodulation des elektrischen Stroms beeinflusst. Der Dynamikbereich des durch die organische Leuchtdiode fließenden elektrischen Stromes und der maximale Spannungsabfall über der OLED sind dabei begrenzt. Der Einsatzbereich von Mikrodisplays mit organischen Leuchtdioden ist für all diese Konzepte auf geringe (≤ 200 Cd/m²) bis mittlere Helligkeiten (bis 5000 Cd/m²) beschränkt, d. h. auf die Anwendungsgebiete mit der Informationsdarstellung für eine einzelne Person und Anwendungen nahe dem Auge. Der Einsatzbereich ist durch die maximal darstellbare Helligkeit solcher Mikrodisplays begrenzt. Die Helligkeit hängt von Effizienz und Spannungsbedarf der organischen Leuchtdioden und der elektrischen Strom- und Spannungstreiberfähigkeit der Schaltung ab.

Es sind keine Lösungen bekannt, bei denen Mikrodisplays mit organischen Leuchtdioden für Projektionsanwendungen und See-through-Anwendungen mit hohen maximalen Helligkeiten (≥ 10000 Cd/m²) genutzt werden und mit einer entsprechenden den organischen Leuchtdioden zugeordneten Schaltungen angesteuert werden.
Das Einsatzgebiet der gegenwärtig verfügbaren OLED-Mikrodisplays ist auf unidirektionale, bildwiedergebende Mikrodisplays beschränkt. Nach der DE 10 2006 030 541 A1 ist auch ein Einsatz in bidirektionalen Mikrodisplays, d. h. Mikrodisplays mit einer Bilddarstellungsfunktionalität und einer Bildaufnahmefunktionalität bzw. optischen Detektionsfunktion realisierbar.
Aus EP 1 384 225 B1 ist ein Bildpunktschaltkreis und ein Ansteuerverfahren dafür beschrieben. Dabei sind Leuchtdioden in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet. Jede Leuchtdiode kann mittels einer Speicherschaltung, einem Ausleseverstärker und einer Treiberschaltung angesteuert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von in einer zweidimensionalen Matrix angeordneten organischen Leuchtdioden als bildgebende Elemente anzugeben, mit der eine weitgehende Beeinflussung der Helligkeit, der von den organischen Leuchtdioden emittierten elektromagnetischen Strahlung möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Schaltungsanordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für in einer zweidimensionalen Matrix angeordnete organische Leuchtdioden, ist jede organische Leuchtdiode mittels einer Speicherschaltung, einem Ausleseverstärker und einer Treiberschaltung einzeln ansteuerbar.
Die Treiberschaltung ist dabei mit mindestens drei in Reihe geschalteten Transistoren und einem weiteren Ausgangstransistor, dessen Drain an die Anode der jeweiligen organischen Leuchtdiode angeschlossen ist, gebildet. Dabei wird der als eigentlicher Treiber fungierende Transistor an seiner Source mit einer konstanten elektrischen Betriebsspannung LVDD und seinem Gate mit einer weiteren ebenfalls konstanten elektrischen Betriebsspannung V_Drive beaufschlagt. Das Drain dieses Transistors ist an die Source des nachfolgend zu ihm in Reihe geschalteten Transistors und die beiden Gates der nachfolgend in der Reihenschaltung angeordneten Transistoren, die einen Schalter bilden, an den Ausgang des Ausleseverstärkers angeschlossen und mit dessen elektrischer Ausgangsspannung V_senseOut beaufschlagt. Die elektrische Spannung V_Drive ist dabei eine einstellbare analoge, zeitlich konstante Referenzspannung. Diese elektrische Spannung hat einen Wert, der zwischen der elektrischen Betriebsspannung LVDD und Masse liegt. Diese Referenzspannung kann unmittelbar von der Gesamtschaltung für das Display mit den organischen Leuchtdioden geliefert oder auch extern eingespeist werden. Sie bestimmt die Maximalhelligkeit der von den organischen Leuchtdioden emittierten elektromagnetischen Strahlung und kann für jede der Primärfarben des emittierten Lichts des Displays unterschiedlich eingestellt werden.
Die Drains der beiden den Schalter bildenden Transistoren sind an die Source des Ausgangstransistors, dessen Gate an Massepotential angeschlossen oder mit negativer elektrischer Spannung beaufschlagt ist, angeschlossen. Der Ausgangstransistor für jede organische Leuchtdiode ist in einer separaten, elektrisch isolierten Wanne eines Substrates angeordnet. Dabei sind der Anschluss der Wanne und die Source des Ausgangstransistors miteinander verbunden.
Der Transistor, der mit seiner Source mit dem als Treiber fungierenden Transistor verbunden ist, sollte ein PMOS-Transistor und der Transistor dessen Gate mit dem Gate des zweiten in Reihe geschalteten Transistors und gemeinsam an den Ausgang des Ausleseverstärkers angeschlossen ist, sollten NMOS-Transistoren sein.
Vorteilhaft ist es, wenn sämtliche Elemente der Schaltungsanordnung als CMOS-Schaltung auf einem halbleitenden Substrat ausgebildet sind.
Für eine mögliche Abschaltung ohne einen Verlust vorab gespeicherter Bildinformationen kann in der Treiberschaltung ein weiterer Transistor zwischen dem als Treiber fungierenden Transistor und dem einen Transistor ebenfalls in Reihe geschaltet angeordnet werden. Dieser kann als PMOS-Transistor ausgebildet sein.
An die Kathode der jeweiligen organischen Leuchtdioden kann eine elektrische Spannung angelegt sein, die kleiner als die elektrische Spannung, die an die Source des zweiten in Reihe geschalteten Transistors, der den Schalter bildet, und das Gate des mit der Anode der organischen Leuchtdiode verbundenen Ausgangstransistors ist.
Das Gate, des als Treiber fungierenden Transistors, kann an Massepotential angeschlossen sein, so dass dieser Transistor ebenfalls einen Schalter der Treiberschaltung bilden kann. In diesem Betriebsmodus arbeitet die Treiberschaltung als elektrische Spannungsquelle für die organische Leuchtdiode.
Die Schaltungsanordnung für jede einzelne organische Leuchtdiode kann in einer integrierten Realisierung als CMOS-Schaltung auf sehr kleiner Fläche herstellt werden. Sie ermöglicht eine hohe Auflösung des Displays. Die Maximalhelligkeit des Bildes (Vollausschlag) ist dabei über mehrere Größenordnungen einstellbar von < 100 Cd/m² bis weit über 10000 Cd/m². Damit ist die Schaltungsanordnung für den Einsatz von Displays für Projektsanwendungen und für Anwendungen in sehr heller Umgebung (Aussenbereich bei klarem Himmel, Flugzeugcockpit etc.) als auch sehr dunkler Umgebung (Nacht, vom Tageslicht abgeschlossene Räume etc.) geeignet. Die Darstellung von Graustufen bzw. Farben kann über Pulsweitenmodulation realisiert werden, so dass die Linearität von Eingangsbildsignal zu dargestelltem Bild bei Änderung der Maximalhelligkeit nicht beeinflusst wird. Die Bildinformation kann digital in jeder einer organischen Leuchtdiode zugeordneten Schaltungsanordnung gespeichert werden. Die Auflösung pro Farbe und Pixel ist abhängig von der Realisierung und kann typisch 6 oder 8 Bit, aber auch mehr betragen.
Günstig ist es, nur einen einzelnen Transistor als Treiber mit erweitertem Spannungsbereich/Spannungsfestigkeit (Hochvolttransistor bzw. Mittelvolttransistor) einzusetzen. Die Spannungstreiberfähigkeit ist hier die maximal zulässige elektrische Spannungsdifferenz über der emittierenden organischen Leuchtdiode zwischen der elektrischen Spannung über der organischen Leuchtdiode im maximal ausgesteuerten Zustand (höchster Helligkeitswert) und der elektrischen Spannung über der organischen Leuchtdiode im Dunkelzustand (geringster Helligkeitswert).
Zu berücksichtigende Parameter können dabei die:

• einstellbare Stromtreiberfähigkeit der Treiberschaltung über mehrere Größenordnungen des elektrischen Stromes (10er Potenzen) ohne Beeinflussung der Linearität;
• Möglichkeit der Abschaltung des gesamten Displays für eine definierte Zeitperiode ohne Veränderung des für jede einzelne organische Leuchtdiode gespeicherten Bildinhaltes sein.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 einen Prinzipquerschnitt durch ein Mikrodisplay mit organischen Leuchtdioden;
2 in schematischer Form, ein Blockschaltbild einer Ansteuerung für zweidimensional in einer Matrix angeordnete organische Leuchtdioden;
3 in schematischer Form eine Matrixanordnung von organischen Leuchtdioden, die elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen, also unterschiedlicher roter, grüner und blauer Farbe emittieren;
4 in schematischer Form eine Matrixanordnung von organischen Leuchtdioden, die elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen, also unterschiedlicher roter, grüner, blauer und weißer Farbe emittieren;
5 ein Blockschaltbild eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für mit jeweils acht Bit speicherbaren Bildinformationen, bei der für eine Speicherung Kondensatoren in der Speicherschaltung eingesetzt sind;
6 ein Blockschaltbild eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für mit jeweils acht Bit speicherbaren Bildinformationen, bei der für eine Speicherung Transistoren in der Speicherschaltung eingesetzt sind;
7 eine schematische Anordnung für eine Ansteuerung und Speicherung von Bildinformationen einzelner organischer Leuchtdioden;
8 eine schematische Anordnung für eine weitere Möglichkeit zur Ansteuerung und Speicherung von Bildinformationen einzelner organischer Leuchtdioden;
9 zeitliche Verläufe der elektrischen Betriebsspannungen der Treiberschaltung bei einem Auslesen der Speicherschaltung;
10 ein Beispiel für die Ausbildung einer Treiberschaltung und
11 ein weiteres Beispiel für eine bei der Erfindung einsetzbaren Treiberschaltung.
Mikrodisplays mit organischen Leuchtdioden 5 sind bevorzugt so aufgebaut, dass sie auf der Top-Metall-Ebene eines CMOS-Substrates, bei elektrischem Stromfluss lichtemittierende organische Schichten (OLED) beinhalten. Diese können einzeln lokal, d. h. als so genannte Pixel, aktiviert werden, indem über eine Elektrode der organischen Leuchtdiode 5 elektrischer Strom lokal durch die organische Leuchtdiode 5 fließt. Unterhalb der Elektrode können sich in einer matrixhaften Pixelzellanordnung aktive und passive Bauelemente (i. d. R. Transistoren und Kondensatoren), die die Steuerung jeder einzelnen organischen Leuchtdiode 5 übernehmen, befinden. In 1 ist der Prinzipquerschnitt durch ein OLED-Mikrodisplay dargestellt.
Die einzelnen Speicher für organischen Leuchtdioden 5, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, werden durch eine entsprechende Schaltung, wie in 2 gezeigt, beschrieben. Dabei werden die Bildeingangsdaten durch ein elektronisches Steuerwerk entgegengenommen. Dieses leitet die Daten an den Spaltentreiber weiter, der die Bilddaten für eine Bildzeile zwischenspeichert. Über einen Zeilentreiber wird anschließend die zu beschreibende Zeile ausgewählt und mit den im Spaltentreiber zwischengespeicherten Bilddaten beschrieben. Nach diesem Prinzip werden sequentiell alle Zeilen der Matrixanordnung mit ihrem entsprechenden Bildinhalt programmiert. Anschließend wird mit dem Beschreiben der Bilddaten der ersten Zeile für das nachfolgende Bild begonnen.
Die Übertragung der Bilddaten vom Steuerwerk zum Spaltentreiber, der Zwischenspeicherung im Spaltentreiber und das Programmieren der Matrix wird üblicherweise mit digitalen Signalen realisiert.
Jede Pixelzelle kann in Subpixelzellen unterteilt sein, wobei jede Subpixelzelle zur Speicherung und Darstellung einer Primärfarbe des Displays zuständig ist. Die Anordnung der Primärfarben kann, wie in 3 und 4 dargestellt, realisiert werden. Es sind aber auch noch andere Realisierungen denkbar. Jede dieser Subpixelzellen stellt dabei eine einzelne organische Leuchtdiode 5 dar, die gesondert ansteuerbar sein soll.
Jede Schaltungsanordnung für die Ansteuerung jeder organischen Leuchtdiode (Subpixelzelle) 5 setzt sich dabei aus drei Schaltungsteilen zusammen. Dies sind eine Speicherschaltung (Pixelspeicher) 10, ein Ausleseverstärker (Sense Amplifier) 20 und die eigentliche Treiberschaltung 30 für die einzelnen organischen Leuchtdioden 5. Die Speicherschaltung 10 besteht aus so vielen Speicherzellen, wie dies die Farbtiefe (in Bit) der jeweiligen Farbe erfordert. Üblicherweise sind dies 5, 6 oder 8 Speicherzellen bzw. Bit Farbtiefe. In 5 ist die Speicherschaltung 10 für eine einzelne organische Leuchtdiode 5 bzw. eine Subpixelzelle schematisch dargestellt. Die einzelnen Speicherzellen der Speicherschaltung 10 bestehen dabei jeweils aus einem Kondensator und zwei Schaltern, die als Transistoren realisiert sein können. Für eine Miniaturisierung kann der Kondensator auch als Transistor mit kurzgeschlossenem Drain und Source umgesetzt werden, wie dies in 6 dargestellt ist. Außerdem wurden die Daten- und Programmierleitungen so zusammengefasst, dass für jede einzelne organische Leuchtdiode 5 zwei Datenleitungen (Data<0> und Data<1> in 5 und vier Schreib-/Programmierleitungen (Write<0> bis Write<3>) verwendet werden. Damit können für jede organische Leuchtdiode 5 jeweils zwei Speicherzellen parallel beschrieben werden und das Beschreiben einer Bildzeile unterteilt sich für die angegebene Anordnung mit acht Bit Pixelspeicher in vier Programmierphasen, in denen über die Programmierleitungen aktiviert jeweils zwei Speicherzellen beschrieben werden.
Die Anordnung der Speicherschaltungen 10 sowie der entsprechenden Daten- und Programmierleitungen für eine Pixelzelle bestehend aus drei organischen Leuchtdioden 5, zu je acht Bit Farbtiefe, was in 7 dargestellt ist. Die Anordnung für eine Pixelzelle mit vier organischen Leuchtdioden 5 zu je sechs Bit Farbtiefe ist in 8 dargestellt. Die schraffierten Rechtecke stellen dabei die Speicher dar, wobei die entsprechende Programmierleitung (z. B.: WO) und die entsprechende Ausleseleitung (z. B.: E0) für die Speicherschaltung 10 angegeben sind.
Um die gespeicherten Bildinformationen auszulesen, wird der Ausleseverstärker (Sense Amplifier) 20 verwendet, der nach 5 für jede organische Leuchtdiode 5 vorhanden ist. Der Ausleseverstärker 20 besteht bei diesem Beispiel aus zwei gegengekoppelten Invertern 21 und 22, die über zwei schalterbildende Transistoren 23 und 24 von der elektrischen Betriebsspannungszufuhr (VSS und LVDD) getrennt werden können. Weiterhin sind die Ein- bzw. Ausgänge dieser Inverter 21 und 22 über zwei Transistoren 25 und 26 als Schalter (Aktivierung mit dem Signal Pre) mit einer elektrischen Spannung Vpre vorladbar. Das Auslesen der Bildinformation kann dabei, wie in 9 gezeigt, grafisch veranschaulicht, in drei Phasen erfolgen. Dies sind die Vorlade-Phase (Precharge), die Ladephase (Load) und die Emittierphase (Emit). Zunächst werden die Inverter 21 und 22 von den Betriebsspannungsleitungen getrennt (LVDD und VSS). Danach werden die Knoten V_SenseIn 27 und V_SenseOut 28 auf die elektrische Spannung V_Pre vorgeladen. Anschließend wird die auszulesende Speicherschaltung 10 über den entsprechenden Schalter (Emit) aktiviert, wodurch die elektrische Spannung am Knoten V_SenseIn 27 entweder Richtung LVDD (bei gespeichertem High-Wert) angehoben oder in Richtung VSS (bei Low-Wert) abgesenkt wird. Durch Zuschalten der elektrischen Betriebsspannung an den gegengekoppelten Invertern 21 und 22 kippt der Ausleseverstärker 20 je nach Speicherwert in einen der beiden stabilen Zustände, so dass am Ausgang V_senseOut das negierte Signal aus der vorher ausgelesenen Speicherschaltung 10 anliegt und der gespeicherte Wert in der Speicherschaltung 10 gleichzeitig erneuert werden kann.
Der Ausgang des Ausleseverstärkers 20 aktiviert die Treiberschaltung 30 für die organische Leuchtdiode 5 und elektromagnetische Strahlung (Licht) wird emittiert. Pro Bildzyklus werden dabei alle Bitspeicher nacheinander ausgelesen und der Inhalt entsprechend dargestellt. Je nach Wertigkeit des entsprechenden Bits ist die Zeitdauer der Emittierphase unterschiedlich lang. Dadurch wird ein pulsweitenmoduliertes bildgebendes Verfahren realisiert. Die eigentliche Bildinformation wird durch zeitliche Integration des ausgesendeten Lichts im Auge des Betrachters rekonstruiert.
Die Speicherschaltung 10 und der Ausleseverstärker 20 einer organischen Leuchtdiode 5 bestehen ausschließlich aus Niedervolttransistoren (NMOS- und PMOS-Transistoren) und benötigen zwei Betriebsspannungsleitungen LVDD und VSS. Der dritte Teil der gesamten Schaltungsanordnung für eine organische Leuchtdiode 5, die Treiberschaltung 30 ist in 10 in einer beispielhaften Ausführung dargestellt. Die Treiberschaltung 30 besteht aus zwei Niedervolt-PMOS-Transistoren M_Drive 1 und M_Swi 2, einem Niedervolt-NMOS-Transistor M_NSwi 3 und nur einem Mittel- oder Hochvolt-PMOS-Transistor M_MV 4 mit einem separaten Wannenanschluss. Die Treiberschaltung 30 benötigt nur die Betriebspannungsleitungen LVDD und VSS sowie eine gemeinsame Zuführung für die Kathodenspannung V_Kathode der organischen Leuchtdioden 5 für das gesamte Display. Die Besonderheit für diese Treiberschaltung 30 ist die Tatsache, dass V_Kathode negativer als VSS (Masse) sein kann.
11 zeigt eine zweite Variante für eine bei der Erfindung einsetzbare Treiberschaltung 30. Dabei wird ein zusätzlicher Schalter M_GOff mit einem weiteren Transistor 7, der als Niedervolt-PMOS-Transistor) ausgebildet ist, und für die Abschaltung der jeweiligen organischen Leuchtdiode 5 verwendet werden kann, eingesetzt. Der weitere Transistor 7 ist ebenfall in Reihe geschaltet.
Über diese Transistoren 7 kann das gesamte Display deaktiviert werden, ohne dass gespeicherte Bildinformationen verloren gehen. Diese Deaktivierungsfunktion kann beispielsweise genutzt werden, wenn auf dem Mikrodisplaychip zusätzlich optische Sensoren (nicht dargestellt) integriert werden und diese optisch vom Mikrodisplay (und dem ausgesendetem Licht der organischen Leuchtdioden) entkoppelt werden sollen, wie dies in DE 10 2006 030 541 A1 beschrieben ist. solche optischen Sensoren können z. B. Kameras sein.
Je nach elektrischem Eingangsspannungssignal V_DriveIn (verbunden mit V_SenseOut des Ausleseverstärkers) 20 kann für zwei Betriebsmodi der gesamten Schaltungsanordnung unterschieden werden.
Ist das elektrische Eingangsspannungssignal auf VSS geschaltet (Low), ist die Treiberschaltung 30 aktiviert. In diesem Fall ist der Transistor M_NSwi 3 hochohmig und der Transistor M_Swi 2 leitend und ein elektrischer Strom I_OLED kann von LVDD durch die Transistoren M_Drive 1, M_Swi 2 und M_MV 4 in die organische Leuchtdiode 5 fließen. Die Größe des elektrischen Stromes hängt dabei von der elektrischen Spannung V_Drive ab und kann über mehrere Dekaden eingestellt werden. Dabei wird die Linearität der Bilddarstellung nicht beeinflusst, da die Darstellung von Farbabstufungen/Graustufen über die vorab beschriebene Pulsweitenmodulation realisiert werden kann.
Ist das Eingangsspannungssignal auf LVDD geschaltet (High), ist die Treiberschaltung 30 deaktiviert. In diesem Fall ist der Transistor M_Swi 2 hochohmig und der Transistor M_NSwi 3 elektrisch leitend. Der Transistor M_Nswi 3 schaltet den Knoten V_SMV auf VSS und schützt den eigentlichen Stromquellentransistor M_Drive 1 und den Transistor M_Swi 2 vor elektrischen Überspannungen (in diesem Fall Spannungen kleiner als VSS). Damit kann durch den Transistor M_MV 4 (hochohmig) nur ein sehr geringer elektrischer Leckstrom fließen und der elektrische Strom durch die organische Leuchtdiode 5 wird so klein, dass diese nicht mehr leuchtet. Die elektrische Spannungsdifferenz über der organischen Leuchtdiode 5 (V_Anode – V_Kathode) wird damit kleiner, als die an der organischen Leuchtdiode 5 anliegende elektrische Spannung, bei elektrischem Stromfluss, weil sich die elektrische Spannung V_Anode der Spannung V_Kathode annähert.
Ein Sonderfall für den Betrieb liegt vor, wenn die elektrische Spannung V_Drive auf VSS geschaltet wird. In diesem Fall operiert der Transistor M_Drive 1 als Schalter und die Treiberschaltung 30 arbeitet als elektrische Spannungsquelle für die organische Leuchtdiode 5, die im eingeschalteten Zustand die elektrische Spannung LVDD bereitstellt. Die Treiberschaltung 30 kann also demnach sowohl als elektrische Strom- als auch als Spannungsquelle genutzt werden.
Die Treiberschaltung 30 kann eine maximale elektrische Spannungsdifferenz an der organischen Leuchtdiode 5 ansteuern, die von 0 Volt im ausgeschalteten Zustand bis zu (LVDD – V_Kathode) im eingeschalteten Zustand reicht. Dabei darf die elektrische Spannung V_Kathode (kleiner 0 Volt) vom Betrag her maximal so groß, wie die zulässige Drain-Source-Spannung des Transistors M_MV 4 sein. Je nach Wahl der CMOS-Technologie (und der entsprechenden Mittelvolt/Hochvoltoption) kann damit ein Spannungshub von 5 V bis zu 15 V an der organischen Leuchtdiode 5 vom ein- zum ausgeschalteten Zustand realisiert werden.

Claims

Schaltungsanordnung für in einer zweidimensionalen Matrix angeordnete organische Leuchtdioden, bei der jede organische Leuchtdiode (5) mittels einer Speicherschaltung (10), einem Ausleseverstärker (20) und einer Treiberschaltung (30) ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (30) mit mindestens drei in Reihe geschalteten Transistoren (1, 2 und 3) und einem weiteren Ausgangstransistor (4) dessen Drain an die Anode der jeweiligen organischen Leuchtdiode (5) angeschlossen ist, gebildet ist und dabei der als Treiber fungierende Transistor (1) an seiner Source mit einer konstanten elektrischen Betriebsspannung LVDD und seinem Gate mit einer weiteren ebenfalls konstanten elektrischen Betriebsspannung V_Drive beaufschlagt ist; dabei das Drain des Transistors (1) an die Source des nachfolgend zu ihm in Reihe geschalteten Transistors (2) und die beiden Gates der Transistoren (2 und 3), die einen Schalter bilden, an den Ausgang des Ausleseverstärkers (20) angeschlossen und mit dessen elektrischer Ausgangsspannung V_senseOut beaufschlagt sind; und die Drains der beiden den Schalter bildenden Transistoren (2 und 3) an die Source des Ausgangstransistors (4), dessen Gate an Massepotential angeschlossen oder mit negativer elektrischer Spannung beaufschlagt ist, angeschlossen sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (2) der mit seiner Source mit dem als Treiber fungierenden Transistor (1) verbunden ist, ein PMOS-Transistor und der Transistor (3) dessen Gate mit dem Gate des Transistors (2) gemeinsam an den Ausgang des Ausleseverstärkers (20) angeschlossen ist, ein NMOS-Transistor ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Elemente der Schaltungsanordnung als CMOS-Schaltung auf einem halbleitenden Substrat ausgebildet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschaltung der Treiberschaltung (30) ein weiterer Transistor (7) zwischen dem als Treiber fungierenden Transistor (1) und dem einen Transistor (2) in Reihe geschaltet angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Transistor (7) als PMOS-Transistor ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Kathode der organischen Leuchtdioden (5) eine elektrische Spannung angelegt ist, die kleiner als die elektrische Spannung, die an die Source des Transistors (3) und das Gate des mit der Anode der organischen Leuchtdiode (5) verbundenen Ausgangstransistors (4) ist.