JP2008233129A - 画素回路および表示装置とその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】移動度補正機能を有する有機EL表示装置において、映像信号振幅を大きくしなくても、移動度補正に起因する発光輝度低下を防止できるようにする。
【解決手段】発光制御トランジスタ122のゲート端Gと駆動トランジスタ121のソース端Sに容量素子129を追加する。移動度補正によるゲート・ソース間電圧Vgsの低下分ΔVを、移動度補正動作の開始時に、移動度補正時に消費される分の電圧ΔVを発光制御トランジスタ122に供給される走査駆動パルスDSによるカップリングにより電圧VDSbの分だけ上乗せし補うことで、発光期間におけるゲート・ソース間電圧Vgsを広げる。移動度補正に起因する発光輝度低下を防止でき、映像信号Vsig の振幅を下げることができ、通常の映像信号Vsig のみを保持容量120に書き込むだけでよく、低消費電力化に寄与できる。
【選択図】図7
【解決手段】発光制御トランジスタ122のゲート端Gと駆動トランジスタ121のソース端Sに容量素子129を追加する。移動度補正によるゲート・ソース間電圧Vgsの低下分ΔVを、移動度補正動作の開始時に、移動度補正時に消費される分の電圧ΔVを発光制御トランジスタ122に供給される走査駆動パルスDSによるカップリングにより電圧VDSbの分だけ上乗せし補うことで、発光期間におけるゲート・ソース間電圧Vgsを広げる。移動度補正に起因する発光輝度低下を防止でき、映像信号Vsig の振幅を下げることができ、通常の映像信号Vsig のみを保持容量120に書き込むだけでよく、低消費電力化に寄与できる。
【選択図】図7
Description
本発明は、電気光学素子(表示素子や発光素子とも称される)を具備する画素回路(画素とも称される)と、この画素回路が行列状に配列された画素アレイ部を有する表示装置と、その駆動方法に関する。より詳細には、駆動信号の大小によって輝度が変化する電気光学素子を表示素子として有する画素回路と、この画素回路が行列状に配置されてなり、画素回路ごとに能動素子を有して当該能動素子によって画素単位で表示駆動が行なわれるアクティブマトリクス型の表示装置と、その駆動方法に関する。
画素の表示素子として、印加される電圧や流れる電流によって輝度が変化する電気光学素子を用いた表示装置がある。たとえば、印加される電圧によって輝度が変化する電気光学素子としては液晶表示素子が代表例であり、流れる電流によって輝度が変化する電気光学素子としては、有機エレクトロルミネッセンス(Organic Electro Luminescence, 有機EL, Organic Light Emitting Diode, OLED;以下、有機ELと記す) 素子が代表例である。後者の有機EL素子を用いた有機EL表示装置は、画素の表示素子として、自発光素子である電気光学素子を用いたいわゆる自発光型の表示装置である。
有機EL素子は有機薄膜に電界をかけると発光する現象を利用した電気光学素子である。有機EL素子は比較的低い印加電圧(たとえば10V以下)で駆動できるため低消費電力である。また有機EL素子は自ら光を発する自発光素子であるため、液晶表示装置では必要とされるバックライトなどの補助照明部材を必要とせず、軽量化および薄型化が容易である。さらに、有機EL素子の応答速度は非常に高速である(たとえば数μs程度)ので、動画表示時の残像が発生しない。これらの利点があることから、電気光学素子として有機EL素子を用いた平面自発光型の表示装置の開発が近年盛んになっている。
ところで、液晶表示素子を用いた液晶表示装置や有機EL素子を用いた有機EL表示装置を始めとする電気光学素子を用いた表示装置においては、その駆動方式として、単純(パッシブ)マトリクス方式とアクティブマトリクス方式とを採ることができる。ただし、単純マトリクス方式の表示装置は、構造が単純であるもの、大型でかつ高精細の表示装置の実現が難しいなどの問題がある。
このため、近年、画素内部の発光素子に供給する画素信号を、同様に画素内部に設けた能動素子、たとえば絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(一般には、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor ;TFT)をスイッチングトランジスタとして使用して制御するアクティブマトリクス方式の開発が盛んに行なわれている。
ここで、画素回路内の電気光学素子を発光させる際には、映像信号線を介して供給される入力画像信号をスイッチングトランジスタで駆動トランジスタのゲート端(制御入力端子)に設けられた保持容量(画素容量とも称する)に取り込み、取り込んだ入力画像信号に応じた駆動信号を電気光学素子に供給する。
電気光学素子として液晶表示素子を用いる液晶表示装置では、液晶表示素子が電圧駆動型の素子であることから、保持容量に取り込んだ入力画像信号に応じた電圧信号そのもので液晶表示素子を駆動する。これに対して、電気光学素子として有機EL素子などの電流駆動型の素子を用いる有機EL表示装置では、保持容量に取り込んだ入力画像信号に応じた駆動信号(電圧信号)を駆動トランジスタで電流信号に変換して、その駆動電流を有機EL素子などに供給する。
有機EL素子を代表例とする電流駆動型の電気光学素子では、駆動電流値が異なると発光輝度も異なる。よって、安定した輝度で発光させるためには、安定した駆動電流を電気光学素子に供給することが肝要となる。たとえば、有機EL素子に駆動電流を供給する駆動方式としては、定電流駆動方式と定電圧駆動方式とに大別できる(周知の技術であるので、ここでは公知文献の提示はしない)。
有機EL素子の電圧−電流特性は傾きの大きい特性を有するので、定電圧駆動を行なうと、僅かな電圧のばらつきや素子特性のばらつきが大きな電流のばらつきを生じ大きな輝度ばらつきをもたらす。よって、一般的には、駆動トランジスタを飽和領域で使用する定電流駆動が用いられる。もちろん、定電流駆動でも、電流変動があれば輝度ばらつきを招くが、小さな電流ばらつきであれば小さな輝度ばらつきしか生じない。
逆に言えば、定電流駆動方式であっても、電気光学素子の発光輝度が不変であるためには、入力画像信号に応じて保持容量に書き込まれ保持される駆動信号が一定であることが重要となる。たとえば、有機EL素子の発光輝度が不変であるためには、入力画像信号に応じた駆動電流が一定であることが重要となる。
ところが、プロセス変動により電気光学素子を駆動する能動素子(駆動トランジスタ)の閾値電圧や移動度がばらついてしまう。また、有機EL素子などの電気光学素子の特性が経時的に変動する。このような駆動用の能動素子の特性ばらつきや電気光学素子の特性変動があると、定電流駆動方式であっても、発光輝度に影響を与えてしまう。
このため、表示装置の画面全体に亘って発光輝度を均一に制御するため、各画素回路内で上述した駆動用の能動素子や電気光学素子の特性変動に起因する輝度変動を補正するための仕組みが種々検討されている。
たとえば、特許文献1に記載の仕組みでは、有機EL素子用の画素回路として、駆動トランジスタの閾値電圧にばらつきや経時変化があった場合でも駆動電流を一定にするための閾値補正機能や、駆動トランジスタの移動度にばらつきや経時変化があった場合でも駆動電流を一定にするための移動度補正機能や、有機EL素子の電流−電圧特性に経時変化があった場合でも駆動電流を一定にするためのブートストラップ機能が提案されている。
しかしながら、特許文献1に記載の仕組みでは、サンプリングトランジスタをオンさせて映像信号に対応する駆動電位を保持容量に保持させた後にサンプリングトランジスタをオンさせたままで移動度補正期間に入る。このため、駆動トランジスタのゲート電位が固定された状態で移動度補正動作が行なわれるで、移動度補正によりゲート・ソース間電圧が減少し、そのままでは発光輝度が低下してしまう弊害がある。
この移動度補正に起因する発光輝度低下を防止する一手法として、たとえば、移動度補正によるゲート・ソース間電圧の減少分を補うように、より大きな映像信号を供給して保持容量に駆動電位を書き込むことが考えられる。しかしながらこの手法では、移動度補正を行なわない場合に比べて映像信号振幅を大きくしなければならず、電源電圧や書込駆動パルスを大きくする必要が生じ、消費電圧の増大へと繋がってしまう。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、映像信号振幅を大きくしなくても、移動度補正に起因する発光輝度低下を防止することのできる仕組みを提供することを目的とする。
本発明に係る表示装置の一実施形態は、映像信号に基づいて画素回路内の電気光学素子を発光させる表示装置であって、先ず、画素アレイ部に行列状に配される画素回路内に、少なくとも、駆動電流を生成する駆動トランジスタ、駆動トランジスタの出力端に接続された電気光学素子、映像信号の信号電位に応じた情報(駆動電位)を保持する保持容量、保持容量に映像信号における信号電位に応じた情報を書き込むサンプリングトランジスタを備える。この画素回路においては、保持容量に保持された情報に基づく駆動電流を駆動トランジスタで生成して電気光学素子に流すことで電気光学素子を発光させる。
サンプリングトランジスタで保持容量に信号電位に応じた情報を駆動電位として書き込むので、サンプリングトランジスタは、その入力端(ソース端もしくはドレイン端の一方)に信号電位を取り込み、その出力端(ソース端もしくはドレイン端の他方)に接続された保持容量に信号電位に応じた情報を書き込む。もちろん、サンプリングトランジスタの出力端は、駆動トランジスタの制御入力端にも接続されている。
なお、ここで示した画素回路の接続構成は、最も基本的な構成を示したもので、画素回路は、少なくとも前述の各構成要素を含むものであればよく、これらの構成要素以外(つまり他の構成要素)が含まれていてもよい。また、「接続」は、直接に接続されている場合に限らず、他の構成要素を介在して接続されている場合でもよい。
たとえば、接続間には、必要に応じてさらに、スイッチング用のトランジスタや、ある機能を持った機能部などを介在させるなどの変更が加えられることがある。典型的には、表示期間(換言すれば非発光時間)を動的に制御するためにスイッチング用のトランジスタ(発光制御トランジスタ)を、駆動トランジスタの出力端と電気光学素子との間に、もしくは駆動トランジスタの電源供給端(ドレイン端が典型例)と電源供給用の配線である電源線との間に配することがある。
このような変形態様の画素回路であっても、本項(課題を解決するための手段)で説明する構成や作用を実現し得るものである限り、それらの変形態様も、本発明に係る表示装置の一実施形態を実現する画素回路である。
また、画素回路を駆動するための周辺部には、たとえば、サンプリングトランジスタを水平周期で順次制御することで画素回路を線順次走査して、1行分の各保持容量に映像信号の信号電位に応じた情報を書き込む書込走査部、および書込走査部での線順次走査に合わせて1行分の各駆動トランジスタの電源供給端に印加される電源供給を制御するための走査駆動パルスを出力する駆動走査部を具備する制御部を設ける。
また、制御部には、書込走査部での線順次走査に合わせて各水平周期内で基準電位と信号電位で切り替わる映像信号がサンプリングトランジスタに供給されるように制御する水平駆動部を設ける。
制御部は、さらに少なくとも、サンプリングトランジスタを導通状態にして信号電位に応じた情報(駆動電位)を保持容量に保持させた後にサンプリングトランジスタを導通状態にしたままで駆動トランジスタの移動度に対する補正分を保持容量に書き込まれる情報に加えるための移動度補正動作を行なうように制御する。必要に応じて、その制御のための補正走査部を設ける。
制御部は、さらに好ましくは、駆動電流を流すために使用される第1電位に対応する電圧(いわゆる電源電圧)が駆動トランジスタの電源供給端に供給されている時間帯で駆動トランジスタの閾値電圧に対応する電圧を保持容量に保持するための閾値補正動作を行なうように制御する。必要に応じて、その制御のための補正走査部を設ける。
移動度補正動作用の補正走査部と閾値補正動作用の補正走査部とは、別物であってもよいし、画素回路の構成によっては兼用されたものとすることもできる。それに合わせて、画素回路も移動度補正動作用や閾値補正動作用の補正走査部からのパルスを受けて動作する補正用スイッチトランジスタを1つもしくは2つ設ける。なお、発光制御トランジスタを設ける場合には、補正用スイッチトランジスタだけでなく、発光制御トランジスタも移動度補正動作や閾値補正動作に関わりを持つようになる。発光制御トランジスタは、補正用スイッチトランジスタとしての機能も持つのである。
この閾値補正動作は、必要に応じて、信号電位の保持容量への書込みに先行する複数の水平周期で繰り返し実行するとよい。ここで「必要に応じて」とは、1水平周期内の閾値補正期間では駆動トランジスタの閾値電圧に相当する電圧を十分に保持容量へ保持させることができない場合を意味する。閾値補正動作の複数回の実行により、確実に駆動トランジスタの閾値電圧に相当する電圧を保持容量に保持させるのである。
また、さらに好ましくは、制御部は、閾値補正動作に先立って、駆動トランジスタの制御入力端と出力端の電位を、両端の電位差が閾値電圧以上になるように初期化する閾値補正用の準備動作を実行するように制御する。より詳しくは、制御入力端と出力端との間に保持容量を接続しておくことで、保持容量の両端の電位差が閾値電圧以上になるように設定するのである。
さらに好ましくは、制御部は、閾値補正動作の後、サンプリングトランジスタに信号電位が供給されている時間帯でサンプリングトランジスタを導通させることで、保持容量に信号電位の情報を書き込んでから、駆動トランジスタの移動度に対する補正分を保持容量に書き込まれる信号に加えるように制御する。
さらに好ましくは、制御部は、保持容量に信号電位に対応する情報が書き込まれた時点でサンプリングトランジスタを非導通状態にして駆動トランジスタの制御入力端への映像信号の供給を停止させ、駆動トランジスタの出力端の電位変動に制御入力端の電位が連動するブートストラップ動作を行なうように制御する。
制御部は、好ましくはブートストラップ動作を、サンプリング動作の終了後の特に発光開始の初期でも実行するようにする。すなわち、信号電位がサンプリングトランジスタに供給されている状態でサンプリングトランジスタを導通状態にした後にサンプリングトランジスタを非導通状態にすることで、駆動トランジスタの制御入力端と出力端の電位差が一定に維持されるようにする。
また、制御部は、好ましくはブートストラップ動作を、発光期間において電気光学素子の経時変動補正動作を実現するように制御する。このため、制御部は、保持容量に保持された情報に基づく駆動電流が電気光学素子に流れている期間は継続的にサンプリングトランジスタを非導通状態にしておくことで、制御入力端と出力端の電圧を一定に維持可能にして電気光学素子の経時変動補正動作を実現するとよい。
ここで、本発明に係る画素回路および表示装置の一実施形態における特徴的な事項として、前述の構成の画素回路をベースとして、画素回路ごとに、一方の端子が駆動トランジスタの出力端に接続され他方の端子にパルス信号が供給される容量素子を設ける。そして、容量素子の他方の端子には、移動度補正動作を開始させるパルス信号を供給する。これにより、駆動トランジスタの出力端は、駆動トランジスタの制御入力端と出力端の電位差が大きくなる方向の遷移情報が容量素子を介して供給されるようにする。こうすることで、移動度補正開始時に駆動トランジスタの制御入力端と出力端の電位差を広げておいてから移動度補正を行なうことができる。
容量素子の他方の端子に供給する、移動度補正動作を開始させるパルス信号は、画素回路の構成や駆動タイミングに応じて様々なものが考えられる。たとえば、駆動トランジスタおよびサンプリングトランジスタの他に、閾値補正動作や移動度補正動作時の制御パルスに基づいてオン/オフ動作する2つのスイッチトランジスタを備え、また発光期間のデューティを調整する発光制御トランジスタを備える特許文献1に記載のような5TR構成の場合において、サンプリングトランジスタに供給する書込駆動パルスと発光制御トランジスタに供給する走査駆動パルスがともにアクティブとなる期間で移動度補正動作を行なう場合、発光制御トランジスタの制御入力端に供給される走査駆動パルスを、移動度補正動作を開始させるパルスとするのがよい。
さらにこの場合において、n型およびp型の何れか一方の型の駆動トランジスタの電源供給端側にn型およびp型の他方の型の発光制御トランジスタを備える構成の場合には、容量素子の他方の端子を発光制御トランジスタの制御入力端に接続して、他方の端子に走査駆動パルスを供給するようにすればよい。
もちろんこれは一例であり、駆動トランジスタの電気光学素子側である出力端に容量素子の一方の端子を接続し、他方の端子に移動度補正動作を開始するパルスに対応する情報を供給することで、そのパルスの遷移情報(特に移動度補正開始時の駆動トランジスタのゲート・ソース間電圧を広げる方向の情報)を駆動トランジスタの出力端に供給するものであればよい。
本発明の一実施形態によれば、容量素子を追加し、その容量素子の一方の端子を駆動トランジスタの出力端に接続し、他方の端子に移動度補正動作を開始させるパルスに対応する情報を供給して、駆動トランジスタの制御入力端と出力端の電位差を大きくするようにした。
サンプリングトランジスタを導通状態にして信号電位に応じた情報を保持容量に保持させた後にサンプリングトランジスタを導通状態にしたままで移動度補正動作を行なう際に、移動度補正開始時に駆動トランジスタの制御入力端と出力端の電位差を予め広げておいてから移動度補正を行なうことができるので、駆動トランジスタの制御入力端と出力端の電位差の移動度補正に伴う減少分を補うことができる。
その結果、発光期間における駆動電位を広げることができるので、映像信号振幅を大きくしなくても、移動度補正に起因する発光輝度低下を防止できる。映像信号振幅を大きくしなくても済むので、低消費電力化に寄与することもできる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
<表示装置の全体概要>
図1は、本発明に係る表示装置の一実施形態であるアクティブマトリクス型表示装置の構成の概略を示すブロック図である。本実施形態では、たとえば画素の表示素子として有機EL素子を、能動素子としてポリシリコン薄膜トランジスタ(TFT;Thin Film Transistor)をそれぞれ用い、薄膜トランジスタを形成した半導体基板上に有機EL素子を形成してなるアクティブマトリクス型有機ELディスプレイ(以下「有機EL表示装置」と称する)に適用した場合を例に採って説明する。
図1は、本発明に係る表示装置の一実施形態であるアクティブマトリクス型表示装置の構成の概略を示すブロック図である。本実施形態では、たとえば画素の表示素子として有機EL素子を、能動素子としてポリシリコン薄膜トランジスタ(TFT;Thin Film Transistor)をそれぞれ用い、薄膜トランジスタを形成した半導体基板上に有機EL素子を形成してなるアクティブマトリクス型有機ELディスプレイ(以下「有機EL表示装置」と称する)に適用した場合を例に採って説明する。
なお、以下においては、画素の表示素子として有機EL素子を例に具体的に説明するが、これは一例であって、対象となる表示素子は有機EL素子に限らない。一般的に電流駆動で発光する発光素子の全てに、後述する全ての実施形態が同様に適用できる。
図1に示すように、有機EL表示装置1は、複数の表示素子としての有機EL素子(図示せず)を持った画素回路(画素とも称される)110が表示アスペクト比である縦横比がX:Y(たとえば9:16)の有効映像領域を構成するように配置された表示パネル部100と、この表示パネル部100を駆動制御する種々のパルス信号を発するパネル制御部の一例である駆動信号生成部200と、映像信号処理部300を備えている。駆動信号生成部200と映像信号処理部300とは、1チップのIC(Integrated Circuit;半導体集積回路)に内蔵されている。
なお、製品形態としては、図示のように、表示パネル部100、駆動信号生成部200、および映像信号処理部300の全てを備えたモジュール(複合部品)形態の有機EL表示装置1として提供されることに限らず、たとえば、表示パネル部100のみで有機EL表示装置1として提供することも可能である。また、このような有機EL表示装置1は、半導体メモリやミニディスク(MD)やカセットテープなどの記録媒体を利用した携帯型の音楽プレイヤーやその他の電子機器の表示部に利用される。
表示パネル部100は、基板101の上に、画素回路Pがn行×m列のマトリクス状に配列された画素アレイ部102と、画素回路Pを垂直方向に走査する垂直駆動部103と、画素回路Pを水平方向に走査する水平駆動部(水平セレクタあるいはデータ線駆動部とも称される)106と、外部接続用の端子部(パッド部)108などが集積形成されている。すなわち、垂直駆動部103や水平駆動部106などの周辺駆動回路が、画素アレイ部102と同一の基板101上に形成された構成となっている。
垂直駆動部103としては、たとえば、書込走査部(ライトスキャナWS;Write Scan)104や駆動走査部(ドライブスキャナDS;Drive Scan)105(図では両者を一体的に示している)と、2つの閾値&移動度補正走査部114,115(図では両者を一体的に示している)とを有する。
画素アレイ部102は、一例として、図示する左右方向の一方側もしくは両側から書込走査部104、駆動走査部105、閾値&移動度補正走査部114,115で駆動され、かつ図示する上下方向の一方側もしくは両側から水平駆動部106で駆動されるようになっている。端子部108には、有機EL表示装置1の外部に配された駆動信号生成部200から、種々のパルス信号が供給されるようになっている。また同様に、映像信号処理部300から映像信号Vsig が供給されるようになっている。
一例としては、垂直駆動用のパルス信号として、垂直方向の書込み開始パルスの一例であるシフトスタートパルスSPDS,SPWSや垂直走査クロックCKDS,CKWSなど必要なパルス信号が供給される。また、閾値や移動度を補正するためのパルス信号として、垂直方向の閾値検知開始パルスの一例であるシフトスタートパルスSPAZ1,SPAZ2や垂直走査クロックCKAZ1,CKAZ2など必要なパルス信号が供給される。また、水平駆動用のパルス信号として、水平方向の書込み開始パルスの一例である水平スタートパルスSPH や水平走査クロックCKH など必要なパルス信号が供給される。
端子部108の各端子は、配線109を介して、垂直駆動部103や水平駆動部106に接続されるようになっている。たとえば、端子部108に供給された各パルスは、必要に応じて図示を割愛したレベルシフタ部で電圧レベルを内部的に調整した後、バッファを介して垂直駆動部103の各部や水平駆動部106に供給される。
画素アレイ部102は、図示を割愛するが(詳細は後述する)、表示素子としての有機EL素子に対して画素トランジスタが設けられた画素回路Pが行列状に2次元配置され、この画素配列に対して行ごとに走査線が配線されるとともに、列ごとに信号線が配線された構成となっている。
たとえば、画素アレイ部102には、走査線(ゲート線)104WS,105DSや閾値&移動度補正走査線114AZ,115AZと信号線(データ線)106HSが形成されている。両者の交差部分には図示を割愛した有機EL素子とこれを駆動する薄膜トランジスタ(TFT;Thin Film Transistor)が形成される。有機EL素子と薄膜トランジスタの組み合わせで画素回路Pを構成する。
具体的には、マトリクス状に配列された各画素回路Pに対しては、書込走査部104によって書込駆動パルスWSで駆動されるn行分の書込走査線104WS_1〜104WS_nおよび駆動走査部105によって走査駆動パルスDSで駆動されるn行分の駆動走査線105DS_1〜105DS_n、また第1の閾値&移動度補正走査部114によって閾値&移動度補正パルスAZ1で駆動されるn行分の閾値&移動度補正走査線114AZ_1〜114AZ_nおよび第2の閾値&移動度補正走査部115によって閾値&移動度補正パルスAZ2で駆動されるn行分の閾値&移動度補正走査線115AZ_1〜115AZ_nが画素行ごとに配線される。
書込走査部104および駆動走査部105は、駆動信号生成部200から供給される垂直駆動系のパルス信号に基づいて、各走査線105DS,104WSを介して各画素回路Pを順次選択する。水平駆動部106は、駆動信号生成部200から供給される水平駆動系のパルス信号に基づいて、選択された画素回路Pに対し信号線106HSを介して画像信号を書き込む。
垂直駆動部103の各部は線順次で画素アレイ部102を走査するとともに、これに同期して水平駆動部106が、画像信号を1水平ライン分について水平方向に順番に(つまり画素ごとに)、もしくは1水平ライン分を同時に、画素アレイ部102に書き込む。前者は全体として点順次駆動となり、後者は全体として線順次駆動となる。
点順次駆動に対応する場合、水平駆動部106は、シフトレジスタやサンプリングスイッチ(水平スイッチ)などによって構成されており、映像信号処理部300から入力される画素信号を、垂直駆動部103の各部によって選択された行の各画素回路Pに対して、画素単位で書き込む。つまり、垂直走査による選択行の各画素回路Pに対して映像信号を画素単位で書き込む点順次駆動を行なう。
一方、線順次駆動に対応する場合、水平駆動部106は、全列の信号線106HS上に設けられた図示を割愛したスイッチを一斉にオンさせるドライバ回路を備えて構成され、映像信号処理部300から入力される画素信号を、垂直駆動部103によって選択された行の1ライン分の全ての画素回路Pに同時に書き込むべく、全列の信号線106HS上に設けられた図示を割愛したスイッチを一斉にオンさせる。
垂直駆動部103の各部は、論理ゲートの組合せ(ラッチも含む)によって構成され、画素アレイ部102の各画素回路Pを行単位で選択する。なお、図1では、画素アレイ部102の一方側にのみ垂直駆動部103を配置する構成を示しているが、画素アレイ部102を挟んで左右両側に垂直駆動部103を配置する構成を採ることも可能である。
同様に、図1では、画素アレイ部102の一方側にのみ水平駆動部106を配置する構成を示しているが、画素アレイ部102を挟んで上下両側に水平駆動部106を配置する構成を採ることも可能である。
<画素回路;比較例>
図2は、図1に示した有機EL表示装置1を構成する本実施形態の画素回路Pに対する比較例を示す図である。なお、表示パネル部100の基板101上において画素回路Pの周辺部に設けられた垂直駆動部103と水平駆動部106も合わせて示している。
図2は、図1に示した有機EL表示装置1を構成する本実施形態の画素回路Pに対する比較例を示す図である。なお、表示パネル部100の基板101上において画素回路Pの周辺部に設けられた垂直駆動部103と水平駆動部106も合わせて示している。
図3は有機EL素子や駆動トランジスタの動作点を説明する図である。図3Aは、有機EL素子や駆動トランジスタの特性ばらつきが駆動電流Idsに与える影響を説明する図である。図3Bおよび図3Cはその改善手法の概念を説明する図である。
図2に示す比較例や後述する本実施形態の画素回路Pは、基本的にnチャネル型の薄膜電界効果トランジスタでドライブトランジスタが構成されている点に特徴を有する。また、有機EL素子の経時劣化による当該有機EL素子への駆動電流Idsの変動を抑制するための回路、すなわち電気光学素子の一例である有機EL素子の電流−電圧特性の変化を補正して駆動電流Idsを一定に維持する閾値補正機能や移動度補正機能を実現する駆動信号一定化回路(その1)を備えた点に特徴を有する。加えて、有機EL素子の電流−電圧特性に経時変化があった場合でも駆動電流を一定にするブートストラップ機能を実現する駆動信号一定化回路(その2)を備えた点に特徴を有する。
全てのスイッチトランジスタをpチャネル型のトランジスタではなく、nチャネル型のトランジスタで構成することができれば、トランジスタ作成において従来のアモルファスシリコン(a−Si)プロセスを用いることが可能になる。これにより、トランジスタ基板の低コスト化が可能となり、このような構成の画素回路Pの開発が期待される。図2に示す比較例や後述する本実施形態の画素回路Pでは、発光制御トランジスタとしてp型を用いており、不利な面はある。
駆動トランジスタを始めとする各トランジスタとしてはMOSトランジスタを使用する。この場合、駆動トランジスタについては、ゲート端を制御入力端として取り扱い、ソース端およびドレイン端の何れか一方(ここではソース端とする)を出力端として取り扱い、他方を電源供給端(ここではドレイン端とする)として取り扱う。
先ず、本実施形態の画素回路Pの特徴を説明する上での比較例として、図2に示す比較例の画素回路Pについて説明する。
比較例の画素回路Pは、保持容量(画素容量とも称される)120、nチャネル型の駆動トランジスタ121、アクティブLの駆動パルス(走査駆動パルスDS)が制御入力端であるゲート端Gに供給されるpチャネル型の発光制御トランジスタ122、アクティブHの駆動パルス(書込駆動パルスWS)が制御入力端であるゲート端G供給されるnチャネル型のサンプリングトランジスタ125、電流が流れることで発光する電気光学素子(発光素子)の一例である有機EL素子127とを有する。
サンプリングトランジスタ125は、駆動トランジスタ121のゲート端G(制御入力端子)側に設けられたスイッチングトランジスタであり、また、発光制御トランジスタ122もスイッチングトランジスタである。
一般に、有機EL素子127は整流性があるためダイオードの記号で表わしている。なお、有機EL素子127には、寄生容量(等価容量)Celが存在する。図では、この寄生容量Celを有機EL素子127と並列に示す。
ここで、比較例の画素回路Pは、駆動トランジスタ121のドレイン端D側に発光制御トランジスタ122を配し、かつ保持容量120を駆動トランジスタ121のゲート・ソース間に接続するととともに、ブートストラップ回路130と、閾値&移動度補正回路140とを備える点に特徴を有する。
有機EL素子127は電流発光素子のため、有機EL素子127に流れる電流量をコントロールすることで発色の階調を得る。このため、駆動トランジスタ121のゲート端Gへの印加電圧を変化させることで、有機EL素子127に流れる電流値をコントロールする。
この際、ブートストラップ回路130や閾値&移動度補正回路140を備えることで、有機EL素子127の経時時変化や駆動トランジスタ121の特性ばらつきの影響を受けないようにしている。このため、画素回路Pを駆動する垂直駆動部103には、書込走査部104および駆動走査部105に加えて、2つの閾値&移動度補正走査部114,115を備える。
図では、1つの画素回路Pのみを示しているが、図1でも説明したように、同様の構成の画素回路Pがマトリクス状に配列される。そして、マトリクス状に配列された各画素回路Pに対しては、書込走査部104によって書込駆動パルスWSで駆動されるn行分の書込走査線104WS_1〜104WS_nおよび駆動走査部105によって走査駆動パルスDSで駆動されるn行分の駆動走査線105DS_1〜105DS_nの他に、第1の閾値&移動度補正走査部114によって閾値&移動度補正パルスAZ1で駆動されるn行分の閾値&移動度補正走査線114AZ_1〜114AZ_nおよび第2の閾値&移動度補正走査部115によって閾値&移動度補正パルスAZ2で駆動されるn行分の閾値&移動度補正走査線115AZ_1〜115AZ_nが画素行ごとに配線される。
ブートストラップ回路130は、有機EL素子127と並列に接続されたアクティブHの閾値&移動度補正パルスAZ2が供給されるnチャネル型の検知トランジスタ124を備え、この検知トランジスタ124と駆動トランジスタ121のゲート・ソース間に接続された保持容量120とで構成される。保持容量120は、ブートストラップ容量としても機能するようになっている。
閾値&移動度補正回路140は、駆動トランジスタ121のゲート端Gと第2電源電位Vc2との間にアクティブHの閾値&移動度補正パルスAZ1が供給されるnチャネル型の検知トランジスタ123を備え、検知トランジスタ123と、駆動トランジスタ121と、発光制御トランジスタ122と、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間に接続された保持容量120で構成される。保持容量120は、検知した閾値電圧Vthを保持する閾値電圧保持容量としても機能するようになっている。
駆動トランジスタ121は、先ず、ドレイン端Dが発光制御トランジスタ122のドレイン端Dに接続されている。発光制御トランジスタ122のソース端Sは第1電源電位Vc1に接続されている。また、駆動トランジスタ121は、ソース端Sが直接に有機EL素子127のアノード端Aに接続される。その接続点をノードND121とする。有機EL素子127のカソード端Kは基準電位を供給する全画素共通の接地配線Vcath(GND )に接続されてカソード電位Vcathが供給されるようになっている。
サンプリングトランジスタ125は、ゲート端Gが書込走査部104からの書込走査線104WSに接続され、ドレイン端Dが映像信号線106HSに接続され、ソース端Sが駆動トランジスタ121のゲート端Gに接続されている。その接続点をノードND122とする。サンプリングトランジスタ125のゲート端Gには、書込走査部104からアクティブHの書込駆動パルスWSが供給される。サンプリングトランジスタ125は、ソース端Sとドレイン端Dとを逆転させた接続態様とすることもできる。保持容量120は、一方の端子が駆動トランジスタ121のソース端Sに接続され、他方の端子が同じく駆動トランジスタ121のゲート端Gに接続されている。
検知トランジスタ123は、駆動トランジスタ121のゲート端G(制御入力端子)側に設けられたスイッチングトランジスタであり、ソース端Sがオフセット電圧の一例である接地電位Vofs に接続され、ドレイン端Dが駆動トランジスタ121のゲート端G(ノードND122)に接続され、制御入力端であるゲート端Gは閾値&移動度補正走査線114AZに接続されている。検知トランジスタ123がオンすることで、駆動トランジスタ121のゲート端Gの電位を検知トランジスタ123を介して固定電位である接地電位Vofs に接続するように構成している。
検知トランジスタ124は、スイッチングトランジスタであり、ドレイン端Dが駆動トランジスタ121のソース端Sと有機EL素子127のアノード端Aとの接続点であるノードND121に接続され、ソース端Sは、基準電位の一例である接地電位Vs1に接続され、制御入力端であるゲート端Gは閾値&移動度補正走査線115AZに接続されている。
駆動トランジスタ121のゲート・ソース間に保持容量120を接続し、検知トランジスタ124がオンすることで、駆動トランジスタ121のソース端Sの電位を検知トランジスタ124を介して固定電位である接地電位Vs1に接続するように構成している。
サンプリングトランジスタ125は、書込走査線104WSによって選択されたとき動作し、信号線106HSから画素信号Vsig (の信号電位Vin)をサンプリングしてノードND112を介し保持容量120に信号電位Vinに対応する大きさの電圧を保持する。保持容量120に保持される電位は理想的には信号電位Vinと同じ大きさであるが実際にはそれよりも小さくなる。
駆動トランジスタ121は、発光制御トランジスタ122が走査駆動パルスDSの元でオンしているときに保持容量120に保持された駆動電位(その時点の駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgs)に応じて有機EL素子127を電流駆動する。発光制御トランジスタ122は駆動走査線105DSによって選択されたときに導通して第1電源電位Vc1から駆動トランジスタ121に電流を供給する。
このように、駆動トランジスタ121の電源供給端であるドレイン端D側を発光制御トランジスタ122を介して第1電源電位Vc1に接続し、発光制御トランジスタ122のオン期間を制御することで有機EL素子127の発光期間と非発光期間を調整し、デューティ(Duty)駆動を行なうことを可能にしている。
検知トランジスタ123,124は閾値&移動度補正走査部114,115からアクティブHの閾値&移動度補正パルスAZ1,AZ2を閾値&移動度補正走査線114AZ,115AZに供給してそれぞれを選択状態としたとき動作し、予め決められた補正動作(ここでは閾値電圧Vthや移動度μのばらつきを補正する動作)を行なう。
たとえば、有機EL素子127の電流駆動に先立って駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthを検知し、予めその影響をキャンセルするため、検知した電位を保持容量120に保持する。
このような構成の画素回路Pの正常な動作を保証するための条件として、接地電位Vs1は、接地電位Vofs から駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthを差し引いたレベルよりも低く設定されている。すなわち、“Vs1<Vofs −Vth”である。
また、有機EL素子127のカソード端Kの電位Vcathに有機EL素子127の閾値電圧VthELを加えたレベルは、接地電位Vs1から駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthを差し引いたレベルよりも高く設定されている。すなわち、“Vcath+VthEL>Vs1−Vth”となっている。好ましくは、接地電位Vofs のレベルは、信号線106HSから供給される画素信号Vsig の最低レベルの近傍に(最低レベル以下の範囲で)設定されている。
このような構成を持つ比較例の画素回路Pにおいて、サンプリングトランジスタ125は、所定の信号書込期間(サンプリング期間)に書込走査線104WSから供給される書込駆動パルスWSに応じ導通して信号線106HSから供給された映像信号Vsig を保持容量120にサンプリングする。保持容量120は、サンプリングされた映像信号Vsig に応じて駆動トランジスタ121のゲート・ソース間に入力電圧(ゲート・ソース間電圧Vgs)を印加する。
駆動トランジスタ121は、所定の発光期間中に、ゲート・ソース間電圧Vgsに応じた出力電流を駆動電流Idsとして有機EL素子127に供給する。なお、この駆動電流Idsは駆動トランジスタ121のチャネル領域のキャリア移動度μおよび閾値電圧Vthに対して依存性を有する。有機EL素子127は、駆動トランジスタ121から供給された駆動電流Idsにより映像信号Vsig (特に信号電位Vin)に応じた輝度で発光する。
ここで、比較例の画素回路Pにおいては、スイッチングトランジスタ(発光制御トランジスタ122および検知トランジスタ123,124)で構成される補正手段を備えており、駆動電流Idsのキャリア移動度μに対する依存性を打ち消すために、予め発光期間の先頭で保持容量120に保持されたゲート・ソース間電圧Vgsを補正する。
具体的には、この補正手段(スイッチングトランジスタ122,123,124)は、書込走査線104WSおよび駆動走査線105DSから供給される書込駆動パルスWSおよび走査駆動パルスDSに応じて信号書込期間の一部(たとえば後半側)で動作し、映像信号Vsig がサンプリングされている状態で駆動トランジスタ121から駆動電流Idsを取り出し、これを保持容量120に負帰還してゲート・ソース間電圧Vgsを補正する。さらにこの補正手段(スイッチングトランジスタ122,123,124)は、駆動電流Idsの閾値電圧Vthに対する依存性を打ち消すために、予め信号書込期間に先立って駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthを検出し、かつ検出された閾値電圧Vthをゲート・ソース間電圧Vgsに足し込む。
特に、比較例の画素回路Pでは、駆動トランジスタ121はnチャネル型トランジスタでドレインを正電源側に接続する一方、ソースが有機EL素子127側に接続している。この場合、前述した補正手段は、信号書込期間の後部分に重なる発光期間の先頭部分で駆動トランジスタ121から駆動電流Idsを取り出して、保持容量120側に負帰還する。
その際、補正手段は、発光期間の先頭部分で駆動トランジスタ121のソース端S側から取り出した駆動電流Idsが、有機EL素子127の有する寄生容量Celに流れ込むようにしている。具体的には、有機EL素子127はアノード端Aおよびカソード端Kを備えたダイオード型の発光素子であり、アノード端A側が駆動トランジスタ121のソース端Sに接続される一方、カソード端K側が接地側(本例ではカソード電位Vcath)に接続される。
この構成で、補正手段(スイッチングトランジスタ122,123,124)は、予め有機EL素子127のアノード・カソード間を逆バイアス状態にセットしておき、駆動トランジスタ121のソース端S側から取り出した駆動電流Idsが有機EL素子127に流れ込むとき、ダイオード型の有機EL素子127を容量性素子として機能させている。
なお補正手段は、信号書込期間内で駆動トランジスタ121から駆動電流Idsを取り出す時間幅tを調整可能であり、これにより保持容量120に対する駆動電流Idsの負帰還量を最適化する。
ここで、「負帰還量を最適化する」とは、映像信号電位の黒レベルから白レベルまでの範囲で、どのレベルにおいても適切に移動度補正を行なうことができるようにすることを意味する。ゲート・ソース間電圧Vgsにかける負帰還量は、駆動電流Idsの取り出し時間に依存しており、取り出し時間を長く取るほど、負帰還量が大きくなる。
たとえば、映像線信号電位である信号線106HSの電圧の立ち上がりもしくは書込走査線104WSの書込駆動パルスWSの遷移特性に傾斜をつけることで、移動度補正期間tを映像線信号電位に自動的に追従させて、その最適化を図る。すなわち、移動度補正期間tは書込走査線104WSと信号線106HSの位相差で決定でき、さらに信号線106HSの電位によっても決定できる。移動度補正パラメータΔVはΔV=Ids・Cel/tである。
この式から明らかなように、駆動トランジスタ121のドレイン・ソース間電流である駆動電流Idsが大きいほど、移動度補正パラメータΔVは大きくなる。逆に、駆動トランジスタ121の駆動電流Idsが小さいとき、移動度補正パラメータΔVは小さくなる。このように、移動度補正パラメータΔVは駆動電流Idsに応じて決まる。
その際、移動度補正期間tは必ずしも一定である必要はなく、逆に駆動電流Idsに応じて調整することが好ましい場合がある。たとえば、駆動電流Idsが大きい場合、移動度補正期間tは短めにし、逆に駆動電流Idsが小さくなると、移動度補正期間tは長めに設定することがよい。
そこで、映像信号線電位(信号線106HSの電位)の立上りもしくは書込走査線104WSの書込駆動パルスWSの遷移特性に傾斜をつけることで、信号線106HSの電位が高いとき(駆動電流Idsが大きいとき)補正期間tが短くなり、信号線106HSの電位が低いとき(駆動電流Idsが小さいとき)補正期間tは長くなるように、自動的に調整する。こうすることで、映像信号電位(映像信号Vsig の信号電位Vin)に追従して、適切な補正期間を自動的に設定できるため、画像の輝度や絵柄によらず最適な移動度補正が可能となる。
<基本動作>
先ず、図2や後述する本実施形態の画素回路Pの特徴を説明する上での比較例として、発光制御トランジスタ122,検知トランジスタ123,検知トランジスタ124を備えておらず、また、保持容量120は、一方の端子がノードND122に接続され、他方の端子が全画素共通の接地配線Vcath(GND )に接続されている場合での動作について説明する。以下、このような画素回路Pを第1比較例の画素回路Pと称し、それとの区別のため、図2に示す画素回路Pを第2比較例の画素回路Pと称する。第2比較例の画素回路Pを画素アレイ部102に備える有機EL表示装置1を第2比較例の有機EL表示装置1と称する。
先ず、図2や後述する本実施形態の画素回路Pの特徴を説明する上での比較例として、発光制御トランジスタ122,検知トランジスタ123,検知トランジスタ124を備えておらず、また、保持容量120は、一方の端子がノードND122に接続され、他方の端子が全画素共通の接地配線Vcath(GND )に接続されている場合での動作について説明する。以下、このような画素回路Pを第1比較例の画素回路Pと称し、それとの区別のため、図2に示す画素回路Pを第2比較例の画素回路Pと称する。第2比較例の画素回路Pを画素アレイ部102に備える有機EL表示装置1を第2比較例の有機EL表示装置1と称する。
第1比較例の画素回路Pでは、駆動トランジスタ121のソース端Sの電位(ソース電位Vs)は、駆動トランジスタ121と有機EL素子127との動作点で決まり、その電圧値は駆動トランジスタ121のゲート電位Vgによって異なる値を持ってしまう。
一般的に、図3に示すように、駆動トランジスタ121は飽和領域で駆動される。よって、飽和領域で動作するトランジスタのドレイン端−ソース間に流れる電流をIds、移動度をμ、チャネル幅(ゲート幅)をW、チャネル長(ゲート長)をL、ゲート容量(単位面積当たりのゲート酸化膜容量)をCoxは、トランジスタの閾値電圧をVthとすると、駆動トランジスタ121は下記の式(1)に示した値を持つ定電流源となっている。なお、“^”はべき乗を示す。式(1)から明らかなように、飽和領域ではトランジスタのドレイン電流Idsはゲート・ソース間電圧Vgsによって制御され定電流源として動作する。
<発光素子のIel−Vel特性とI−V特性>
図3A(1)に示す有機EL素子で代表される電流駆動型の発光素子の電流−電圧(Iel−Vel)特性において、実線で示す曲線が初期状態時の特性を示し、破線で示す曲線が経時変化後の特性を示している。一般的に有機EL素子を始めとする電流駆動型の発光素子のI−V特性は、グラフに示すように時間が経過すると劣化する。
図3A(1)に示す有機EL素子で代表される電流駆動型の発光素子の電流−電圧(Iel−Vel)特性において、実線で示す曲線が初期状態時の特性を示し、破線で示す曲線が経時変化後の特性を示している。一般的に有機EL素子を始めとする電流駆動型の発光素子のI−V特性は、グラフに示すように時間が経過すると劣化する。
たとえば、発光素子の一例である有機EL素子127に発光電流Ielが流れるとき、そのアノード・カソード間電圧Velは一意的に決定される。図3A(1)に示すように、発光期間中では、有機EL素子127のアノード端Aは駆動トランジスタ121のドレイン・ソース間電流Ids(=駆動電流Ids)で決定される発光電流Ielが流れ、それによってアノード・カソード間電圧Vel分だけ上昇する。
第1比較例の画素回路Pでは、この有機EL素子127のI−V特性の経時変化により同じ発光電流Ielに対するアノード・カソード間電圧VelがVel1 からVel2 へと変化することで、駆動トランジスタ121の動作点が変化してしまい、同じゲート電位Vgを印加しても駆動トランジスタ121のソース電位Vsは変化してしまい、その結果として、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgsは変化してしまう。
駆動トランジスタ121としてnチャネル型を使用した単純な回路では、ソース端Sが有機EL素子127側に接続されてしまうため、有機EL素子127のI−V特性の経時変化の影響を受けてしまい、有機EL素子127に流れる電流量(発光電流Iel)が変化し、その結果、発光輝度は変化してしまうことになる。
具体的には、第1比較例の画素回路Pでは、有機EL素子127のI−V特性の経時変化により動作点が変化してしまい、同じゲート電位Vgを印加しても駆動トランジスタ121のソース電位Vsは変化してしまう。これにより、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgsは変化してしまう。特性式(1)から明らかなように、ゲート・ソース間電圧Vgsが変動すると、たとえゲート電位Vgが一定であっても駆動電流Idsが変動し、同時に有機EL素子127に流れる電流値も変化する。このように有機EL素子127のI−V特性が変化すると、第1比較例の画素回路Pでは、有機EL素子127の発光輝度が経時的に変化してしまう。
駆動トランジスタ121としてnチャネル型を使用した単純な回路では、ソース端Sが有機EL素子127側に接続されてしまうため、有機EL素子127の経時変化とともに、ゲート・ソース間電圧Vgsが変化してしまい、有機EL素子127に流れる電流量が変化し、その結果、発光輝度は変化してしまうのである。
発光素子の一例である有機EL素子127の特性の経時変動による有機EL素子127のアノード電位変動は、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgsの変動となって現れ、ドレイン電流(駆動電流Ids)の変動を引き起こす。この原因による駆動電流の変動は画素回路Pごとの発光輝度のばらつきとなって現れ、画質の劣化が起きる。
これに対して、詳細は後述するが、保持容量120に信号電位Vinに対応する情報が書き込まれた時点で(さらにその後の有機EL素子127の発光期間は継続的に)サンプリングトランジスタ125を非導通状態にすることで駆動トランジスタ121のソース端Sの電位Vsの変動にゲート端Gの電位Vgが連動するようにするブートストラップ機能を実現する回路構成および駆動タイミングとするブートストラップ動作をさせる。
これにより、有機EL素子127の特性の経時変動による有機EL素子127のアノード電位変動(つまりソース電位変動)があっても、その変動を相殺するようにゲート電位Vgを変動させることで、画面輝度の均一性(ユニフォーミティ)を確保できる。ブートストラップ機能により、有機EL素子を代表とする電流駆動型の発光素子の経時変動補正能力を向上させることができる。
このブートストラップ機能は、書込駆動パルスWSをインアクティブLに切り替えてサンプリングトランジスタ125をオフさせた発光開始時点で開始させることができ、その後、有機EL素子127に発光電流Ielが流れ始め、それとともにアノード・カソード間電圧Velが安定となるまで上昇していく過程で、アノード・カソード間電圧Velの変動に伴って駆動トランジスタ121のソース電位Vsが変動する際にも機能する。
<駆動トランジスタのVgs−Ids特性>
また、駆動トランジスタ121の製造プロセスのばらつきにより、画素回路Pごとに閾値電圧や移動度などの特性変動がある。駆動トランジスタ121を飽和領域で駆動する場合においても、この特性変動により、駆動トランジスタ121に同一のゲート電位を与えても、画素回路Pごとにドレイン電流(駆動電流Ids)が変動し、発光輝度のばらつきになって現れる。
また、駆動トランジスタ121の製造プロセスのばらつきにより、画素回路Pごとに閾値電圧や移動度などの特性変動がある。駆動トランジスタ121を飽和領域で駆動する場合においても、この特性変動により、駆動トランジスタ121に同一のゲート電位を与えても、画素回路Pごとにドレイン電流(駆動電流Ids)が変動し、発光輝度のばらつきになって現れる。
たとえば、図3A(2)は、駆動トランジスタ121の閾値ばらつきに着目した電圧電流(Vgs−Ids)特性を示す図である。閾値電圧がVth1とVth2で異なる2個の駆動トランジスタ121について、それぞれ特性カーブを挙げてある。
前述のように、駆動トランジスタ121が飽和領域で動作しているときのドレイン電流Idsは、特性式(1)で表される。特性式(1)から明らかなように、閾値電圧Vthが変動すると、ゲート・ソース間電圧Vgsが一定であってもドレイン電流Idsが変動する。つまり、閾値電圧Vthのばらつきに対して何ら対策を施さないと、図3A(2)に示すように、閾値電圧がVth1のときVgsに対応する駆動電流がIds1となるのに対して、閾値電圧がVth2のときの同じゲート電圧Vgsに対応する駆動電流Ids2はIds1と異なってしまう。
また、図3A(3)は、駆動トランジスタ121の移動度ばらつきに着目した電圧電流(Vgs−Ids)特性を示す図である。移動度がμ1とμ2で異なる2個の駆動トランジスタ121について、それぞれ特性カーブを挙げてある。
特性式(1)から明らかなように、移動度μが変動すると、ゲート・ソース間電圧Vgsが一定であってもドレイン電流Idsが変動する。つまり、移動度μのばらつきに対して何ら対策を施さないと、図3A(3)に示すように、移動度がμ1のときVgsに対応する駆動電流がIds1となるのに対して、移動度がμ2のときの同じゲート電圧Vgsに対応する駆動電流がIds2となり、Ids1と異なってしまう。
図3A(2)や図3A(3)に示すように、閾値電圧Vthや移動度μの違いでVin−Ids特性に大きな違いが出てしまうと、同じ信号電位Vinを与えても、駆動電流Idsすなわち発光輝度が異なってしまい、画面輝度の均一性(ユニフォーミティ)が得られない。
<閾値補正および移動度補正の概念>
これに対して、閾値補正機能および移動度補正機能を実現する駆動タイミング(詳細は後述する)とすることで、それらの変動の影響を抑制でき、画面輝度の均一性(ユニフォーミティ)を確保できる。
これに対して、閾値補正機能および移動度補正機能を実現する駆動タイミング(詳細は後述する)とすることで、それらの変動の影響を抑制でき、画面輝度の均一性(ユニフォーミティ)を確保できる。
第2比較例や本実施形態の閾値補正動作および移動度補正動作では、詳細は後述するが、発光時のゲート・ソース間電圧Vgsが“Vin+Vth−ΔV”で表されるようにすることで、ドレイン・ソース間電流Idsが、閾値電圧Vthのばらつきや変動に依存しないようにするとともに、移動度μのばらつきや変動に依存しないようにする。結果として、閾値電圧Vthや移動度μが製造プロセスや経時により変動しても、駆動電流Idsは変動せず、有機EL素子127の発光輝度も変動しない。
たとえば、図3Bは、移動度補正時における駆動トランジスタ121の動作点を説明するグラフである。製造プロセスや経時における移動度μ1,μ2のばらつきに対して、発光時のゲート・ソース間電圧Vgsが“Vin+Vth−ΔV”で表されるようにする閾値補正および移動度補正をかけると、先ず移動度の観点からは、移動度μ1に対しては移動度補正パラメータΔV1が決定され、また移動度μ2に対しては移動度補正パラメータΔV2が決定される。
これにより、何れの移動度に対しても適正な移動度補正パラメータが決定されるので、駆動トランジスタ121の移動度μ1時の駆動電流Idsaおよび移動度μ2時の駆動電流Idsbが決定される。移動度補正前には大きな電流ばらつきのあったものが、移動度補正によって電流ばらつきは小さくなり、移動度μの違いは抑制される。最適な状態では“Idsa=Idsb”とすることができ、移動度μの違いを除去(キャンセル)できる。
仮に移動度補正をかけないと、図3(3)にも示したが、ゲート・ソース間電圧Vgsに対して、移動度がμ1,μ2で異なると、これに応じて駆動電流IdsもIds1,Ids2で大きく違ってしまう。これに対処するため移動度μ1,μ2に対してそれぞれ適切な移動度補正パラメータΔV1,ΔV2をかけることで、駆動電流IdsがIdsa,Idsbとなり、各移動度補正パラメータΔV1,ΔV2を最適値とすることで、移動度補正後の駆動電流Idsa,Idsbを近づけることができ、最適状態では同レベルとすることができる。
移動度補正時には、図3Bのグラフから明らかなように、大きな移動度μ1に対しては移動度補正パラメータΔV1が大きくなるようにする一方、小さい移動度μ2に対しては移動度補正パラメータΔV2も小さくなるように負帰還をかけることになる。こう言った意味で、移動度補正パラメータΔVを負帰還量ΔVとも称する。
また、図3Cの各図は、閾値補正の観点から、信号電位Vinと駆動電流Idsとの関係を示している。たとえば、図3Cの各図においては、駆動トランジスタ121の電流電圧特性を、横軸に信号電位Vinをとり、縦軸に駆動電流Idsをとって、閾値電圧Vthが比較的低く移動度μが比較的大きい駆動トランジスタ121で構成された画素回路Pa(実線のカーブ)と、逆に閾値電圧Vthが比較的高く移動度μが比較的小さい駆動トランジスタ121で構成された画素回路Pb(点線のカーブ)について、それぞれ特性カーブを挙げてある。
図3C(1)は、閾値補正および移動度補正ともに実行しない場合である。このときには画素回路Paおよび画素回路Pbで閾値電圧Vthおよび移動度μの補正が全く実行されないため、閾値電圧Vthや移動度μの違いでVin−Ids特性に大きな違いが出てしまう。したがって、同じ信号電位Vinを与えても、駆動電流Idsすなわち発光輝度が異なってしまい、画面輝度の均一性(ユニフォーミティ)が得られない。
図3C(2)は、閾値補正を実行する一方、移動度補正を実行しない場合である。このとき画素回路Paと画素回路Pbで閾値電圧Vthの違いはキャンセルされる。しかしながら移動度μの相違はそのまま現れている。したがって信号電位Vinが高い領域(すなわち輝度が高い領域)で、移動度μの違いが顕著に現れ、同じ階調でも輝度が違ってしまう。具体的には、同じ階調(同じ信号電位Vin)で、移動度μの大きい画素回路Paの輝度(駆動電流Ids)は高く、移動度μの小さい画素回路Pbの輝度は低くなる。
図3C(3)は閾値補正および移動度補正ともに実行する場合である。閾値電圧Vthおよび移動度μの相違は完全に補正され、その結果、画素回路Paと画素回路PbのVin−Ids特性は一致する。したがって、全ての階調(信号電位Vin)で輝度(Ids)が同一レベルとなり、画面輝度の均一性(ユニフォーミティ)が顕著に改善される。
図3C(4)は、閾値補正および移動度補正ともに実行するものの、閾値電圧Vthの補正が不十分な場合である。たとえば、1回の閾値補正動作では駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthに相当する電圧を十分に保持容量120へ保持させることができない場合がその一例である。このときには、閾値電圧Vthの差が除去されないため、画素回路Paと画素回路Pbでは低階調の領域で輝度(駆動電流Ids)に差が出てしまう。よって、閾値電圧Vthの補正が不十分な場合は低階調で輝度のムラが現れ画質を損なうことになる。
<画素回路の動作;比較例>
図4は、第2比較例の画素回路Pの動作を説明するタイミングチャートである。後述する本実施形態の駆動タイミングも、各駆動パルス自体は、基本的には、ここで示すタイミングチャートに示すものと同じであり、事実上、本実施形態の画素回路Pに関する駆動タイミングを示すタイミングチャートを包含している。
図4は、第2比較例の画素回路Pの動作を説明するタイミングチャートである。後述する本実施形態の駆動タイミングも、各駆動パルス自体は、基本的には、ここで示すタイミングチャートに示すものと同じであり、事実上、本実施形態の画素回路Pに関する駆動タイミングを示すタイミングチャートを包含している。
図4では、時間軸tに沿って、書込駆動パルスWS、閾値&移動度補正パルスAZ1,AZ2、および走査駆動パルスDSの波形を表してある。前述の説明から理解されるように、スイッチングトランジスタ123,124,125はnチャネル型なので、各パルスWS,AZ1,AZ2がそれぞれハイ(H)レベルのときにオンし、ロー(L)レベルのときにはオフする。一方、発光制御トランジスタ122はpチャネル型なので、走査駆動パルスDSがハイレベルのときにオフし、ローレベルのときにオンする。なお、このタイミングチャートは、各パルスWS,AZ1,AZ2,DSの波形とともに、駆動トランジスタ121のゲート端Gの電位変化およびソース端Sの電位変化も表してある。
比較例の画素回路Pにおいて、通常の発光状態では、駆動走査部105から出力される走査駆動パルスDSのみがアクティブLで、その他の書込走査部104および閾値&移動度補正走査部114,115からそれぞれ出力される書込駆動パルスWSおよび閾値&移動度補正パルスAZ1,AZ2がインアクティブLにあるため、発光制御トランジスタ122のみがオンした状態である。
1フィールドの間に画素アレイ部102の各行が一回順次走査される。当該フィールドが始まる前の期間(t1以前)で、全てのパルスWS,AZ1,AZ2,DSがローレベルにある。したがって、nチャネル型のスイッチングトランジスタ123,124,125はオフ状態にある一方、pチャネル型の発光制御トランジスタ122のみがオン状態である。
したがって、駆動トランジスタ121はオン状態の発光制御トランジスタ122を介して第1電源電位Vc1に接続しているので、所定のゲート・ソース間電圧Vgsに応じて駆動電流Idsを有機EL素子127に供給している。したがって、タイミングt1以前で有機EL素子127は発光している。このとき、駆動トランジスタ121に印加されるゲート・ソース間電圧Vgsは、ゲート電位Vgとソース電位Vsの差で表される。
このとき、駆動トランジスタ121は飽和領域で動作するように設定されているため、飽和領域で動作するトランジスタのドレイン端−ソース間に流れる電流をIds、移動度をμ、チャネル幅をW、チャネル長をL、ゲート容量をCox、トランジスタの閾値電圧をVthとすると、原理的には、駆動トランジスタ121は式(1)に示した値を持つ定電流源となる。
新しいフィールドが始まるタイミングt1で、走査駆動パルスDSがローレベルからハイレベルに切り替わる(t1)。したがって、タイミングt1に入ると、全てのスイッチングトランジスタ122〜125がオフ状態になる。これにより発光制御トランジスタ122がオフし、駆動トランジスタ121は第1電源電位Vc1から切り離されるので、ゲート電圧Vgやソース電圧Vsが低下して、有機EL素子127の発光が停止し非発光期間に入る。
次に、閾値&移動度補正パルスAZ1,AZ2を順にアクティブHにすることで、検知トランジスタ123,124をオンする。なお検知トランジスタ123,124はどちらが先にオンしてもよい。こうすることで、有機EL素子127には電流が流れないようにし、有機EL素子127を非発光状態とする。図示した例では、先ず閾値&移動度補正パルスAZ2をアクティブHにして検知トランジスタ124をオンさせてから(t2)、閾値&移動度補正パルスAZ1をアクティブHにして検知トランジスタ123をオンさせている(t3)。
このとき、駆動トランジスタ121は、ソース端Sには検知トランジスタ124を介して接地電位Vs1が供給されることで駆動トランジスタ121のソース電位Vsが初期化され(t2〜t3)、さらにゲート端Gには検知トランジスタ123を介して接地電位Vofs が供給されることで駆動トランジスタ121のゲート電位Vgが初期化される(t3〜t4)。
これにより、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間に接続された保持容量120の両端の電位差が駆動トランジスタ121の閾値電圧Vth以上に設定される。このとき、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgsは“Vofs −Vs1”という値をとるが、“Vs1<Vofs −Vth”に設定されているので、駆動トランジスタ121はオン状態を維持し、それに応じた電流Ids1 が流れる。
ここで、有機EL素子127を非発光とするためには、Vcath+VthEL>Vs1−Vthの関係にあること、つまり、有機EL素子127のアノード端Aにかかる電圧Vel(=Vs1−Vth)を有機EL素子127の閾値電圧VthELとカソード電圧Vcathの和よりも小さくなるように接地電位Vofs と接地電位Vs1の電圧を設定する必要がある。こうすれば、有機EL素子127は逆バイアス状態となり、電流は流れず、非発光状態になる。
よって、駆動トランジスタ121のドレイン電流Ids1 は第1電源電位Vc1からオン状態にある検知トランジスタ124を介して接地電位Vs1に流れる。また、Vofs −Vs1=Vgs>Vthとすることで、その後のタイミングt5で行なわれる閾値電圧Vthのばらつき補正の準備を行なう。換言すると、期間t2〜t5は、駆動トランジスタ121のリセット期間(初期化期間)や移動度補正の準備期間に相当する。
また、有機EL素子127の閾値電圧VthELに関しては、VthEL>Vs1に設定されている。これにより、有機EL素子127にはマイナスバイアスが印加され、いわゆる逆バイアス状態となる。この逆バイアス状態は、後で行なう閾値電圧Vthのばらつき補正およびキャリア移動度μのばらつき補正の動作を正常に動作させるために必要である。
次に、閾値&移動度補正パルスAZ2をインアクティブLにし(t4)、それとほぼ同じくして(若干遅れて)走査駆動パルスDSをアクティブLにする(t5)。これにより、検知トランジスタ124がオフする一方、発光制御トランジスタ122がオンする。この結果、駆動電流Idsが保持容量120に流れ込み、駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthを補正(キャンセル)する閾値補正期間に入る。
駆動トランジスタ121のゲート端Gは接地電位Vofs に保持されており、駆動トランジスタ121のソース電位Vsが上昇して駆動トランジスタ121がカットオフするまで駆動電流Idsが流れる。カットオフすると駆動トランジスタ121のソース電位Vsは“Vofs −Vth”となる。
すなわち、有機EL素子127の等価回路はダイオードと寄生容量Celの並列回路で表されるため、“Vel≦Vcath+VthEL”である限り、つまり、有機EL素子127のリーク電流が駆動トランジスタ121に流れる電流よりもかなり小さい限り、駆動トランジスタ121の電流は保持容量120と寄生容量Celを充電するために使われる。
この結果、駆動トランジスタ121を流れるドレイン電流Idsの電流路が遮断されると、有機EL素子127のアノード端Aの電圧VelつまりノードND121の電位は、時間とともに上昇してゆく。そして、ノードND121の電位(ソース電圧Vs)とノードND122の電圧(ゲート電圧Vg)との電位差がちょうど閾値電圧Vthとなったところで駆動トランジスタ121はオン状態からオフ状態となり、ドレイン電流は流れなくなり、閾値補正期間が終了する。つまり、一定時間経過後、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgsは閾値電圧Vthという値をとる。
このとき、“Vel=Vofs −Vth≦Vcath+VthEL”となっている。つまり、ノードND121とノードND122の間に現われた電位差=閾値電圧Vthは保持容量120に保持されることになる。このように、各検知トランジスタ123,124は閾値&移動度補正走査線114AZ,115AZによってそれぞれ適切なタイミングで選択されたとき動作し、駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthを検知し、これを保持容量120に保持する。
走査駆動パルスDSをインアクティブHに(t6)、さらに閾値&移動度補正パルスAZ1をインアクティブLに(t7)、この順に切り替えることで、発光制御トランジスタ122と検知トランジスタ123を順にオフすることで、閾値キャンセル動作を終了させる。発光制御トランジスタ122を検知トランジスタ123よりも先にオフすることで、駆動トランジスタ121のゲート端Gの電圧Vgの変動を抑えることが可能となる。
なお、閾値キャンセル(Vth補正期間)経過後も、検知した駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthを保持容量120に補正用電位として保持させる。
このように、タイミングt5〜t6は、駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthを検出する期間である。ここでは、この検出期間t5〜t6を閾値補正期間と呼んでいる。
次に、書込駆動パルスWSをアクティブHにしてサンプリングトランジスタ125をオンして、保持容量120への画素信号Vsig を書き込む(サンプリングするとも称する)(t8〜t10)。このような映像信号Vsig のサンプリングは、書込駆動パルスWSがインアクティブLに戻るタイミングt10まで行なわれる。すなわちタイミングt8〜t10が信号書込期間(以下サンプリング期間とも称する)と称する。通常、サンプリング期間は、1水平期間(1H)に設定される。
このサンプリング期間(t8〜t10)では、駆動トランジスタ121のゲート端Gに画素信号Vsig の信号電位Vinを供給することで、ゲート電圧Vgを信号電位Vinに対応する駆動電位とする。信号電位Vinに対応する保持容量120に書き込まれる情報の大きさの割合を、書込みゲインGinput と称する。この際、画素信号Vsig は駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthに足し込む形で保持される。この結果、駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthの変動は常にキャンセルされる形となるので、閾値補正を行なっていることになる。
駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgs、つまり保持容量120に書き込まれる駆動電位は、保持容量120(容量値Cs)と有機機EL素子127の寄生容量Cel(容量値Cel)とゲート・ソース間の寄生容量(容量値Cgs)によって、式(2)のように決定される。
しかし、一般に寄生容量Celは保持容量120の容量値Csおよびゲート・ソース間の寄生容量値Cgsに比べて遙かに大きい、つまり、有機EL素子127の寄生容量(等価容量)Celに比べて保持容量120は充分に小さい。この結果、映像信号Vsig の殆ど大部分が保持容量120に書き込まれる。正確には、Vofs に対する、Vsig の差分“Vsig −Vofs ”が保持容量120に書き込まれる。
したがって、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間の電圧Vgsは、先に検出保持された閾値電圧Vthと今回サンプリングされた“Vsig −Vofs ”を加えたレベル“Vsig −Vofs +Vth”に等しい。このとき、接地電位Vofs を画素信号Vsig の黒レベル付近に設定しておけば、Vofs =0Vとすることができ、結果的に、ゲート・ソース間電圧Vgs(=駆動電位)は、ほぼ“Vsig +Vth”と等しいことになる。
信号書込期間の終了するタイミングt10より前に走査駆動パルスDSをアクティブLとし発光制御トランジスタ122をオンさせる(t9)。これにより、駆動トランジスタ121のドレイン端Dが発光制御トランジスタ122を介して第1電源電位Vc1に接続されるので、画素回路Pは非発光期間から発光期間に進む。
このように、サンプリングトランジスタ125がまだオン状態でかつ発光制御トランジスタ122がオン状態に入った期間t9〜t10で、駆動トランジスタ121の移動度補正を行なう。書込駆動パルスWSと走査駆動パルスDSのアクティブ期間のオーバーラップする期間(移動度補正期間と称する)を調整することにより、各画素の駆動トランジスタ121の移動度の補正を最適化するのである。すなわち、信号書込期間の後部分と発光期間の先頭部分とが重なる期間t9〜t10で移動度補正を適切に実行する。
なお、この移動度補正を実行する発光期間の先頭では、有機EL素子127は実際には逆バイアス状態にあるので発光することはない。この移動度補正期間t9〜t10では、駆動トランジスタ121のゲート端Gが映像信号Vsig (詳しくは信号電位Vin)に対応する電位に固定された状態で、駆動トランジスタ121に駆動電流Idsが流れる。
ここで、“Vofs −Vth<VthEL”と設定しておくことで、有機EL素子127は逆バイアス状態におかれるため、ダイオード特性ではなく単純な容量特性を示すようになる。よって駆動トランジスタ121に流れる駆動電流Idsは保持容量120の容量値Csと有機EL素子127の寄生容量(等価容量)Celの容量値Celの両者を結合した容量“C=Cs+Cel”に書き込まれていく。これにより駆動トランジスタ121のソース電位Vsは上昇していく。
図4のタイミングチャートでは、この上昇分をΔVで表してある。この上昇分、すなわち移動度補正パラメータである負帰還量ΔVは結局、保持容量120に保持されたゲート・ソース間電圧Vgsから差し引かれることになるので、負帰還をかけたことになる。このように、駆動トランジスタ121の駆動電流Idsを同じく駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgsに負帰還することで、移動度μを補正することが可能である。なお、負帰還量ΔVは移動度補正期間t9〜t10の時間幅tを調整することで最適化可能である。
本例の場合、映像信号Vsig が高いほど駆動電流Idsは大きくなり、ΔVの絶対値も大きくなる。したがって発光輝度レベルに応じた移動度補正が行なえる。また、移動度が高い駆動トランジスタ121と低い駆動トランジスタ121を考えた場合、映像信号Vsig を一定とすると、駆動トランジスタ121の移動度μが大きいほどΔVの絶対値も大きくなる。
換言すると、移動度補正期間に移動度が高い駆動トランジスタ121は低い駆動トランジスタ121に対してソース電位が大きく上昇する。また、ソース電位が大きく上昇するほどゲートとソース間の電位差が小さくなり電流が流れ難くなるように負帰還が掛かる。移動度μが大きいほど負帰還量ΔVが大きくなるので、画素ごとの移動度μのばらつきを取り除くことが可能である。移動度の違う駆動トランジスタ121であっても、同じ駆動電流Idsを有機EL素子127に流すことができる。移動度補正期間を調整することで、その負帰還量ΔVの大きさを最適な状態に設定できる。
次に、書込走査部104は、書込駆動パルスWSをインアクティブLに切り替える(t10)。これにより、サンプリングトランジスタ125が非導通(オフ)状態となり発光期間に進む。この後、次のフレーム(もしくはフィールド)に移って、再び、閾値補正準備動作、閾値補正動作、移動度補正動作、および発光動作が繰り返される。
この結果、駆動トランジスタ121のゲート端Gは映像信号線106HSから切り離される。駆動トランジスタ121のゲート端Gへの信号電位Vinの印加が解除されるので、駆動トランジスタ121のゲート電位Vgは上昇可能となる。
このとき、駆動トランジスタ121に流れる駆動電流Idsは有機EL素子127に流れ、有機EL素子127のアノード電位は駆動電流Idsに応じて上昇する。この上昇分をVelとする。このとき、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgsは保持容量120による効果によって一定であるので、駆動トランジスタ121は、一定電流(駆動電流Ids)を有機EL素子127に流す。その結果、電圧降下が生じ、有機EL素子127のアノード端Aの電位Vel(=ノードND121の電位)は、有機EL素子127に駆動電流Idsという電流が流れ得る電圧まで上昇する。その間、保持容量120に保持されたゲート・ソース間電圧Vgsは“Vsig +Vth−ΔV”の値を維持する。
やがて、ソース電位Vsの上昇に伴い、有機EL素子127の逆バイアス状態は解消されるので、駆動電流Idsの流入により有機EL素子127は実際に発光を開始する。このときの有機EL素子127のアノード電位の上昇(Vel)は、駆動トランジスタ121のソース電位Vsの上昇に他ならず、駆動トランジスタ121のソース電位Vsは、“−Vth+ΔV+Vel”となる。
発光時の駆動電流Ids対ゲート電圧Vgsの関係は、先のトランジスタ特性を表わした式(1)のVgsに“Vsig +Vth−ΔV”を代入することで、式(3)のように表わすことができる。
その際、信号電位Vinは帰還量ΔVで補正されている。この補正量ΔVはちょうど式(3)の係数部に位置する移動度μの効果を打ち消すように働く。したがって、駆動電流Idsは実質的に信号電位Vinのみに依存することになる。駆動電流Idsは閾値電圧Vthに依存しないので、閾値電圧Vthが製造プロセスにより変動しても、ドレイン・ソース間の駆動電流Idsは変動せず、有機EL素子127の発光輝度も変動しない。
また、駆動トランジスタ121のゲート端Gとソース端Sとの間には保持容量120が接続されており、その保持容量120による効果により、発光期間の最初でブートストラップ動作が行なわれ、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧“Vgs=Vin−ΔV+Vth”を一定に維持したまま、駆動トランジスタ121のゲート電位Vgおよびソース電位Vsが上昇する。駆動トランジスタ121のソース電位Vsが“−Vth+ΔV+Vel”となることで、ゲート電位Vgは“Vin+Vel”となる。
ここで、有機EL素子127は、発光時間が長くなるとそのI−V特性が変化してしまう。そのため、ノードND121の電位も変化する。しかしながら、保持容量120による効果のため、ノードND121の電位上昇に連動して、ノードND122の電位も上昇するので、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電位VgsはノードND121の電位上昇に拘らず、常にほぼ“Vsig +Vth−ΔV”に維持されるので、有機EL素子127に流れる電流は変化しない。よって、有機EL素子127のI−V特性が劣化しても一定電流Idsが常に流れ続けるため、有機EL素子127は画素信号Vsig に応じた輝度で発光を続けることになり、輝度が変化することはない。
この後、次のフィールドのタイミングt1に至ると、走査駆動パルスDSがインアクティブHとなって発光制御トランジスタ122がオフし、発光が終了するとともに当該フィールドが終わる。この後、前述と同様にして、次のフィールドの動作に移って、再び閾値電圧補正動作、移動度補正動作、および発光動作が繰り返されることになる。
このように、第2比較例の画素回路Pでは、ブートストラップ回路130が、電気光学素子の一例である有機EL素子127の電流−電圧特性の変化を補正して駆動電流を一定に維持する駆動信号一定化回路として機能するようになっているのである。
また、第2比較例の画素回路Pでは、閾値&移動度補正回路140を設けており、閾値補正期間における検知トランジスタ123,124の作用により、駆動トランジスタ121の閾値電圧Vthをキャンセルし、当該閾値電圧Vthのばらつきの影響を受けない一定電流Idsを流すことができるため、入力画素信号に対応する安定した階調で表示でき、高画質の画像を得ることができる。
加えて、サンプリングトランジスタ125による映像信号Vsig の書込み動作と連動した発光制御トランジスタ122による移動度補正期間における作用により、駆動トランジスタ121のキャリア移動度μを反映させたゲート・ソース間電位Vgsとして、当該キャリア移動度μのばらつきの影響を受けない一定電流Idsを流すことができるため、入力画素信号に対応する安定した階調で表示でき、高画質の画像を得ることができる。
つまり、閾値&移動度補正回路140が、駆動トランジスタ121の特性ばらつき(本例では閾値電圧Vthおよびキャリア移動度μのばらつき)による駆動電流Idsに与える影響を防ぐために、閾値電圧Vthおよびキャリア移動度μによる影響を補正して駆動電流を一定に維持する駆動信号一定化回路として機能するようになっているのである。
第2比較例において示したブートストラップ回路130や閾値&移動度補正回路140の回路構成は、駆動トランジスタ121としてnチャネル型を用いて有機EL素子127を駆動するための駆動信号を一定に維持する駆動信号一定化回路の一例に過ぎず、有機EL素子127の経時劣化やnチャネル型の駆動トランジスタ121の特性変動(たとえば閾値電圧や移動度などのばらつきや変動)による駆動電流Idsに与える影響を防ぐための駆動信号一定化回路としては、その他の公知の様々な回路を適用することができる。
<移動度補正の弊害について>
ここで、図3Bと図4を参照して、移動度補正の効果とこの移動度補正による弊害について考察してみる。図3Bを参照して説明したが、製造プロセスや経時における移動度μ1,μ2のばらつきに対して、発光時のゲート・ソース間電圧Vgsが“Vin+Vth−ΔV”で表されるようにする閾値補正および移動度補正をかけることで、移動度μの違いを抑制できる。移動度補正期間を調整してそれぞれの移動度補正パラメータΔV1,ΔV2(ΔV=Ids・Cel/t)を最適化することで、移動度μの違いを除去できる。
ここで、図3Bと図4を参照して、移動度補正の効果とこの移動度補正による弊害について考察してみる。図3Bを参照して説明したが、製造プロセスや経時における移動度μ1,μ2のばらつきに対して、発光時のゲート・ソース間電圧Vgsが“Vin+Vth−ΔV”で表されるようにする閾値補正および移動度補正をかけることで、移動度μの違いを抑制できる。移動度補正期間を調整してそれぞれの移動度補正パラメータΔV1,ΔV2(ΔV=Ids・Cel/t)を最適化することで、移動度μの違いを除去できる。
しかしながら、図4に示した駆動タイミングでは、書込駆動パルスWSをアクティブHにしてサンプリングトランジスタ125をオンさせて保持容量120に信号電位Vinに対応する情報(駆動電位)を書き込んだ後の、書込駆動パルスWSと走査駆動パルスDSの各アクティブ期間(つまり発光制御トランジスタ122とサンプリングトランジスタ125の各オン期間)のオーバーラップ期間を移動度補正期間(t9〜t10)としている。この移動度補正期間では、駆動トランジスタ121に映像信号Vsig (信号電位Vin)が供給されたままであり、ゲート電位Vgが固定されたままで、移動度補正分である移動度補正パラメータΔVの分だけ駆動トランジスタ121のソース電位Vsが上昇してしまう。
この移動度補正期間中のソース電位Vsの上昇ΔVは、その時点の駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgs(=Vsig +Vth)に影響を与えてしまい、ソース電位VsでのΔVの上昇分だけ、ゲート・ソース間電圧Vgsが減少してしまう。そのため、発光期間での駆動電流Idsに資するゲート・ソース間電圧Vgs(つまり駆動電位)が小さくなってしまうので、発光輝度は移動度補正を行なわない場合に比べて低下する。
この移動度補正に起因する発光輝度低下を防止する一手法として、たとえば、サンプリング期間(t8〜t9)に、所望の輝度の発光に必要な映像信号Vsig (詳しくは信号電位Vin)にΔVを加えた電圧を書き込むことが考えられる。つまり、移動度補正によるゲート・ソース間電圧Vgsの減少分を補うように、より大きな映像信号Vsig を画素回路Pに供給して保持容量120により大きな駆動電位を書き込むことが考えられる。しかしながらこの手法では、移動度補正を行なわない場合に比べて信号電位Vinの振幅が大幅に上昇してしまう結果となり、電源電圧や書込駆動パルスWSを大きくしなければならず、消費電圧の増大へと繋がってしまう。
そこで、本実施形態では、移動度補正に起因する発光輝度低下を防止するに当たり、映像信号Vsig (詳しくは信号電位Vin)に移動度補正パラメータΔVの分を加えなくても、移動度補正に起因する発光輝度低下を防止することのできる仕組みにする。以下、具体的に説明する。
<画素回路:本実施形態>
図5は、映像信号Vsigに移動度補正パラメータΔVの分を加えずに移動度補正に起因する発光輝度低下を防止することを可能にする本実施形態の画素回路Pと、当該画素回路Pを備えた有機EL表示装置の一実施形態を示す図である。本実施形態の画素回路Pを画素アレイ部102に備える有機EL表示装置を本実施形態の有機EL表示装置1と称する。
図5は、映像信号Vsigに移動度補正パラメータΔVの分を加えずに移動度補正に起因する発光輝度低下を防止することを可能にする本実施形態の画素回路Pと、当該画素回路Pを備えた有機EL表示装置の一実施形態を示す図である。本実施形態の画素回路Pを画素アレイ部102に備える有機EL表示装置を本実施形態の有機EL表示装置1と称する。
本実施形態の有機EL表示装置1は、図2に示した第2比較例の画素回路Pと同様の機能要素を持つ複数の画素回路Pを行列状に配置した画素アレイ部102を備え、たとえば、有機EL素子127の経時劣化による駆動電流変動を防ぐ回路(ブートストラップ回路)を搭載し、また駆動トランジスタ121の特性変動(閾値電圧ばらつきや移動度ばらつき)による駆動電流変動を防ぐ駆動方式を採用する点に特徴を有する。そのため、駆動タイミングとしては、基本的には図4に示した第2比較例と同じものが適用される。
加えて、本実施形態の有機EL表示装置1においては、画素回路Pごとに、発光制御トランジスタ122のゲート端GとノードND121(駆動トランジスタ121のソース端Sおよび保持容量120の一方の端子と有機EL素子127のアノード端Aの接続点)に容量値Cs2の容量素子129を追加し、容量素子129を介して発光制御トランジスタ122のゲート端Gに供給される走査駆動パルスDSの遷移情報(特に移動度補正開始時のソース電位に対してゲート・ソース間電圧を広げる方向の情報)をノードND121に供給することで、発光期間におけるゲート・ソース間電圧Vgsを広げるようにした点に特徴を有する。
<画素回路の動作;本実施形態>
図6は、本実施形態の画素回路の動作を説明するタイミングチャートである。図7は、移動度補正によるゲート・ソース間電圧Vgsの減少分を補正する動作を説明する図ある。
図6は、本実施形態の画素回路の動作を説明するタイミングチャートである。図7は、移動度補正によるゲート・ソース間電圧Vgsの減少分を補正する動作を説明する図ある。
図4に示した第2比較例の画素回路Pを駆動するタイミングチャートとの比較から推測されるように、各スイッチトランジスタ122,123,124,125に対する駆動パルス自体には相違がない。
ただし、本実施形態の画素回路Pでは、pチャネル型の発光制御トランジスタ122のゲート端GとノードND122すなわち駆動トランジスタ121のソース端の間に、容量素子129を設けているので、走査駆動パルスDSの遷移情報がノードND121の電位(ソース電位Vs)に加わることになる。さらにはサンプリングトランジスタ125がオフしているときにはゲート電位Vgも保持容量120の効果により若干上昇する。
したがって、たとえば、走査駆動パルスDSがアクティブLからインアクティブHに遷移する発光制御トランジスタ122のオフの動作時(タイミングt1,t6)には、発光制御トランジスタ122のゲート端Gの電圧変動が容量素子129を介して駆動トランジスタ121のソースにプラスのカップリングVDS(VDSは走査駆動パルスDSの振幅)が入るので、駆動トランジスタ121のソース電位Vsやゲート電位Vgが若干上昇する。
一方、走査駆動パルスDSがインアクティブHからアクティブLに遷移する発光制御トランジスタ122のオンの動作時(タイミングt5,t9)には、発光制御トランジスタ122のゲート端Gの電圧変動が容量素子129を介して駆動トランジスタ121のソースにマイナスのカップリングVDSが入るので、駆動トランジスタ121のソース電位Vsやゲート電位Vgが若干下降する。
走査駆動パルスDSの振幅VDSがVDSa(V:ボルト)であるとすると、容量素子129を介して駆動トランジスタ121のソース端S側にカップリングする電圧VDSb(V:ボルト)は、式(4)で表される。
たとえば、カップリングは発光制御トランジスタ122がオンになるタイミング(t9)であるため、駆動トランジスタ121のゲート・ソース間電圧Vgsは“Vth+VDSb”となる。その後、サンプリングトランジスタ125のオンにより所望の発光に必要な信号電位(映像信号Vsig に対応する値)を保持容量120に書き込み、“Vgs=Vth+VDSb+Vsig ”とし、発光制御トランジスタ122がオンでサンプリングトランジスタ125のオンとオーバーラップさせることで移動度補正期間に入る。ここでVDSbのカップリング量=移動度補正で消費する電圧とすると、移動度補正後のゲート・ソース間電圧Vgsは“Vth+Vsig ”となり、サンプリングトランジスタ125のオフ後に発光期間へと移行する。
このように、本実施形態の仕組みでは、アクティブLの走査駆動パルスDSが供給されるpチャネル型の発光制御トランジスタ122のゲート端Gと駆動トランジスタ121のソース端S(ノードND121)との間に容量素子129を追加し、容量素子129を介して走査駆動パルスDSの遷移情報(特に移動度補正開始時のソース電位に対してゲート・ソース間電圧を広げる方向の情報)をノードND121に供給するようにした。
移動度補正によるゲート・ソース間電圧Vgsの低下分ΔVを、移動度補正動作の開始時に(移動度補正前に)、走査駆動パルスDSによるカップリング電圧VDSbの分だけ広げておくことで、つまり、移動度補正時に消費される分の電圧ΔVを発光制御トランジスタ122に供給される走査駆動パルスDSによるカップリングにより電圧VDSbの分だけ上乗せし補うことで、発光期間におけるゲート・ソース間電圧Vgsを広げることができる。これにより、移動度補正に起因する発光輝度低下を防止でき、映像信号Vsig (信号電位Vin)の振幅を下げることができ、通常の映像信号Vsig のみを保持容量120に書き込むだけでよく、低消費電力化に寄与することができる。
移動度補正に起因する発光輝度低下を防止するに当たり、映像信号Vsig (詳しくは信号電位Vin)に移動度補正パラメータΔVの分を加えなくても、移動度補正に起因する発光輝度低下を防止できるので、パネルの低消費電力化に寄与することができる。
加えて、付加的な効果として、映像信号Vsig (詳しくは信号電位Vin)の情報を保持容量120に書き込む際の書込みゲインGinput の増大も期待できる。たとえば、駆動トランジスタ121のゲート端Gに形成される寄生容量を無視すると、保持容量120の容量値Csおよび有機EL素子127の寄生容量Celを用いて、図2に示した第2比較例の画素回路Pにおける書込みゲインGinput0は式(5−1)のように表すことができ、一方、図5に示した本実施形態の画素回路Pにおける書込みゲインGinput1は式(5−2)のように表すことができる。
式(5−1)と式(5−2)の比較から分かるように、本実施形態の画素回路Pをすることで、書込みゲインGinputの増加が見込まれる。これにより、発光輝度を従来と同じにすることを考えた場合、より小さな信号電位Vinであってもよいと言うことになり、映像信号Vsig の振幅を更に下げることが可能であり、低消費電力化を更に促進できる。
このように、移動度補正時に消費される分(移動度補正パラメータΔV)の電圧を発光制御トランジスタ122のゲート端と駆動トランジスタ121のソース端の間に配した容量素子129を介して飛び込む、移動度補正期間開始を示す走査駆動パルスDSの立下り情報のカップリング効果により補うことで、信号振幅を大幅に削減し、低消費電力化に大きく寄与することができる。
<変形例>
図8は、移動度補正によるゲート・ソース間電圧Vgsの減少分を補正する変形例の動作を説明する図ある。図8では、書込駆動パルスWSを、立下りを鈍らせて階調ごとにカットオフ点を変化させる仕組みとDSカップリングとの組合せにおいて、白、グレー、黒の各表示時のDSカップリング時の、駆動パルスWS,DSと、駆動トランジスタ121のゲートおよびソースの各電圧を示したものである。
図8は、移動度補正によるゲート・ソース間電圧Vgsの減少分を補正する変形例の動作を説明する図ある。図8では、書込駆動パルスWSを、立下りを鈍らせて階調ごとにカットオフ点を変化させる仕組みとDSカップリングとの組合せにおいて、白、グレー、黒の各表示時のDSカップリング時の、駆動パルスWS,DSと、駆動トランジスタ121のゲートおよびソースの各電圧を示したものである。
前述の補正の仕組みでは、実際の所は、Vgs補完完量に関しては、階調によらず一定となる。よって、たとえば、黒が浮いてしまうことが考えられる。一方、階調ごとに最適な移動度補正時間をとるために、書込駆動パルスWSを、立下りを鈍らせて階調ごとにカットオフ点を変化させる仕組みがある。この仕組みを用いることで、白信号付近ではDSカップリングによりゲート・ソース間電圧Vgsを開き、信号電圧を低下させることができ、グレー〜黒信号では書込駆動パルスWSの立下りをなまらせることで移動度補正量を多くし、所望の階調を実現できる。
すなわち、DSカップリングにより“信号書込み+α”の電圧がゲート・ソース間電圧Vgsに上乗せされる。このαは、信号電圧に依らず一定である。しかしながら、ここでの問題は低階調で所望の輝度より浮いてしまうことである。極端な例として黒を書く場合、閾値補正後、信号電圧は0V書けば黒表示になるが、DSカップリングにより+αが上乗せされてしまう。これを沈めるために、移動度補正時間を長く取る必要がある。移動度補正時間は低階調ほど長くする必要があるので、書込駆動パルスWSを、立下りを鈍らせて階調ごとにカットオフ点を変化させる仕組みの波形にし、移動度補正時間を信号電圧ごとに変える必要がある。
以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で前記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
また、前記の実施形態は、クレーム(請求項)にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
<画素回路および駆動タイミングの変形例>
たとえば、回路理論上は「双対の理」が成立するので、画素回路Pに対しては、この観点からの変形を加えることができる。この場合、図示を割愛するが、先ず、図5に示した5TR構成の画素回路Pがnチャネル型の駆動トランジスタ121を用いて構成しているのに対し、pチャネル型の駆動トランジスタ(以下p型駆動トランジスタ121pと称する)を用いて画素回路Pを構成する。これに合わせてpチャネル型の発光制御トランジスタ122をアクティブHの走査駆動パルスが供給されるnチャネル型の発光制御トランジスタ(以下n型発光制御トランジスタ122nと称する)に代え、また映像信号Vsig の信号電位Vinの極性や電源電圧の大小関係を逆転させるなど、双対の理に従った変更を加える。
たとえば、回路理論上は「双対の理」が成立するので、画素回路Pに対しては、この観点からの変形を加えることができる。この場合、図示を割愛するが、先ず、図5に示した5TR構成の画素回路Pがnチャネル型の駆動トランジスタ121を用いて構成しているのに対し、pチャネル型の駆動トランジスタ(以下p型駆動トランジスタ121pと称する)を用いて画素回路Pを構成する。これに合わせてpチャネル型の発光制御トランジスタ122をアクティブHの走査駆動パルスが供給されるnチャネル型の発光制御トランジスタ(以下n型発光制御トランジスタ122nと称する)に代え、また映像信号Vsig の信号電位Vinの極性や電源電圧の大小関係を逆転させるなど、双対の理に従った変更を加える。
このような双対の理を適用してトランジスタをp型にした変形例の有機EL表示装置においても、前述のn型にした基本例の有機EL表示装置と同様に、容量素子129をn型発光制御トランジスタ122nのゲート端とp型駆動トランジスタ121pのソース端に接続することで、移動度補正開始時にp型駆動トランジスタ121pのゲート・ソース間電圧Vgsを予め広げておいてから移動度補正を行なうことができるので、移動度補正に伴うp型駆動トランジスタ121pのゲート・ソース間電圧Vgsの減少分を補うことができる。
なお、ここで説明した変形例は、図5に示した5TR構成に対して「双対の理」に従った変更を加えたものであるが、回路変更の手法はこれに限定されるものではなく、5TR構成以外であってもよい。サンプリングトランジスタ125をオン状態にして信号電位Vinに応じた情報を保持容量120に保持させた後にサンプリングトランジスタ125をオン状態にしたままで移動度補正動作を行なう画素回路Pおよび駆動タイミングである限りにおいて、本実施形態の思想を適用することができる。
1…有機EL表示装置、101…基板、102…画素アレイ部、103…垂直駆動部、104…書込走査部、104WS…書込走査線、105…駆動走査部、106…水平駆動部、106HS…映像信号線、109…制御部、114,115…閾値&移動度補正走査部、114AZ,115AZ…閾値&移動度補正走査線、120…保持容量、121…駆動トランジスタ、122…発光制御トランジスタ、123,124…検知トランジスタ、125…サンプリングトランジスタ、127…有機EL素子、129…容量素子、130…ブートストラップ回路、140…閾値&移動度補正回路、AZ1,AZ2…閾値&移動度補正パルス、Cel…有機EL素子の寄生容量、DS…走査駆動パルス、P…画素回路、Vsig …映像信号、WS…書込駆動パルス
Claims (7)
- 駆動電流を生成する駆動トランジスタ、前記駆動トランジスタの出力端に接続された電気光学素子、映像信号の信号電位に応じた情報を保持する保持容量、前記信号電位に応じた情報を前記保持容量に書き込むサンプリングトランジスタ、および一方の端子が前記駆動トランジスタの出力端に接続され他方の端子にパルス信号が供給される容量素子を具備し、前記保持容量に保持された情報に基づく駆動電流を前記駆動トランジスタで生成して前記電気光学素子に流すことで当該電気光学素子が発光する画素回路が行列状に配置されている画素アレイ部と、
前記サンプリングトランジスタを水平周期で順次制御することで前記画素回路を線順次走査して1行分の各保持容量に映像信号の信号電位に応じた情報を書き込むための書込走査パルスを前記サンプリングトランジスタに出力する書込走査部、前記サンプリングトランジスタによる信号電位の書込動作に合わせて1行分の映像信号を前記映像信号線に供給する水平駆動部を具備する制御部とを備え、
前記制御部は、前記サンプリングトランジスタを導通状態にして前記信号電位に応じた情報を前記保持容量に保持させた後に前記サンプリングトランジスタを導通状態にしたままで前記駆動トランジスタの移動度に対する補正分を前記保持容量に書き込まれる情報に加えるための移動度補正動作を行なうように制御し、
前記容量素子の他方の端子は前記移動度補正動作を開始させるパルスに対応する情報が供給され、
前記駆動トランジスタの出力端は、当該駆動トランジスタの制御入力端と出力端の電位差が大きくなる方向の遷移情報が前記容量素子を介して供給される
ことを特徴とする表示装置。 - 前記電気光学素子の発光期間と非発光期間のデューティを調整する発光制御トランジスタを備え、
前記発光制御トランジスタの制御入力端に供給される走査駆動パルスを、前記移動度補正動作を開始させるパルスとする
ことを特徴とする請求項1に記載の表示装置。 - n型およびp型の何れか一方の型の前記駆動トランジスタの電源供給端側に前記電気光学素子の発光期間と非発光期間のデューティを調整する前記n型およびp型の他方の型の発光制御トランジスタを備え、
前記容量素子の他方の端子は前記発光制御トランジスタの制御入力端に接続されており、
前記発光制御トランジスタの制御入力端に供給される走査駆動パルスを、前記移動度補正動作を開始させるパルスとする
ことを特徴とする請求項1に記載の表示装置。 - 前記制御部は、前記サンプリングトランジスタに基準電位が供給されている時間帯で前記サンプリングトランジスタを導通させ、前記駆動トランジスタの閾値電圧に対応する電圧を前記保持容量に保持するための閾値補正動作を行なうように制御し、この閾値補正動作の後、前記駆動トランジスタの移動度に対する補正分を前記保持容量に書き込まれる情報に加えるための移動度補正動作を行なうように制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の表示装置。 - 前記画素回路は、前記駆動トランジスタおよび前記サンプリングトランジスタの他に、前記制御部による閾値補正動作や前記移動度補正動作時の制御パルスに基づいてオン/オフ動作するスイッチトランジスタを具備する
ことを特徴とする請求項4に記載の表示装置。 - 駆動電流を生成する駆動トランジスタと、
前記駆動トランジスタの出力端に接続された電気光学素子と、
映像信号の信号電位に応じた情報を保持する保持容量と、
前記信号電位に応じた情報を前記保持容量に書き込むサンプリングトランジスタと、
一方の端子が前記駆動トランジスタの出力端に接続された容量素子と
を具備し、
前記容量素子の他方の端子は、前記駆動トランジスタの移動度に対する補正分を前記保持容量に書き込まれる情報に加えるための移動度補正動作を開始させるパルスに対応する、前記駆動トランジスタの制御入力端と出力端の電位差を大きくする方向の遷移情報が供給される
ことを特徴とする画素回路。 - 駆動電流を生成する駆動トランジスタと、前記駆動トランジスタの出力端に接続された電気光学素子と、映像信号の信号電位に応じた情報を保持する保持容量と、前記信号電位に応じた情報を前記保持容量に書き込むサンプリングトランジスタと、一方の端子が前記駆動トランジスタの出力端に接続され他方の端子にパルス信号が供給される容量素子とを具備し、前記保持容量に保持された情報に基づく駆動電流を前記駆動トランジスタで生成して前記電気光学素子に流すことで当該電気光学素子が発光する画素回路の駆動方法であって、
前記サンプリングトランジスタを導通状態にして前記信号電位に応じた情報を前記保持容量に保持させた後に前記サンプリングトランジスタを導通状態にしたままで前記駆動トランジスタの移動度に対する補正分を前記保持容量に書き込まれる情報に加えるための移動度補正動作を行なう際に、前記移動度補正動作を開始させるパルスに対応する情報を前記容量素子の他方の端子に供給して、前記駆動トランジスタの制御入力端と出力端の電位差を大きくする
ことを特徴とする駆動方法。
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