KR100288074B1 - 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로 - Google Patents

온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도보상수단을 갖추어서 온도가 변하여도 일정한 전류를 발생하도록 함으로써 화면의 밝기, 콘트라스트 및 컬러의 변화를 최소화시키도록 한 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로를 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 애노드와 게이트와 캐소드 및, 상기 캐소드의 하단에 전류원을 갖추고서 셀을 구동시키는 전계 방출 표시기의 구동회로에서, 소자동작에 따른 온도변화시 상기 전류원의 전류량을 일정하게 유지시키기 위하여 전류미러 형태로 상호 접속시킨 다수개의 MOS소자로 구성된 온도보상수단을 상기 캐소드의 하단에 추가로 설치시킴으로써, 소자동작에 따른 온도상승시 일정 레벨의 출력전류가 발생되므로 화면의 밝기 또는 콘트라스트의 변화를 최소화시킬 수 있게 되고, 종래에 비해 보다 나은 고비트의 컬러구현을 행할 수 있게 된다.

Description

온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로
본 발명은 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도변화에 따른 출력전류의 변화를 방지하도록 된 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로에 관한 것이다.
일반적으로, 각종 장치에서 발생되는 여러 가지의 전기적인 정보를 시각 정보로 변화시켜 인간에게 전달해 주는 디스플레이의 일예로서 전계 방출 표시기(Field Emission Display)를 들 수 있다.
이러한 종래의 전계 방출 표시기의 구동회로로서는 전류제한 능력을 가지는 전류미러를 이용하여 방출되는 전자량을 직접 제어하는 구동회로가 통상적으로 채용된다.
따라서 종래의 전계 방출 표시기의 소자들의 전류 - 전압특성이 조금씩 다르다 하더라도 정확하게 방출되는 전자량을 제어할 수 있다. 또한, 별도로 전류제한회로를 구현할 필요성이 없기 때문에 사용되고 있다.
상술한 전류미러로서는 도 1에 도시된 바와 같이 NMOS를 이용하여 구성된 일반적인 전류미러를 예로 들 수 있는데, 동 도면에서 전류원으로 사용된 트랜지스터(mn1, mn2)는 포화영역에서 동작하게 된다.
상기 트랜지스터(mn1, mn2)의 드레인에서 소오스로 흐르는 전류(ID)는 다음의 식 1과 같다.
〈식 1〉
ID= (1/2)ㆍ μnㆍCoxㆍ(Wn/Ln)(Vgs - Vtn)2
여기서, 상기 μn은 전자의 이동도(mobility)이고, 상기 Cox는 NMOS(즉, mn1, mn2)의 게이트 캐패시턴스이며, 상기 Wn은 MOS의 채널의 폭(width)이고, 상기 Ln은 NMOS(mn1, mn2) 채널의 길이(length)이며, 상기 Vgs는 게이트와 소오스의 전압차이고, 상기 Vtn은 NMOS(mn1, mn2)의 문턱전압을 나타낸다.
그에 따라, MOS의 경우 (Wn/Ln)의 비를 조정하여 전류량을 조절하게 되고, 일반적으로 나머지 파라미터들은 공정상의 파라미터이므로 설계자가 변화시킬 수 있는 값이 아니다.
이러한 전류미러에서 두 NMOS트랜지스터(mn1, mn2)의 Vgs값이 동일하기 때문에 트랜지스터(mn2)의 (Wn/Ln)비를 조절하여 그 트랜지스터(mn2)를 통하여 미러되는 전류량(ID2)을 조절하게 된다.
그리고, 도 2는 PMOS를 이용하여 구성된 일반적인 전류미러의 다른 예를 나타낸 도면으로서, 동 도면에서 전류원으로 사용된 트랜지스터(mp1, mp2)의 소오스에서 드레인으로 흐르는 전류(ID)는 다음의 식 2에 나타낸 바와 같이 된다.
〈식 2〉
ID= (1/2)ㆍμpㆍCoxㆍ(Wp/Lp)(Vgs - Vtp)2
여기서, 상기 각 파라미터는 상술한 NMOS를 이용하여 구성된 일반적인 전류미러에서의 각 파라미터에 준하고, 이 경우에서는 트랜지스터(mp2)의 (Wp/Lp)비를 조절하여 그 트랜지스터(mp2)를 통하여 미러되는 전류량(ID2)을 조절하게 된다.
이와 같이 종래의 전계 방출 표시기의 구동회로에서는 MOS로 구성된 전류원을 주로 사용하게 되는데, 이 경우 소자가 동작함에 따라 온도가 상승하게 되고, 그에 따라 MOS트랜지스터의 문턱전압과 이동도는 감소하게 되므로 전류발생기의 출력전류는 감소하게 된다.
그에 따라, 전계 방출 표시기의 밝기, 콘트라스트 및 컬러가 변하게 되고, 많은 비트수의 컬러를 구현하기 어렵게 된다.
다시 말해서, NM0S를 이용하여 구성된 전류미러를 예로 들어 온도변화에 대한 출력전압의 특성을 알아보면, NMOS의 문턱전압(Vtn)은 다음의 식 3에 나타낸 바와 같이 된다.
〈식 3〉
Vtn = VFB+ 2｜Φf｜+ (2qεsNa(2｜Vbb｜+ 2｜Φf｜))1/2/Cox
상기 식 3에서 페르미 전위(Φf)와 평판대역전압(VFB)의 크기는 온도가 증가함에 따라 감소하기 때문에, 상기 NMOS의 문턱전압(Vtn)은 온도가 증가함에 따라 감소하게 된다. 여기서, 상기 나머지 파라미터는 비교적 온도에 영향을 덜 주는 요소들이므로 설명을 생략한다.
그리고, 채널표면 영역의 전자의 이동도(μn)는 다음의 식 4에 나타낸 바와 같이 된다.
〈식 4〉
μn(T) = μo(T)/(1 + θEeff)
여기서, 상기 μo(T)는 바이어스 전압을 인가하지 않았을 때의 이동도이고, 상기 θ는 피팅상수이며, 상기 Eeff는 실효 전계를 나타낸다.
상기 채널표면 영역의 전자의 이동도(μn)의 경우 온도가 증가함에 따라 상기 μo(T)가 감소하게 되므로, 이동도(μn)가 감소하게 되는 것이다.
이러한 특성에 의해 상술한 종래의 전계 방출 표시기의 구동방식은 온도에 영향을 대단히 많이 받게 됨을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 온도보상수단을 갖추어서 온도가 변하여도 일정한 전류를 발생하도록 함으로써 화면의 밝기 또는 콘트라스트의 변화를 최소화시키도록 한 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 애노드와 게이트와 캐소드 및, 이 캐소드의 하단에 전류원을 갖추고서 셀을 구동시키는 전계 방출 표시기의 구동회로에 있어서, 소자동작에 따른 온도변화시 상기 전류원의 전류량을 일정하게 유지시키는 온도보상수단이 상기 캐소드의 하단에 추가로 설치되되, 상기 온도보상수단은 전류미러 형태로 상호 접속시킨 다수개의 MOS소자로 구성된 것을 특징으로 하는 온도 보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로가 제공된다.
제1도는 일반적인 전류미러의 일예를 나타낸 회로도,
제2도는 일반적인 전류미러의 다른 예를 나타낸 회로도,
제3도는 본 발명의 실시예에 따른 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로의 원리도,
제4도는 제3도에 도시된 원리도에 의한 온도보상결과에 따른 온도변화 대비 전류특성을 나타낸 도면,
제5도는 제3도에 도시된 온도보상회로부가 채용된 전계 방출 표시기의 구동회로의 일예를 나타낸 도면,
제6도는 제3도에 도시된 온도보상회로부가 채용된 전계 방출 표시기의 구동회로의 다른 예를 나타낸 도면이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 캐소드 12 : 게이트
14 : 애노드 16 : 전류원
18 : 온도보상회로부
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로의 원리도로서, 본 발명의 실시예는 캐소드(10)의 상부에서 일정 간격을 유지한 채로 설치된 게이트(12)와, 배면(즉, 게이트(12)를 마주 보고 있는 면)에 형광막(도시 생략)이 코팅된 채로 상기 게이트(12)의 상부에서 일정 간격을 두고 설치된 애노드(14)와, 그 캐소드(10)의 하단에 설치된 전류원(16) 및, 상기 캐소드(10)의 하단의 소정부위(즉, 캐소드(10)와 전류원(16) 사이)에 연결되어 소자동작에 따른 온도 변화시 상기 전류원(16)의 전류량을 일정하게 유지시키는 온도보상회로부(18)로 구성된다.
즉, 종래의 경우에는 도 4의 좌측 그래프와 같이 온도가 상승함에 따라 출력전류(I1)가 감소하는 특성(즉, 음의 온도계수)을 갖게 되는데, 상기 온도보상회로부(18)는 도 4의 중간 그래프와 같이 온도가 상승함에 따라 출력전류(I2)가 상승하는 특성(즉, 양의 온도계수)을 갖게 되므로, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예의 경우 상기 전류원(16)에서의 전류량(I)은 도 4의 우측 그래프와 같이 온도변화에도 불구하고 일정하게 유지된다.
도 5는 도 3에 도시된 온도보상회로부(18)가 채용된 전계 방출 표시기의 구동회로의 일예(제 1실시예)를 나타낸 도면으로서, 1비트로 2그레이 처리를 하기 위한 회로(즉, 화면을 온/오프시키는 회로)이다.
동 도면에서, 펄스신호(Pulse1)는 전류원이 올바르게 동작할 수 있도록 초기치를 잡아주는 전압(Vdd1)이 전류원에 인가되게 해준다.
여기서, 상기 전류원은 양의 온도계수를 갖는 온도보상회로부(18) 및 음의 온도계수를 갖는 일반적인 전류원을 통칭하게 된다.
상기 온도보상회로부(18)는 다수개의 M0S소자(mp1, mp2, mp3, mn1, mn2)가 전류미러 형태로 접속되는데, 캐소드(10)의 하단과 전달 트랜지스터(Q)의 일단 사이에 게이트가 공통접속된 상기 MOS소자(mp1, mp2, mp3)의 소오스가 각각 접속되고, 상기 MOS소자(mn1, mp2)의 드레인과 전압단(Vdd2) 사이에 상기 MOS소자(mn1, mn2)가 전류미러 형태로 접속된다.
그리고, 상기 M0S소자(mp3)의 드레인과 전압단(Vdd2) 사이에는 상기 온도 보상회로부(18)와 일반적인 전류원에 공통으로 사용되는 MOS소자(mn3)가 접속되고, 그 MOS소자(mn3)의 게이트는 A/D변환기(도시 생략)의 비디오신호 출력단(즉, DO 출력단)에 출력단에 접속된다.
본 발명의 실시예의 경우 상기 MOS소자(mp1, mp2)는 정전류원 역할을 하고 포화영역에서 동작한다.
또한, 상기 온도보상회로부(18)를 구성하는 MOS소자(mp3)의 소오스와 드레인측에는 전류미러 형태의 MOS소자(mp4, mp5)가 결선되고, 그 MOS소자(mp5)의 드레인과 전압단(Vdd2) 사이에는 스위칭신호(Vsw)에 의해 온/오프 동작하는 M0S 소자(mn4)가 설치된다.
상술한 구성요소중에서 상기 MOS소자(mp4, mp5, mn4)가 음의 온도계수를 갖는 일반적인 전류원이 된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 1실시예에 따른 전계 방출 표시기의 구동회로중에서 상기 온도보상회로부(18; 양의 온도계수를 갖는 전류원)의 출력전류(I2)를 구하기 위해서는 상기 MOS소자(mn1, mn2)를 통해 흐르는 전류(ID1, ID2)를 구해야 한다.
상기 MOS소자(mn1)를 통해 흐르는 전류(ID1)는 다음의 식 5에 나타낸 바와 같다.
〈식 5〉
ID1= (1/2)ㆍμnㆍCox ㆍ(Wn1/Ln1)(Vg - VtO)2
그리고, 상기 MOS소자(mn2)를 통해 흐르는 전류(ID2)는 다음의 식 6에 나타낸 바와 같다.
〈식 6〉
ID2= (1/2) ㆍμnㆍCox ㆍ(Wn1/Ln1)(Vg - VtO - Vs)2
여기서, 상기 식 5 및 식 6에서의 Vg는 게이트 전압을 나타내고, 상기 VtO는 바디효과가 없을 때의 문턱전압을 나타낸다.
그런데, 상기 식 5 및 식 6이 조금 다른 이유는 상기. MOS소자(mn1)의 게이트-소오스간의 전압은 Vg이지만 상기 MOS소자(mn2)의 게이트-소오스간의 전압은 (Vg - Vs(VR))이기 때문이다.
상기 두 식(식 5 및 식6)에 βn = μnㆍCox ㆍ(Wn/Ln) 을 적용하게 되면, 상기 식 5 및 식 6은 다음의 식 7 및 식 8에 나타낸 바와 같이 각각 변환시킬 수 있다.
〈식 7〉
ID1= (βn1/2)ㆍ(Vg - VtO)2
〈식 8〉
ID2= (βn2/2)ㆍ(Vg - VtO - VR)2
상기 식 7 및 식 8에서 ID1= ID2= I, β = β2 = Kβ1 이라고 가정하면, 다음의 식 9가 유도된다.
〈식 9〉
VR= Vg - VtO - (2I/β)1/2
Vg - Vto = (2KI/β)1/2
상기 식 9를 풀어서 저항(R) 양단의 전압(VR)을 구해보면 다음의 식 10과 같이 된다.
〈식 10〉
VR= (2I)1/2ㆍ((K)1/2- 1)/β1/2
상기 식 10을 제곱한 후 VR= IR을 대입하여 전류(I)를 구하면 다음의 식 11과 같이 된다.
〈식 11〉
전류(I) = 2(K1/2- 1)2/(βR2)
상기 식 11에 β = μnㆍCox ㆍ(Wn2/Ln2)를 대입하여 전류(I)를 구해보면 다음의 식 12와 같다.
〈식 12〉
전류(I) = 2Ln2(K1/2- 1)2/(μnㆍCoxㆍWn2ㆍR2)
여기서, 상기 식 12에서 K는 다음의 식 13과 같다.
〈식 13〉
K = ((Wn2ㆍLn1)/(Wn1ㆍLn2))
따라서, 구하고자 하는 출력전류(I2)는 PMOS트랜지스터인 MOS소자(mp2, mp3)의 화면비(W/L)에 의해 결정된다.
즉, 상기 출력전류(I2) = NㆍI = NㆍID2라는 식이 성립되므로, N의 비를 가지고서 캐소드 구동단의 전류의 크기를 조절할 수 있다.
결론적으로 상기 출력전류(I2)는 다음의 식 14와 같이 나타낼 수 있다.
〈식 14〉
I2= Nㆍ(2Ln2/(μnㆍCoxㆍWn2ㆍR2))ㆍ(K1/2- 1)2
상기 식 14에서 전자의 이동도(μn)는 온도상승에 따라 감소하는 특성을 가지므로, 상기 온도보상회로부(18)의 출력전류(I2)는 온도가 상승함에 따라 증가하게 되고, 공급전압(Vdd)에도 독립적인 특성을 나타낸다.
그리고, 상기 도 5에서 음의 온도계수를 갖는 일반적인 전류원(즉, mp4, mp5, mn4로 구성됨)의 전류(I1)는 상술한 식 2와 동일하다.
이어, 도 5에 도시된 바와 같이 구성된 본 발명의 일실시예(제 1실시예)에 따른 전계 방출 표시기의 구동회로의 동작에 대해 설명하면, 먼저 펄스신호(Pulse1)가 인가되고 전류원이 동작을 할 준비를 하며 게이트(12)에 소정의 전압이 인가된다. 그에 따라, 캐소드(10) 하단의 온도보상회로부(18) 및 음의 온도계수를 갖는 전류원(mp4, mp5, mn4로 구성됨)에서는 각기 전류(I1, I2)를 출력하게 된다.
이때 도시되지 않은 A/D변환기로부터 소정의 데이터신호(DO)가 MOS소자(mn3)의 게이트로 인가되면 그 MOS소자(mn3)는 턴온상태로 되므로, 상기 음의 온도계수를 갖는 전류원의 출력전류(I1)와 상기 온도보상회로부(18)로부터의 출력전류(I2)의 합인 전류(I)가 상기 MOS소자(mp3, mp4)를 통해 상기 MOS소자(mn3)를 통하여 흐르게 된다.
여기서, 상기 전류(I)는 상기 음의 온도계수를 갖는 전류원의 출력전류(I1)와 상기 양의 온도계수를 갖는 온도보상회로부(18)로부터의 출력전류(I2)의 합이므로, 온도에 대해서 일정한 전류치를 유지하게 된다.
이와 같은 상태하에서 전자는 상기 전류(I)의 방향과는 반대되게 움직이므로 냉음극의 팁에 강한 전계가 발생되고, 그 강한 전계에 의하여 전자들이 양자역학적인 터널링(tunneling)효과에 의해 캐소드(10)로부터 방출된다.
그 방출된 전자는 게이트(12)를 통과하면서 가속화되어 진공 상태를 이동하여 투명 전극상의 양극판 형광막(도시 생략)을 코팅한 스크린의 화소에 높은 에너지를 가지고 충돌하여 발광하게 되어 화면이 밝아진다.
그리고, 도 6은 도 3에 도시된 온도보상회로부(18)가 채용된 전계 방출 표시기의 구동회로의 다른 예(제 2실시예)를 나타낸 도면으로서, 동 도면에서의 구성과 도 5에서의 구성과의 차이점이라면 비트수가 4비트로 확장되어 16그레이 계조처리를 행할 수 있다는 점이 차이난다.
따라서 동 도면에 있어서, 양의 온도계수를 갖는 전류원으로서의 온도보상회로부(18)를 구성하는 MOS소자로서는 mp1, mp2, mp3, mp4, mp5, mp6, mn1, mn2이고, 일반적인 음의 온도계수를 갖는 전류원으로서의 MOS소자는 mp7, mp8, mp9, mp10, mp11, mn7 이며, 상기 온도보상회로부(18)와 일반적인 전류원에 공통으로 사용되는 MOS소자는 mn3, mn4, mn5, mn6 이다.
여기서, 상기 MOS소자(mp3, mp7)를 통해 흐르는 전류(Ic1)와, 상기 MOS소자(mp4, mp8)를 통해 흐르는 전류(Ic2)와, 상기 MOS소자(mp5, mp9)를 통해 흐르는 전류(Ic3) 및, 상기 MOS소자(mp6, mp10)를 통해 흐르는 전류(Ic4)는 16그레이 계조처리용 전류로서, 1, 2, 4, 8배의 크기를 갖는다.
즉, 이러한 전류치를 나타내기 위해서 양의 온도계수를 갖는 전류미러 부분(온도보상회로부(18))의 PMOS트랜지스터(mp3)의 채널폭을 "W"로 설정하면 PMOS 트랜지스터(mp4)의 채널폭은 "2W"로 설정하고, PMOS트랜지스터(mp5)의 채널폭은 "4W"로 설정하며, PMOS트랜지스터(mp6)의 채널폭은 "8W"로 설정하면 된다.
이와 마찬가지로, 음의 온도계수를 갖는 전류미러 부분의 PMOS트랜지스터(mp7)의 채널폭을 "W"로 설정하면 PMOS트랜지스터(mp8)의 채널폭은 "2W"로 설정하고, PMOS트랜지스터(mp9)의 채널폭은 "4W"로 설정하며, PMOS트랜지스터(mp10)의 채널폭은 "8W"로 설정하면 된다.
이러한 원리에 의해 본 발명의 제 2실시예에서는 16가지의 그레이(gray)를 나타낼 수 있다.
또한, 동 도면에서 참조부호(DO, D1, D2, D3)는 화면에 표시하고자 하는 화면의 밝기 조절용 데이터를 나타내는데, 그 화면의 밝기 조절용 데이터(DO, D1, D2, D3)는 A/D변환기(도시 생략)로부터 출력되어 상기 MOS소자(mn3, mn4, mn5, mn6)의 게이트로 인가된다.
이어, 상기와 같이 구성된 본 발명의 제 2실시예에 따른 전계 방출 표시기의 구동회로의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 데이터(DO, D1, D2, D3)의 상태가 "0110"(즉, D1과 D2만이 일정한 전압을 출력하는 경우)라고 하면 상기 다수개의 MOS소자(mn3, mn4, mn5, mn6)중에서 MOS소자(mn4, mn5)만이 턴온되므로, 상기 MOS소자(mp3, mp7)를 통해 흐르는 전류(Ic1)와 상기 MOS소자(mp6, mp10)를 통해 흐르는 전류(Ic4)는 "0"값을 갖게 되고, 상기 MOS소자(mp4, mp8)를 통해 흐르는 전류(Ic2)와 상기 MOS소자(mp5, mp9)를 통해 흐르는 전류(Ic3)는 온도상승에도 불구하고 일정한 전류치를 갖고 상기 턴온된 MOS소자(mn4, mn5)를 통해 흐르게 된다.
따라서, 전자는 상기 턴온된 MOS소자(mn4, mn5)를 통해 상기 MOS소자(mp4, mp5)를 경유하여 캐소드(10)에 인가되므로, 냉음극의 팁에 강한 전계가 발생되고, 그 강한 전계에 의하여 전자들이 양자역학적인 터널링(tunneling)효과에 의해 캐소드(10)로부터 방출된다. 즉, 상기 캐소드(10)에서는 상기 전류(Ic2, Ic3)에 해당하는 전자가 발광하게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 제 2실시예의 경우 데이터(DO, D1, D2, D3)의 상태를 "0110"로 설정하고 설명하였으나, 그 데이터(DO, D1, D2, D3)의 상태가 바뀌어도 상술한 바와 유사하게 동작하게 됨은 물론이다.
그리고, 본 발명의 제 2실시예에 따른 구동회로는 16그레이 계조처리를 위해 설계되었지만, 필요에 따라서 그 비트수를 증가시켜 그 이상의 계조처리를 수행시켜도 무방하다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 소자동작에 따른 온도상승시 일정 레벨의 출력전류가 발생되므로 화면의 밝기 또는 콘트라스트의 변화를 최소화시킬 수 있게 되고, 종래에 비해 보다 나은 고비트의 컬러구현을 행할 수 있게 된다.
한편 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.

Claims (2)

  1. 애노드와 게이트와 캐소드 및, 상기 캐소드의 하단에 전류원을 갖추고서 셀을 구동시키는 전계 방출 표시기의 구동회로에 있어서, 소자동작에 따른 온도변화시 상기 전류원의 전류량을 일정하게 유지시키는 온도보상수단이 상기 캐소드의 하단에 추가로 설치되되, 상기 온도보상수단은 전류미러 형태로 상호 접속시킨 다수개의 MOS소자로 구성된 것을 특징으로 하는 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도보상수단은 양의 온도계수를 갖는 것을 특징으로 하는 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로.
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