KR100344186B1 - 액정표시장치의 소오스 구동회로 및 그 구동방법 - Google Patents

액정표시장치의 소오스 구동회로 및 그 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소비전력을 줄이도록 한 액정표시장치의 소오스 구동회로 및 그 구동방법에 관한 것으로서, 제 1 기판과 제 2 기판, 그리고 그 사이에 봉입된 액정을 포함한 액정표시장치의 데이터 라인에 음의 영상신호 및 양의 영상신호를 인가하는 액정표시장치의 소오스 구동방법에 있어서, 상기 각 영상신호의 전압을 극성 변조와 그레이 스케일 결정의 2 위상으로 나누어 인가하는 것을 특징으로 하고, 상기 극성 변조는 단계적 충전 및 방전으로 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

액정표시장치의 소오스 구동회로 및 그 구동방법{source driving circuit for driving liquid crystal display and driving method is used for the circuit}
본 발명은 액정표시장치에 관한 것으로, 특히 소비전력을 감소시키는데 적당하도록 한 액정표시장치의 소오스 구동회로 및 그 구동방법에 관한 것이다.
최근, 영상신호를 표시하는 표시 소자로서 액정표시장치(Liquid Crystal Display)가 큰 관심을 끌고 있으며, 이와 같은 액정표시장치의 구동에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
일반적으로 액정표시장치는 크게 액정 패널부와 구동부로 구분할 수 있다.
먼저, 액정 패널부는 픽셀 전극 및 박막트랜지스터가 매트릭스 형태로 배열되는 하측 유리기판과, 공통전극 및 칼라 필터층이 형성되는 상측 유리기판, 그리고 상기 상·하측 유리기판 사이에 채워지는 액정층으로 구성된다.
그리고 구동부는 외부에서 입력되는 영상신호를 처리하여 복합 동기신호를 출력하는 영상신호 처리부와, 상기 영상신호 처리부에서 출력되는 복합 동기신호를 입력받아 수평 동기신호 및 수직 동기신호를 분리하여 출력하고 모드(NTSC, PAL, SECAM)선택 신호에 따라 타이밍을 제어하는 제어부와, 상기 제어부의 출력신호에 의해 액정 패널부의 데이터 라인에 신호 전압을 공급하는 데이터 드라이버와, 상기 제어부의 출력신호에 의해 액정 패널부의 주사라인 및 신호라인에 순차적으로 구동 전압을 인가하는 게이트 드라이버 및 소오스 드라이버 등으로 구성된다.
이와 같이 구성되는 액정표시장치의 소비 전력을 감소시키기 위한 연구가 활발하게 진행되어 왔다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 종래의 액정표시장치의 소오스 구동회로 및그 구동방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 박막트랜지스터-액정표시장치(TFT-LCD)의 구성도이다.
도 1에서와 같이, 복수개의 게이트 라인(GL)들과 복수의 소오스 라인(SL)들의 교차점에 복수의 화소를 갖는 액정패널(10)과, 상기 액정패널(10)의 소오스 라인(SL)을 통하여 각각의 화소에 영상신호를 제공하는 소오스 구동부(20)와, 액정패널(10)의 게이트 라인(GL)을 선택하여 복수의 화소를 온(on)시키는 게이트 구동부(30)로 구성된다.
이때 상기 화소는 게이트가 게이트 라인(GL)과 연결되고 드레인이 소오스 라인(SL)과 연결된 복수의 박막트랜지스터(1), 상기 박막트랜지스터(1)의 소오스와 각각 병렬 연결된 저장 캐패시터(Cs) 및 액정 캐패시터(Clc)로 구성된다.
도 2는 종래의 액정표시장치에 따른 소오스 구동회로의 구성도이다.
종래의 소오스 구동회로의 일례로서, 384채널 6비트 드라이버를 나타내었다. 즉, R,G,B 데이터가 각각 6비트로 이루어지고, 칼럼 라인(데이터)은 384라인으로 구성된 소오스 드라이버이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 쉬프트 레지스터부(21)와, 샘플링 래치부(22)와, 홀딩 래치부(23)와, 디지털/아날로그 변환부(24)와, 그리고 출력 버퍼부(25)로 구성된다.
먼저, 쉬프트 레지스터부(21)는 수평동기신호 펄스(HSYNC)를 소오스 펄스 클럭(HCLK)에 의해 쉬프트시켜 래치 인에이블(Enable) 클럭을 샘플링 래치부(22)로 출력한다.
이어, 상기 샘플링 래치부(22)는 쉬프트 레지스터부(21)에서 출력되는 래치 인에이블 클럭에 따라 디지털 R, G, B 데이터를 칼럼(column)라인별도 샘플링하여 래치시킨다.
이어, 상기 홀딩 래치부(23)는 샘플링 래치부(22)에 래치된 R, G, B 데이터를 로드 신호(LD:Load)에 의해 동시에 전달받아 래치시킨다.
이어, 상기 디지털/아날로그 변환부(24)는 홀딩 래치부(23)에 저장된 디지털 R, G, B 데이터를 아날로그 R, G, B 데이터로 변환한다.
그리고 상기 출력 버퍼부(25)는 아날로그 신호로 변환된 R, G, B 데이터에 해당되는 신호의 전류를 증폭하여 패널의 데이터 라인으로 출력한다.
상기와 같이 구성된 소오스 구동회로는 1수평 주기동안에 디지털 R, G, B 데이터를 샘플 앤 홀딩(sample holding)후에 아날로그 R, G, B데이터로 변환하고 이를 전류 증폭하여 출력하게 되는데, 상기 홀딩 래치부(23)가 n번째 칼럼 라인에 해당하는 R, G, B 데이터를 홀딩하고 있다면, 샘플링 래치부(22)는 n+1번째 칼럼 라인에 해당하는 R, G, B 데이터를 샘플링하게 된다.
도 3은 종래의 액정표시장치에 따른 게이트 구동회로의 구성도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 쉬프트 레지스터부(31), 레벨 쉬프터부(32) 그리고 출력 버퍼부(33)로 구성된다.
먼저, 상기 쉬프트 레지스터부(31)는 수직동기신호 펄스(VSYNC)를 게이트 펄스 클럭(VCLK)에 의해 쉬프트시켜 주사라인을 순차적으로 인에이블시킨다.
이어, 상기 레벨 쉬프터부(32)는 주사라인에 인가되는 신호를 순차적으로 레벨쉬프트시켜 출력 버퍼부(33)로 출력한다.
따라서 상기 출력 버퍼부(33)와 연결된 복수개의 주사라인들은 순차적으로 인에이블된다.
이와 같이 구성된 종래의 TFT-LCD의 구동방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 소오스 구동부(20)의 쉬프트 레지스터부(21)는 순차적으로 한 화소씩의 영상 데이터를 인가 받아 소오스 라인(SL)들에 해당되는 영상 데이터를 저장한다.
그리고 게이트 구동부(30)는 게이트 라인 선택신호(GLS)를 출력하여 복수의 게이트 라인(GL)중에서 하나의 게이트 라인(GL)을 순차적으로 선택한다.
따라서 선택된 게이트 라인(GL)에 연결된 복수의 박막트랜지스터(1)가 턴온(turn on)되어 상기 소오스 구동부(20)의 쉬프트 레지스터부(21)에 저장된 영상 데이터가 드레인에 인가됨으로써 영상 데이터가 액정패널(10)에 표시된다. 이후 상기와 같은 동작이 반복되어 영상 데이터가 액정패널(10)에 표시된다.
이때 소오스 구동부(20)는 VCOM, 양의 영상신호(positive video signal) 및 음의 영상신호(negative video signal)를 액정패널(10)에 제공하여 영상 데이터를 액정패널(10)에 표시하게 된다.
도 4는 도 1의 화상신호의 전압범위를 나타낸 도면이다.
즉, 도 4에 도시한 바와 같이, TFT-LCD의 동작시 액정에 직접 DC 전압이 걸리지 않도록 하기 위해 프레임이 바뀔 때마다 양의 영상신호와 음의 영상신호를 교대로 화소에 인가하며, 이를 위해 TFT-LCD 상판의 전극에 양의 영상신호와 음의 영상신호의 중간전압인 VCOM을 인가한다.
그런데 VCOM을 기준으로 액정에 양의 영상신호와 음의 영상신호를 교대로 인가하는 경우 액정의 빛 전달곡선이 일치하지 않게 되어 플리커(flicker)가 발생된다.
따라서 상기 플리커의 발생을 줄이기 위해 도 5a 내지 도 5d에 도시한 바와 같이, 프레임 인버젼(Frame Inversion), 라인 인버젼(Line Inversion), 칼럼 인버젼(Column Inversion) 및 도트 인버젼(Dot Inversion) 등 4가지 인버젼 방식이 각각 사용된다.
먼저, 도 5a는 프레임 인버젼으로서, 프레임이 바뀌는 경우에만 영상신호의 극성이 변화되는 방식이고, 도 5b는 라인 인버젼으로서, 게이트 라인(GL)이 바뀔 때마다 영상신호의 극성이 바뀌는 방식이다.
그리고 도 5c는 칼럼 인버젼으로서, 소오스 라인(SL)이 바뀔 때와 프레임이 바뀔 때마다 영상신호의 극성이 바뀌는 방식이며, 도 5d는 도트 인버젼으로서, 각 소오스 라인(SL)의 게이트 라인(GL)이 바뀔 때와 프레임이 바뀔 때마다 영상신호의 극성이 바뀌는 방식이다.
이때 화질은 프레임 인버젼, 라인 인버젼, 칼럼 인버젼 및 도트 인버젼순으로 양호하며, 그 화질에 비례하여 극성이 바뀌는 경우의 수가 증가되어 전력 소모가 증가된다.
그 일례를 도 6에 도시된 종래의 액정표시장치를 구동하기 위한 도트 인버젼 방식을 참고하여 설명하면 다 음과 같다.
도 6은 도트 인버젼시, 액정패널(10)로 입력되는 홀수(odd)의 소오스 라인(SL)과 짝수(even)의 소오스 라인(SL)의 파형을 도시한 것으로서, 게이트 라인(GL)이 바뀔 때마다 상시 소오스 라인(SL)의 영상신호가 VCOM을 기준으로 극성이 변화되는 것을 나타내고 있다.
이때 TFT-LCD 패널 전체가 같은 그레이(Gray)를 표현하고 있다고 가정하면, 소오스 라인(SL)의 영상신호 변화폭(V)은 VCOM과 양의 영상신호의 변화폭 또는 VCOM과 음의 영상신호의 변화폭의 2배가 된다.
따라서 종래의 도트 인버젼 방식은 게이트 라인(GL)이 바뀔 때마다 영상신호가 VCOM을 기준으로 양에서 음으로, 음에서 양으로 바뀌기 때문에 많은 전력을 소모하게 된다.
즉, 도 6은 노멀리-화이트 모드(normally-white mode) 액정에서 블랙 이미지(black image)를 표시할 경우의 영상신호 스잉(swing) 폭을 나타낸 것으로서, 매 수평 주기마다 큰 폭의 전압 변동이 필요하고, 이러한 전압 변동은 전적으로 출력단 증폭기(amplifier)의 전원 VDD에 의해 공급된 에너지(energy)로 이루어지며, 2수평 주기(H)마다 소비 전력이 발생한다.
한편, 도 7은 캐패시턴스 부하를 구동하기 위한 일반적인 CMOS 회로를 나타낸 회로도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, PMOS 트랜지스터(P1)의 소오스를 전원단 VH에 연결하고 드레인은 NMOS 트랜지스터(N1)의 드레인에 연결하여 출력단으로 하고, NMOS트랜지스터(N1)의 소오스는 다른 전원단 VL에 연결하고, 상기 NMOS 트랜지스터(N1)와 PMOS 트랜지스터(P1)의 게이트에는 출력신호(또는 입력신호)의 주파수(F)가 입력되고, 상기 NMOS 트랜지스터(N1)와 PMOS 트랜지스터(P1)의 드레인과 NMOS 트랜지스터(N1)의 소오스 사이에는 부하 캐패시터(C)가 연결된다.
상기와 같이 구성된 종래의 CMOS 구동회로는 소비전력 PCONV이 수학식 1과 같이 주어진다.
P_CONV = CV_H (V_H -V_L )F
상기의 수학식 1에서 C는 부하 캐패시터(C)의 캐패시턴스(Capacitance)이고, F는 출력신호(또는 입력 신호)의 주파수이다.
여기서 전원 VH〉VL이다.
그러나 상기와 같은 종래의 액정표시장치의 소오스 구동방법에 있어서 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 소오스 구동 소비 전력은 영상신호의 스윙 폭에 비례하기 때문에 2수평 주기마다 전력이 발생하여 큰 전력이 소비된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 전압 스잉 폭이 큰 극성 변조의 소비 전력을 줄임과 동시에 증폭기의 구동 소비 전력을 줄이도록 한 액정표시장치의 소오스 구동회로 및 그 구동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 TFT-LCD를 나타낸 구성도
도 2는 종래의 액정표시장치에 따른 소오스 구동회로의 구성도
도 3은 종래의 액정표시장치에 따른 게이트 구동회로의 구성도
도 4는 도 1의 화상신호의 전압범위를 나타낸 도면
도 5a 내지 도 5d는 TFT-LCD의 인버젼 구동방식을 나타낸 도면
도 6은 종래의 도트 인버젼 방식에 의한 소오스 구동회로의 출력 파형도
도 7은 캐패시턴스 부하를 구동하기 위한 일반적인 CMOS 회로를 나타낸 회로도
도 8은 본 발명에 의한 도트 인버젼 방식에 의한 소오스 구동회로의 출력 파형도
도 9a는 다단계 소오스 드라이빙 방식의 올(All)-블랙 이미지의 구동 파형도
도 9b는 다단계 소오스 드라이빙 방식의 올(All)-화이트 이미지 구동 파형도
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동회로를 나타낸 구성도
도 11은 도 10a 및 도 10b의 MUX_A 및 MUX_B를 제어하는 제어신호의 클럭신호
도 12a 및 도 12b는 도 10b의 출력 버퍼부의 증폭기의 회로도
도 13은 각 극성 변조부를 나타낸 회로도
도 14는 본 발명에 의한 소오스 구동회로를 구동하기 위한 극성 변조 회로의 일실예를 나타낸 회로도
도 15는 본 발명에 의한 소오스 구동회로를 구동하기 위한 극성 변조 회로의 다른실예를 나타낸 회로도
도 16은 30인치 대각의 UXGA 패널 및 14인치 대각 XGA 패널
도 17은 10 세그먼트로 나누어진 로드 모델
도 18은 올(All)-블랙 이미지 표시를 위한 구동 파형 및 콘트롤 신호의 파형도
도 19는 올(All)-화이트 이미지 표시를 위한 구동 파형 및 콘트롤 신호의 파형도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
50 : 출력 버퍼부 60 : 홀수 극성 변조부
70 : 짝수 극성 변조부 80 : 먹스부
90a,90b : 제 1, 제 2 쉬프트 레지스터 100 : 인버터
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동회로는 쉬프트 레지스터부와, 샘플링 래치부와, 홀딩 래치부와, 디지털/아날로그 변환부 그리고 출력 버퍼부로 구성된 액정표시장치의 소오스 구동회로에 있어서, 홀수번째 소오스 라인의 극성 변조를 수행하는 제 1 극성 변조부와, 상기 제 1 극성 변조부와 반대로 짝수번째 소오스 라인의 극성 변조를 수행하는 제 2 극성 변조부와, 외부의 제어 신호에 의해 출력 버퍼부의 출력과 제 1, 제 2 극성 변조부의 출력 중 하나를 선택하여 픽셀에 출력하는 복수개의 먹스부로 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동방법은 제 1 기판과 제 2 기판, 그리고 그 사이에 봉입된 액정을 포함한 액정표시장치의 데이터 라인에 음의 영상신호 및 양의 영상신호를 인가하는 액정표시장치의 소오스 구동방법에 있어서, 상기 각 영상신호의 전압을 극성 변조와 그레이 스케일 결정의 2 위상으로 나누어 인가하는 것을 특징으로 하고, 상기 극성 변조는 단계적 충전 및 방전으로 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동회로 및 그 구동방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명에 의한 도트 인버젼 구동 방식에 의한 화상신호의 동작범위를 나타낸 도면이다.
본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동방법인 다단계 소오스 드라이빙(stepwise source driving)에서는 영상신호 전달을 극성 변조(Polarity Modulator)와 그레이 스케일 결정(gray scale decision)의 2-위상(2-phase)으로 나누어 이루어진다.
즉, 도 8에서와 같이, 음의 영상의 중간 그레이에 해당하는 전압(VL)에서 양의 영상의 중간 그레이에 해당하는 전압(VH) 사이의 전압 변동(B)은 극성 변조에 의해 수행되고, 그 후에 그레이 스케일 결정을 위한 전압 변동(C,D)은 소오스 드라이버(source driver)의 증폭기에 의해 이루어진다.
여기서 상기 음의 영상신호 및 양의 영상 신호의 중간에 해당하는 전압으로 한정시킬 필요는 없고, 음의 영상신호 및 양의 영상신호에 해당하는 임의의 전압 범위에서 사용할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 도트 인버젼 구동 방식에 의한 소비 전력 발생은 극성 변조에 의한 것과 증폭기에 의한 것으로 나누어 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 8에서 극성 변조 B에 필요한 소비 전력은 극성 변조의 전압 VH에 의해 공급되고, 그레이 스케일 표시 C(이 경우, 블랙 이미지)에 필요한 소비 전력은 증폭기의 VDD에 의해 공급되어 진다.
또한, 음의 영상영역의 전압 VL로 극성 변조한 후, 화이트 이미지(white image)를 표시하기 위해서는 D와 같은 전압 변동이 필요하며, 이 역시 증폭기의 VDD에 의해 공급된 전력으로 이루어진다.
그러나 음의 영상영역의 전압 VL로 극성 변조한 후, 블랙 이미지를 표시하게되면 증폭기에 의해 소비 전력을 발생하지 않으나, 다시 양의 영상영역의 전압 VH로 극성 변조할 때(전압 변동 A), 극성 변조의 전압 VL에 의해 소비 전력이 발생한다. 이를 정리하면 표 1과 같다.
전압변동 A B C D
전력공급 극성 변조 VL 극성 변조 VH 증폭기 증폭기
여기서 표 1은 본 발명의 도트 인버젼 구동 방식에 의한 소비 전력 발생을 나타낸다.
한편, 다단계 소오스 구동회로의 구동 파형을 올-블랙 이미지(all-black image)인 경우와 올-화이트 이미지(all-white image)인 경우를 예를 들어 도 9a와 도 9b에 각각 도시하였다.
즉, 도 9a는 다단계 소오스 드라이빙 방식의 올-블랙 이미지의 구동 파형도이고, 도 9b는 다단계 소오스 드라이빙 방식의 올-화이트 이미지 구동 파형도이다.
따라서 도 9a 및 도 9b에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 도트 인버젼 방식은 한 수평 주기(H)를 극성 변조와 그레이 스케일 결정의 2-위상으로 나누어 소오스 구동이 이루어짐을 알 수 있다.
이와 같은 다단계 소오스 드라이빙 방식에서는 전압 스잉 폭이 큰 극성 변조 전압 VH는 다단계 충전을 통한 전하 리커버리 방식을 이용해 소비 전력을 감소시키고, 증폭기는 그레이 스케일 표시에 필요한 정도의 소비 전력만을 공급하게 함으로써 구동 소비 전력을 줄인다.
상기와 같이 소비전력을 줄일 수 있는 본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동회로의 구성을 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 10a 및 도 10b는 본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동회로를 나타낸 구성도이다.
도 10a에 도시한 바와 같이, 복수개의 먹스(MUX)부(80)들은 외부의 제어 신호(CON)에 의한 출력 버퍼부(50)의 출력과 홀수 극성 변조부(60) 및 짝수 극성 변조부(70)의 출력 중 하나를 선택하여 픽셀(pixel)에 전달한다.
한편, TFT-LCD의 도트 인버젼에서는 이웃한 소오스 라인끼리의 신호 극성이 반대이기 때문에 다단계 전하 구동의 방향도 반대이다.
즉, 홀수번째 소오스 라인 캐패시터에 단계적 충전을 수행할 경우 짝수번째 소오스 라인 캐패시터에는 단계적 방전이 이루어져야 한다.
따라서 극성 변조부를 구성하는 스위치들의 동작 순서도 반대이기 때문에 본 발명의 소오스 구동회로에서는 홀수(odd) 번째 소오스 라인과 짝수(even) 번째 소오스 라인을 따로 구동할 수 있도록 홀수 번째 소오스 라인의 극성 변조를 위한 홀수 극성 변조부(60)와 짝수 번째 소오스 라인의 극성 변조를 위한 짝수 극성 변조부(70)를 각각 별도로 설치한다.
본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동회로는 도 2의 디지털/아날로그 변환부(24)에서 아날로그 신호로 변환된 데이터 신호의 전류를 증폭하여 패널의 데이터 라인에 출력하는 출력 버퍼(output buffer)부(50)와, 홀수번째 소오스 라인을 구동하기 위한 홀수 극성 변조부(60)와 짝수번째 소오스 라인을 구동하기 위한 짝수 극성 변조부(70)와, 외부의 제어 신호(CON)에 의해 출력 버퍼부(50)의 출력과홀수 극성 변조부(60) 및 짝수 극성 변조부(70)의 출력 중 하나를 선택하여 픽셀에 출력하는 복수개의 먹스(MUX_B)부(80)로 구성된다.
즉, 본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동 회로는 종래의 액정표시장치의 소오스 구동회로의 출력 버퍼부(50)단까지는 동일하며, 최종 출력 직전에 다소간의 변형이 필요하다.
여기서 상기 먹스부(80)는 외부의 제어 신호(CON)에 의해 극성 변조와 그레이 스케일 결정을 결정하는 역할을 한다.
한편, 도 10b에서와 같이, 도 2의 디지털/아날로그 변환부(24)에서 아날로그 변환된 데이터에 해당하는 신호의 전류를 증폭하여 출력하는 AMP_H 및 AMP_L로 이루어진 출력 버퍼부(50)의 신호를 각각 입력으로 받아 외부의 제어신호(EO)에 의해 선택하여 픽셀에 출력하는 복수개의 제 1 먹스(MUX_A)부(80a)와, 상기 제 1 먹스부(80a)의 출력신호와 홀수 극성 변조부(60) 또는 짝수 극성 변조부(70)의 신호를 각각 입력으로 받아 외부의 제어신호(CON)에 의해 하나를 선택하여 픽셀에 출력하는 복수개의 제 2 먹스부(MUX_B)(80b)로 구성되어 있다.
도 11은 도 10a 및 도 10b의 MUX_B 및 MUX_A를 제어하는 제어신호의 클럭신호의 파형도이고, 도 12a 및 도 12b는 도 10b의 출력 버퍼부의 증폭기의 회로도이다.
즉, 도 11에 나타낸 바와 같이 CON 신호가 "1"이면 극성 변조를 수행하고, CON 신호가 "0"이면 그레이 스케일 결정을 수행한다.
여기서 CON은 도 10a 및 도 10b의 MUX_B를 제어하는 클럭신호이고, EO는 도10b의 MUX_A를 제어하는 클럭신호이다.
한편, 도 10b의 출력 버퍼부(50)의 증폭기에는 AMP_H와 AMP_L의 두 종류가 있으며, 이 둘은 회로 구조는 도 12a 및 도 12b에 나타낸 바와 같이 VDD 전압이 다르다.
즉, AMP_H(VDD 전압이 10V)는 양의 영상 영역의 그레이 스케일만을 담당하고, AMP_L(VDD 전압이 5V)은 음의 영상 영역의 그레이 스케일만을 담당한다.
이렇게 역할을 분담함으로써 도트 인버젼을 지원하면서도 VDD-VSS를 5V의 낮은 전압으로 구현할 수 있다.
또한, 도 8의 D와 같이 음의 영상 영역의 신호를 전달할 때 저전압 증폭기를 사용함으로써 고전압 증폭기만을 사용할 경우에 비하여 소비 전력을 감소시킬 수 있다.
한편, 상기와 같이 구성되는 홀수 및 짝수 극성 변조부의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 13은 각 극성 변조부를 나타낸 회로도이다.
도 13에서와 같이, 전압 VH에서 VL을 5등분하여(일반적으로 N등분) 부하 캐패시턴스를 구동하면 소비전력(PCONV)은 종래의 수학식 1 보다 수학식 2에서와 같이 1/5(일반적으로 1/N)로 감소하게 된다.
여기서 부하 캐패시터(CLOAD)는 M개의 칼럼 라인(column line)의 캐패시턴스(capacitance)의 합으로, 여기서 M은 1개의 소오스 드라이버의 출력 수의 1/2이다.
본 발명에서 도트 인버젼 구동을 위해서는 극성 변조 회로(PM)가 짝수 칼럼과 홀수 칼럼의 극성 변조를 반대로 수행하여야 하므로, 1개의 소오스 구동회로에는 짝수 칼럼과 홀수 칼럼을 나누어 담당해야 하기 때문에 2개의 극성 변조 회로(PM)가 필요하다.
예를 들어, 300개의 출력을 갖는 액정표시장치의 소오스 구동회로에 본 방식을 적용할 경우, M은 150이 된다.
그리고 도 13의 외부의 캐패시터 CEXT1, CEXT2, CEXT3, CEXT4는 소오스 드라이버 칩(source driver chip) 외부에 장착한 외부의 캐패시터로 각각의 크기는 부하 캐패시터(CLOAD)의 100배 정도의 크기를 갖고, 각 외부의 캐패시터 CEXT1, CEXT2, CEXT3, CEXT4에 전원 VH와 VL을 균등하게 분할한 전압을 각각 VL+(4/5)(VH-VL), VL+(3/5)(VH-VL), VL+(2/5)(VH-VL), VL+(1/5)(VH-VL)이 각각 충전되어 있다.
여기서 전원 VH는 VL보다 크다.
또한, 각 전원 VH및 VL과 각 외부의 캐패시터 CEXT1, CEXT2, CEXT3, CEXT4는 각각 외부의 신호에 의해 턴-온 또는 턴-오프되는 스위치 SW6~SW1에 의해 부하 캐패시터(CLOAD)와 연결되도록 구성된다.
한편, 다단계 소오스 드라이빙 방식이 실질적인 의미를 가지려면, 소비 전력 절감 효율과 더불어 각 스텝에 소요되는 시간이 충분히 짧아야 하고, 회로의 크기가 크지 않아야 한다.
상기와 같이 본 발명의 액정표시장치의 소오스 구동회로에 사용되는 극성 변조 회로를 이용한 다단계 소오스 구동회로의 소비전력이 감소하는 이유를 설명하면 다음과 같다.
즉, 도 13에서와 같이, 외부의 캐패시터 CEXT1~ CEXI4에는 초기에 전압이 충전되어 있다고 가정하면, 이웃한 외부 캐패시터 사이의 전압은 모두 균등하게 1/5만큼의 차이가 난다.
초기에 부하 캐패시터(CLOAD)에 VL전압이 충전되어 있다고 가정하고, VH까지 충전하고자 할 경우 스위치 SW1부터 SW6까지 순차적으로 턴-온(Turn-on)시킨다. 이때 부하 캐패시터(CLOAD)의 전압은 VL에서 VH까지 단계적으로 상승하게 되고, 각 단계 전압은 해당하는 외부 캐패시터에서 전하(charge)를 공급한 결과이다.
한편, 반대로 VH에서 VL로 방전되는 경우를 설명하면, 충전의 경우와는 반대로 스위치 SW6부터 SW1까지 순차적으로 턴-온된다. 여기서 각 외부 캐패시터(CLOAD)가 V2까지 충전하는 과정에서 부하 캐패시터(CLOAD)에 공급한 전하 VL+(1/5)(VH-VL)을 V1로 방전하는 과정에서 돌려 받음으로써 각 외부의 캐패시터가 부하 캐패시터(CLOAD)에 공급한 전력은 실질적으로"0"이 된다.
그리고 전원 VH에 의한 전력 공급은 스위치 SW6이 턴-온됨으로써 이루어지는데, 스위치 SW6이 턴-온 되기 직전에 부하 캐패시터(CLOAD)에는 VL+(4/5)(VH-VL)이 충전되어 있기 때문에 전원 VH에 의해 실제로 충전된 전압은 1/5(VH-VL)이고, 소비전력은 수학식 1에서 나타난 바와 같이 1/5로 감소하게 된다.
도 14는 본 발명에 의한 소오스 구동회로를 구동하기 위한 극성 변조 회로의 일실예를 나타낸 회로도이다.
도 14에 도시한 바와 같이, 홀수 극성 변조부(60)와 짝수 극성 변조부(70)는 외부 캐패시터(external capacitors)를 공유하고 있다.
그리고 저항(R)열은 외부 캐패시터의 초기 충전 전압을 결정하기 위한 것으로, 소오스 구동회로의 동작 초기에 STR 신호에 의해 제어되는 스위치(S)들이 턴-온되면, 저항열에 전류가 흘러 저항에 의한 전압 분배가 이루어지고, 각 외부 캐패시터에는 분배된 전압들이 저장된다.
일단, 상기 외부 캐패시터에 원하는 전압이 저장되면, STR 신호에 의해 각 스위치들은 턴-오프시킴으로써 저항열에 불필요한 전류가 흘러 소비 전력이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
따라서 도 13에서 설명한 바와 같이, 외부 캐패시터들이 칩 외부에 설치되는 캐패시터들인데 반하여 저항열은 칩 내부에 집적될 수 있다.
한편, 도면에 도시된 제 1, 제 2 쉬프트 레지스터(90a,90b)는 다단계 소오스 구동회로의 스위치(SW1~SW6)들을 제어하기 위한 신호를 발생한다. 각스위치(SW1~SW6)들을 제어하는 신호를 일일이 칩 외부에서 공급하는 것보다는 제 1, 제 2 쉬프트 레지스터(90a,90b)를 이용하여 내부에서 생성하는 것이 입력 신호의 수를 줄일 수 있기 때문이다.
여기서 상기 제 1, 제 2 쉬프트 레지스터(90a,90b)에 입력되는 신호 중 CLK2는 제 1, 제 2 쉬프트 레지스터(90a,90b)에 사용되는 클럭신호이고, PMS는 제 1, 제 2 쉬프트 레지스터(90a,90b)의 트리거(trigger)신호, PMD는 쉬프트 방향을 결정하는 신호이다.
한편, 상기 쉬프트 방향을 결정하는 신호 PMD는 제 1, 제 2 쉬프트 레지스터(90a,90b)에 서로 반대되는 신호를 입력한다.
즉, 제 1 쉬프트 레지스터(90a)의 PMD 신호가 "1"이 입력되면, 제 2 쉬프트 레지스터(90b)에는 "0"이 입력된다. 이는 제 1 쉬프트 레지스터(90a) 또는 제 2 쉬프트 레지스터(90b)의 앞단에 인버터(100)를 구성하여 서로 반대되는 신호를 입력으로 받을 수 있다.
그 이유는 전술한 바와 같이 홀수 극성 변조부(60)와 짝수 극성 변조부(70)는 각 스위치의 턴-온 및 턴-오프 순서가 반대이기 때문에 스위치에 인가되는 턴-온 신호의 순서도 반대가 되어야 한다.
따라서 쉬프트 레지스터의 출력 순서도 반대가 되어야 하기 때문에 두 쉬프트 레지스터에 인가되는 PMD 신호는 반대이다.
한편, 제 1, 제 2 쉬프트 레지스터(90a,90b)를 사용하는 대신 도 15와 같이 하나의 쉬프트 레지스터만을 사용하되, 연결 순서를 반대로 하는 것도 가능하다.
이어, 본 발명의 도트 인버젼 방식의 타이밍(timing)과 회로의 크기에 대해서 시뮬레이션한 결과를 설명하면 다음과 같다.
예를 들어, 본 발명에 의한 적용 대상은 30인치 대각의 UXGA 패널 및 14인치 대각 XGA 패널이다.
여기서는 30인치 대각의 UXGA 패널을 중심으로 설명한다.
현재 개발된 30인치 LCD 패널은 도 16에서와 같이, 4분할 구동에 의해 동작하므로, 본 발명에서도 4분할 구동이라는 가정 하에 시뮬레이션을 수행한다.
상기와 같이 4분할 구동을 하게 되면, 각 4분할 패널은 15인치 SVGA 패널에 해당된다. 이때의 칼럼 라인은 C=128㎊, R=2.5㏀인 로드로 동작하고, 라인 타임(line time)은 22μsec이다.
여기서 칼럼 라인의 C 및 R 값은 전형적인 픽셀에 대하여 라파엘(Raphael) 3D 시뮬레이션을 통하여 추출한 값이다.
실제 소오스 라인은 C와 R이 분산되어 존재하므로 도 17에서와 같이 10 세그먼트(segment)로 나누어진 로드 모델(load model)을 사용한다.
한편, 도 13에 나타낸 바와 같은 5스텝 방식을 사용한다고 가정하자. 그리고 극성 변조에 소요되는 시간을 1 수평 주기(1H)의 1/2이하로 제한하고, 나머지 시간을 증폭기에 의한 그레이 스케일 표시 시간에 할당한다고 가정하면, XGA 패널은 라인 타임이 약 16μsec이고, SVGA 패널은 라인 타임이 약 22μsec이므로, 허용된 스텝 시간은 각각 약 1.5μsec, 2μsec이다.
이러한 타이밍 조건을 만족시키기 위한 도 13의 각 스위치의 트랜지스터 사이즈를 표 2내지 표 5에 걸쳐 정리하였다.
여기서 각 스위치는 NMOS 트랜지스터만으로 구성하거나 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터로 니누어 구성할 수 있고, 각 트랜지스터의 채널 길이는 공통적으로 0.6㎛이다.
그리고 극성 변조는 2.25~7.75V의 전압을 부하 캐패시터(CLOAD)에 전달하여야 하므로 각각 스위치(NMOS 트랜지스터)를 온(on)시키기 위해서는 10V, 오프(off)시키기 위해서는 0V를 인가한다. 이때 상기 스위치가 PMOS 트랜지스터일 경우는 반대이다.
여기서 표 2에서와 같이 각 스위치를 NMOS 트랜지스터만으로 구성하고, SW1, SW2, SW3은 400㎛, SW4, SW5는 500㎛, 그리고 가장 높은 전압을 전달하는 SW6는 600㎛의 크기로 각각 구성한다.
한편, 표 3은 가장 높은 전압을 전달하는 SW6 스위치를 PMOS로 한 경우이다. 이는 전달하고자 하는 전압이 높기 때문에 OV를 온(ON)신호로 인가하는 것이 ｜VGS｜가 커짐으로써 전류 전달에 유리하기 때문이다.
즉, 표 3에서와 같이, SW6 스위치로 PMOS 트랜지스터를 사용하는 것이 NMOS 트랜지스터를 사용하는 것보다 트랜지스터 크기 면에서 다소 유리함을 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동회로에 의한 전력 소비 시뮬레이션(Power Consumption Simulation)결과를 설명하면 다음과 같다.
즉, 전력 소비 시뮬레이션 조건을 표 6에 정리하였다.
여기서 표시 이미지 별로 제안한 스텝 소오스 드라이빙의 AC 전력 소비 시뮬레이션을 수행한 결과와 기존의 고전압 구동 방식에서의 AC 전력 소비 시뮬레이션 결과를 비교한다.
먼저, 올-블랙 이미지는 패널 전체가 블랙 이미지를 표시할 때의 구동 파형 및 콘트롤 신호를 도 18에 나타내었고, 올-화이트 이미지 표시를 위한 구동 파형 및 콘트롤 신호를 도 19에 나타내었다. 도 18 및 도 19는 표 6의 가정 하에 HSPICE 스뮬레이션을 수행한 결과이다.
즉, 제어신호 CON에 의해 극성 변조 또는 그레이 스케일 결정이 되고 있다.
한편, 표 7, 표 8, 표 9, 표 10에 각 전류 및 소비 전력을 정리하였다. 여기서 표 7의 VDDH 및 VDDL은 12a 내지 도 12b에 나타난 AMP_H 및 AMP_L의 전원 전압이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 액정표시장치의 소오스 구동회로및 구동방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 다단계 소오스 구동방식에서는 전압 스잉 폭이 큰 극성 변조는 다단계 전하를 통한 전하 리커버리 방식을 이용해 소비 전력을 감소시키고, 증폭기는 그레이 스케일 표시에 필요한 정도의 소비 전력만을 공급하게 함으로써 구동소비 전력을 줄일 수 있다.

Claims (14)

  1. 화소들이 매트릭스 형태로 배열된 액정패널의 소오스 라인에 출력버퍼를 통해 반전구동방식으로 영상신호를 인가하기 위한 액정표시장치의 소오스 구동회로에 있어서,
    하한전압(VL)과 상한전압(VH)과의 사이에 다단계의 충전전압을 갖는 n개의 캐패시터와;
    상기 n개의 캐패시터를 홀수번째 소오스라인과 다단계로 연결하여 다단계로 극성전압을 제공하고, 회수하여 홀수번째 소오스라인의 극성변조를 수행하는 제 1 극성변조부;
    상기 n개의 캐패시터를 짝수번째 소오스라인과 다단계로 연결하여 다단계로 극성전압을 제공하고, 회수하여 짝수번째 소오스라인의 극성변조를 수행하는 제 2 극성변조부; 및
    극성변조 페이스(phase)에서는 상기 제1 극성변조부나 상기 제2 극성변조부의 출력을 선택하고, 계조표시 페이스(phase)에서는 상기 출력버퍼부의 출력을 선택하여 화소에 출력하는 다수개의 먹스로 구성된 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 n개의 캐패시터는 드라이버칩의 외부에 장착되고, 상기 제1, 제2 극성변조부는 상기 n개의 캐패시터를 전원부나 액정패널의 소오스라인에 연결하는 복수개의 스위치로 구성됨을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 각 스위치는 NMOS 트랜지스터로 구성됨을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 NMOS 트랜지스터는 각기 다른 크기를 갖도록 구성됨을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동회로.
  5. 제2항에 있어서, 상기 각 스위치는 NMOS트랜지스터와 PMOS트랜지스터를 혼용하여 구성함을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동회로.
  6. 제2항에 있어서, 상기 n개의 캐패시터에는 음의 영상신호의 일정한 값 그레이에 해당하는 전압에서 양의 영상신호의 일정한 값 그레이에 해당하는 전압을 균등하게 분할한 전압이 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동회로.
  7. 제2항에 있어서, 상기 각 외부 캐패시터가 부하 캐패시터보다 더 크게 구성됨을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동회로.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2 극성 변조부는 쉬프트 방향을 결정하는 서로 반대의 신호가 입력되는 제1, 제2 쉬프트 레지스터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동회로.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2 극성 변조부는 연결순서를 반대로 하는 하나의 쉬프트 레지스터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동회로.
  10. 화소들이 매트릭스 형태로 배열된 액정패널의 소오스 라인에 출력버퍼를 통해 반전구동방식으로 영상신호를 인가하기 위한 액정표시장치의 소오스 구동방법에 있어서,
    n개의 캐패시터를 하한전압과 상한전압 사이에서 균등간격의 전압으로 충전하는 단계;
    극성변조 페이스(phase)에서 인접 라인간에 극성이 다르도록 상기 충전전압을 회소에 인가하거나 회소로부터 전압을 회수하는 단계; 및
    상기 극성전압이 인가된 후 계조표시 페이스(phase)에서 상기 결정된 계조신호를 화소에 인가하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 극성변조는 음의 영상신호의 일정한 그레이에 해당하는 전압에서 양의 영상신호의 일정한값 그레이에 해당하는 전압 사이의 전압 변동을 전달하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 그레이 스케일 결정은 소오스 구동회로의 증폭기에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 증폭기는 그레이 스케일 표시에 필요한 정도의 전력만을 공급하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 극성변조는 다단계 전하를 통한 전하 리커버리 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치의 소오스 구동방법.
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