KR100466963B1 - 액티브 매트릭스형 유기발광다이오드 소자용 박막트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 화면을 구현하는 최소 단위영역인 화소 영역별로 형성된 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터와 연결되는 유기전계발광 다이오드를 가지는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터에 있어서, 양측부를 소스 영역 및 드레인 영역으로 각각 가지는 반도체층과; 상기 반도체층의 중앙부와 중첩되게 위치하는 게이트 전극과; 상기 반도체층의 소스 영역 및 드레인 영역과 연결되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하며, 상기 게이트 전극과 중첩되는 반도체층 영역은 채널부를 이루고, 상기 채널부는 문턱전압을 낮추는 역할을 하며 상대적으로 짧은 채널 길이를 갖는 제 1 영역과, 상기 제 1 영역에서 점진적으로 채널의 길이가 증가되며 게이트 전압변화에 따른 소스 드레인 전류 트랜스퍼 곡선상의 선형영역 구간을 넓히는 역할을 하는 제 2 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터를 제공하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 액티브 매트릭스형 유기발광다이오드 소자(Active Matrix type Organic Light Emitting Diode Device)에 관한 것이며, 특히 액티브 매트릭스형 유기발광다이오드 소자용 박막트랜지스터(TFT ; Thin Film Transistor)에 관한 것이다.
최근에 액정표시장치(LCD ; Liquid Crystal Display Device)는 가볍고 전력 소모가 적은 장점이 있어, 평판디스플레이(FPD ; Flat Panel Display)로서 현재 가장 많이 사용되고 있다.
그러나, 액정표시장치는 자체 발광소자가 아니라 수광소자이며 밝기, 콘트라스트(contrast), 시야각, 그리고 대면적화 등에 기술적 한계가 있기 때문에 이러한 단점을 극복할 수 있는 새로운 평판디스플레이를 개발하려는 노력이 활발하게 전개되고 있다.
새로운 평판디스플레이 중 하나인 유기전계발광 소자는 자체발광형이기 때문에 액정표시장치에 비해 시야각, 콘트라스트 등이 우수하며 백라이트가 필요하지 않기 때문에 경량박형이 가능하고, 소비전력 측면에서도 유리하다. 그리고, 직류저전압 구동이 가능하고 응답속도가 빠르며 전부 고체이기 때문에 외부충격에 강하고 사용온도범위도 넓으며 특히 제조비용 측면에서도 저렴한 장점을 가지고 있다.
특히, 상기 유기전계발광 소자의 제조공정에는, 액정표시장치나 PDP(Plasma Display Panel)와 달리 증착 및 봉지(encapsulation) 장비가 전부라고 할 수 있기 때문에, 공정이 매우 단순하다.
특히, 각 화소마다 스위칭 소자인 박막트랜지스터를 가지는 액티브 매트릭스방식으로 유기전계발광 다이오드 소자를 구동하게 되면, 낮은 전류를 인가하더라도 동일한 휘도를 나타내므로 저소비전력, 고정세, 대형화가 가능한 장점을 가진다.
이하, 이러한 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자(이하, AMOLED로 약칭함)의 기본적인 구조 및 동작특성에 대해서 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 AMOLED의 기본 화소 구조를 나타낸 도면이다.
도시한 바와 같이, 제 1 방향으로 주사선이 형성되어 있고, 이 제 1 방향과 교차되는 제 2 방향으로 형성되며, 서로 일정간격 이격된 신호선 및 전력공급 라인(powersupply line)이 형성되어 있어, 하나의 화소 영역(pixel area)을 정의한다.
상기 주사선과 신호선의 교차지점에는 어드레싱 엘리먼트(addressing element)인 스위칭 박막트랜지스터(switching TFT)가 형성되어 있고, 이 스위칭 박막트랜지스터 및 전력공급 라인과 연결되어 스토리지 캐패시터(storage capacitor ; 이하, CST라 칭함)가 형성되어 있으며, 이 스토리지 캐패시터(CST) 및 전력공급 라인과 연결되어, 전류원 엘리먼트(current source element)인 구동 박막트랜지스터가 형성되어 있고, 이 구동 박막트랜지스터와 연결되어 유기전계발광 다이오드(Electroluminescent Diode)가 구성되어 있다.
이러한 AMOLED에서는 박막트랜지스터를 통하여 전류를 공급하게 되므로 기존의 비정질 실리콘 박막트랜지스터는 캐리어 이동도(mobility)가 낮아서 채용하기 어렵고 캐리어 이동도가 보다 우수한 폴리실리콘 박막트랜지스터가 채용되고 있다.
더욱이, 미세한 색 변화를 제대로 나타내기 위하여 정밀한 계조표시(gray scale) 능력이 디스플레이에서는 없어서는 안될 기능이다. 유기전계발광 다이오드 소자는 기본적으로 유기발광 다이오드에 흐르는 전류의 양을 조절하여 표시하며, 능동 구동방식에서는 유기전계발광 다이오드 소자에 전류를 공급하는 박막트랜지스터에 흐르는 전류의 양을 조절하므로써, 유기전계발광 다이오드 소자의 발광량이 달라져서 계조가 표시된다.
도 2는 종래의 AMOLED용 박막트랜지스터에 대한 평면도로서, 탑게이트 형(top gate type) 박막트랜지스터에 관한 것이다.
도시한 바와 같이, 소스 및 드레인 영역을 가지는 폴리실리콘층(10)이 형성되어 있고, 폴리실리콘층(10)의 중앙부와 교차되어 게이트 전극(12)이 형성되어 있다. 이때, 상기 게이트 전극(12)과 교차되는 폴리실리콘층(10) 영역은 채널(ch)을이룬다.
상기 탑게이트형 폴리실리콘 박막트랜지스터는 게이트 전극(12)을 이온 스타퍼(ion-stopper)로 이용하여, 폴리실리콘(10)의 이온 도핑 공정을 진행하기 때문에, 게이트 전극(12)과 대응되는 폴리실리콘층(10) 영역이 채널(ch)을 이루게 된다.
그러므로, 상기 채널(ch)의 길이(L)는 게이트 전극(12) 패턴 구조에 의해 정해지는데, 기존에는 소자의 전류 이동도 특성과 비례하는 포화(saturation) 특성을 향상시키기 위하여 채널(ch)의 길이(L)가 채널(ch) 전영역에서 일정하도록 구성하였다.
이하, 이러한 패턴 구조를 가지는 박막트랜지스터 소자 특성에 대해서 좀 더 상세히 설명한다.
도 3은 선형영역 구간이 좁은 박막트랜지스터의 게이트 전압 변화에 따른 소스 및 드레인 전류 트랜스퍼(transfer)곡선 그래프를 나타낸 도면이다.
도시한 바와 같이, 포화 영역(I)이 넓고 선형 영역 구간(II)이 좁은 박막트랜지스터에서는 게이트 전압 크기에 따른 선형 영역(II) 구간이 좁기 때문에 계조표시 능력이 떨어지게 된다.
즉, 기존의 포화특성을 향상시키는 방식으로만 개발된 박막트랜지스터 소자에서는 AMOLED 구동에 적합한 선형 영역이 넓은 소자를 얻기가 힘들었다. 또한, 선형 영역이 넓은 특성을 가지는 소자는 AMOLED 패널에서 유기전계 발광 다이오드 구동 이외의 소자(예를 들면, 화소부 기타 소자, 구동회로용 소자) 특성을 만족시키기 힘든 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 AMOLED 소자에 구동전류를 공급하는 소자특성은 문턱 전압(Vth)은 적으면서 선형 영역 구간이 넓어서 입력전압(Vg)에 따른 출력전류(Ids)의 구간을 세분화할 수 있는 AMOLED용 박막트랜지스터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명에서는 채널의 길이구간을 좌우하는 게이트 전극 패턴을 변경하는 것을 특징으로 한다.
즉, 게이트 전극의 길이가 점진적으로 변화하는 구조로 변경하여, 쇼트(short) 채널에서 문턱 전압에 도달하고 이후, 롱(long) 채널에서 선형 영역 구간을 확장시킴으로서 상기 목적을 달성하고자 한다.
도 1은 일반적인 AMOLED의 기본 화소 구조를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 AMOLED용 박막트랜지스터에 대한 평면도.
도 3은 선형영역 구간이 좁은 박막트랜지스터의 게이트 전압 변화에 따른 소스 및 드레인 전류 트랜스퍼(transfer)곡선 그래프를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 AMOLED용 박막트랜지스터에 대한 평면도.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 AMOLED용 박막트랜지스터에 대한 평면도.
도 6은 선형영역 구간이 넓은 박막트랜지스터의 게이트 전압 변화에 따른 소스 및 드레인 전류 트랜스퍼(transfer)곡선 그래프를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 AMOLED용 박막트랜지스터를 포함하는 AMOLED에 대한 단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110 : 반도체층 112 : 게이트 전극
CH : 채널 LH: 채널의 상부 길이
LL: 채널의 하부 길이
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터는 화면을 구현하는 최소 단위영역인 화소 영역별로 형성된 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터와 연결되는 유기전계발광 다이오드를 가지는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터에 있어서, 양측부를 소스 영역 및 드레인 영역으로 각각 가지는 반도체층과; 상기 반도체층의 중앙부와 중첩되게 위치하는 게이트 전극과; 상기 반도체층의 소스 영역 및 드레인 영역과 연결되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하며, 상기 게이트 전극과 중첩되는 반도체층 영역은 채널부를 이루고, 상기 채널부는 문턱전압을 낮추는 역할을 하며 상대적으로 짧은 채널 길이를 갖는 제 1 영역과, 상기 제 1 영역에서 점진적으로 채널의 길이가 증가되며 게이트 전압변화에 따른 소스 드레인 전류 트랜스퍼 곡선상의 선형영역 구간을 넓히는 역할을 하는 제 2 영역을 가지는 것을 특징으로 한다.이때, 상기 제 1 영역에서 문턱 전압(Vth)을 낮출 수 있는 쇼트 채널(short length channel)특성과, 상기 제 2 영역에서 게이트 전압 크기에 따른 전류의 크기를 세분화할 수 있는 롱 채널(long length channel) 특성을 모두 가지는 것을 특징으로 하며, 이때, 상기 반도체층의 소스 및 드레인 영역은 불순물처리된 폴리실리콘층으로 이루어지는 것이 바람직하다.또한, 상기 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자는, 상기 게이트 전극을 이온 스타퍼(ion-stopper)로 이용하는 탑게이트형 폴리실리콘 박막트랜지스터를 포함하는 것이 특징이다.또한, 상기 채널부와 대응된 위치에서, 상기 게이트 전극은 사다리꼴 형상을 가지거나 또는 상기 채널부와 대응된 위치에서, 상기 게이트 전극의 채널 길이방향 중앙부 폭은 상부 및 하부보다 작은 값을 가지는 것이 특징이다.또한, 상기 반도체층과 게이트 전극 사이에는 게이트 절연막이 개재된다.본 발명에 따른 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자는 상기 제 1 항에 따른 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터와 연결되는 유기전계발광 다이오드를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
<실시예 1>
실시예 1에서는, 게이트 전극을 사다리꼴 패턴으로 형성하여, 채널 길이를점진적으로 변화시킨 구조에 관한 것이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 AMOLED용 박막트랜지스터에 대한 평면도이다.
도시한 바와 같이, 제 1 방향으로 소스 및 드레인 영역을 가지는 반도체층(110)이 형성되어 있고, 반도체층(110)의 중앙부와 교차되는 제 2 방향으로 상기 반도체층(110)과 절연된 상태로 게이트 전극(112)이 형성되어 있으며, 상기 게이트 전극(112)와 교차되는 반도체층(110) 영역은 채널(CH)을 이룬다.
상기 반도체층(110)의 채널(CH) 영역은 폴리실리콘으로 이루어지며, 소스 및 드레인 영역은 불순물 폴리실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 게이트 전극(112)은 상협하광의 사다리꼴 패턴으로 이루어져, 이러한 패턴 구조를 가지는 게이트 전극(112)과 대응되는 채널(CH)에 있어서, 채널(CH)의 상부 길이(LH)보다 하부 길이(LL)가 넓으며, 이러한 길이차가 점진적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 채널(CH) 구조를 가지는 박막트랜지스터에서는 게이트 전압 인가시, 쇼트 채널(LH를 가지는 채널영역)로 전류가 빠르게 흐르게 되어 문턱 전압을 낮춤에 따라 박막트랜지스터의 동작 특성을 향상시킬 수 있고, 롱 채널("LH"를 가지는 채널 영역)에서는 쇼트 채널에서부터 점진적인 채널(CH) 폭의 증가에 따라 전체 채널(CH) 구간으로 전류가 흐르는 과정에서 선형 영역 구간을 넓힐 수 있도록 작용한다.
본 실시예에서는, 상광하협의 사다리꼴 게이트 패턴을 적용해도 무방하다.
<실시예 2>
실시예 2에서는 길이 방향 채널의 중앙부에서 쇼트 채널을 이루고, 상부 및 하부에서 롱 채널을 가지도록 게이트 패턴을 변경하는 실시예이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 AMOLED용 박막트랜지스터에 대한 평면도로서, 상기 도 4와 중복되는 부분에 대한 설명은 간략히 한다.
도시한 바와 같이, 게이트 전극(212)의 반도체층(210)과 중첩되는 우측 부분을 "〈 " 모양으로 꺽인 패턴으로 구성하여, 채널(CH) 중앙부 길이(LM)가 상부 및 하부 길이(LM, LL)보다 점진적으로 감소되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에서는 상기 게이트 전극(212)의 좌측에서 "〉" 모양으로 꺽인 패턴을 가지도록 구성할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 게이트 전극을 이온 스타퍼로 이용하는 탑게이트형 폴리실리콘 박막트랜지스터의 구조적 특성을 이용하여, 게이트 전극 패턴 변경으로 채널 길이를 다양하게 변경하여 원하는 구동특성을 가지는 박막트랜지스터를 제공할 수 있다.
도 6은 선형영역 구간이 넓은 박막트랜지스터의 게이트 전압 변화에 따른 소스 및 드레인 전류 트랜스퍼(transfer)곡선 그래프를 나타낸 도면이다.
도시한 그래프에서와 같이 선형영역 구간이 넓게 되면 게이트 전압 크기에 따라 드레인 전류값을 일정하게 변화시켜 계조표시 능력을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 쇼트 채널과 롱 채널 특성을 모두 가지는 채널이 구비된 박막트랜지스터에 의하면, 쇼트 채널에서의 빠른 전류 흐름에 의해 낮은 문턱 전압(Vth)을 가지면서, 롱 채널에서 게이트 전압 크기에 따른 전류의 세기를 세분화할 수 있어 선형 영역(III)이 넓은 전기적 특성을 가지는 박막트랜지스터를 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 AMOLED용 박막트랜지스터를 포함하는 AMOLED에 대한 단면도로서, 발광된 빛을 하부로 방출하는 하부 발광방식 유기전계발광 소자에 관한 것이다.
도시한 바와 같이, 절연기판(200) 상에 반도체층(232), 게이트 전극(238), 소스 및 드레인 전극(250, 252)을 포함하는 박막트랜지스터(T)가 형성되어 있고, 이 박막트랜지스터(T)는 스토리지 캐패시터(CST) 및 유기전계발광 다이오드(E)와 각각 연결되어 있다.
상기 스토리지 캐패시터(CST)는 절연체가 개재된 상태로 서로 대향된 파워 전극(242) 및 캐패시터 전극(234)으로 구성되고, 상기 유기전계발광 다이오드(E)는 유기전계발광층(264)이 개재된 상태로 서로 대향된 양극(258) 및 음극(266)으로 구성된다.
좀 더 상세히 설명하자면, 박막트랜지스터(T)의 소스 전극(250)은 파워 전극(242)과 연결되어 있고, 드레인 전극(252)은 유기전계발광 다이오드(E)의 하부 전극인 양극(258)과 연결되어 있다.
일반적으로, 상기 예에 따른 하부 발광방식의 양극(258)은 유기전계발광층(264)에서 발광된 빛이 투과되도록 광 투과성 물질로 이루어지고, 음극(266)은 유기전계발광층(264)으로 전자주입을 원활히 할 수 있도록 일함수(work function)값이 낮은 금속으로 이루어진다.
그러나, 상부 발광방식으로 구동되는 유기전계발광 소자에서는, 유기전계발광층에서 발광된 빛이 음극을 투과하여 상부 방향으로 방출되므로, 음극이 광 투과성 물질로 이루어진다.
한편, 상기 유기전계발광 소자에 포함되는 절연층들의 적층구조를 살펴보면, 상기 절연기판(200)과 반도층(232) 사이에서 완충작용을 하는 버퍼층(230)과, 상기 스토리지 캐패시터(CST)용 절연체가 되는 제 1 절연층(240)과, 상기 소스 전극(250)과 파워 전극(242) 사이의 제 2 절연층(244)과, 양극(258)과 드레인 전극(252) 사이의 제 3 절연층(254)과, 양극(258)과 유기전계발광층(264) 사이의 보호층(260)이 차례대로 적층된 구조를 가지는데, 상기 제 1 내지 3 절연층(240, 244, 254) 및 보호층(260)에는 각층간의 전기적 연결을 위한 콘택홀을 포함한다.
그러나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위내에서, 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 AMOLED용 박막트랜지스터에 의하면, 게이트 패턴 변화만으로 유기전계발광 다이오드 구동에 적합한 소자 제작이 가능하며, 유기전계발광 다이오드 이외의 소자는 게이트 패턴을 그 용도에 맞게 환원하여 포화특성이 좋게 실현할 수 있다. 따라서, 구동회로 내장방식이나 그 밖의 특성을 가진 소자를 하나의 패널 내에 제작함으로써 경쟁력 높은 제품을 제공할 수 있다.
Claims (8)
- 화면을 구현하는 최소 단위영역인 화소 영역별로 형성된 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터와 연결되는 유기전계발광 다이오드를 가지는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터에 있어서,양측부를 소스 영역 및 드레인 영역으로 각각 가지는 반도체층과;상기 반도체층의 중앙부와 중첩되게 위치하는 게이트 전극과;상기 반도체층의 소스 영역 및 드레인 영역과 연결되는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하며, 상기 게이트 전극과 중첩되는 반도체층 영역은 채널부를 이루고, 상기 채널부는 문턱전압을 낮추는 역할을 하며 상대적으로 짧은 채널 길이를 갖는 제 1 영역과, 상기 제 1 영역에서 점진적으로 채널의 길이가 증가되며 게이트 전압변화에 따른 소스 드레인 전류 트랜스퍼 곡선상의 선형영역 구간을 넓히는 역할을 하는 제 2 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 영역에서 문턱 전압(Vth)을 낮출 수 있는 쇼트 채널(short length channel)특성과, 상기 제 2 영역에서 게이트 전압 크기에 따른 전류의 크기를 세분화할 수 있는 롱 채널(long length channel) 특성을 모두 가지는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,상기 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자는, 상기 게이트 전극을 이온 스타퍼(ion-stopper)로 이용하는 탑게이트형 폴리실리콘 박막트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,상기 채널부와 대응된 위치에서, 상기 게이트 전극은 사다리꼴 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,상기 채널부와 대응된 위치에서, 상기 게이트 전극의 채널 길이방향 중앙부 폭은 상부 및 하부보다 작은 값을 가지는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체층과 게이트 전극 사이에는 게이트 절연막이 개재되는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터.
- 제 2 항에 있어서,상기 반도체층의 소스 및 드레인 영역은 불순물처리된 폴리실리콘층으로 이루어지는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자용 박막트랜지스터.
- 상기 제 1 항에 따른 박막트랜지스터와, 상기 박막트랜지스터와 연결되는 유기전계발광 다이오드를 포함하는 액티브 매트릭스형 유기전계발광 소자.
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