KR101013522B1 - 액정 셀을 충전하기 위한 구동 회로 및 방법 - Google Patents

액정 셀을 충전하기 위한 구동 회로 및 방법 Download PDF

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Abstract

액정 셀의 어레이 및 상기 액정 셀(20) 각각을 위해 대응하는 디스플레이 구동회로(10) 어레이를 구비하는 디스플레이 유닛에서, 상기 대응하는 어레이의 각각의 디스플레이 구동회로는 아날로그 메모리 소자(14) 및 상기 아날로그 메모리 소자와 상기 액정 셀 사이에 연결된 차동 증폭기(16)를 포함한다. 상기 차동 증폭기는 상기 아날로그 메모리 소자와 상기 액정 셀 사이의 차단을 제공한다.

Description

액정 셀을 충전하기 위한 구동 회로 및 방법{DRIVE CIRCUIT AND METHOD FOR CHARGING A LIQUID CRYSTAL CELL}
본 발명은 액정 디스플레이(LCD) 또는 액정 실리콘(LCOS: liquid crystal on silicon)을 이용하는 비디오 시스템 분야에 관한 것으로, 특히 상기 디스플레이를 위한 구동회로에 관한 것이다.
LCOS는 실리콘 웨이퍼상에 형성된 하나의 커다란 액정으로 생각될 수 있다. 실리콘 웨이퍼는 작은 플레이트 전극의 증분 어레이(incremental array)로 나누어진다. 액정의 작은 증분 영역은 각각의 작은 플레이트 및 공통 플레이트에 의해 생성된 전계에 의해 영향을 받는다. 그러한 각각의 작은 플레이트 및 대응하는 액정 영역은 함께 이미저(imager)의 셀로 언급된다. 각각의 셀은 개별적으로 제어가능한 픽셀에 해당한다. 공통 플레이트 전극은 액정의 다른 측부상에 배치된다. 구동 전압은 LCOS 어레이의 각각의 측부상의 플레이트 전극에 제공된다. 각각의 셀 또는 픽셀은 입력 신호가 변경될 때까지 계속 동일한 강도로 빛나기 때문에, 표본 유지(sample and hold)의 역할을 한다(상기 전압이 유지되는 동안은 픽셀 휘도가 열화되지 않는다). 공통 및 가변 플레이트 전극의 각각의 세트는 이미저를 형 성한다. 각각의 컬러에 대해 통상적으로 하나의 이미저가 제공되고, 이 경우 적색, 녹색 및 청색에 대해 각각 하나의 이미저가 제공된다.
주어진 입력 영상에 반응하여 각각의 셀과 관련된 전극에서의 전압이 공통 전극에서의 전압에 대해 양인 정상 프레임(양의 영상)을 먼저 송신한 다음, 각각의 셀과 관련된 전극에서의 전압이 공통 전극에서의 전압에 대해 음인 반전된 프레임(음의 영상)을 송신함으로써, 30㎐ 플리커를 회피하도록 프레임-더블링된(frame-doubled) 신호를 이용하여 LCOS 디스플레이의 이미저를 구동하는 것이 일반적이다. 양 및 음의 영상의 생성은, 각각의 픽셀이 양의 전계 다음에 음의 전계가 오는 식으로 기록될 것임을 보장한다. 초래된 구동 필드는 제로 DC 성분을 갖고, 이는 이미지 스티킹(sticking) 및 그로 인한 이미저의 영구적인 성능 저하를 회피하기 위해 필요하다. 프레임율이 120㎐를 초과하는 동안은 사람의 눈이 이러한 양 및 음의 영상에 의해 생성된 픽셀의 휘도의 평균값에 반응하는 것으로 판정되었다.
LCOS에서 현재의 기술 상태에서는 LCOS에서의 양 및 음의 구동 필드 사이에 정확하게 존재하도록 VITO로 표시된 공통-모드 전극 전압의 조정을 요구한다. 아래의 ITO는 인듐 주석 산화물질을 언급한다. 플리커를 최소화하고 또한 이미지 스티킹으로 알려진 현상을 방지하기 위해 평균 균형(average balance)이 요구된다.
현 기술에서, LCOS 구동 셀은 종래의 액티브 매트릭스 LCD 구동기와 매우 유사해 보인다. 상기 구동 셀은 문헌에서 논의된 다양한 아티팩트(artifact)로 인해 잘 작동하지 않는다. 주요 원인은 액정(LC) 물질의 큰 고유 저항 및 이온 누설에 기인한 기생 커패시터 크로스토크, 액정 셀 내의 잔여 전압, 및 액정의 전압 드루우프(droop)이다. 대개 이러한 원인은: 1. 셀 커패시턴스를 증가(물리적 영역에 의해 제한됨), 2. 높은 고유저항을 갖는 액정 물질로 변경(유연성 및 응답시간을 제한), 3. 프레임 주사율을 60㎐ 이상으로 증가(고가이고 더 많은 대역폭을 필요로 함), 4. 높은 전압 보유율(VHR: voltage holding ratio)을 유지하기 위해 디바이스의 온도를 강력하게 제어함으로써 해결되었다.
전술한 모든 이슈에 대한 주요 원인은, 유효 전하가 프레임당 한번만 액정 셀로 전달된다는 것이다. 백만 픽셀을 갖는 디스플레이에서, 이것은 유효 전력을 제한하고, 픽셀 전극상에서 원하는 전압이 실제로 얻어졌는지를 검사하는 임의의 폐쇄-루프(closed-loop) 검사를 허용하지 않는다. 따라서, 저장 커패시터와 액정 셀 사이에 적절한 차단을 제공하고, 픽셀 전극상에서 원하는 전압이 얻어지는 것을 보장하는 액정 디스플레이 셀 구동기에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 제 1 양상에서, 액정 셀 어레이의 액정 셀을 위한 디스플레이 구동회로는 저장 커패시터, 및 상기 커패시터와 상기 액정 셀 사이에 연결된 증폭기를 포함한다.
본 발명의 제 2 양상에서, 디스플레이를 구동하는 방법은, 차동 증폭기를 이용하여 저장 커패시터와 액정 셀 사이의 차단을 제공하는 단계, 상기 차동 증폭기에 의해 제공된 추가 전류를 이용하여 픽셀상에서 신속하게 원하는 전압 레벨을 확 보하는 단계, 및 상기 액정 셀상의 전압을 지속적으로 리프레시하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 3 양상에서, 디스플레이 유닛을 위한 액정 디스플레이 셀 구동기는 행 및 열의 매트릭스로 배치된 복수의 디스플레이 소자, 메모리 소자, 및 액정 셀을 포함한다. 상기 디스플레이 유닛은 바람직하게 상기 행 및 열의 매트릭스 중 적어도 하나상의 디스플레이 소자로 복수의 전압 중 한 전압을 스위칭 가능하게 출력하는 구동기를 포함하고, 상기 구동기는 디코더 및 복수의 아날로그 스위치를 포함하며, 각각의 아날로그 스위치는 반도체 스위치로부터 형성되고 상기 디코더의 출력 신호에 의해 열리거나 닫히도록 제어된다. 상기 액정 디스플레이 셀 구동기는 상기 디코더와 상기 반도체 스위치 사이에 연결되는 저장 커패시터, 및 상기 저장 커패시터와 상기 액정 셀 사이에 연결되는 차동 증폭기를 포함하여, 상기 차동 증폭기가 상기 저장 커패시터와 상기 액정 셀 사이의 차단을 제공한다.
이러한 방식으로, 전압의 주기적인 리프레시가 실현될 수 있는 동시에, 전력 소모를 1/nrow만큼 감소시킬 수 있는 등의 효과가 있다.
전술한 문제점을 극복하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 내부 저장 커패시터(14)와 액정 셀(20) 사이에 차동 증폭기(16)와 같은 증폭기를 추가하는 것이 제안된다. 다시 말해서, 구동 증폭기가 구동 셀에 추가된다. 이것은 저장 커패시터와 액정 셀 사이의 차단을 추가한다. 추가된 전류 구동 성능은 픽셀상의 전압이 신속하게 원하는대로 되고 픽셀상에서 유지될 것임을 보장한다. 또한, 저장 커패시터로부터의 매우 낮은 누설 전류를 허용하고(FET는 매우 높은 입력 임피던스를 가짐), 액정 셀상의 전압의 지속적인 리프레시를 허용하여, '드루우프(droop)' 문제를 제거할 뿐만 아니라 셀에 저장된 잔여 동전기(voltaic) 전위를 제거한다. 이것은 셀내에서의 DC 균형을 실현할 수 없는 것과 관련된 '이미지 스티킹' 문제 뿐만 아니라 플리커 이슈 모두를 개선해야 한다. 또한, 셀이 약간 상승된 온도에서도 잘 작동하게 해야 한다.
이러한 기술의 단점은 액정 셀을 통과하는 DC 전류를 증가시킨다는 것이다. 이러한 단점은 선택적으로 차동 증폭기 바닥의 전류 소스를 게이팅(gating)함으로써 부분적으로 극복될 수 있다. 이것은 디바이스내에서 '픽셀 선택' 또는 '행 선택' 비트를 이용할 수 있다. 이러한 방식으로, 전압의 주기적인 리프레시가 실현될 수 있는 동시에, 전력 소모를 1/nrow만큼 감소시키며, 여기서 nrow는 디바이스의 행의 갯수이다. 가열이 균일하기 때문에, 일부 상황에서 이러한 게이팅이 필요하지 않을 수도 있다.
CMOS의 통상적인 구현이 도 1에 도시되어 있다. 구성요소가 개략적으로 도시되어 있고, 일반성의 손실없이 대안적인 구성이 사용될 수 있다. 키 포인트는 차동 증폭기(16)이고, 상기 차동 증폭기는 폐쇄 루프 보정 전압을 액정 셀, 및 전력 소모를 감소시키는 선택적으로 게이팅된 전류 소스에 인가한다.
통상적으로, 이러한 회로는 3개의 트랜지스터로 구현될 수 있고, 상기 트랜지스터는 LCOS 디스플레이 디바이스에서 액정 셀 아래에 위치될 수 있다. 도 1의 배치에서, 차동 증폭기(16)는 메모리 소자 또는 메모리 셀{저장 커패시터(14)}로부터 액정 셀을 분리한다. 도 1은 액정 디스플레이를 위한 액정 디스플레이 셀 구동기(10)를 도시한다. 액정 디스플레이 셀 구동기는 바람직하게 복수의 트랜지스터(12,15,17,18), 저장 커패시터(14)와 같은 저장 커패시터, 복수의 저항(19,21), 및 액정 셀(20)로 표시된 액정 셀을 포함한다. 바람직하게, 트랜지스터(15,17,18)와 같은 3개의 트랜지스터는 바람직하게 차동 증폭기(16)의 형태로 증폭기를 형성한다. 차동 증폭기(16)는 바람직하게 액정 셀(20)로의 출력단의 역할을 하는, 트랜지스터(17)의 드레인 및 결합된 각각의 소스를 구비하는 N-채널 트랜지스터로 구성된다. 또한, 차동 증폭기(16)의 각각의 소스는 차동 증폭기에서 균형 전류를 설정하는 트랜지스터(18)와 같은 다른 N-채널 트랜지스터인 전류 소스에 의해 결합되고 구동된다. 차동 증폭기(16)는 저장 커패시터(14)와 액정 셀 사이에 연결되고, 저장 커패시터(14)와 액정 셀(20) 또는 픽셀 사이의 차단을 제공한다.
도 2의 장치는 저장소자로부터 구동기로 데이터를 전달하기 위해 글로벌 스위치 소자(32)를 추가한다. 이것은 동일한 회로 동작 전압에서 증가된 픽셀 구동을 허용하고, 프레임에서 프레임으로의 ITO 투명 전도 전극 및 픽셀 구동 전압의 반전을 허용함으로써 이미지 잔류 및 플리커를 감소시킨다.
도 2를 참조하면, 도 1의 액정 디스플레이 셀 구동기(10)와 유사한 다른 액정 디스플레이 셀 구동기(30)가 도시되어 있다. 액정 디스플레이 셀 구동기(10)에 대해서 전술된 소자에 추가로, 액정 디스플레이 셀 구동기(30)는 저장 커패시 터(14)와 차동 증폭기(16) 사이에 연결된 트랜지스터의 형태로 글로벌(global) 스위치 소자(32)를 더 포함한다. 글로벌 스위치 소자는 메모리 셀{저장 커패시터(14)}로부터 액정 디스플레이 셀 구동기의 구동기 커패시터(36)로 데이터를 전달한다.
과거에 많은 매커니즘에 의해 플리커 문제가 제기되었다. 디지털 구동 LCOS 디스플레이에서 구동 전압 및 이미지 잔류의 이슈가 제기되었다.
본 명세서에서 개시된 기술의 주요 이점은 저장 커패시터로부터 액정 셀(20)을 분리시키는 것이다. 도 2에 도시된 바와 같은 이러한 분리는 만일 원한다면 전체 액정(LC) 어레이의 모든 셀을 한번에 업데이트하는 것을 허용한다. 그 이점은 2배가 된다. 첫째, (어떤 액정 셀이 프레임에서 프레임으로 변경된 것을 판정하기 위한 추가적인 선-처리를 이용한) 이러한 분리는 또한 이전 프레임으로부터 변경된 액정 어레이의 셀의 업데이트만 허용한다. 다시 말해서, 저장 커패시터(14)의 컨텐트는 액정 셀상의 디스플레이 컨텐트를 동시에 변경하지 않고서 변경될 수 있다. 이것은 정지 영상에 필요한 데이터 전송율을 크게 감소시킨다. 이것은 또한 인터라인(interline) 주사 아티팩트를 디스플레이하지 않고서 비월 모드로 디스플레이를 구동할 수 있게 한다. 비월되는 시스템에서, 보통 홀수 선은 제 1 스캔상에 기록되고, 짝수 선은 제 2 스캔상에 기록된다. 이러한 주사 구조는 '인터라인 플리커'로 알려진 아티팩트를 생성한다. 이것은 심지어 필름과 같이, 본질적으로 비월되지 않는 데이터에서 발생된다. "인터라인 플리커"의 이유는, 하나의 프레임으로부터의 짝수 선이 디스플레이되는 것과 동시에 이전 프레임으로부터의 홀수 선이 디스플레이되기 때문이다. 변경된 프레임의 임의의 부분은 인터라인 플리커를 나타낼 것이다. 본 발명에서, 액정 셀의 어레이에 대응하는 저장 커패시터(14)의 어레이를 갖는 디스플레이는, 저장 어레이가 일단 채워진 다음 전체 액정 어레이가 업데이트되는 것을 제외하고, 보통과 마찬가지로(짝수 선 다음에 홀수 선) 업데이트된다. 따라서, 다른 프레임으로부터의 선이 결코 동시에 디스플레이되지 않는다.
이러한 기술의 두번째 이점은 공통 전극 전압이 프레임에서 프레임으로 변조되게 한다는 것이다. 이러한 변조는 구동회로의 주어진 동작 전압에서 액정 셀에 인가될 수있는 유효 전계를 증가시킨다. 이것은 더 세밀한 처리 구조가 허용되는 최대 구동 전압을 감소시킬 것이기 때문에 상당히 유리하다.
도 2에 도시된 바와 같은 변형예에서, 도 1에 설명된 회로를 이용하여 상기 기술이 가장 간단하게 구현될 수 있다. 도 2의 전압(Vnn)은 트랜지스터(15,17)를 위한 전류 소스를 제어하는 정적 전압이다. 행 및 열 어드레스는 액티브 매트릭스 디스플레이에서 정상적으로 어드레스 지정된다. 제어 신호(전송 및 방전)는 저장 커패시터(14)상의 전하를 액정 셀을 구동하는 구동기 커패시터(36)로 전달하는 분리된, 전체적으로 제어된 신호이다. 디바이스상의 추가 트랜지스터(34) 및 구동기 커패시터(36)는 새로운 회로를 구현하기 위해 추가되고, 조작상에서 각각의 전송 이후에 저장 커패시터(14)로부터의 적절한 전류 방전을 허용한다. 처리 제조 기술이 0.1 미크론 이하로 나아가고 있기 때문에 추가 구성요소가 많지 않아야 한다.
도 3을 참조하면, 디스플레이 유닛(50)은 전술한 바와 같은 액정 디스플레이 셀 구동기(10 또는 30)를 이용할 수 있는 것으로 도시된다. 디스플레이 유닛(50) 은 바람직하게 행 및 열의 매트릭스로 배열된 복수의 디스플레이 소자, 메모리 소자, 및 액정 셀을 포함한다. 각각의 디스플레이 소자를 위한 구동기는 바람직하게 행 및 열의 매트릭스 중 적어도 하나상의 디스플레이 소자로 복수의 전압 중 하나를 스위칭가능하게 출력하고, 상기 디스플레이 유닛은 디코더(51) 및 종래의 디코더(51)에 의해 제어되는 구동기를 포함한다. 구동기(도 3에 도시되지 않음)는 저장 커패시터, 및 저장 커패시터와 액정 셀 사이에 연결된 차동 증폭기를 포함할 수 있고, 이에 의해 차동 증폭기는 저장 커패시터와 액정 셀 사이의 차단을 제공한다. 디스플레이 유닛은 디코더, 및 디코더(51)의 출력 신호에 의해 열리거나 닫히도록 제어된 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은 복수의 반도체 스위치를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 디스플레이 유닛(50)은 복수의 행(주사) 어드레스 선(56)을 갖는 행 구동회로 및 복수의 열(데이터) 어드레스 선(58)을 갖는 열 구동회로(62)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 디스플레이를 구동하는 방법(200)을 나타내는 플로우차트가 도시되어 있다. 상기 방법(200)은 바람직하게 차동 증폭기를 이용하여 저장 커패시터와 액정 셀 사이의 차단을 제공하는 단계(202), 차동 증폭기에 의해 제공된 추가 전류를 이용하여 픽셀상에서 신속하게 원하는 전압 레벨을 확보하는 단계(204), 및 액정 셀상의 전압을 지속적으로 리프레시하는 단계(206)를 포함한다. 상기 방법(200)은 저장 커패시터로부터의 낮은 누설 전류를 유지하는 단계(208) 및 차동 증폭기에 제공된 전류 소스를 게이팅하는 단계(210)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법(200)은 폐쇄 루프 보정 전압을 액정 셀에 인가하는 단계(212)를 더 포함할 수 있다. 도 2의 액정 디스플레이 셀 구동기(30)에 적용할 수 있기 때문에, 상기 방법(200)은 저장 커패시터와 차동 증폭기 사이에 연결되는 글로벌 스위치 소자를 이용하여 이미지 잔류 및 플리커를 감소시키는 단계(214)를 포함할 수 있고, 액정 소자의 전체 어레이를 동시에 업데이트하는 단계(216)를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 이전 프레임으로부터 변경된 메모리 셀만을 업데이트하는 단계(218)를 포함할 수 있다. 상기 방법(200)의 추가적인 이점은 인터라인 주사 아티팩트를 디스플레이하지 않고서 비월 모드로 메모리 어레이를 구동하는 단계(220) 및/또는 필요한 액정 구동전압을 감소시키기 위해 프레임에서 프레임으로 공통 전극 전압을 변조하는 단계(222)를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예와 관련하여 본 발명을 설명했지만, 전술된 설명은 본 발명을 예시하고자 하는 것으로, 청구의 범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 LCD 또는 LCOS를 이용하는 비디오 시스템 분야, 특히 디스플레이를 위한 구동회로에서 이용가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 액정 디스플레이 셀 구동기의 블럭도.
도 2는 본 발명에 따른 다른 액정 디스플레이 셀 구동기의 블럭도.
도 3은 본 발명에 따른 액정 디스플레이 셀 구동기를 이용하는 디스플레이 유닛의 블럭도.
도 4는 본 발명에 따른 디스플레이 구동 방법을 도시하는 플로우차트.

Claims (7)

  1. 입력 데이터에 따라 디스플레이 디바이스의 액정 셀(20)을 충전하기 위한 구동 회로에 있어서,
    제 1 스위치(12)로서, 상기 입력 데이터를 수신하기 위한 입력부와, 이 제 1 스위치의 입력부로부터 제 1 스위치의 출력부로 상기 입력 데이터를 스위칭하기 위한 선택 입력부를 구비하는 제 1 스위치와;
    상기 제 1 스위치의 출력부에 연결된 저장 커패시터(14)와;
    상기 저장 커패시터(14)와 상기 액정 셀(20) 사이에 연결된 증폭기(16)
    를 포함하며,
    상기 증폭기(16)는 상기 제 1 스위치(12)의 상기 선택 입력부에 연결된 선택 입력부를 구비하는 제 2 스위치(18)를 구비하며, 상기 제 2 스위치(18)는 상기 증폭기(16)에 주기적으로 전력을 공급하고 상기 액정 셀(20) 상에 전하를 리프레시 하기 위해 상기 증폭기(16)를 선택적으로 게이팅(gating)하는,
    액정 셀을 충전하기 위한 구동 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액정 셀은 플레이트 전극과 공통 전극을 포함하며, 상기 입력 데이터는 상기 공통 전극에 대해 양으로 충전된 데이터와 상기 공통 전극에 대하여 음으로 충전된 데이터를 포함하며, 상기 증폭기는 상기 입력 데이터에 따라 상기 플레이트 전극 상에 전하를 리프레시 하도록 연결되는, 액정 셀을 충전하기 위한 구동 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 증폭기는 상기 저장 커패시터로부터 상기 액정 셀을 전기적으로 격리하도록 동작가능한, 액정 셀을 충전하기 위한 구동 회로.
  4. 입력 데이터에 따라 디스플레이 디바이스의 액정 셀(20)을 충전하기 위한 구동 회로에 있어서,
    제 1 스위치(12)로서, 상기 입력 데이터를 수신하기 위한 입력부와, 이 제 1 스위치의 입력부로부터 제 1 스위치의 출력부로 상기 입력 데이터를 스위칭하기 위한 선택 입력부를 구비하는 제 1 스위치(12)와;
    상기 제 1 스위치의 출력부에 연결된 저장 커패시터(14)와;
    상기 액정 셀(20)에 연결된 증폭기(16)와;
    상기 저장 커패시터(14)와 상기 증폭기(16) 사이에 연결되며, 상기 저장 커패시터(14)로부터 상기 증폭기(16)로 전하를 전달하기 위해 상기 제 1 스위치(12)와는 독립적으로 동작가능한 제 2 스위치(32)와;
    상기 증폭기(16)에 연결되며 상기 선택 입력부에 응답하는 제 3 스위치(34)로서, 상기 제 3 스위치(34)는 상기 저장 커패시터(14)로부터 전류를 주기적으로 완전히 방전하는, 제 3 스위치(34)
    를 포함하는, 액정 셀을 충전하기 위한 구동 회로.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 스위치의 출력부에 연결된 구동기 커패시터를 더 포함하는, 액정 셀을 충전하기 위한 구동 회로.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 스위치는 상기 구동기 커패시터를 선택적으로 방전시키기 위하여 상기 구동기 커패시터에 병렬로 연결된, 액정 셀을 충전하기 위한 구동 회로.
  7. 입력 데이터에 따라 디스플레이 디바이스의 액정 셀(20)을 충전하는 방법으로서,
    선택 신호에 따라 커패시터(14)를 충전하기 위해 상기 입력 데이터를 인가하는 단계와;
    상기 커패시터(14) 상의 전하에 따라 상기 액정 셀(20)을 충전하도록 증폭기(16)를 동작시키는 단계와;
    상기 선택 신호에 응답하여 상기 증폭기(16)로부터 상기 액정 셀(20)로 제공되는 전류의 흐름을 선택적으로 제한하기 위해 상기 증폭기(16)를 게이팅(gating)하는 단계
    를 포함하는, 액정 셀을 충전하는 방법.
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