KR20000001686A - 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도보상수단을 갖추어서 온도가 변하여도 일정한 전류를 발생하도록 함으로써 화면의 밝기 또는 콘트라스트의 변화를 최소화시키도록 한 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로를 제공하기 위한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 캐소드 하단에 설치되어 입력되는 데이터에 따라 상기 캐소드를 구동시키는 캐소드 구동수단과, 소자동작시 온도보상된 기준전류를 상기 캐소드 구동수단으로 인가하여 온도변화에도 불구하고 상기 캐소드 구동을 안정화시키는 온도보상수단 및, 상기 캐소드 구동수단과 상기 온도보상수단 사이에 설치되어 상기 데이터 입력여부에 따라 상기 캐소드에 대한 초기 전류치를 제공/차단하는 스위칭수단을 구비함으로써, 소자동작에 따른 온도상승에도 불구하고 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 전류제한 회로를 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(I_D)는 다음의 식 1과 같다.

<식 1>

I_D= (1/2)· μ_n· Cox· (Wn/Ln)(Vgs - Vtn)²

여기서, 상기 μ_n은 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(I_D2)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(I_D)는 다음의 식 2에 나타낸 바와 같이 된다.

<식 2>

I_D= (1/2)· μ_p· Cox· (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(I_D2)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, NMOS를 이용하여 구성된 전류미러를 예로 들어 온도변화에 대한 출력전압의 특성을 알아보면, NMOS의 문턱전압(Vtn)은 다음의 식 3에 나타낸 바와 같이 된다.

<식 3>

Vtn = V_FB+ 2｜Φ_f｜ + (2qε_sN_a(2｜Vbb｜ + 2｜Φ_f｜))^1/2/ Cox

상기 식 3에서 페르미 전위(Φ_f)와 평판대역전압(V_FB)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(μ_n)는 다음의 식 4에 나타낸 바와 같이 된다.

<식 4>

μ_n(T)= μ₀(T)/(1+θE_eff)

여기서, 상기 μ₀(T)는 바이어스 전압을 인가하지 않았을 때의 이동도이고, 상기 θ는 피팅상수이며, 상기 E_eff는 실효 전계를 나타낸다.

상기 채널표면 영역의 전자의 이동도(μ_n)의 경우 온도가 증가함에 따라 상기 μ₀(T)가 감소하게 되므로, 이동도(μ_n)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 발명에 따른 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로는, 캐소드 하단에 설치되어 입력되는 데이터에 따라 상기 캐소드를 구동시키는 캐소드 구동수단과, 소자동작시 온도보상된 기준전류를 상기 캐소드 구동수단으로 인가하여 온도변화에도 불구하고 상기 캐소드 구동을 안정화시키는 온도보상수단 및, 상기 캐소드 구동수단과 상기 온도보상수단 사이에 설치되어 상기 데이터 입력여부에 따라 상기 캐소드에 대한 초기 전류치를 제공/차단하는 스위칭수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 전류미러의 일예를 나타낸 회로도,

도 2는 일반적인 전류미러의 다른 예를 나타낸 회로도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로의 원리도,

도 4는 도 3에 도시된 원리도에 의한 온도보상결과에 따른 온도변화 대비 전류특성을 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 캐소드 12 : 게이트

14 : 애노드 16 : 전류원(캐소드 구동부)

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, 캐소드(10)의 하단의 소정부위(즉, 캐소드(10)와 전류원으로서의 캐소드 구동부(16) 사이)에 연결된 온도보상회로부(18)에 의해 소자동작에 따른 온도변화시 상기 캐소드 구동부(16)의 전류량을 일정하게 유지시키게 된다.

즉, 상기 온도보상회로부(18)에서는 도 4의 좌측 그래프와 같이 온도가 상승함에 따라 출력전류(I₁)가 감소하는 특성(즉, 음의 온도계수) 및 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 음의 온도계수 특성만을 지닌 종래와는 달리 상기 전류원으로서의 캐소드 구동부(16)에서의 전류량(I)은 도 4의 우측 그래프와 같이 온도변화에도 불구하고 일정하게 유지된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로도로서, 4비트의 계조처리를 하여 16단계의 밝기 조절을 하기 위한 회로이다.

본 발명의 실시예는, 캐소드(10) 하단에 설치되어 데이터(D0∼D3)가 입력됨에 따라 전류를 상기 캐소드(10)로 공급하는 캐소드 구동부(16)와, 소자동작시 온도보상된 기준전류를 상기 캐소드 구동수단으로 인가하여 온도변화에도 불구하고 상기 캐소드 구동을 안정화시키는 온도보상회로부(18) 및, 상기 캐소드 구동부(16)와 상기 온도보상회로부(18) 사이에 설치되어 상기 데이터(D0∼D3)의 입력여부에 따라 상기 캐소드(10)에 대한 초기 전류치를 제공/차단하는 스위칭수단으로서의 전달 트랜지스터(TR)를 구비한다.

상기 스위칭수단으로서의 전달 트랜지스터(TR)를 채용하여 캐소드 구동부(16)와 온도보상회로부(18)를 분리시킬 수 있도록 한 이유는, 온도보상 전류원으로 사용되는 회로는 전원전압(VDD)이 인가된 후 일정한 시간이 흘러 정상상태에 도달한 상태이어야만 안정된 출력특성을 나타내는데, 이 전류를 기준전류로 사용하는 캐소드 구동부(16)는 구조상 전원전압(VDD)이 항상 인가될 수 없다. 따라서, 데이터(D0∼D3)가 인가될 때에만 온(ON)상태를 유지하여 캐소드 전류원이 안정된 동작을 할 수 있도록 하기 위해서이다.

만약, 하이레벨의 클럭신호(CLK)가 계속 입력되어 계속 온(ON)상태를 유지하면 전원전압단과 접지단으로 통해서 전류가 흘러 캐소드(10)로 발광되는 전류는 줄어들므로 상기 스위칭수단(TR)은 데이터(D0∼D3)가 입력되면 오프(OFF)상태를 유지해야 된다.

동 도면의 경우, 상기 캐소드 구동부(16)는 캐소드(10)의 하단에 설치되어 각각의 게이트로 입력되는 데이터(D0∼D3)에 의해 온/오프스위칭동작하는 복수의 NMOS트랜지스터(T1∼T4)와, 상기 각각의 NMOS트랜지스터(T1∼T4)의 소오스와 접지단(GND) 사이에 설치되고 후술하는 온도보상회로부(18)내의 NMOS트랜지스터(Mn3)와 전류미러 형태를 취하는 복수의 NMOS트랜지스터(Mn5∼Mn8)로 구성된다.

여기서, 4비트의 계조처리를 행하기 위한 전류인 I_C0(NMOS트랜지스터(T1)를 통해 흐르는 전류), I_C1(NMOS트랜지스터(T2)를 통해 흐르는 전류), I_C2(NMOS트랜지스터(T3)를 통해 흐르는 전류), I_C3(NMOS트랜지스터(T4)를 통해 흐르는 전류)는 1, 2, 4, 8배의 크기를 갖는다.

즉, 이러한 전류치를 나타내기 위해서 NMOS트랜지스터(Mn5)의 채널폭을 "W"로 설정하면 NMOS트랜지스터(Mn6)의 채널폭은 "2W"로 설정하고, NMOS트랜지스터(Mn7)의 채널폭은 "4W"로 설정하며, NMOS트랜지스터(Mn8)의 채널폭은 "8W"로 설정하면 된다.

이러한 원리에 의해 16단계의 밝기 조절이 가능하고, 이러한 원리는 16단계 이상의 밝기 조절에도 적용 가능하다.

그리고, 상기 온도보상회로부(18)는 양의 온도계수 특성을 갖도록 전원전압단과 접지단 사이에 상호 전류미러 형태로 접속된 다수개의 MOS소자(Mp1, Mp2, Mp3, Mn1, Mn2)와, 음의 온도계수 특성을 갖도록 전원전압단과 접지단 사이에 상호 전류미러 형태로 접속된 다수개의 MOS소자(Mp4, Mp5, Mn4)와, 상기 PMOS트랜지스터(Mp3)와 접지단 사이에 설치되고 게이트가 상기 캐소드 구동부(16)내의 NMOS트랜지스터(Mn5, Mn6, Mn7, Mn8)의 게이트와 상호 접속된 NMOS트랜지스터(Mn3) 및, 상기 NMOS트랜지스터(Mn2)와 접지단 사이에 설치된 전류제한기능을 수행하는 저항(R)으로 구성된다. 상기 PMOS트랜지스터(Mp4)의 드레인은 상기 PMOS트랜지스터(Mp3)의 드레인에 접속된다.

이와 같이 구성된 상기 온도보상회로부(18)에서 양의 온도계수를 갖는 전류원의 출력전류(I₂)를 구하기 위해서는 상기 MOS소자(Mn1, Mn2)를 통해 흐르는 전류(I_D1, I_D2)를 구해야 한다.

상기 MOS소자(Mn1)를 통해 흐르는 전류(I_D1)는 다음의 식 5에 나타낸 바와 같다.

<식 5>

I_D1= (1/2)· μ_n· Cox· (Wn1/Ln1)(Vg - Vt0)²

그리고, 상기 MOS소자(Mn2)를 통해 흐르는 전류(I_D2)는 다음의 식 6에 나타낸 바와 같다.

<식 6>

I_D2= (1/2)· μ_n· Cox· (Wn1/Ln1)(Vg - Vt0 - Vs)²

여기서, 상기 식 5 및 식 6에서의 Vg는 게이트 전압을 나타내고, 상기 Vt0는 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(V_R))이기 때문이다.

상기 두 식(식 5 및 식 6)에 βn = μ_n· Cox· (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>

I_D1= (βn1/2)·(Vg - Vt0)²

<식 8>

I_D2= (βn2/2)·(Vg - Vt0 - V_R)²

상기 식 7 및 식 8에서 I_D1= I_D2= I, β = β2 = Kβ1 이라고 가정하면, 다음의 식 9가 유도된다.

<식 9>

V_R= Vg - Vt0 - (2I/β)^1/2

Vg - Vto = (2KI/β)^1/2

상기 식 9를 풀어서 저항(R) 양단의 전압(V_R)을 구해보면 다음의 식 10과 같이 된다.

<식 10>

V_R= (2I)^1/2·((K)^1/2- 1)/β^1/2

상기 식 10을 제곱한 후 V_R= IR을 대입하여 전류(I)를 구하면 다음의 식 11과 같이 된다.

<식 11>

전류(I) = 2(K^1/2- 1)²/(βR²)

상기 식 11에 β = μ_n· Cox· (Wn2/Ln2)를 대입하여 전류(I)를 구해보면 다음의 식 12와 같다.

<식 12>

전류(I) = 2Ln2(K^1/2- 1)²/(μ_n· Cox· Wn2·R²)

여기서, 상기 식 12에서 K는 다음의 식 13과 같다.

<식 13>

K = ((Wn2·Ln1)/(Wn1·Ln2))

따라서, 구하고자 하는 출력전류(I₂)는 PMOS트랜지스터인 MOS소자(Mp2, Mp3)의 화면비(W/L)에 의해 결정된다.

즉, 상기 출력전류(I₂) = N·I = N·I_D2라는 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= N·(2Ln2/(μ_n· Cox· Wn2·R²))·(K^1/2- 1)²

상기 식 14에서 전자의 이동도(μ_n)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 전류미러 부분의 출력전류(I₁)는 상술한 식 2와 동일하다.

본 발명의 실시예에서는 온도가 증가함에 따라 이 두가지 전류미러의 특성을 이용하는 것으로, 즉 전류(I₁)는 온도가 증가함에 따라 증가하고, 전류(I₂)는 감소하므로, 두 전류의 온도계수를 최적화함으로써 두 전류를 합한 전류(I)는 온도가 변화함에 독립적이게 된다.

그리고, 이 전류(I)를 캐소드(10)에 흐르는 기준 전류원으로 사용하기 위해 NMOS트랜지스터(Mn3)에 흐르는 전류를 미러시키는 미러단으로 구성시켰다.

이어, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전원전압(VDD)이 인가되고, 하이레벨의 클럭신호(CLK)에 의해 스위칭수단으로서의 전달 트랜지스터(TR)가 턴온되면 캐소드(10) 하단의 전류원에 일정한 초기 전류가 흐르게 된다.

이후, 상기 전달 트랜지스터(TR)를 오프(OFF)시키고 나서 데이터(D0∼D3)가 입력되면 온도보상회로부(18)에 의해 온도보상된 전류(I)에 의해 캐소드 구동부(16)에서는 캐소드구동을 정확하게 실행하게 된다.

즉, 전원전압(VDD)이 온도보상회로부(18)로 인가되면 PMOS트랜지스터(Mp3)를 통해서는 온도증가시 증가하는 전류(I₂)가 흐르고, PMOS트랜지스터(Mp4)를 통해서는 온도증가시 감소하는 전류(I₂)가 흐르게 된다.

상기 전류(I₁)와 전류(I₂)는 NMOS트랜지스터(Mn3)의 드레인에서 합쳐지고, 그 합쳐진 전류(I)는 캐소드 구동부(16)내의 NMOS트랜지스터(Mn5∼Mn8)의 게이트로 인가된다. 여기서, 상기 전류(I)는 음의 온도계수의 전류(I₁)와 양의 온도계수의 전류(I₂)의 합이므로, 온도변화에도 불구하고 일정한 전류치를 유지하게 된다.

따라서, 예를 들어, 데이터(D0, D1, D2, D3)의 상태가 "110"(즉, D1과 D2만이 일정한 전압을 출력하는 경우)이라고 하면, 캐소드 구동부(16)내의 다수개의 MOS소자(Mn5, Mn6, Mn7, Mn8)중에서 MOS소자(Mn6, Mn7)만이 턴온되므로, NMOS트랜지스터(T1, Mn5)를 통해 흐르는 전류(I_C0)와 NMOS트랜지스터(T4, Mn8)를 통해 흐르는 전류(I_C3)는 "0"값을 갖게 되고, NMOS트랜지스터(T2, Mn6)를 통해 흐르는 전류(I_C1)와 NMOS트랜지스터(T3, Mn7)를 통해 흐르는 전류(I_C2)는 온도상승에도 불구하고 일정한 전류치를 갖고 접지측으로 흐르게 된다.

따라서, 전자는 상기 턴온된 NMOS트랜지스터(Mn6, Mn7)를 통해 NMOS트랜지스터(T2, T3)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(I_C1, I_C2)에 해당하는 전자가 발광하게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 실시예의 경우 데이터(D0, D1, D2, D3)의 상태를 "110"로 설정하고 설명하였으나, 그 데이터(D0, D1, D2, D3)의 상태가 바뀌어도 상술한 바와 유사하게 동작하게 됨은 물론이다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 구동회로는 16그레이 계조처리를 위해 설계되었지만, 필요에 따라서 그 비트수를 증가시켜 그 이상의 계조처리를 수행시켜도 무방하다. 예컨대, 본 발명을 이용하여 64레벨의 밝기를 조절하기 위해서는 캐소드단의 전류원의 갯수를 6개로 늘리기만 하면 가능하다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 소자동작에 따른 온도상승에도 불구하고 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 (4)

1. 캐소드 하단에 설치되어 입력되는 데이터에 따라 상기 캐소드를 구동시키는 캐소드 구동수단과,

   소자동작시 온도보상된 기준전류를 상기 캐소드 구동수단으로 인가하여 온도변화에도 불구하고 상기 캐소드 구동을 안정화시키는 온도보상수단 및,

   상기 캐소드 구동수단과 상기 온도보상수단 사이에 설치되어 상기 데이터 입력여부에 따라 상기 캐소드에 대한 초기 전류치를 제공/차단하는 스위칭수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로.
2. 제 1항에 있어서, 상기 온도보상수단은 음의 온도계수의 전류미러 및 양의 온도계수의 전류미러 형태로 상호 접속된 다수개의 모스소자로 구성된 것을 특징으로 하는 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로.
3. 제 1항에 있어서, 상기 스위칭수단은 전달 트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 하는 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로.
4. 제 3항에 있어서, 상기 전달 트랜지스터는 NMOS형 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 온도보상기능을 갖춘 전계 방출 표시기의 구동회로.