KR20020056353A - 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기발광소자를 박막트랜지스터(TFT)를 이용하여 구동할 경우에 박막트랜지스터(TFT)의 문턱전압(threshold voltage)을 보상하여 고계조를 가능하게 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 구조는 NxM 배열된 셀들을 선택신호와 데이터신호로 TFT 구동하도록 된 디스플레이장치에 있어서, 선택신호에 따라 데이터신호를 인가하기 위한 제1 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터를 통해 인가되는 데이터신호에 문턱전압을 보상하기 위한 제2 트랜지스터; 상기 제2 트랜지스터를 통해 인가된 데이터신호에 따라 발광셀에 전류를 제공하기 위한 제4 트랜지스터; 상기 데이터신호를 소정 시간 유지하기 위한 콘덴서; 및 제어신호에 따라 상기 제4 트랜지스터에 인가되는 데이터신호를 초기화하기 위한 제3 트랜지스터를 포함한다.
따라서, 본 발명에 따르면 유기발광소자(OLED)를 전압구동하기 위한 박막트랜지스터(TFT)의 문턱전압의 불규칙성을 효과적으로 보상하여 보다 고계조의 디스플레이를 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

전압구동 유기발광소자의 픽셀회로{ circuit of electroluminescent display pixel for voltage driving }
본 발명은 유기발광소자를 전압구동하기 위한 픽셀회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유기발광셀을 박막트랜지스터(TFT)를 이용하여 구동할 경우에 박막트랜지스터(TFT)의 문턱전압(threshold voltage)을 보상하여 고계조를 가능하게 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로에 관한 것이다.
일반적으로, 유기전계발광 디스플레이는 형광성 유기화합물을 전기적으로 여기시켜 발광시키는 자발광형 디스플레이로서, NxM 개의 유기발광셀들을 전압구동 혹은 전류구동하여 영상을 표현할 수 있도록 되어 있다. 이러한 유기발광셀의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 아노드(ITO), 유기박막, 케소드 레이어(Metal)의 구조를 가지고 있고, 유기박막은 전자와 정공의 균형을 좋게 하여 발광효율을 향상시키기 위해 발광층(EML:emitting layer)에 전자수송층(ETL:Electron Transport Layer), 정공수송층(HTL: Hole Transport Layer)을 포함한 다층구조로 이루어지고, 때로는 별도의 전자주입층(EIL: Electron Injecting Layer)과 홀주입층(HIL:HoleInjecting Layer)을 부가한 구조이다.
이와 같이 이루어지는 유기발광셀을 구동하는 방식에는 단순 매트릭스(passive matrix) 방식과 TFT를 이용한 능동구동(active matrix)방식이 있다. 단순 매트릭스방식은 양극과 음극을 직교하도록 형성하고 라인을 선택하여 구동하는데 비해, 능동구동 방식은 TFT와 콘덴서를 각 ITO 화소전극에 접속하여 콘덴서 용량에 의해 전압을 유지하도록 하는 구동방식이다.
도 2는 유기발광소자를 TFT를 이용하여 전압구동하기 위한 종래의 픽셀회로로서, NxM 개의 픽셀중 하나를 대표적으로 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 유기발광셀(OLED: Organic Light Emitting Diode)에 제2 트랜지스터(M2)가 연결되어 발광을 위한 전류를 공급하고, 제2 트랜지스터(M2)의 전류량은 제1 트랜지스터(M1)를 통해 인가되는 전압에 의해 제어되도록 되어 있다. 이 때 인가된 전압을 일정기간 유지하기 위한 콘덴서(C1)가 제2 트랜지스터(M2)의 드레인과 게이트 사이에 연결되어 있고, 제1 트랜지스터(M1)의 게이트에는 n번째 선택신호선(Select[n])이 연결되어 있으며, 드레인측에는 데이터선(Data[m])이 연결되어 있다.
이와 같은 구조의 픽셀의 동작을 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 트랜지스터(M1)의 게이트에 인가되는 선택신호(Select[n])에 의해 제1 트랜지스터(M1)가 온되면 데이터선(Data)을 통해 구동전압이 제2 트랜지스터(M2)의 게이트(노드A)에 인가되고, 이에 따라 제2 트랜지스터(M2)를 통해 유기발광셀(OLED)에 전류가 흘러 발광이 이루어진다. 즉, 선택신호(Select[n])를 이용하여 구동을 원하는 픽셀을 선택한 후 데이터신호(Data[m])를 인가하는데, 이때 데이터신호는 계조를 표현하기 위하여 일정 범위에서 다단계의 값을 갖는다.
그런데 상기와 같은 종래의 구조에서 전압구동을 이용할 경우 TFT의 문턱전압(Vth)의 불규칙성으로 인해 고계조를 얻기 어려운 문제점이 있다. 예를 들어, 3V로 픽셀을 구동할 경우에 8비트(256)계조를 표현하기 위해서는 3/256=12mV로 10mV단위를 갖는 반면, TFT의 문턱전압의 변화는 100mV의 단위를 갖기 때문에 고계조를 표현하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 박막트랜지스터(TFT)의 문턱전압을 보상하여 고계조를 표현할 수 있는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 유기발광소자를 설명하기 위하여 도시한 도면,
도 2는 유기발광소자를 전압구동하기 위한 종래의 픽셀회로,
도 3은 종래의 픽셀회로에 따른 구동 타이밍도,
도 4는 본 발명에 따라 유기발광소자를 전압구동하기 위한 피모스형 픽셀회로,
도 5는 본 발명에 따라 유기발광소자를 전압구동하기 위한 엔모스형 픽셀회로,
도 6은 본 발명에 따른 리셋신호를 이용한 구동 타이밍도,
도 7은 본 발명에 따른 이전 선택신호를 이용한 구동 타이밍도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에서 리셋신호를 이용할 경우의 회로도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에서 선택신호를 이용할 경우의 회로도,
도 10은 본 발명에 따라 노드 A의 초기화 전압으로 접지(GND) 대신 프리차지(Precharge) 전압을 인가한 경우의 회로도,
도 11은 본 발명에 따른, 다이오드 연결을 이용한 리셋구조의 예이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
M1~M4: 모스 트랜지스터OLED: 유기발광픽셀
C1: 커패시터 Select[n]: 선택신호
Data: 데이터신호
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, NxM 배열된 셀들을 선택신호와 데이터신호로 TFT 구동하도록 된 디스플레이장치에 있어서, 선택신호에 따라 데이터신호를 인가하기 위한 제1 트랜지스터; 상기 제1 트랜지스터를 통해 인가되는 데이터신호에 문턱전압을 보상하기 위한 제2 트랜지스터; 상기 제2 트랜지스터를 통해 인가된 데이터신호에 따라 발광셀에 전류를 제공하기 위한 제4 트랜지스터; 상기 데이터신호를 소정 시간 유지하기 위한 콘덴서; 및 상기 제4 트랜지스터에 인가되는 데이터신호를 초기화하기 위한 제3 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따라 유기발광소자를 전압구동하기 위한 피모스(PMOS)형 픽셀회로로서, NxM개의 픽셀중 하나를 대표적으로 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 제1 내지 제4 트랜지스터(M1~M4)는 피모스(PMOS)형 트랜지스터이다. 제 1트랜지스터(M1)의 게이트에는 선택신호선(Select[n])이 연결되고, 드레인에는 데이터신호선(Data[m]}이 연결되어 선택신호(Select[n])에 따라 제1 트랜지스터(M1)가 선택되면 데이터신호를 소스측으로 전달하는 스위칭기능을 수행한다. 제2 트랜지스터(M2)는 드레인이 제1 트랜지스터(M1)의 소스와 연결되고 게이트와 소스측이 연결되어 다이오드 기능을 수행하며 노드A에서 데이터신호에 포함되는 문턱전압을 보상한다. 제3 트랜지스터(m3)는 게이트에 리셋신호(Reset)나 이전 라인의 선택신호(Select[n-1])가 연결되고 드레인이 노드A와 연결되며 소스가 접지(GND)와 연결되어 리셋신호(Reset)나 이전 라인의 선택신호(Select[n-1])에 따라 노드A를 초기화한다. 콘덴서(C1)는 Vdd와 노드 A 사이에 연결되어 노드A의 데이터신호 전압을 일정기간 유지하고, 제4 트랜지스터(M4)는 게이트가 노드A에 연결되어 데이터신호의 크기에 비례하는 전류를 Vdd로부터 유기발광셀(OLED)로 흐르게 하여 유기발광셀(OLED)이 발광하게 한다.
도 5는 본 발명에 따라 유기발광소자를 전압구동하기 위한 엔모스(NMOS)형픽셀회로로서, 도 4의 피모스(PMOS) 트랜지스터 대신에 엔모스(NMOS) 트랜지스터를 사용하며 피모스(PMOS) 회로와 완전한 대칭구조로 이루어진다. 그리고 피모스(PMOS) 회로에서 이루어지는 모든 변형예들은 엔모스(NMOS) 회로에서도 동일하게 적용될 수 있으므로 반복을 피하기 위하여 이하에서는 피모스(PMOS) 회로를 중심으로 자세히 동작을 설명하기로 한다.
다시 도 4를 참조하면, 제1 트랜지스터(M1)는 데이터신호를 샘플링하고, 제2 트랜지스터(M2)는 다이오드 연결로 문턱전압을 보상하며, 이 보상된 데이터 전압이 1 프레임 시간동안 콘덴서(C1)에 저장되면서 제4 트랜지스터(M4)를 구동하여 발광셀(OLED)에 전류를 공급한다. 이 때, 이전 프레임 시간동안의 데이터가 높은 레벨의 전압이고, 다음 프레임시간의 데이터가 낮은 레벨의 전압이라면 제2 트랜지스터(M2)의 다이오드 연결 특성에 의해 노드 A에는 더 이상 데이터신호가 인가될 수 없게 되므로 제3 트랜지스터(M3)를 두어 노드 A를 접지(GND)레벨로 초기화한다. 이 때 제3 트랜지스터(M3)는 별도의 리셋신호(Reset)를 이용하여 구동할 수도 있고, OLED 픽셀의 개구율을 높이기 위해 바로 이전의 선택신호(Select[n-1])로 구동할 수도 있다.
도 6은 본 발명에 따라 제3 트랜지스터를 리셋신호를 이용하여 구동할 경우의 타이밍도이다.
도 6을 참조하면, 최초 리셋신호(Reset)에 의해 노드 A가 초기화된 후 선택신호(Select[n])에 의해 해당 픽셀이 선택되고 이어 데이터신호(Dtat[m])가 인가되어 해당 픽셀이 발광하게 된다. 즉, 리셋(Reset)신호에 의해 제3 트랜지스터(M3)가 온되어 먼저 노드A를 접지레벨로 초기화한 후 선택신호(Select[n])를 제1 트랜지스터(M1)의 게이트에 인가하여 현 픽셀을 활성화한다. 픽셀이 활성화된 후 제1 트랜지스터(M1)의 드레인에 데이터신호(Data[m])가 인가되면 제3 트랜지스터(M3)를 오프시켜 제4 트랜지스터(M4)를 구동시킨다. 이 때, 외부에서 인가된 데이터 전압을 'Vdata'라 하면 노드 A의 전압은 제2 트랜지스터(M2)에 의해 'Vdata-|Vth|'가 된다. 이 것은 제4 트랜지스터(M4)를 구동시키기 위한 실제 유효전압이 인가 데이터 전압(Vdata)과 일치함을 의미한다. 따라서 외부에서는 더 이상 문턱전압(Vth)에 대한 고려없이 데이터 전압을 인가해줄 수 있고, 유기발광셀(OLED)에는 문턱전압을 보상한 전류가 흐르게 된다. 이 후 선택신호(Select[n])에 의해 제1 트랜지스터(M1)를 오프시키면 한 프레임 시간동안 유기발광셀(OLED)에는 문턱전압이 보상된 정전류가 흐르게 된다.
도 7은 본 발명에 따라 제3 트랜지스터를 이전 선택신호(Select[n-1])를 이용한 구동하는 경우의 타이밍도이다.
도 7을 참조하면, 이전 선택신호(Select[n-1])에 의해 노드 A가 초기화된 후에 현 선택신호(Select[n])에 앞서 데이터신호(Data[m])가 먼저 인가되고 이어 선택신호(Select[n])가 인가된 후 선택신호(Select[n])가 먼저 오프되는 것을 알 수 있다. 즉, 선택신호(Select[n])에 의한 제1 트랜지스터(M1)의 활성화가 현 픽셀 데이터신호(Data[m])가 인가된 후에 이루어지는 점이 도 6의 타이밍도와 다른 점이다. 이 것은 노드 A가 초기화된 이후에는 반드시 현 픽셀의 전압만이 인가되어야 하기 때문이다.
한편, 도 4의 회로는 약간의 변형이 기능하다. 즉, 도 4에서 제3 트랜지스터(M3)의 소스에는 접지가 연결되어 있는 데, 접지 대신에 도 10에 도시된 바와 같이 프리차지(precharge) 전압을 인가해 스위칭 시간, 소비전력, 명암비(Contrast Ratio) 등을 줄일 수도 있다. 도 10을 참조하면, 제3 트랜지스터(M3)의 소스에 프리차지(precharge) 전압이 걸리는 점을 제외하고는 도 4와 동일한 것을 알 수 있다. 이와 같이 노드 A의 초기화 전압으로 접지(GND) 대신 프리차지(Precharge) 전압을 인가해 주면 스위칭(switching) 시간 뿐만 아니라 소비전력까지도 줄여줄 수 있다. 이 때, Reset의 시간동안에 OLED에 흐르는 전류는 원치않는 전류이다. 노드 A의 전압이 너무 낮은 전압까지 내려가면 OLED에 과다전류가 흐를 수 있고 이는 다시 OLED에 의한 전체적 그레이 레벨의 상승을 의미하기 때문에 프리차지(Precharge) 전압을 최대 그레이 레벨(Maximum gray level)의 값보다 약간 낮은 값으로 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 제3 트랜지스터(M3)를 피모스(PMOS) 트랜지스터로 사용할 경우, 노드 A의 실제 최저전압은 |Vth|가 되나 엔모스(NMOS)로 바꾸어 사용할 경우, 노드 A의 최저전압을 접지 레벨까지 낮추어 줄 수 있으므로 전체적으로 변화시켜줄 수 있는 데이터 전압폭을 더욱 넓혀 줄 수도 있다. 이와 같이 제3 트랜지스터(M3)를 엔모스(NMOS) 트랜지스터로 바꿀 경우에 리셋신호(Reset)를 이용한 방식은 도 8에 도시된 바와 같이 제3 트랜지스터(M3)만 바꾸면 되나 이전 선택신호(Select[n-1])를 이용할 경우에는 도 9에 도시된 바와 같이 제3 트랜지스터(M3)와 제1 트랜지스터(M1)를 엔모스(NMOS) 트랜지스터로 바꿔야 한다.
도 8을 참조하면, 도 4의 회로에서 제1, 제2, 제4 트랜지스터(M1,M2,M4)는 그대로 PMOS 트랜지스터이나 제3 트랜지스터(M3)만 NMOS 트랜지스터로 바뀌고 제3 트랜지스터에는 리셋신호(Reset)가 인가되는 것을 알 수 있다. 그리고 도 9를 참조하면, 도 4의 회로에서 제2, 제4 트랜지스터(M2,M4)는 그대로 PMOS 트랜지스터이나 제1 및 제3 트랜지스터(M1,M3)가 NMOS 트랜지스터로 바뀌고 제3 트랜지스터(M3)에는 이전 선택신호(Select[n-1])가 인가되는 것을 알 수 있다.
도 11은 도 4에 도시된 리셋용 트랜지스터(M3)를 다이오드 연결을 이용하여 구현한 경우의 회로도이다. 도 11을 참조하면, 리셋용 트랜지스터(M3)의 소스와 게이트가 바로 연결되어 다이오드 연결된 점을 제외하고는 도 4에 도시된 회로와 동일하다. 이와 같이 다이오드 연결된 제3 트랜지스터(M3)를 이용하여 리셋신호나 이전 선택신호에 의해 노드 A를 초기화할 수 있다. 즉, OLED 픽셀 공정의 특성상 VDD와 GND는 각각의 Line을 이용하게 되고, Line수의 증가는 픽셀의 개구율의 감소와 수율의 저하를 의미하게 된다. 따라서 도 11에 도시된 바와 같이 이전 선택신호(Select[n-1])나 리셋신호를 GND 대신 이용, 즉 다이오드 연결을 이용한다면 Line의 수를 감소시킬 수도 있다.
이상에서는 유기발광소자(OLED)를 TFT로 구동하는 경우 피모스(PMOS) 회로를 중심으로 설명하였으나 동일한 방식이 엔모스(NMOS) 회로에도 적용될 수 있고, 특히 유사한 구동방식을 사용하는 다른 디스플레이 소자(AMLCD 등)의 픽셀회로에도 그대로 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 유기발광소자(OLED)를 전압구동하기 위한 박막트랜지스터(TFT)의 문턱전압의 불규칙성을 효과적으로 보상하여 보다 고계조의 디스플레이를 구현할 수 있는 장점이 있다.

Claims (11)

  1. NxM 배열된 셀들을 선택신호와 데이터신호로 TFT 구동하도록 디스플레이장치에 있어서,
    선택신호에 따라 선택되면 데이터신호를 인가하기 위한 제1 트랜지스터;
    상기 제1 트랜지스터를 통해 인가되는 데이터신호에 문턱전압을 보상하기 위한 제2 트랜지스터;
    상기 제2 트랜지스터를 통해 인가된 데이터신호에 따라 발광셀에 전류를 제공하기 위한 제4 트랜지스터;
    상기 데이터신호를 소정 시간 유지하기 위한 콘덴서; 및
    제어신호에 따라 상기 제4 트랜지스터에 인가되는 데이터신호를 초기화하기 위한 제3 트랜지스터를 포함하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제3 트랜지스터의 일단에는 프리차지 전압이 인가되어 리셋시에 상기 발광셀에 흐르는 원치않는 전류의 양을 줄여주고, 스위칭시간과 소비전력을 줄일 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1 내지 제 4 트랜지스터가 피모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어신호가 리셋신호이고, 상기 제3 트랜지스터가 엔모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제어신호가 이전 선택신호이고, 상기 제1 트랜지스터와 상기 제3 트랜지스터가 엔모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 데이터신호는 상기 이전 선택신호에 의해 해당 셀이 초기화된 후 상기 선택신호보다 먼저 인가되는 것을 특징으로 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1 내지 제 4 트랜지스터가 엔모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제어신호가 리셋신호이고, 상기 제3 트랜지스터가 피모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제어신호가 이전 선택신호이고, 상기 제1 트랜지스터와 제3 트랜지스터가 피모스 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 데이터신호는 상기 이전 선택신호에 의해 해당 셀이 초기화된 후 상기 선택신호보다 먼저 인가되는 것을 특징으로 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제3 트랜지스터는 메탈라인의 수를 줄이기 위해 초기화전압으로 리셋신호 혹은 이전선택신호를 이용한 것을 특징으로 하는 전압구동 유기발광소자의 픽셀회로.
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