KR20030009612A - 펄스폭변조방식의 디스플레이 소자 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스폭변조(PWM) 방식의 디스플레이 소자 구동방법으로서, 1 이상의 칼럼전극 선택입력부로 입력되는 각 PWM 신호의 On 펄스가 서로 중복되는 시간을 최소화하도록 On 펄스의 위치를 균등배치하고, 균등배치된 각 PWM 신호의 주파수를 N(≥2) 체배하고, 하나의 라인스캔 주기 동안 상기 N 체배된 PWM 신호를 N번 반복하여 N체배 PWM 신호를 발생하여 칼럼전극 선택입력부로 입력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 이용하면, 순간적인 피크전류를 방지함과 동시에, On 펄스가 N체배되어 전체 라인스캔주기에 걸쳐 고르게 분포하기 때문에 동일한 데이터에 대한 픽셀의 밝기 차이를 해결할 수 있다.

Description

펄스폭변조방식의 디스플레이 소자 구동방법 {Display Device Driving Method using Pulse-Width-Modulation}

본 발명은 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation; 이하 PWM이라 한다)방식의 디스플레이 소자 전류구동방법, 더 상세하게는 순간 소비전력을 감소시킴으로써 디스플레이소자 및 구동장치의 안정성을 확보할 수 있는 새로운 방식의 PWM 전류구동방법에 관한 것이다.

EL 표시장치는 ZnS, CaS, 등의 반도체 재료인 전계발광 소자(Electroluminescent element; 이하 "EL소자"라 한다)에 전계를 가했을 경우 일어나는 발광상을 이용한 디스플레이 장치로 '74년 일본 샤프(SHARP)사 고휘도의 장수명 박막 EL소자를 발표한 이래 많은 연구에 의해 EL디스플레이의 실용화가 급진전되었으며, 코닥(Kodak)사의 탕(C.W.Tang)이 유기 색소를 이용하여 박막 EL 소자를 제작하고 고휘도의 녹색 발광이 가능함을 보고 한 이후, 구동전압이 낮고 공정이 유리한 유기 EL에 관한 연구가 활성화되었다.

기존에 주로 사용되었던 무기물 전계발광 표시 소자로는 GaN, ZnS 및 SiC와 같은 결정들이 사용되었으며, 이러한 무기물 소자들은 견고성이나, 넓은 온도 범위에서 사용이 가능하며, 대형 평판 기능을 할 수 있다는 장점을 가진 반면 높은 구동전압이나, 청색 발광에서의 낮은 효율성등 많은 단점을 가지고 있다.

이러한 단점을 극복하기 위해, 제작되기 시작한 유기 EL소자는 유기 박막으로 발광층과 캐리어(carrier) 수송층을 제작한 주입형 소자로써, 단분자 유기 EL 소자로는 안드라센, Alq3(알루니 키노륨 복합체) 및, 시클로 펜타디엔 유도체들이주종을 이루며, 이러한 단분자 소자들은 낮은 구동 전압과 100nm에 가까운 얇은 박막 소재로써의 장점을 가지고 있으나, 높은 열에 대한 안전성과, 전압공급시 줄 열발생에 의한 분자 재 배열등의 단점을 가지고 있다.

한편, 고분자 유기 EL 소자로는 PPP(poly<p-phenylene>), PPV(poly<p-phenylen vinylene>) 등이 사용되며, 이러한 소자들은 열 안전성 및 낮은 구동전압의 장점을 가지나, 짧은 수명과 효율면에서 단점들을 가지고 있다.

유기 EL 소자의 발광 메카니즘은 발광 다이오드와 유사한 캐리어주입형으로서, 유기 EL 소자의 구조는 유리기판 상의 양극(ITO로 이루어지는 투명전극) 상에 차례로, 홀수송층, 발광층, 전자수송층, 그리고 음극이 순차로 적층된 매우 단순한 구조이다.

전자를 공급하기 위한 음극(cathode)은 작은 일함수를 갖는 금속인 Ca, Mg, Al등을 사용하는 데, 이렇게 일함수가 낮은 금속을 음극으로 사용하는 이유는, 전극과 EL 발광층 사이에 형성되는 장벽(barrier)을 낮춤으로써 전자 주입에 있어 높은 전류밀도(current density)를 얻을 수 있고, 이를 통해 소자의 발광 효율을 증가시킬 수 있게 되기 때문이다.

한편, 양극(Anode)은 홀(hole)의 주입을 위한 전극으로 일함수가 높고 발광된 빛이 소자 밖으로 나올수 있도록 투명 금속 산화물을 사용하며, 가장 널리 사용되는 재료는 ITO(indium tin oxide)로써, 두께는 약 30nm정도 이다.

또한, 선택적으로 전자수송층(Electron Tansporting Layer; ETL)과 홀 수송층(Hole Transporting Layer; HTL)이 추가될 수 있으며, ETL는 옥사디아졸(oxadiazole) 유도체 등을 사용하며 HTL은 디아민(diamine) 유도체인 TPD 와 광전도성 고분자인 poly(9-vinylcarbazole) 등을 사용하게 된다.

이러한 수송층을 사용함으로써, 양자효율(photons out per charge injected)을 높이고, 캐리어(carrier)들이 직접 주입되지 않고 수송층 통과의 2 단계 주입과정을 거치므로 구동전압을 낮출 수 있다. 또한, 발광층에 주입된 캐리어(electron, hole)가 발광층을 거쳐 반대편전극으로 이동시 반대편 수송층에 막힘으로써 재결합 조절이 가능하며, 이를 통해 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

이러한 수동매트릭스 형식으로 된 EL 표시장치의 구동방법으로는 도 1에서 도시된 바와 같은 방법이 일반적으로 사용된다.

도 1에 도시된 방법은 알트-플레스코(Alt-Plesko)라 불리는 것으로서, 라인 또는 열(row)을 하나씩 활성화함으로써 수행된다. 우선, 도 1과 같이 네 개의 EL소자 E11, E12, E21, E22가 연결되어 있고, 두 개의 행(row) R1, R2에는 전류제한 저항 R을 통하여 펄스전압으로 0 또는 V가 공급되며, 두 개의 칼럼 C1, C2에는 0 또는 V 볼트의 전압이 공급된다.

네 개의 EL 소자중 E11, E12, E21이 발광하고, 나머지 E22는 발광하지 않은 상태를 디스플레이한다고 가정하자. 우선 시간 t1에서 R1에는 전압 V가, R2에는 전압 0이 인가되고, 칼럼 C1, C2에는 전압 0볼트가 인가되면 EL소자 E11, E12가 발광하고, 나머지 두 개의 소자는 미발광 상태가 된다. 다음으로 시간 t2에서는 R1이 접지, R2에는 전압 V가 인가되고, 칼럼 C1은 접지, C2에는 전압 V가 인가되면 EL 소자 E21만 발광하고 나머지는 미발광 상태가 된다.

이러한 동작이 예를 들어 60Hz 이상과 같이 빨리 일어나면(즉, t2-t1이 아주 작은 값인 경우), 인간의 시각이 변화를 미처 따라가지 못하고, 잔상효과에 의하여 E11, E12, E21이 켜져있고, E22만 꺼져 있는 것으로 인식하게 된다.

그러나, 이러한 방식은 열(row)의 수가 증가하는 경우에 발광픽셀의 평균광도가 감소하게 되며, 소정의 광도를 유지하기 위해서는 고전압을 인가하여야 한다. 따라서, 최대 칼럼 및 열의 수가 전압 및/또는 소자의 수명에 의하여 제한받게 된다.

전술한 전자 또는 홀의 캐리어의 이동 및 재결합에 의한 발광원리에 따라 EL 발광소자는 보통 전류와 밀접한 관계를 가지고 있다. 이러한 점에서 전압으로 구동하는 TFT, LCD, STN 등의 다른 디스플레이 소자와 구별된다. 따라서, 전압제어형식의 종래 디스플레이소자의 구동장치로는 수동 매트릭스(또는 단순 매트릭스) 방식의 유기 EL 소자를 제어할 수 없기 때문에 전류 구동방식을 이용한 새로운 EL 소자 구동장치가 필요하다.

종래의 전류구동방식의 EL 소자 구동장치가 제6,177,767호 미국특허에 상세하게 기재되어 있다. 미국특허에는 도 2에서와 같이, 외부에서 인가되는 밝기신호(brightness signal)를 기초로 EL 표시장치를 구성하는 복수의 발광유닛(픽셀)에 인가되는 전류를 정확하게 제어할 수 있는 전류 제어부(40)를 포함하는 구동회로를 이용하고 있다.

미국특허의 구동회로를 상세하게 살펴보면, OP 앰프(Operation Amplifier; 이하 "OP"라 한다)를 이용함으로써, 외부에서 공급되는 밝기 신호에 따라 각 픽셀로 공급되는 전류 i의 크기를 제어하기 위한 것으로, 칼럼 전극(1)은 각각 전류제어부(40)에 연결되어 있으며, 라인 전극(5)은 구동전원(Vc)에 연결되고 제어신호(CS)에 의하여 구동된다.

전류제어부(40)는 기준저항(Rref)을 구비하고 있으며, 이 기준저항을 이용하여 기준저항과 픽셀(PX)사이에 연결되어 전류제어장치로 사용되는 FET의 전압(Vm)으로서 각 픽셀에 흐르는 전류를 모니터링하게 된다. 또한, 외부의 PROM(Programmable Read Only Memory)로부터 공급되는 밝기신호전압(Vs)와 모니터링된 전압(Vm)을 비교하고, FET로 제어전압(Vcs)을 출력하기 위한 OP 앰프도 구비하고 있다.

PROM으로부터 인가되어 OP 앰프 +단자로 입력되는 밝기신호전압(VSA)이 Vm보다 작은 경우에는 흐르는 전류값은 i=VSA/Rref가 되며, VSA가 Vm보다 큰 경우에는 전류값은 Vm/Rref로 포화된다.

따라서, 외부의 PROM으로부터 인가되는 밝기신호전압을 적절히 조절함으로써 칼럼 전극에 흐르는 전류값을 조절하고, 최종적으로 픽셀의 밝기를 조절할 수 있게 된다.

상기 특허에서의 전류구동회로는 FET, OP앰프 및 Rref를 이용한 스위칭 회로로서, 정확한 전류를 용이하게 제어할 수는 있으나, PROM으로부터 나오는 디지털 전압신호값을 아날로그로 변환하기 위하여 OP앰프 전단에 디지털-아날로그 컨버터(D/A Converter)가 칼럼개수만큼 구비되어야 하기 때문에 회로의 사이즈가 커지고 소비전력이 크다는 단점이 있다. 또한, 저전류로 갈수록 고속 스위칭이 필요하기 때문에 스위칭 노이즈가 크다는 단점 또한 가진다.

한편, 본 출원인의 제2001-0042847호 한국특허 출원에서는 이러한 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여, 하나의 전류미러로부터 기본전류를 추출하여 각 칼럼전극에 인가하고, 칼럼선택(활성화) 입력부에 펄스폭변조신호(PWM 신호)를 입력함으로써 각 칼럼전극으로 흐르는 구동전류의 양을 정밀하게 제어하는 방식을 제안하고 있다.

펄스폭 변조신호를 이용한 전류구동이란, 필요한 구동전류에 비례하는 On 펄스폭(시간)을 가지는 펄스폭 변조신호를 칼럼전극 선택으로 입력하면, 그 On 펄스폭에 해당되는 시간동안 (기본)전류를 흘리게 되므로, 구동전류의 양을 정밀하게 제어하는 것이다. 즉, 구동시간(On 시간)의 차이는 발광소자의 발광기간으로 변환되어 밝광정도의 차이를 유발하게 되고, 이로써 입력데이터에 따른 밝기 계조변화를 표현하는 것이다.

도 3a는 PWM을 이용한 종래의 전류구동장치를 도시하는 것으로, 4×1 픽셀을 구비하는 디스플레이 소자의 구동장치를 예로 들었다.

전류구동장치는 각 칼럼 및 라인전극으로 기본전류를 공급하는 전류공급부(100)와, PWM 신호발생기(200), 칼럼선택 입력부(S1 내지 S4)를 포함하는 4개의 칼럼전극과, 1개의 라인전극을 구비하고 있으며, 각 칼럼전극의 칼럼전극 선택 입력부로는 해당 픽셀을 구동할 구동전류에 따라 변환된 PWM 신호가 입력된다. 예를 들어, 제 1 내지 제 4 픽셀을 각각 8:2:1:4의 밝기로 발광하여야 한다고 가정하면, 각 칼럼전극의 전극선택 입력부에는 도 3b와 같이 일정시간(라인스캔주기)동안 전체 16개 구간으로 구분된 PWM 신호가 입력된다.

이 경우, 각각의 칼럼전극에 대한 펄스폭이 다르므로 구동이 끝나는 시점은 제각각 다르고 시작하는 시점은 동일하다. 따라서, 처음의 일부구간(T1)에서는 모든 칼럼에 전류구동이 발생하여 순간적으로 피크(peak) 전류가 흐르게 된다. 이러한 순간 피크전류로 인하여 소자나 구동장치가 무리가 발생할 수 있으며, 구동장치 회로 전체의 동작에 불안정한 요소를 제공하게 될 뿐 아니라, 순간 파워가 부족한 경우에는 디스플레이 동작에 치명적인 장애를 가져오게 된다.

또한, 다이나믹 구동의 특성상, 순간적으로 높은 광량을 방출하고 다음 구동이 될 때까지 오랜 시간(한 프레임 표시시간)을 기다리게 되고 그 기간동안 일정한 밝기를 유지하기 위하여 통상 순간적으로 매우 높은 전류로 디스플레이 소자를 구동하게 된다. 따라서, 종래의 PWM 구동방식에서는 전술한 피크전류에 의한 폐해 이외에도, 순간적인 높은 전류로 인하여 소자의 수명이 단축될 수 있다.

또한, 소자의 특성상 순간적인 피크전류보다는 전체 주기(라인스캐닝주기)동안 균등한 전류분배가 이루어지는 경우, 밝기의 편차가 없이 균등한 특성을 유지할 수 있다.

본 발명은 이러한 단점을 극복하기 위하여 착안된 것으로, 순간 피크전류로 인한 장치의 손상을 방지하면서도, PWM 신호에 의한 정밀한 밝기 제어가 가능한 PWM 전류구동장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 목적은 순간피크전류를 방지하여 전류발생을 균일하게 유지할 수있는 PWM 방식의 디스플레이 소자 구동방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 순간 피크파워(Peak Power)를 감소시키면서도, 소자 밝기를 균일하게 유지할 수 있는 PWM방식의 디스플레이 소자 구동방법을 제공하는 것이다.

도 1은 수동매트릭스 형식의 전계발광(EL)디스플레이 소자에 대한 종래의 구동방법을 도시한다.

도 2는 미국특허에 의한 종래의 전계발광 디스플레이 소자에 대한 전류구동회로를 도시한다.

도 3a는 PWM을 이용한 종래의 전류구동장치로서 4×1 픽셀을 구비하는 디스플레이 소자의 구동장치의 블록도이며, 도 3b는 이 방식에 이용되는 전형적인 PWM 신호의 예를 도시한다.

도 4a는 순간 피크전류에 의한 영향을 최소화하기 위한 PWM 신호의 변형예, 도 4b 및 도 4c는 본 변형예에서 나타나는 픽셀 밝기 차이를 설명하기 위한 도면이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 구동방법에 이용되는 N(=2)체배 PWM 신호의 예를 도시한다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 PWM 방식의 디스플레이 소자 전류구동방법은 다음과 같은 구성을 하고 있다.

1 이상의 칼럼전극으로 구동전류를 흐르게 하기 위하여, 한 라인 스캔 주기동안 각 픽셀의 밝기에 해당하는 PWM 신호를 각각의 칼럼전극 선택 입력부로 입력하는 디스플레이 소자의 구동방법에 있어서,

1 이상의 칼럼전극 선택입력부로 입력되는 각 PWM 신호의 On펄스가 서로 중복되는 시간을 최소화하도록 On 펄스의 위치를 균등배치하고,

상기 균등배치된 각 PWM 신호의 주파수를 N(≥2) 체배하고, 하나의 라인스캔 주기 동안 상기 N 체배된 PWM신호를 N번 반복하여 N체배 PWM 신호를 발생하여 칼럼전극 선택입력부로 입력하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부되는 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 4는 도 3과 같은 종래의 PWM 구동방식에서의 순간 피크전류에 의한 영향을 최소화하기 위한 변형예를 도시한다.

이 변형예에서는 파형의 On 펄스의 위치를 변경함으로써 피크전류를 방지하고 파워의 불균형을 최소화하려는 것이다. 즉, 도 3의 종래방식과 달리, 각 칼럼에입력되는 PWM신호의 On 펄스폭 시작시점을 각각 다르게 설정하고 있다.

도 4와 같은 On 펄스 시작시점을 각각 다르게 조정함으로써 도 3에서의 피크전류를 최대 45%정도 감소시킬 수 있다. 그러나, 이 변형예에서는 다음과 같은 단점이 있다.

도 4b는 구동회로 부하의 등가회로로서, 일반적으로 구동회로의 부하는 다이오드, 저항, 및 기생 커패시턴스(Capacitance)로 이루어지는 등가회로로 나타낼 수 있다. PWM 신호가 부하로 전달되면 On 펄스 동안 전하가 커패시턴스에 충전되었다가 펄스가 Off되면 커패시턴스에 충전되었던 전하가 방전되면서 전극에 구동전류를 흘리게 된다. 이 때, 전체 PWM 신호기간(즉, 라인 스캔 주기동안)내에서 On 펄스의 위치에 따라 방전시간, 즉 전체 전류의 양이 달라지며, 이로 인하여 각 디스플레이 소자의 밝기에 영향을 미친다.

도 4c는 이러한 예를 설명하기 위한 것으로, 한 구간동안의 On 펄스폭을 가지는 PWM신호인 경우, On 펄스가 최초구간(T1)에 위치하는 경우와, T15구간에 위치하는 경우를 도시한다. 점선은 방전곡선을 뜻하며, 점선 아래부분의 적분면적이 한 주기(라인스캔 주기)동안 흐른 전체 구동전류의 양을 의미한다.

도시된 바와 같이 On 펄스가 T1구간에 위치하는 경우에는 전체적으로 많은 전류가 흘러서 밝게 발광하는 반면, On 펄스가 T15에 위치하는 경우에는 발광정도가 떨어지게 된다.

따라서, 도 4a와 같이 PWM신호를 변형하는 경우, 동일한 밝기 데이터에 대응하는 PWM 신호라도 On 펄스의 위치를 어디에 하느냐에 따라 밝기 차이가 생기게 되므로 제품의 신뢰성을 확보할 수 없다는 단점이 있다.

도 5는 본 발명에 의한 PWM 방식의 디스플레이 소자 전류구동방법에 이용되는 N(=2)체배 PWM 신호의 예를 도시하는 것이다.

우선, 도 4에서 도시한 바와 같이 피크전류가 발생하지 않도록, 각 칼럼전극으로 들어가는 PWM 신호의 On 펄스의 중복이 최소한이 되도록 균일하게 재배치한다. 본 실시예에서는 4개 PWM 신호의 어떠한 On 펄스도 서로 중복되지 않도록 배치할 수 있었으나, 반드시 이러한 중복을 피할 수 있는 것은 아니기 때문에, 중복되는 경우(시간간격)를 최소화하도록 하는 것이다.

재배치된 PWM 신호의 주파수를 2체배하여, 즉 각 펄스폭의 시간간격을 1/2로 하여 총 8구간(T1∼T8)에 해당되는 PWM 신호를 생성하고, 이를 2번 반복함으로써 도 5a와 같은 2체배 PWM 신호를 발생시킨다.

도 5a는 도 4와 같이 재배치된 PWM 신호를 2체배한 예를 도시하며, 도 5b는 전술한 방식으로 생성된 다른 형태의 2체배 PWM 신호의 예를 도시한다.

이렇게 함으로써 순간적인 피크전류를 방지함과 동시에, On 펄스가 N체배되어 전체 라인스캔주기에 걸쳐 고르게 분포하기 때문에 도 4와 관련하여 설명한 밝기 차이를 해결함으로써, 노이즈 및 구동소자의 안정성과 균일한 밝기 특성을 확보할 수 있다.

체배수 N은 2 이상의 값을 가지며, 체배수 N과 펄스폭변조 주파수(1초당 원래 PWM 신호 펄스의 수)를 곱한 값인 구동주파수가 수십 MHz를 넘지 않는 범위에서 적당하게 선택될 수 있다.

본 명세서에는 칼럼전극으로 구동제어전류가 흐르도록 칼럼전극 선택 입력부로 계조제어를 위한 PWM신호가 입력되며, 라인전극 선택입력부로는 스캐닝을 위한 순차적인 펄스(라인스캔펄스)가 입력되는 것으로 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위하여 구분한 것이며, 두 전극의 기능이 서로 바뀌어 구현될 수도 있다.

이상과 같은 본 발명에 의한 PWM 방식의 디스플레이소자 구동방법을 이용하면, 순간적인 피크전류를 방지함과 동시에, On 펄스가 N체배되어 전체 라인스캔주기에 걸쳐 고르게 분포하기 때문에 동일한 데이터에 대한 픽셀의 밝기 차이를 해결함으로써, 노이즈 및 구동소자의 안정성과 균일한 밝기 특성을 확보할 수 있다.

Claims (1)

1 이상의 칼럼전극, 1 이상의 라인전극, 및 두 전극의 교차부분에 형성되어 있는 1 이상의 발광픽셀로 이루어진 디스플레이 소자의 칼럼전극으로 구동전류를 흐르게 하기 위하여, 한 라인 스캔 주기동안 각 픽셀의 밝기에 해당하는 PWM 신호를 각각의 칼럼전극 선택 입력부로 입력하는 PWM 방식의 디스플레이 소자 구동방법에 있어서,

1 이상의 칼럼전극 선택입력부로 입력되는 각 PWM 신호의 On펄스가 서로 중복되는 시간을 최소화하도록 On 펄스의 위치를 균등배치하고,

상기 균등배치된 각 PWM 신호의 주파수를 N(≥2) 체배하고, 하나의 라인스캔 주기 동안 상기 N 체배된 PWM신호를 N번 반복하여 N체배 PWM 신호를 발생하여 칼럼전극 선택입력부로 입력하는 것을 특징으로 하는 PWM 방식의 디스플레이 소자 구동방법.