KR20030069293A - 능동 매트릭스 유기물 발광 다이오드 디스플레이 화소구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 능동 매트릭스 유기물 발광다이오드 디스플레이 화소구조에 관한 것으로, 데이터 라인; 선택 라인; 유기물 발광다이오드; 상기 데이터 라인에 인가되는 데이터 전압을 저장하는 커패시터; 상기 선택라인 인가 전압에 따라 상기 데이터 전압을 온/오프 하는 제1 트랜지스터; 상기 커패시터에 저장된 데이터 값에 해당하는 전류를 상기 유기물 발광다이오드에 흘리는 제2 트랜지스터; 및 상기 데이터 라인에 인가되는 전압보다 상기 제 2 트랜지스터의 문턱전압만큼 변화한 전압이 상기 커패시터에 저장되도록 하는 문턱전압 보정부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 함으로써, 박막트랜지스터의 문턱전압 불균일도를 자체적으로 보정할 수 있다.

Description

능동 매트릭스 유기물 발광 다이오드 디스플레이 화소구조{Picture Element Structure of Active Matrix Organic Emitting Diode Display}

본 발명은 능동 매트릭스 유기물 발광다이오드(Active Matrix Organic Light Emitting Diode : AMOLED) 디스플레이(display) 화소구조에 관한 것으로, 특히 박막트랜지스터의 문턱전압 불균일도를 자체적으로 보정하는 전압기입방식 화소구조에 관한 것이다.

다결정 실리콘 박막 트랜지스터(Polycrystalline Silicon Thin Film Transistor ; poly-Si TFT)를 이용한 능동 구동 액정 디스플레이(Active Matrix Liquid Crystal Display ; AMLCD)는 현재 노트북 및 개인용 컴퓨터의 모니터에 응용되고 있는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(Amorphous silicon Thin Film Transistor; a-Si TFT)에 비해 구동능력과 집적도가 우수하여 고해상도(High Resolution) 액정 디스플레이(LCD)에 채용될 것으로 기대되고 있다.

다결정 실리콘 TFT AMLCD의 화소구조는 도 1에 도시된 바와 같이 비정질 실리콘 TFT AMLCD와 마찬가지로 한 개의 TFT와 한 개의 커패시터로 구성된다.액정 디스플레이에서의 TFT는 단순한 스위치 역할을 하고, 커패시터에 충전되는 전하량에 따라 액정이 반응을 하기 때문에, 한 개의 TFT와 한 개의 커패시터로 화소가 구성되며, TFT 간의 문턱전압의 차이가 있더라도 화질에 그리 큰 영향을 주지 않는다.

반면 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 AMOLED의 경우, 유기 박막에 흘리는 전류의 양에 따라 발하는 빛의 세기를 조절하기 때문에 TFT들의 균일도, 특히 문턱전압(V_th)의 균일도 확보가 중요한 관건-TFT의 문턱전압이 보정되어야 균일한 화소전류를 흘릴 수 있기 때문-이다. 그러나 저온(400℃)에서 제작되는 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터(Low temperature Polycrystalline Silicon TFT; LTPS TFT)의 경우 공정 상에서 문턱전압을 균일하게 맞추기 힘들므로, 회로적인 접근을 통해 이를 해결하는 방법들이 모색되고 있다.

AMOLED의 기본적인 화소 구조는 크게 두가지 방식으로 나뉜다. 하나는 데이터 (Data)를 전압으로 입력하는 전압 기입 방식이고, 다른 하나는 전류로 데이터를 입력하는 전류 기입 방식이다.

도 2는 종래의 전압 기입 방식 중 가장 기본적인 화소구조를 나타내는 도면으로, 두 개의 TFT와 한 개의 커패시터로 구성된다. 도면에서 T1 TFT는 AMLCD와 같이 스위치 역할을 하고 C1은 데이터 전압을 저장하며, T2 TFT는 C1에 저장된 데이터 값에 해당하는 전류를 O-LED에 흘리는 역할을 한다.

그러나, 상기 전압 기입 방식의 기본 구조의 경우 화소와 화소간에 T2의 문턱 전압 불균일이 있을 때, 같은 데이터 전압이 커패시터에 충전되더라도 다른 전류가 흐르게 된다. 때문에 상기 구조는 화소간의 TFT 문턱전압을 전혀 보정하지 못한다. T2에 흐르는 전류는 다음과 같이 나타난다.

I_D= 1/2 × k × (V_GS-V_TH)²

= 1/2 × k × (Vdata-V_DD-V_{th_T2})²

( 포화영역에서의 전류식, k = μ × Cox × W/L)

도 3은 상기 도 2의 기본적인 화소구조에서 TFT의 문턱전압이 각각 -3.8, -4.3, -4.8 V였을 때 같은 데이터 전압에 의해 O-LED에 흐르는 전류를 각각 나타낸다. AMOLED에서 한 화소의 계조표현을 위해 약 수십~ 수백 nA의 전류가 흐르므로 도 6과 같은 전류편차는 상당히 크다고 할 수 있다.

이를 보완하기 위한 종래의 다른 방법으로 도 4에 도시된 바와 같이 4개의 TFT와 2개의 커패시터를 이용하여 구동 TFT의 문턱전압을 미리 충전시킨 후 데이터를 차지 커플링을 이용하여 입력하는 방법이 국외에서 제안되었다. 이 방법의 경우 화소간의 TFT 문턱전압 보정은 가능하지만 이를 위해 2개의 신호 라인이 추가로 필요하고, 커패시터도 2개가 필요하여 화소의 발광 면적을 줄이게 되고 -TFT와 커패시터 수가 줄어들수록 발광면적이 증가함- 또한, 복잡한 2개의 신호 제어를 위해 별도의 신호 라인(signal line)과 외부 집적회로가 필요하게 되고, 이에 따라 발광면적 감소가 심각한 단점이 있다.

한편, 도 5는 전류 기입 방식의 기본적인 화소구조를 나타내는 도면으로, 4개의 TFT와 한 개의 커패시터로 구성된다. 이 방식은 화소 선택 시 전류를 데이터로 하여 구동 TFT에 데이터 전류를 흘리게 하고, 이때의 게이트-소스 전압을 커패시터에 저장하여 화소의 선택이 끝난 후에도 O-LED에 데이터와 같은 전류를 계속 흘리도록 하는 구동 방식으로 TFT의 문턱 전압에 크게 영향을 받지 않는 방식이다.

전류 기입 방식의 경우 상술한 구조 외에도 여러 구조의 화소 구조들이 제안되었으나, 데이터를 전달하기 위해서 정전압에 비해 구현이 힘든 정전류 전원을 이용해야한다는 공통적인 문제점을 지니고 있다. 또한 데이터 전류를 전압의 형태로 커패시터에 저장하고 충전된 전압에 따라 다시 전류를 흘리기 때문에 추가의 신호 라인(signal line)이 불가피하다.

따라서, 본 발명의 목적은 적은 수의 TFT와 커패시터를 이용하여 화소간의 TFT 문턱전압 불균일도를 자체적으로 보정하는 능동 매트릭스 유기물 발광 다이오드 디스플레이 화소구조를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 기본적인 선택 신호와 데이터 신호 외에 문턱 전압 보정을 위해 필요한 신호수를 최소화한 능동 매트릭스 유기물 발광 다이오드 디스플레이 화소구조를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 능동 매트릭스 유기물 발광 다이오드 디스플레이 화소구조는 데이터 라인; 선택 라인; 유기물 발광다이오드; 상기 데이터 라인에 인가되는 데이터 전압을 저장하는 커패시터; 상기 선택라인 인가 전압에 따라 상기 데이터 전압을 온/오프 하는 제1 트랜지스터; 상기 커패시터에 저장된데이터 값에 해당하는 전류를 상기 유기물 발광다이오드에 흘리는 제2 트랜지스터; 및 상기 데이터 라인에 인가되는 전압보다 상기 제 2 트랜지스터의 문턱전압만큼 변화한 전압이 상기 커패시터에 저장되도록 하는 문턱전압 보정부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 문턱전압 보정부는 각각이 게이트와, 드레인와, 소스를 구비하는 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터를 포함하며, 상기 제3 트랜지스터의 게이트는 상기 제4 트랜지스터의 소스에 연결된 상기 제3 트랜지스터의 드레인에 연결되고, 상기 제4 트랜지스터의 게이트는 상기 제3 트랜지스터의 소스에 연결된 상기 제4 트랜지스터의 드레인에 연결된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제1 트랜지스터 내지 제4 트랜지스터는 P-형 박막트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제3 트랜지스터의 소스는 선택라인이 게이트에 연결되고, 데이터라인이 소스에 연결된 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 연결되고, 상기 제4 트랜지스터의 소스는 상기 커패시터와 정전압원에 소스가 연결되고, 상기 유기물 발광다이오드에 드레인에 연결된 상기 제2 트랜지스터의 게이트에 연결된 것을 특징으로 한다.

도 1은 다결정 실리콘 TFT AMLCD의 화소구조를 나타내는 도면,

도 2는 종래의 기본적인 전압 기입 방식 화소구조를 나타내는 도면,

도 3은 도 2의 화소구조에서 TFT의 문턱전압이 각각 -3.8, -4.3, -4.8 V일 때 같은 데이터 전압에 의해 O-LED에 흐르는 전류를 나타내는 도면,

도 4는 종래의 다른 전압 기입 방식 화소구조를 나타내는 도면 및 타이밍도,

도 5는 종래의 기본적인 전류 기입 방식 화소구조를 나타내는 도면,

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 기입형 AMO-LED의 화소구조를 나타내는 도면,

도 6b는 도 6a의 타이밍도,

도 7은 도 6a의 화소구조에서 문턱전압이 각각 -3.8, -4.3, -4.8 V일 때 같은 데이터 전압에 의해 O-LED에 흐르는 전류를 나타내는 도면,

도 8은 TFT의 문턱전압 변화에 따른 도 6a의 B 노드의 전압 변화를 나타내는 도면,

도 9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 기입형 AMO-LED의 화소구조를나타내는 도면,

도 9b는 도 9a의 타이밍도.

이하, 첨부한 도면 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 기입형 AMO-LED의 화소구조를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이 4개의 P-type TFT와 한 개의 커패시터를 이용한다. 기본적인 선택 신호(S)와 데이터 신호(D) 외에는 어떠한 신호도 필요치 않는다. 개념은 도 2의 전압 기입 방식과 같이 데이터 전압을 커패시터에 저장하는 것이다. 다만 두 TFT(T1, T2) 사이에 T3, T4 두 개의 TFT를 삽입하여 실제 커패시터에 저장되는 전압(node B)이 데이터 전압(node A)보다 T3의 문턱 전압만큼 낮아진 전압이 저장되도록 하는 것이다. 엑시머 레이저를 이용한 LTPS 공정에서 같은 레이저빔으로 동시에 결정화된 근접한 poly-Si TFT의 특성은 같다고 할 수 있고, 이 가정은 미러 구조를 사용하는 전류 기입 방식에서도 흔히 사용되어져 왔다. 따라서 T3의 문턱 전압만큼 낮아진 데이터 전압이 커패시터에 저장되고, T2와 T3의 문턱전압이 같기 때문에 저장된 전압은 실제 T2의 게이트에 T2의 문턱전압이 보정된 새로운 데이터 전압으로 인가되는 것이다.

도 6b는 도 6a의 타이밍 도로써, 이에 따른 자세한 동작은 다음과 같다. 타이밍 도에서 처음 선택 라인에 인가되는 선택 신호가 high 인 경우 B 노드(node)의 전압은 이전 프레임(frame)의 데이터 전압이 유지되는 상태이다. 이때 선택 신호가 low가 되면서 T1이 켜지면 A 노드에 Vdata가 인가된다. 이때의 Vdata 값은 데이터신호가 아닌 낮은 전압의 리셋 데이터가 인가된다. 즉 A 노드의 전압이 B 노드의 전압보다 낮게 되는 상태이다. 이 때 T3의 게이트는 B 노드와 물려있고, TFT를 구동시키는 게이트 전압과 소스 전압의 차이는 (V_B-V_A) > 0 > V_{th_T3}가 되어 T3는 off 상태가 된다. 반면 T4의 경우 게이트 전압과 소스 전압의 차이가 (V_A-V_B) <V_{th_T3}< 0 가 되어 on 상태가 된다. 때문에 B 노드의 전압은 A 노드의 전압을 따라 낮아지게 된다. 즉 이전 프레임의 데이터를 지우는 것이다. 그 다음 Vdata 는 실제 그 프레임의 데이터 전압을 인가하게 된다(V_A=Vdata). 이때는 A 노드의 전압이 B 노드의 전압보다 높아지기 때문에 T3는 on이 되고, T4는 꺼지게 된다. B 노드의 전압은 A 노드의 전압을 따라가는데, B 노드의 전압이 A 노드의 전압보다 T3의 문턱전압만큼 낮은 값 (Vdata+V_{th_T3}; p-type TFT이므로 V_th< 0 )에 도달하게 되면 T3는 off 상태가 된다. 다시 말하자면 데이터 전압으로 Vdata를 인가하더라도 실제 구동 TFT인 T2의 게이트에는 Vdata+V_{th_T3}가 인가되는 효과가 생기고, T2와 T3의 문턱전압은 같다(V_{th_T2}=V_{th_T3})는 가정에 의해 T2의 게이트에는 Vdata+V_{th_T2}가 인가되는 효과가 있다. 즉 화소마다 T2의 문턱전압(V_{th_T2})이 다르더라도 B 노드에 도달되는 전압이 실제 데이터 전압에서 문턱전압만큼 낮아진 전압이 되기 때문에 T2가 흘리는 전류는 같아진다. 전압 Vdata+V_{th_T3}는 커패시터 C에 의해 저장되어 선택 신호가 high가 되어 T1이 꺼지더라도 다음 프레임까지 T2를 구동하게 된다. T2에 흐르는 전류를 수식으로 나타내면,

I_D= 1/2 × k × (V_GS-V_TH)²

= 1/2 × k × (Vdata+V_{th_T3}-V_DD-V_{th_T2})²(V_{th_T2}=V_{th_T3})

= 1/2 × k × (Vdata-V_DD)²

( 포화영역에서의 전류식, k = μ × Cox × W/L)

즉 T2의 전류는 더 이상 T2 문턱 전압의 함수가 아니다.

도 7은 도 6a에 따른 시뮬레이션 결과이다. 마찬가지로 문턱전압이 각각 -3.8, -4.3, -4.8 V 였을 때 같은 데이터 전압에 의해 OLED에 흐르는 전류를 각각 나타내었다. 상기 도 3과는 다르게 세 경우가 거의 같은 전류 값을 보였으며, 그 오차는 400 nA 수준의 전류에서는 약 13 nA 미만, 40 nA 수준의 전류에서는 4 nA 정도의 작은 오차를 보였다.

도 8에서는 도 6a의 B 노드의 전압이 TFT의 문턱전압 변화에 의해 어떻게 변화하는지를 보여준다. 처음 부분은 이전의 데이터가 저장된 것이고, 선택 신호가 들어오면 리셋이 시작된다. 그 후 데이터 전압이 인가되고 선택 신호가 끊긴 후 인가된 전압은 저장되는데, 이 때 저장된 데이터 전압이 세 가지 문턱전압의 차이인 약 0.5 V의 차이를 보인다. 이로써 T3에 의해 문턱전압만큼 조절된 데이터 전압이 C1에 저장되고 이 때문에 T2에는 문턱 전압과는 무관하게 일정한 전류가 흐른다는 것을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 화소구조는 n-type TFT로도 유사한 방법으로 구성되어질 수있다. 도 9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전압 기입형 AMO-LED의 화소구조를 나타내는 도면이고, 도 9b는 도 9a의 타이밍 도로써, 상술한 일 실시예의 p-type과 상반된 구조를 가지며, 데이터 신호도 거꾸로 들어가게 된다. 즉 이때는 B 노드의 전압이 A 노드의 전압보다 N3의 문턱전압만큼 높은 전압(Vdata+V_{th_N3}; n-type TFT이므로 V_th> 0 )으로 커패시터에 저장되고, 역시 N2의 문턱전압과 상쇄되어 O-LED전류를 나타내게 된다.

한편, 화소를 구성하는 TFT는 신뢰도가 우수한 P-type TFT를 이용하는 것이 N-type TFT를 이용하는 것보다 유리하며, P-type TFT 한가지만 이용하는 것이 N-type, P-type TFT 모두를 사용하는 것보다 공정면에서 간단한 장점이 있다. 또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 TFT 문턱전압의 불균일도 문제를 4개의 TFT와 한 개의 커패시터로 해결하였다. 따라서 본 발명에 따른 화소구조로 AMOLED 패널을 구현한다면 TFT 문턱전압 보정은 물론 기존에 비해 화소에서의 발광 면적도 넓힐수 있다.

또한, 기본적인 선택 신호와 데이터 신호 외에는 다른 신호 처리를 위한 집적회로가 필요 없기 때문에 양산면에서도 다른 구조에 비해 경쟁력이 월등한 디스플레이를 구현할 수 있다.

Claims (5)

1. 데이터 라인;

   선택 라인;

   유기물 발광다이오드;

   상기 데이터 라인에 인가되는 데이터 전압을 저장하는 커패시터;

   상기 선택라인 인가 전압에 따라 상기 데이터 전압을 온/오프 하는 제1 트랜지스터;

   상기 커패시터에 저장된 데이터 값에 해당하는 전류를 상기 유기물 발광다이오드에 흘리는 제2 트랜지스터; 및

   상기 데이터 라인에 인가되는 전압보다 상기 제 2 트랜지스터의 문턱전압만큼 변화한 전압이 상기 커패시터에 저장되도록 하는 문턱전압 보정부를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 능동 매트릭스 유기물 발광 다이오드 디스플레이 화소 구조.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 문턱전압 보정부는

   각각이 게이트와, 드레인과, 소스를 구비하는 제3 트랜지스터 및 제4 트랜지스터를 포함하며,

   상기 제3 트랜지스터의 게이트는 상기 제4 트랜지스터의 소스에 연결된 상기제3 트랜지스터의 드레인에 연결되고, 상기 제4 트랜지스터의 게이트는 상기 제3 트랜지스터의 소스에 연결된 상기 제4 트랜지스터의 드레인에 연결된 것을 특징으로 하는 능동 매트릭스 유기물 발광 다이오드 디스플레이 화소 구조.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터 내지 제4 트랜지스터는 P-형 박막트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 하는 능동 매트릭스 유기물 발광 다이오드 디스플레이 화소 구조.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제3 트랜지스터의 소스는 선택라인이 게이트에 연결되고, 데이터라인이 소스에 연결된 상기 제1 트랜지스터의 드레인에 연결되고, 상기 제4 트랜지스터의 소스는 상기 커패시터와 정전압원에 소스가 연결되고, 상기 유기물 발광다이오드에 드레인이 연결된 상기 제2 트랜지스터의 게이트에 연결된 것을 특징으로 하는 능동 매트릭스 유기물 발광 다이오드 디스플레이 화소 구조.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터 내지 제4 트랜지스터는 N-형 박막트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 하는 능동 매트릭스 유기물 발광 다이오드 디스플레이 화소 구조.