KR20050043410A - 액정 표시 장치의 구동 회로용 스위칭 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액정 표시 장치의 구동 회로용 스위칭 소자에 관한 것으로서, 킹크 전류(kink current)를 방지할 수 있는 스위칭 소자에 관한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구동 회로용 스위칭 소자는 소스, 드레인, 제1 및 제2 게이트를 포함하며, 상기 제1 게이트와 상기 제2 게이트에는 서로 다른 전압이 인가되며, 상기 제1 게이트에 인가되는 전압은 상기 제2 게이트에 인가되는 전압보다 낮다.

Description

액정 표시 장치의 구동 회로용 스위칭 소자 {SWITCHING ELEMENT FOR DRIVING CIRCUIT OF LIQUID CRYSTAL DISPLAY}
본 발명은 액정 표시 장치의 박막 트랜지스터에 관한 것으로서, 특히 킹크 전류(kink current)를 억제할 수 있는 박막 트랜지스터의 구동 장치에 관한 것이다.
일반적인 액정 표시 장치는 두 표시판과 그 사이에 들어 있는 유전율 이방성(dielectric anisotropy)을 갖는 액정층을 포함한다. 액정층에 전기장을 인가하고, 이 전기장의 세기를 조절하여 액정층을 통과하는 빛의 투과율을 조절함으로써 원하는 화상을 얻는다. 이러한 액정 표시 장치는 휴대가 간편한 평판 표시 장치(flat panel display, FPD) 중에서 대표적인 것으로서, 이 중에서도 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)를 스위칭 소자로 이용한 TFT-LCD가 주로 이용되고 있다.
한편, TFT는 3단자 소자로서 게이트, 소스 및 드레인 단자를 포함하며, 이러한 TFT는 액정 표시 장치의 회로의 여러 부분을 구성한다. 예를 들면, 화소의 일부를 구성하여 게이트 온 전압에 따라 데이터 전압을 인가할 뿐만 아니라 게이트 구동부 및 데이터 구동부의 시프트 레지스터 등을 구성하는데 사용된다.
근래에는 누설 전류를 억제하기 위하여 게이트를 2개 형성하는 이중 게이트 구조의 TFT가 사용되고 있다. 다만, 화소에는 개구율 등을 고려하여 사용되지 않고 있으나, 그 외 회로를 구성하는 부분에는 이중 게이트 TFT를 사용하고 있다.
한편, 이중 게이트 TFT는 포화 영역에서 일정한 전류를 흘려야 하지만 드레인 전류가 급격히 증가하는 현상이 발생하는데 이러한 전류의 흐름을 킹크 전류라 한다.
킹크 전류는 예를 들어 N 채널 트랜지스터의 경우, 드레인 끝단의 강한 측방 전계(lateral field)에 의하여 채널(channel)에 있는 전자가 충분한 에너지를 얻게 되어 전자는 드레인단으로 이동하고 정공(hole)은 전위가 낮은 소스단으로 이동하게 된다. 한편, TFT의 재료가 다결정 실리콘(poly silicon)인 경우에는 기판에 접지를 형성하지 않음으로, 정공은 그대로 소스단으로 이동하여 소스 영역에 축적된다. 이로 인해, 소스단의 전위가 증가하면서 게이트 소스간 전위인 문턱 전압이 낮아진다. 이는 소스 드레인간 전류를 증가시켜 킹크 전류를 유발한다. 이러한 킹크 전류는 소비 전력을 증가시키고 원활한 스위칭 동작을 방해한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 킹크 전류를 억제할 수 있는 액정 표시 장치의 구동 회로용 스위칭 소자를 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구동 회로용 스위칭 소자는 소스, 드레인, 제1 및 제2 게이트를 포함하며, 상기 제1 게이트와 상기 제2 게이트에는 서로 다른 전압이 인가된다. 여기서, 상기 제1 게이트는 상기 소스에 가까우며, 상기 제2 게이트는 상기 드레인에 가까우며, 상기 제1 게이트에 인가되는 전압은 상기 제2 게이트에 인가되는 전압보다 낮은 것이 바람직하다. 상기 스위칭 소자는 다결정 실리콘(polysilicon)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 액정 표시 장치의 구동 회로용 스위칭 소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 화소에 대한 등가 회로도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치는 액정 표시판 조립체(liquid crystal panel assembly)(300) 및 이에 연결된 게이트 구동부(400), 데이터 구동부(500), 데이터 구동부(500)에 연결된 계조 전압 생성부(800) 그리고 이들을 제어하는 신호 제어부(600)를 포함한다.
액정 표시판 조립체(300)는 등가 회로로 볼 때 복수의 표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)과 이에 연결되어 있으며 대략 행렬의 형태로 배열된 복수의 화소(pixel)를 포함한다.
표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)은 게이트 신호("주사 신호"라고도 함)를 전달하는 복수의 게이트선(G1-Gn)과 데이터 신호를 전달하는 데이터 신호선 또는 데이터선(D1-Dm)을 포함한다. 게이트선(G1-Gn)은 대략 행 방향으로 뻗어 있으며 서로가 거의 평행하고 데이터선(D1-Dm)은 대략 열 방향으로 뻗어 있으며 서로가 거의 평행하다.
각 화소는 표시 신호선(G1-Gn, D1-Dm)에 연결된 스위칭 소자(Q)와 이에 연결된 액정 축전기(liquid crystal capacitor)(CLC) 및 유지 축전기(storage capacitor)(CST)를 포함한다. 유지 축전기(CST)는 필요에 따라 생략할 수 있다.
스위칭 소자(Q)는 하부 표시판(100)에 구비되어 있으며, 삼단자 소자로서 그 제어 단자 및 입력 단자는 각각 게이트선(G1-Gn) 및 데이터선(D1-D m)에 연결되어 있으며, 출력 단자는 액정 축전기(CLC) 및 유지 축전기(CST)에 연결되어 있다.
액정 축전기(CLC)는 하부 표시판(100)의 화소 전극(190)과 상부 표시판(200)의 공통 전극(270)을 두 단자로 하며 두 전극(190, 270) 사이의 액정층(3)은 유전체로서 기능한다. 화소 전극(190)은 스위칭 소자(Q)에 연결되며 공통 전극(270)은 상부 표시판(200)의 전면에 형성되어 있고 공통 전압(Vcom)을 인가받는다. 도 2에서와는 달리 공통 전극(270)이 하부 표시판(100)에 구비되는 경우도 있으며 이때에는 두 전극(190, 270)이 모두 선형 또는 막대형으로 만들어진다.
유지 축전기(CST)는 하부 표시판(100)에 구비된 별개의 신호선(도시하지 않음)과 화소 전극(190)이 중첩되어 이루어지며 이 별개의 신호선에는 공통 전압(Vcom) 따위의 정해진 전압이 인가된다. 그러나 유지 축전기(CST)는 화소 전극(190)이 절연체를 매개로 바로 위의 전단 게이트선과 중첩되어 이루어질 수 있다.
한편, 색 표시를 구현하기 위해서는 각 화소가 색상을 표시할 수 있도록 하여야 하는데, 이는 화소 전극(190)에 대응하는 영역에 적색, 녹색, 또는 청색의 색 필터(230)를 구비함으로써 가능하다. 도 2에서 색 필터(230)는 상부 표시판(200)의 해당 영역에 형성되어 있지만 이와는 달리 하부 표시판(100)의 화소 전극(190) 위 또는 아래에 형성할 수도 있다.
액정 표시판 조립체(300)의 두 표시판(100, 200) 중 적어도 하나의 바깥 면에는 빛을 편광시키는 편광자(도시하지 않음)가 부착되어 있다.
계조 전압 생성부(800)는 화소의 투과율과 관련된 두 벌의 복수 계조 전압을 생성한다. 두 벌 중 한 벌은 공통 전압(Vcom)에 대하여 양의 값을 가지고 다른 한 벌은 음의 값을 가진다.
게이트 구동부(400)는 액정 표시판 조립체(300)의 게이트선(G1-Gn)에 연결되어 외부로부터의 게이트 온 전압(Von)과 게이트 오프 전압(Voff)의 조합으로 이루어진 게이트 신호를 게이트선(G1-Gn)에 인가한다.
데이터 구동부(500)는 액정 표시판 조립체(300)의 데이터선(D1-Dm)에 연결되어 계조 전압 생성부(800)로부터의 계조 전압을 선택하여 데이터 신호로서 화소에 인가한다.
여기서, 게이트 구동부(400) 및 데이터 구동부(500)를 도면에 별도로 도시하였으나, 화소를 형성할 때, 패널에 같이 집적된다.
신호 제어부(600)는 게이트 구동부(400) 및 데이터 구동부(500) 등의 동작을 제어하는 제어 신호를 생성하여, 각 해당하는 제어 신호를 게이트 구동부(400) 및 데이터 구동부(500)에 제공한다.
그러면 이러한 액정 표시 장치의 표시 동작에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.
신호 제어부(600)는 외부의 그래픽 제어기(도시하지 않음)로부터 RGB 영상 신호(R, G, B) 및 이의 표시를 제어하는 입력 제어 신호, 예를 들면 수직 동기 신호(Vsync)와 수평 동기 신호(Hsync), 메인 클록(MCLK), 데이터 인에이블 신호(DE) 등을 제공받는다. 신호 제어부(600)는 입력 제어 신호를 기초로 게이트 제어 신호(CONT1) 및 데이터 제어 신호(CONT2) 등을 생성하고 영상 신호(R, G, B)를 액정 표시판 조립체(300)의 동작 조건에 맞게 적절히 처리한 후, 게이트 제어 신호(CONT1)를 게이트 구동부(400)로 내보내고 데이터 제어 신호(CONT2)와 처리한 영상 신호(R', G', B')는 데이터 구동부(500)로 내보낸다.
게이트 제어 신호(CONT1)는 게이트 온 펄스(게이트 온 전압 구간)의 출력 시작을 지시하는 수직 동기 시작 신호(STV), 게이트 온 펄스의 출력 시기를 제어하는 게이트 클록 신호(CPV) 및 게이트 온 펄스의 폭을 한정하는 출력 인에이블 신호(OE) 등을 포함한다.
데이터 제어 신호(CONT2)는 영상 데이터(R', G', B')의 입력 시작을 지시하는 수평 동기 시작 신호(STH)와 데이터선(D1-Dm)에 해당 데이터 전압을 인가하라는 로드 신호(LOAD), 공통 전압(Vcom)에 대한 데이터 전압의 극성(이하 "공통 전압에 대한 데이터 전압의 극성"을 줄여 "데이터 전압의 극성"이라 함)을 반전시키는 반전 신호(RVS) 및 데이터 클록 신호(HCLK) 등을 포함한다.
데이터 구동부(500)는 신호 제어부(600)로부터의 데이터 제어 신호(CONT2)에 따라 한 행의 화소에 대응하는 영상 데이터(R', G', B')를 차례로 입력받고, 계조 전압 생성부(800)로부터의 계조 전압 중 각 영상 데이터(R', G', B')에 대응하는 계조 전압을 선택함으로써, 영상 데이터(R', G', B')를 해당 데이터 전압으로 변환한다.
게이트 구동부(400)는 신호 제어부(600)로부터의 게이트 제어 신호(CONT1)에 따라 게이트 온 전압(Von)을 게이트선(G1-Gn)에 인가하여 이 게이트선(G 1-Gn)에 연결된 스위칭 소자(Q)를 턴온시킨다.
하나의 게이트선(G1-Gn)에 게이트 온 전압(Von)이 인가되어 이에 연결된 한 행의 스위칭 소자(Q)가 턴 온되어 있는 동안[이 기간을 "1H" 또는 "1 수평 주기(horizontal period)"이라고 하며 수평 동기 신호(Hsync), 데이터 인에이블 신호(DE), 게이트 클록(CPV)의 한 주기와 동일함], 데이터 구동부(500)는 각 데이터 전압을 해당 데이터선(D1-Dm)에 공급한다. 데이터선(D1-Dm )에 공급된 데이터 전압은 턴온된 스위칭 소자(Q)를 통해 해당 화소에 인가된다.
액정 분자들은 화소 전극(190)과 공통 전극(270)이 생성하는 전기장의 변화에 따라 그 배열을 바꾸고 이에 따라 액정층(3)을 통과하는 빛의 편광이 변화한다. 이러한 편광의 변화는 표시판(100, 200)에 부착된 편광자(도시하지 않음)에 의하여 빛의 투과율 변화로 나타난다.
이러한 방식으로, 한 프레임(frame) 동안 모든 게이트선(G1-Gn)에 대하여 차례로 게이트 온 전압(Von)을 인가하여 모든 화소에 데이터 전압을 인가한다. 한 프레임이 끝나면 다음 프레임이 시작되고 각 화소에 인가되는 데이터 전압의 극성이 이전 프레임에서의 극성과 반대가 되도록 데이터 구동부(500)에 인가되는 반전 신호(RVS)의 상태가 제어된다("프레임 반전"). 이때, 한 프레임 내에서도 반전 신호(RVS)의 특성에 따라 한 데이터선을 통하여 흐르는 데이터 전압의 극성이 바뀌거나("라인 반전"), 한 화소행에 인가되는 데이터 전압의 극성도 서로 다를 수 있다("도트 반전").
한편, 게이트 구동부(400) 및 데이터 구동부(500)와 같은 여러 구동 회로는 스위칭 소자로서 TFT를 사용하는데, 이러한 TFT는 게이트가 2개인 이중 게이트 구조를 가지며, 이에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 TFT의 구조를 평면도 및 단면도로서 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 4는 도 3에 도시한 TFT의 전압 인가 방식을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 이중 게이트 TFT는 양측에 소스 전극(s), 드레인 전극(d) 및 2개의 게이트 전극(g1, g2)을 포함하며, 게이트 전극(g1, g2)의 아래에는 반도체층으로 이루어지며 채널층을 형성하는 영역(A1, A2)과 그 사이의 중간 영역(M)을 포함한다. 여기서, 중간 영역(M)은 소스단에 대하여는 드레인단으로, 드레인단에 대하여는 소스단으로 작용한다. 통상의 구조는 종래 기술과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 게이트(g1, g2)에는 서로 다른 전압이 인가된다. 즉, 게이트(g1)에는 전압(V1)이, 게이트(g2)에는 전압(V2)이 인가된다. 여기서, 전압의 크기는 전압(V1)이 전압(V2)보다 작다. 이는 소스 전압을 기준으로 한 것으로서 수식으로 표현하면 다음과 같다.
V1 < V2
이렇게 하면, 드레인단의 측방 전계에 의하여 전자 및 정공이 이동할 때, 게이트(g1)와 소스(s)간 전압이 게이트(g2)와 소스(s)간 전압보다 낮게 되어 영역(A1)의 저항 성분이 증가한다. 이러한 저항 성분의 증가는 소스단(s)으로의 정공의 흐름을 방해하여 결국은 드레인 전류의 급격한 증가를 방지한다. 따라서, 킹크 전류를 억제할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서는 N 채널 트랜지스터를 일례로 설명하였으나, P 채널 트랜지스터에 적용됨은 당연하다.
전술한 바와 같이, 이중 게이트 TFT에서 게이트(g1)에 게이트(g2)보다 낮은 전압을 인가하여 그 아래 위치한 영역(A1)의 저항 성분을 증가시킴으로써, 드레인 전류의 급격한 증가를 방지하여 소비 전력을 감소시키고 원활한 스위칭 동작을 행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 한 화소에 대한 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 액정 표시 장치의 이중 게이트 박막 트랜지스터의 구조이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 도 3에 도시한 이중 게이트 박막 트랜지스터에 전압을 인가하는 방식의 일례이다.

Claims (5)

  1. 액정 표시 장치의 구동 회로용 스위칭 소자로서,
    상기 스위칭 소자는 소스, 드레인, 제1 및 제2 게이트를 포함하며,
    상기 제1 게이트와 상기 제2 게이트에는 서로 다른 전압이 인가되는
    스위칭 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 게이트는 상기 소스에 가까우며, 상기 제2 게이트는 상기 드레인에 가까운 스위칭 소자.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 게이트에 인가되는 전압은 상기 제2 게이트에 인가되는 전압보다 낮은 스위칭 소자.
  4. 제3항에서,
    상기 스위칭 소자는 N 채널 트랜지스터인 스위칭 소자.
  5. 제4항에서,
    상기 스위칭 소자는 다결정 실리콘(polysilicon)으로 이루어지는 스위칭 소자.
KR1020030078311A 2003-11-06 2003-11-06 액정 표시 장치의 구동 회로용 스위칭 소자 KR20050043410A (ko)

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