KR20110081637A - 능동형 표시 장치의 스위칭 소자 및 그 구동 방법 - Google Patents

능동형 표시 장치의 스위칭 소자 및 그 구동 방법 Download PDF

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KR20110081637A
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손경석
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Abstract

전기적 신뢰성이 향상된 능동형 표시 장치의 스위칭 소자 및 그 구동 방법이 개시된다. 개시된 능동형 표시 장치의 스위칭 소자는 직렬 연결된 다수의 박막 트랜지스터를 포함한다. 따라서, 하나의 스위칭 소자 내에서 다수의 박막 트랜지스터가 동시에 온(ON)이 되는 시간 이외에는, 하나의 스위칭 소자 내의 각각의 박막 트랜지스터에 비동시적으로 양의 전압을 인가함으로써 스위칭 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

능동형 표시 장치의 스위칭 소자 및 그 구동 방법{Switching apparatus for active display device and method of driving the same}
능동형 표시 장치의 스위칭 소자 및 그 구동 방법, 더욱 상세하게는 전기적 신뢰성이 향상된 능동형 표시 장치의 스위칭 소자 및 그 구동 방법을 개시한다.
능동형 표시 장치는 각각의 화소에 대한 동작을 제어하는 스위칭 소자를 포함한다. 일반적으로 널리 사용되는 디스플레이용 스위칭 소자로는 박막 트랜지스터(thin film transistor; TFF)가 있다. 예를 들어, 하나의 화소 내에는 하나의 박막 트랜지스터가 스위칭 소자로서 포함되어 있다. 이러한 박막 트랜지스터는 채널 물질로 사용되는 반도체 물질의 종류에 따라 실리콘-TFT, 산화물 TFT, 유기 TFT 등으로 구분될 수 있다. 최근에는 스위칭 속도가 빠른 산화물 TFT가 스위칭 소자로서 많이 사용되는 추세이다.
스위칭 소자는 박막 트랜지스터의 채널에 특정 시간 동안 전류가 흐르도록 하여 원하는 전압이 화소부에 충전되도록 한다. 그 시간이 지나면 스위칭 소자는 채널을 오프(Off)시켜 충전된 화소 전압을 유지시켜 준다. 가장 널리 사용되는 능동 매트릭스형 액정 표시 장치(active matrix liquid crystal display; AMLCD)를 기준으로 설명하면, 박막 트랜지스터가 ON 되어 있는 시간은 구동 주파수와 해상도에 의해 결정된다. 만약 풀 HD(Full HD)급의 해상도를 갖는 120Hz 구동인 경우, 하나의 박막 트랜지스터가 ON 되어 있는 시간은 1/120/1080=7.7㎲가 된다. 그리고, 한 주기 내(1/120=8.3ms)의 나머지 시간 동안 박막 트랜지스터는 오프된 상태로 있다. 따라서, 능동형 표시 장치에서 박막 트랜지스터는 대부분의 시간을 오프된 상태로 머무르게 된다.
비정질 실리콘 박막 트랜지스터나 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 대부분 n-type 반도체 특성을 갖기 때문에, 박막 트랜지스터를 오프시키기 위해서는 음의 게이트 전압이 가해지게 된다. 따라서, 능동형 표시 장치에서 오프된 상태로 머물러 있는 박막 트랜지스터에는 음의 게이트 전압이 지속적으로 인가된다. 그런데, 음의 게이트 전압이 박막 트랜지스터에 일정 시간 지속적으로 인가되면, 음의 방향으로 문턱 전압이 이동하게 된다. 그 결과, 음의 게이트 전압이 인가된 상태에서 누설 전류가 증가할 수 있다. 이러한 문턱 전압의 이동은 빛이 스위칭 소자로 입사되는 조건에서 더욱 심화될 수 있다. 이렇게 누설 전류가 증가하게 되면, 능동형 표시 장치에서 화질을 열화를 초래할 수 있다.
전기적 신뢰성이 향상된 능동형 표시 장치의 스위칭 소자 및 그 구동 방법을 제공한다.
한 유형에 따른 능동형 표시 장치의 스위칭 소자는, 직렬로 연결된 적어도 두 개의 박막 트랜지스터; 및 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터에 각각 개별적으로 연결되는 게이트 라인을 포함할 수 있다.
예를 들어, 능동형 표시 장치의 각각의 화소행마다 상기 박막 트랜지스터의 개수만큼의 독립적인 게이트 라인이 배치될 수 있으며, 각각의 독립적인 게이트 라인은 대응하는 박막 트랜지스터의 게이트에 연결될 수 있다.
이 경우, 화소 충전 시간 동안, 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터가 모두 ON 되도록 각각의 게이트 라인에 양의 게이트 전압이 인가되고, 화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터들 중에서 적어도 하나의 박막 트랜지스터를 OFF 상태로 있게 하면서, 나머지 박막 트랜지스터들을 개별적으로 ON 시킬 수 있다.
또한, 능동형 표시 장치의 각각의 화소행마다 독립적인 게이트 라인이 하나씩 배치될 수도 있으며, 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터의 게이트는 서로 다른 화소행의 게이트 라인에 각각 연결될 수 있다.
상기 박막 트랜지스터는 산화물 반도체를 채널로서 사용하는 산화물 반도체 트랜지스터일 수 있다.
예를 들어, 산화물 반도체로서 Zinc Oxide, Ga-In-Zn Oxide, In-Zn-Oxide, In-Sn-Oxide 및 Tin Oxide 중에서 선택된 어느 하나의 산화물 재료, 또는 상기 산화물 재료에 Al, Ni, Cu, Ta, Ti 및 Hf 중에서 선택된 어느 하나의 원소를 도핑한 산화물 재료를 포함할 수 있다.
다른 유형에 따른 능동형 표시 장치의 스위칭 소자는, 두 개의 게이트를 갖는 이중 게이트 박막 트랜지스터; 및 상기 이중 게이트 박막 트랜지스터의 두 개의 게이트에 각각 개별적으로 연결되는 게이트 라인을 포함할 수 있다.
예를 들어, 능동형 표시 장치의 각각의 화소행마다 독립적인 두 개의 게이트 라인이 배치될 수 있으며, 각각의 독립적인 게이트 라인은 상기 이중 게이트 박막 트랜지스터의 대응하는 게이트에 연결될 수 있다.
또한, 능동형 표시 장치의 각각의 화소행마다 독립적인 게이트 라인이 하나씩 배치될 수도 있으며, 상기 이중 게이트 박막 트랜지스터의 두 개의 게이트는 서로 다른 화소행의 게이트 라인에 각각 연결될 수 있다.
한편, 한 유형에 따른 능동형 표시 장치의 스위칭 소자의 구동 방법은, 화소 충전 시간 동안, 직렬로 연결된 적어도 두 개의 박막 트랜지스터가 모두 ON 되도록 각각의 박막 트랜지스터와 연결된 게이트 라인에 양의 게이트 전압을 인가하는 단계; 및 화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터들 중에서 적어도 하나의 박막 트랜지스터를 OFF 상태로 있게 하면서, 나머지 박막 트랜지스터들을 개별적으로 ON 시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스위칭 소자의 구동 방법에서, 화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 적어도 하나의 게이트 라인에 음의 게이트 전압이 인가될 수 있다.
또한, 상기 스위칭 소자의 구동 방법에서, 화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 각각의 게이트 라인에 양의 게이트 전압이 적어도 1회 인가될 수 있다.
예를 들어, 각각의 박막 트랜지스터에 인가되는 게이트 전압에서 양의 게이트 전압의 듀티비는 0.1% 내지 10%일 수 있다.
또한, 다른 유형에 따른 능동형 표시 장치의 스위칭 소자의 구동 방법은, 화소 충전 시간 동안, 이중 게이트 박막 트랜지스터의 두 개의 게이트에 모두 양의 게이트 전압을 인가하는 단계; 및 화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 상기 이중 게이트 박막 트랜지스터의 두 개의 게이트들 중에서 적어도 하나의 게이트에 음의 게이트 전압을 인가하면서, 나머지 게이트에 개별적으로 양의 게이트 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 스위칭 소자의 구동 방법에서, 화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 각각의 게이트에 양의 게이트 전압이 적어도 1회 인가될 수 있다.
개시된 능동형 표시 장치의 스위칭 소자는 직렬 연결된 다수의 박막 트랜지스터를 포함하기 때문에, 하나의 스위칭 소자 내에서 다수의 박막 트랜지스터가 동시에 온(ON)이 되는 시간 이외에는, 하나의 스위칭 소자 내의 각각의 박막 트랜지스터에 비동시적으로 양의 전압을 인가할 수 있다. 이러한 양의 전압의 인가로 인하여, 음의 방향으로 이동된 박막 트랜지스터의 문턱 전압이 원래의 상태로 회복될 수 있다. 또한, 게이트 구동 주기 내에서 화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 다수의 박막 트랜지스터를 개별적으로 회복시킬 수 있다. 따라서, 기존의 박막 트랜지스터만으로도, 전기적 신뢰성이 향상된 스위칭 소자가 제공될 수 있으며, 능동형 표시 장치의 수명이 증가할 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 능동형 표시 장치의 스위칭 소자의 개략적인 구조를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 스위칭 소자의 구동 방법을 나타내는 타이밍도이다.
도 3은 양의 전압의 듀티비(duty ratio)에 따른 문턱 전압의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 다른 예에 따른 능동형 표시 장치의 스위칭 소자의 개략적인 구조를 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 스위칭 소자의 구동 방법을 나타내는 타이밍도이다.
도 6은 도 4에 도시된 스위칭 소자의 구동 방법을 나타내는 또 다른 타이밍도이다.
도 7은 이중 게이트 구조에서 상부 게이트 전압의 크기에 따른 입출력 전압의 전달 특성(voltage transfer characteristic)을 나타내는 그래프이다.
도 8은 이중 게이트 구조의 박막 트랜지스터를 이용한 스위칭 소자의 개략적인 구조를 나타낸다.
도 9는 이중 게이트 구조의 박막 트랜지스터를 이용한 또 다른 스위칭 소자의 개략적인 구조를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 능동형 표시 장치의 스위칭 소자 및 그 구동 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
먼저, 도 1은 일 예에 따른 능동형 표시 장치의 스위칭 소자(10)의 개략적인 구조를 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 하나의 화소(20)에 대한 동작을 제어하는 스위칭 소자(10)는 직렬로 연결된 다수의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2, ..., TFTm)와 상기 다수의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2, ..., TFTm)에 각각 개별적으로 연결되는 독립적인 다수의 게이트 라인(GL1, GL2, ..., GLm)을 가질 수 있다. 박막 트랜지스터는, 예를 들어, 산화물 반도체를 채널로서 사용하는 산화물 반도체 트랜지스터일 수 있다. 예컨대, 산화물 반도체로서 Zinc Oxide, Ga-In-Zn Oxide, In-Zn-Oxide, In-Sn-Oxide, Tin Oxide 등과 같은 산화물 또는 상기 산화물에 Al, Ni, Cu, Ta, Ti, Hf 등과 같은 원소를 도핑한 재료가 사용 될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 화소(20)는 직렬로 연결된 다수의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2, ..., TFTm)들 중 마지막 박막 트랜지스터(TFTm)에 연결되어 있다. 또한, 직렬로 연결된 다수의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2, ..., TFTm)들 중 첫번째 박막 트랜지스터(TFT1)에는 전원 라인(Vd)이 연결되어 있다. 그리고 독립적인 다수의 게이트 라인(GL1, GL2, ..., GLm)은 다수의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2, ..., TFTm)들 중 대응하는 하나의 박막 트랜지스터의 게이트에 연결되어 있다. 예를 들어, 제 1 게이트 라인(GL1)은 제 1 박막 트랜지스터(TFT1)의 게이트에 연결된다.
이러한 구조에서, 화소(20)에 데이터 전압이 인가되는 충전 시간(charging time)은 다수의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2, ..., TFTm)들이 모두 온(ON) 되어 있을 경우에만 발생할 수 있다. 일단 화소(20)가 충전된 후, 다수의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2, ..., TFTm)들 중 어느 하나라도 오프(OFF) 상태가 되면, 데이터 신호는 더 이상 화소(20)에 전달되지 않고, 화소(20)는 충전된 전압을 유지하게 된다. 따라서, 화소(20)에 데이터 전압이 인가되는 충전 시간이 아닌 경우에, 모든 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2, ..., TFTm)들이 오프 상태로 될 필요가 없으며, 일부의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2, ..., TFTm)에 개별적으로 ON 전압을 인가할 수 있다. 이렇게 함으로써, 개개의 박막 트랜지스터에서 음의 방향으로 문턱 전압이 이동하는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 스위칭 소자(10)의 예시적인 구동 방법을 나타내는 타이밍도이다. 도 2에서, 스위칭 소자(10)는 직렬로 연결된 3개의 박막 트랜지스터를 갖는다고 가정하였다. 따라서 도 2에는 3개의 게이트 라인(GL1, GL2, GL3)에 입력되는 게이트 전압의 파형이 도시되어 있다. 그러나 설계자의 선택에 따라서, 단지 2개의 박막 트랜지스터만을 사용하는 것도 가능하며, 또는 4개 이상의 박막 트랜지스터를 사용하는 것도 가능하다. 다시 도 2를 참조하면, 시간 t1에서 3개의 게이트 라인(GL1, GL2, GL3)에 양의 게이트 전압이 동시에 인가된다. 이때, 3개의 박막 트랜지스터가 모두 ON 상태로 되면서, 화소(20)에 데이터 전압이 인가된다. 그 외의 시간(t2, t3, ...)에는 게이트 라인(GGL1, GL2, GL3)들 중 적어도 하나에 음의 게이트 전압이 인가되고, 그 결과 3개의 박막 트랜지스터들 중 적어도 하나는 OFF 상태로 된다. 따라서, 스위칭 소자(10)에 연결된 화소(20)에서 느끼는 유효 게이트 충전 시간(effective gate charging time)은 도 2의 가장 아래쪽과 같이 될 것이다. 그 결과, 3개의 박막 트랜지스터가 모두 ON 상태로 되는 화소 충전 시간 t1을 제외하고는, 나머지 시간에서 화소(20)에 입력되는 데이터 전압은 없다.
3개의 박막 트랜지스터가 모두 ON 상태로 되는 화소 충전 시간 t1을 제외한 나머지 시간에는, 게이트 라인(GL1, GL2, GL3)들에 개별적으로 양의 게이트 전압을 인가하여 박막 트랜지스터들을 개별적으로 ON 시킨다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 시간 t3에서 제 1 박막 트랜지스터와 제 3 박막 트랜지스터가 ON 되고, 시간 t4에서 제 2 박막 트랜지스터가 ON 되며, 시간 t5에서 제 1 박막 트랜지스터가 ON 된다. 도 2에는 시간 t6까지만 도시되어 있지만, 더욱 많은 시간 주기가 존재할 수 있다. 예를 들어, 1080개의 화소행을 갖는 풀 HD급 해상도에서 하나의 화면을 스캐닝하는 동안에 시간 t1~t1080이 존재할 수 있다. 이 경우, 예를 들어 어느 한 행의 화소(20)에 데이터 전압이 인가되는 화소 충전 시간 t1을 제외한 시간 t2~t1080 동안, 3개의 박막 트랜지스터들 중에서 적어도 하나의 박막 트랜지스터를 OFF 상태로 있게 하면서, 3개의 박막 트랜지스터들을 개별적으로 반복하여 또는 적어도 1회 ON 시키는 것이 가능하다. 이렇게 함으로써, 음의 게이트 전압의 인가로 인하여 음의 방향으로 이동한 문턱 전압이 원래의 상태로 회복될 수 있다(이하의 설명에서는, 음의 방향으로 이동한 문턱 전압이 원래의 상태로 회복되는 것을 박막 트랜지스터가 회복(refresh)되었다고 표현한다).
도 3은 예컨대 60Hz 주기를 갖는 펄스에서 양의 전압의 듀티비(duty ratio)를 변화시키면서 시간에 따른 문턱 전압 변화율을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 여기서, 듀티비란 한 주기의 펄스 중에서 양의 펄스 전압이 인가되는 시간의 비율을 의미한다. 도 3의 그래프를 참조하면, 양의 전압이 인가되는 시간이 증가함에 따라 문턱 전압이 음으로 이동되는 현상은 억제된다. 또한, 10% 이상의 듀티비에서는 오히려 양의 방향으로 문턱 전압이 이동한다. 따라서, 능동형 표시 장치에서 하나의 화면을 스캐닝하는 동안, 개개의 박막 트랜지스터에 양의 전압이 인가되는 시간을 조절함으로써 문턱 전압의 이동을 최소화하는 것이 가능하다. 단지 어느 한 화소행의 화소(20)에 데이터 전압을 인가할 때에만 그 화소(20)에 연결된 스위칭 소자(10)의 박막 트랜지스터들이 모두 ON 되며, 나머지 시간에는 문턱 전압의 이동을 억제하도록 각각의 박막 트랜지스터들이 개별적으로 ON 또는 OFF 될 수 있다. 예를 들어, 각각의 박막 트랜지스터들에 인가되는 게이트 전압에서 양의 게이트 전압의 듀티비는 0.1% 내지 10% 정도일 수 있다.
이러한 스위칭 소자(10)의 원리는 다음과 같다. 즉, 일반적으로 박막 트랜지스터에 빛과 게이트 오프 전압(통상 -8V 정도)이 동시에 인가되면, 박막 트랜지스터의 채널 층 내부에서 빛에 의해 생성된 정공(hole)들이 게이트 절연막과 반도체 채널층 사이의 계면으로 이동하여 포획(trap)된다. 이러한 정공의 포획은 박막 트랜지스터의 문턱 전압을 음의 방향으로 이동시킨다. 반대로, 게이트 온 전압이 박막 트랜지스터의 게이트에 인가되는 경우에는, 정공은 채널층과 게이트 절연막 사이의 계면에서 풀려나와(detrap) 다수의 전자와 결합하여 사라지고, 오히려 전자가 상기 계면에 포획된다. 이 경우에, 문턱 전압은 양의 방향으로 이동된다. 단지 하나의 박막 트랜지스터를 스위칭 소자로서 사용하는 경우에는, 박막 트랜지스터의 게이트에 일시적으로 양의 게이트 전압이 인가되고, 대부분의 시간 동안에는 음의 게이트 전압이 인가된다. 그 결과, 박막 트랜지스터의 문턱 전압이 음의 방향으로 이동하기 쉽다. 도 1에 도시된 스위칭 소자(10)의 경우, 적어도 두 개의 박막 트랜지스터를 사용함으로써, 각각의 박막 트랜지스터의 게이트에 양의 게이트 전압이 인가되는 시간을 늘릴 수 있다. 따라서, 박막 트랜지스터의 문턱 전압이 음의 방향으로 이동하는 것을 억제할 수 있으므로, 스위칭 소자의 전기적 신뢰성이 향상되고, 그 결과 능동형 표시 장치의 수명이 증가할 수 있다.
도 4는 다른 예에 따른 스위칭 소자(30)의 개략적인 구조를 도시하고 있다. 도 4에 도시된 예의 스위칭 소자(30)도 역시 직렬로 연결된 다수의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2)를 갖고 상기 다수의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2)에 상이한 게이트 라인이 연결된다는 점에서는 도 1에 도시된 예의 스위칭 소자(10)와 같다. 그러나, 도 4에 도시된 스위칭 소자(30)는, 도 1에 도시된 스위칭 소자(10)와는 다르게 별도의 추가적인 게이트 라인을 갖지 않고, 인접한 화소행의 게이트 라인을 이용한다.
도 1에 도시된 방식으로 스위칭 소자(10)를 구성하는 경우, 하나의 능동형 표시 장치는 각각의 화소행마다 스위칭 소자(10) 내의 박막 트랜지스터의 개수만큼의 독립적인 게이트 라인이 필요하다. 따라서, 하나의 화소(20)에 대한 스위칭 소자(10)가 m개의 박막 트랜지스터를 갖는다면, 1080개의 화소행을 갖는 풀 HD의 경우에 1080×m 개의 독립적인 게이트 라인이 요구된다. 반면, 도 4에 도시된 방식으로 스위칭 소자(30)를 구성하는 경우, 별도의 게이트 라인을 추가하지 않고 기존의 게이트 라인을 그대로 이용할 수 있다.
도 4를 참조하면, 스위칭 소자(30)는 2개의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2)를 갖는 것으로 예시적으로 도시되어 있다. 예를 들어 i번째 화소행을 보면, 화소(20i)는 직렬로 연결된 2개의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2) 중에서 제 2 박막 트랜지스터(TFT2)에 연결되어 있다. 제 1 박막 트랜지스터(TFT1)에는 전원 라인(Vd)이 연결되어 있다. 여기서, 제 2 박막 트랜지스터(TFT2)의 게이트는 i번째 화소행의 게이트 라인(GLi)에 연결되어 있는 반면, 제 1 박막 트랜지스터(TFT1)의 게이트는 i번째 화소행의 게이트 라인(GLi)이 아닌 다른 화소행의 게이트 라인과 연결된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 박막 트랜지스터(TFT1)의 게이트는 (i-2)번째 화소행의 게이트 라인(GL(i-2))에 연결될 수 있다. 또한 이와 반대로, 제 2 박막 트랜지스터(TFT2)의 게이트가 (i-2)번째 화소행의 게이트 라인(GL(i-2))에 연결되고 제 1 박막 트랜지스터(TFT1)의 게이트가 i번째 화소행의 게이트 라인(GLi)에 연결될 수도 있다. 또한, 설계자의 선택에 따라서, 제 1 박막 트랜지스터(TFT1)의 게이트는 (i-1)번째 게이트 라인(GL(i-1))이나 (i-3)번째 게이트 라인(GL(i-3)) 등 다른 게이트 라인에 연결되는 것도 가능하다.
도 5는 도 4에 도시된 스위칭 소자(30)의 구동 방법을 나타내는 예시적인 타이밍도이다. 도 5를 참조하면, (i-2)번째 게이트 라인(GL(i-2))에는 시간 t1과 t3에서 양의 펄스가 인가되며, (i-1)번째 게이트 라인(GL(i-1))에는 시간 t2와 t4에서 양의 펄스가 인가되고, i번째 게이트 라인(GLi)에는 시간 t3과 t5에서 양의 펄스가 인가된다. 따라서, 시간 t3에서 제 1 및 제 2 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2)가 모두 ON으로 되며, 이때 i번째 화소(20i)에 데이터 전압이 인가된다. 시간 t1에서, 제 1 박막 트랜지스터(TFT1)에 양의 게이트 전압이 인가됨으로써 제 1 박막 트랜지스터(TFT1)가 회복된다. 또한, 제 2 박막 트랜지스터(TFT2)는 시간 t5에서 회복될 수 있다. 도 5에는 t3 이외의 시간에서 각각의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2)에 양의 게이트 전압이 단지 1번 인가되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 화소 충전 시간인 t3 이외의 시간에서 두 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2)가 동시에 ON되지 않는 조건 하에서, 각각의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2)에 양의 게이트 전압이 2번 이상 인가되도록 할 수도 있다.
도 4의 스위칭 소자(30)는 2개의 박막 트랜지스터(TFT1, TFT2)를 갖는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라 스위칭 소자(30)는 3개 이상의 박막 트랜지스터를 가질 수도 있다. 만약 스위칭 소자(30)가 3개의 박막 트랜지스터를 갖는다면, 제 3 박막 트랜지스터는 (i-4)번째 화소행의 게이트 라인(GL(i-4))에 연결되거나, 또는 (i+2)번째 화소행의 게이트 라인(GL(i+2))에 연결될 수도 있다. 제 3 박막 트랜지스터가 (i-4)번째 게이트 라인(GL(i-4))에 연결된 경우, 각각의 화소행별로 인가되는 게이트 전압의 펄스는 도 6과 같이 될 수 있다. 도 6의 경우, i번째 화소(20i)는 시간 t5에서 데이터 전압을 인가 받는다.
한편, 도 1에 도시된 스위칭 소자(10)와 도 4에 도시된 스위칭 소자(30)는 다수의 박막 트랜지스터를 이용하고 있으나, 2개의 게이트를 갖는 하나의 이중 게이트 박막 트랜지스터를 이용하는 것도 가능하다. 이중 게이트 박막 트랜지스터는 채널인 산화물 반도체를 기준으로 그 하부에 제 1 절연막과 제 1 게이트를, 그 상부에 제 2 절연막과 제 2 게이트를 갖는 구조이다. 편의상, 산화물 반도체 하부의 게이트를 하부 게이트(bottom gate)라고 부르고, 상부의 게이트를 상부 게이트(top gate)로 부른다.
이러한 이중 게이트 구조의 박막 트랜지스터에서 상부 게이트 전극에 고정된 DC 전압을 인가한 상태에서 하부 게이트 전극에 -30V부터 +40V까지의 전압을 인가하여 얻은 전달 곡선(transfer curve)이 도 7에 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 상부 게이트 전극에서 음의 DC 전압을 증가시킬수록, 하부 게이트에서 박막 트랜지스터의 문턱전압은 양의 방향으로 증가한다. 예를 들어, 상부 게이트에 약 -10V의 전압을 인가한 상태에서 박막 트랜지스터를 ON시키기 위해서는, 하부 게이트에 약 +15V 이상의 전압이 인가되어야 한다.
상기와 같은 이중 게이트 박막 트랜지스터의 특성을 이용하여, 스위칭 소자를 구성할 수 있다. 예를 들어, 도 8은 이중 게이트 박막 트랜지스터(TFT)의 두 개의 게이트(G1, G2)에 각각 별개의 독립적인 게이트 라인(GL1, GL2)을 연결한 구조를 갖는 스위칭 소자(10')를 도시한다. 예를 들어, 제 1 게이트(G1)는 제 1 게이트 라인(GL1)과 연결되어 있으며, 제 2 게이트(G2)는 추가적인 제 2 게이트 라인(GL2)과 연결되어 있다. 따라서, 도 8에 도시된 스위칭 소자(10')는 도 1에 도시된 스위칭 소자(10)의 구조에서 다수의 박막 트랜지스터들을 하나의 이중 게이트 박막 트랜지스터로 대체한 것이다. 이러한 스위칭 소자(10')의 구조에서, 화소 충전 시간 동안 두 게이트(G1, G2)에 모두 양의 게이트 전압을 인가하면, 박막 트랜지스터(TFT)가 ON으로 된다. 화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안은, 게이트 라인(GL1, GL2) 중에서 하나의 라인에 박막 트랜지스터(TFT)를 OFF 시킬만큼의 음의 전압이 인가된다. 도 7의 그래프를 보면, 박막 트랜지스터의 OFF 전압은 -10V를 사용하고, ON 전압은 최대 +15V를 사용할 수 있다. 박막 트랜지스터(TFT)가 동시에 ON이 되는 화소 충전 시간을 제외하고, 나머지 시간 동안에 도 1 및 도 2에서 설명한 방식으로 박막 트랜지스터를 회복시킬 수 있다.
또한, 도 9는 이중 게이트 구조의 박막 트랜지스터를 이용한 또 다른 스위칭 소자(30')의 개략적인 구조를 나타낸다. 도 9의 스위칭 소자(30')는 도 4에 도시된 스위칭 소자(30)의 구조에서 다수의 박막 트랜지스터들을 하나의 이중 게이트 박막 트랜지스터로 대체한 것이다. 따라서, 도 9에 도시된 스위칭 소자(30')는 별도의 추가적인 게이트 라인을 갖지 않고, 인접한 화소행의 게이트 라인을 이용한다. 예를 들어, i번째 화소행의 박막 트랜지스터에서, 제 1 게이트(G1)는 (i-2)번째 화소행의 게이트 라인(GL(i-2))과 연결되며, 제 2 게이트(G2)는 i번째 화소행의 게이트 라인(GLi)과 연결될 수 있다. 도 9에는 제 1 게이트(G1)가 (i-2)번째 화소행의 게이트 라인(GL(i-2))과 연결되는 것으로 도시되었지만, 제 1 게이트(Gi)는 i번째 화소행의 게이트 라인(GLi)을 제외한 어떠한 화소행의 게이트 라인과도 연결될 수 있다. 이러한 스위칭 소자(30')의 동작은 도 4에 도시된 스위칭 소자(30)의 동작과 같다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 능동형 표시 장치의 스위칭 소자 및 그 구동 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10,10',30,30'.....스위칭 소자 20.....화소
TFT.....박막 트랜지스터 GL.....게이트 라인

Claims (21)

  1. 직렬로 연결된 적어도 두 개의 박막 트랜지스터; 및
    상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터에 각각 개별적으로 연결되는 게이트 라인을 포함하는 능동형 표시 장치의 스위칭 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터는 산화물 반도체를 채널로서 사용하는 산화물 반도체 트랜지스터인 스위칭 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체로서 Zinc Oxide, Ga-In-Zn Oxide, In-Zn-Oxide, In-Sn-Oxide 및 Tin Oxide 중에서 선택된 어느 하나의 산화물 재료, 또는 상기 산화물 재료에 Al, Ni, Cu, Ta, Ti 및 Hf 중에서 선택된 어느 하나의 원소를 도핑한 산화물 재료를 포함하는 스위칭 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    능동형 표시 장치의 각각의 화소행마다 상기 박막 트랜지스터의 개수만큼의 독립적인 게이트 라인이 배치되어 있으며, 각각의 독립적인 게이트 라인은 대응하는 박막 트랜지스터의 게이트에 연결되어 있는 스위칭 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    화소 충전 시간 동안, 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터가 모두 ON 되도록 각각의 게이트 라인에 양의 게이트 전압이 인가되는 스위칭 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터들 중에서 적어도 하나의 박막 트랜지스터를 OFF 상태로 있게 하면서, 나머지 박막 트랜지스터들을 개별적으로 ON 시키는 스위칭 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    능동형 표시 장치의 각각의 화소행마다 독립적인 게이트 라인이 하나씩 배치되어 있으며, 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터의 게이트는 서로 다른 화소행의 게이트 라인에 각각 연결되어 있는 스위칭 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    화소 충전 시간 동안, 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터가 모두 ON 되도록 각각의 게이트 라인에 양의 게이트 전압이 인가되며,
    화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터들 중에서 적어도 하나의 박막 트랜지스터를 OFF 상태로 있게 하면서, 나머지 박막 트랜지스터들을 개별적으로 ON 시키는 스위칭 소자.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 박막 트랜지스터는 산화물 반도체를 채널로서 사용하는 산화물 반도체 트랜지스터인 스위칭 소자
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 산화물 반도체로서 Zinc Oxide, Ga-In-Zn Oxide, In-Zn-Oxide, In-Sn-Oxide 및 Tin Oxide 중에서 선택된 어느 하나의 산화물 재료, 또는 상기 산화물 재료에 Al, Ni, Cu, Ta, Ti 및 Hf 중에서 선택된 어느 하나의 원소를 도핑한 산화물 재료를 포함하는 스위칭 소자.
  11. 두 개의 게이트를 갖는 이중 게이트 박막 트랜지스터; 및
    상기 이중 게이트 박막 트랜지스터의 두 개의 게이트에 각각 개별적으로 연결되는 게이트 라인을 포함하는 능동형 표시 장치의 스위칭 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    능동형 표시 장치의 각각의 화소행마다 독립적인 두 개의 게이트 라인이 배치되어 있으며, 각각의 독립적인 게이트 라인은 상기 이중 게이트 박막 트랜지스터의 대응하는 게이트에 연결되어 있는 스위칭 소자.
  13. 제 11 항에 있어서,
    능동형 표시 장치의 각각의 화소행마다 독립적인 게이트 라인이 하나씩 배치되어 있으며, 상기 이중 게이트 박막 트랜지스터의 두 개의 게이트는 서로 다른 화소행의 게이트 라인에 각각 연결되어 있는 스위칭 소자.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    화소 충전 시간 동안, 상기 두 개의 게이트에 모두 양의 게이트 전압이 인가되며,
    화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 상기 두 개의 게이트들 중에서 어느 하나의 게이트에 음의 게이트 전압을 인가하면서, 다른 하나의 게이트에 양의 게이트 전압을 인가하는 스위칭 소자.
  15. 화소 충전 시간 동안, 직렬로 연결된 적어도 두 개의 박막 트랜지스터가 모두 ON 되도록 각각의 박막 트랜지스터와 연결된 게이트 라인에 양의 게이트 전압을 인가하는 단계; 및
    화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 상기 적어도 두 개의 박막 트랜지스터들 중에서 적어도 하나의 박막 트랜지스터를 OFF 상태로 있게 하면서, 나머지 박막 트랜지스터들을 개별적으로 ON 시키는 단계를 포함하는 능동형 표시 장치의 스위칭 소자의 구동 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 적어도 하나의 게이트 라인에 음의 게이트 전압이 인가되는 스위칭 소자의 구동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 각각의 게이트 라인에 양의 게이트 전압이 적어도 1회 인가되는 스위칭 소자의 구동 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    각각의 박막 트랜지스터에 인가되는 게이트 전압에서 양의 게이트 전압의 듀티비는 0.1% 내지 10%인 스위칭 소자의 구동 방법.
  19. 화소 충전 시간 동안, 이중 게이트 박막 트랜지스터의 두 개의 게이트에 모두 양의 게이트 전압을 인가하는 단계; 및
    화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 상기 이중 게이트 박막 트랜지스터의 두 개의 게이트들 중에서 적어도 하나의 게이트에 음의 게이트 전압을 인가하면서, 나머지 게이트에 개별적으로 양의 게이트 전압을 인가하는 단계를 포함하는 능동형 표시 장치의 스위칭 소자의 구동 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    화소 충전 시간을 제외한 나머지 시간 동안, 각각의 게이트에 양의 게이트 전압이 적어도 1회 인가되는 스위칭 소자의 구동 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 이중 게이트 박막 트랜지스터의 각각의 게이트에 인가되는 게이트 전압에서 양의 게이트 전압의 듀티비는 0.1% 내지 10%인 스위칭 소자의 구동 방법.
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