P형 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 이용한 게이트 드라이버용 DC-DC 변환기 설계

Abstract

Recently, the market for mobile applications such as cellular phones, portable multimedia player (PMP) and smart phones has been growing rapidly. Mobile display systems have many requirements such as less interconnection lines, lower cost, low power consumption, higher reliability, light weight and compact size. In the low temperature poly-Si (LTPS) technology case, the pixel elements and peripheral driver circuits such as gate driver, source driver, timing-controller and power management circuit can be integrated together on a glass substrate. Therefore, LTPS technology has gotten a new look due to the reducing the cost of flexible printed circuit board (FPCB) to connect driver ICs, the process steps and additional cost of external IC. Currently, since general integrated driver IC is designed using CMOS-type TFTs, very many masks and additional processes steps are needed to integrate driver IC. Thus, process cost increase, product yield decrease, and reliability are not ensured when the circuits operate. Generally, N-type TFT is significantly degraded compared to P-type TFT because of its hot carrier effect. When design driver IC using CMOS-type TFTs, LDD process to prevent degradation of N-type TFT is added that causes high process cost and low product yield. Therefore it is necessary to research designing circuit using P-type TFTs rather than N-TFTs. Gate driver of mobile display systems uses high level voltage to control on/off of gate nodes of pixel electrode. To supply such high level voltage, it is necessary not only internal logic supply voltages to supply low level voltage but also additional external power IC to supply high level voltage. But, display system cost increase because external IC made by high-voltage-handling-process is high cost. However, when using the integrated DC-DC converter that receives one supplied voltage and makes various voltages at pixels and peripheral circuits, the cost of display system could be reduced. Therefore, DC-DC converter should be integrated as well as other circuits. In the design of systems using LTPS technology, cross-coupled type DC-DC converter using CMOS-type TFTs and Dickson’s charge pump using P-type TFTs are use as the power management IC, generally. In type of CMOS cross-coupled type DC-DC converter, it has the high power efficiency, on the other hand, both N-type TFT and P-type TFT are used. In type of P-type Dickson’s charge pump, it is entirely composed of P-type TFT, on the other hand, has low power efficiency because of structural feature. In this thesis, the DC-DC Converter Using P-type Low-Temperature Poly-Si TFTs with high efficiency is designed for gate driver. It is composed of P-type TFTs, entirely and it has the high power efficiency. This structure use the diode connected TFTs and capacitive coupling effect for voltage control at the gate node with fast and accurate when the up-converting and down-converting. The proposed DC-DC converter was fabricated in P-type LTPS TFT process. It was verified through the measurement and measured results are as follow. The output voltage and power efficiency are 8.8V and 79.6% in voltage up-conversion while consuming a load current of 250μA. As a result, the power efficiency is increased to 202.0% and integrated circuit area is reduced to 63.3% compared to the Dickson’s charge pump.; 최근 PMP나 스마트 폰, 휴대폰등과 같은 휴대용 정보기기 시장이 급속히 성장하고 있다. 이러한 휴대용 정보기기에 있어 저 소비전력, 저 가격 및 연결 라인 수 감소, 높은 안정성을 갖춘 작고 가벼운 디스플레이 시스템이 절실히 요구되고 있다. 저온 다결정 실리콘(LTPS)기술은 평판 디스플레이 시스템에 화소부와 함께 게이트 드라이버, 소오스 드라이버, 타이밍 컨트롤러 및 전압제어 회로와 같은 단위회로들을 동일 유리기판 위에 집적함으로써 외부의 구동 칩을 사용(연결)하기 위한 flexible PCB의 단가를 낮출 수 있으며 생산공정을 단순화 시킬 수 있고, 외부 구동 칩을 사용할 경우 발생하는 추가 비용이 필요 없어 주목 받고 있다. 특히, 패널 제작 시 공정 수율 향상 및 공정 단가 감소를 위해 P형 TFT만을 이용한 구동회로의 설계 및 집적에 대한 연구가 더욱 주목 받고 있다. 현재 주로 사용되는 구동회로 집적형태는 주로 CMOS 형태의 TFT을 사용하여 회로를 설계하기 때문에 구동회로 집적 시 많은 수의 마스크가 사용되게 되고, 추가 공정이 필요하게 된다. 따라서 공정 단가는 증가하고 수율은 떨어지게 되며, 회로의 동작에 있어 신뢰성 문제를 야기할 수 있다. 일반적으로 N형 TFT는 P형 TFT에 비해 소자 구동 시 hot carrier에 의한 특성저하가 심하게 나타나게 되는데, CMOS 형태의 TFT를 이용 하여 구동 회로를 설계할 때는 N형 TFT에 의한 특성저하를 방지하기 위해 LDD 공정이 추가하게 되어 공정 수율의 저하와 제조비용 상승으로 이어진다. 따라서 가급적 N형 TFT보다는 P형 TFT를 이용한 회로 설계에 대한 연구 필요하다. 모바일용 디스플레이 시스템에서 게이트 드라이버는 화소의 게이트 노드를 on/off하기 위해 높은 레벨의 전압을 사용한다. 이렇게 높은 레벨의 전압을 시스템 내에 공급하기 위해서 낮은 레벨의 내부 전압 외에 추가적인 전원 공급용 외부 IC 가 필요하게 된다. 하지만, 이러한 외부 IC는 고전압 공정을 통해 제작되므로 가격이 높고, 이는 디스플레이 시스템의 가격 상승을 초래한다. 그러나, 한 개의 전원 전압을 공급받아 여러 전압 원을 생성해주는 전압-전압 변환기를 화소 및 주변 회로와 함께 시스템 내에 내장 할 경우 디스플레이 시스템의 가격을 낮출 수 있다. 따라서, 이러한 전압-전압 변환기는 반드시 시스템 내에 집적되어야 한다. 현재 저온 다결정 실리콘(LTPS)기술을 이용한 시스템 설계에서는 CMOS형 TFT를 사용한 교차결합 형 전압-전압 변환기와 P형 또는 N형 TFT만을 이용한 Dickson’s charge pump 형태의 전압-전압 변환기가 널리 사용되고 있다. 교차결합 형 구조의 경우 효율은 높은 반면 두 가지 형태의 TFT가 모두 사용되고, Dickson’s charge pump 형태의 경우 P형 TFT만을 사용하여 구현은 가능하나, 구조 특성상 효율이 낮다는 단점이 있다. 본 논문에서는 저온 다결정 실리콘(LTPS)기술을 이용하여 P형 TFT만으로 구성이 가능하면서도 높은 효율을 가지는 교차결합 형 전압-전압 변환기를 설계 및 제안하였다. 제안된 전압-전압 변환기는 P형 TFT만으로 구성되었으며, 업-컨버팅, 다운-컨버팅 시 교차 결합된 스위치의 게이트 노드를 제어하기 위해 다이오드 접속된 TFT와 캐패시터를 이용한 정전용량 결합 효과를 이용하였다. 이는 빠르고, 정확한 스위치 동작을 가능하게 하였다. 제안된 전압-전압 변환기는 저온 다결정 실리콘(LTPS)기술을 이용하여 제작되었으며, 측정을 통하여 그 성능을 검증하였고, 측정 결과는 다음과 같다. 부하전류가 250μA일 때, 포지티브 변환기의 경우, 8.8V의 출력전압과 79.6%의 전력 효율을 나타냈으며, 네거티브 변환기의 경우, -3.4V의 출력전압과 57.2%의 전력 효율을 나타내었다. 이는 기존에 보고되었던 Dickson’s charge pump와 비교하였을 때, 전력효율은 202.0%까지 증가하였고, 집적면적은 63.3%까지 감소하였음을 나타내는 것이다.