저온 poly-Si TFT를 이용한 휴대기기 영상표시장치용 구동회로의 소면적, 저소비전력 8-bit DAC 설계

Abstract

최근 모바일 디스플레이(mobile display)의 시장 규모가 급격히 팽창함에 따라 SoP(System on Panel)기술에 대한 기대가 매우 높아지고 있다. 픽셀(pixel)에 쓰이는 TFT를 이용하여 구동회로 및 인터페이스(interface)회로, 전원회로 등을 패널(panel) 내에 집적하는 SoP 기술이 성공적으로 구현되면 낮은 가격으로도 고화질의 다양한 기능을 수행할 수 있는 ASD(Advanced System Display)구현이 가능해지기 때문이다. 그러나 이러한 궁극적인 목표가 달성되기 위해서는 소자의 전기적 특성 산포가 매우 크고, 전류구동능력이 현저히 떨어지며, 긴 채널 길이를 갖는 TFT를 이용하여 안정적으로 동작하면서도 소면적, 저소비전력 갖는 회로를 설계할 수 있는 기술개발이 반드시 선행되어야 한다. 특히 구동회로에서 가장 큰 면적과 전력이 소요되는 DAC에 대한 회로설계기술은 가장 핵심적으로 개발되어야 할 기술이다. 그런데 현재 대부분의 디스플레이 구동회로에 적용되는 RDAC (R-string type DAC)는 디코더(decoder)나 ROM 타입(type)의 스위치 어레이(switch array)를 이용하여 다수의 계조전압 중 하나를 선택하는 구조로 사용되어 소요되는 회로면적이 매우 크다. 또한 이러한 회로면적은 영상데이터가 1-bit증가함에 따라 2배 이상 면적이 증가하기 때문에 8-bit를 구현할 경우 6-bit에 비해 4배 이상의 면적이 요구된다. 끊임없는 기술개발을 통해 TFT의 단 채널화가 많이 이루어지긴 했지만, 여전히 DAC와 같이 높은 전압으로 동작하는 회로에는 장 채널의 TFT를 사용해야 하기 때문에, 일반적인 RDAC 구조로는 8-bit의 구현이 사실상 불가능하다. 한편 RDAC는 소비전력과 동작속도 등의 문제로 아날로그 버퍼(analog buffer)와 함께 사용되어야 한다. 그런데 아날로그 버퍼는 TFT의 이동도와 문턱전압의 산포가 커서 채널별 균일성을 보장하기 어렵다. 이러한 문제는 SoP 패널의 수율을 떨어뜨리는 직접적인 원인이 될 수 있으므로 이에 대한 해결책도 반드시 제시되어야 한다. 이러한 문제들에 대한 해결책으로 본 논문에서는 컬럼 라인(column line)의 기생 커패시턴스를 이용한 새로운 형태의 8-bit serial DAC를 제안하였다. 제안된 DAC는 2가지로서 하나는 5개의 외부 전원을 사용하여 상위 2-bit을 표현하고, serial DAC로 하위 6-bit을 표현하여 총 8-bit을 표현하는 구조이고, 다른 하나는 상위 6-bit은 RDAC로 표현하고, serial DAC로 하위 2-bit을 표현하는 구조이다. 제안된 구조를 2인치 qVGA의 AMOLED 패널에 적용한 결과 5개의 외부 전원을 사용하는 구조는 기존의 6-bit DAC의 약 50%의 면적만 소요되었으며, RDAC와 serial DAC가 혼합된 구조는 기존의 6-bit DAC에 21%의 면적만 추가하여 8-bit DAC의 구현이 가능하였다.; Recent explosive growth of mobile display market strongly drives the development of SoP(System on Panel) technology for the low-cost, high-image quality, and multi-functional display system named ASD(Advanced System Display). This ultimate goal of SoP technology requires compact, low-power and reliable TFT circuits in the face of large variations of the TFT characteristics, low current capability, and the large device dimension. Especially, a compact and low-power DAC (Digital-to-Analog Converter) circuit is absolutely necessary, because it takes the largest portion of the driver circuit area and the power consumption. Short-channel TFTs with the channel length of 2μm or less have been reported, but these short channel TFTs contribute little to reducing the DAC area. The channel length of TFTs for DAC circuits should be still long enough, because the operation voltage of the DAC is high, around 10V, whereas the reported short channel TFTs have the operation of voltage of 5V or less. A resistor-string based DAC is currently most popular for display driver circuits, because the operation is very simple and the 8-bit or higher resolution is guaranteed. However, this DAC uses as many as 6×64 TFT switches per channel for 6-bit resolution, taking about more than 50% of the driver circuit area. Since this DAC scheme increases the circuit area twice or more for every additional 1-bit, an 8-bit DAC increases the circuit area four times or more compared to a 6-bit DAC. Another issue is that the resistor-string DAC needs an output buffer circuit to drive large capacitive data line, because the sufficient current driving capability is needed. However, the output buffer circuit poses one of the greatest challenges, since it requires tightly controlled threshold voltage and mobility variations. This paper proposes a hybrid type DAC for a compact 8-bit DAC circuit with the concept of the panel DAC and analyzes the feasibility, design consideration, power consumption and the impact on the 2-inch qVGA AMOLED for mobile display applications.