평판 디스플레이를 위한 산화물 박막 트랜지스터를 이용한 스캔 구동 회로 설계

Abstract

현재의 능동 구동형 액정 표시 장치 (Active Matrix LCD, AMLCD)와 능동 구동형 유기 발광 소자 (Active Matrix OLED, AMOLED) 등과 같은 능동 구동 표시 장치 (active matrix display)에서 박막 트랜지스터 (Thin Film Transistor, TFT) 기술은 핵심 기술로 TFT에 사용되는 소자가 계속 연구되고 있다. 현재까지 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 (a-Si:H TFT)와 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 (Poly-Si TFT) 가 산업에서 주로 쓰이고, 상품화 되어왔지만 플렉서블 디스플레이 혹은 투명디스플레이와 같은 미래 디스플레이를 구현하기 위해 새로운 소자를 개발할 필요가 있다. 최근 산화물 박막 트랜지스터 (oxide TFT)가 디스플레이의 후면용 소자로 적용하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다. 비교적 높은 이동도의 소자를 저온에서 낮은 공정단가로 만들 수 있는 산화물 박막 트랜지스터는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터와 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 장점을 모두 가지고 있다. 그러므로, 산화물 박막 트랜지스터는 구동회로를 패널에 내장하여 SoP 시스템을 구성할 수 있으며 AMOLED 디스플레이를 구동할 수 있다. 또한 큰화면의 디스플레이를 저비용으로 제작 할 수 있으며, 플라스틱 혹은 필름 등의 기판을 이용하여 플렉서블 디스플레이를 만들 수 있다. 산화물 박막 트랜지스터의 투명성을 이용하면 투명 디스플레이를 제작 할 수 있다. 즉, 산화물 박막 트랜지스터는 디스플레이 후면 소자로써 비정질 실리콘 박막 트랜지스터와 다결정 실리콘 박막 트랜지스터를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 미래 디스플레이 산업를 선도할 수 있는 소자이다.. 본 논문에서는 투명 디스플레이에 집적 가능한 스캔드라이버를 제안하였다. 많은 산화물 박막 트랜지스터 중에서 IGZO의 전기적 특성을 분석하였다. 회로설계에 이용된 IGZO의 턴-온 전압(VON)은 -0.6 V, 전계 이동도 (µ FET)는 12.9 cm2/V∙ s 그리고 sub-threshold slope (S.S.)은 110 mV/dec이 였다. 제안된 스캔 구동 회로는 7-inch VGA 해상도 디스플레이구동을 위해 설계 되었고, VON이 음의 방향으로 시프트 되어 디플리션 모드로 동작하는 문제점을 해결하기 위해 양성 피드백 효과를 이용하였다. 양성 피드백 효과를 검증하기 위해 인버터 두개와 레벨 시프터 한 개가 제안되었고, 시뮬레이션과 측정결과를 통해 스캔드라이버에 적용 가능함을 보였다. 시뮬레이션 결과 펄스 전압이 0 V~15 V 일 때, 이용 가능한 TFT의 턴-온 전압의 범위는 0 V 에서 -1.2 V 까지이며, 주파수 범위는 20 kHz 이다. 스캔 구동 회로의 측정결과 20 kHz까지 회로가 정상동작하며 소비전력은 7.8 mW가 측정 되어 7인치 VGA 디스플레이에 적용할 수 있음을 보였다.; In flat panel displays such as active-matrix liquid-crystal displays (AMLCDs) and active-matrix organic light-emitting diode (AMOLED) displays, thin-film transistor (TFT) technology is used and its materials have been studied. So far, a-Si:H TFT and poly-Si TFTs currently used and commercialized in the displays but, to apply future displays like flexible display and transparent displays, new materials are needed to research. Recently, oxide TFTs are actively researched to apply to materials for the backplane of displays. Oxide TFTs have advantages of both a-Si:H TFT and poly-Si TFTs such as low temperature process with low cost and relatively high mobility. Therefore, oxide TFTs expected to be able to integrate driving circuits on panels for system on panel (SoP) system and to fabricate large size displays, and flexible displays with low cost. Furthermore, using their transparency, they are expected to realize transparent displays. In conclusion, the oxide TFTs can be respected to lead the future display industry. In this thesis, the characteristics of oxide TFTs are analyzed and their design guidelines are set. Among many oxide TFTs, Indium gallium zinc oxide (IGZO) is selected and analyzed its electrical characteristics. Its turn-on voltage (VON) is -0.6 V, field effect mobility (µ FET) is 12.9 cm2/V∙ s, and sub-threshold slope (S.S.) is 110 mV/dec. The scan driver are designed for 7-inch VGA (640×480) resolution displays for which the positive feedback method is used, which can solve the problem of oxide TFTs due to their negative VON. For verifying the positive feedback method, two inverter and a level shifter are proposed and they showed that the method can be applicable to the scan driver with the simulation and measured results. The simulation result showed that the proposed scan driver can generate 0 V ~ 15 V of the scan pulse at a frequency of 20 kHz even if the turn on voltage of the TFTs negatively shift to -1.2 V. The measured results showed that the scan driver is available at a frequency of 20 kHz and its power consumption is 7.8 mW. Therefore it is applicable to 7-inch VGA resolution displays.