N형 ZnO TFTs를 이용한 AMOLED용 스캔 구동 드라이버 설계

Abstract

능동 매트릭스 유기 발광 디스플레이 (active-matrix organic light emitting displays, AMOLEDs) 는 최근 가장 큰 관심을 받고 있는 디스플레이 중 하나이다. 특히, AMOLEDs는 경량, 박형, 우수한 화질 그리고 자기 발광으로 인한 백라이트 유닛이 필요없는 장점을 갖고 있어 평판 디스플레이 시장에서 차세대 디스플레이로서 여겨지고 있다. AMOLEDs backplane 소자로서 저온 poly-Si TFTs (low temperature polycrystalline silicon thin-film transistors, LTPS TFTs) 는 높은 전계 효과 이동도를 갖는 장점이 있지만, 소자 특성의 불균일성과 결정화 작업으로 인한 높은 공정 단가의 단점이 있다. 이에 반해, 비정질 실리콘 TFTs (amorphous-silicon thin-film transistors, a-Si TFTs) 는 공정 단가는 낮고 소자 특성의 균일성은 좋지만, 낮은 전계 효과 이동도( < 1cm2/V?sec )와 문턱 전압의 전이 현상으로 인한 문제점이 있다. 한편, 산화물 TFTs (Oxide TFTs) 는 넓은 밴드 영역( ZnO : 3.4eV )으로 인해 가시광선 영역에서 투명하다는 특징이 있으며, 낮은 온도( < 260ºC )에서의 단순한 공정으로 공정 단가가 낮은 장점이 있다. 또한, a-Si TFTs보다 우수한 전계 효과 이동도와 안정적인 소자 특성을 갖는다. 그리고 LTPS TFTs보다 균일한 소자 특성으로 인해 앞으로의 AMOLEDs backplane 소자로 각광받고 있다. 이러한 산화물 TFTs의 하나인 zinc oxide TFTs (ZnO TFTs) 는 높은 전계 효과 이동도와 안정적인 소자 특성으로 인해 AMOLEDs backplane 소자로서 이용할 가치가 있다. 공정 단가의 감소와 향후 다기능 복합 디스플레이로서의 발전을 위해 패널 위에 드라이버를 집적하는 기술 (system on panel, SOP) 이 요구된다. 한편, ZnO TFT의 캐리어들은 전도 대역(conduction band) 아래의 도너 레벨에 위치하기 때문에 N형 TFT 특성을 갖는다. 즉, ZnO의 넓은 밴드 영역으로 안정된 P형 ZnO TFT를 만들기가 어렵다. N형 ZnO TFT를 이용한 드라이버 회로의 개발이 필요하다. 본 논문에서는 ZnO TFTs의 소자 특성을 측정한 후, 툴을 이용한 모델링 작업을 통하여 SPICE 파라미터들을 구하였다. 40μm의 폭 그리고 20μm의 채널 길이를 갖는 소자의 전계 이동도는 6.1cm2/V?sec 이었다. 전류 전멸비 (on-off ratio) 는 3.0×106 이며, 서브-스레숄드 슬로프 (sub-threshold slope) 는 0.35 V/dec 이다. UTMOST를 이용하여 ZnO TFT의 SPICE 파라미터들을 추출함으로써 N형 ZnO TFTs를 이용한 스캔 드라이버 회로들의 동작을 시뮬레이션 하였다. 모델링과 측정결과 사이의 오차는 평균 3.7%이었다. 7인치 VGA resolution format의 AMOLEDs 구동을 위해 one-line-time이 34μsec인 14KHz clock 주파수 조건에서 스캔 드라이버 시뮬레이션이 이루어졌다. N형 ZnO TFTs를 이용한 시프트 레지스터의 시뮬레이션 결과, 14KHz의 clock 주파수에서 정상적으로 동작함을 확인할 수 있었다. 한편, 저전력으로 동작하는 N형 레벨 시프터 및 인버터들이 제안되었다. 기존의 N형 레벨 시프터는 낮은 입력 신호에서는 부트스트래핑 효과를 이용하여 고전위 출력 신호를 만들고 높은 입력 신호에서는 pull-up과 pull-down TFT의 sizing을 통해 저전위 출력 신호를 만든다. &#46468; 문에 VDDH에서 VSSL까지의 단락회로전류에 의한 파워소모가 매우 크다. 따라서, 높은 입력 신호시 pull-up 소자의 게이트 전압을 낮춤으로써 VDDH에서 VSS으로의 단락 회로 전류를 줄여 저전력 구동이 가능한 N형 레벨 시프터 두가지(타입1, 타입2) 를 제안하였다. 두가지 타입의 레벨 시프터들 모두 pull-up 소자 게이트 전압 제어부를 갖고 있다. 이 게이트 제어부의 구성에 따라 pull-up 소자의 게이트 전압을 적절히 조절함으로써 회로의 소모 전력과 동작 속도를 조절할 수 있다. SPICE 시뮬레이션 결과, 타입 1과 타입 2의 소모 전력이 기존 레벨시프터의 6.4%와 10.4% 수준이었다. 또한 타입 1의 레벨시프터는 N형 인버터로서도 활용이 가능하다. 타입1과 같은 회로인 타입 A 인버터 외에 또다른 N형 인버터인 타입 B가 제안되었다. 시뮬레이션 결과, 제안한 타입 A와 타입 B의 파워 소모는 기존 pseudo inverter의 21.9%와 67.4% 수준으로 줄었다. 그리고 앞에서 언급한 N형 시프트 레지스터, 타입 1의 레벨 시프터, 그리고 타입 B의 N형 인버터를 이용해 최종적으로 N형 스캔 드라이버를 구성하였다. 동작을 simulation 검증 함으로써 7인치 VGA resolution format의 AMOLEDs용 ZnO TFTs를 이용한 저전력 N형 스캔 구동 드라이버 설계가 가능함을 보였다.; Active-matrix Organic Light Emitting Displays (AMOLEDs) have attracted much attention in flat-panel display industry, recently. Because there are strong points such as light-weight, thin-thickness, excellent image quality and no backlight unit due to self emission, AMOLEDs have been considered as next leading displays. Low temperature polycrystalline silicon thin-film transistors (LTPS TFTs) have a merit of high field effect mobility as a AMOLEDs backplane device. However, there are demerits of device characteristic non-uniformity and high fabrication cost. On the contrary, amorphous silicon thin-film transistors (a-Si TFTs) have low fabrication cost and good uniformity. But, there are limitations of low field effect mobility ( < 1 cm2/V?sec ) and threshold voltage. Meanwhile, oxide thin-film transistors (Oxide TFTs) have features of transparency in visible region range due to wide band gap ( ZnO : 3.4 eV ) and low fabrication cost originated from low process temperature ( < 260 ºC ) and simple fabrication process. In addition, field effect mobility and stability of oxide TFTs are superior to those of a-Si TFTs. Uniformity of device characteristic is better than LTPS TFTs. These strong points have made oxide TFTs leading AMOLEDs backplane device. ZnO TFTs, one of the oxide TFTs, have been considered as a AMOLEDs backplane device because of high field effect mobility and stable device characteristic. System on panel (SOP), the technology of integrating driver circuits on panel, is necessary to accomplish low fabrication cost and multi-functions display systems. Generally, ZnO TFTs behave as n-type TFTs because the donors, suppliers of carriers, are located at donor levels below the conduction band. It is difficult to make stable p-type TFTs due to wide band gap. Therefore, n-type driver circuits are necessary to develop. In this thesis, the measuring results were analyzed and then UTMOST modeling task was accomplished. As a results of the measurement of ZnO TFT, the field effect is 6.1 cm2/V?sec, which is much superior to that of a-Si:H TFTs. Also, on-off ratio is 3.0×106 and sub-threshold slope is 0.35 V/dec. The size of ZnO TFT is 40 μm width and 20 μm length. Throughout the UTMOST modeling, the SPICE parameters of ZnO TFT were attained. The simulation circumstances were realized by SPICE modeling task. The average modeling error was 3.7%. The proposed n-type scan driver circuits were verified by simulation with clock frequency of 14KHz, 7-inch VGA resolution format. The n-type shift register operated at the clock frequency of 14KHz. The low power level shifters and inverters using n-type ZnO TFTs were proposed. In the case of the previously reported n-type level shifter, the high-level signals output by bootstrapping effect during the low-level input signals and the low-level signals output by voltage dividing through the sizing of pull-up and pull-down TFT during the high-level input signals. Thus, the power consumption is considerably high due to the short circuit current from VDDH to VSSL. Therefore, by lowering the gate voltage of pull-up TFT, the short circuit current of the proposed n-type level shifters was considerably diminished. Both the proposed level shifters, type 1 and type 2 level shifters, have the pull-up device controlling TFTs, which affects the operation speed and power consumption by the proper gate voltage of the pull-up TFT. As a result of simulations, the power consumptions of the proposed type 1 and type 2 level shifters were only 6.4% and 10.4% of that of the previously n-type level shifter. Also, the n-type inverters, type A nd type B were proposed. The power consumptions of the proposed, type A and type B inverters were only 21.9% and 67.4% of that of the pseudo inverter. Totally, the n-type scan driver circuits were composed of the n-type shift register, the n-type level shifter of type 1 and the n-type inverter chain of type A. The operation of n-type scan driver circuits were verified by simulation. Consequently, this thesis concludes that the design of the scan driver using n-type ZnO TFTs for 7-inch panel with VGA resolution format has been accomplished.