AMOLED 디스플레이를 위한 OLED 열화와 구동 TFT 편차의 외부 보상 방식

Abstract

유기 발광 다이오드 (OLED)는 매우 얇고, 시야각에 자유로우며, 빠른 응답속도와 생생한 색 재생력 등의 장점으로 인해 디스플레이 소자로서 주목 받아 왔으며, 디스플레이용 소자로 꾸준히 개발 되어왔다. 능동형 OLED (AMOLED) 디스플레이의 능동 소자로는 주로 탈 수소 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 (a-Si:H TFT)와 다결정 실리콘 박막 트랜지스터 (poly-Si TFT) 가 사용되는데, a-Si:H TFT는 반복되는 gate 단의 stress 전압에 의해 소자의 문턱전압이 변하며, poly-Si TFT는 결정화 작업에서 불규칙적으로 생성되는 grain boundary에 의해 위치마다 소자의 전기적 특성이 다른 특징이 있다. OLED는 발광하는 빛의 휘도가 흐르는 전류에 비례하기 때문에, 이러한 TFT 소자의 전기적 특성 변화나 편차는 AMOLED 디스플레이의 불 균일한 휘도 편차를 야기 시킨다. 기존 AMOLED 구동방식과 화소 구조는 화소 내부에 여러 가지 보상기능을 수행하는 TFT들을 추가하여, 전류를 생성시키는 구동 TFT의 특성 편차를 보상하는 방식이 주를 이루어 왔다. 그러나, TFT의 전기적 특성을 모두 보상할 수 있다고 하더라도 OLED 물질 자체의 열화로 인한 휘도 저하로 인해 광 효율이 감소하기 때문에 오랫동안 고정적인 이미지를 표시할 시 이미지의 잔상이 화면에 남는 image sticking 등의 문제를 야기 시킬 수 있다. 또한, TFT의 개수 증가는 panel의 수율을 감소 시키고, 화소의 개구율을 감소 시키며, 요구되는 발광 전류량을 증가시켜 OLED의 열화를 가속화 시킨다. 이러한 복합적인 문제점들은 기존의 내부보상 방식만을 사용해서는 해결할 수 없다. 이에 따라 본 논문에서는 LTPS 기반의 소면적 고해상도부터 대면적 고화질 디스플레이뿐만 아니라 저가격을 위한 a-Si:H TFT 기반의 AMOLED 디스플레이를 구현하기 위한 다양한 형태의 새로운 외부보상 구동 방식들을 제안하였으며, 이를 구현하기 위한 새로운 구동 드라이버 IC를 설계하였다. 휘도 보정 방식(luminance adjusting method)은 스마트폰과 같은 소면적 AMOLED 디스플레이를 위해 제안 되었다. 휘도 보정 방식은 광 센싱 스캐너를 이용하여 화소당 두 개의 휘도를 센싱 하여 저장하여 두었다가 이를 이용하여 구동 TFT의 전기적 특성 편차와 OLED의 초기 광학 편차를 보상하는 방식이다. 제안 된 휘도 보정 방식은 3.7인치 wide video graphics array (WVGA) 해상도의 AMOLED 패널을 통해 검증하였으며 패널의 휘도 편차가 7.01 LSB에서 1.81 LSB로 향상 되는 결과를 얻었다. 전기적 특성 센싱 및 보상 방식 (electrical characteristic sensing and compensation method)은 노트북이나 모니터와 같은 중대면적 AMOLED 디스플레이를 위해 제안 되었다. 전기적 특성 센싱 및 보상 방식은 구동 TFT와 OLED의 전기적 특성을 센싱 하여 저장해 두었다가 이를 이용하여 구동 TFT의 전기적 특성 편차와 OLED의 열화를 보상하는 방식이다. 제안 된 전기적 특성 센싱 및 보상 방식은 14.1 인치 high definition (HD) 해상도의 AMOLED 패널을 통해 검증하였으며, -1.1% 에서 1.2% 사이의 매우 좋은 휘도 편차를 얻었다. 소자 특성 조절 방식(device characteristic adjusting method)은 a-Si:H TFT 기반의 대면적 AMOLED 디스플레이를 위해 제안 되었다. 소자 특성 조절 방식은 모든 화소 내 a-Si:H TFT의 문턱전압을 같은 값으로 조절함으로써, 발광 전류의 균일도를 향상 시키고, a-Si:H TFT의 문턱전압 변화 문제를 해결하려는 방식이다. 제안 된 전기적 특성 센싱 및 보상 방식은 a-Si:H TFT 기반의 테스트 화소 들을 이용하여 검증하였으며, 초기 전류 편차가 -16.3% 에서 8.6% 사이를 가지던 것이 -0.5% 에서 0.8% 사이의 편차로 향상 되는 결과를 보였다. 이러한 제안 된 외부보상 AMOLED 구동 방식들은 고속구동 가능성과 간단한 화소 구조로 인한 panel의 수율 향상, 그리고 고화질 저가격 디스플레이의 구현 가능성으로 인해 앞으로 다양한 형태의 AMOLED 디스플레이 panel에 응용되어 사용 될 것으로 기대된다.; The organic light emitting diode (OLED) has been developed as a display device due to its advantages such as its thin form factor, its viewing angle independence, its fast response time, and its vivid color reproducibility. For the active devices of active matrix OLED (AMOLED) displays, hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin film transistors (TFTs) and polycrystalline silicon (poly-Si) TFTs are generally used, but both TFTs have problems then used as the backplane of AMOLED displays. The threshold voltage of a-Si:H TFTs is shifted by the stressed gate-to-source voltage of the TFT and the electrical characteristics of poly-Si TFTs have a spatial deviation due to the random formation of the grain boundaries in the channels of TFTs during the crystallization process. Because the luminance of an OLED is proportional to the current density, the variation and deviation of electrical characteristics of TFTs cause non-uniform luminance of AMOLED displays. Most of the prior driving methods to solve these problems mainly add the functional TFTs in the pixel compensating electrical characteristic variations of driving TFTs, which generate emission currents for OLEDs. However, although the electrical characteristic variations of driving TFTs can be compensated, the image sticking problem still remains due to the differential aging of OLEDs when a standing image pattern is displayed for a long time on the display screen. Furthermore, an increased number of TFTs in pixels decreases the yield of the panel and the aperture ratio of the pixels and increases the required emission current leading to acceleration of the OLED degradation. These complicated problems could not all be solved at the same time using prior compensation methods. In this dissertation, new driving methods for small to large-size high resolution displays on both poly-Si TFT and a-Si:H TFT backplanes are proposed and driver ICs for the proposed methods are designed. A luminance adjusting method is proposed for small-size AMOLED displays, such as smartphone applications. The main idea of the luminance adjusting method is sensing and storing two levels of luminance of pixels on a panel using a light scanner and using them for compensating the electrical characteristic deviation of the driving TFTs and the initial optical deviation of the OLEDs on the panel. For verification, a 3.7-inch wide video graphics array (WVGA) AMOLED panel is demonstrated and experimental results show that the standard deviation of the luminance of the panel improves from 7.07 to 1.81 least significant bits (LSB). An electrical characteristic sensing and compensation method is proposed for medium to large size AMOLED displays such as notebook and monitor applications. The main idea of the electrical characteristic sensing and compensation method is sensing and storing the electrical characteristics of TFTs and OLEDs in pixels and using them to compensate for the electrical characteristic deviation of the driving TFTs and the degradation of the OLED. For verification, a 14.1-inch high-definition (HD) resolution AMOLED panel is demonstrated and a very fine image quality with a luminance error in the range -1.1% to 1.2% achieved. A device characteristic adjusting method is proposed for large-size AMOLED displays in the a-Si:H TFT backplane. The main idea of the device characteristic adjusting method is to adjust the threshold voltage of all a-Si:H TFTs in pixels on the panel to the same value to improve the emission current uniformity and solve the threshold voltage shift problem of a-Si:H TFTs. The test pixels on the a-Si:H TFT backplane are fabricated, and experimental results show that the initial current error range of -16.3% to 8.6% is improved to the error range of -0.5% to 0.8%. As the results show, it is expected that the proposed methods can be used in various AMOLED display applications to give advantages including increasing the yield of the panel, high image quality, and low cost capability.