저 가격, 고 화질 AMOLED를 위한 P-channel TFT를 이용한 구동회로 설계

Abstract

AMOLED (Active Matrix Organic Light Emitting Diodes) display, 즉 능동매트릭스 유기 발광 다이오드 디스플레이는 기존 LCD나 PDP 디스플레이에 비해 빠른 응답 속도, 고 휘도, 얇고 가벼움, 광 시야각, 그리고 넓은 색 재현율 등의 장점을 가지고 있어, 차세대 디스플레이로 각광을 받고 있다. 하지만, AMOLED 디스플레이가 FPD (Flat Panel Display) 시장에서 점유율을 확대해 나아가 기존 LCD와 PDP를 대체하여 차세대 디스플레이로 자리를 굳건히 하기 위해서는 저 가격, 저 소비전력, 고 화질, 고 수명 등의 요건들을 만족해야만 한다. AMOLED의 생산가격을 줄이기 위해서는 마스크 수와 재료비 절감과 같은TFT의 공정 및 EL 공정 단순화가 필수적이다. TFT제작을 위한 Active 공정으로는 a-Si TFT, LTPS TFT, Oxide TFT 등이 있다. 이미 시장점유율이 높고 공정 인프라 및 가격 면에서 우월한 LCD를 따라 잡기 위해서는 a-Si TFT 와 같이 단순한 공정을 적용해야 한다. 따라서, NMOS 또는 PMOS만을 이용한 회로개발이 필요하다. 저 소비전력을 달성하기 위해서는, OLED의 효율 향상과 고효율의 회로부품개발뿐만 아니라, 패널을 구동하면서 지속적으로 소비되는 회로구동 소비전력을 줄일 필요가 있다. 특히 PMOS또는 NMOS 만을 이용하는 회로는 일반적으로 정적 전류가 존재하여 회로 동작이 불완전하고, 소비전력이 커지는 문제가 있어 정적 전류가 없는 회로를 개발하여야 한다. 또한, 데이터 이미지에 따라 휘도를 다르게 조절하는 PBC (Peak Brightness Control) 방법을 적용하여 패널에서의 발광 소비전력을 줄일 수 있다. 이를 위해서 duty ratio를 조절할 수 있는 에미션 드라이버를 개발하여야 한다. 동영상의 화질 개선을 위한 방법으로, 대형 패널에서의 MBR (Motion Blur Reduction)을 위한 회로 및 제어 방법이 필요하다. 일반적인 방법으로 LCD에서는 프레임 사이에 Black화면 또는 중간 이미지를 삽입하는 방법을 적용하고 있다. AMOLED패널에서는 duty ratio를 조절할 수 있는 에미션 드라이버가 있다면 쉽게 제어할 수 있다. 본 논문에서는 저 가격을 위해 NMOS 또는 PMOS만으로 구성된 구동 회로를 연구하고, 저 소비전력과 동작 속도 개선을 위해 정적 전류가 없는 스켄 드라이버 및 에미션 드라이버를 제안하였다. 또한 패널에서의 발광 소비전력 및 화질 개선을 위해 PBC방법과 MBR을 구현할 수 있는 duty ratio 제어가 가능한 에미션 드라이버를 제안하였다. 시뮬레이션으로 2인치 QVGA를 기본으로 12인치 WXGA, 22인치 Full HD, 30인치 Full HD, 40인치 Full HD에 대해 검토하였다. 제안한 스켄 드라이버는 3개의 TFT와 1개의 커패시터로 구성되며, 시뮬레이션 결과 2인치 QVGA의 경우 rising time은 950ns, falling time은 1050ns이며, 320단의 소비전력은 33.5μW이며, 40인치 full HD의 경우 rising time은 4.39μs, falling time은 4.29μs이다. 제안한 에미션 드라이버는 세가지 타입으로 Type1은 스켄 드라이버의 출력을 입력으로 하며, Type2는 duty ratio 조절이 50%, Type3는 duty ratio 조절이 0%까지 가능하다. 2인치 QVGA의 경우 시뮬레이션 결과 rising time, falling time은 각각 Type1은 576ns, 1074ns, Type2는 525ns, 1027ns, Type3는 545ns, 1000ns이다. 또한 세가지 타입 모두 30인치 full HD에서 rising time이 3.1μs이내로 현 공정 조건에서 구동이 가능하며, TFT의 특성을 좋게 하고 저 저항 금속 배선을 적용하며 기생 커패시터를 작게 한다면 40인치 이상의 대형 패널에서도 구동이 가능할 것으로 예상한다. 에미션 드라이버 Type2와 Type3는 4인치 WQVGA패널에 내장하였으며, Type2의 경우 평균 rising time과 falling time은 각각 1.78μs, 2.02μs이며 소비전력은 0.78mW로 측정되었다. Type3의 경우는 평균 rising time과 falling time은 각각 1.57μs, 2.64μs이며 소비전력은 0.79mW로 측정되었다. 또한 Type3를 이용하여 duty ratio를 0%, 50%, 100%로 조절하여 휘도를 측정해 본 결과 각각 3.1Cd/m², 395Cd/m², 726Cd/m²로 duty ratio에 따른 휘도 비를 확인 하였다.; AMOLED (Active Matrix Organic Light Emitting Diodes) displays are expected as promising next generation display applications because of strong point such as fast response time, thin, light, wide viewing angle, good color gamut, and bright luminance compared to liquid crystal displays (LCDs) and plasma display panels (PDPs). However, AMOLED displays have to satisfy with low cost, low power consumption, high image quality, and long life time in order to do firmly setting down in life to display next generation and to expand market share replacing LCDs and PDPs in the flat panel display (FPD) market. [1] TFT and OLED process simplification such as mask number and material costs curtailment are essential to realize low production cost. There are many kinds of active processes like a-Si TFT, LTPS TFT, oxide TFT. We have to apply the simple process step such as a-Si TFT in order to overtake the LCD having higher market share, superior process infra and low cost. Therefore, we need to develop the circuit using only n-channel or p-channel TFTs. We must develop the low electric power circuit as well as OLED’s high efficiency to achieve low power consumption. Generally speaking, PMOS or NMOS circuit does not operate rail-to-rail because static current path exists and consumes high power. We must develop circuit that static current path does not exist. Also, it is possible to reduce the light emitting power consumption in panel applying the peak brightness control (PBC) method that control brightness as differ according to image data. We have to develop the emission driver that is able to control duty ratio. To enhance image quality of the panel, we need to apply the motion blur reduction (MBR) control circuit in large size panel. Generally, LCD displays use black image insertion and inter frame interpolation to reduce motion blur. It is easy method to apply motion blur reduction if we use emission driver that is possible to control duty ratio in AMOLED displays. In this paper, we study driving circuit using only p-channel TFTs or n-channel TFTs for low cost and suggest the scan and emission driver with no static current path to improve low power and high speed. Also, we have developed the emission driver that can realize PBC method and MBR to enhance high image quality and low light emitting power consumption. We examined the various panel size and resolution such as 2 inch QVGA, 12 inch WXGA, 22 inch, 30 inch, and 40 inch full HD on the basis of simulation results. Proposed scan driver is consisted of 3 TFTs and 1 capacitor. In case of 2 inch QVGA, rising time is 950ns, falling time is 1050ns, and power consumption of 320 steps is about 33.5μW in simulation results. In case of 40 inch full HD, rising time is 4.39μs and falling time is 4.29μs. The proposed emission drivers consist of 3 types. Type1 is not possible to control duty ratio but simple structure. Type2 can control duty ratio by 50% and type3 can control duty ratio by 0%. In case of 2inch QVGA, rising and falling time of type1 is 576ns, 1074ns, that of type2 is 525ns, 1027ns, and that of type3 is 545ns, 1000ns respectively. In addition, all three types of emission drivers are possible to operate sufficiently using current process in 30 inch full HD and we expect that theses circuits can drive more than 40 inch if we improve TFT characteristics and apply low resistive metal and parasitic capacitance. Type2 and type3 are integrated in 4 inch WQVGA panel. Average rising and falling time of type2 was 1.78μs, 2.02μs, and power consumption was 0.78mW according to the measurement data. In case of type3, average rising and falling time was 1.57μs, 2.64μs, and power consumption was 0.79mW according to the measurement data. Also, we measured luminance of the panel by adjusting duty ratio at 0%, 50%, 100% respectively and verified each luminance as a result of 3.1 Cd/m², 395 Cd/m², 726 Cd/m².