OLED 열화와 TFT 특성 편차 보상을 위한 AMOLED 화소 구조와 구동 방식

Abstract

유기 발광 다이오드 (OLEDs) 디스플레이는 넓은 시야각, 빠른 응답 속도 그리고 높은 색 재현력 등의 장점을 갖고 있어, 액정 표시 장치(LCDs)를 잇는 차세대 디스플레이로서 주목 받고 있다. 현재까지는 수동형 유기 발광 다이오드 (PMOLEDs)가 이동식 휴대전화기, 디지털 캠코더 등의 전자기기에 적용되어 왔다. 그러나 수동형 유기 발광 다이오드를 적용한 디스플레이를 구현하기 위해서는 높은 구동 전압이 요구되고 소비 전력량이 높아지기 때문에 대면적 고해상도 디스플레이를 구현하는데 어려움이 뒤따른다. 따라서 오늘날에는 수동형 유기 발광 다이오드 대신 능동형 유기 발광 다이오드(AMOLEDs)가 대면적 고해상도 디스플레이를 구현하기 위한 대안으로 여겨지고 있다. 능동형 유기 발광 다이오드는 비교적 높은 공정비용과 복잡한 구조에도 불구하고, 낮은 구동 전압과 이에 따른 낮은 소비 전력량 때문에 이를 적용한 대면적 고해상도 디스플레이에 대한 연구와 개발이 이루어져왔다. 능동형 유기 발광 다이오드 디스플레이를 구현하기 위한 backplane은 크게 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H) 박막 트랜지스터(TFT)와 저온 다결정 실리콘(LTPS) TFT로 나뉠 수 있다. 수소화된 비정질 실리콘 TFT는 공간상 특성에 있어서의 균일성, 그리고 간단한 기판공정에 기인한 비교적 낮은 공정비용 등의 장점이 있으나 낮은 이동도와 동작 시간 경과에 따른 특성이 변한다는 단점을 갖는다. 반면 다결정 실리콘 TFT는 그 특성에 있어, 비교적 높은 신뢰성과 비정질 실리콘 TFT에 비하여 높은 이동도를 갖는다는 장점이 있으나 추가의 다결정화 공정에 따라서 공정비용이 높고 공간상 문턱전압과 이동도 등의 특성 편차가 나타난다는 단점을 갖는다. 유기 발광 다이오드가 차세대 디스플레이의 새로운 대안으로써 그 가능성을 타진한 이래로, 능동형 유기 발광 다이오드 디스플레이 backplane의 불균일한 특성 또는 낮은 신뢰성 등의 문제점들을 해결하기 위한 많은 연구자들과 개발자들의 노력이 있었다. 그 노력의 결과로 위에서 언급한 backplane의 특성상 문제점들은 어느 정도 해결 될 수 있었다. 그러나 backplane에서 나타나는 어려움 외에도 유기 발광 다이오드의 열화현상 역시 능동형 유기 발광 다이오드 디스플레이 구현에 있어서 주요한 장애 요소가 된다. 유기 발광 다이오드는 발광시간이 경과함에 따라서 발광 다이오드 양 전극간의 전압 차가 증가하고 발광효율이 감소하는 특성이 있는데 이것은 유기 발광 다이오드 디스플레이를 구현하기 위하여 반드시 해결되어야 할 문제점 중 하나이다. 따라서 완벽한 능동형 유기 발광 다이오드 디스플레이를 구현하기 위해서는 backplane에서 나타나는 낮은 안정성과 불균일한 특성 등의 문제점과 유기 발광 다이오드 열화의 문제점을 동시에 해결하여야 한다. 본 논문에서는 저온 다결정 실리콘 방식을 적용한 능동형 유기 발광 다이오드 디스플레이의 구동 방식을 제안하였다. 제안한 구동 방식은 화소에서 전류원 역할을 하는 구동 트랜지스터와 유기 발광 다이오드의 특성을 센싱하여 구동회로부의 타이밍 제어기에 내장된 기억장치에 저장한 후, 연산장치를 통하여 보상된 신호를 생성하여 저온 다결정 실리콘 박막 트랜지스터의 문턱 전압과 이동도의 공간적 편차를 보상하는 동시에 유기 발광 다이오드의 열화 역시 보상하는 기능을 갖는다. 본 논문에서는 제안한 구조를 256 계조를 갖는 WXGA(1280ⅹ800) 12인치 유기 발광 다이오드 디스플레이에 해당하는 조건에 맞추고 시뮬레이션 실시한 결과를 정리하였다. 비정질 실리콘의 화소 간 문턱전압 편차와 이동도 편차는 각각, 기준 문턱전압과 기준 이동도 기준으로 ±1V와 ±30% 갖고, 유기 발광 다이오드는 최대 25%까지 발광효율이 감소하는 경우에 대하여 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 결과 화소 간 발광 균일도는 -1.49 LSB에서 +1.50 LSB의 편차범위를 나타내었다.; Organic light emitting diodes (OLEDs) display is considered as powerful next generation display following liquid crystal displays (LCDs) because of its wide viewing angle, fast response time and high color reproducibility. So far, passive matrix OLEDs (PMOLEDs) have been applied to electronic equipments such as mobile phone, digital camcorder and so on. but, because high driving voltage and high power consumption is required to realize PMOLED display, it is difficult to apply PMOLEDs to large size and high resolution display. Thus, nowadays, to realize large size and high resolution OLED display, active matrix OLEDs (AMOLEDs) have been considered as the alternative. In spite of its relative high fabrication cost and complex structure due to low driving voltage and low power consumption, AMOLEDs have been researched and developed for making large size and high resolution OLED display. Thin film transistors (TFTs), which construct backplane of AMOLEDs, are classified into hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) TFT and polycrystalline silicon (poly-Si) TFT. The a-Si:H TFT has the advantages of spatially uniform characteristics and low fabrication cost due to simple fabrication process. However, it has unstable characteristics such as low mobility and threshold voltage shift. On the other hand, the poly-Si TFT has relative high reliability and higher mobility than that of a-Si:H TFT, but it also has drawbacks of high fabrication cost due to additional fabrication process for crystallization and spatial non-uniform characteristic problems such as threshold voltage and mobility variation. Since OLED has been considered as meaning display device material due to its unique electro-optical characteristic, AMOLED display has been continuously researched and developed to overcome these backplane’s problems of non-uniformity and low reliability which explained above, thus many schemes of pixel structure and driving method are proposed. However, in addition to problems of TFT characteristics, other problem like short lifetime of OLED has been still existed. As emission time goes by, OLED’s voltage difference between anode and cathode increases together with decreasing of OLED’s luminance efficiency. To realize AMOLED display, these problems should be solved. Therefore, to make AMOLEDs as mass produced display, both problems of TFT’s backplane poor characteristics such as low reliability and low mobility and so on, and OLED degradation problem should be solved at the same time. In this thesis, a new scheme of AMOLED display system containing driving and pixel circuits, which compensates for not only poly-Si TFTs’ threshold voltage and mobility variations but also OLED degradation, is proposed. Basically, the proposed scheme has the functions for sensing OLED degradation, sensing driving TFT’s characteristic, extracting the compensated data and displaying the AMOLED display system. It adopts the method of voltage controlled voltage sensing method. Simulation results show that the pixel to pixel luminance error which is varies from -1.49 LSB to 1.50 LSB in 8-bit WXGA(1280ⅹ800) 12-inch AMOLED application when poly-Si TFT’s threshold variation is ±1V, mobility variation is ±30% and OLED degraded from 0% up to 25%.