산화물 반도체를 이용한 마이크로 LED 디스플레이를 위한 화소 구조

Abstract

Micro-pixelated light emitting diodes (micro-LEDs) have been considered as one of the attractive candidates for the emitting devices because of their superior characteristics of excellent chemical stability, long lifetime, and high power efficiency. In addition, they have an advantage in designing a complex pixel circuit without considering aperture ratio because they have a small area. Recently, various micro-LEDs have been researched to reduce the fabrication cost and improve the efficiency, as well as to reduce power consumption. However, due to the deviation of electrical characteristics of the micro-LEDs, the output current of the micro-LEDs rapidly increases as the forward voltage increases. Moreover, it significantly varies due to the defect density variation of each micro-LED. Therefore, the micro-LED displays requires an active matrix pixel circuit to reduce the variation of the output current. Active matrix flat panel displays (AMFPDs) use low-temperature polycrystalline silicon (LTPS) thin film transistor (TFT) and amorphous indium gallium zinc oxide (α-IGZO) TFT for their backplane. The LTPS TFT has good characteristics of high mobility and excellent stability. However, it has poor characteristics of low uniformity and low mass productivity. On the other hand, the α-IGZO TFT has good characteristics of mass productivity and proper mobility for display applications. However, there are several constraints on designing the pixel circuit using α-IGZO TFTs to achieve high resolution and high image-quality micro-LED displays. First, the threshold voltage of the α-IGZO TFT is shifted by gate bias stress. Such shifted threshold voltage causes non-uniformity of the panel brightness in the display because the threshold voltage of driving TFT in each pixel is shifted differently according to image patterns. Second, the input voltage range of the micro-LED should be sufficiently considered because the micro-LED has electrical characteristics sensitive to the variation in the forward voltage. In this thesis, two pixel circuits using α-IGZO TFT for micro-LED displays are proposed to solve the limitations due to threshold voltage shift and input voltage range of the micro-LED. One proposed pixel circuit suppresses the threshold voltage shift of driving TFT by gate bias stress and compensates for the variation in the threshold voltage. Therefore, the proposed pixel circuit achieves high resolution and high image-quality of the display. The other proposed pixel circuit reduces the power consumption by adopting the pulse width modulation (PWM) voltage driving method. The PWM voltage driving method lowers the voltage of ELVDD which is a power voltage, thus the power consumption can be significantly reduced.; 마이크로 무기 발광 다이오드 (마이크로 LED)는 뛰어난 화학적 안정성, 긴 수명, 그리고 높은 전력 효율의 특성을 가지고 있어 매력적인 발광 소자의 하나로 고려되어 왔다. 또한 마이크로 LED는 작은 면적으로 인하여 복잡한 화소 구조에서 발광 공간 (aperture ratio)을 고려하지 않아도 된다는 장점도 있다. 최근에 많은 마이크로 LED에 관한 연구들이 제작 비용 감소, 효율 향상, 그리고 소비 전력 감소를 위해 진행되었다. 하지만 마이크로 LED는 LED의 전기적 특성 편차로 인하여 입력 전압 변화에 따라서 출력 전류가 급격하게 변화한다. 게다가 각 마이크로 LED들 간에 존재하는 공정 편차로 인해 출력 전류가 크게 변화한다. 따라서 마이크로 LED 디스플레이는 이러한 출력 전류 편차를 줄이는 능동형 화소 구조를 가져야한다. 능동형 평판 디스플레이 (AMFPD)에 쓰이는 backplane 소자로는 low-temperature polycrystalline silicon (LTPS)와 amorphous indium gallium zinc oxide (α-IGZO) thin film transistor (TFT) 소자가 있다. LTPS TFT의 경우 높은 이동도 그리고 높은 신뢰성을 장점으로 가진다. 하지만 LTPS TFT는 균일함이 떨어지고 대형 디스플레이 제작 혹은 대량 생산이 어렵다. 한편 α-IGZO TFT의 경우 대면적 공정 및 대량 생산에 유리하고, 높은 균일성, 디스플레이 구동에 적절한 이동도를 장점으로 가진다. 그러나, α-IGZO TFT도 고해상도와 고화질의 마이크로 LED 디스플레이를 위한 화소 구조를 설계하는데 몇 가지 제약이 있다. 첫 째로 α-IGZO TFT의 문턱전압 (threshold voltage)이 게이트 바이어스 스트레스 (gate bias stress)에 따라 이동하는 (shift) 현상이 있다. 이러한 이동 현상은 각 화소의 구동 트랜지스터가 이미지 패턴에 따라 문턱 전압이 다르게 이동하면서 픽셀 간에 문턱 전압 편차가 발생하기 때문에 디스플레이 패널의 균일함을 저하시키는 원인이다. 둘 째로 마이크로 LED는 그 전기적 특성 상 입력 전압 변화에 민감하기 때문에 픽셀 회로 설계에서 충분히 고려해야 한다. 이 논문에서 문턱전압 이동 현상과 마이크로 LED의 정밀한 입력 전압 조절을 위한 두가지 화소 회로를 제안한다. 처음 제안된 회로에서는 입력 전압에 의한 TFT의 문턱 전압 이동을 억제하고 문턱 전압의 편차를 보상한다. 그러므로, 제안된 마이크로 LED 디스플레이 화소 회로는 고해상도, 고화질의 디스플레이에 적합하다. 두 번째 제안된 회로에서는 소비 전력을 줄이기 위해 펄스 폭 변조 (PWM) 전압 구동 방법을 사용한다. 펄스 폭 변조 방법은 전원 전압인 ELVDD를 낮추어 소비 전력을 크게 줄일 수 있다.