[스크랩] TFT-OLED 소자 열화의 보상구동

류코쿠 대학  기무라 무쯔미(木村 睦)
Source : Monthly ‘DISPLAY’January 2006, TechnoTimes of Japan

박막 트랜지스터 OLED 디스플레이(TFT-OLED)는 차세대 평면 디스플레이로서 기대되어 활발한 연구개발이 이루어지고 있다. 특히 구동방식은 주요 토픽의 하나로 여러 가지 관점에서 활발하게 논의되고 있다. 하지만 어떤 구동방식이 가장 좋은가에 대한 결론에는 아직 도달하지 못했다. 
본고에서는 우선 많은 연구기관에서 발표하고 있는 TFT-OLED 구동방식의 동작원리와 특징 및 과제에 대해 설명한다. 둘째로 이들의 구동방식을 계조방식과 발광 균일화 방식의 관점에서 분류한다. 셋째로 이 분류를 관찰하여 시간 계조와 전류 균일화를 적용한 신규 제안을 착상한다. 끝으로 이 구동방식의 성능을 새로 보고한다. 


1. TFT-OLED의 구동방식 

1.1  기본요소 
<그림 1>에서는 화소회로의 기본요소를 나타낸다. 구동 TFT(Dr-TFT)는 OLED의 흐르는 전류(Ioled)를 제어전압(Vctrl)에 따라 제어한다. 모든 TFT-OLED의 구동방식은 기본요소를 갖고 있으며 각종 구동방식의 차이는 어떻게 Vctrl을 인가하느냐에 귀결된다. 
1.2  단순 방식 
<그림 2> ⒜에 나타내는 단순 방식에서는 신호전압(Vsig)이 직접 Vctrl로서 인가된다. 이 구동방식의 특징은 화소 회로와 드라이버 회로를 단순하게 하여 구동회로계를 LCD와 공통으로 할 수 있다는 점이다. 이 구동방식의 과제는 Dr-TFT와 OLED의 특성 변동으로 인해 Ioled가 불균일해지는 점이다. 

1.3  다이오드 접속방식 
<그림 2> ⒝에 나타내는 다이오드 접속방식에서는 게이트 단자와 드레인 단자를 단락한 TFT에 의한 다이오드 소자를 Vsig와 Vctrl과의 사이에 접속한다. 이 구동방식의 특징은 TFT의 역치전압(Vth) 변동에 대해 Vth 보상으로써 Ioled를 부분적이기는 하지만 균일화할 수 있다는 점이다. 여기서 Vsig는 다이오드 소자 Vth의 전압상승을 수반하여 Vctrl로 전달된다. 즉 Vctrl=Vsig+Vth(diode)가 된다. Dr-TFT는 오버 드라이브 전압 Vctrl-Vth(Dr-TFT)에 의해 동작한다. 만일  Vth(diode)=Vth(Dr-TFT)라면 Vctrl-Vth(Dr-TFT)=Vsig+Vth(diode)-Vth(Dr-TFT)=Vsig가 되어 오버 드라이브 전압은 Vth를 포함하지 않는다. 그러므로 Ioled는 Vth로부터 영향을 받지 않는다. 이 구동방식의 과제는 Dr-TFT의 트랜지스터 이동도와 OLED의 특성변동으로 인해 Ioled가 여전히 불균일해지는 점이다. 

1.4  전압 프로그램 방식 
다이오드 접속방식을 발전시킨 것이 전압 프로그램 방식이다. <그림 2> ⒞에 나타내는 전압 프로그램방식에서는 주사(走査) 단계는 2단계로 이루어진다. 제 1단계에는 Vth가 Vctrl에 보존되고 제 2단계에는 Vsig가 Vctrl에 인가된다. 
이 구동방식의 특징은 다이오드 접속방식의 특징에 더하여 자기보상이 이루어진다는 점이다. 즉 Dr-TFT 자신의 Vth 보상을 수반한 Vsig가 Dr-TFT의 Vctrl로서 인가된다. 그러므로 다이오드 접속방식과는 달리 서로 다른 TFT의 Vth가 같을 필요는 없다. 그 외의 특징과 과제는 다이오드 접속방식과 같다. 

1.5  전류 프로그램 방식 
<그림 2> ⒟에 나타내는 전류 프로그램 방식에서는 Dr-TFT에 Isig를 강제로 흘려보냄으로써 Vctrl을 포함하는 화소회로의 모든 전압조건이 자동으로 결정된다. 이 구동방식의 특징은 Dr-TFT와 OLED의 특성변동에 대해 Ioled를 꽤 균일화할 수 있다는 점이다. 이 구동방식의 과제는 저(低)계조 레벨에서 Isig가 주사기간에 화소회로 전체를 충전하기 때문에 충분한 전류가 아니라 화소회로의 충전 부족이 발생한다는 점이다. 
Current-copy Pixel이라고 명명된 개선판에서는 주사단계에 OLED는 전기적으로 절단된다. 그 결과 OLED의 용량성분이 제거되어 충전부족현상을 상당히 개선한다. 

1.6  커런트 미러 방식 
<그림 2> ⒠에 나타내는 커런트 미러 방식은 각각의 화소에 전형적인 커런트 미러 회로를 형성한다. 이 구동방식의 특징은 OLED에 Isig를 흘려보내지 않아 커다란 용량 성분을 충전할 필요가 없으므로 충전부족현상이 발생하지 않는다는 점이다. 이 구동방식의 과제는 서로 다른 TFT의 트랜지스터 특성이 같을 필요가 있다는 점이다. 
1.7  면적 계조 방식 
<그림 2> ⒡에 나타내는 면적 계조 방식은 계조를 얻기 위해 발광면적이 변화한다. 발광면적은 복수의 부화소로 분할되고 발광하는 부화소의 수가 변화한다. 
이 구동방식의 특징은 Dr-TFT의 특성변동에 대해 부분적이기는 하나 Ioled를 균일화할 수 있다는 점이다. 과제로는 계조수가 부화소의 수에 제한되는 점을 들 수 있다. 

1.8  시간 계조 방식 
<그림 2> ⒢에 나타내는 시간 계조 방식은 계조를 얻기 위해 발광시간이 변화한다. 기존의 시간 계조 방식은 발광시간이 복수의 부프레임으로 분할되고 발광하는 부프레임의 수가 변화한다. 이 구동방식의 특징은 역시 Dr-TFT의 특성변동에 대해 Ioled를 부분적이기는 하나 균일화할 수 있다는 점이다. 과제로는 계조수가 부프레임의 수에 제한되는 점을 들 수 있다. 
Display-Period-Separated Driving(DPS)이라고 명명된 개선판에서는 프레임 단계가 주사단계와 표시단계로 이루어진다. 
Simultaneous-Erasing-Scan Driving(SES)이라고 명명된 또 하나의 개선판에서는 3개의 TFT를 화소회로에 형성하고 Vsig의 입력과 소거가 동시에 실행된다. 이 구동방식의 특징은 높은 계조수가 요구되었을 때에도 계조수에 대한 단시간 발광을 유지할 수 있다는 점이다. 이 구동방식은 시간 계조가 이전부터 사용되었던 플라즈마 디스플레이(PDP)의 구동방식을 기원으로 하고 있다. 그러므로 기타 PDP의 구동방식도 TFT-OLED의 구동방식에 유용할 수 있다. 
Clamped Inverter Driving Method라고 명명된 개선판에서는 인버터에 의한 비교회로와 스위프 신호전압이 발광시간을 제어한다. 이 구동방식의 특징은 부프레임이 필요 없으므로 계조수가 부프레임의 수에 제한되지 않는다는 점이다. 

1.9  분류 
위에 소개한 구동방식은 <표 1>에 나타내는 바와 같이 분류한다. 우선 계조를 얻는 방식과 발광 균일화를 얻는 방식으로 구별할 수 있다. 그래서 구동방식을 계조 방식과 발광 균일화 방식의 관점에서 분류한다. 
분류는 각각의 행이 계조방식에 대응하고 계조를 얻기 위해 변조되는 것을 의미한다. <표 1>에서 행 「TFT 전압」은 TFT에 인가하는 전압을 변조하는 의미이다. 
각각의 열은 발광 균일화 방식에 대응하고 발광 균일화를 얻기 위해 변조되는 것을 의미한다. 열 「TFT 전압」은 TFT에 인가하는 전압을 화소끼리 조정하는 의미이다. 열이 오른쪽으로 갈수록 발광 균일화의 성능은 높아진다. 예를 들면 전류 프로그램 방식은 계조를 얻기 위해 OLED로 흘려보내는 전류가 변조되고, 또 발광 균일화를 얻기 위해서라도 역시 그 전류가 조정된다. 시간 계조는 계조를 얻기 위해 발광시간이 변조되고 발광 균일화를 얻기 위해 OLED 인가전압이 조정된다. 

2. 신규 제안의 구동방식 

<표 1>에는 몇 개의 공란이 있다. 그들의 몇 개는 불가능하고 몇 개는 무의미하다. 하지만 의의가 있는 것도 있다. 특히 행 「발광시간」과 열 「OLED 전류」의 교점이 신규 제안의 구동방식이다. 

2.1  시간 계조와 전류 균일화 
<그림 3>에서는 시간 계조와 전류 균일화를 적용한 신규 제안을 나타낸다. 시간 계조 방식과 전류 프로그램 방식이 조합되어 있다. 여기서는 예전의 시간 계조 방식과 마찬가지로 계조를 얻기 위해 발광시간이 변화한다. 하지만 Vsig는 Vctrl로서 인가되지 않는다. 예전의 전류 프로그램 방식과 마찬가지로 Dr-TFT에 Isig를 강제로 흘려보냄으로써 Vctrl을 포함하는 화소회로의 모든 전압조건이 자동으로 결정된다. 따라서 이 구동방식의 첫 번째 특징은 Dr-TFT와 OLED의 특성변동에 대해 Ioled를 균일화할 수 있는 점이다. 또한 Isig는 충분하고 일정한 전류이다. 그러므로 이 구동방식의 두 번째 특징은 저계조 레벨에서 화소회로의 충전부족현상을 해소할 수 있는 점이다. 
구체적인 화소회로는 예전의 전류 프로그램 방식에서 사용된 어떤 회로구성이라도 좋다. 여기서는 <그림 3> ⒜에 나타내는 Current-copy Pixel을 채택한다. 주사단계에는 계조에 따라 만일 그 주사단계에 발광시키고 싶다면 프로그램 동작이 실행된다. 신호배선을 통해 Isig를 강제로 흘려보냄으로써 모든 전압조건이 자동으로 프로그램된다. 보존단계에는 프로그램된 전압조건이 유지되어 Ioled가 재생산(Reproduce)된다. 
만일 발광시키고 싶지 않다면 소거동작이 이루어진다. Vsig=Vdd를 신호배선에 인가함으로써 Dr-TFT는 Switch Off한다. 지속단계에는 OLED가 비광원으로 된다. 계조를 얻기 위해 재생산 단계와 비광원 단계의 비율이 변화한다. 드라이버 회로에는 정전류원과 스위치만 필요하므로 드라이버 회로를 단순하게 할 수 있다. 
2.2  비월(飛越) 주사 방식 
주사 주파수의 증대를 계조 배수(倍數)가 아니라 계조비트의 배수 정도로 억제하기 위해 비월 주사방식을 채택한다. 이 구동방식은 PDP의 구동방식을 기원으로 하고 LCD에 대한 응용을 검토해 왔다. 
<그림 4>는 시간 계조의 비월 주사방식을 나타낸다. 주사선은 2진법으로 점프하여 선택된다. 즉 제 1, 제 2, 제 4, 제 8과 같이 선택되는 주사선의 순서가 2진수이다. 그 결과, 주사간격은 2진법으로 가중된 간격이 되어 즉 1, 2, 4, 8과 같이 주사간격의 비율이 2진수가 된다. 모든 프레임 단계를 이용할 수 있고 휴지단계는 없기 때문에 주사 주파수의 증대를 계조비트 배수 정도로 억제할 수 있다. 

2.3  화소 충전 
<그림 5>는 프로그램 단계의 화소충전을 나타낸다. 회로 시뮬레이션은 TFT 모델을 사용하여 이루어졌다. 통상적인 설계 파라미터 즉 TFT와 OLED의 특성, 도트 피치 200㎛라는 화소피치, 100Cd·m-2라는 표시휘도 등이 사용되고 있다. 
프로그램 기간에서 Itft는 Isig에 점점 가까워져야 한다. 하지만 10nA의 낮은 Isig에 대해 Isig는 Cst나 화소회로 전체를 충전하기에는 충분하지 않기 때문에 20㎲ 후에도 Vpx는 일정한 상태에 안정되어 있지 않아 Itft는 Isig에 가까워져 있지 않다. 한편 1㎂의 높은 Isig에 대해서는 적어도 3㎲ 후에 Vpx가 일정한 상태에 안정되어 있지 않고 Itft는 Isig에 점점 가까워져 있다. 
예전의 전류 프로그램방식은 아날로그 전류원이 저(低)계조 레벨에 대해 낮은 Isig를 공급해야 하기 때문에 충전부족현상이 생겨 계조의 선형성이 훼손된다. 이에 대해 신규 제안 구동방식은 정전류원이 일정하게 높은 Isig를 공급하면 된다. 신규 제안 구동방식의 프로그램 기간은 계조의 비트수에 따라 단시간에 이루어지지 않을 수 없지만 그래도 일정 상태로 안정되기까지 걸리는 시간은 오히려 프로그램 단계보다 빠르다. 예를 들면 500개의 주사선과 8비트 계조에서도 프로그램 기간은 4㎲이다. 그러므로 충전부족은 발생하지 않아 계조의 선형성이 훼손되는 일은 없다. 
또한 소자 열화에 대한 내성(耐性)도 개선되었다. <그림 6>은 초기특성과 열화특성에 대한 화소 충전을 나타낸다. 이 그래프의 횡축은 <그림 5>보다 더 확대한 것을 사용했다. 여기서는 저계조 레벨에 대해 생각하고 있으므로 위에서 말한 바와 같이 예전의 전류 프로그램 방식에서는 낮은 Isig가 사용되고 신규 제안 구동방식에서는 높은 Isig가 사용된다. 그리고 TFT의 이동도와 Vth, OLED의 전압과 전류가 10% 정도 열화되었다고 가정했다. 낮은 Isig에 대해서는 초기특성과 열화특성의 경우에 화소충전 도달 레벨에 차이가 생겼기 때문에 재생산 단계의 Itft에도 차이가 생긴다. 그리고 높은 Isig에 대해서는 초기특성과 열화특성의 경우에 화소충전에 드는 시간에는 차이가 생겼다. 하지만 Isig는 충분히 커서 Itft에 차이가 생기지 않는다. 그 결과, 신규 제안 구동방식에서는 소자 열화에 대한 내성도 개선되었음을 확인할 수 있다.

2.4  동작점
<그림 7>은 프로그램 단계와 재생산 단계에서의 동작점을 나타낸다. 예전의 전류 프로그램 방식에서는 프로그램 단계에 계조 레벨에 맞게 얼마간의 동작점을 사용한다. 따라서 프로그램 단계에서 재생산 단계로 동작점이 옮겨감에 따라 전류 변화가 발생하여 계조의 선형성이 재차 훼손된다. 
한편 신규 제안 구동방식에서는 프로그램 기간에 계조 레벨에 상관없이 단 한 점의 동작점을 사용하고 그 동작점은 재생산 기간의 동작점과 일치시킬 수 있다. 그러므로 전류 변화가 발생하지 않아 계조의 선형성이 훼손되지 않는다. 실제로는 프로그램의 동작점과 재생산 단계의 동작점을 항상 일치시키기는 어렵지만 이들을 가깝게 하면 위에 언급한 효과는 유효하다. 
앞절과 마찬가지로 동작점의 관점에서도 소자 열화에 대한 내성이 개선되었다. <그림 8>은 초기특성과 열화특성에 대한 동작점을 나타낸다. 예전의 전류 프로그램 방식에서는 초기특성과 열화특성의 경우 재생산 단계에 커다란 동작점의 차이가 생겼다. 왜냐하면 주로 TFT 특성이 낮은 Vgs에서는 포화 영역이더라도 그렇게 평평(Flat)하지는 않기 때문이다. 한편 신규 제안 구동방식에서는 초기특성과 열화특성의 경우 재생산 단계에 동작점의 차이가 약간 생겼을 뿐이다. 그 결과, 신규 제안 구동방식에서는 소자 열화에 대한 내성도 개선되었음을 재차 확인할 수 있다.

2.5  선형성과 균일성 
첫째, 앞에서 말한 고찰에 기초한다면 화소충전과 동작점의 관점에서 신규 제안 구동방식에서는 계조의 선형성이 개선되었을 것으로 기대할 수 있다. 
<그림 9>는 계조의 선형성을 나타낸다. 예전의 전류 프로그램 방식에서는 횡축이 Isig이고 종축이 Ioled이다. 10nA의 낮은 Isig에 대응하는 저계조 레벨에서는 계조의 선형성이 훼손되었음을 알 수 있다. 신규 제안 구동방식에서는 횡축은 재생산 단계의 시간비로 가중한 Isig이고 종축은 프레임으로 평균한 Ioled이다. 저계조 레벨에서도 계조의 선형성이 유지되고 있음을 알 수 있다. 
둘째, 신규 제안 구동방식에서는 소자 열화에 대한 휘도 균일성도 개선되었을 것으로 기대할 수 있다. <표 2>는 소자 열화에 대한 휘도 균일성을 나타낸다. 여기서 ΔIoled는 Ioled의 편차로 휘도의 편차에 대응한다. 앞에서 말한 고찰과 마찬가지로 TFT의 이동도와 Vth, OLED의 전압과 전류가 10% 정도 열화되었다고 가정했다. 만일 소자 열화가 화소마다 일어난다면 휘도 편차는 표시 얼룩이 되고 만일 시간이 지남에 따라 악화된다면 수명과 연관된다. 만일 화소마다 일어나면서 시간이 지남에 따라 악화된다면 눌어붙는 원인이 된다. 예전의 전류 프로그램 방식에서는 낮은 Isig에 의한 충전부족과 동작점 이동으로 인한 전류변화 때문에 ΔIoled는 계조 레벨이 전체적으로 매우 작다고 말할 수 있다. 

3. 맺음말

지금까지 각종 TFT-OLED 구동방식의 특징에 대해 설명하고 계조방식과 발광 균일화 방식의 관점에서 분류했다. 이 분류를 고찰함으로써 시간계조와 전류 균일화를 사용한 신규 제안의 구동방식을 착상하게 되었다. 
이 구동방식은 전류 균일화를 실현함과 동시에 저계조 레벨에 대한 화소회로의 충전부족을 해소하고 동작점 이동으로 인한 전류변화를 줄인다. 소자 열화에 대한 내성과 계조의 선형성을 회로 시뮬레이션으로 확인했다.

출처 : 엔지니어링네트워크팀-공학자료.구인구직정보.중고장비.제품영업

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