KEYWORDS
current uniformity, microdisplay, OLEDoS, pixel circuit, wide data voltage range
논문 리뷰에 들어가기 전에, Keyword 분석을 먼저 정리해 볼게요!
- current uniformity : 각 픽셀에서 전류가 균일하게 흐르는 정도를 의미한다. 이가 높아야 화면의 밝기가 고르게 유지된다.
- microdisplay : 소형 디스플레이 기술로, 고해상도, 높은 픽셀 밀도가 특징이다.
- OLEDoS (OLED on Silicon, 실리콘 기판 OLED) : 실리콘 기판 위에 OLED를 증착하는 기술로, 고해상도 소형 디스플레이 제작에 유리하다.
- pixel circuit : 디스플레이의 개별 픽셀을 구동하는 회로로, OLED (전류 구동 방식) 에는 균일한 전류 공급이 중요하다.
- wide data voltage range : 픽셀 회로가 다양한 전압 범위를 처리할 수 있는 능력이다. 넓은 전압 범위가 지원되면 더 높은 계조 표현과 정확한 색 재현이 가능하다.
Abstract
OLEDoS 디스플레이는 수천 PPI 이상의 초고해상도를 구현해야 하므로 픽셀 회로 설계에 어려움이 많다. 특히, 각 서브픽셀의 OLED 전류가 수 나노암페어(nA) 이하로 매우 낮아, 데이터 전압 범위가 수백 밀리볼트(mV) 수준으로 좁아지는 문제가 있다. 10비트(1024단계) 그레이스케일을 표현하려면 데이터 전압 범위를 1024개로 나눠야 하는데, 이 과정에서 매우 정밀한 전압 제어가 필요하므로 데이터 드라이버 설계가 어려워진다. 또한, 초소형 픽셀 크기 때문에 트랜지스터 특성 변동을 보정하는 회로 기법을 적용하기가 어렵다.
이 논문에서는 4670 PPI OLEDoS 디스플레이의 데이터 전압 범위를 확장하면서 전류 균일성을 고려한 픽셀 회로 설계 방법을 제안한다. 제안된 픽셀 회로의 효과는 5V 0.13μm CMOS 공정으로 제작된 40 × 120 픽셀 배열을 측정하여 검증한다.
PIXEL CIRCUIT FOR DATA VOLTAGE RANGE EXPANSION
위에서, 초고해상도를 구현하려면 데이터의 전압 범위를 넓혀야 한다고 했다. 데이터 전압 범위를 확장하는 방법으로 여러 가지가 고려되었는데, 우선 위의 그림의 (A) 방법이다. 이는
(A) : 두 개의 커패시터를 직렬로 연결하는 전압 분할 방식
홀딩 커패시터 외에 추가적인 커패시터를 사용하는 방식이지만, 초고밀도 픽셀에서는 추가적인 커패시터를 배치하는 것이 현실적으로 불가능하다.
(B) : 기생 커패시턴스를 활용하는 방식
별도의 커패시터를 추가하지 않고, 픽셀 내 존재하는 기생 커패시턴스를 활용하는 방법이지만, 기생 커패시턴스의 균일성과 선형성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
(C) : 드라이빙 트랜지스터의 벌크(bulk) 전압을 조절하는 방식
데이터 전압을 드라이빙 트랜지스터의 벌크 단자에 인가하여 바디 효과(Body Effect) 를 활용하는 방법이다. 이로 인해 Vth을 조정하여 방출 전류를 제어할 수 있다. 하지만, 각 트랜지스터의 벌크를 분리해야 하므로, 고해상도(PPI) 구현이 어렵다.
이러한 기존 방법들의 한계를 해결하기 위해, 본 연구에서는 드라이빙 트랜지스터의 소스 노드에 소스-디제너레이팅(Source-Degenerating) 소자를 추가하는 방법을 제안하였다.
- Body Effect 란?
: MOSFET에서 Source와 벌크 간 전압 차이에 의해 임계전압(Threshold Voltage, Vth)이 변화하는 현상을 말한다.
일반적으로 MOSFET의 벌크(BODY)는 Source와 연결되어 있지만, 일부 회로에서는 벌크를 별도로 설정하여 전압을 가할 수 있다. 이때 소스-벌크 간 전위 차이(VSB) 가 발생하면 임계전압이 증가하게 된다.
위 식을 보면, 가 증가하면 임계전압 Vth도 증가하여 트랜지스터의 전류가 줄어듦을 알 수 있다.
- Body Effect 의 영향
(1) 임계전압이 증가하여 트랜지스터의 turn on 이 어려워진다.
: V SB가 클수록 MOSFET을 켜기 위해 필요한 Gate 전압이 증가하기 때문이다.
(2) 트랜지스터 전류의 감소
: 가 증가하면 임계전압 Vth도 증가하여 트랜지스터의 전류(드레인 전류)가 줄어든다. 전류가 줄어들면 픽셀 밝기 조절 같은 문제가 생긴다.
(3) 트랜지스터 속도 저하
TRANSISTOR SIZING FOR CONVENTIONAL 2T1C PIXEL CIRCUITS
초고밀도(4670-PPI) OLEDoS 픽셀에서 데이터 전압 범위를 확장할 수 있는지를 검토하기 위해 기존 2T1C 픽셀 회로를 분석한다. 이는 위의 그림의 (A)와 같다.
드라이빙 트랜지스터(M1)의 길이를 증가시키면 데이터 전압 범위가 확장되는지 실험하는데, 실험 결과 M1의 길이를 증가시켜도 데이터 전압 범위(0.20V)는 변하지 않는다. 단지 데이터 전압의 기준점만 이동한다.
이를 이론적으로 해석해보면, M1은 Subthreshold 영역에서 동작한다. 이 영역에서의 전류는 다음과 같다.
위의 요소에는 트랜지스터의 Width와 Length가 없으므로, 이에 무관하고 전류 범위에 의해 결정된다. 즉, 트랜지스터 길이를 증가시키는 방식으로는 데이터 전압 범위를 늘릴 수 없다.
- M1은 Subthreshold 영역에서 동작하는 이유
: OLEDoS 픽셀에서는 픽셀당 전류가 너무 낮다. (보통 10pA ~ 1nA) Subthreshold 영역에서만 초저전류를 안정적으로 생성이 가능하다. 이 영역에서는 전류가 게이트 전압의 지수 함수로 변하며, 이로 인해 초저전류를 효율적으로 조절할 수 있기 때문이다. 트랜지스터가 포화(Saturation) 영역에서 동작하려면 VGS>VTH 가 되어야 하지만, 이 정도의 높은 전류를 흘릴 공간이 없다.
PIXEL CIRCUIT WITH SOURCE-DEGENERATING DEVICES
OLEDoS 마이크로디스플레이의 데이터 전압 범위를 확장하는 방법으로 source degeneration 소자를 사용하는 방법이 제안되었다. 이는 픽셀 회로에서 트랜지스터의 소스 단에 저항이나 다이오드 연결 트랜지스터를 추가하여, 동일한 OLED 전류를 유지하면서 데이터 전압 범위를 넓히는 방식이다.
(1) Source 단에 저항 추가
- HSPICE 시뮬레이션 결과
(1) 100 MΩ 및 1000 MΩ 저항 사용 시, 각각 0.36 V 및 1.63 V까지 증가
(2) 10 MΩ 저항 사용 시, 기존 0.20 V에서 0.22 V로 약간 증가
- 문제점
OLEDoS 픽셀의 구동 전류가 극도로 낮기 때문에, 데이터 전압 범위를 충분히 확장하려면 매우 큰 저항이 필요하지만, 비현실적이다.
(2) Source 단에 저항 대신 diode-connected 트랜지스터 추가
저항 대신 다이오드 연결(diode-connected) 트랜지스터를 소스 퇴화 소자로 사용하면, 픽셀 회로의 데이터 전압 범위를 보다 효율적으로 확장할 수 있다.
- HSPICE 시뮬레이션 결과
3T1C 회로에서는 트랜지스터 길이를 달리해도 모두 0.20V에서 0.46 V로 데이터 전압 범위가 확장된다.
구동 트랜지스터 M1과 다이오드 연결 트랜지스터 M2 는 Subthreshold 영역에서 동작하며 동일한 전류를 공유한다. 여기서 Source degeneration을 적용하면, M1 의 소스 전압이 변화하면서, 바디 효과가 생겨 임계 전압의 차이가 발생한다.
이는 트랜지스터의 Width와 Length에는 크게 영향을 받지 않고 전류 범위에 의해 결정된다.
(3) Source degeneration 소자로 diode connected 트랜지스터 두 개를 사용하는 방법 (4T1C 회로)
이전, 3T1C 회로를 분석한 결과, 데이터 전압 범위는 트랜지스터의 길이와 너비와는 무관하다. 즉, 트랜지스터의 길이는 문제가 되지 않으므로 최소 길이의 트랜지스터를 사용하여 확보된 공간에 두 개의 diode connected 트랜지스터를 추가하였다. 이 방식이 적용된 위와 같은 4T1C 회로의 데이터 전압 범위는 0.76V 로 확장되었다. (이는 기존의 2T1C : 0.20V, 3T1C : 0.46V 보다 훨씬 넓은 전압 범위를 확보한 것이다.)
픽셀 회로에서 중요한 또 다른 문제는 트랜지스터 공정 변동에 의한 특성 차이다. 일반적인 OLED 모바일 디스플레이에서는 Vth 보상 회로를 사용해 균일성을 유지하지만, OLEDoS에서는 픽셀 크기가 너무 작아 이런 보상 회로를 넣기 어렵다. 따라서, 보통은 트랜지스터의 크기를 키우지만, 이 역시 마이크로디스플레이에서는 불가능하다.
결과적으로, 위의 이유로 source degeneration 트랜지스터를 활용하여 negative feedback 효과를 이용하는 방법을 적용했다. (모든 트랜지스터가 최소 길이임에도 불구하고, 2T1C 회로에서 트랜지스터 길이를 2.26μm로 늘린 경우와 유사한 전류 균일성을 확보한다.)
즉, 4T1C 픽셀 회로는 픽셀 크기가 극도로 작은 OLEDoS 마이크로디스플레이에서 데이터 전압 범위를 확장하면서도 전류 균일성을 확보하는 데 적합한 설계라고 할 수 있다.
- Negatice Feedback 효과란?
: 출력 변화에 따라 입력을 조절하여 전체 시스템을 안정화하는 메커니즘을 의미한다. 이번 4T1C 픽셀 회로에서 음성 피드백이 적용되는 방식은 Source Degeneration 트랜지스터 때문이다. 이 트랜지스터를 이용하면, 공정 변동이나 환경 변화로 인해 전류가 과도하게 증가하는 경우, 자동으로 전류를 감소시키는 피드백 효과가 발생한다.
- 기본적인 트랜지스터 동작
: 기본적으로, 트랜지스터의 드래인 전류는 게이트-소스 전압에 의해 결정된다. 일반적인 OLED 픽셀 회로에서 공정 변동이나 온도 변화 등으로 임계 전압 변동이 발생하면 같은 데이터 전압을 인가하더라도 트랜지스터의 동작이 달라져 각 픽셀마다 OLED 전류가 달라지는 문제 (균일성 문제) 가 발생한다.
- Source degeneration 트랜지스터를 추가하면?
: 4T1C 픽셀 회로에서 source degerneration 트랜지스터 M2, M3가 추가되면 driving 트랜지스터 M1의 소스 단자와 OLED 사이에 새로운 저항성 경로가 형성된다. 이때, M1의 소스 전압이 다음과 같은 과정을 거쳐서 변하게 된다.
(1) 만약 공정 변동으로 인해 M1의 ID가 증가하면 → 소스 전압(VS)이 증가
(2) 소스 전압(VS)이 증가하면 → M1의 게이트-소스 전압(VGS = VG - VS)이 감소
(3) VGS가 감소하면 → 다시 ID가 줄어드는 방향으로 작용
즉, ID가 증가할 때 자동으로 전류를 감소시키는 방향으로 피드백이 발생한다.
CONCLUSIONS
OLEDoS는 매우 높은 픽셀 밀도(이 논문에서는 4670 PPI)를 가지므로, 개별 픽셀에 흐르는 OLED 전류가 수 나노암페어(nA) 수준으로 매우 낮아야 한다. 그러나 전류가 낮아지면, 데이터 전압 범위가 좁아지는 문제가 발생한다.
이의 해결 방법으로 Source degeneration 트랜지스터를 추가하는 방법이 효과적이다. 소스 퇴화 트랜지스터를 추가하면, Negative Feedback효과로 인해 데이터 전압 범위를 넓힐 수 있다. 특히, 2개의 소스 퇴화 트랜지스터를 쌓은 구조가 가장 효과적이며, 데이터 전압 범위를 0.62V까지 확장 가능하다. 모든 트랜지스터를 최소 길이로 유지해도, 음성 피드백 효과 덕분에 전류 균일성은 기존 2T1C 회로와 동일하게 유지된다.
결론적으로, OLEDoS 초고밀도 마이크로디스플레이에서 소스 퇴화 트랜지스터를 활용하면 데이터 전압 범위를 넓히면서도 전류 균일성을 유지할 수 있는 최적의 설계를 달성할 수 있다.