10. OLED의 구조 (3) - 회로구조

Posted by 주인장 남보르
2017.06.03 00:37 OLED 이야기/OLED 알아봅시다

OLED의 구조 세번째 시간입니다. 지난 번 두시간동안에 우리는 OLED의 단면적 구조인 다층구조, 그리고 평면적 구조인 픽셀구조에 대하여 알아보았습니다. 지난번 포스팅까지 읽어보신분들은 어느정도 OLED소자구조에 대해 대략적으로는 이해가 되셧으리라 믿습니다.(아니라면 질문을 해주세요!!) 


이번 시간에는 단일 OLED 발광소자가 아닌 동적인 이미지를 표현하기 위한 OLED 디스플레이의 구동회로의 간단한 구조를 알아봄으로써 어떻게 불이 켜졌다 꺼지는지 최대한 간단하고 쉬운 예로 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.


OLED발광소자에 전기를 공급해봅시다!!




<사진1. 면적이 다른 OLED 소자의 전류 공급방법>



우리는 지난 두번의 포스팅을 통해 발광소자가 어떠한 구조를 가지는지, 이 작은 디스플레이 화면에 눈에 보이지도 않는 픽셀들이 한개한개 어떻게 화면을 구성하는지에 대해 알아보았습니다. 발광소자를 제작하고 또 효율적으로 시각정보를 제공하기 위해서 화소들을 배치를 완료했다면, 이제 전기를 공급하고 드디어 빛을 내보도록 합시다.


위 사진1.의 왼쪽은 백색 발광을 하는 큰 면적을 가지는 조명샘플에 전기를 공급하는 장변입니다. 1개의 단일 화소(?)라고 불릴 수도 있는 조명샘플은 발광면적이 눈에 크게 들어올만큼 크기 때문에 우리가 학창시절 전기 실험시간에 사용하던 악어이빨이라 불리는 실험용 전기 공급 집게로 조명 샘플의 양극과 음극을 각 각 연결하고 전압을 전원공급기를 통해 인가해주면 조명샘플이 갖고 있는 전기광학적 특성에 맞게 빛을 발하게 됩니다.


이렇게 큰 OLED 소자는 물리적으로 전극을 연결에서 전기를 가해주면 모든 문제가 해결되나 사진1.오른쪽에 보이는것과 같이 디스플레이 화면 한개를 이루는 화소들에는 어떻게 전기를 공급해야 할까요? 점하나의 크기는 um(마이크로미터, 10E-6m)단위 크기로 도저히 제 생각에는 악어이빨을 물릴 수가 없습니다. 그렇다면 어떻게 전기를 공급할 수 있을 것인지 AMOLED를 예를 들어 살펴보도록 하겠습니다.

(*PM(Passive Matrix)과 AM(Active Matrix)은 구동방식에서 차이가 크고 현재 접할 수 있는 대부분의 OLED가 AM방식이므로 AM 즉, AMOLED 아몰레드라 불리는 방식을 기준으로 설명하도록 하겠습니다.




<사진2. OLED 디스플레이 녹색 화소의 확대 구조>



위 사진2.는 OLED 디스플레이 화소 한개를 확대시켜놓은 모습입니다. 물론 상세한 구조는 사진2.와 많이 다르고 실제 양산 제품들은 전면발광이기 때문에 기본적인 설계 또한 많이 다르지만 구동원리에 대해 설명드리기 위해 핵심적인 구성요소들만 표현하였습니다. 일단 사진2.를 보시면 이해를 쉽게 하기 위하여 일반적으로 통용되는 용어를 사용하지 않고 역할의 의미를 부여하기 위한 이름으로 표현하였습니다. 실제 용어는 다음과 같습니다.


메인전기 공급선 : Data line

신호 공급선 : Scan line

스위치 : TFT(Thin Film Transistor)

저장고 : Capacitance


라고 불리우며, 각 각의 구성요소들이 어떠한 역할을 하고 어떻게 구동되게 되는지 아래 그림을 보면서 이해를 깊게 해보도록 합시다.






<사진3. OLED 구동방법>





*구동방법 설명


  1. 메인전기 공급선에 전압이 인가되어 전류가 흐르기 시작한다. 이 때 스위치1에 전기가 들어가지만(하늘색으로 채워짐) 이 스위치1은 신호공급선에 의해 전류를 공급받아야지만 작동하므로 하늘색으로 표시된 대기상태로 신호공급선에서 전기가 들어올때까지 대기를 하게된다.

  2. 신호공급선에 의해 스위치1에 전류가 공급되면 스위치1은 비로소 작동하여 전류가 흐를 수 있게되고(이 이유때문에 스위치라고 표현하였음.) 스위치2로 전류를 보내주며 이와 동시에 저장고에 전하(전자들)을 채워두게 된다. 또한 스위치2가 작동하여 녹색 OLED 발광소자에 전류를 공급하게 되므로 소자가 발광하게 된다.

  3. 다른 이미지를 표현하기 위해 이 해당 픽셀의 발광을 종료하기 위해 신호공급선에 전류 공급을 끊게 되지만, 저장고에 저장되어 있던 전하들에 의해 일정 시간동안은 그대로 발광상태를 유지하게 된다. 저장고의 전하가 모두 소진되면 녹색 OLED 또한 완전히 발광을 멈추고 꺼지게 된다.
    *여기서 일정시간 발광상태를 유지하는 이유는 실제로 신호공급선에 전압이 인가되는 시간은 고해상도로 디스플레이를 만들수록 매우 짧게 된다. 그런데 이 짧은 시간 동안만 OLED 소자가 발광되면 우리 눈에서는 우리가 원하는 이미지로 보이는 것이 아닌 번쩍번쩍 밝기가 들쑥날쑥 눈이 아파서 도저히 쳐다볼 수가 없는 디스플레이가 되기 때문이다.

  4. 메인 전기 공급선이 다음 오른쪽 적색 소자를 키기위해 라인을 옮겨갔으므로, 신호공급선에 전류가 흐르더라도 녹색 소자는 켜지지 않게 된다. 위 1에서 3번까지의 과정이 적색 OLED소자에서도 차례로 일어나며 적색 OLED 소자가 발광된다.


AMOLED, 아몰레드는 위와 같은 방식으로 화면의 필요한 화소를 켰다 껏다를 반복하며 이미지를 구현하게 됩니다. 각 화소의 크기는 갤럭시S6기준으로 대략 30um 정도 되므로 머리카락 두께인 60um에 절반밖에 되지 않는 작은 점입니다. 그러나 이 작은 화소한개에 스위치2개, 저장고 1개가(실제 양산품 회로는 스위치가 4~6개 저장고가 1~2개)가 들어가므로 이러한 회로 설계에 얼마나 많은 노력이 필요하며 이를 실제 제품으로 제작하기 위한 공정은 얼마나 높은 기술력과 노하우가 필요할지 생각하면 정말 까마득해 지는 것 같습니다.


이번 시간에는 회로구조의 설명외에도 간단한 OLED 구동에 관해서 설명을 조금 넣어보았습니다. 아직 구조적으로도 다뤄야할 내용이 많지만 OLED의 전체적인 구조를 이해하는데는 이 정도 수준이면 어느정도 커버가 될 듯 싶습니다. 세부적인 구조와 구동 방법등은 조금씩 주제를 넓혀가며 하나씩 알아보도록 하겠습니다.


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    • jlkice827
    • 2017.06.03 13:56
    잘 읽었습니다!! 한 가지 궁금한게 있는데요. 스위치2에 OLED의 Cathode와 Anode가 모두 도선으로 연결되어 있는 건가요??
    • 안녕하세요
      굉장히 중요한 질문입니다. 문제를 바라보는 통찰력이 있으시네요. 궁금증을 가지실만한게 분명 OLED는 음극과 양극이 유기물을 샌드위치시키고 있는 구조인데 위 그림에서는 전극이 하나밖에 없습니다.

      이 점에서 jlkice827님처럼 물음표가 나와야 하는 것이죠. 설명드리자면 OLED는 전류구동이라고는 하지만 전류가 흐르려면 결국 전압차이를 주어야 전류가 흐르기 때문에 어떻게 보면 전압구동방식이라고도 할 수 있습니다.

      전압은 말그대로 양극과 음극의 전하량 차이 입니다. 예를들어, 양극의 전하량이 0, 음극의 전하량이 5이면 우리는 전압이 5라고 할 수 있습니다.

      조금 다르게 양극의 전하량이 2, 음극의 전하량이 7이어도 전압은 5입니다. 그러니까 결론적으로 OLED의 양극을 접지(ground)시켜놓으면 항상 전하량이 0이기 때문에 음극에만 전하가 공급되면 마른논에 물들어가듯이 전자가 흘러갑니다.

      결론은 '양극은 접지되어있고 스위치2에는 음극에 이어지는 라인이 연결되어 있다.' 입니다.

      좋은 질문 감사드립니다.
      • jlkice827
      • 2017.06.03 19:04
      감사합니다!! 몇 일간 이 문제를 해결 못했었는데 시원하게 해결된거 같네요.

      그러니까 정리하자면, 'anode를 접지시켜놓고 cathode에만 전자를 공급하면 전위차가 생기기때문에 anode에서도 정공이 공급된다' 이 말씀이시죠?

      그럼 반대로 생각해서 cathode를 접지시켜놓고 P-type TFT로 anode와 연결시켜 정공을 공급하면 전위차가 생겨 cathode에서도 전자가 공급되는건가요? 제가 이런 생각을 한 이유는 제가 본 그림에서 AMOLED구조는 TFT가 anode (ITO)밑에 있고 바로 anode(ITO)랑만 열견된 것처럼 보이거든요.
    • 답글이 늦었습니다. 몇일 놀러갔다오는 바람에.. ㅋㅋ

      그림은 실제 구조와는 차이가 있기 때문에 대략적인 원리 이해를 위해서 간략하게 그린거라 실제 구조와는 차이가 있습니다.

      깊게 생각하지는 마시고 단지 TFT와 capacitor의 역할과 구동 방식에 대해 아 이렇구나 이해정도만 하시면 될 것 같습니다.

      정공의 관점에서 바라보려는 이유가 혹시 있으신가요?? OLED는 지극히 전자위주로 이해해야 합니다. 나중에 언급하게 될 폴라론이라는 개념을 보면 더더욱 그렇습니다.
      • jlkice827
      • 2017.06.06 13:46
      아 전 oled 기본 원리가 eml층에서 전자와 정공이 만나야한다는 걸로 알고 있어서 정공과 전자가 같이 주입되어야 한다고 생각했거든요 ㅎㅎ
      그런데 anode를 접지시면 어디서 정공이 공급되나 궁금했어요. 감사합니다~
    • 사실 이 블로그가 이전 블로그를 옮기고 있는 상태라서 이전 블로그에 이에대한 내용 올린 글 먼저 참고 바랍니다.

      http://musicquant.tistory.com/49
      • jlkice827
      • 2017.06.07 19:10
      감사합니다~~ 정공은 입자성도 있고 effective mass도 존재한다고 배웠었는데 충격적이네요....
      아무튼 단순하게 anode는 접지되어 있고 TFT에 의해 cathode에 전자가 공급된다 라고 알면 될것 같네요
    • 네 맞습니다. 깊게 들어가면 들어갈 수록 모든 현상을 설명하기에는 더더욱 어려워 지는 것이 유기물들의 전기적매카니즘입니다. 교양수준에서도 실무에서도 이 정도까지의 이해만으로도 충분하실 겁니다.

      물론 학문적으로 더 깊게 들어간다면 이야기는 달라지겠지만요..
    • ji1212
    • 2018.02.14 15:01
    안녕하세요.
    블로그에 너무나도 도움이 많이되는 자료가 많아 차근차근 열심히 공부해 나가는중입니다.
    먼저 좋은자료 올려주신점 감사드립니다.

    질문사항이있는데요
    저는 OLED 구동회로쪽에 대해 초기지만 공부해 나가고 있습니다.
    다름이 아니라, 위의 그림상에는 Data Line이 한칸씩 옮겨가며 가로측?으로 변화되고있는데,
    Data는 미리 받아두고 동시에 인가하고 Scan Line이 아래쪽?으로 변화해 나가면서 위쪽부터아래쪽으로 화면이 변화하는것이 아닌가 하는 궁금증이 생겨서 질문드렸습니다.ㅠㅠ 사실저도 초기단계라 정확한 개념이 헷갈려서요 ㅠㅠ
    • OLED_TFT
    • 2018.04.23 22:47
    안녕하세요. 여러 글들 진짜 잘 보고있습니다. 정말 자세하게 설명해주셨고 많은 도움이 되고있어요 ㅠㅠㅠ

    한 가지 질문과 요청부탁드려도 될까요..?

    다른 블로그에서 TFT는 accumulation 모드로 동작한다고 했는데.... 모통 MOSFET처럼 inversion이 아닌 왜 accumulation로 동작하는지와 그 원리가 궁급합니다... ㅠㅠㅠ (사실 Accumulation 모드도 혼자 공부해보긴 했는데 다 이해한것 같진 않아요..)

    그리고 OLED는 여러 보상회로들이 쓰이고있는데, 삼성 LTPS TFT에서 어떤 보상회로들이 쓰이고있고, 그 어떻게 회로가 동작하는지 알 수 있을까요,,? 가능하시면 OLED 알아봅시다에 새로 글 올려주시면 진짜 감사하겠습니다. .ㅠㅠ
    • 죄송합니다 ㅠ 회로 엔지니어가 아닌지라 학부생때 반도체 공학 수업한번 들은게 다네요 ^^;;; 회로관련한것은 기본적으로 알아야할 수준만 담은 것도 잘몰라서 입니다.

      반도체 관련한 블로그들도 많으니 그쪽에 질문하심이 빠를 것 같습니다. 운좋게 해당 분야에 종사하시는 분들이 답글 달아주시면 참 좋겠네요.ㅜㅜ
    • 미스터리
    • 2018.08.01 22:37
    안녕하세요. 디스플레이를 독학하는 재료공학도 발명가입니다.

    음극이 공통전극으로 모든화소에 연결되고(한 층으로), 발광소자가 적층되고
    이를 제어하는 스위치가 픽셀전극(양극)과 연결된 TFT소자로 알고 있었는데 제가 제대로 알고 있었는지 모르겠습니다..
    이에 대해 가르쳐주시면 감사하겠습니다.