현대인의 필수품 스마트폰! 사람들은 스마트폰으로 인터넷 검색, 영화나 음악 감상, 온라인 쇼핑은 물론 간단한 문서 작업까지 진행합니다. 스마트폰이 단순히 전화 기능을 넘어, 이렇게 다양한 생활 편의 기능까지 활용 가능해질 수 있었던 이유는 무엇일까요? 스마트폰에 탑재된 여러 기술과 더불어 디스플레이 발전에 의한 효과라 해도 과언이 아닐 것 같습니다.
최근 주요 스마트폰 대부분에 탑재된 OLED 디스플레이는 2007년 삼성디스플레이가 세계 첫 양산을 시작하면서 많은 발전을 거듭해왔습니다. 사람들은 고해상도, 고화질 디스플레이를 통해 수많은 정보를 확인하고, 다양한 엔터테인먼트를 즐깁니다. 또한 얇고 휘어지는 특성이 있는 OLED를 통해 접히는 폴더블 타입의 스마트폰까지 등장했습니다. 오늘은 이러한 OLED 패널이 어떻게 만들어지는지 알아보기 위해 OLED 패널 설계에 대해 알려드리고자 합니다.
OLED 패널 설계란
설계란 단어에서 알 수 있듯이 기본적으로 패널 설계란 제품 제작을 위한 도면을 만드는 일이라고 할 수도 있습니다. 그런데 단순히 도면만 디자인하는 것이 아니라, 스펙에 맞게 기획/설계/ 검증/ 제작/ 검사/ 분석 등 모든 패널 제작 프로세스에 관여하고 있습니다.
좀 더 자세히 설명하자면, OLED 패널 설계는 원하는 스마트폰 크기나 형상에 맞게 디스플레이 패널의 dimension을 결정하고, 해상도 및 디스플레이 밝기에 따라 어떻게 패널을 만들지를 계획합니다. 또한 패널 스펙에 맞는 회로를 구성하여 패널을 디자인한 후, 검증을 통해 차세대 패널을 위한 디자인 솔루션을 만들고, 신규 회로 개발을 통해 OLED 패널 특성을 개선합니다.
그리고 패널 설계를 통해 만들어진 photo mask를 이용하여 아래 그림과 같은 공정 프로세스를 통해 패널을 만들고, 원하는 spec대로 패널이 동작하는지 검증, 분석하는 역할도 수행하고 있습니다.
OLED 패널 특성
OLED (Organic light emitting diode)는 Red/Green/Blue 유기 LED가 자체 발광하는 구조로 OLED를 통과하는 전류에 따라서 R/G/B 휘도를 조절할 수 있습니다. 여기서 휘도(Luminance, Brightness)란 관찰자가 보는 물체의 겉보기 단위 면적당 광도이며, 단위로는 nit, cd/m2로 표시합니다. 유기 LED의 자체 발광이란 양극과 음극을 통하여 유기물 박막에 전자와 정공을 주입하며, 주입된 전자와 정공의 재 결합 (recombination)에 의해 여기자 (exciton)가 형성되고, 형성된 여기자의 에너지에 의해 특정한 파장의 빛이 발생하는 현상을 말합니다. 즉, 양극과 음극을 통해 흐르는 전류를 조절하여 RGB 원하는 값의 휘도를 표현함으로써 디스플레이의 색 표현이 가능한 것입니다.
- Diode: 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 성질을 가진 반도체 소자
- Operation voltage (VOP) – Diode가 동작하기 위한 문턱 전압
- Diode current (Id) - Anode에서 Cathode로 흐르는 전류
- Saturation current (Is) – Diode 재료 및 온도에 따라 정해진 전류량
- Diode voltage (Vd) – Anode와 Cathode의 전위 차
- Thermal voltage (VT) – Diode 재료 및 온도에 따라 정해진 전압
OLED 패널 화소 및 회로 동작 원리
OLED 패널은 기본적으로 Active Matrix 방식을 사용하는데, 데이터 시그널과 스캔 시그널을 이용하여 각각의 화소에 흐르는 전류를 조절하는 방식입니다. AMOLED라고 표현하는 것도 이런 Active Matrix OLED를 줄여서 이야기 한 것입니다.
FHD (1080X1920) 해상도인 경우 2,073,600개의 화소를 표현할 수 있는데, 해상도가 높아질수록 더 정교한 이미지, 영상 표현이 가능합니다. 이런 각각의 화소가 색을 내려면, 흐르는 전류량을 조절해야 하는데 이때 화소 회로를 사용합니다. OLED 화소 회로를 이해하기에 가장 기본이 되는 회로가 2Tr 1Cap 회로입니다.
Scan(n) 신호가 High → Low 전압으로 변경될 때, T2 Transistor가 Turn on되어 G node에 Vdata가 쓰여지고, Scan(n) 신호가 Low → High일 때, T2 Transistor는 Turn off 됩니다. G node에 쓰여진 Vdata는 나머지 시간 동안 Cst (Storage capacitance)로 hold되고, T1 Transistor의 Vgs(ELVDD - G node) 전압에 의해 T1 Transistor의 흐르는 전류가 결정됩니다. T1 Transistor의 Vgs에 의해 흐르는 전류를 조절하여 원하는 값의 휘도를 표현할 수 있습니다.
1 Frame 시간은 주파수(frequency)에 의해 결정되고, 1H 시간은 주파수와 해상도에 의해 결정됩니다. 예를 들어 FHD 해상도의 60Hz 동작이라면 1 Frame은 16.7ms, 1H는 8.6us입니다. 1H 동안 각각의 scan 신호가 Turn on/off 되면서 해상도만큼의 scan 라인들을 순차적으로 구동하는 방식입니다.
OLED 패널 화소 구조
OLED 패널의 설계는 Backplane 상에 전자 회로를 구현하는 일련의 과정입니다. 제조 공정에서 요구하는 Process Architecture의 디자인 룰에 따라 반도체 트렌지스터들을 배치하고, 연결하는 작업을 통해 설계 도면을 완성하고 검증하는 작업을 거치게 됩니다. 트렌지스터는 MOSFET(Metal Oxide semiconductor field effect transistor)으로 되어 있으며, 그림과 같이 NMOS & PMOS를 구성할 수 있습니다.
Metal의 전압을 통하여 흐르는 current를 조정할 수 있으며, Metal 전압에 의한 Vgs전압과 소자의 Vth(Threshold voltage)에 의해 linear 영역과 saturation 영역으로 구분하며, saturation 영역에서 OLED 화소 회로를 동작합니다.
OLED 화소는 회로 동작을 하는 Backplane 구조와 후속 공정을 통한 EL 적층 구조로 이루어져 있습니다.
이러한 각각의 R/G/B 구조들로 하나의 화소가 구성되고, 해상도만큼의 화소들이 모여 디스플레이 화면을 형성합니다. 그리고 이런 화소들 동작시키기 위해 시그널을 주는 소스(Source)와 연결 배선들로 디스플레이 화면 주변을 채워 패널 설계를 완성하게 됩니다. 이렇게 완성된 패널 설계를 기준으로 패널을 제조하고, 원하는 스펙에 맞게 제대로 동작하는지 검증과 분석을 통해 디스플레이 패널이 개발되는 것입니다.
패널 설계는 OLED 디스플레이를 생산하기 위해 가장 먼저 해야 하는 첫 번째 스텝으로, 고객이 원하는 요구에 맞게 표준을 만들고, 제대로 설계하는 것이 중요합니다.
앞으로 OLED 제품 시장 확대가 더욱 기대되는 만큼, 패널 설계의 역할은 더 중요해질 것 같습니다. 삼성디스플레이의 OLED 기술 발전에도 많은 관심과 기대를 부탁드립니다.
