Display Driver IC는 디스플레이를 화면에 송출하기 위해 반드시 필요한 디스플레이 구동칩입니다.
반도체의 한 종류로 비메모리에 속합니다.
DDI는 T-con으로부터 컨트롤을 받으며 RGB서브픽셀에 데이터신호를 전송합니다.
DDI는 크게 Gate IC / Source IC 2개로 나뉘는데요.
출처 - 삼성디스플레이 톺아보기
외부로부터 터치든 AP든 신호를 전달받게되면 T-con은 DDI를 제어하게 됩니다. 사진에 나온 것처럼 FPCB (T-con회로를 품고 있는 플렉서블 PCB)와 연결된 DDI는 신호를 받고 TFT를 어떻게 컨트롤할지 명령을 내립니다.
DDI로부터 신호를 전달받으면 각각의 RGB서브픽셀에 놓여진 TFT전극은 문턱전압 이상을 인가받으면 전류가 흐르면서 불이 켜지는 식입니다.
따라서 DDI가 없으면 불을 못켜요.
DDI는 크게 2가지로 나뉩니다. Source IC / Gate IC에서 Source IC는 영상신호의 양을 조절해서 RGB색상의 값에 관여합니다. Gate IC는 좀 다릅니다. 얘는 Switch ON/OFF 역할을 하는데 서브픽셀들을 키거나 끄거나 하는 것이므로 일부 제품에서는 아예 TFT에다가 Gate IC를 박곤 합니다.
디스플레이에서 DDI가 있는 곳은 '베젤'이라 합니다. 시계 좋아하시는 분들은 베젤에 익숙할거에요. 테두리를 의미합니다.
그럼 이제 T-Con을 봅시다.
T-con은 Timing Controller라 해서 외부 액세스포인트(AP) 혹은 터치신호를 받음으로써 DDI에게 명령을 내릴지말지 판단하는 디스플레이의 '두뇌'입니다.
T-CON과 DDI
외부로부터 AP든 터치든 Data신호가 들어오면 T-con이 이걸 받고 Row DDI (Gate IC) / Column DDI (Source IC)로 명령을 뿌립니다.
- 스스로 빛을 내지 못하는 액정 탓에 백라이트를 이용하여 컬러필터를 통과시켜 RGB컬러를 내는 디스플레이 기술입니다. OLED랑 가장 큰 차이점을 나타내고있죠.
간단한 구조를 보면 백라이트 -> 유리 -> 액정 (사이사이 편광필터들) -> RGB 컬러필터 등등으로 되어있습니다.
중요하게 봐야할 건 액정입니다. 사진 삼디플꺼 갖고 왔는데 한번 보죠.
출처 - 디스플레이 톺아보기 (SDC)
저 액정을 통해서 편광필터를 통과시킬 빛을 조절합니다. 즉, 빛의 세기를 조절하는 것인데요. 액정은 전압을 인가해주면 움직이게 할 수 있습니다. 그 기능을 수행하는게 TFT입니다. TFT의 경우는 조만간 다시 다룰텐데 lgd의 경우는 Oxide TFT (대형 전광판 - 대면적에 유리) / sdc는 LTPS (모바일 - 소형에 유리)한 정도로만 기억해두시면 좋을듯 합니다.
전압을 인가하면 액정이 위 사진의 오른쪽처럼 액정이 정렬되게 됩니다. 위의 경우는 화면을 어둡게하는 상태인것 같네요. 빛의 세기가 왼쪽에 비해 없으니까 화면이 검은색인 상태라고 보면될 것 같습니다.
이 액정의 정렬 방식은 크게 TN / VA / PLS로 나뉩니다.
TN : 가장 노말하며, 오래된 방식입니다. 기본적으로 액정의 정렬 상태 (전압을 인가하지 않았을 때)에 의해 Normal white를 내며, 전압을 인가하면 Black에 가깝게 하여 빛의 세기를 조절하는 방식입니다.
지금은 TN 방식은 안씁니다. 시야각도 시야각이고 화면 전환할 때 잔상이 남아가지고 다른 방식으로 진화했죠.
더군다나 위 사진을 보면 액정이 편광필터와 수평으로 놓여있습니다. 그렇기 때문에 구부릴수가 없는 완전한 평판 디스플레이였습니다. 지금은 뭐 OLED로 플렉시블 디플이다 그러자나여?
VA : 액정이 수직형태로 되어있고, 전압을 인가하지 않았을 때는 Black color가 되도록 하는 방식입니다. 그렇기 때문에 TN에 비해 상대적으로 Black Color를 구현이 잘됩니다. 또한, 액정이 수직상태기 때문에 구부리기도 쉬워서 커브드 디스플레이까지는 제조가 가능합니다.
몇년전 공격적인 TV광고전쟁의 주인공이였던 애들입니다. LGD의 OLED는 자발광을 하는 유기물소재.
삼성의 QLED는 LCD처럼 백라이트유닛을 사용하지만 이 발광소재를 퀀텀닷으로 이용한 것입니다.
1) 퀀텀닷(QD)가 뭔가요?
- 무기반도체 결정으로 이루어진 것을 말합니다. 근데 이 QD가 꼭 무기물 디스플레이라고 볼 수는 없습니다.
현재 삼성에서는 QD-OLED라는 최신기술에 주력하고 있는데요. OLED임과 동시에 QD소재를 사용하여 접근하겠다는 의지입니다. 어떠한 원리로 발광을 하는지 보겠습니다.
기존에 제가 발광하는 방법으로는 PL과 EL이 있다고 말씀드렸었습니다. PL의 경우는 포톤에너지를 발사하여 발광을 일으키는 애였고 EL의 경우는 전류를 흘러줌으로써 발광을 일으키게 하는 애였습니다.
QD에서도 이게 동일하게 들어갑니다. 포톤에너지를 사용한 것을 photon in / photon out이라 하구요.
전류를 사용한 것을 electron in / photon out 이라고 합니다.
이 QD-OLED의 경우를 사용하는 이유는 OLED와 비교해보자면 일단 색 순도가 굉장히 높습니다.
그리고 LCD때도 그랬지만 일단 휘도 자체만 놓고보면 OLED보다 LCD가 더 강합니다. 그러한 무기물 소재로
QD-OLED에 적용한 것이기 때문에 높은 광특성을 가진 디스플레이가 된 것이죠.
2) QD-OLED의 작동원리는?
- QD-OLED는 기본적으로 'LCD'의 아이디어에서 출발합니다. LCD는 백라이트 유닛을 통해 백색광을 가지고 컬러필터를 씌워놓아서 색을 재현해냈었죠? 뭐 편광필터도 있고 액정필터도 있었지만요. QD-OLED는 백색광대신 blue라이트를 후면발광체로 둡니다. 그리고 이것이 'QD-Sheet'를 통과하면 색이 재현됩니다. QD-Sheet에는 Red와 Green이 있는데요.
블루백라이트가 QD-Sheet을 통과하거나 흡수되어서 레드,그린을 대신 내는 방식으로 작동하는 것입니다.
아까도 말했듯이 QD소재는 무기물이기 때문에 OLED보다 높은 휘도를 가지고 Color Space도 높습니다.
더군다나 수명까지도 높고 그로 인해 번인현상도 일어나지 않습니다.
이렇게 말하면 좋은점만 있는거 같죠? 하지만 색 재현성에서는 기존의 OLED보단 떨어집니다. 블랙컬러도 그렇구요.
이전에 플렉시블 디스플레이 공정과정에서 패널을 커팅하는 단계에 대해 잠깐 설명해드린적이 있었습니다.
오늘은 패널 커팅 기술이 뭐가있는지 간략히 보도록 하겠습니다.
이미 위에 적었다시피 패널커팅기술 중에 다이아몬트 휠 커팅이란 것이 있습니다. 이 친구의 경우는 다이아몬드를 소모품으로 쓰기 때문에 비용문제가 엄청나요. 대단합니다! 다이아몬드를 ㅠㅠ.. 다이아몬드의 경도가 확실히 제일 높기 때문에 커팅이 불가능한 것이 없긴 하지만 잘못하면 메카니컬한 손상을 일으킬 수 있습니다. 그에 따라 생산 수율의 저하도 일으킬 수 있죠.
이러한 문제점을 커버하기 위해 등장한게 CO2 Laser cutting입니다. 얘는 다이아몬드 휠 커팅보다 더 정밀하고 작은 단위까지 커버가 가능합니다.
▶ Laser Lift OFF
- 이름에서 알 수 있듯이 레이저 기술을 이용하여 탈착을 시키는 공정입니다.
플렉시블 디스플레이는 유리기판 위에 Pi(폴리이미드) 소재를 코팅한 다음, FMM기법으로 RGB패터닝 후 TFT 증착을 하는 기술입니다. 그 다음엔 인캡슐레이션 공법으로 마무리하구요. 그 후 패널을 커팅한 다음 폴리이미드 소재와 유리를 떼어내야 플렉시블함을 가지게 됩니다. 이 떼어낼 때 쓰는 기술이 LLO구요. Laser를 가하면 내열성이 서로 다른 PI와 유리는 서로 떨어지게 됩니다.
하지만 LLO기술에도 단점이 있습니다. 공정비용이 비싸단 점입니다. 추가로 유리기판의 유리전이온도가 높아야하기 때문에 내열성 역시도 항상 고려해줘야하는 귀찮은점도 있습니다. 추가로 기판 모두가 Defect가 없어야 일정한 Laser 쐬기가 가능합니다. 정밀성이 많이 요구된다는 뜻이죠.
일단 폴더블이란게 접을 수 있는 디스플레이를 의미하기 때문에 변형률이 커야만 합니다. 즉 Strain의 값을 조절하기 위해서는 곡률반경과 재료의 두께를 건드려봐야하는데요. Strain값은 재료의 두께/곡률반경의 공식을 가집니다.
그러면 반대로 굽힘 강성도 알아봐야겠군요. 굽힙 강성이란 쉽게 말해 저항의 크기를 말합니다.
따라서 폴더블하게 만들기 위해선 이 굽힙 강성의 크기를 낮출 필요가 있습니다.
Bending Stiffness : 모듈러스(고체의 단단한 정도)* 두께의 세제곱에 비례합니다.
굽힘 강성 실험
위에 보세요. h가 시편의 두께입니다. 그리고 위 시편 자체가 가지는 모듈러스의 값을 E라고 합시다.
Bending Stiffness는 (모듈러스 E * 두께의 세제곱) /12 이라는 Formula를 가집니다.
근데 재료 자체가 가지는 모듈러스의 값은 솔직히 건들수가 없어요. 뭐 쓸만한 재료 중에 모듈러스 낮은게 있으면 그걸로 대체하면 되긴하지만! 그래서 두께를 낮추는 겁니다. 요새 TV나 노트북, 컴퓨터보시면 모니터화면의 두께가 점점 얇아지는게 보이시죠? 이제 재료의 조정에 대해 알아봤으니 플렉시블 디스플레이의 공정을 보겠습니다.
▶ 플렉시블 디스플레이 공정 과정
1) Glass 기판 준비합니다.
2) Slot을 코팅합니다. (우리가 원하는 플라스틱 소재를 기판 위에 코팅한다는 뜻입니다. ex. 폴리이미드 소재)
3) 코팅이 끝난 뒤 400~450도에서 열처리하여 재막시킵니다.
4) 이렇게 기판이 완성되면 TFT를 제조해야겠죠? 이 위에 LTPS TFT를 패터닝시킵니다. LTPS공정은 제가 따로 포스팅해놨었습니다. (네이버 블로그) Crush on Study 검색하시고 네이버블로그에서 LTPS 검색해보시면 나올거에요.
5) 백플레인이 만들어졌으면 FMM기법을 통해 컬러를 패터닝합니다.
6) 그 후, 인캡슐레이션 공법을 통해 외부 이물질 및 수분을 차단시킵니다.
7) 이제 제품의 원하는 규격에 맞춰 Cutting을 시킵니다.
8) 레이저 리프트 오프 (LLO ; Laser Lift Off) 기술을 통해 유리와 플라스틱을 떼어내서 마감합니다.
* 위 공정을 살펴보면요. 확실히 요구되는 재료는 내열성이 좋아야할 것이고 표면마감처리도 잘되어야할 것입니다.
TFT 제조에 들어가는 Solvent랑 Resin도 봐야하구요.
또한 플렉시블 디스플레이의 경우는 대부분이 고분자 폴리머로 이루어져있는데요. 이 분자량에 따라서도 특징이 다릅니다.
분자량이 적을 경우에는 가공성이 우수하고 분자량이 높을 경우에는 기계적 물성이 우수합니다. 따라서 이 둘을 적절히 조합해야 할 것입니다.
하나 더, 고분자들의 구조에 대해서도 고려해야할 사항입니다. 선형결합이라던가 Branch 결합 / Network결합 등등인지 알아볼 필요가 있는데요. 복잡한 구조일수록 사슬의 물리적 이동에 제한을 받습니다. 다만, 내충격성이 높다는 장점도 있죠.
정공주입층, 정공수송층 소재를 선택하기 위해서는 다음과 같은 특성을 고려해야 할 것입니다.
★ Energy Level
- HOMO-LUMO 갭을 가지고 판단하는 것인데 이게 구동전류&전압을 좌우하기 때문입니다.
★ Mobility
- 전자의 이동도 역시 빠르게 전달하는 것도 중요사항 중 하나입니다.
★ Emtting Wavelength
- 색좌표를 좌우하는 것입니다. 발광파장이 장파장이냐 단파장이냐에 따라 RGB 구현을 잘 할수 있으니까요.
★ Thermal Stability
- 열 안정성입니다. 제작 공정 자체가 유기물질에 열을 가하는 것이기 때문에 높은 온도에서 유기물이 지속적으로 가해지는 것인데 이 상황에서 안정성을 갖게 해야합니다. 즉, 유기물질의 분해 온도를 파악하고 이것이 높은 재질을 써야 유리합니다.
자세히 보겠습니다. 먼저 정공주입층 쪽입니다.
1) HOMO
먼저 HOMO레벨에 관한 것입니다. 이 HOMO 레벨을 잘 맞춰놔야 발광을 적절히 낼 수 있는데요.
만약 HOMO-LUMO갭이 크면 Transport가 일어나기 힘드니까 HOMO레벨을 올려놓기 위해 '질소'물질을 사용합니다. (아민)
대표적인게 DNTPD라는 물질 혹은 Spiro-TPD라는 물질입니다. 보통의 HOMO레벨은 5.1eV의 에너지 레벨을 가집니다.
아무튼 질소의 개수에 따라서 HOMO레벨을 조절할 수 있습니다.
2) Mobility는 어떻게?
전하이동도를 높이기 위해서는 정공주입층의 결정구조가 결정화가 되지 않은 Uniformly한 무정형 필름을 사용해야 합니다. 뿐만 아니라 이것은 표면의 Roughness까지도 커버해주기 때문에 누설전류를 일으키는 것을 막아줍니다.
3) 열 안정성에 대하여
- 유리전이온도가 높아야 합니다. 열 안정성을 높인다는 것은 유기물에 가해지는 열을 줄이기 위해 이 열을 커버해줄 수 있는 재질이 필요하단 것입니다. 유리전이온도가 높을수록 내열성이 크다! 라고 보시면 되겠습니다.
4) ITO 투명전극
- ITO는 빛을 송출시키기 위해 Anode층에 쓰이는 재료입니다.
5) EML층에서 생성된 광자는 Anode층으로 나가기 때문에 HTL HIL Anode 층으로 지나가게 됩니다.
따라서 이 광자를 흡수하면 광자 효율성이 떨어지기 때문에 흡수율이 낮은 재질을 사용해야할 것입니다.
이번에는 정공수송층 소재입니다.
1) 마찬가지로 높은 홀 모빌리티를 가져야 좋겠죠?
2) 정공주입층과 별 다를 것 없이 질소물질이 필요합니다. 왜냐? 얘 역시 에너지 레벨을 높여야 하거든요.
정공주입층보다 약간 높여야하기 때문에 질소물질이 좀 더 많이 필요하겠죠? 주로쓰이는 것은 TCTA입니다.
레벨은 5.5eV정도입니다. 반대로 LUMO값을 낮춰야 합니다. 전자를 블록하기 위함이죠.
OLED 전하수송층
3) 유리전이온도도 높아야되고 무정형의 Uniformly한 필름을 재질로 하는것도 다 동일합니다.
다만 하나 중요한게 있습니다. 엑시톤을 블로킹하기 위해서 높은 트리플렛 에너지를 가져야 합니다.
HTL의 경우는 EML이랑 바로 붙어있습니다. 이 때, HTL의 트리플렛 에너지가 낮다면 전자가 누설될 수 있기 때문에 이를 박기 위해서 배리어를 쌓는 것이죠. 위에 그림보시면 EML과 ETL사이의 배리어에 비해 HTL과 EML 사이의 배리어가 더 큰것을 알 수 있습니다.
▶ P-Doping 기술
- P도핑 기술은 디바이스의 모빌리티를 높이기 위해 정공을 가지고 캐리어의 양을 늘리는 기술을 말합니다. 전기전도도와 모빌리티는 서로 비례관계에 있는데요. 결정면에 대한 문제를 해결하는 접근방법도 좋지만 전하를 수송하는 운반자들. (캐리어)의 양을 늘리는 것도 하나의 방법입니다.
이번에는 전자수송층 소재에 관한 것입니다.
OLED의 수송층에는 항상 HOMO-LUMO의 레벨을 조정할 물질로 아민(질소)의 개수에 따라 결정하는 것으로 합니다.
LUMO레벨은 3.0eV정도구요. 홀을 블로킹하기 위해 적절한 HOMO 레벨의 값을 갖고 있어야 합니다.
N-Doping 전자수송층 소재
- P도핑과 다르게 전자를 가지고 캐리어의 양을 늘리는 기술입니다. 이 도핑기술이란게 왜 중요하냐면 OLED를 구동시키는데 필요한 전류의 양 대비 응답속도를 높이기 위함입니다. 그렇기 때문에 HTL은 p도핑 / ETL은 n도핑 / 발광층은 그냥 도핑없이 가면 됩니다.
▶ 발광층의 소재
- 발광은 형광과 인광으로 나뉘구요. 발광효율을 보면 내부 광자효율과 외부 광자효율로 나뉘는데요.
형광이 가지는 내부광자효율은 25%고, 인광의 내부광자효율은 100%입니다. (어떤 교재 혹은 블로그에서는 75%라고 할떄가 있는데요. 이거는 제가 자세히 알아보겠습니다.)
형광이 가지는 라이프타임은 나노세컨드 단위지만 인광의 경우는 마이크로세컨드 단위라서 발광시간은 인광이 더 깁니다.
발광층은 캐리어에 주입된 정공과 전자들이 수송되어져서 만나는 곳입니다. 그 다음은 실제로 발광하는 물질인 도펀트로 전달이 되구요. 이 도펀트를 도와주는 물질이 호스트입니다.
정공은 호스트 물질로 들어오구요. 호스트 물질로 전자가 조금씩 들어오면 '엑시톤'이 되는것이죠. 그러면 이 형성된 엑시톤의 에너지를 도펀트로 전달하는 것입니다. 그러면 도펀트가 이제 발광을 하는것이죠. 좀 더 자세히 발광과정을 말씀드린겁니다 ㅎㅎ
정리를 해보죠. Anode층 (양극에서 정공) Cathode층 (음극에서 전자) 이들은 캐리어에 각각 주입된 P도핑,N도핑된 상태로 수송되어집니다. 그리고 EML층으로 도달하게 되면 이들은 호스트물질로 편입되구요. 호스트 물질에서 엑시톤이 형성되면 이 엑시톤에너지를 도펀트로 전달합니다. 그러면 도펀트가 발광을 일으키는 것이죠.
이 때 호스트에서는 싱글렛이 되던가 트리플렛이 되던가할텐데 이때 인광과 형광이 결정되는 것입니다.
