OLED 보상회로 (6T1C)

보상회로가 뭔데?'라는 물음에 단순하게 '공정에서 생기는 Tr의 $V_{th}$의 편차를 보상하려고'라고 이해하고 글을 닫아도 충분히 좋다. 단순히 디스플레이 전공이고 이걸 배워야 하는 강의에서 배우지 못했기에 고생하며 이해한 내용을 적으려 한다.
 
실제로 우리가 제품을 만드는 과정에는 너무나 많은 편차가 있다. 동일한 부품으로 만들어도 공정상의 사소한 이슈가 쌓여 큰 편차를 우리에게 던져줄 때가 있기 때문이다. 실제로 최근에 동일한 스펙으로 주문했지만 batch(생산일자)가 다른 두 모듈을 비교하니 휘도가 200 nit나 차이나는 일이 있었다. 이처럼 우리가 손쓰기 어려운 생산 과정의 여러 이슈가 많다. 그중 오늘은 OLED에서 이러한 균일도 제어를 위한 가장 기초가 되는 OLED의 보상회로에 대한 이야기를 꺼내보려 한다. 
 

1. 보상회로 다이오드로 이해해보자.

 
위 그림에서 시작된다. 원리는 어렵지 않다. $Anode$에 $DATA$ 전압을 걸고, $C_{st}$쪽 전압($V_{INT}$)를 낮게 잡아두면 다이오드를 통해 전류가 흐르기 시작한다. 그러다가 커패시터의 전압이 점점 올라가서 $DATA - V_{th}$ 지점에 도달하면 다이오드가 꺼지게 된다. 이 동작에서 커패시터는 Tr의 $V_{th}$값을 '기록'하게 되는 거다.
 
 

• $T=0$: $Anode$에 $DATA$ 전압을 인가하고, $Cathode$($C_{st}$와 연결된 노드)를 초기 전압 $V_{INT}$로 설정한다.
• $T$ 수 us 지난 후: 다이오드가 켜지면서 전류가 흐르고, $Cathode$ 노드의 전압이 차오르기 시작한다.
• 결과: 전압이 계속 상승하다가 $Anode$와 $Cathode$의 차이가 딱 $V_{th}$가 되는 순간, 즉 $Cathode$ 전압이 $DATA - V_{th}$에 도달하면 다이오드가 차단(Turn-off)된다. 이 상태로 전압이 커패시터에 갇히게 되는 것이 보상의 핵심이다.

 
 
그러면 이 과정에서 노드 전압은 어떻게 되어야 할까?

노트에 그린 그래프를 보면 $T = 0$ 시점에서 $V_{INT}$에서 시작한 $Cathode$전압이 exponetial하게 상승하는 것을 볼 수 있다. 여기서 핵심은 $V_{INT} < DATA - |V_{th}|$ 라는 조건이다. 이 조건이 안맞으면 아예 충전 자체가 안 된다. 그래서 다이오드가 켜지면 결국 전압이 상승 후 $DATA-V_{th}$에 수렴한다.
 
 

• 전압의 수렴: $T>0$ 시점부터 $Cathode$ 전압은 $V_{INT}$에서 시작해 $DATA - V_{th}$를 향해 지수 함수적으로 수렴한다.
• 제약 조건: 여기서 중요한 건 $V_{INT}$의 레벨이다. 만약 $V_{INT}$가 $DATA - V_{th}$보다 높다면 전류가 흐르지 않아 센싱 자체가 불가능하다. 따라서 $V_{INT}$는 $DATA - V_{th}$보다 충분히 낮게 설정하여 전압이 상승할 수 있는 마진을 확보해야 한다.

 
 2. 실제 모델로 변환

이 이론적인 다이오드 모델을 실제 트랜지스터로 바꿔서 생각을 해보자.

일단 다이오드를 PMOD 트랜지스터로 변경해주고, $SCAN[n]$ 신호로 제어되는 스위치 구조로 변경을 한다. $V_{INT}$를 넣어줄 $SCAN[n-1]$ 신호도 그림처럼 넣어주자. 이렇게 되면 이전단계($SCAN[n-1]$)에서 초기화하고, 지금 단계($SCAN[n]$)에서 센싱한다는 시분할 제어의 개념이 적용되는 지점이다.
 
 

• 항상 연결된 다이오드 대신, 특정 타이밍에만 동작하도록 $SCAN[n]$ 신호로 제어되는 TR 스위치를 배치한다.
• 또한, $DATA$를 쓰기 전 노드를 깨끗이 비워줄 $SCAN[n-1]$ 제어 기반의 $V_{INT}$ 공급 라인이 추가된다. 즉, 이전 프레임의 데이터를 지우는 '초기화'와 현재 데이터를 쓰는 '기입 및 보상' 단계가 분리되는 거다.

 
 
아래의 회로는 위의 오른쪽 회로와 동일하다. 위치만 좀 수정했다.

 
여기서 조금의 수정을 추가하면, 이제 슬슬 익숙한 픽셀 회로의 모습이 나온다.

 

3. 픽셀회로로 이해하기
 

 
 

• 구동 TR의 Gate와 Drain을 $SCAN[n]$ 스위치로 묶어주면, 기입 단계에서 구동 TR 자체가 다이오드처럼 동작하며 Gate 노드에 $DATA - V_{th}$ 전압을 저장하게 된다.
• 기본적으로 $DATA$를 쓰기 직전에 $SCAN[n-1]$을 통해 Gate 노드를 $V_{INT}$로 초기화하는 과정이 선행되어야만 정확한 센싱이 일어난다.

마지막으로는 실제 구동 시 발생하는 부작용을 막기 위한 장치를 추가한다. 익숙한 6T1C가 보일 것이다.

• 문제점: $V_{INT}$로 초기화하거나 $DATA$를 기입하는 동안 OLED 소자로 전류가 흘러가면 검은색이 떠버리는(Black level 상승) 문제가 발생한다.
• 해결책 (EM 신호): 발광 제어 신호인 $EM [n]$을 사용하는 두 개의 TR을 추가한다. 초기화와 보상이 일어나는 동안에는 전류 경로를 완전히 차단하고, 모든 전압 세팅이 끝난 '발광' 단계에서만 OLED에 전류를 흘려준다.
• 결과: 최종적으로 OLED에 흐르는 전류 $I_{OLED}$ 식에서 $V_{th}$ 항이 상쇄되면서, 소자 편차에 무관한 균일한 휘도를 얻게 된다.

$$I_{OLED} = \frac{1}{2} \mu C_{ox} \frac{W}{L} (V_{GS} - V_{th})^2$$

(여기서 $V_{GS}$ 자리에 보상된 전압이 들어가 $V_{th}$가 제거됨)

 
 
 
지금까지 정리한 게 6T1C인데, 사실 요즘 스마트폰 패널에 들어가는 건 대부분 7T1C다.
원리는 똑같다. 여기에 TR(트랜지스터) 하나를 더 추가해서 OLED의 Anode(양극) 노드까지 $V_{INT}$로 싹 초기화해 버리는 구조다. 6T1C가 구동 TR의 게이트만 신경 썼다면, 7T1C는 OLED 소자에 남아있을지 모르는 '찌꺼기 전압'까지 확실히 비워주는 셈이다.
덕분에 블랙이 더 쨍하게 나오고, 화면이 바뀔 때 생기는 미세한 잔상도 더 잘 잡힌다. 6T1C의 보상 원리만 제대로 이해했다면 7T1C는 그냥 TR 하나 더 얹은 응용 버전일 뿐이라 크게 어려울 건 없다.

아무튼 학교 수업 때 제대로 안 가르쳐줘서 고생하며 깨우친 내용인데, 이렇게 정리해두니 나도 속이 다 시원하다. 보상 회로 기초 공부하는 사람들에게 조금이라도 도움이 됐길 바란다.