OLED-on-Silicon 디스플레이의 OLED 누설 광에 의한 트랜지스터 누설 전류 억제용 어노드 구조 설계 = Design of Anode Structure for Suppressing Transistor Leakage Current Induced by OLED Leakage Light in OLED-on-Silicon Microdisplay

국문 초록 (Abstract)

혼합현실(mixed reality, MR) 기술의 발전과 시장이 확대됨에 따라, OLED on Silicon(OLEDoS)가 유력한 대안으로 각광받고 있다. 기존 OLEDoS의 연구는 CMOS 회로부의 백플레인과 OLED 발광부인 프런트플레인을 각각 다루며, 프런트플레인에서 발생한 빛이 백플레인 소자 및 회로에 미치는 광전기적 상호작용에 대한 연구는 제한적이다. 누설 광이 트랜지스터에 조사되면 누설 전류로 인해 휘도 불균일을 발생시킬 수 있다. 특히 혼합현실용 디스플레이에서 휘도 불균일은 좌우 양안간 왜곡으로 양안 경쟁(binocular rivalry)을 발생시켜 멀미, 가시성 저하 등을 유발할 수 있으므로 누설 광 억제가 필수적이다.
따라서 본 연구는 OLEDoS에서 발생하는 누설 광을 정량화하고, 누설 광 억제를 위해 기생 커패시턴스 영향 없이 구현 가능한 어노드 확장 구조를 제안하며, 실험을 통해 유효성을 검증하는 것을 목표로 한다. 이에 전자기 시뮬레이션을 통해 전면 대비 누설 광의 파워 비율로 누설 광을 정량화 하였다. 결과, 5000 PPI 기준 1.1%의 빛이 누설될 수 있으며, 이를 억제하기 위해 어노드를 픽셀 정의층(pixel define layer, PDL) 하부로 200 nm 확장할 경우 0.2%까지 억제할 수 있었다. 어노드는 하부 배선 및 트랜지스터와 수 μm 수준 이격되어 있으며, 전원 배선을 통한 차폐가 가능하기 때문에 기생 커패시턴스 영향 없이 구현 가능하다. 이후 실험을 통해 누설 광이 화소 회로 동작에 미치는 영향을 평가하였다. 결과, 드라이빙 트랜지스터로 인한 전류 오차율 10% 초과 영역이 어노드 길이를 200 nm 확장함에 따라 13G 이하에서 6G 이하로 개선되었고, 스위칭 트랜지스터로 인한 전계조에서의 전류 오차율이 −63% 수준에서 −23% 수준으로 완화됨을 검증하였다. 결론적으로, 누설 광이 OLEDoS 화소 회로 동작에 영향을 미칠 수 있음을 보이며, 어노드 확장 구조 적용을 통해 효과적으로 개선할 수 있음을 검증하였다. 본 연구는 산업계 측면에서 추가 공정 없이 어노드 확장 만으로 구현 가능하므로, 공정 호환성이 높고 비용 효율적인 방법이며, 학계 측면에서 프런트플레인과 백플레인 사이의 상호작용을 다루는 신규 연구 분야의 확장 가능성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

OLED-on-Silicon (OLEDoS) microdisplays have attracted significant attention for mixed-reality(MR) systems owing to their exceptionally high pixel density and luminance. However, previous studies have typically treated the CMOS circuit backplane and the OLED light-emitting frontplane as separate entities, leading to limited understanding of photoelectric interactions between the emitted light and the underlying transistors and circuits. Leakage light can induce photocurrent in transistors and degrade luminance uniformity. In MR systems, luminance non-uniformity can induce binocular rivalry and reduce visual comfort. Therefore, suppression of leakage light is essential for OLEDoS.
This study proposes an anode extension design to suppress photo-induced leakage current of transistors in OLEDoS. Leakage light was simulated as the ratio of the optical power of leaked light to out-coupled light. For a 5000 PPI OLEDoS, approximately 1.1% of the out-coupled light penetrates into the backplane and this leakage can be reduced to 0.2% by appling a 200 nm anode extension under the pixel define layer(PDL). The increase in parasitic capacitance is negligible due to a few-micrometer separation between the anode and interconnects and/or transistors, and it can be mitigated by power supply lines. To validate the proposed structure, photocurrent was measured under leakage light illumination of the transistors. With the anode extension applied, the current error region (>10%) caused by driving transistors was improved from below 13 G to below 6 G, and the current error rate caused by switching transistors was improved from −63% to −23%. Therefore, this study demonstrates that leakage light can affect OLEDoS pixel circuit operation and validates that an anode extension structure effectively suppresses light leakage. The proposed sturcture is process-competible and cost-effective, as it only requires adjusting the anode extension length without additional process steps. Furthermore, it opens new opportunities for academic exploration of frontplane–backplane interaction mechanisms in integrated display architectures.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 1 절 연구 배경 및 동기 1
• 제 2 절 연구 목적 및 내용 7
• 제 3 절 연구 보고서의 구성 8
• 제 2 장 이론적 배경 9
• 제 1 절 디스플레이 내 누설 광 발생 9
• 제 2 절 누설 광에 의한 트랜지스터의 누설 전류 발생 14
• 제 3 절 누설 전류의 화소 회로 영향 17
• 제 3 장 누설 광 분석 및 어노드 확장 구조를 통한 억제 방법 제안 20
• 제 1 절 OLEDoS 내 누설 광 시뮬레이션 방법 20
• 제 2 절 누설 광 정량화 및 메커니즘 규명 23
• 제 3 절 어노드 확장 구조를 통한 누설 광 억제 방법 제안 26
• 제 4 장 제안 방법의 화소 회로 영향 검증 31
• 제 1 절 누설 광에 의한 트랜지스터의 누설 전류 실험 방법 31
• 제 2 절 드라이빙 트랜지스터 기인 누설 전류의 화소 회로 영향 33
• 제 3 절 스위칭 트랜지스터 기인 누설 전류의 화소 회로 영향 36
• 제 5 장 결론 43
• 제 1 절 연구 요약 43
• 제 2 절 연구 성과 및 기대효과 45
• 제 3 절 후속 연구 제언 47
• 참고 문헌 49
• Abstract 61