[논문]전기습윤셀 구조를 갖는 플렉서블 디스플레이와 소스 드라이버 설계에 관한 연구

김훈학

doi:10.9708/jksci/2012.17.9.149

전기습윤셀 구조를 갖는 플렉서블 디스플레이와 소스 드라이버 설계에 관한 연구
A Study on the Design of the Source Driver and the Flexible Display with an Electrowetting Cell Structure 원문보기

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.17 no.9, 2012년, pp.149 - 156

초록
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본 논문에서는 전기습윤(Electrowetting) 디스플레이의 효율적인 생산을 위해 섬유형식의 전극들을 제안하고, 이러한 방법을 이용한 전기습윤 셀 구동형 플렉서블 디스플레이의 소스 드라이버 설계방법을 제안하였다. 전기습윤 셀 매트릭스는 임프린팅 방법에 의하여 PET 등의 Substrate 위에 구성하고 셀 매트릭스 사이의 간격에는 드라이버섬유, 습윤 전극섬유와 전도성 섬유를 가로와 세로로 배치하고, 교차점에는 전기적 접점을 구성하여 전기습윤 셀매트릭스가 구동되도록 하였다. 기존의 소스 드라이버에서는 각 채널당 R/2R방식의 DAC을 사용하므로 사용되는 소자의 수가 증가하여 집적도가 저하되는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 채널당 소자의 수를 감소시켜 집적도를 높이고 비용을 절감할 수 있는 저 전력 소스 드라이버 설계방법을 제안하고 VHDL 프로그램을 이용한 시뮬레이션으로 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Fabric Electrode was proposed for the effective production of the display based on electrowetting in this paper and designed the source driver of flexible display which could be driven by the electrowetting cell. The electrowetting cell matrix was implemented on the substrate(PET) by imprinting. The driver fabric, wetting electrode fabric and conductive fabric was placed horizontally and vertically in the groove between cell matrix and the electrowetting cell matrix can be driven by the cross-point as electric connection. The integration density of driver module is decreased because using the R/2R DAC module per channel in the conventional method. The proposed method could utilize the effective production process and reduce the production price of a display panel. The source driver which consume lower power and can increase the integration density because of reducing the number of driver device per channel was designed and evaluate the driver operation by the simulation using the VHDL programming in this paper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

매트릭스 구조의 전기습윤 셀을 구동하기 위한 기존의 소스 드라이버 방식은 각 채널에 R/2R방식의 DAC가 한 개씩 부착되어 구성됨으로서 소자의 수가 증가하여 집적도가 저하되며 이로 인한 전력소모가 많아지는 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 시간제어 타임 클럭과 전압을 연동시키는 구동방법을 도입하여 채널당 소요되는 소자의 수를 감소시키고 집적도를 낮춤으로서 낮은 소비 전력과 비용효과가 높은 소스 드라이버를 구현하고자 하였다.
본 연구는 “드라이버 섬유의 직조방법으로 구성된 전기습윤방식 디스플레이와 그 제조 방법”[4]의 기술 내용을 토대로 전기습윤 셀 매트릭스의 ROLL-to-ROLL 생산 방법과 각 셀을 AM방식으로 구동하기 위한 드라이버 섬유의 구성 및 소스 드라이버 설계방법을 제안하고자 하였다.
또한 각 소자의 환경에 대한 스트레스에 대해 열화 되지 않아야 좋은 디스플레이를 구성할 수 있다. 본 연구에서는 드라이버섬유를 개선하고, 효율적인 섬유 코팅의 공정을 사용하도록하여 섬유단위로 품질을 체크할 수 있는 안정된 공정 방안을 제시하였다.
최근에는 발광 효율을 높이고 소비전력은 줄이며 패널의 두께를 극단적으로 줄이기 위한 연구뿐만 아니라 생산 효율을 높이기 위한 다양한 연구도 진행되고 있다. 이러한 연구의 궁극적인 목표는 고성능의 대형디스플레이를 저렴하게 제조하기 위한 것이다. 또한 대형 디스플레이를 생산하기 위하여 7세대, 10세대 등 생산라인을 확장하는 등 생산설비에 막대한 투자를 하고 있으나 디스플레이의 크기가 증가할수록 균일한 생산 환경을 만들기 위한 추가적인 생산설비 비용이 증가되고 있는 추세이다.

제안 방법

대만 공업기술 연구원에서는 잉크젯프린팅을 이용하여 전기습윤 디스플레이를 제작하였는데 이 경우 잉크젯에 의해 분사된 오일방울의 균일성은 90%를 넘어섰다. a-SI 백플레인을 사용하여 6인치크기의 모노와 칼라의 AM구동 디스플레이를 만들어서 이러한 내용을 입증해 보였다. 잉크젯 프린팅은 공기 중에서 수행하였고 인쇄기술을 사용하였다고는 하였으나 오일 액적을 친수성 리브로 싸여진 셀 내부에 사용한 정도에 지나지 않았다.
게이트 절연층의 재료는 PMMA(polymethymethacrylate), PVA(polyvinylalchol), PVP (polyvinylpyrolidone), PVPh(polyvinylphenol)나 혹은 copolymer등을 사용하도록 하였으며[10] 유기 반도체층은 전계이동도 1.2cm2/V.sec를 보장받는[11] TIPS(triisopropylsily lethynyl) 펜타센 유기반도체를 게이트 절연층 위에 코팅하는 방식으로 드라이버 섬유를 제조하는 것으로 하였다.
전기습윤 셀 구동형 플렉서블 디스플레이의 구동방법은 그림 10에 나타냈다. 구동회로는 1비트 FIFO와 FIFO의 데이터에 의해 구동되는 픽셀 데이터의 라인 구동 드라이버와 시프트라인 모듈을 구동하기 위한 타이밍 제어부로 구성하였다.
그림 9에 이러한 방식의 스캔라인 모듈 구성도을 나타냈다. 노출된 접점에는 드라이버 섬유의 공통 접지 전극이 연결되어 드라이버 섬유에 분포하는 OTFT 전체를 ON/OFF 하는 기능을 수행하도록 하였다.
데이터 신호 선으로 사용하게 될 전도성 섬유는 그림 5와 같이 공통게이트 전극위에 연결된 TFT를 하나의 섬유로 만들고, 공통 선은 유연한 코어에 전도성 피막을 코팅하는 방식으로 구성한다. 또한 전도성 피막위에는 게이트 절연층을 입히고 다시 게이트 절연층위에 유기반도체를 일정한 간격으로 배열하고 다시 유기반도체 위에는 드레인과 소스전극 층을 만드는 방식으로 그림 6과 같이 드라이버 섬유를 구성한다.
지금까지의 과정을 시뮬레이션하기 위하여 FIFO에 저장된 픽셀 데이터는 FIFO Read 클럭에 의하여 1비트씩 출력되도록 하고 hold시간과 clear시간에 스위치를 제어하기 위하여 AND게이트로 조합하는 것으로 하였다. 또한 FIFO의 Read클럭(time_clk)은 기준 클럭을 사용하여 t,t,2t,2t,4t, 4t를 생성하고 v,2v,2v,4v,4v,8v의 적분전압을 제공하기 위해서는 아날로그 MUX(STATE2)에서 선택 신호가 발생되도록 구성하였다. S1_out과 S2_out은 hold와 clear를 포함하는 스위치이고, 6비트의 shift 회로 1단을 구성한 것으로 하였다.
본 연구는 “드라이버 섬유의 직조방법으로 구성된 전기습윤방식 디스플레이와 그 제조 방법”[4]의 기술 내용을 토대로 전기습윤 셀 매트릭스의 ROLL-to-ROLL 생산 방법과 각 셀을 AM방식으로 구동하기 위한 드라이버 섬유의 구성 및 소스 드라이버 설계방법을 제안하고자 하였다. 또한 전기습윤 전극 섬유와 전도성 섬유를 결합하여 디스플레이 패널을 생산하는 방법도 제시하였다.
본 연구에서 사용된 디스플레이 구동을 위한 타이밍 관계는 그림 11과 같으며 이 경우 기준전압과 적분시간 폭의 조합에 의한 소스 구동 데이터를 생성하는 방법을 제시하고 픽셀 데이터의 각 비트가 적분을 위한 스위치 역할을 하도록 하여 1비트 FIFO에 의한 구성이 가능하도록 하였다. 제안된 소스 드라이버는 게이트의 스위칭 횟수와 게이트의 수가 적기 때문에 소비전력을 낮출 수 있으며 발열의 문제를 개선할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 기존의 소스 드라이버가 채널마다 R/2R 방식의 DAC을 사용하여 집적도 저하와 비용 증가의 단점을 해소하였으며 시간 제어를 이용한 설계방법을 도입함으로서 집적도 향상을 통하여 비용절감과 저 전력화를 이룰 수 있는 새로운 소스 드라이버 설계방식을 제안하고 시뮬레이션을 통하여 제안방법의 타당성을 검증하였다.
시간제어 구동은 기본 시간의 2배수에 의해 시간간격을 정하고 1개의 픽셀이 스캔라인에 의해 선택 되었을 때 1t, 2t, 4t, 8t, 16t, 32t 시간으로 분리된 구간을 밝기에 따라 ON/OFF하여 64계조가 되도록 하였다. 픽셀은 스캔라인에서 선택하고 선택된 픽셀에 맞는 밝기로 각 시간 구간에서 ON/OFF를 반복하여 스캔한다.
Ltd.에서는 IDW2007에서 발표한 섬유형 디스플레이로 석영섬유(quartz fiber)에 OLED구동을 위한 TFT회로와 OLED픽셀을 실장하여 다양한 색상으로 자체 발광하는 광섬유를 제작하였다. 국내에서는 KAIST에서 “섬유 조직 구조를 기반으로 한 직조형 플렉서블 디스플레이 장치 및 이를 포함하는 전자 장치”란 특허를 출원하였다.
전압과 시간을 상호보완적으로 사용하면 정밀한 제어가 가능하기 때문에 시간 조정이 가능하며 메모리의 사용량을 줄이고, 카운터나 DAC의 사용량을 최소화하여 단순한 제어부의 설계가 가능하도록 하였다.
제안된 소스 드라이버의 설계는 시프트라인 모듈과 1비트 FIFO를 사용하도록 하였으며, 기존의 소스 드라이버 설계 시 사용된 R/2R 방식의 DAC소자의 사용을 배제함으로서 저전력, 저 발열 구동이 가능하도록 하였다. 또한 제안된 설계방법은 전압과 시간을 상호 보완적으로 사용하여 정밀한 제어가 가능하기 때문에 시간 조정이 가능하여 메모리의 사용양을 줄이고 카운터나 DAC의 사용량을 최소화하여 단순한 제어부의 설계가 가능하다.
지금까지의 과정을 시뮬레이션하기 위하여 FIFO에 저장된 픽셀 데이터는 FIFO Read 클럭에 의하여 1비트씩 출력되도록 하고 hold시간과 clear시간에 스위치를 제어하기 위하여 AND게이트로 조합하는 것으로 하였다. 또한 FIFO의 Read클럭(time_clk)은 기준 클럭을 사용하여 t,t,2t,2t,4t, 4t를 생성하고 v,2v,2v,4v,4v,8v의 적분전압을 제공하기 위해서는 아날로그 MUX(STATE2)에서 선택 신호가 발생되도록 구성하였다.
픽셀구동을 위한 소스 데이터를 타이밍에 맞추어 드라이버에 제공하기 위하여 XLINX 3S400내부에 타이밍 발생기와 FIFO메모리 그리고 게이트를 이용한 스위치 작동부를 두었다. 그림 12는 시뮬레이션을 위한 구성이며 하나의 채널을 대상으로 하였다.

데이터처리

픽셀 데이터(SHT_DATA)는 3절에서 예로 사용된 16H의 2진수 값 ‘01 0110B’로 하여 Hsync의 주기에 맞추어 반복 실행한 프로그램 실행화면은 그림 13과 같다. 시뮬레이션을 위하여 XLINX FPGA를 이용하여 소규모 구동부 로직을 구성하였으며 XC3S400의 내부에 논리 다이어그램을 구현하기 위하여 VHDL을 이용하여 하드웨어를 프로그램 함으로서 합성과정과 구현과정의 시뮬레이션 결과를 그림 14와 같이 얻을 수 있었다.

이론/모형

전기습윤 현상은 Young에 의해 발견된 이후 최근까지 다양한 응용분야에 적용되고 있는 기술로서 기본 원리는 그림 3에 나타난 것처럼 습윤 상태에 따라 γ의 편각이 변화하는데 이것은 습윤의 정도를 나타내는 Young-Lippmann의 방정식인 식 1을 따르고 있다.

성능/효과

제안방법은 시간의 프레임단위 제어방식을 사용하여 고속의 반응속도가 요구되는 제품보다는 중저속 구동용 패널의 제어에 적합한 방법이다. 또한 제안된 방식은 저 전력, 저 발열, 고집적의 장점을 갖추고 있어서 제품의 가격대비 성능의 효용가치가 높은 제품의 생산이 가능하다.
제안된 소스 드라이버의 설계는 시프트라인 모듈과 1비트 FIFO를 사용하도록 하였으며, 기존의 소스 드라이버 설계 시 사용된 R/2R 방식의 DAC소자의 사용을 배제함으로서 저전력, 저 발열 구동이 가능하도록 하였다. 또한 제안된 설계방법은 전압과 시간을 상호 보완적으로 사용하여 정밀한 제어가 가능하기 때문에 시간 조정이 가능하여 메모리의 사용양을 줄이고 카운터나 DAC의 사용량을 최소화하여 단순한 제어부의 설계가 가능하다. 제안방법은 시간의 프레임단위 제어방식을 사용하여 고속의 반응속도가 요구되는 제품보다는 중저속 구동용 패널의 제어에 적합한 방법이다.
본 연구에서 사용된 디스플레이 구동을 위한 타이밍 관계는 그림 11과 같으며 이 경우 기준전압과 적분시간 폭의 조합에 의한 소스 구동 데이터를 생성하는 방법을 제시하고 픽셀 데이터의 각 비트가 적분을 위한 스위치 역할을 하도록 하여 1비트 FIFO에 의한 구성이 가능하도록 하였다. 제안된 소스 드라이버는 게이트의 스위칭 횟수와 게이트의 수가 적기 때문에 소비전력을 낮출 수 있으며 발열의 문제를 개선할 수 있는 장점이 있다.

후속연구

제시된 방법에서 섬유에 구성된 전극사이 교차점에서의 접촉정도는 디스플레이의 안정적 구동에 큰 영향을 미치기 때문에 전극간의 전기적 접촉을 강화시키는 심도 있는 연구가 요구되며 플루오로 폴리머를 PET에 코팅하는 안정된 기술도 필요하다. 따라서 계속되는 연구에서는 안정된 생산을 위한 추가적인 연구를 진행 중이거나 진행 할 예정이다.
제시된 방법에서 섬유에 구성된 전극사이 교차점에서의 접촉정도는 디스플레이의 안정적 구동에 큰 영향을 미치기 때문에 전극간의 전기적 접촉을 강화시키는 심도 있는 연구가 요구되며 플루오로 폴리머를 PET에 코팅하는 안정된 기술도 필요하다. 따라서 계속되는 연구에서는 안정된 생산을 위한 추가적인 연구를 진행 중이거나 진행 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플렉서블 디스플레이란?	플렉서블 디스플레이는 기존의 고정형 평판 디스플레이의 기본 개념을 깨는 차세대 기술로서 드라이버 섬유의 직조방법으로 구성된 전기습윤방식의 셀 매트릭스[1] 구조로 이루어졌으며 각 셀을 구동하기 위한 드라이버 섬유의 구성과 생산 방법과 전기습윤전극 섬유와 전도성 섬유를 결합하여 디스플레이 패널을 생산하는 다양한 방법에 대한 연구가 진행되고 있는 추세이다. 최근에는 발광 효율을 높이고 소비전력은 줄이며 패널의 두께를 극단적으로 줄이기 위한 연구뿐만 아니라 생산 효율을 높이기 위한 다양한 연구도 진행되고 있다.
	직조형 디스플레이 기술의 핵심은?	최근에는 이러한 문제점을 완화하고, 대형 디스플레이를 효과적으로 생산하기 위하여 인쇄전자방법과 직조형 디스플레이에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 직조형 디스플레이는 화소에 해당하는 디스플레이 섬유와 드라이버 섬유(TFT)의 유기적 배치와 이들을 구동하기 위한 셀의 시프트라인과 드라이버라인의 유기적 결합이 기술의 핵심이다.
	최근 디스플레이 패널에 대한 다양한 연구들의 궁극적인 목표는 무엇인가?	최근에는 발광 효율을 높이고 소비전력은 줄이며 패널의 두께를 극단적으로 줄이기 위한 연구뿐만 아니라 생산 효율을 높이기 위한 다양한 연구도 진행되고 있다. 이러한 연구의 궁극적인 목표는 고성능의 대형디스플레이를 저렴하게 제조하기 위한 것이다. 또한 대형 디스플레이를 생산하기 위하여 7세대, 10세대 등 생산라인을 확장하는 등 생산설비에 막대한 투자를 하고 있으나 디스플레이의 크기가 증가 할수록 균일한 생산 환경을 만들기 위한 추가적인 생산설비 비용이 증가되고 있는 추세이다.

참고문헌 (13)

Surajit Sengupta, "Electrical resistance of jute fabrics",Indian Journal of Fibre & Textile Research, vol.37, pp.55-59, 2012.

상세보기
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Frieder Mugele and Jean-Christophe Baret, "Electrowetting: from basics to applications," J. Phys.: Condens. Matter 17 R705, 2005.

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J.E.Anthony, "Funtionalized Acenes and Hetetoacenes for Organic Electronics," Chem.Rev., Vol.106, No.12, pp.5028-5048, 2006.

상세보기
Jong-Wook Kwak,Ju-Hwan Kim, "Dynamic Voltage and Frequency Scaling based on Buffer Memory Access Information," Journal of KSCI, Vol.15, No.3, pp.1-10, 2010.
Chungkun Song, "Technology Status and Prospects of Organic Thin Film Transistor", The Korean Information Display Society, Vol.11, No.2, 2010.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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