커패시터 없는 아몰레드 기술 구현…초고해상도 디스플레이 가격 경쟁력 확보

△ 멤리스터 기반 AMOLED 어레이 동작 모식도, 공정 과정, 그리고 전기적 특성을 나타낸 그림

AR·XR 기기 대중화를 앞당길 고해상도·고효율 디스플레이 기술이 나왔다. 고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 김태근 교수 연구팀이 커패시터를 사용하지 않는 능동형 OLED 디스플레이(AMOLED) 구동 회로를 구현하는 데 성공했다.

아몰레드(AMOLED)는 자체 발광 특성을 기반으로 높은 명암비, 빠른 응답 속도, 유연성 등의 장점을 지닌 차세대 디스플레이 기술이다. 이를 AR·XR용 스마트글래스에 적용해 선명한 화질을 구현하기 위해서는 수천 개 이상의 픽셀을 촘촘하게 정렬해야 한다.

하지만 기존 미세 금속 마스크 기반 증착 공정의 경우, 사용되는 마스크가 구조적 변형에 취약한 데다 픽셀을 정밀하게 배열하는 데 한계가 있다. 또 현재 아몰레드에 널리 사용되는 2T-1C 회로 구조는 화면 유지를 위해 전기를 반복적으로 보충하는 ‘리프레시’ 과정이 필수적이다. 이에 전력 효율이 저하되고 회로 복잡성이 증가했다.

*미세 금속 마스크(FMM) 기반 증착 공정: 미세한 구멍이 뚫린 금속판을 통해 유기물을 입히는 방식의 공정

*2T-1C: 픽셀마다 구동 기능을 하는 트랜지스터(T) 2개와 정보를 저장하는 커패시터(C) 1개를 배치하는 화면 구동 방식

최근 OLEDoS 기술의 개발로 기술적 한계를 극복하고 초고해상도 구현이 가능해졌지만, 공정 비용이 고가인 데다 집적 구조도 복잡해 비용과 생산성 측면에서 한계를 지닌다.

*OLEDoS(올레도스): 기존의 유리 기판 대신 컴퓨터 CPU나 메모리를 만드는 정밀한 반도체 기판인 CMOS 기판 위에 OLED를 입히는 기술

이에 연구팀은 유리 기판 위에 트랜지스터와 커패시터를 단일 멤리스터 소자로 대체하는 독창적인 회로 구조를 설계했다. 여기서 사용된 멤리스터는 전원 공급 없이도 상태를 유지하는 비휘발성 저항 특성을 지니며, 신호를 명확하게 구분하는 능력(On/Off비)이 뛰어났다. 더불어 ±0.2V의 낮은 전압에서도 신호 제어(스위칭)가 가능해 우수한 에너지 효율을 보였다. 

*멤리스터: 메모리와 저항의 합성어로, 전류의 흐름을 기억하는 지능형 반도체 소자

연구팀은 직접 개발한 ‘멤리스터 기반 커패시터 프리 AM 구동 회로’를 바탕으로 10×10 OLED 어레이(가로 10개, 세로 10개 총 100개의 픽셀을 모아 만든 작은 화면)를 구현했다. 이를 통해 실험한 결과, 안정적인 픽셀 구동과 밝기 제어가 가능했다. 특히 멤리스터에 흐르는 전류의 최대치를 제한하는 ‘컴플라이언스 전류’를 조절해 OLED의 주입 전류와 발광 밝기를 연속적으로 제어하는 데 성공했다. 

김태근 교수는 “본 기술은 멤리스터의 비휘발성 저항 상태를 활용해 저장 커패시터 없이도 안정적인 구동을 구현함으로써, 회로 단순화와 전력 절감을 동시에 달성했다”며 “CMOS가 아닌 저가 유리 기판에서도 5,000 PPI 이상의 초고해상도 구현이 가능해, 디스플레이 가격 경쟁력과 상용성을 획기적으로 높일 것으로 기대된다”고 말했다.

본 연구 성과는 국제 저명 학술지인 ‘Advanced Functional Materials(IF=19.0, JCR 4.5%)’에 4월 22일 온라인 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 전면 표지로 선정됐다. 

*논문명: Memristor-Driven Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode for Energy Efficient and High-Resolution Displays

*DOI: 10.1002/adfm.75550

*URL: https://doi.org/10.1002/adfm.75550 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 과학기술사업화진흥원이 추진하는 딥사이언스 창업활성화사업 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 전기전자공학부 김태근 교수(교신저자), 김동현 박사과정(공동제1저자), 김나현 석박사통합과정(공동제1저자)