UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA

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Raffaello Grosso
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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Elettronica e dei Sistemi GIUSEPPE GAROZZO ANALISI E PROGETTO DI UN DRIVER PER DISPLAY ORGANICI CON TECNOLOGIA TFT Tesi di Laurea Relatore: Ch.mo Prof. Ing. Salvatore Pennisi Correlatori: Ing. Francesco Pulvirenti Ing. Amedeo La Scala Anno Accademico

2 INTRODUZIONE Tra le numerose e rapide innovazioni realizzate negli anni recenti nel campo della tecnologia elettronica, lo sviluppo di schermi ultrapiatti come alternativa ai tubi catodici è stata una delle più importanti. Sebbene gli schermi a tubo catodico offrano ancora una migliore qualità dell'immagine, essi sono ingombranti e pesanti e quindi non utilizzabili, ad esempio, in apparecchi portatili. Gli schermi a cristalli liquidi (LCD) sono in questo momento la tecnologia dominante nel campo degli schermi piatti. Tuttavia, essi necessitano di una retroilluminazione che causa consumi relativamente alti e che in prospettiva sembra porre un vincolo inaccettabile per i dispositivi portatili di futura generazione. Pertanto, è verosimile che la prossima generazione di schermi piatti sarà basata sulla tecnologia che utilizza film organici elettroluminescenti (OLED = Organic Light Emitting Diode). Essa consentirà di avere schermi sottili, molto brillanti, a basso consumo e a basso costo. Inoltre la tecnologia a matrice attiva (AMOLED) permetterà la realizzazione di display di grandi dimensioni con una eccellente qualità e velocità di risposta dell immagine riprodotta. Grazie alla plasticità dei film organici sarà possibile anche la costruzione di schermi flessibili che 8

3 potranno essere incorporati negli oggetti più svariati: tessuti, giocattoli, elementi di arredo, pannelli pubblicitari ecc. Questa non è che una delle applicazioni possibili ed estremamente innovative dei materiali organici nel campo dell elettronica. Il problema maggiore degli OLED è legato al loro alto costo, ma lo sviluppo di questa tecnologia si velocizzerà a tal punto che entro dieci anni questi verranno preferiti agli LCD. Il mercato mondiale degli OLED era stato stimato in 100 milioni di dollari già per il 2002, ma alcune stime prevedono che entro cinque anni crescerà fino a 2,8 miliardi di dollari a partire dal settore dei telefoni cellulari e palmari che, per poco meno della metà del totale, sostituirà gli schermi LCD con gli OLED. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di realizzare la parte analogica di un source driver per un display AMOLED, che soddisfi opportune specifiche. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con la divisione HPC (Home Personal Communication) gruppo DISPLAYS della STMicroelectronics di Catania, ed ha fatto riferimento ad un prototipo di pannello AMOLED di 150 righe per 290 colonne progettato dai ricercatori dell ENEA di Portici (NA). Il primo capitolo descriverà la cella EL analizzandone la struttura, il funzionamento, pregi e difetti. Verrà messa a confronto la tecnologia LCD 9

4 con quella OLED e la compatibilità di quest ultima tecnologia con i processi CMOS su vasta scala di integrazione. Il secondo capitolo fornirà una descrizione strutturale e funzionale delle tecniche a matrice passiva ed attiva per i display OLED, analizzando in dettaglio le differenze tra le due tecniche ed i più recenti sviluppi per la riproduzione dei colori e la realizzazione dei transistori TFT ed OTFT. Il terzo capitolo descriverà le tecniche di pilotaggio del pixel di un display AMOLED. Tale descrizione partirà dalla configurazione più semplice a due TFT per poi analizzarne delle altre a più transistori, recentemente proposte per minimizzare il problema della variazione della tensione di soglia riscontrata nei TFT. Verrà poi introdotta una configurazione modificata del driver di pixel preso come riferimento per il source driver che sarà progettato. Infine verrà proposto uno schema di un possibile sistema di pilotaggio per il display AMOLED preso come riferimento, e ne descriverà i vari blocchi. Il quarto capitolo tratterà in dettaglio il source driver progettato in questo lavoro di tesi. Ne descriverà la struttura, la configurazione circuitale ed il funzionamento. Verranno forniti e commentati i risultati delle simulazioni effettuate. Infine verranno riportate le conclusioni dell autore. 10

5 1 TECNOLOGIA OLED 1.1 Tecnologia, proprietà e funzionamento del dispositivo OLED Il fenomeno su cui sono basati i dispositivi OLED (Organic Light Emitting Diode) è l elettroluminescenza che consiste nell'emissione di radiazione elettromagnetica da parte di alcuni materiali organici attraversati da corrente elettrica. Tale radiazione è di solito nella zona del visibile, ma possono esserci emissioni anche nell infrarosso o nell ultravioletto. L elettroluminescenza in solidi organici è stata osservata per la prima volta all inizio degli anni Cinquanta e poi studiata da Pope nel 1963 su cristalli di antracene dello spessore di qualche decina di micron. Il voltaggio necessario per osservare il fenomeno era molto alto ( V). I presupposti per una possibile applicazione dell elettroluminescenza organica si ebbero quando, nel 1987, C.W. Tang e S.A. Van Slike della Eastman Kodak pubblicarono la costruzione di LED che funzionavano a bassa tensione (<10V), ottenuti dalla combinazione di semiconduttori organici di tipo p e di tipo n [1]. Tale risultato è stato reso possibile solo quando la tecnologia ha consentito di preparare strati 11

6 uniformi di composti organici aventi spessore di poche decine di nanometri. In figura 1.1 è raffigurata la sezione di un dispositivo OLED che è sostanzialmente costituita da uno strato molto sottile di materiale organico interposto fra due elettrodi, il catodo (metallico) e l anodo (trasparente). Quando viene applicata una tensione positiva, il dispositivo emette luce con un efficienza di quanto (rapporto fotone/elettrone) nello spettro del visibile superiore a quella di un dispositivo LED convenzionale. Figura 1.1. Sezione di un dispositivo OLED. Il vantaggio sostanziale di questa tecnologia è che ogni pixel di un display OLED è autoilluminante e quindi, a differenza dei display LCD (Liquid Crystal Display), non necessita di lampade per la retroilluminazione ed il relativo telaio. Questo comporta una forte riduzione del peso complessivo, un minore ingombro, come evidenziato nella figura 1.2, e un minore 12

LCD) che li rende idonei alle rappresentazioni video; un elevato intervallo di temperatura d esercizio (da -80 C a + 80 C).

7 consumo di potenza a parità di luminosità (circa 10 volte meno degli LCD). Figura 1.2 Altri vantaggi sono: l elevato contrasto raggiungibile (>100:1); l angolo ottimale di visione che è di circa 180 ; un ottima velocità di risposta (da 100 a 1000 volte superiore a quella dei display LCD) che li rende idonei alle rappresentazioni video; un elevato intervallo di temperatura d esercizio (da -80 C a + 80 C). Inoltre l immagine di un display OLED è insensibile ad eventuali vibrazioni che provengano dall esterno. Questa tecnologia si presta anche per la realizzazione di display flessibili (FOLED) su materiale plastico, display trasparenti (TOLED) in cui la produzione di luce si ha verso l alto e verso il basso o in entrambe le direzioni, e display formati da pile di materiale organico deposte in senso verticale (SOLED). 13

I display OLED posseggono quindi tutte le caratteristiche idonee per realizzare schermi piatti (FPD: Flat Panel Display) con alte prestazioni da applicare su svariati dispositivi portatili come

8 I display OLED posseggono quindi tutte le caratteristiche idonee per realizzare schermi piatti (FPD: Flat Panel Display) con alte prestazioni da applicare su svariati dispositivi portatili come telefoni cellulari, fotocamere e videocamere digitali, etc. Per un migliore bilanciamento della conversione elettricità-luminosità, un dispositivo OLED deve essere costituito da almeno due strati organici (come quello rappresentato nella figura 1.3) in cui uno strato é sede del trasporto di lacune e l altro di elettroni. Nell interfaccia tra i due strati avverrà la ricombinazione della coppia elettrone-lacuna iniettata con conseguente emissione di luce. Figura 1.3. Configurazione di una cella EL a due strati di materiale organico. Lo strato conduttore trasparente è realizzato mediante un ossido di stagno e Indio chiamato ITO (Indium Tin Oxide), che rappresenta l anodo, esso viene depositato a temperatura ambiente su un substrato trasparente 14

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