（微电子学与固体电子学专业论文）5英寸有机发光显示器驱动技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 有机电致发光显示器( o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i s p l a y ，o l e d ) 是目前国际 上广泛研究的新一代前沿显示技术，而o l e d 向大屏幕高分辨率发展必须结合有源矩 阵( a c t i v em a t r i x ，a m ) 驱动技术。本文对低温多晶硅薄膜晶体管( t f t ) a m - o l e d ； 的驱动技术进行了研究。由于多晶硅材料的天然特性，各t f i 的阈值电压和载流子迁 移率会不一致。本文采用基于时间比率灰度的分场数字灰度方案，让t f t 工作在截止 或者饱和状态，避开了多晶硅t f r 的不均匀性，有效提高了低温多晶硅a m - o l e d 的亮 度均匀性和灰度精确性。本文还采用d s p 复合乒乓结构和双通道内存输出技术，解决 了分场显示中由于显示器尺寸和分辨率的提高带来的驱动频率呈指数上升及像素电 容充放电时间不足等问题。在a l t e r af p g a 硬件和q u a r t u si i4 0 软件平台上，运 用v e r il o g h d l 硬件描述语言编写了显示屏控制程序，引入d v i 数字视频接口，设计 并制作了p c b 板，构建了实时硬件电路。此外，本文还对f p g a 硬件设计中出现的诸 如资源不足等常见问题进行了详细分析，并给出了相应的解决办法。最终，实现了1 6 级灰度的彩色5 英寸( 3 2 0 2 4 0 x 3 ) a m - o l e d 的实时动态视频显示，图像质量较好。 关键词：有机电致发光a m o l e d 分场灰度 专 - 二 哆 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o l e d ( o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i s p l a y ) h a sb e e nw o r l d w i d es u b j e c to fi n t e n s i v e s t u d i e so nn e wg e n e r a t i o nd i s p l a yt e c h n o l o g yn o w a d a y s a n da m ( a c t i v em a t r i x ) d r i v e t e c h n o l o g yi sa l li m p o r t a n tk e yt h a tl e a d so l e dd e v e l o p m e n to nl a r g ed i m e n s i o na n dh i g h r e s o l u t i o n t h i sp a p e ra i m sa tt h er e s e a r c ho nd r i v et e c h n o l o g yo fl t p s ( l o wt e m p e r a t u r e p o l y - s i l i c o n ) t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) a m o l e d s f o rt h e n a t u r a l c h a r a c t e r so f p o l y - s i l i c o nm a t e r i a l ，t h et h r e s h o l da n dc a r r i e rm o b i l i t yo fi n d i v i d u a lt f t sa r en o tt h e s a m e t h i sp a p e ru t i l i z e ss u b - f i e l dd i g i t a lg r a ys c a l et e c h n o l o g yt h a tb a s e do nt i m er a t i o g r a ys c a l e a l lt h et f t sa r eo p e r a t i n ga te i t h e rc u t - o f fr e g i o no rs a t u r a t i o nr e g i o n t h i s s o l u t i o nb y p a s s e st h en o n - u n i f o r m i t yo fp o l y - s i l i c o nt f t s ，a n di n c r e a s e s t h eb r i g h t u n i f o r m i t ya n d 孕a ys c a l ea c c u r a c yo fl t p sa m - o l e d m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rm a k e su s e o fd s pc o m p o s i t ep i n g - p a n gs t r u c t u r ea n dd u a l c h a n n e lr a m so u t p u tc o n s t r u c t i o n s ， r e s o l v e ss o m ep r o b l e m sg o i n gw i t ht h er i s i n go fd i m e n s i o na n dr e s o l u t i o no fd i s p l a yd e v i c e ， s u c ha se x p o n e n t i a lr i s i n go fd r i v i n g 丘e q u e n c y , a n dc h a r g i n gt i m el i m i to fp i x e lc a p a c i t i e s ， r e s p e c f i v e l y o nt h ep l a t f o r mb u i l tb ya l t e r af p g aa n dq u a r t u si i4 0s o f t w a r e ，d i s p l a y d e v i c ec o n t r o l l i n gp r o g r a mi sc o m p i l e db yv e r i l o gh d l ( v e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) ，w i t hd v i ( d i g i t a lv i d e oi n t e r f a c e ) i n d u c e d t h e nr e a lt i m eh a r d w a r ec i r c u i ti s c o n s t r u c t e da f t e rd e s i g n i n ga n dp r o d u c i n gt h ep c b s f u r t h e r m o r et h i sp a p e rg i v e sd e t a i l a n a l y s i sa n dc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa b o u tt h ep r o b l e m so nf p g a h a r d w a r ed e s i g n ，l i k e s o u r c el i m i t f i n a l l y , n i c ei m a g e sa n dr e a lt i m ed y n a m i cv i d e oa r ea c h i e v e do n5 - i n c h c o l o r f u la m o l e d sw i t h1 6g r a ys c a l e sa n d3 2 0 x 2 4 0 x 3r e s o l u t i o n k e y w o r d s ：o l e da m o l e d s u bf i e l d g r a ys c a l e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：沲礼 瑚年4 月】，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名；维免指导教师签名：印文 如年4 月x ) 日 0 一年p 肋r 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 2 0 世纪，显示器技术作为人机联系和信息展示的窗口应用于军事、工业、交通、 通信、教育、航空航天、卫星遥感、娱乐、医疗等各个领域。在信息社会飞速发展的 今天，显示器的大屏幕、高清晰度、轻便小巧、价格低廉及平板化己成为人们追求信 息数字化的新目标。显示器成为电子工业及微电子和计算机之后的又一发展热点。 2 0 世纪8 0 年代开始得到广泛使用的液晶显示器，是显示器向平板化发展的个起点。 但是液晶( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 显示器存在视角小、响应速度慢( 毫秒级) 、不能 在低温下使用的缺点。另外，液晶体本身不发光，要依赖背光源或环境光才能显示图像。 近几年，一种叫做有机发光显示器( o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i s p l a y ，简称o l e d ) 的 新技术在一定程度上克服了阴极显像管( c r t ) 和液晶的不足，并开始在消费电子产 品中崭露头角，为手机、p d a ( 个人数字助理) 以及其他很多电子产品带来更丰富多 彩的图像。这项技术利用了有机半导体材料，有机光电子材料的特殊性质，属于目前 的有机电子学，塑料电子学领域。 。 图1 1o l e d 结构图 华中科技大学硕士学位论文 如图1 1 ，o l e d 的原理是用i t o 透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴 极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，电 子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并 使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。辐射光可从i t o 一侧观察到，金 属电极膜同时也起了反射层的作用。 o l e d 具有以下特点和优势阻 ： 1 o l e d 器件的核心层厚度很薄，厚度可以小于l m m ，厚度为液晶的1 3 ； 2 o l e d 器件为全固态机构，无液体物质，抗震性好： 3 o l e d 的视角一般可达到1 6 0 度以上，如图1 2 ； 图1 2o l e d 的可视角很高，右边为o l e d 4 o l e d 显示屏的响应时间大约是几微秒到几十微秒； 5 o l e d 低温特性好，在零下4 0 度能正常显示： 6 o l e d 亮度高，可达到3 0 0 c d m 2 以上； 7 o l e d 采用的二极管会自行发光，不需要背面光源，发光转换效率高，能耗比较 低； 8 o l e d 器件单个像素尺寸可以相当小，非常适合应用在微显示设备中； 9 o l e d 能够在不同材质的基板上制造，甚至可将电路印刷在弹性材料上，做成能 华中科技大学硕士学位论文 弯曲的柔软显示器( 如图1 3 ) ； 1 0 o l e d 采用低电压直流驱动，l o v 以下，用电池即可驱动； 1 1 o l e d 制造工艺简单，成本较低。 图1 3 制作在柔性基板上的o l e d 相对于其他平板显示技术而言，o l e d 具有主动发光、视角宽、低压驱动、发光 效率高、响应速度快等特点，可用于各种显示领域。o l e d 正在逐渐向低端显示市场 商业化发展，可以预见，由于o l e d 自身的优越性，随着o l e d 技术的不断突破，它 将逐步蚕食其他平板显示市场。 1 2o l e d 发展历史 1 9 8 7 年，美国k o d a k 公司的c w t a n g 等人以8 羟基喹啉铝( 简称a l q 3 ) 为发光 材料，把载流子传输层引入有机e l 器件，并采用超薄膜技术和低功函数碱金属作注 入电极，得到直流驱动电压低( ( 1 0 v ) 、发光亮度高( 1 0 0 0 e a m 2 ) 和效率高( 1 5 1 m w ) 的器件后，引起了人们对有机e l 的极大兴趣。1 9 9 0 年，英国剑桥大学b u r r o u g h e s 等人以聚对苯撑乙烯( p p v ) 为发光层材料，制成了聚合物e l 器件，将有机e l 的研 究开发推广到大分子聚合物领域。在过去的十几年里，有机e l 作为一种新的显示技 术已得到长足发展。 对于有机电致发光器件，可按其使用的发光材料类别将其分为两类，j 、分子o l e d 和高分子o l e d 。小分子o l e d 是以有机染料或有机颜料为发光材料，称为o l e d ， 华中科技大学硕士学位论文 由美国柯达公司( x o d a k ) 的c w t a n g 在1 9 8 7 年首先研制成功：高分子o l e d 是以共 轭高分子聚合物为发光材料，可称为p l e d ( p o l y m e rl i g h t - e m i t t i n gd i o d e ) 或 l e p ( l i g h t - e m i t t i n gp o l y m e rd e v i c e ) ，是由英国剑桥大学最先实现踟。表1 1 对两类 o l e d 的特点进行了比较。 表1 1 有机发光材料比较 o l e dp l e d 材料分子量为数百分子量为数万甚至百万 器件特性发光效率可高于15 1 m w发光效率可高于2 0 1 m w 加工方式蒸镀 旋涂 容易彩色化设备成本低 优势制作过程较容易且稳定器件构造简单 材料合成与提纯较为容易耐热性较差 设备成本较高一彩色化比较困难 对于湿气的抵抗性较差科研开发脚步较慢 + 劣势蒸镀率低造成材料浪费 热稳定性与机械性能较差 驱动电压较高 小分子o l e d 技术发展得较早( 1 9 8 7 年) ，因而技术也较为成熟。p l e d 的发展 始于1 9 9 0 年，由于聚合物薄膜可以采用旋涂、喷墨印刷等方法制备，从而有可能大 大地降低器件生产成本，但目前该技术尚未成熟。 目前小分子o l e d 器件的发光效率已经超过1 5 1 m w ，器件寿命( 半衰期) 已经 超过5 0 0 0 0 小时。而高分子器件的发光效率则已超过1 0 1 m w ，寿命也已超过1 0 0 0 0 小时。就器件的寿命而言，有机发光显示器件已经可以满足实际应用的要求。 1 2 1 材料 在小分子方面，发光材料的发展速度很快m 3 ，绿光材料发展最快，佳能在s i d 2 0 0 4 上宣布，已经成功开发出驱动电压为2 7 v 的绿色荧光材料，初始亮度为l o o c d m 2 时， 寿命可达2 5 0 0 0 小时，初始亮度1 0 0 c 拍n 2 ，发光效率达2 6 1 m w 。p i o n e e r 的红色磷光 4 华中科技大学硕士学位论文 材料，初始亮度在7 0 0 e d m 2 时，寿命预计超过3 0 0 0 0 小时。日本出光的蓝光材料，初 始亮度在1 0 0 0 c d m 2 时，寿命达到2 1 0 0 0 小时。 在高分子方面，黄色发光聚合物，发光效率可达到3 5 c d a ，蓝色发光聚合物，发 光效率可达到2 0 c d a 。绿色磷光材料的h o s t 材料，使发光效率达到了2 4 c d a 。 1 2 2 彩色化实现 彩色技术的突破是o l e d 发展的关键。o l e d 的彩色化方案主要有 r g b 三色发 光法”、以蓝光材料为基础的“色变换法”和以白光发光层搭配彩色滤光片的“白光法” 等 4 0 0 目前主要采用三色发光法和白光加滤光片法。本课题的显示屏采用的就是白 光加滤光片法。 i 2 3 柔软显示 柔软显示器( 又称为可卷曲显示器) 是o l e d 显示技术领域的最热趋势之一。要 实现柔软显示需要解决的主要问题是电极层以及有机层的附着性能、基板的气密性和 封装技术。 随着o l e d 技术的进步，全球许多研发机构和企业加大了对o l e d 柔软显示器的 研发，但目前世界只有美国的u d c 、日本的东北先锋等为数不多的研发机构或公司 推出了柔软o l e d 样品，维信诺公司于2 0 0 3 年1 1 月2 3 日推出国内首款单色点阵柔 软o l e d 显示屏( 如图1 4 ) ) 。 图1 4 维信诺的柔软o l e d 显示屏 华中科技大学硕士学位论文 1 2 4 大尺寸面板制作 大尺寸技术被认为是o l e d 能否用于电视机的关键技术，是全球研究开发的又一 热点。制约其发展的关键技术是驱动i c 和面板制备技术。目前还没有很适合大尺寸 o l e d 驱动的i c ，而且大尺寸面板成品率低，生产工艺不成熟，仍处于研发阶段，预 计2 0 0 8 年后才能够达到实用化水平。 奇美在2 0 0 3 年5 月s i d 会上，展出了使用非晶硅t f t 底板的2 0 英o l e d 面板： 荷兰皇家飞利浦电子( r o y a l p h i l i p s e l e e t r o n i c s ) 开发了1 3 英寸p l e d 面板；e p s o r t 2 0 0 4 年5 月在日本展出了拼接的4 0 英寸彩色p l e d 面板；2 0 0 5 年，韩国三星s d i 展示了 4 0 英寸o l e d 显示屏( 如图1 5 ) ，该显示器使用第4 代非晶硅基板制成，可以支持 w x g a1 2 8 0 x8 0 0 的超高分辨率，同时具有6 0 0 流明的亮度，对比度达到了5 0 0 0 ：1 ， 厚度仅有3 c m 。 1 3o l e d 产业和市场 图1 5 三星的4 0 英寸o l e d 显示器 o l e d 技术起源欧美，但因为成本和产业链的关系，最终实现大规模产业化的国 家和地区却集中在东亚，主要是日本、韩国、中国( 包括台湾地区) 。o l e d 的产业 化已经起步，今后3 5 年是发展的关键时期。目前国际上从事o l e d 研究开发与生产 的公司有近一百家，美国k o d a k 与英国c d t 分别为小分子及高分子o l e d 的领导者。 其中一部分公司已经开始进行批量生产。我国从事o l e d 研究开发和产业化的公司有 6 华中科技大学硕士学位论文 清华大学、华南理工、华中科技大学、吉林大学、北京维信诺、上海欧德公司、深圳 先科、汕尾信利等三十家左右。其中清华大学和北京维信诺合作建成了我国第一条 o l e d 中试线。 国际权威平板显示行业市场分析公司d i s p l a y s e a r c h 在其2 0 0 3 年度o l e d 技术报 告中对o l e d 市场进行了统计和预测。2 0 0 3 年，o l e d 显示器生产商共出货1 7 0 0 万 件，实现销售收入2 6 3 亿美元( 约2 2 亿人民币) ，比2 0 0 2 年增长1 2 7 4 。其中日本 东北先锋占据了4 0 的市场份额，三星( s a m s u n g o l e d ) 占据了3 3 ，中国台湾铼 宝占2 3 ，s k d 公司占约2 ，其余2 被其他公司分享。在2 0 0 3 年的产品中，无源 o l e d 市场占有率超过了9 5 。d i s p l a y s e a r c h 认为随着在材料研究、生产工艺、成本 控制、市场应用等方面的进展，2 0 0 3 年以后o l e d 市场的增长势头将会更大，2 0 0 8 年，o l e d 市场将达到约3 5 亿美元( 折合约2 9 0 亿人民币) ，从2 0 0 3 年到2 0 0 8 年， 平均年增长率达6 8 。 根据技术的进步和产业化的成熟程度，o l e d 将从单色小尺寸显示领域进入市场， 逐渐向大尺寸、彩色化方向发展，最终实现大尺寸、彩色软屏显示，给人们带来全新 的显示器概念和完美的视觉效果。 o l e d 的市场容量巨大，为我国内地在平板显示领域的发展提供了一个发展前沿 高尖技术、调整和优化产业结构、最终实现技术与产业跨越式发展的难得机遇。目前， 在o l e d 技术和产业化方面，我国与国外整体水平相差只有2 年左右，而且在一些关 键技术和核心技术方面，我国已经处于国际先进水平，并掌握了相当数量的核心知识 产权，因此正是全力以赴参与国际竞争的关键时期，如果企业、研发单位、政府和投 资者能够充分发挥各自优势，形成合力，同时大力培养o l e d 设备、原材料、芯片和 下游产业链，我国完全有可能脐身国际显示强国之列。 1 4o l e d 驱动方式 o l e d 众多的优点已为人所知，但是要实现这些优点，实现全彩和动态显示还需 要结合合适的驱动方式才行。目前，o l e d 的驱动方式分为两种：无源矩阵发光 ( p a s s i v e m a t r i x ，p m ) 和有源矩阵发光( a c t i v e m a t r i x ，a m ) 。 7 华中科技大学硕士学位论文 1 4 1 无源矩阵技术 无源方式的构造较简单巧1 。驱动方式是属于电流驱动，驱动视电流决定灰阶，主 要应用在小尺寸产品上，它的分辨率及画质表现不错，但若要往大尺寸应用产品发展， 存在消耗电量大、寿命短的问题嘶3 。下面就无源驱动电路进行详细的描述。 图1 6 无源o l e d ( p m o l e d ) 的结构图 如图1 6 ，o l e d 显示器是由众多的像素点组成，这些像素点按行、列排成矩阵； 显示图像时，按行扫描或按列扫描。本文以行扫描为例，说明无源单色1 1 行m 列o l e d 屏驱动时序关系订1 。若使第x 行与第y 列交叉的发光元件发光( 导通) ，仅需使列驱 动电路的第y 列选通开关闭合，输出高电平，并使行扫描电路的第x 行输出低电平， 屏上的其它发光元件发光原理类同，图1 7 是单色n 行m 列o l e d 屏扫描原理时序图。 其中t f r m 为帧周期，t l i n e 为行扫描周期，确定了帧频率f f r m 后也就确定了一帧 1 的时间，耳。= ；每一行的扫描时间t l i n e 在帧频确定的情况下是确定的，即 j f r m 个 r 一2 等。 8 华中科技大学硕士学位论文 行同步信号 帧同步信号 第l 行扫描信号 第2 行扫描信号 t 第n 行扫描信号 第1 列数据 l 羹 t 第r t l 列数据 图1 7 单色n 行m 列o l e d 屏扫描原理时序图 1 4 2 有源矩阵技术 o l e d 的有源矩阵技术包括非晶硅t f t ( a - s it f t ) 和多晶硅t f t ( p o l ys it f t ) 1 、非晶硅技术 非晶硅基板的优点是技术成熟，均匀性好。目前大尺寸液晶生产使用的都是非晶 硅技术，但是如果用作o l e d 基板，就会遇到很多问题。 1 ) o l e d 是电流驱动，发光强度直接由流经有机层的电流强度决定。随着o l e d 向大尺寸，高分辨率的方向发展，单元像素的尺寸正在缩小，单元像素的充 电时间也在变短。这样就要求提供更大的开态电流强1 。因此o l e d 基板的高 载流子迁移率是决定发展的关键。而非晶硅的电子迁移率仅能够达到 o 5 1 10 c m 2 v s 2 ) 为了防止o l e d 开启电压的变化导致电流变化，通常使用工作在饱和状态的 p 沟器件来驱动o l e d 。因为p 沟器件的、，g s 可以直接通过栅和数据线加载上 去。而如果使用n 沟器件源电压将依赖于o l e d 有机层上的电压。那么v g s 将会随着o l e d 有机层的通断有变化，极大的影响亮度的准确性。而且目前 的工艺水平下，非晶硅还不能制造出合适的p 沟t f t 。因此在通常的两管单 元小电流的情况下，非晶硅基板还不成熟。 经过2 0 多年的改进和发展，非晶硅技术已经相当成熟，有个广泛的工业化基础， 9 华中科技大学硕士学位论文 驱动i c 经过简单改进就可以应用在o l e d 上，整个工艺流程也很容易向o l e d 转型。鉴 于这种情况，不少人一直致力于非晶硅o l e d 的改进，并取得了相当大的进展。j a n i c h o l s ，t n j a c k s o nm h l u ， m h a c 等人就提出了两个能够光学和电学补偿的四 管和六管非晶硅r n 叮电路( 如图1 8 ) 9 3 1 0 1 ：1 。 n 广彳咒 坶l f 甜ap o w e r 图1 8 四管和六管非晶硅t f t 电路 2 、l 1 、p s 低温多晶硅 低温多晶硅的全称是“l o wt e m p e r a t u r ep o l y s i l i c o n ( l t p s ) ”，它是多晶硅技术 的一个分支。对o l e d 显示器来说，采用多晶硅材料有许多优点，如薄膜电路可以做 得更薄更小、功耗更低等等。但在多晶硅技术发展的初期，为了将玻璃基板从非晶硅 结构( a - s i ) 转变为多晶硅结构，就必须借助一道激光退火( l a s e r a n n e a l ) 的高温晶 化工序，此时玻璃基板的温度将超过摄氏1 0 0 0 度n 2 1 。众所周知，普通玻璃在此高温 下就会软化熔融，根本无法正常使用，而只有石英玻璃才能够经受这样的高温处理。 而石英玻璃不仅价格昂贵且尺寸都较小，无法作为显示器的面板，厂商很自然选择了 廉价的非晶硅材料( a - s i ) 。不过，业界并没有因此放弃努力，发展低温多晶硅技术成 为共识，在经过多年的努力之后，低温多晶硅终于逐步走入现实。与传统的高温多晶 硅相比，低温多晶硅虽然也需要激光照射工序，但它采用的是准分子激光作为热源， 激光经过透射系统后，会产生能量均匀分布的激光束并被投射于非晶硅结构的玻璃基 板上，当非晶硅结构的玻璃基板吸收准分子激光的能量后，就会转变成为多晶硅结构 阻羽。由于整个处理过程是在摄氏5 0 0 6 0 0 度以下完成，普通的玻璃基板也可承受，这 就大大降低了制造成本，将多晶硅技术引入o l e d 显示器领域也就完全可行。而除了 制造成本降低外，低温多晶硅技术的优点还体现在以下几个方面n 如。 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 电子迁移速率更高p s i 多晶硅面板的电子迁移率可达到2 0 0 c m 2 v - s e c ，整整 是非晶硅材料的4 0 0 倍多。应用在o l e d 上能够提供更高的开态电流。 2 ) 薄膜电路面积更小如图1 9 ，p - s i 多晶硅基板的薄膜电路尺寸极小，开口率比 传统非晶硅面板高得多，对应的o l e d 面板要做到高分辨率相对容易。 图1 9 非晶硅和多晶硅对比 3 ) 结构简单、稳定性更高一一对于传统的非晶硅o l e d 显示器，驱动i c 与玻璃基 板是不可集成的分离式设计，因此，在驱动i c 与玻璃基板之间需要大量的连接器。 相比之下，低温多晶硅技术集成式结构让驱动i c 不必占据额外的空间，o l e d 显 示器可以做得更轻更薄。 但是目前的l t p s 技术还远远没有非晶硅技术成熟，应用在o l e d 上还存在一些 需要克服的问题。由于o l e d 和l c d 的工作原理不同，需要使用电流驱动。不同的 电流强度对应不同的亮度。由于多晶硅生长的特点，每个t f t 的闽值电压、载流子迁 移率和串联电阻并不一致f 1 4 o 这就导致由p s n 叮的输出特性具有很大的分散性，很 容易出现亮度不均匀和灰度输出错误。因此，研究l t p s 的t f t 驱动技术的关键就是 解决亮度的均匀性和灰度输出的正确性，途径是在l t p s 的制造过程改迸工艺，在t f t 单元电路中增加补偿功能，和在驱动控制电路中克服或者回避不均匀问题。 1 4 3 顶发射方案 如图1 1 0 ( a ) 传统的o l e d 使用有反射能力的顶部金属阴极和透明底部阳极，连基 板也是透明的。光从底部( 衬底端) 射出，一般称之为底发射型。但是o l e d 有机层 下面不透明的t f t 像素电路会阻挡光线的通过，减小像素的开口率。因此为了达到设 华中科技大学硕士学位论文 计的亮度，不得不提高o l e d 的电流强度，缩短o l e d 的寿命。如图1 1 0 ( 1 0 ) 1 7 8 1 在顶发射o l e d 中，光线从器件顶部发射出来，从而克服了上面提到的问题，还能够 适应在完全不透明的衬底( 如单晶硅片) 上构建更为复杂的像素电路而不必考虑牺牲 开口率的问题。 图1 1 0 底发射和顶发射方案 顶发射方案的难点在于需要寻找到：1 、具有较高电子注入能力的顶部透明阴极： 2 、具有较高空穴注入能力的底部反射阳极。这点和传统o l e d 很不一样。但是顶发 射的优势还是吸引了很多研究人员的兴趣，并且获得相当大的发展。图1 1 l 是s o n y 公司已经商品化的带有顶发射o l e d 显示屏的p d a 图1 1 1s o n y 的o l e d 屏p d a 1 4 4 倒置o l e d 方案 为了提高o l e d 的显示质量，研究者提出了很多的像素电路模型。但是不管这些 像素电路模型具体是什么样的，至少都会有一个d r i v et f t 和o l e d 有机层串联在一 起。电路其它部分控制d r i v et f t 的栅电压，从而控制流过t f t 的电流，最终控制 华中科技大学硕士学位论文 叫山i g - t l 华中科技大学硕士学位论文 ( a 个 叫自 1 5o l e d 单元像素电路 i b ) 顶部阳极 f r & r r r 底部阴极有机层 图1 1 3 倒置o l e d 由于o l e d 是电流驱动型，因此在1 1 玎电路中至少需要两个晶体管来分别控制选 址和通断。而为了保证亮度均匀性和灰度准确性，往往还会加入更多晶体管来作调制 补偿。 1 5 1 双管模拟方案 图1 1 4 是一种双管模拟驱动方案1 卯，一个t f t 用来寻址，另一个是电流调制晶 体管，给o l e d 提供电流。 p o w e rd a t a 图1 1 4 双管像素单元 后文介绍的全彩色有机发光有源驱动技术研究采用的就是这种电路，如图1 1 4 所示。两个t f t 均为p 沟的，电源线接直流电平。写信号时，扫描线处于负电位，数 据线的数据信号也为负电位，寻址t f t 处于开态，数据信号存到电容c 上；显示时， 1 4 华中科技大学硕士学位论文 扫描线处于零电位，驱动耵叮受存储电容c 上的电压控制，使o l e d 发光1 2 3 。 两管单元电路结构简单，容易制作。但是该电路模型对于t f t 的阈值电压相当敏 感，会随着各基板特性的变化而变化 1 5 2 四管阈值电压补偿模拟电路n 们 如图1 1 5 ，该电路通过自动置零a 来将数据信号与驱动管进行比较，以消除t f t 栅压的偏移，并在数据信号之前施加b ，使寄生电容所积累的电荷得以释放，较好地 解决了o l e d 发光不均匀的问题。其灰度是通过控制o l e d 像素开启状态的实践来决 定。因此，t f t 的压降情况被降至最低，并且单一像素的亮度输出不再依赖，r f t 的性 质，而是高度依赖o l e d 本身的特性。 但是这种像素的缺点是导致像素电路十分复杂，难以制造，而且多出的晶体管和 电容减小了面板的开口率。 1 6o l e d 灰度实现方法 p o w e r d a t a 图1 1 54 管像素单元 和一切显示方式相同，o l e d 也分为模拟灰度方法和数字灰度方法。 1 6 1 模拟灰度 使用模拟驱动的优点是原理简单。在传统的l c d 领域，模拟驱动的方法被广泛 应用。通过控制电压或者电流的变化就能得到需要的灰度。但是o l e d 的发光特性和 华中科技大学硕士学位论文 上面提到的基板等外围电路限制，并不能简单的套用l c d 上的模拟显示方法。传统 模拟驱动方式为了克服诸如阈值电压漂移等等问题，提出了越来越复杂的像素单元电 路，使用了众多晶体管和电容。这些解决方案要么极大地影响了基板的开口率，要么 复杂的电路设计加大了制造难度，使得工艺难度和成本大幅提高，不适合实际和广泛 应用。， 1 6 2 数字驱动 在数字驱动方案中，t f t 仅仅作为模拟开关使用，这样就减轻了阈值电压不一致 带来的影响。 如图1 1 6 所示，传统的模拟方法需要让d r i v i n g 叮工作在整条曲线上。如果各 t f t 特性相差很远，就必然出现电流强度的不一致，最终造成亮度不均和灰度不准确。 而数字驱动回避了曲线可能出现偏差的中间段，让d r i v i n gt f t 仅仅工作在完全打开 和完全关闭的两点( 图中v s l 和v s l - i ) 2 。这样一来，无论d r i v i n gt f t 特性如何漂移， 都可以准确的得到需要的电流强度( 实际上就是有电流和无电流) 。 图1 1 6t f t 的工作曲线和特性漂移 数字驱动电路的困难在于工作频率比模拟驱动电路高得多。 l 、面积比例灰度 面积比例灰度，又称为空间灰度调制咙3 。原理是将显示像素划分为若干可单独控 制的“子像素”。如图1 1 7 ，当显示像素中不同数量的“子像素， 被选通时，在一定距离 1 6 华中科技大学硕士学位论文 外观察，像素将显示不同的灰度等级。 图1 1 7 将单个像素分解为4 个子像素，可以产生5 中不同灰度 这种方法不需要特殊的驱动和控制技巧，这是它的优点。但是它却又有着不可克 服的缺点。其一是它不可能将显示像素分割成很多的“子像素”，因此它就不可能有 很多的灰度级别。其次是它的灰度级别是用增加微细加工的成本和降低分辨率换取 的。即若保持原有分辨率就必须将原有显示像素再分割加工成更小的“子像素”，这 在已经很小的显示像素的基础上将是十分困难的，而且大量增加的子像素，还需要大 量的驱动和控制电路。这样造成的成本增加也是不可容忍的。若以原有显示像素作为 “子像素”，组成显示像素，其加工成本虽可不必增加，但显示像素面积扩大很多， 其分辨率的降低也会变得无法容忍。 2 、时间比例灰度 时间比例灰度又称为时间灰度调制。即在一个时间单位内，控制显示像素选通截 止时间的长短，从而使显示像素在观察者眼中形成不同的灰度等级瞳加。 1 ) 脉宽调制灰度 脉宽调制灰度是在扫描脉冲对应的数据脉宽中划出一个灰度调制脉冲。这个脉冲 的宽度可以划分为多个级别，不同宽度级另q 代表不同灰度信息，从而可以使被选通的 像素实现不同的灰度级别。如图1 1 8 ，脉冲l 是选通所有像素的脉冲，与脉冲1 选通 脉宽相同的数据宽将对应最高的亮度，一般也将对应最高灰度级数据脉宽。把最高灰 度级数据脉宽( 图中脉冲2 ) 4 等分，脉冲3 和脉冲4 将分别对应灰度2 级和灰度1 级。 这种调制方法不仅可以在一个像素上实现灰度调制，而且可以很容易地通过数字 电路控制将灰度信息携带在列信号脉冲上，非常方便。但是o l e d 在窄脉冲驱动下， 寿命缩短，而且o l e d 不能响应过窄的脉冲宽度，限制更多灰度的实现。 华中科技大学硕士学位论文 最高死室数据宽度 脉冲2 级灰度) 级灰度 脉冲3 il 1 级灰度 ll 脉冲4 图1 1 8 脉宽调制灰度原理 2 ) 分场灰度调制 任何点矩阵图形显示，无论是显示固定的图片，还是显示活动的视频画面，其实 都是由动态扫描的一帧帧画面构成的。假定我们将每一帧划分为按比例的数个子场，某 一像素在不同子场内被导通或者不被导通，则该像素就会呈现出不同的灰度级别了阱3 。 这种分场灰度调制可以在一个像素点上调制出不同的灰度级别，不过，这种灰度 调制法是把若干场合并为一个大单位，所以也会引起灰度级别的闪烁。为了保证不出 现闪烁，就必须增加帧频。和脉宽灰度调制一样，o l e d 不能响应过窄的脉冲驱动， 所以频率不能太高。 3 ) 本文使用的4 分场灰度方案 4 分场灰度方案属于时间比例分场灰度调制中的一种眨卯。将输入视频信号的一个 帧周期分为4 个子场，4 个子场的发光时间比例为1 ：2 ：4 ：8 。公共阴极端v c 端在不同 子场所加的电压是相同的，使驱动t f t 工作在输出特性靠近饱和区的线性区，o l e d 工作在亮度饱和区，那么，o l e d 在四个子场的发光有效亮度比例也为1 ：2 ：4 ：8 。利用 子场的组合可以得到1 6 级灰度显示所对应的像素的发光时间，所以可以实现视觉上 的1 6 级灰度。对于彩色o l e d 屏，只需将三基色像素各自以单色方式驱动，然后在 屏上进行合成即可，1 6 级灰度可以实现4 0 9 6 种颜色。 为了实现分场数字灰度，可采用了两种方法：第一种是写入一显示分离法，即向显 示屏写入数据时不显示，等数据写入完毕后再显示；第二种为无间隔显示法，即显示 过程中进行待显示数据的写入，写入时不中断显示。 华中科技大学。硕士学位论文 写入- 显示分离法见图1 1 9 。图中纵坐标表示由行驱动器选中的行、横坐标表示时 间，阴影部分表示o l e d 发光的显示周期( d p ) 。每帧被分成四个子场( s f ) ，四个 子场中d p 长度之比为1 ：2 ：4 ：8 。在数据写入周期( w p ) ，逐行往显示屏的像素单元写 入显示数据，此时，所有的像素都不发光。 显示状态由公共阴极的电平来控制，当其为低电平时，为显示周期，当其为高电 平时则为数据写入周期。d p 和w p 互相分开，交叉进行。 此方法有几点不足：首先，由于数据写入周期不显示，使显示的时间占空比下降； 其次，由于d p 和w p 由公共阴极来控制，而公共阴极电流较大，因此需要专门的阴 极驱动电路，增加了电路复杂度。但是由于每帧中有4 次出现黑屏，按照人眼的视觉 暂留效应，图像对比度较高，质量不错。显示的时间占空比不足造成的亮度下降可以 靠提高o l e d 电流强度和加快写屏频率来补偿。 图1 1 9 写入与显示分离法 无间隔显示法( 见图1 2 0 ) 在显示的过程中进行数据的写入，因此时间占空比可 达1 0 0 。 图1 2 0 无间隔显示法 1 9 华中科技大学硕士学位论文 每一帧仍被分成四个子场，它们的时间之比为1 ：2 ：4 ：8 。当帧频为6 0 h z 时，各子 场的时间分别为1 1 l l m s 、2 2 2 m s 、4 4 5 m s 、8 9 0 m s 。遗憾的是屏幕在每帧中没有黑屏 的情况下，虽然亮度提高，但是对比度下降。 1 7 课题分析 1 7 1 课题目标 本课题是8 6 3 计划资助项目，研究多晶硅t f t - o l e d 的有源选址驱动技术，研究 外围驱动电路与t f t 基板的连接技术及其相关问题，制作。5 英寸a m o l e d 的外围 驱动控制电路，实现实时动态显示。 1 7 2 研究内容 1 、多晶硅t f t - o l e d 有源选址技术研究； 2 、控制电路和驱动电路的优化设计： 3 、外围驱动电路与a m - o l e d 板的连接技术： 4 、舢讧一o u d 调试测试技术。 1 7 3o l e d 显示屏( 如图1 2 1 ) l 、综合性能参数： 像素数= 3 2 0 ( 列数据线) 3 ( r ( 强) 2 4 0 ( 行数据线) ； 对角尺寸：5i n c h ( 约1 2 7 e m ) ； 双层金属电极，5 微米微加工工艺，像素开口率大于5 0 ； 采用低温m i l c 多晶硅t f t ；一 场效应迁移率大于1 0 0 c m 2 v s ，开关电流比大于1 0 7 ： 有源基板：耶t 双管有源驱动结构； 彩色化：白光+ r g b 滤色片。 2 、单元构成及工作模式 1 ) 外围引线尺寸及分布 2 0 华中科技大学硕士学位论文 图1 2 l 平面板外围布线 矩阵的显示面积、上盖板封装玻璃面积、称底玻璃面积和各个电极底示意图如图 1 2 1 所示，左侧为2 4 0 根扫描电极外引线。数据线的数目为3 2 0 x 3 ( r g b ) = 9 6 0 根， 采用上下双面引线连接方式，上边的引线为4 8 0 根奇数引线，下边为4 8 0 根偶数引线。 右边为两条功率线，一条为公共直流电极，另一条为公共阴极。两条引线的宽度都为 5 m m 。 图1 2 2 r g b 数据引线 2 ) r g b 数据引线的具体分布如图1 2 2 所示，上引线的顺序为r 1 、g 1 、b 1 、r 3 、 g 3 、b 3 、r 5 。下边引线的顺序为r 2 、g 2 、b 2 、r 4 、g 4 、b 4 、r 6 。 华中科技大学硕士学位论文 1 7 4 技术关键 由于本课题采用的是多晶硅方案，因此多晶硅基板的不均匀性问题就显现出来。 因此在灰度实现上，我们采用了4 分场这种时间比例数字灰度方案。正如上面介绍分 场方案中提到的：分场方案的应用会使整个控制电路、驱动电路和各个元件芯片工作 频率大大提高。因此，本课题的关键在于如何降频。 同时，随着a m o l e d 显示屏尺