（通信与信息系统专业论文）基于有机电致发光屏（oled）的显示系统研究及实现.pdf

华东师范大学硕士学位论文 摘要 摘要 阴极射线管( c r t ) 曾经在图像显示器中占据了绝对的统治地位，然而随着平 板显示技术的迅速发展，薄而轻的壁挂电视、显示器已经出现，人类开始步入平 板显示的时代。0 l e d ( 有机电致发光二极管) 作为拥有自发光、响应速度快、无 视角限制、低功耗等特点的平板显示技术，在平板显示市场必将占有其一席之地。 目前，国外o l e d 显示器也只是实验室中的研发项目，国内处在制作屏幕 的摸索阶段。本文采用上海广电电子平板显示中心自主研发的1 2 8 1 2 8 全彩 o l e d 显示屏，将f p g a 、d v i 和o l e d 多种技术进行融合，研究开发了基于 o l e d 的显示器系统。 论文首先研究了0 l e d 的驱动技术，着重探讨了o l e d 的无源驱动技术， 并在此基础上设计相应的o l e d 无源驱动电路。o l e d 属于典型的数字显示器 件，而传统的p c 显卡输出的图像数据在“数模、模数”转换过程中会造成的图 像损失。鉴于此，本文采用时下新颖的d v l 数字接口为o l e d 显示系统提供显 示所需的实时图像数据，使显示画面更加优质。为此，论文具体分析了d v i1 o 数字接口协议，并对数字显示器所需的e d i d 协议做了相应的研究，为日后的进 一步研发打下基础。本系统的核心信号处理器采用x i l i n x 公司的x c 2 s 2 0 0f p g a 芯片，将f p g a 引入驱动系统可以精确地分析实现0 u d 显示系统的驱动时序 逻辑。此外，本文还详细介绍了该f p g a 系统的软硬件设计，针对0 l e d 显示 屏1 2 8 1 2 8 分辨率的特点和动态显示的特殊要求，论文提出了相应的解决方案， 并在本文开发的o l e d 显示系统中得以实现。 论文的主要贡献： 第一，为国内上海广电电子自主设计的o l e d1 2 8 1 2 8 彩屏设计了驱动电 路： 第二，尝试了将o l e d 应用于桌面显示器领域并取得了阶段成功； 第三，分析了d 数字图像传输协议，并将d v l 技术应用于本系统； 第四，自主设计了f p g a 为核心的显示系统，包括硬件设计以及驱动和数据 处理软件设计，结合该系统的特点，提出了数据处理的方法。 本文和上海广电电子集团平板显示中心合作，所自主研发的0 l e d 显示器系 统对国内o l e d 应用领域的拓展具有积极意义。 关键词：o l e d ，f p g a ，d v i ，e d i d 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c r th e l da ni m p o r t a mp o s i t i o ni nt h ed i s p l a yt e c h n 0 1 0 9 ya r e ai nt l l ep a s tf b w y e a r s w i m 也ed e v e l o p m e n to fp a l l e ld i s p l a yt e c h n o l o g y ，m i na 1 1 dl i g h tt v d i s p l a y r e p l a c e st h ec r t a n db e c o m e s p o p u l a ri 1 1o u rl i f c s om ep a i l e ld i s p l a ya g ei sc o m m g o l e do w n st h ec h a r a c t e r i s t i co fs e l f i l l u m i n a t i o n ，h i 曲s p e e dr e a c t i o n ，n ov i s u a l a n 9 1 el i m i t a t i o n ，l o wp o w c rc o n s u m 砸o na n dm i sa d v a n t a g ew i l lh e l p “o c c u p yp a n o f t h ed i s p l a ym a r k e ts 0 0 n e ro rl a t e l o l e dm s p l a yt e c h n 0 1 0 9 yi sb e i n ge n g a g e di m or e s e a r c hm lo v e rn l e 、0 r l d i i l o _ 1 1 rc o u m r y ，s e v e r a l g r o u p sa n dc o r p o r a t i o n s a r ei n v 0 1 v e di n 廿1 i s 甜e a 1 h s d i s s e r t a t i o ni sar e s e a r c ht h e s i sa b o mt h ed e s i g no fo l e ds c r e e nd i s p l a ys y s t e m 、i t l l t h ec o i 玎l b i n a t i o no ff p g a ，o l e d ，d v i1 ot e c h n 0 1 0 9 y b e s i d e s ，t h eo l e ds c r e e ni s t h e1 2 8 8 1 2 8p i x e lf u l lc 0 1 0 rs c r c e np r o d u c e db ys v ae 1 e c t r o ni n c i nt h ed i s s e r t a 廿o n ，w ei n t r o d u c et h e0 l e dd r i v et h e o r ya 1 1 de s p e c i a l l ya l l a l y z e p a s s i v em a t r i x ( p m ) t e c h 0 1 0 9 y b a s e do nt h ct l l e o r y ，w ed e s i 印愤l ed r i v ec i r c u i t m o d u l e f o rt h eo l e dd r i v e ri sad i g i 伽e q u i p m e m ，w e b 曲gd i g i t a l d e oi n t e r f 她e ( d v i ) i n t ot h i s 哪 t e m d i su s e dt od c l i v e rd i g i 协1v i d e os i g n a lt oo l e ds y s t e m ， a v o i d i n gs i 班a l1 0 s sd 1 1 r i n gt h et r a n s m i s s i o n w bi n t r o d u c e 也ed v i1 0p r o t o c o la 1 1 d a l l a l y z et h ep r o c e s so fd v i b e s i d e s ，e d i di sa l s oi n 廿o d u c e d 硫om i sd i s s e 砌t i o nt o a c h i e v et h ew h 0 1 es y s t e m 丘m c t j o n t h ec o r cc h i po ft h e0 i 。e dd i s p l a ys y s t e mi s s p a n a ni ix c 2 s 2 0 0f p g am a n u f a c t u r e d b yx i l 似i n c w i t h 也i sc h i p ，w ec a n p r c c i s e l yc o i l 仃o lt l l ec o 删n a n ds e q u e n c ea n dl a t e n c yt oh e l pu sa 1 1 a l y z ea 1 1 dd c b u gt h e o l e dd i s p l a ys y s t e m w e o 髓fs p e c i a l d e s i g np l a n o n t h e b a s i s o f 蠊1 2 8 七1 2 8 p i x e l s o l e d ，a r l dr e a l i z et h es y s t e mf i n a l l y t h en l a i nc o n m b u t i o no f 1 ed i s s e r t a t i o n ： 1 d e s 蟾n 也ed r i v ec i r c u i tf o r 恤es e l f _ d e s i g no l e ds c r e e np r o d u c e db ys v a i n c 2 b r i n g 恤e0 l e d i n t op cs c r e e nd i s p l a ys y s t e m 3 a n a l y z ed v i 1 0p r o t o c o la r l da p p l yi ti m om i ss y s t e m 4 d e s i g nt h es y s t e mv d 恤f p g a ，血c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o a w a r e k e y w o r d ：0 l e d ，f p g a ，d v i ，e d i d 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 孔易 日期：= 坐 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名豸吗 导师签名： 日期： 日期： 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 9 6 0 1 9 9 0 年信息的平均年增长率为2 0 ，到2 0 2 0 年将达到每两个半月翻 一番的惊人速度。大量的信息通过“信息高速公路”传送着，要将这些信息传送 给人们，必然要有一个下载的工具，即接口终端。研究表明，在人们经各种感觉 器官从外界获取得信息中，视觉占6 0 ，听觉占1 5 ，味觉占3 ，嗅觉占2 。由此可 见，最丰富最直观的信息是通过眼睛获得的。人类长久以来致力于将各种信息转 化为图像信息，然后传达给他人，其中信息转化的过程称为“信息处理”，而传 达的过程便是“图像显示技术”。显示技术作为人机联系和信息展示的窗口已应 用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感、和医疗等各个方面， 显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业。 图像显示器件中，原先由阴极射线管( c r t ) 占据绝对统治地位，但是随着平 板显示器也在飞速地发展着，乎板显示的时代已经到来。本章节将介绍显示器的 类型，本文研究的时代背景与研究内容。 1 1 图像显示器 电子显示器可分为主动发光型和非主动发光型两大类，如图1 1 所示。前者 是利用信息来调整各象素的发光亮度和颜色，进行直接显示；后者本身不发光， 而是利用信息调制外光源而使其达到显示的目的。常见的显示技术有：阴极射线 管( c r t ) 显示、液晶显示( l c d ) 、等离子体显示板显示( p d p ) 、发光二极管显示 ( l e d ) 、有机发光二极管显示( 0 l e d ) 等。 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 图l 一1 显示技术树形图 1 2 1c r t 显示器 c r t 显示器利用电子枪将电子束轰击在荧光屏上，激励荧光粉发光从而 实现显示。c r t 显示技术已经有1 0 0 多年发展历史，是实现最早、应用最为 广泛的一种显示方法，技术成熟。其优点：图像色彩丰富，好的可视性( 高 亮度和高对比度) ，分辨率高，响应速度快，寻址简单，高发光效率，非常 好的寿命特性，最大的优势就是成本低。c r t 显示器主要用作彩色电视和电 脑监视器。 由于c r t 显示器必须采用三维真空管结构，用高压产生和调制电子柬， 用模拟电路驱动和控制，因此功耗高、体积大、重量大、应用电压高、工作 中容易受到电磁干扰，会产生对人体有害的辐射；c r t 显示器采用电子聚焦， 显示画面容易产生几何畸变，长期使用会出现散焦和色漂；亮度不均匀，显 示器中心亮四周暗；显示器表面非物理平面，边角容易出现失真，屏面内有 光散射，对环境光也有较大的散射和反射，使用者容易产生视疲劳。 l2 2 液晶显示器 液晶显示器分有源矩阵l c d ( a m l c d ) 和无源矩阵l c d ( p m l c d ) 。在平板 显示器的市场份额中占8 0 以上。有源矩阵l c d 的优点是：高性能、彩色、 高分辨率，主要用于个人视频用品、笔记本电脑和桌上监视器。无源矩阵l c d 优点：价格便宜、不错的性能，主要用于消费类电子产品和通信( 手机) 产 品，在低功率、单色以及低性能的应用领域占优势。 液晶显示器的优点是低压、微功耗；平板结构；被动显示型：本身不发 2 由晕囱 西璺歪占 甲墨 | | 一功 一 上# 一m 一 一a 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 光，靠调制外界光达到显示目的，即依靠对外界光的不同反射和透射形成不 同的对比度达到显示的目的。被动式符合人眼获得视觉信息的方式，不容易 引起眼部疲劳。显示信息量大；易于彩色化；长寿命；无辐射、无污染，而 c r t 中存在x 射线辐射，p d p 中存在高频电磁辐射问题。 液晶显示的缺点是显示视角小，当然最新的工艺可以大大改善液晶的视 角，但成本相对大大增加；液晶的响应速度慢；由于液晶显示大多依靠在外 加电场作用下，液晶分子的排列发生变化，所以响应速度受材料粘滞度影响 很大，对于快速移动的画面，显示质量不好。解决的方法是减薄液晶厚度和 电路补偿，相应的成本也会增加。 1 2 3 等离子显示板( p d p ) p d p 是指所有利用气体放电而放光的平板显示器件的总称。利用加在阴 极和阳极间一定的电压，使气体产生辉光放电。p d p 作为主要的平板显示器 件之一，与其他显示器件相比，其特点是：易于实现薄型大屏幕；具有高速 响应特性。由于以气体放电为基本物理过程，开关速度在微秒级，特别适合 大屏幕高分辨率显示；可实现全彩色显示；视角宽，可达1 6 0 度；伏安特性 非线性强，具有很陡的阂值特性从而对比度高；具有存储功能；无图像畸变。 不受磁场干扰；应用环境范围广；全数字模式；具有长寿命。 当然，目前彩色的p d p 的发光效率不高，驱动电压过高，功耗过大问题 仍然存在，由于其放电电流大且驱动脉冲频率较高，会产生较强的电磁干扰， 因此该技术仍然有待改进。 1 2 4 有机发光二极管显示( o l e d ) 有机电致发光显示，又称有机发光二极管( o r g a n i cl i g h te m i t t i n g d i o d e ，0 l e d ) ，其发光原理是通过正负载流子注入有机半导体薄膜后复合产 生发光。主要可以分为高分子器件和小分子器件。 0 l e d 的特点是：低电压5 2 0 v 、低功耗、自发光、高对比度，薄、轻， 单片结构重量只有l c d 的一半，加工不复杂，可以彩色化，发光效率高，快 速响应，宽视角，有望发展成低价格。无源矩阵o l e d 适合于文字显示，有 源矩阵o l e d 适合于视频及图表显示，在数字摄像机、手机等消费类产品和 汽车显示器、计算机显示器等产品中是l c d 的有力竞争者。o l e d 正在以每年 2 0 0 的增长速度发展着，在寿命和彩色问题上获得彻底解决后将在显示器 上大放异彩。 0 l e d 的应用大致可分为三个阶段：1 9 9 7 2 0 0 1 年的实验阶段，0 l e d 走 出实验室，产量有限，规格较少，无源驱动为主；2 0 0 2 2 0 0 5 年的成长阶段， 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 人们广泛接触o l e d 的产品，包括车载显示器、p d a 手机、d v d 、数码相机等； 2 0 0 5 年以后的成熟阶段开始拥有自己的市场领域：如3 g 通信终端；壁挂电 视和桌面电脑显示器；军事和特殊用途，因为o l e d 无液态成分，不怕振动， 工作温度宽；还有柔软显示器等。图1 2 给出了o l e d 的应用领域。“” im o b i l e 升l o n e ，l 动ip d a ，d m b ，m p 3i ld i 毋t 越c a m e l 甚l 图1 2o l e d 应用领域 1 2 国内外研究现状分析 有机电致发光显示，是自2 0 世纪中期发展起来的一种新型显示技术，其原 理是通过正负载流子注入有机半导体薄膜后复合产生发光。 有机电致发光现象在1 9 3 6 年就被人发现，但直到1 9 8 7 年柯达公司推出了 o l e d 双层器件，o l e d 才作为一种可商业化和性能优异的平板显示技术引起人 们的重视。与液晶相比，o l e d 具有全固态、主动发光、高亮度、高对比度、超 薄、低成本、低功耗、无视角限制、工作温度范围宽等诸多优点，被认为是最有 可能替代液晶显示器的技术。近年来，在强大的应用背景推动下，o l e d 技术取 得了迅猛的发展，在诸如发光亮度、发光效率、使用寿命等方面均已接近和达到 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 了实际应用的要求。图1 3 为o l e d 目前的应用举例。 图1 3 应用举例 0 l e d 技术在过去的1 0 年左右的时间里取得了巨大的进展，1 9 9 7 年，日本 先锋公司开始销售配备有绿色o l e d 点阵显示器的车载f m 接收机；同年，日 本出光兴产研制出5 英寸o v g a 全彩的o l e d 显示器；1 9 9 8 年，日本n e c 公 司、先锋公司各自研发出5 英寸无源驱动全彩色q v g ao l e d 显示器；2 0 0 0 年， m o t o r o l a 公司推出采用o l e d 显示屏的手机；2 0 0 1 年，s o n y 公司展示了1 3 英 寸的0 l e d 全彩显示屏。s o n y 、三星、菲利普、先锋等公司都投入了o l e d 的 研发和生产当中。整体上讲，o l e d 的产业化工作已经开始，其中单色和多色器 件已经达到批量生产水平，全彩色器件目前尚处在研发阶段。根据国际权威显示 市场研究机构s t a n f o r dr e s o u r c e 的估计，1 9 9 9 年o l e d 全球销售金额达3 0 0 万 美元，2 0 0 2 年大幅增长到2 亿美元，2 0 0 4 年左右应用于m p 3 等小型移动设备上， 在2 0 0 8 年预计能迎来利润高峰，该技术未来应能够与s t n l c d 及t f t l c d 技术 抗衡。 目前，国内o l e d 的技术以及驱动只是在起步研发阶段，很多驱动芯片还是 靠国外进口，其基板材料设备也大部分倚仗国外，因此还有较长的路要摸索前进， 如何在短期内跟上国际水平，抢占商机，这是目前摆在大家面前的一个课题。 1 3 基于0 l 功显示器系统 本课题研究实现一个基于1 2 8 + 1 2 8 点阵的小尺寸、全彩o l e d 屏显示器系 统。此显示系统由数据信号接收部分，数据处理部分和显示驱动部分三部分组成。 其中数据信号源是采用由p c 电脑的显卡d v i 端口送出的差分图像数据信 号，在数据接收端，采用s i l i c o ni m a g e 公司的s i l l l 6 9 这款d v i 信号解码芯片， 提取出数据图像的r g b 三色信号，场同步、行同步信号以及数据有效时钟信号， 并将之传送到后级的图像处理部分。图像处理部分，采用x i l i l l ) ( 的s 口a n a ni i x c 2 s 2 0 0f p g a 作为核心处理器件，外设s r a m 作为数据缓存，对图像数据进 行实时的处理。并且将处理好的数据转为o l e d 驱动电路可以接收运行的数据 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 格式，控制0 l e d 屏幕显示图像信号。从而实现一套完整的显示器系统。 该系统的需研究课题如下：首先，对d v i 协议研究以及研究设计系统，能 够与显卡建立并保持数据信号传送；其次，对o l e d 显示驱动分析研究，实现 利用驱动芯片的o l e d 显示驱动；系统核心部分，是对f p g a 设计、编程及应 用的研究，包括编写0 l e d 驱动的模块、数据处理的模块。此外，由于显示实 时的需要，对于缓存的应用以及时序计算也是研究的重要内容。对于硬件系统的 硬件设计也要考虑时钟信号等问题，与之相应的便是对电路设计和布线的分析探 讨。 1 4 研究的内容 0 l e d 作为一个新兴的研究商业领域，有很强的应用前景，目前0 l e d 领先 技术掌握在日本，台湾等公司手中。值得欣慰的是国内大陆厂商也在积极跟进国 际步伐，相应的o l e d 驱动技术也在摸索研究中，其驱动芯片也是一个可观的 市场。 课题旨在通过研究o l e d 的无源驱动技术，实现一个o l e d 的显示器系统， 既研究o l e d 的驱动，同时也对显示器的开发进行研究。目前有源的0 l e d 驱 动技术也在研发中，该课题可以作为将来有源o l e d 应用以及大屏幕的0 l e d 显示器的基础研发。 本文的结构如下： 第章绪论 介绍了显示器的种类，以及o l e d 国内外的现状，并阐述了本论文所要实 现的o l e d 显示器系统框架。 第二章o l e d 工作原理 介绍了o l e d 的显示发光原理，介绍了有源驱动与无源驱动原理，其中， 着重对本系统应用的无源驱动技术做了分析和介绍。 第三章d v i 协议分析 对于系统的显示数据源进行分析，着重分析d v i1 o 的协议标准，对其工作 方式做了相应的分析研究，并且说明了实现该数字通信接口所涉及的电气知识、 e d i d 标识。 第四章系统硬件部分 对于系统的硬件设计做了详细的介绍，对系统的三个硬件模块，d v i 解码， o l e d 驱动，f p g a 处理做了分析，用定篇幅于介绍系统的设计思路，以及调 试经验。 第五章系统软件部分 6 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 系统的软件设计，对于三个模块相应的软件设计流程分别做了详细介绍，并 对系统进行实际分析，提出相应的解决方案，给出仿真波形。 第六章总结与展望 总结本文研究成果，并提出将来的研究方向。 华东师范大学硕学位论文第二章o l e d 工作原理 第二章o l e d 工作原理 2 10 l 皿显示原理 2 1 1 有机半导体材料简介 有机半导体同无机半导体相比，存在两个方面的明显不同：首先，有机分子 的电子耦合作用较弱；其次，有机固体的介电常数较小，说明有机分子维持自身 形状的能力较弱，极易形变，使得库仑作用变得明显。图2 1 为有机发光材料 的分子结构。 用于有机电致发光的有机半导体材料有 1 空穴传输材料：成膜性较好、稳定性好、空穴迁移率高、较好的电化学 稳定性、具有阳极( i t o ) 相匹配的电离能、具有发光层相匹配的能级结构。 。瞻趟 栽 苷 世三 w c 一味袁墨岑罗一 。毒o o f 列g 鬻尸9 i 翟。茹：。 j 妻 y 誓滔h & 笋 芦7 亳善 图2 一1 分子结构图 2 发光材料：目前多用小分子发光材料。选择发光材料时要考虑荧光子的 量子效率；抑制薄膜中的聚集体形成；发光层的位置。 3 电子传输材料：电子传输材料在分子结构上表现为缺电子系，具有较强 的电子接受能力。因此电子传输材料应具有较好、可逆的还原过程。 4 电极材料：有机电致发光阴极主要使用具有较低逸出功的金属如c a 、 m 、m g 等。“1 华东师范大学硕学位论文 第二章o l e d 工作原理 2 1 2 有机电致发光器件结构及工作原理 0 l e d 是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件。其典型结构是在i t o 玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层，发光层上方有一层低功函 数的金属电极。当电极上加有电压时，发光层就产生光辐射。和无机薄膜电致发 光器件( t f e l ) 不同，有机材料的电致发光属于注入式的复合发光。其发光机 理是由正极和负极产生的空穴和电子在发光材料中复合成激子，激子的能量转移 到发光分子。使发光分子中的电子被激发到激发态，而激发态是一个不稳定的状 态，去激过程产生可见光。为增强电子和空穴的注入和传输能力，通常又在i t o 和发光层间增加一层有机空穴传输材料或和在发光层与金属电极之间增加一层 电子传输层，以提高发光效率。 有机小分子电致发光的原理是：从阴极注入电子，从阳极注入空穴，被注入的 电子和空穴在有机层内传输。第一层的作用是传输空穴和阻挡电子，使得没有与 空穴复合的电子不能进入正电极，第二层是电致发光层敲注入的电子和空穴在有 机层内传输，并在发光层内复合，从而激发发光层分子产生单重态激子，单重态激 子辐射跃迁而发光。对于聚合物电致发光过程则解释为：在电场的作用下，将空穴 和电子分别注入到共轭高分子的最高占有轨道( h o m 0 ) 和最低空轨道( u j m o ) ，于 是就会产生正、负极子，极子在聚合物链段上转移，最后复合形成单重态激子，单重 态激子辐射跃迁而发光。图2 2 为迁跃发光原理。 能数2 图2 2 迁跃发光原理 电致发光机理属于注入式发光，在正向偏压的作用下，i t o 电极向电荷传输层 注入空穴，在电场的作用下向传输层界面移动，而由铝电极注入的电子也由电子传 输层向界面移动，由于势垒的作用，电子不易进入电荷传输层，而在界面附近的发 光层( a l q ) 一侧积累。由于激子产生的几率与电子和空穴浓度的乘积成正比，在空 华东师范大学硕学位论文 第二章0 l e d 工作原理 穴进入a 1 q 层后与电子界面处结合而产生激子的几率很大，因而几乎所有的激子 都是在界面处与a l q 层一侧很狭窄的区域( 约3 6 如的内产生。因而发光不仅仅是 在a l q 层，而且主要在电子空穴传输层的界面。 其过程可简单分为以下三个过程：l 载流子注入；2 载流子输出；3 载流子 复合和辐射衰减。图2 3 为发光器件的典型结构。 1 ，载流子注入是指载流子通过金属有机界面从金属进入有机层的过程。该 过程容易对器件的启动电压、效率和寿命有直接影响。 2 载流子传输 载流子传输是指将注入至有机层的载流子运输至复合界面处。 3 载流子复合和辐射发光 有机固体中的最低能量激发态分为单线态和三线态，前者导致荧光发射，后 者导致磷光发射。 小型单色有机电致发光器件基本上都是三层结构。全色0 l e d 显示器为多 层结构，一般超过三层。分层如下： 注入层：理想阴极是以低功函数金属作为注入层，以具有较高功函数的稳定 金属( m 如g ，l i a 1 ) 作为钝化层。阳极是由透明或半透明导体制成的。i t 0 玻 璃表面电阻很容易在8 0 w 以下。理想的o l e d 需要表面粗糙度小的高质量玻 璃基片。 图2 3 0 l e d 多层结构图 输运层：有机电致发光薄膜器件的特点是均有电子传输层与空穴传输层， 而发光层却不一定单独存在，可以是电子或空穴传输层既为传输层又为发光层。 l o 华东师范大学硕学位论文第二章o l e d 工作原理 一般情况下这些薄膜器件都表现出单向极化特性，以便使空穴于电子的复合在发 光层中进行，因此在i t o 侧，加正向电压为阳极，金属电极为阴极。 发光层：由在荧光基质材料中掺杂百分之几的荧光掺杂剂来制备。荧光掺杂 剂是热和光化学稳定的激光染料。 获得全色o l e d 显示器的方法有三种：( 1 ) 发光层加滤色片。这是获得全 色显示最简单的方法，它是在研发l c d 和c c d 时形成的一种成熟的滤色片技术。 ( 2 ) 采用红绿蓝三种e l 发光材料，因此发光层为三层结构。( 3 ) 采用蓝色e l 发 光材料，及光致发光的颜色转换材料获得全色显示。除蓝色外，再由蓝色光通过 激发光致发光材料分别获得绿色和红色光。这种方法的优点是效率高，可不再使 用滤色片。滤色片效率低，大致要浪费三分之二的发射光。 2 20 l e d 驱动技术 从电子学角度简述有机电致发光器件的显示原理为：在大于某一阈值的外加 电场作用下，空穴和电子以电流的形式分别从阳极和阴极注入到夹在阳极和阴极 间的有机薄膜发光层，两者结合并生成激子，发生辐射复合而导致发光。发光强 度和注入的电流成正比，注入到显示器件中的每个显示像素在驱动信号的作用 下，在显示屏上合成出各种字符、数字、图像。有机电致发光显示驱动就是提供 相应的电流信号。 常用于有机电致发光显示器件上的驱动方法可分为有源驱动和无源驱动两 种，本系统的驱动技术为无源技术。以下将对两种驱动方法进行介绍。 对于无源驱动的矩阵交叉屏，在i t 0 电极x i 加上正电压，金属电极y j 加上负 电压，则在其交叉点像元( x i ，y j ) 上即能得到发光，其基本过程是，对某一行需要 发光像元的相应列加上正电压，不需要发光像元的相应列接地，当该行电极接地时 则该行需要发光的像元都能发光而其他的像元都不发光。如此逐行扫描，就可得 到所需显示的图像。 有源驱动突出的特点是恒流驱动电路集成在显示屏上，面且每个发光象素对 应集成有一个电荷存储电容，该存储电容上的电压保证在一帧周期内，对应象素 一直维持其发光和不发光状态。 对于每个发光像素点，其具有二极管特性，有机电致发光显示像素上所加的 正向电压大于发光的闽值电压时，像素将发光显示；当所加的正向电压小于阈值 电压时，像素不产生电光效应而不显示；当所加的正向电压在阂值电压附近时， 会有微弱的光发出。对于已经发光的像素，发光强度与注入电流成正比，这个在 有机电致发光原理中提到，因为是注入式原理，因此为了实现对显示对比度和亮 度的控制，有机电致发光显示驱动器要能够控制驱动输出的电流幅值。此外由于 华东师范大学硕学位论文第二章o l e d 工作原理 有机发光薄膜的厚度在纳米级，发光面积尺寸一般大于一百微米，因此，器件具 有很明显的电容特性，为了提高显示器件的刷新率，对不发光的象素对应的电容 进行快速放电，目前很多驱动电路采用正向恒流反向恒压的驱动模式。图2 4 为o l e d 静态驱动和动态驱动。 图2 4 主动有源驱动和被动无源驱动 另外，为了实现灰度显示、改善刷新率等功能，还要求电致发光驱动器能够 对正向电流的脉宽、反向电压的幅值和脉宽、频率等参数进行控制。 2 2 1 无源驱动 2 2 1 1 静态驱动器方式 静态驱动的有机电致发光显示器件上，一般各有机电致发光像素的阴极是连 n 如 l e 电游 丫广，j !i 一 ! 一 j “ 在一起引出的，各像素的阳极分立引出，当然也 有阳极连在一起而阴极分立引出的情况。当在阴 极和阳极之间接上可调幅值的恒流源，并且其电 压大于像素的发光闽值时，像素将在恒流源的驱 动下发光，处于显示状态。 图2 5 为o l e d 静态驱动。 图2 5 静态驱动原理图 对于不发光的像素，把这个像素的阳极与一5 v 的电源相连接，阴极与地相 连，使得该像素的阳极与阴极的电压差为 一5 v ，发光二极管反向截至，则该 像素不发光。 华东师范大学硕学位论文 第二章o l e d 工作原理 随着显示信息的改变，某一个像素上将轮换加载正电压和负电压，故总体看 来将是一种交流电压效果，采用交流形式的驱动在平板显示中大量用到，目的是 为了提高响应速度、显示效果，以及克服交叉效应。当然如果只从有机电致发光 像素发光与不发光的基本要求出发，只需使发光像素的阴极和阳极之间的电压差 为o v 即可。 如上所述，静态驱动的特点是在一副完整的图像显示过程中，每一个像素上 所加的电压值( 对于不发光像素) 或电流值( 对于发光像素) 是不变化的，因此 这种驱动就称为静态驱动方式。 静态驱动电路一般用于段式显示屏的驱动上，这是因为段式显示屏上每个发 光像素的两个电极中至多有一个电极是与其他的发光像素共享的，这样每个发光 像素的亮暗都可以单独由未共享的电极控制。 2 2 1 2 动态驱动器原理 从静态驱动的分析可知，静态驱动电路要求屏上除一个公共电极以外，每一 个发光像素都必须有一个独立的电极引出。这种方式有利有弊，对于小尺寸的驱 动，该方式十分简洁方便，但是当显示像素众多时，如本系统1 2 8 1 2 8 像素的 o l e d 点阵型有机电致发光显示器件，若用静态驱动电路( 无源方式的静态驱动) c p u 控制电路 f 面瓦， 【! _ j f = i 磊磊 ，卜_ 一 j 磊 【一 结构将产生众多的引脚以 及庞大的硬件驱动电路。 图2 6 为动态驱动结构 图。 为克服该问题，与液 晶类似，把显示屏上上像 素的两个电极做成了矩形 结构，即水平一组显示像 素的同一性质的电极是共 图2 6 动态驱动原理图 用的，纵向一组显示像素相同的电极的另一电极是共用的，类似于l e d 数码管 的动态扫描原理。将像素以空间方式可分为x 行和y 列，每行都共用一个行电 极，每列也共用一个列电极，这样就得到x 个行电极和y 个列电极。如要点亮 某一位置的发光显示像素，只需在该像素的对应行列电极加上压差，输入电流即 可。当要点亮整个屏的像素，则需采用逐点点亮或着逐列点亮方式，点亮整个屏 的时间小于人眼视觉暂留极限2 0 m s 的方法，该方法对应的驱动方式就是动态驱 动方法。 驱动方法简述：在实际电路驱动中，如采用逐行点亮的方式，则行电极被称 为扫描电极，列电极被称为数据电极；反之则列电极为扫描电极，行电极为数据 华东师范大学硕学位论文 第二章o l e d 上作原理 电极。 举例，如果以行扫描方式，且行为阴极，有机电致发光显示的驱动方法是循 环地给每行电极施加选择脉冲，同时给所有列电极给出驱动电流脉冲，从而实现 所有显示像素的驱动。扫描完整个屏幕的时间称为帧周期。 在帧周期中，每一行选择的时间均等。假设一帧的扫描行数为x ，扫描一帧 的时间为1 ，则一行占所有的选择时间为一帧时间的1 ) ( ，该值为占空比系数。 在同等电流下，扫描行数的增多导致占空比下降，从而引起有机电致发光像素上 的电流注入在一帧中的有效值下降，就会降低显示亮度等质量。因此在显示像素 增多的情况下，为了保证显示质量，就需要适当的提高驱动电流或采用双屏电极 结构即将一个屏的引线分两路引出，以两个驱动电路驱动一个屏幕，减少单位时 间的扫描点数，以提高占空比系数。 在动态驱动方式下，某一有机电致发光像素呈显示效果是由施加在行电极上 的选择电压与列电极上的选择电压合成来实现的。与该行不在同一行和同一列上 的像素都处于非选状态，而与该点在同一行或列上的点称为半选择点。当该点的 电场电压处于有机电致发光的阈值电压附近时，屏上将出现不应有的半显示现 象，使得显示对比度下降，这个现象就是“交叉效应”。 解决有机电致发光动态驱动方法中解决“交叉效应”的方法是反向截止法， 即未选中的有机电致发光像素上施加反向电压。原因如下，有机电致发光的原理 是像素中注入电流，正负电荷载流子的符合形成发光，反向截至强行使可能发光 的弱场漂移电流、扩散电流都不可能在像素中通过，从而有效地消除交叉效应。 除了由于电极的公用形成交叉效应外，有机电致发光显示屏中正负电荷载流 子符合形成发光的机理使任何两个发光像素，只要组成它们结构的任何一功能膜 是直接连接在一起的，那两个发光像素之间就可能有相互串扰现象，即一个像素 发光，另一个像素也能发出微弱的光，这个在系统中，调试o l e d 屏幕时偶尔 可以发现这一现象。这种现象主要是因为有机功能薄膜厚度均匀性差，薄膜的横 向绝缘性差造成的。从驱动角度，为了减缓这种不利的串扰，采取反向截止法是 行之有效的方法之一。 本系统的彩色屏幕是带有灰度的o l e d 。因此介绍一下带灰度控制的显示方 法。显示器的灰度等级是指黑白图像由黑色到白色之间的亮度层次。灰度等级越 多，图像的层次越丰富，细节也就越清晰。实现灰度的具体方法有如下几个： 幅度控制法：在输出数据的列驱动器中加入输出的电信号幅值的控制，使有 机电致发光显示产生灰度的变化。该方法的原理是，列驱动器的恒流电路具有逻 辑可编程功能，每一列的数据输出都有一路输出恒流大小可控的恒流电路，根据 不同的灰度要求输出相应的电流强度，产生灰度变化。 1 4 华东师范大学硕学位论文 第二章o l e d 工作原理 空间灰度调制：将显示像素划分为若干可单独控制的“子像素”，当显示像 素中不同数量的“子像素”被选逯时，在一定距离外观察，像素将显示不同的灰 度等级。这种方法不需要特殊的驱动和控制技巧，但是也有缺点：它是由多个子 像素点构成一个大的完整带灰度的像素点，如果要实现1 0 个点，就需要1 0 乘以 灰度数的子像素点存在，所以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再分割成更小的“子像素”， 这在已经很小的显示像素的基础上将大量增加难度很控制电路复杂度。 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的时间长短， 即对占空比进行调节，从而使显示像素在观察者眼中形成不同的灰度等级。 帧灰度调制：无论任何图像显示，固定或视频，其效果都是由一帧帧扫描的 画面构成。只要以若干帧为单位，在这个单位内某一像素在不同帧内被导通，在 另一些帧内被截止，这样该像素便呈现出不同的灰度级别。这种帧灰度调制可以 一个像素点上调制出不同的灰度级别，但是若干帧合并为一个大单位，所以会引 起灰度级别的闪烁，必须提高帧频才能保证不闪烁。值得注意的是有机电致发光 显示在窄脉冲驱动下寿命会减短，故帧频不能太高。 2 2 2 有源驱动 有源矩阵o l e d ( 舢0 l e d ) 采用的是薄膜晶体管阵列( t f t ) 。利用类似 于a m l c d 的制造技术，在玻璃衬底上制作c m o s 多晶硅t f t ，发光层制作在 t f t 之上。驱动电路完成两个功能，一是提供受控电流以驱动0 l e d ，其次，在 寻址期之后继续提供电流以保证各象素连续发光。和p m o l e d 不同的是， a m o l e d 的各个象素是同时发光的。这样单个象素的发光亮度的要求就降低 了，电压也得到了相应的下降。这就意味着a m o l e d 的功耗比p m o l e d 要低 得多，适合于大面积显示。k o d a l 【公司采用双晶体管电路完成上述功能，缺点是 无法克服水平象素之间的串扰问题。现在，c d t 、精工爱普生、三洋电机等公司 展出的1 7 英寸o l e d 采用的就是有源矩阵方式。可以预见，有源矩阵驱动技术 将是今后o l e d 发展普遍采用的方式。该方式每个像素配备一个具有开关功能 的低温多晶硅薄膜晶体管和一个电荷存储电容，属于静态驱动方式，带有存储效 应，应此不受扫描电极数量的限制，无需反复刷新，有利于大屏幕显示驱动。这 个是其大大优于无源驱动的特点。 该技术国内正在研发之中，相应的驱动技术也待研发。 2 3 本章小节 本章介绍0 l e d 的发光器件的结构以及显示发光原理。着重分析了o l e d 的 华东师范大学硕学位论文 第二章o l e d 工作原理 无源驱动技术，分别对静态驱动模式和动态驱动模式做了介绍，为o l e d 驱动 模块的设计作了理论铺垫。 华东师范大学硕士学位论文 第三章d i 协议分析 第三章d 协议分析 d v i 是由d d w g ( d 硒t a ld i s p l a yw o r k i n gg r o u p ，数字显示工作组) 创立的一 种高速传输数字信号的技术，旨在能转换模拟信号到数字信号以适应显示器的模 拟和数据信号需要。有d v i d 和d v i i 两种不同的接口形式。d v i d 只有数字 接口，d v i i 有数字和模拟接口，目前应用主要以d v i d 为主。 数字视频接口接收的是经过一定处理( 压缩或不压缩) 的数字信号，不论从信 号质量还是后处理考虑，都有利于提高整个接收机系统的性能。d v i ( d i g i t a l s u a li n t e r f a c e ，数字视频接口1 是目前广泛应用的一种数字视频接口，起初主要 应用于p c 行业。d v l 支持单像素r g b 的2 4 b i t 数据，传输的数字信号没有经过 压缩，单连接的传输速率可达4 9 g b p s ，对数据传输速率是1 7 8 g b p s 的1 0 8 0 i 数 字高清晰电视可达到较好的保真度，特别是在l c d 、d l p 等显示设备中，不需 要任何d a 转换和处理，减少了信号损失，可以应用到数字电视、平板电视等 产品当中。 d v i 是基于t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i i l l i z e dd i 恐r e n 廿a 1s i g n a l i n g ，转换最小差分 信号) 技术来传输数字信号，将p c 机的数字显示信号提供给显示设备。t m d s 是 一种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递，传递的信号具 有3 6 个数据通道对以及一个时钟频率信号对。其运用先进的编码算法把8 b i t 数据( r 、g 、b 中的每路基色信号) 通过最小转换编码为1 0 b i t 数据( 包含行、场同 步信息、时钟信息、数据d