有源OLED驱动控制电路的研究与设计.doc

大连理工大学专业学位硕士研究生学位论文选题报告及文献综述考核表姓 名： 学 号： 专业（领域）： 指 导 教 师： 论 文 题 目：有源OLED驱动控制电路的研究与设计年 月 日填一、选题的依据(1、选题所属研究领域；2、选题的应用价值；3、国内外相关研究概况及发展趋势)1.所选课题针对有源OLED驱动控制技术进行分析，并设计完成OLED驱动控制电路，通过搭建FPGA 平台验证了所设计控制电路的有效性，实现了有源OLED驱动；2.OLED技术在过去的十年中取得了跨越式的发展，已成为目前国内外研究的一大热点。但是，相比OLED技术的飞速发展，OLED驱动技术已成为制约OLED技术进一步发展的一个瓶颈，因此大多数OLED只能将LCD驱动芯片改进后进行使用，尤其是在显示高质量动态图像方面。目前OLED驱动技术仍未达到完全成熟的技术阶段，业内并未形成某种统一的技术方案，其相关技术产业也没有完全展开。尤其是有源OLED驱动控制技术，对于实现高信息含量、高分辨率的全彩色显示十分重要。无论从技术角度还是产业角度，有源OLED驱动控制技术都存在广阔的发展空间。掌握OLED驱动技术，便可以在OLED相关产业的国际合作与竞争中占据优势。因此对OLED驱动技术的研究具有广泛的应用价值。3.美国克莱尔公司已推出拥有独立知识产权的无源OLED驱动芯片，比较成熟的有MXED101及MXED201等型号。韩国DisplayChips有限公司推出型号为DC3100的OLED驱动芯片，它的创新技术集成了DC/DC转换器，从而节省了空间，也使得模块的制造成本降低了10%15%。在国内，我国第一块自主研发的 OLED驱动芯片是由上海航天上大欧德科技公司开发的，由一颗80行驱动（SC16806）芯片和一颗80列驱动（SC16805）芯片组成。其中，SC16806最大电流为30mA，SC16805驱动电流范围为20至160A，其目前主要用于手机屏的驱动。有源OLED技术是近年发展起来的技术，Kodak公司采用双晶体管电路实现了有源OLED驱动，但水平像素间的串扰问题却无法解决。精工爱普生、三洋电机等公司也陆续开展了对有源OLED驱动技术的研究。虽然OLED内部两管、四管驱动像素电路技术已经得到一定的发展，但是外部驱动技术仍处于探索阶段，尤其我国在这一方面的技术积累更加薄弱，因此大力开展有源OLED驱动控制电路的研究与设计势在必行。二、研究内容和方法：（1、选题的学术思想、特色和预期达到的成果和水平；2、研究内容要解决的实际问题；3、技术路线和技术措施；进度计划）1.OLED驱动技术的发展是实现OLED显示技术进一步发展的基础， OLED驱动技术的理论研究成果，对于OLED快速发展具有广泛的理论价值。结合我国目前OLED发展水平及前景，开展AMOLED驱动技术的研究，设计合理的驱动方式，优化OLED器件的驱动电路，有着有广阔的应用前景。本课题设计一块ASIC驱动芯片，实现OLED 显示的图像控制和处理，为后续完善芯片的设计提供了参考思路。2.针对OLED显示屏的特点，设计一块ASIC驱动芯片，以期解决OLED 显示技术中图像控制和处理方面的不足，发挥OLED显示技术的优势。3. 首先研究当前OLED的发展现状、技术发展水平及遇到的主要技术问题。据此提出课题的研究方向与研究目的。然后对OLED的发光原理和驱动方式进行深入分析，针对现有OLED驱动技术存在的不足，提出改进意见。并对改进措施进行，包括技术难度，时间周期及具体实施细节的可行性分析。最后设计AMOLED显示屏驱动电路，利用 VCS工具进行电路仿真，搭建 FPGA 平台进行功能验证。三、开题条件（根据专业学位情况填写）1、学术条件；课题组具备前期知识储备，所选课题有一定的工作基础。课题组内有研究此领域多年，并取得一定成就的多位专家，完全能够对该项目研究方向进行正确把握及指导。2、设备条件；实验室目前相关软硬件设施齐全。3、经费概算和落实情况经费充足，落实到位，完全可以保证课题的顺利进行。四、文献综述和调研报告（要求3000字以上，可另附页）OLED即有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode)，是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件，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1。由于具有重量轻、功耗低、亮度高、响应快、光电效率高等优势，OLED被业界公认为是继TFT-LCD之后，最具发展前景的下一代平板显示技术2。早在1936年，Desrtiua将有机荧光化合物分散在聚合物中制成薄膜，得到了最早的电致发光器件。Pope M 等人也获得了蒽单晶的直流电致发光3，但当时的单层结构器件需要制备单晶蒽，成本高，制造难度大，而且做出来的器件亮度太低，驱动电压在100伏以上，且量子效率也很低，因此在当时并未引起人们的重视。在随后的二十多年中，有机电致发光器件的研究虽然有一定的进展，但由于其工作电压高、亮度低、效率低等问题，仍未受到大家的关注4。直到1982年有机电致发光器件的研究才有了较大的进展，Vincett和柯达公司的C. W. Tang利用真空沉积有机薄膜法制作了驱动电压低于30V的有机电致发光器件5-7。至此，有机电致发光器件的研究才真正拉开了序幕。1987年可以说是有机电致发光显示技术划时代的一年，柯达公司的C. W. Tang等人采用超薄膜技术，成功研制出一种绿光有机电致发光器件，该器件以ITO透明薄膜作为阳极，有机小分子AlQ3作为发光层兼电子传输层，空穴传输效果更好的TPD作为传输层，镁银合金作为阴极。该器件在10V直流工作电压下发光亮度可达1000cd/m2，发光效率达1.51m/w，寿命在100小时以上。初次实现了低电压驱动，高发光效率8。这一历史性的突破使得OLED器件的研究得以在世界范围内迅速且深入地开展起来。1989年C. W. Tang等对发光层进行掺杂，使发光内量子效率达到2.5%，进一步提高了OLED的发光效率。1990年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Jeremy Burroughes等在Nature 上首次报道了共轭高分子聚合物聚苯撑乙烯（PPV）制成的黄绿光发光器件9。1994年，在日本滨松召开的有机及无机电致发光国际会议上，C. W. Tang首次报道了使用寿命已达到10000小时的双层结构有机发光器件。 E Magin公司与柯达公司、IBM公司合作，在1997年的SID会议上首次发表了单色VGA顶部发光的硅上OLED视频图像显示，其后又发表了单色多晶硅OLED有源矩阵显示。从此，有机发光器件从实验室内的基础研究走向了实用化、产品化的发展道路。1997年，单色有机电致发光显示器件首先在日本实现产品化，Idemitsukosan公司研制出第一台10英寸640480全彩OLED显示器；1999年，先锋公司开始批量生产多色OLED点阵显示器的车载音响设备；Motorola公司在2000年推出了采用OLED显示屏的手机； Sony公司和三星公司在2001年相继对外展示了13英寸及15.1英寸的有源驱动OLED全彩显示屏原型。东芝，松下公司也不甘落后，在2002年推出了17英寸全彩LTPS驱动1280768 OLED显示屏。在韩国，三星展出了2.2英寸低功耗有源驱动彩色OLED,并批量推出用于256色OLED副屏的手机，并在不久推出采用LTPS-TFT驱动的5英寸WVGA全彩OLED屏。在2010年5月的SID2010上，SONY公司展出了一款可卷曲的4.1英寸柔性OLED面板和一款号称寿命十年的11.7英寸的OLED面板。2011年以后，随着 OLED 产业化技术的日渐成熟OLED的各项技术优势得到了充分发掘和发挥。除传统显示领域外，OLED还将在3G通信终端、壁挂电视和桌面电脑显示器、军事和特殊用途、柔软显示器等应用领域得到巨大发展。我国在OLED理论研究方面起步较晚，目前从事OLED研究的高校、研究所主要有清华大学、上海大学、吉林大学、中科院长春应用化学所、华南理工大学、中科院化学所、中科院理化所、北京大学、北方交通大学等10。清华大学从1996年开始从事OLED的基础理论研究，有机EL项目组已经在材料合成、工艺、驱动电路的设计等领域有了突破型进展。这些研究成果可以解决产业界对欧美材料供应的依赖，同时，将制造商的制造技术、经验与得到的工艺研究成果相结合，便可打破昂贵的OLED生产设备只能依靠进口的局面。吉林大学也在863计划的支持积极开展OLED的研究。上海大学与中国科学院上海有机化学有机研究所共同承担了国家“863”有机电致发光材料的研制项目，目前已取得良好的进展。华南理工大学在高分子材料和器件的研发方面已具备了非常好的基础和条件，并在新型高性能材料和器件制备工艺等方面取得了一些突破。在产业化方面，上海大学与中国航天科工集团公司联合组建了“上海航天上大欧德科技有限公司”，进行OLED的中试和批量生产。2001年底与其他投资者共同设立北京维信诺科技有限公司，以专门进行中试生产线的建设和生产工艺开发，2002年该公司正式宣布成功开发出国内第一款全彩色OLED显示屏，由清华大学和北京维信诺科技有限公司共同承担的国家科技部“863”计划高清晰度平板显示专项课题“有机发光显示器件研制”顺利通过验收。此次验收成功，标志着清华大学和维信诺公司的有机发光显示技术（OLED）又取得了历史性进展。清华大学和维信诺在OLED方面的核心技术专利已经突破了140项11，并积极而广泛地参与了OLED国际标准的制定。2005年，清华大学和北京维信诺科技有限公司将技术成果进行转化，并在江苏昆山举行“十五863 高技术成果转化暨中国大陆第一条OLED大规模生产线奠基仪式”。标志着我国在新型平板显示领域，取得了重大自主创新科技和产业化成果。OLED显示技术是一项新兴技术，其原材料、制造工艺、驱动IC等基础技术仍有待提高。早期的OLED技术不成熟，不具备专门的驱动IC，因此人们利用模拟电路得到模拟三基色信号，再用FPGA得到所需要的行、场扫描以及使能信号来驱动OLED12，有人也通过对液晶显示控制器（属于电压驱动）的输出电路进行改进13，得到适合OLED矩阵的驱动电路。目前，能够实现OLED高质量动态显示的驱动电路是OLED技术发展的一个研究重点。 OLED的驱动方式可以分为直接寻址的无源矩阵驱动(Passive Matrix，PMOLED)和薄膜晶体管(TFT)矩阵寻址的有源矩阵驱动(Active Matrix，AMOLED)两大类。PMOLED使用普通的矩阵交叉屏，在ITO电极施加正电压，金属电极施加负电压，这样在矩阵交叉点上的发光单元便实现了发光功能；AMOLED的每一个发光单元都分别由TFT寻址独立控制14。早期的OLED应用受限于工艺水平和驱动电路的性能，尺寸通常较小，因此采用无源驱动方式较多，即驱动信号与OLED像素单元直接相连。PMOLED虽然结构简单、制造简单、成本低，但对瞬时电流要求较高，因此通常仅应用在小尺寸、单色的低端显示产品上。 15。AMOLED虽然工艺复杂、成本较高，但具有耗电量低、反应速度较快、视角较广等特点，能够实现高信息含量、高分辨率的全彩色显示，目前已成为市场应用主流。韩国三星和LG公司己实现AMOLED量产化。由于AMOLED的驱动芯片和模块里GOA以及像素结构相关，所以目前AMOLED的驱动芯片大都为订制化芯片，极少有通用型IC。台湾的HIMAX以及NOVAI，EK有少数几颗公开的AMOLED驱动芯片。据研究机构的报告显示，在2009年一季度有源矩阵AMOLED的收入首次超过无源矩阵PM-OLED显示器，由于各大手机生产商大量使用AMOLED作为手机主显示屏，如三星和索尼爱立信在2009年上半年大力推广AMOLED手机。在2009年已经有多个型号的手机使用AMOLED显示屏。据预测到2014年AM-OLED显示产业市场规模将达到62亿美元，其中手机显示屏将是主要应用，市场规模约30亿美元，OLED TV将是除了手机屏幕外的第二大应用，预计将达到 20 亿美元。2003年，Tetsuro Itakura和Hironori Minamizaki等人设计了一种基于0.6微米工艺、5V电源电压的TFT-LCD驱动芯片，该芯片可以提供402路输出，并可以针对显示色彩的三种不同需求调节供电电流以节省功耗16。2005年，Jang Woo Ryu等人设计了一种使用电压型 DAC预充电的AM-OLED面板驱动芯片，可以大幅减少低电流驱动情况下的充电时间17。2007年，Soo-yang Park等人提出了一种新型轨到轨结构的高速低功耗源驱动电路，该电路基于0.3微米CMOS工艺，用于1600万色（8位）的显示驱动芯片中18。2005年，Southern Taiwan University of Technology的Po-Ming Lee和Hung-YiChen在发表的研究中提出，与传统的采用非线性DAC来校正线性输入数据方法相比，采用线性DAC来对非线性的输入数据进行校正能减少电阻的使用，从而降低芯片的面积和复杂程度，实现更加理想的效果19。2009年，我国台湾地区的 Jia-Hui Wang, Hao-Yuan Zheng, Chien-Hung Tsai等设计了一种利用电流正反馈的集成轨到轨缓冲器，该缓冲器采用0.35微米的CMOS工艺，用两个互补的NMOS和PMOS缓冲器实现轨到轨功能，在负载是3K的电阻和100pF的电容时仍能保证5s的建立时间20。针对OLED内部有源驱动技术主要提出了基于两管、四管的单像素驱动电路。其中两管TFT的驱动电路主要有源极跟随型和恒流型21。在此基础上，有的学者又提出每个单元像素配有4个TFT的电路结构，对TFT阈值电压由于温度的变化引起的漂移进行了补偿22。虽然两管、四管驱动像素电路技术已经得到一定的发展。但是OLED外部驱动、控制芯片仍处于研究阶段，同时因驱动信号的频率不同，OLED的衰减曲线也是不同的，驱动波形也不尽相同，对OLED的特性参数、工作稳定性等都会产生一定的影响。因此研究OLED的驱动方式，设计合理的驱动方式，优化OLED器件的驱动电路，有着有广阔的应用前景。参考文献 (1) 邵作叶，郑喜凤，陈宇，等平板显示器中的OLED液晶与显示J液晶与显示. 2005，20(1)：52-56.(2) 关旭东，鸿锦，孙政民等OLED：切入时机已到 技术选择是关键实用影音技术. 2012，11:38-43.(3) Svarnas P, Bradley J W, Shard A G. 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