基于金属氧化物TFT的AMOLED显示屏驱动技术的研究

I 摘 要 有机发光二极管显示器 (借其自发光、响应速度快、工作电压低、面板厚度小、宽工作温度区间、宽视角、可制作大尺寸可挠性面板等众多优点，拥有广阔的应用前景，是目前最受关注的显示技术。 动方式分为被动矩阵驱动 （ 和主动矩阵驱动 （ 种方式。 造简单，但是其性能不适合应用于大尺寸显示。而基于 板的 管结构更复杂一些，但是其性能适合于大尺寸和大信息量的显示。 以使用多种材料通过相应的工艺制成，目前最热门的有非晶硅、多晶硅和金属氧化物 属氧化物 迁移率（性能）和成本方面实现了比较好的折中。目前，国内的金属氧化物 板制备技术在迅猛发展，需要发展与之相匹配的驱动技术。 本文首先阐释了 工作原理， 分析了目前常用的 驱动方案。然后，基于目前国内金属氧化物 备技术还未成熟定型、缺乏专用的驱动芯片的事实，本文使用 动芯片作为 行列驱动器，采用 为时序控制器，根据 及驱动芯片的特性设计相应的伽马校正参考电压（ 路，最后结合显示信号接口电路，设计出了一套适合金属氧化物 示屏的驱动电路系统， 实现验证 艺的可行性的目标。并利用这一显示系统搭建 示屏相关性能的测试与调节平台，设计测试与调节方法，将测试和调节过程中得到的信息反馈到基板设计与制备流程，促进 板设计与制备技术的发展。同时，探究 示屏驱动的设计细节和相关电学参数，为后续的氧化物 示屏专用驱动芯片的定制设计做好前期探索。 关键词 ： 金属氧化物薄膜晶体管；主动矩阵有机发光二极管显示屏；驱动电路；白平衡调节 y of be to is be or is on FT is of be a of FT is on FT a At FT A is In of we of on of is of a we CD to s as s We to of a of We to of FT a of on A to to of At of of C ， ， 录 摘 要 . I . 一章 绪 论 . 1 机发光二极管显示的研究历史与发展状况 . 1 机发光二极管显示的相关技术概述 . 4 机发光二极管的基本原理与结构 . 4 机发光二极管显示的驱动方式 . 5 素单元电路 . 8 阶的实现方法 . 12 色化实现方法 . 13 用于有源矩阵发光显示的薄膜晶体管 . 14 论文研究的主要目的和工作内容 . 16 究论题的提出 . 16 论文的主要工作和创新点 . 16 章小结 . 18 第二章 基于金属氧化物 示屏的驱动电路系统设计 . 19 统整体架构设计 . 19 统设计需求分析 . 19 统架构设计 . 21 像信号接口电路 . 22 动芯片的选择与应用电路设计 . 25 动芯片的选择 . 25 动芯片的应用电路设计 . 26 于 时序控制电路 . 35 序控制器设计（方案一） . 36 序控制器设计（方案二） . 39 马校正参考电压与 源电路 . 42 动电路系统的实物制作与显示效果 . 43 章小结 . 44 三章 基于驱动电路系统的 示屏测试与调节方法设计 . 45 示屏灰阶与白平衡调节方法设计 . 45 阶调节 . 45 平衡调节 . 49 陷检测与分类 . 54 化物 示屏专用驱动芯片设计的前期探索总结 . 56 章小结 . 57 结 论 . 59 参考文献 . 62 致 谢 . 65 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 机发光二极管显示的研究历史与发展状况 随着人类社会的发展，人与人之间传递的信息量在不断增大。信息的传递需要一定的媒介。研究表明，人们经各种感官器官 从外界获得的信息中，视觉占 60%，听觉占20%，触觉占 15%，味觉占 3%，嗅觉占 2% 1。可见，信息的接收大部分通过眼睛获得。因此，信息的传递大部分要靠图像来完成。图像显示成为了人类社会信息传递的最重要的方式。 人类发展的历史中，用图像来传递信息的方式有很多种，传递方式越来越先进，传递的信息量也越来越大。远古时期，人们可以通过刻画一些图案来储存和传达信息。随着纸和笔的出现，画和书卷成为一种信息传递的工具。信息的大爆炸发生在近代，随着电影的出现，搭载在图像上的信息量显著增加。电视的出现使人与人之间传递的信息量呈爆炸性增长。进入 21 世纪人类对于信息显示提出了更高的要求，人们需要更高质量的图像显示，需要更轻更薄更便携的显示设备。另外，人们对于图像显示的需求已经从二维显示提升到三维立体显示。 在图像显示技术发展的过程中，出现了阴极射线管显示（ 、液晶显示（ 、等离子显示（ 、无机发光二极管显示（ 及有机发光二极管显示器（ 主要的显示技术。有机发光二极管显示器 (借其自发光、响应速度快、工作电压低、面板厚度小、宽工作温度区间、宽视角、可制作大尺寸可挠性面板等众多优点，拥有广阔的应用前景，是目前最热门的显示技术。其中 薄以及可挠曲的特点恰好满足人们对显示器轻便易携的需求；其响应速度快的优点，在 3D 显示方面具有得天独厚的优势。 为了最有潜力的显示技术。 示技术在最近几十年的时间里得到了快速发展， 以下是 示技术的研究和应用历史进程中的一些重要事件： 1963 年，首个有机电致发光器件由美国纽约大学的 人用蒽单晶制备成功2。由于单晶厚度较大，达到数微米，器件在高达 400V 的驱动电压下才能观察到微弱的蓝色荧光，因此缺乏实际使用价值，所以当时并未引起广泛的研究兴趣。 1977 年， 美国宾州大学， 日本科学家 H. 美国科学家 M. A. 作，通过掺杂使聚乙炔薄膜的电导率比之前提高了十二个量级，达到 103 现了聚合物从绝缘体到导体的转变3。之后进一步的研究发现取向掺杂聚乙炔华南理工大学硕士学位论文 2 膜的电导率能高达 105与铜媲美。这是有机聚合物材料发展史上的里程碑。 H. A. G. 及 A. J. 位科学家因为这项突破性的研究成果而荣获诺贝尔化学奖（ 2000 年） 。 1987 年，美国柯达公司的 青云） 等人采用超薄膜技术，在玻璃衬底上用铟锡氧化物（ 电玻璃作阳极， 8发光层，三芳胺作为空穴传输层，镁银（ g） 合金作阴极，成功制备了工作电压低于 10V、发光亮度超过 1000cd/光效率达到 w 的有机小分子发光二极管（ 4。这项突破性的研究工作，不仅显示了有机电致发光器件的突出优点和巨大应用前景，而且揭示了 件设计的关键所在正负载流子 的均衡注入和有效复合，指明了料和器件发展的努力方向。 有机发光材料与器件的研究工作进入到一个崭新的时代。 1990 年，英国剑桥大学 验室的 R. H. 人，将聚苯撑乙烯（ 预聚体溶液旋涂在衬底上，在真空干燥下形成发光层薄膜，成功地制备了聚合物有机发光二极管（ 5。这一研究结果引起了世界上相关公司和科研机构的持续跟进，是聚合物有机发光显示研究热潮的开始。 1992 年，美国 司的 Y. C a o（曹镛）和 A. J. 人用 柔性塑料衬底上实现了可弯曲的 ，展示了溶液法制备 术的魅力。 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. 次报道了寿命达到 10000 小时的双层结构有机发光器件。从此，有机发光器件从以往的基础性研究开始向实用化发展推进，作为一种可商业化和性能优异的平板显示技术而引起人们的重视。 1997 年，日本先锋公司开始销售用于车载显示的绿光 阵显示器，这是第一个商业化的 示器，真正实现了 示器的应用。 2007 年 12 月 司推出了业界第一款商业化的 11 寸 视7。如图1一里程碑式的产品毫无疑问地引起了业界的轰动。这款 视的对比度高达 1,000,000:1，这是 示器无法匹敌的，色域达到 准 110%，同样远远超越 示器，其寿命达到 30000 h，在一直困扰 寿命问题上取得很大突破。 2010 年 1 月在美国举行的国际消费电子大展（ 010） ，三星已经展示了 30 英寸的 3D 视显示器，这是业界第一个可以显示三维图像的 视。 2012 年 1 月在美国拉斯维加斯举行的国际消费电子展（ ，韩国 司第一章 绪 论 3 展示了一款编号为 55 55 英寸的 视8，如图 1电视为基于金属氧化物 示器，具有 遍具备的自发光、画质好、对比度高、轻薄、宽视角、节能等优点。同时，由于采用金属氧化物 制造成本低于包含晶化工艺的低温多晶硅（ 板的 视。并且氧化物 迁移率也比较高，响应速度很快，扫描频率可以很高，在 3D 显示方面的性能是液晶显示器无法比拟的。与此同时，三星公司也宣布将于年内推出 55 寸 视。 图 1索尼公司商业化的 11 英寸 视7 1V 图 1司在 展出的 55 寸基于氧化物 视8G 55 V. 近期国内的 示技术也得到飞速发展，昆山维 信诺和上海天马都制备出了12 英寸基于低温多晶硅 示屏。广州新视界光电科技有限公司联合华南理工大学硕士学位论文 4 华南理工大学新型显示技术研究院，依托华南理工大学雄厚的科研实力制备出了国内第一批 5 英寸和 7 英寸的基于氧化物 示屏。中国在 发展早期没有能够及时进入，长期缺乏核心技术和竞争能力。而在 术方面，中国进入较早，具有比较雄厚的技术积累，为中国的显示产业提供一个很好的赶超机遇。中国是全球最大的电子产品生产国，因此也是显示基板产品最大消费国， 术将在中国有一个广阔的前景。 有机发光二极管显示技术经过几十年的技术积累，在最近几年得到迅猛发展。相比于 图像质量（自发光） 、响应速度、工作电压、视角、节能等方面更胜一筹。尤其是响应速度快这一优点使其在显示快速移动图像方面比 能更优。同时 新频率可以很高，所以其在 3D 显示领域将有广阔的前景。目前制约 面表示可以在 2016 年前将 视一个水平。只要成品率和价格这两个因素得到解决，取代 为新一代主流显示器。基于金属氧化物 性能和价格方面实现了很好的折中，被认为是 示技术中最有前途的技术。 机发光二极管显示的相关技术概述 有机发光二极管显示是一种自发光显示技术，通过各种驱动方法控制每一个子像素（发光二极管）的亮度，从而完整地将图像呈现。作为驱动技术研究的基础理论准备，下面将对有机发光二极管显示的相关技术进行介绍。 机发光二极管的基本原理与结构 有机发光二极管（ 一种采用有机材料作为发光层和其它有机功能层的、将电能转换为光能的器件。 由于有机半导体材料特殊的电子结构， 件属于载流子双注入型发光器件9。在正向电压的驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极向有机半导体材料的最低未占据轨道（ 级）和最高占据轨道（ 级）注入，受库仑力的束缚，这两种载流子会形成中性的束缚激发态激子（ 。当激子以辐射跃迁的方式由激发态回到基态时，就会产生电致发光现象，发光颜色由材料的带宽决定。 光过程可大致分为五步：载流子的注入、载流子的输运、载流子的复合与激子形成、激子的扩散、激子的跃迁发光10,11。 按有机发光材料分子量的不同， 要分为小分子发光二极管（ 第一章 绪 论 5 聚合物发光二极管（ 大类。这两种类型的材料主要在材料特性和制作薄膜方法不同，但其本质特征是相同的。 制备技术主要是采用真空蒸镀的方法，配合金属掩模板，将发光材料蒸镀到显示屏基板上。 制备技术主要采用旋转涂敷、喷墨打印等方法，最后将发光材料分散在显示屏像素的位置。此外，按照激子激发态的不同，又可以分为荧光 磷光 器件结构与跟发光材料的性质和器件加工的工艺有关，随着器件结构由简单到复杂的演化，器件性能也不断得到提高。 于电流注入型发光器件，其基本结构为叠层结构，最简单的是一个发光层薄膜夹在阴阳电极之间，例如早期 人制备的发光器件就是这种单层器件结构图1-3(a)12。但单层器件的效率一般较低。 为了减少载流子的淬灭，实现电子或者空穴的有效注入，更复杂的器件结构也被陆续设计，目前许多高效率的器件都采用图 1-3(b)的结构。 图 1件结构示意图13 有机发光二极管显示的驱动方式 示屏的显示机制和传统的 及 有区别，同时，不同的 示屏的性能与显示效果不仅和显示屏的工艺水平有关，还与其驱动方式有密切关系。按照驱动线路中是否含有有源器件划分， 示屏的主要有两种驱动方式：有源矩阵驱动（ 无源矩阵驱动（ PM，。顾名思义，无源矩阵驱动的驱动线 路中只有交叉的行列电极，没有有华南理工大学硕士学位论文 6 源器件。而有源矩阵驱动的驱动线路中，除了行列电极引线外，还包括像电容、薄膜晶体管等有源器件。 源矩阵驱动 般为简单的夹心结构，先在玻璃基板上制作 极引线，然后制作空隙传输层，在空隙传输层上制作 光层（也可能是单色发光层） ，然后制作电子传输层，最后在电子传输层上制作金属阴极。 图 1素阵列和扫描示意图 -4 列阳极与每行阴极的交叉之处都对应着一个像素，每个像素的亮度由像素上下方的电极线控制。如图 1示， 示屏在每一个时间段里只有一行（ 通，这时读入这一行所有列（ 数据（电流大小） ，然后再选通下一行，读入下一行的数据，直至扫描完整个显示屏，然后又从第一行开始，循环往复。 源矩阵驱动 示屏的结构相对复杂，首先在玻璃基板上做好像素驱动电路，然后制作有机发光层，最后再制作阴极金属引线。每一个像素由至少一个电容和至少一个薄膜晶体管控制。 和 样， 每个时间段里只选通一行，也即给高电平（对于 绪 论 7 型沟道 该行的选通管导通，这时，将该行的所有像素的数据读入，直至扫描完所有行，然后又从第一行开始，循环往复。 图 1素阵列和扫描示意图 源矩阵驱动和无源矩阵驱动的对比 示屏为简单的夹心结构，结构非常简单，制作工艺流程比较简单，其制造成本也相对低廉， 这是 同时， 即每个时刻只有一行的像素发光，显示占空比很低（显示屏行数的倒数） 。因此对于行数为 100 的 示屏想要达到 300cd/视的典型亮度） 的平均亮度， 则需要像素的最大亮度高达数万 cd/对于行数为 320 的 需要像素的最大亮度超过十万 cd/达到如此高的像素亮度，需要流经有机发光二极管的电流很大。大电流将会导致 流明效率比较低；电极线上的压降会比较大，进而导致显示屏的不均匀。大电流还会导致像素之间的串扰比较严重、电流泄漏、材料寿命缩短以及 示屏稳定性降低等诸多不利影响。因此，无源矩阵驱动模式只适合低分辨率、小尺寸显示屏。 然也是每个时刻选通一行，但是在选通第 n 行时，因为电容的存储功能，其他行的像素将保持原来的亮度，因此无需大电流大电压就能得到高亮度。因为无需大电流，所以 避免了 现的很多问题，像素之间的串扰基本消失，电流泄漏基本消失，得到了更高的流明效率，更容易实现更精确的灰阶，电极线华南理工大学硕士学位论文 8 的压降也很低，更适合大分辨率显示。但是， 结构较复杂，因此制造成本更高，技术难度更大，门槛更高。 综合来看， 有成本优势，在低分辨率、小尺寸领域具有一定的市场。然成本较高，但是因为其优秀的性能，将占据绝大部分 示市场。 素单元电路 像素单元电路是显示屏阵列的基本组成单元，像素单元电路决定 示屏制作工艺的复杂程度，决定了外围驱动电路架构，对包括开口率在内的显示屏的相关性能有很大影响。 有源矩阵 素电路需含有开关作用的薄膜晶体管和起存储电荷作用的电容。最简单的有源矩阵 素电路含有两个薄膜晶体管和一个电容。如图 1示。 在显示周期里，每个时刻只有一行的开关 打开。当第 N 行的开关 开，数据电压通过打开的开关 达驱动 的栅极，并给电容充放电，驱动 的源漏电流取决于栅极电压，同时 亮度取决于源漏电流，进而实现了数据电压控制亮度的作用。第 N 行显示时间结束后，打开第 N+1 行的开关 ，这时数据电压就进入第 N+1 行的驱动 栅极，同时给电容充放电，进而控制了第 N+1 行的像素的亮度。这个时候由于电容的存储作用其他行的驱动 的栅极电压没变（不考虑泄露） ，所以其他行的 度未变。因此， 显示占空比可以很大，可以轻松得到高亮度，同时可以制作高分辨率和大尺寸显示屏。 图 1统的 2构的 素单元电路 he 2构的像素电路优点是结构简单， 2 示屏开口率大，工艺简单， 成本低。 同时 2构像素电路也有缺陷， 根据 作在饱和区的电流公式：第一章 绪 论 9 2)(21= ，知道 源漏电流和驱动 的阈值电压有关，而亮度取决于驱动 的源漏电流，因此， 2构的 示屏的驱动 的阈值电压漂移会对显示屏的显示效果造成很大影响。 因此相继出现了各种补偿技术。 示屏像素单元电路根据驱动方式的不同，可分为电流编程像素电路和电压编程像素电路14。电流编程是指像素电路以电流作为输入信号的驱动方式。电压编程是指像素电路以电压作为输入信号的驱动方式15。 图 1管电压型阈值补偿像素单元电路及其驱动时序16 he 1 人提出的一种阈值补偿型像素单元电路及其驱动时序 16，该 电华南理工大学硕士学位论文 10 路的工作分为三个阶段： 预充电阶段： 导通， V 间的电压存储电容 阈值放电阶段： 为二极管结构，存储电容 4 的漏极放电，一直放电至电容电压 T 驱动阶段： 低电平， 储在 4 的栅源极之间， 的源漏电流也即流过 流为： 22)(21)(21= 可以看出，流过 电流与 阈值 而避免了阈值电压漂移对显示屏性能的影响。 图 1管电流型阈值补偿像素单元电路及其驱动时序17he 为 电流驱动型器件， 其发光亮度与通过它的电流密度成正比， 加上 压驱动方式较难实现准确的灰度控制。为克服这个问题，人第一章 绪 论 11 们设计出了电流驱动方式。 图 1 司提出的四管电流镜型像素单元电路及其驱动时序17。 在数据写入期间，行扫描信号 导通，对存储电容 的电流与数据电流大小相等时，电容 据电流大小对应的驱动管栅压就保存在 ： = 2 在驱动显示期间，行扫描信号 关断，数据电流不能写入存储电容。电容 动 产生电流 I 中34)()( 。 这种电流镜像素单元电路通过复制电流的方式避开了 值电压漂移的影响18,19。流过 电流与输入电流成线性关系，这也使得灰度的实现变得更加容易。 电压编程像素电路和电流编程像素电路各有优劣，电流编程像素电路是基于电流单元或电流镜的拓扑结构，它的驱动 栅源电压（ 自调整的，使得流过像素的电流是独立于 阈值电压等特性的。而电压编程像素电路是通过产生与 值电压相等的存储电容电压，再经过电压编程（ ，最后使得驱动 栅源电压为（ P） 。电流编程像素电路由于是直接的电流驱动，输出和输入是线性关系，对电流的调节比较方便，容易实现亮度的均匀性和显示灰度的。电压编程像素电路对灰度的准确性调节比较困难， 并且还要考虑阈值电压、 载流子迁移率、 串联电阻等参数的影响20，但其外围驱动电路较电流编程像素电路简单。 不同的像素单元电路各有优劣，为得到各项指标最优化的显示屏性能，像素单元电路设计需要遵从一定的准则： （ 1） 占用面积小 开口率的大小对于显示屏的画质有很大影响，因此，在满足工艺条件和相关性能的前提下尽可能缩小像素单元电路的面积。顶发射结构理论上电路面积大小不会影响开口率，是一个不错的选择。 （ 2） 速度快 大分辨率显示屏，用于每一行的扫描时间很短，像素单元电路要达到尽可能快的速度，电容才能充分进行充放电，才能保证在大尺寸显示中实现高质量的显示效果。 （ 3） 精度高 华南理工大学硕士学位论文 12 灰阶等级对于高质量的显示效果有很大影响，因此，像素单元电路需要能够实现尽可能高的精度。 （ 4） 控制信号简单 控制信号太复杂不仅因为需要过多的扫描线会影响显示屏的开口率，而且会增加外围驱动电路的复杂度。 实际的设计中，像素单元电路的选择需要折中考虑，在满足性能要求的前提下尽量采用最简单的、最低成本的像素单元电路。 阶的实现方法 显示器的灰度就是指黑白图像从纯白到纯黑之间的一系列亮度值。显示器灰度级的多少就是指其能表现不同灰度值的数量的多少，具有越多的灰度级就越能表现出图像的细节。灰度是图像显示的一个非常重要的指标。人眼对于光的感应与光刺激的强度、刺激的面积、刺激的时间等因素相关，是对光的积分的结果。根据人眼的生理特性，显示器实现不同的灰度，可以有多种控制方法1： （ 1）幅值控制方法（模拟灰阶） 既然人眼对于光的感应是对光的积分的效果，那么就可以通过控制光的强度来实现灰阶，而控制光的强度可以通过控制流过 电流来实现，控制输入数据的幅值来控制 流大小，因此可以通过控制幅值来实现灰阶。幅值实现灰阶的方法是最常用的灰阶的实现方法。 （ 2）空间灰度调制方法 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”被选通时，在一定距离外观察，像素将显示不同的灰度等级。这种方法实现的灰阶等级有限，并且会带来开口率下降以及精细加工增加制造工艺难度的问题，所以实际应用中很少用到此方法。 （ 3）时间灰度调制方法（数字灰阶） 时间灰度调制方法有两种：帧数量灰度调制和脉冲宽度灰度调制。帧数量灰度调制方法中， 光强是恒定的，将需要显示的图像的一帧分成 N 个子帧，对于某个像素让它在 M（ 0 M N）个子帧里发光，在 子帧里不发光，就可以实现 2N 个灰阶。脉冲宽度灰度调制方法中，将一帧里某个像素的扫描时间脉冲分成 2N 个基本单位脉冲，对于这个像素来说，它被选通的基本单位脉冲数量就代表它的灰度。 时间灰度调制方法实现灰度会使扫描频率增大，扫描频率增大一方面会缩短有机材第一章 绪 论 13 料的寿命，一方面在三维显示时扫描频率比二维显示高出几倍，在三维显示时若使用时间灰度调制方法实现灰阶，会使扫描频率更加大，显然对于显示是不利的。时间灰度调试方法适合用在小尺寸、小分辨率的显示屏、低灰阶的显示屏，大分辨率显示屏并不适合。 除了单独使用这三种方法实现灰阶外，有时还会结合幅值控制和时间调制两种方法来实现灰阶。如图 1别为幅值（模拟）灰阶、脉宽调制（数字）灰阶以及两者结合实现灰阶的示意图。 图 1阶的实现方法示意图 色化实现方法 如图 1示，实现 示屏的彩色化，实用的主要有三种： R、 G、 B 三种 别发光， 白光 彩色滤色片 （ ， 蓝光 色转换介质 （ 21。 图 1色化实现方法22中 独发光和白光加彩色滤光膜的方法是目前 常用的方法，它们各有利弊。 华南理工大学硕士学位论文 14 独发光实现彩色化的方法，光强不损 耗，对电能的利用率高，色域宽，红绿蓝像素分别制作，图形化工艺比较复杂。该方法实现白平衡时需分别对 原色进行调整。 白光加滤光膜的方法，使用具有很宽发光波长范围的白光 者使用两种或多种材料依次沉积形成白光发光层。发出的光经过滤光膜形成红、绿、蓝三种光。这种方案的优势是制作比较简单。但因为需要经过滤光膜，光强会有损耗，对电能利用率低。使用宽发射波长的白光 为背光时，需权衡效率和色彩饱和度。23,24这一结构的示屏实现白平衡的方法和 似，通过调制白光，再调整滤光膜的三原色光