OLED的無(wú)源驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

王小微， 彭亞雄

(貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

目前，在平板顯示技術(shù)中，有機(jī)發(fā)光二極管(OLED, Organic Light Emitting Diode)具有自發(fā)光性、高對(duì)比度、高的反應(yīng)速度、廣視角等優(yōu)點(diǎn)，在近幾年引起了世界范圍內(nèi)的關(guān)注，在平板顯示技術(shù)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1-2]。作為新一代顯示器件，OLED在頭戴顯示器、MP3、電視、手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品及軍事領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

驅(qū)動(dòng)控制電路是有源發(fā)光二極管中必不可少的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此，高性能的驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)在OLED顯示設(shè)計(jì)中起著舉足輕重的作用。OLED的驅(qū)動(dòng)方式主要有無(wú)源驅(qū)動(dòng)（Passive Matrix Driving）和有源驅(qū)動(dòng)（Active Matrix Driving）兩種方式[3]。采用無(wú)源驅(qū)動(dòng)的OLED稱為PM-OLED，采用有源驅(qū)動(dòng)的OLED稱為AM-OLED。AM-OLED具有制作復(fù)雜、多像素、大尺寸、高成本等特點(diǎn)而PM-OLED則具有制作簡(jiǎn)單、少像素、小尺寸、低成本等特性，因此主要介紹OLED的無(wú)源驅(qū)動(dòng)方式。

1 OLED 的構(gòu)成和發(fā)光原理

OLED的基本結(jié)構(gòu)是由一薄而透明具半導(dǎo)體特性之銦錫氧化物（ITO, Indium Tin Oxide），與正極相連，再加上另一個(gè)金屬陰極，包成如三明治的結(jié)構(gòu)[4]。接著是空穴注入層、復(fù)合發(fā)光層、電子傳輸層和金屬陰極。如圖1所示。

其發(fā)光原理為：在所施加的電壓達(dá)到適當(dāng)值時(shí)，正極的電洞（空穴）和陰極電子以電流的形式分別由陽(yáng)極和陰極注入且在電場(chǎng)的作用下反方向移動(dòng)到達(dá)發(fā)光層中結(jié)合，在結(jié)合的過(guò)程中電子以光子的形式釋放出能量產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。

圖1 OLED 基本結(jié)構(gòu)

2 OLED的電光特性

OLED的電流密度和電壓的關(guān)系曲線及亮度和電壓的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 OLED 光電特性

由如圖 2（a）知當(dāng)外加電壓小于 OLED閾值電壓時(shí)，流過(guò)器件的電流接近零，當(dāng)外加電壓超過(guò)閾值電壓，發(fā)現(xiàn)電流密度隨著外加電壓的增大而增大。

如圖 2(b)所示，OLED電壓和亮度呈非線性關(guān)系，若采用電壓驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)亮度級(jí)別的區(qū)分，那么驅(qū)動(dòng)電壓必須要有很高的精度，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源部分的設(shè)計(jì)有很高的要求，不易實(shí)現(xiàn)。

如圖2（c）所示，電流與發(fā)光亮度有著較好的線性關(guān)系，所以只要控制好流過(guò)各個(gè)OLED像素的電流，就可簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)亮度級(jí)別的區(qū)分。

綜上所述，OLED 每一像素的亮度正比于與流過(guò)像素的電流, 需要電流源驅(qū)動(dòng)。由于OLED的流入電流與外加電壓為冪級(jí)數(shù)的關(guān)系，得知很小的電壓變化必會(huì)導(dǎo)致電流的大范圍變化。因此電流的大小必須得到精確的控制。

3 預(yù)充電技術(shù)

OLED是電流控制的器件，它的亮度和電流通過(guò)的平均時(shí)間成比例，當(dāng)電流未到OLED的發(fā)光閾值前，器件的發(fā)光亮度很小，當(dāng)電流達(dá)到其發(fā)光閾值后，OLED會(huì)隨著電流增加發(fā)光強(qiáng)度增大。一個(gè)OLED單元可以簡(jiǎn)化成一個(gè)LED和一個(gè)20～30 PF的寄生電容并聯(lián)，如圖3所示，要使OLED發(fā)光，電流源首先要將電容充電到OLED的發(fā)光電壓，則充電時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間會(huì)比較慢。因此，可以在電流源驅(qū)動(dòng)電路中加入預(yù)充電電路，先對(duì)其電容預(yù)充電到預(yù)先計(jì)算的電壓，該電壓略小于其閾值電壓VTH，后再用準(zhǔn)確的恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而提高其電光響應(yīng)速度。

圖3 OLED像素的等效電路

由圖4所示波形可以看出，在一個(gè)掃描周期內(nèi)，Common為低電平，Segment經(jīng)歷3個(gè)階段分別為：discharge、precharge、display，這3個(gè)階段原理圖如圖5所示。

圖4 Segment/Common顯示波形

圖5 預(yù)充電技術(shù)原理

理論上在一個(gè)掃描周期內(nèi)，首先是precharge動(dòng)作，然后是display動(dòng)作，其次是discharge動(dòng)作。但是從圖4所示的Segment和Commmon顯示波形中可以看出，在實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)掃描周期內(nèi)，首先是discharge動(dòng)作，然后是precharge動(dòng)作，其次是display動(dòng)作，原因是由于屏的制作工藝和相鄰的行列電極之間的漏電使相鄰像素電容上存有部分電荷，當(dāng)下一個(gè)掃描周期開始時(shí)，直接充電，會(huì)使CD 兩端電壓超過(guò)PMOLED的閾值電壓，導(dǎo)致電流源不能準(zhǔn)確控制其發(fā)光亮度。所以在一個(gè)掃描周期內(nèi)，首先將CD 兩端電壓放掉，再充電置閾值電壓以下，后用準(zhǔn)確的電流源控制其發(fā)光亮度，提高其顯示對(duì)比度。

當(dāng)行掃描開始后，先采用圖5（a）所示電路對(duì) CD放電，行列驅(qū)動(dòng)電路均接地，使電容兩端電壓為零。

放電結(jié)束后，利用圖5（b）所示電路對(duì)CD 充電，充電過(guò)程中，行驅(qū)動(dòng)電路接地，列驅(qū)動(dòng)電路接充電電壓PREV 。

預(yù)充電結(jié)束后，利用圖5（c）所示電路進(jìn)入發(fā)光階段，此時(shí)掃描行的CD兩端電壓為PREV （接近OLED閾值電壓），行驅(qū)動(dòng)電路接地，列驅(qū)動(dòng)電路接恒流源，這樣在很大程度上減少了電流源對(duì)電容的充電時(shí)間；非掃描行驅(qū)動(dòng)電路接高電平VOH,流過(guò)PMOLED的電流為I，CD 兩端電壓為VCS,VCS-VOH小于OLED的閾值電壓，使半選像素點(diǎn)處于截止?fàn)顟B(tài)。

4 交叉效應(yīng)的形成和抑制

OLED是電流型發(fā)光器件，從無(wú)源驅(qū)動(dòng)內(nèi)部等效電路結(jié)構(gòu)中，如圖6所示。可以看出在OLED驅(qū)動(dòng)電路等效結(jié)構(gòu)中所有行像素都使用同一行電極，并且所有列像素也都使用同一列電極。這樣會(huì)使被選中像素的相鄰像素由于電流的注入而發(fā)出微弱的光；除此之外，由于屏的功能膜是直接連接在一起的,相鄰的行列電極之間的漏電都會(huì)使相鄰像素電容存儲(chǔ)一定電荷,當(dāng)電荷積累到OLED發(fā)光閾值時(shí)就會(huì)使相鄰的非選通像素發(fā)光,造成顯示時(shí)交叉效應(yīng)現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖6 OLED內(nèi)部等效電路結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)圖6電路結(jié)構(gòu)的分析得出，OLED的行電極和列電極都是良導(dǎo)體，電極分布電阻遠(yuǎn)小于電極間的漏電電阻，因此電勢(shì)均勻分布在每根電極上。由于OLED本身作為有機(jī)物構(gòu)成的具有單向?qū)щ娦缘陌l(fā)光二極管，當(dāng)列電極電勢(shì)與行電極電勢(shì)之間的電勢(shì)差大于OLED的閾值電壓時(shí)（如表1所示，表1中VTH為OLED的閾值電壓），被選中的OLED才會(huì)發(fā)光。所以給被選中的行電極接地，選中列的電極上接高，并且保證列電極和行電極之間的壓差要大于等于OLED的閾值電壓，這樣被選通像素就會(huì)處于正向電壓作用下而發(fā)光，反之，給非選中行的電極上接高電壓VDD，非選中列電極上接地，這樣非中像素處于反向電壓的抑制作用下而不發(fā)光,從而有效的解決了交叉效應(yīng)。

表1 已選像素與非選像素狀態(tài)

5 結(jié)語(yǔ)

首先，分析了無(wú)源OLED 器件的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn), 由于OLED是電流型器件, 如用恒壓源驅(qū)動(dòng), 由于OLED屏制造工藝的問(wèn)題使行、列電極上電極電阻不一致，會(huì)使屏上各個(gè)位置的OLED單元流經(jīng)的電流不一致，從而影響顯示亮度的均勻性，由OLED的伏安特性曲線可以得出即使電壓的變換很小也會(huì)導(dǎo)致電流的較大波動(dòng)，而電流源與發(fā)光亮度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，故采用電流源驅(qū)動(dòng)。并且為了提高其電光響應(yīng)速度，達(dá)到更好的顯示效果，進(jìn)而提出了預(yù)充電技術(shù)[5-8]。

其次，分析了交叉效應(yīng)產(chǎn)生的原因，根據(jù)OLED等效電路結(jié)構(gòu)和制作工藝上的限制以及其單向?qū)щ娦缘奶匦?，采取反向電壓抑制?使非選中像素在反向電壓的作用下處于截止?fàn)顟B(tài)，從而有效的解決了交叉效應(yīng)現(xiàn)象對(duì)顯示的影響。

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