解紅軍，張小寶

(維信諾科技股份有限公司，河北 固安 065500)

1 引 言

OLED(Organic Light Emitting Diode)顯示技術(shù)具有輕薄、寬視角、低功耗、響應(yīng)速度快等特點，是目前最有希望實現(xiàn)柔性顯示的一種技術(shù)。搭配TFT背板技術(shù)可制成具有矩陣式像素排列、采用逐行掃描來刷新圖像的顯示屏，稱為AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode)。近年來AMOLED顯示技術(shù)逐漸發(fā)展起來，已經(jīng)獲得了一些市場份額，主打高端市場。盡管如此，任何新技術(shù)出來都不是完美無缺的，都要有技術(shù)演進(jìn)的過程。AMOLED顯示屏存在著諸多的技術(shù)問題，例如亮度不穩(wěn)定、短期/長期殘像、色偏、亮度衰減等等。在長期的使用過程中OLED器件發(fā)生材料劣化，發(fā)光效率降低，從顯示效果上表現(xiàn)為亮度衰減。因此OLED器件劣化會造成AMOLED顯示屏壽命下降。

此外，OLED器件劣化還會造成顯示屏出現(xiàn)長期殘像。AMOLED為主動發(fā)光型顯示屏，具體位置的像素是否發(fā)光、發(fā)光的亮暗，都取決于顯示圖像。不發(fā)光或者發(fā)光亮度低的像素電流很小，器件劣化速度很慢；發(fā)光且亮度越高的像素電流越大，器件劣化速度越快，因此不同位置的像素發(fā)生了不同程度的劣化。出現(xiàn)了原來圖像的印記，這就是所謂的長期殘像。

壽命下降問題和長期殘像問題，在工控等非消費領(lǐng)域顯得尤為重要。必須要有一種技術(shù)對其加以改善。一種方法是優(yōu)化OLED各層材料特性，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，從根本上延緩OLED器件劣化進(jìn)程；另一種方法是采用補(bǔ)償技術(shù)，像補(bǔ)償TFT均勻性那樣補(bǔ)償OLED劣化，雖然材料仍在劣化，但人眼不易識別。很顯然，第一種方法屬于材料和工藝領(lǐng)域，是從根本上加以解決，是未來的長遠(yuǎn)的技術(shù)方向，但技術(shù)發(fā)展速度緩慢；第二種方法屬于驅(qū)動控制領(lǐng)域，是間接改善方式，效果很快即可呈現(xiàn)。本文技術(shù)方案屬于第二種方法。對于OLED器件劣化問題，目前國內(nèi)外大都將重點放在器件優(yōu)化上面，而補(bǔ)償技術(shù)還都處于研究階段，未見于量產(chǎn)品之上。隨著產(chǎn)品領(lǐng)域增多，不再局限于手機(jī)等消費品，對產(chǎn)品壽命及殘像的要求越來越高，對補(bǔ)償技術(shù)的需求變得更加明確。

伴隨著AMOLED顯示技術(shù)的發(fā)展誕生了補(bǔ)償技術(shù)，分為內(nèi)部像素補(bǔ)償技術(shù)[1]和外部補(bǔ)償技術(shù)。外部補(bǔ)償分為光學(xué)補(bǔ)償和電學(xué)補(bǔ)償[2]。光學(xué)補(bǔ)償使用相機(jī)拍照再補(bǔ)償，不管什么原因造成，通通體現(xiàn)在亮度差異上，最后統(tǒng)一進(jìn)行補(bǔ)償[3]。電學(xué)補(bǔ)償主要針對驅(qū)動TFT的閾值電壓和遷移率進(jìn)行補(bǔ)償，獲得更高的亮度均勻性。電學(xué)補(bǔ)償分為電壓型偵測和電流型偵測。電壓型電學(xué)補(bǔ)償發(fā)展較快，研究廣泛。電流型電學(xué)補(bǔ)償適合大尺寸AMOLED TV領(lǐng)域，技術(shù)難度大。本文提出一種電壓型電學(xué)補(bǔ)償方案，能夠偵測OLED器件劣化程度，根據(jù)劣化程度對像素電流進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，從而改善AMOLED顯示屏壽命問題和長期殘像問題。

2 補(bǔ)償技術(shù)原理

2.1 OLED劣化偵測原理

電學(xué)補(bǔ)償技術(shù)分為兩個部分：偵測和補(bǔ)償。偵測是利用屏上某個現(xiàn)象與某個物理量之間存在的固有聯(lián)系，感測并記錄該物理量，用該物理量表征屏上現(xiàn)象變化的過程。補(bǔ)償是利用已有的補(bǔ)償數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出補(bǔ)償后的圖像數(shù)據(jù)。

OLED器件劣化過程中，會伴有很多物理量的變化，例如OLED的電壓會逐漸增大[4]，I-V斜率會逐漸變小，反向等效電容逐漸增大或減小[5]。本文提出的偵測方案是用電學(xué)方法偵測OLED器件閾值電壓，用閾值電壓變化量表征OLED器件的劣化程度。圖1所示為OLED器件劣化引起的I-V曲線變化，在OLED的I-V曲線圖中不難看出，器件劣化的過程就是曲線右移的過程，器件閾值電壓也會隨之增大。將OLED閾值電壓隨時間變化的規(guī)律提煉出來，就得到如圖2所示的曲線，即OLED器件劣化引起的VTH變化。本文的偵測方法就是偵測每個像素的OLED閾值電壓，將閾值電壓變化量ΔVTH存儲于芯片內(nèi)。變化量是相對于初始VTH而言的，每個子像素的劣化程度是獨立的，所以像素之間的閾值電壓變化量ΔVTH也是獨立的。OLED閾值電壓變化量ΔVTH越大，劣化程度越嚴(yán)重；閾值電壓變化量ΔVTH越小，劣化程度越輕微。本文定義OLED電流為1 nA時陽極與陰極的電壓差為OLED的閾值電壓VTH。

圖1 OLED器件劣化引起的I-V曲線變化Fig.1 OLEDI-Vvariation with device degradation

圖2 OLED器件劣化引起的VTH變化Fig.2 OLEDVTHvariation with device degradation

2.2 OLED劣化補(bǔ)償原理

劣化補(bǔ)償?shù)哪康氖怯盟惴ㄌ幚韴D像數(shù)據(jù)，使劣化的像素獲得更大的驅(qū)動電流，恢復(fù)亮度，使人眼識別不到劣化造成的亮度降低和顯示殘像。

對于任一型號產(chǎn)品，在產(chǎn)品開發(fā)初期進(jìn)行OLED被動器件的劣化數(shù)據(jù)的搜集，得到大量樣本的不同劣化程度的I-V-L(電流-電壓-亮度)。用I-V數(shù)據(jù)得到器件VTH，用I-L數(shù)據(jù)得到器件發(fā)光效率η。同一時刻器件的VTH與發(fā)光效率η形成映射關(guān)系，如表1所示。

表1 器件VTH與發(fā)光效率η的映射關(guān)系Tab.1 Relation of deviceVTHand efficiencyη

若將初始的器件VTH記為VTH0，則VTH變化量為：

ΔVTH=VTH-VTH0，

(1)

因此得到ΔVTH與發(fā)光效率η的映射關(guān)系，如表2所示。

表2 器件ΔVTH與發(fā)光效率η的映射關(guān)系Tab.2 Relation of device ΔVTHand efficiencyη

將表2數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以查找表(Look Up Table)的方式存儲于芯片內(nèi)。相同顏色的所有像素使用同一查找表，共有3個查找表分別對應(yīng)紅綠藍(lán)三色像素。設(shè)像素初始的OLED器件閾值電壓為VTH0，對應(yīng)的發(fā)光效率為η0，對應(yīng)灰階的初始電流為I0。對于任一子像素來說，補(bǔ)償運算時先根據(jù)其VTH得到ΔVTH，然后查出對應(yīng)的發(fā)光效率η，必要時需要進(jìn)行線性插值運算。然后進(jìn)行如下計算，得出補(bǔ)償后像素電流表達(dá)式:

(2)

其中:Kgain為電流增益倍數(shù)，由公式可知補(bǔ)償后電流大于初始電流I0, 從而實現(xiàn)用更大的電流來彌補(bǔ)器件劣化造成的亮度下降，保持亮度恒定。

圖3 理論補(bǔ)償運算流程圖Fig.3 Flow chart of compensation algorithm

像素電路[6]具有內(nèi)部補(bǔ)償功能，因此I0公式如下：

(3)

(4)

3 補(bǔ)償技術(shù)方案設(shè)計與實現(xiàn)

顯示模組的電路構(gòu)成如圖4所示，包含TCON(Timing Controller)模塊，驅(qū)動芯片(Driver IC)和AMOLED面板[8]。TCON模塊負(fù)責(zé)顯示時序控制、偵測時序控制、偵測數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲、顯示圖像數(shù)據(jù)補(bǔ)償運算，是整個系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)處理中心。該顯示系統(tǒng)有兩種工作模式，顯示模式和偵測模式，都由TCON完成時序控制和狀態(tài)轉(zhuǎn)換。Driver IC負(fù)責(zé)把圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量，輸出并驅(qū)動顯示屏，如圖加粗箭頭所示。Driver IC內(nèi)還包含偵測模塊，負(fù)責(zé)將屏內(nèi)傳出的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最后回傳給TCON，如圖細(xì)線箭頭所示。因此該Driver IC具有電學(xué)補(bǔ)償功能，這是與常規(guī)Driver IC的不同之處。

圖4 AMOLED顯示模組的電路構(gòu)成Fig.4 Circuit block diagram of AMOLED module

AMOLED面板包含背板部分和EL發(fā)光器件部分，等等。顯示屏背板采用LTPS-TFT,呈現(xiàn)p型MOS特性，OLED采用RGB蒸鍍方式，F(xiàn)MM(Fine Metal Mask)蒸鍍技術(shù)。發(fā)光方式為頂發(fā)光，光線穿過透明陰極。為實現(xiàn)電學(xué)補(bǔ)償技術(shù)，AMOLED面板及像素設(shè)計具有特殊性。圖5所示為像素電路簡圖，粗線以上為面板，下面是驅(qū)動芯片(Driver IC)。虛線以上為顯示區(qū)，以下為周邊電路，包含DMUX(De-multiplexer)電路和扇出(Fan out)走線。實線框表示一個子像素，虛線框為該子像素的其他部分。顯示模式下SW1斷開，子像素的其他部分工作，電流ID流過有機(jī)發(fā)光二極管，畫面正常顯示；偵測模式下SW1導(dǎo)通，子像素的其他部分不工作，ID為0，畫面表現(xiàn)為黑畫面(VREF電位的確定，應(yīng)使OLED兩極壓差略高于器件平均VTH，所以偵測時單行OLED亮度很低，人眼無法識別)。

圖5 像素電路簡圖Fig.5 Brief circuit of sub-pixel

圖5中的DMUX電路為選通電路，一般為多路選通一路。該電路可降低驅(qū)動芯片的通道數(shù)目，缺點是時分復(fù)用造成充電時間減少。

圖6為驅(qū)動芯片內(nèi)的偵測電路，由MUX模塊、采樣模塊[9]、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊和輸出接口模塊構(gòu)成。S1、S2、S3……為芯片的偵測通道，連接面板的偵測信號線(Sense line)。偵測模式有3個時段，稱為預(yù)充電時段t1、放電時段t2和電壓采樣時段t3。圖7為偵測模式下各時段的波形圖。t1時段開關(guān)SW_R導(dǎo)通，SMP斷開，VREF電壓寫入偵測信號線的寄生電容CP，且通過SW1寫入OLED的陽極A點，即完成預(yù)充電過程。t2時段開關(guān)SW_R斷開，SMP斷開，CP上的電荷通過SW1流過OLED，實現(xiàn)對CP放電。t2時段內(nèi)CP電位一直下降，直到OLED兩極壓差接近于器件VTH為止。為了使A點和CP電位放電充分，應(yīng)保證t2時間足夠長。t3時段內(nèi)SW_R一直斷開，首先使SMP導(dǎo)通，CP電位被采樣到IC內(nèi)部的采樣電容上。然后SMP斷開，SW_S1/ SW_S2/ SW_S3/......依次打開，ADC進(jìn)行逐個轉(zhuǎn)換，最后輸出。

圖6 驅(qū)動芯片內(nèi)的偵測電路Fig.6 Sensing circuit of driver IC

圖7 VTH偵測波形圖Fig.7 Waveform ofVTHsensing

Driver IC將偵測到的電壓值VA傳回給TCON，若ELVSS為0 V,則初始偵測值VA等于VTH0，產(chǎn)品使用時偵測的VA為VTH，用公式(1)算出ΔVTH。將每個子像素的ΔVTH編碼后存儲于Flash芯片內(nèi)，形成OLED劣化補(bǔ)償數(shù)據(jù)。

產(chǎn)品在顯示模式下需要進(jìn)行實時的補(bǔ)償運算，該運算在TCON板上執(zhí)行。圖8為TCON板硬件框架圖，主要硬件為TCON芯片, DDR(Double Data Rate)芯片和Flash芯片。Flash芯片為固態(tài)存儲，儲存器件的特性LUT和各像素補(bǔ)償數(shù)據(jù)。DDR芯片可實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐，使補(bǔ)償運算速度與屏幕刷新速度相匹配。系統(tǒng)上電后將Flash芯片內(nèi)所有數(shù)據(jù)搬移到DDR內(nèi)，然后進(jìn)入到顯示模式。

圖8 TCON板硬件架構(gòu)圖Fig.8 Hardware Block diagram of TCON Board

補(bǔ)償運算與屏幕刷新同步進(jìn)行，運算流程如圖9所示。

圖9 補(bǔ)償運算流程圖Fig.9 Flow chart of compensation algorithm

在實際應(yīng)用中不需要計算I0和I,將公式(2)、(3)和(4)化簡，得到如下運算公式：

(5)

圖10 灰階與輸出電壓的關(guān)系Fig.10 Relationship of gray and voltage

4 結(jié)果與討論

上述補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)過反復(fù)評審和優(yōu)化，使得方案切實可行，但仍有不足之處:

(1)開關(guān)SW1和DMUX由TFT制成，偵測時SW1的源漏極電壓差(VDS)造成偵測誤差；

(2)VREF電位不好控制，容易造成偵測模式下存在一條亮線由上及下緩慢移動；

(3)像素電路的其他部分漏電造成偵測誤差；

(4)硬件電路增加了存儲芯片，成本和功耗有所增加。

5 結(jié) 論

運用上述的OLED劣化補(bǔ)償技術(shù)，可實現(xiàn)以電學(xué)補(bǔ)償?shù)姆绞絹硌a(bǔ)償OLED器件劣化，延長AMOLED顯示面板使用壽命，改善由于器件劣化造成的長期殘像，JND<3.1。該電學(xué)補(bǔ)償技術(shù)可實現(xiàn)黑畫面下進(jìn)行電學(xué)偵測，顯示模式下能夠進(jìn)行實時補(bǔ)償運算，被視為當(dāng)前最為重要的AMOLED顯示技術(shù)之一。