AMOLED显示屏像素驱动电路的设计与实现[精选].doc

第一章 绪 论在信息技术高速发展的时代，显示器件作为人机联系和信息展示的窗口已广泛应用于人们日常生活的方方面面，而且在军事、工业、交通、通讯、教育、航空航天、卫星遥感、娱乐、医疗等各个专业领域也是关键的电子信息技术显示技术在信息社会飞速发展的今天已经成为电子信息产业最重要的高新技术之一最早的显示技术是阴极射线管CRT显示技术，以电视机产品为代表，对改善人民的生活起到了很大的帮助作用；随着平板显示技术的成熟发展，液晶显示技术凭借着超薄、平面、大尺寸显示等突出优点，很快替代了CRT显示技术；现阶段，有机电致发光显示技术OLED则凭借着全固态显示、自发光、可柔性、可透明、极高对比度、微秒级响应时间、适温范围宽、视角宽等突出的技术优势，已经成为了下一代显示技术发展的核心[1]OLED器件发光的特性早在上世纪六十年代的时候就已被发现，当时是使用数百伏特的电压加在蒽单晶上观察到的发光现象，但是由于是实验室技术，驱动电压太高，晶体获得也不容易，发光效率很低，因此这项成果并未受到重视一直到1987年美国柯达公司的Tang与VanSlyke等人发明了真空蒸镀有机小分子薄膜，以及三层薄膜叠层器件结构的OLED[2]组件后，器件的性能得到了大幅跃升，初具商业应用潜力，因此引起了学术界和企业界的广泛瞩目。

自此之后，OLED技术便掀起了一股无法阻挡的研究热潮，持续到现在1.1 OLED的特点OLED技术的优势包括主动发光、响应速度快、低电压驱动、耗电量低、全固态结构、超轻薄、视角宽、可使用温度范围大等，这些优点奠定了它下一代显示技术的地位，也是各国争相抢占的高新技术领域，更是平板显示产业的下一个利润点，其市场规模在不远的将来会超过现在的液晶显示技术在应用方面，除了可以广泛应用于车载显示、VR/AR显示、照相机显示等消费领域外，还可应用于近光照明、医疗显示、军工显示等多种专业领域为了更深入的了解OLED技术的特点，下面以和液晶显示技术对比，逐项分析下OLED技术的相对优势： 1、 显示性能指标优异：具体表现在显示亮度高、色彩丰富、对比度极高、响应速度快、视角宽以及受环境光影响小等方面OLED显示器件的整体光能损失较小，因此其发光亮度可以轻松超过LCD，对比度更是高达1000000:1，色域覆盖率达到LCD的2倍以上，响应速度更是超过LCD 的1000倍以上，而且在几乎180的视角范围内都不存在亮度、色彩失真，阳光直射下也可以轻松阅读显示信息2、显示集成度高：由于OLED属于主动电致发光技术，而且R/G/B有各自的发光材料独立发光，因此相比LCD不需要背光源和彩色滤光板，光能利用率也高，因此OLED显示屏可以做得更轻更薄，在相同屏幕尺寸的情况下，OLED的厚度不到LCD的1/2，重量不到LCD的1/3，功耗不到LCD的2/3。

如果采用柔性衬底，OLED显示屏还可以弯曲折叠，实现未来的柔性显示技术3、产品可靠性高：OLED是全固态显示技术，其工作温度范围宽、耐冲击、抗震动，适用于各种恶劣的使用环境OLED的工作温度范围达可以从−40℃到85℃，可以适应野外、航空、航天环境下的巨大加速度、振动、低温等恶劣环境4、可生产性好：OLED显示屏结构简单，集成度高，包含背板、面板、封装、模组的全制程工序约为LCD制程的三分之二，形成大规模量产后，OLED的生产成本和材料成本将低于LCD，形成价格优势5、显示形态丰富：除了常见的平板显示形态外，OLED显示屏还可以做成能卷曲的柔性显示器、双面发光的透明显示器、，未来的应用范围十分广阔6、高效率照明应用：除了应用于显示技术外，OLED技术还可以用于照明，理论的照明发光效率可以达到300lm/W以上，远高于目前的LED发光效率而且OLED相比LED是平面发光、宽光谱发光，更适于阅读照明、近眼照明，OLED发光材料相比LED发光材料也更为丰富，可以在设计照明材料来调节发光光谱，应用于特殊的照明场合，在未来的照明市场上也有非常引人瞩目的发展前景通过以上与LCD技术的比较，可以发现OLED技术在产品性能指标、可生产性及应用多样化方面相比LCD都有明显的优势。

权威机构DisplaySearch所作的OLED与之前的平板显示技术LCD和PDP对比如图1-1所示：图1-1 OLED与其他平板显示技术对比综合起来，相比LCD技术来说，OLED所具备的独特优势有三个方面:可以做柔性显示、透明显示还可以作为高效率的照明应用OLED器件自身有两大类的区分，主要是其发光层所使用的有机材料可以分为小分子OLED和高分子OLED（即PLED）小分子OLED以有机染料和颜料等为发光材料，典型材料为Alq3（三铝8-羟基喹啉）；PLED以共轭高分子为发光材料，典型材料为PPV（次苯基二价乙烯基聚合物），图1-2为二者结构的对比：图1-2 小分子OLED和高分子OLED构造对比小分子OLED与高分子OLED的性能对比如表1-1所示：表1-1 小分子OLED与高分子OLED优缺点对比小分子OLED高分子PLED优点l 易彩色化l 蒸镀工艺自动化技术成熟l 材料合成、钝化、精制容易l 材料种类丰富l 精细度高l 工艺设备无需真空，投资低l 大尺寸制备容易l 容易制备柔性器件l 设备投资低缺点l 使用真空设备，成本偏高l 对水分、氧的耐受性不佳l 蒸镀率低，容易造成材料浪费l 大尺寸均匀化技术还不成熟l 热稳定性与机械性质较PLED差l 需较高驱动电压l 喷墨技术的均匀性和精确性难控制，成品率低l 每个颜色衰减常数不同，较难实现彩色化l 工艺、设备尚处于试验阶段制膜工艺真空热蒸镀旋转涂布法或喷墨打印发光效率高低应用领域高单价、小尺寸低价、大尺寸核心专利权属韩国三星、韩国LG、美国UDC、德国MERK英国剑桥、美国杜邦材料供应商美国UDC、德国MERK、出光兴业、三星毛纺、LG化学美国杜邦、DOW化学、住友化学等发展状况发展较快，已有多家厂商量产，已达商业化水平发展较慢，仅有少量单色及多色被动式产品量产，目前技术尚未成熟。

不管是小分子材料还是高分子材料，OLED有机材料作为OLED产业的核心原材料，对OLED的性能表现、生产成本都有着重要的影响，在OLED显示屏中有机材料占到原材料成本的15%~25%目前世界上进行小分子OLED有机材料开发的公司主要有美国的UDC、日本的出光兴产、德国的Merk、韩国的Duksan、Gracel、SFC、LG化学以及三星毛纺等公司，OLED有机材料的相关核心专利也大多被这些企业所垄断国外有机材料企业出于对有机材料高附加值的垄断及核心技术战略保护等角度出发，大都不愿意将有机材料输出到中国，因此要发展好OLED产业，必须首先解决有机材料的来源问题OLED器件按发光结构还可以分为顶部发光结构和底部发光结构两种，如图1-3：阳极（金属或合金）阳极（金属或合金）发光层发光层透明阴极透明阴极顶部发光顶部发光透明阳极透明阳极发光层发光层金属阴极金属阴极底部发光底部发光图1-3 顶部发光和底部发光OLED器件结构由于基板有不透明的驱动元件，底部发光的结构存在开口率的问题，所以目前顶部发光结构是OLED器件的主流结构OLED器件按不同的基板材料还可以分为玻璃基板、硅基板和柔性基板等类别,具体介绍如下：1、玻璃衬底的刚性OLED：受限于玻璃基板耐热性不高，软化点低的问题，早期的TFT技术多采用a-Si（非晶硅）薄膜制备技术，由于目前高温玻璃材料的出现，以及低温退火技术的发展，TFT逐步由a-Si向p-Si（多晶硅）技术发展。

a-Si半导体材料的载流子特性差，晶体管尺寸要求较大，集成度不高，但易于制备大面积薄膜材料和电路，是成熟的显示用TFT技术；p-Si半导体材料的载流子特性优于非晶硅，基本满足相对复杂的电路制备要求其技术是在a-Si基础上采用激光退火方法来获得p-Si，是显示用TFT技术的主流发展方向OLED与高驱动能力的玻璃衬底TFT技术结合，使得大尺寸的OLED显示屏开发成为可能2、硅基底的微型OLED：由于普通的OLED显示只需要一个电极是透明的，因此OLED的结构可以采用非透明的硅基板（LCD两个电极则必须均透明）硅基集成电路的集成度、成熟度和可靠性均远远高于TFT技术目前受限于硅单晶尺寸的发展，无法满足于大面积显示用基板的要求，但对于微型显示技术来说，硅基集成电路就非常适合了，而且相较于玻璃基板的TFT技术有绝对的集成度优势——除基本的主动驱动电路外，还可以把视频解码、A/D、D/A/数字电路单元集成在硅基板中，从而实现无需外围辅助电路情况下的直接驱动应用3、柔性基底的柔性OLED：OLED可以制作在柔性基底上，可作柔性基底的材料如金属箔片、薄玻璃、各种塑料薄膜等，结合基于非晶硅的柔性TFT技术制作驱动电路，可用OLED制作柔性显示器，如电子纸、手腕式显示器、弧状显示器等产品。

OLED的全彩显示方式除了传统显示技术使用的R/G/B子像素显示方式外，有白光OLED+彩色滤光片显示方式以及蓝光OLED+色转换材料的显示方式，具体全彩显示结构如图1-4所示：（1）RGB像素并置法（RGB Side-By-Side）按照传统的显示方式分别设计不同的R/G/B子像素，各像素单元独立发光这种方法为柯达公司1991年专利技术，是发展最成熟的技术，优点是发光效率高，但是由于要使用精细金属掩模板，制作300PPI以上高解析度的面板较困难2）彩色滤光片法（也叫“白光+彩色滤光片”法）采用白光OLED器件作为像素发光单元，在每个R/G/B像素单元上再叠加R/G/B彩色滤光片这种方法的优点是可以改善RGB像素并置法因R、G、B发光效率及寿命不同而可能存在的色彩失真问题，且因不使用精细金属掩模板，也最有潜力应用在大尺寸或高解析度面板但相比RGB像素并置法效率要低些，因为每个像素单元的光只使用了单色波段，因此需要开发高效率的白光OLED器件韩国LGD公司55英寸OLED采用的就是彩色滤光片法3）色转换法（Color Conversion Method，CCM）和白光+彩色滤光片法类似，只不过将白光换成了蓝光，通过高能量的蓝光来激发荧光粉发出红光和绿光形成像素，这种方法有新意，但是目前为止仍无实际应用案例。

RGB像素并置法 彩色滤光片法 色转换法（三基色有机发光材料） （白光+Color Filter） （蓝光+两色转换）图1-4 全彩OLED显示方法上述全彩显示结构中最成熟的技术是RGB像素并置法和白光+彩色滤光片法，本论文采用RGB像素并置法来进行全彩OLED显示1.2 OLED发光原理 从半导体器件结构方面来看，OLED器件结构主要由两个电极薄膜以及介于两个电极薄膜之间的有机半导体层组成，有机半导体层也是OLED最关键的组成部分有机半导体层大致可以分为产生和传输空穴的有机层，产生和传输电子的有机层，以及可以发光的有机层三大类产生空穴的有机层称为空穴注入层，传输空穴的有机层成为空穴传输层；产生电子的有机层为电子注入层，传输电子的有机层为电子传输层，当空穴和电子从有机发光层的两端均衡地汇集在有机发光层后，空穴和电子会结合形成激子，激子是一种不稳定的状态，会降低能级到基态，从而发出各种颜色的光n HIL：空穴注入层n HTL：空穴传输层n EML：发光层n ETL：电子传输层n EIL：电子。