淺談AMOLED補償技術(shù)

　　有機發(fā)光顯示二極管（OLED）作為一種電流型發(fā)光器件已越來(lái)越多地被應用于高性能顯示中。由于它自發(fā)光的特性，與LCD相比，AMOLED具有高對比度、超輕薄、可彎曲等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，亮度均勻性和殘像仍然是它目前面臨的兩個(gè)主要難題，要解決這兩個(gè)問(wèn)題，除了工藝的改善，就不得不提到補償技術(shù)。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201710/367634.htm

　　介紹補償技術(shù)之前，首先我們來(lái)看看AMOLED為什么需要補償。下圖所示為一個(gè)最簡(jiǎn)單的AMOLED像素電路，它由兩個(gè)薄膜晶體管（TFT）構建像素電路為OLED器件提供相應的電流。

　　

　　與一般的非晶硅薄膜晶體管（amorphous-Si TFT）相比，LTPS TFT和Oxide TFT具有更高的遷移率和更穩定的特性，更適合應用于A(yíng)MOLED顯示中。在中小尺寸應用中多采用低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT），而在大尺寸應用中多采用氧化物薄膜晶體管（Oxide TFT）。這是因為L(cháng)TPS TFT遷移率更大，器件所占面積更小，更適合于高PPI的應用。而Oxide TFT均勻性更好，工藝與a-Si兼容，更適合在高世代線(xiàn)上生產(chǎn)大尺寸AMOLED面板。然后它們又各有缺點(diǎn)，由于晶化工藝的局限性，在大面積玻璃基板上制作的LTPSTFT，不同位置的TFT常常在諸如閾值電壓、遷移率等電學(xué)參數上具有非均勻性，這種非均勻性會(huì )轉化為OLED顯示器件的電流差異和亮度差異，并被人眼所感知，即mura現象。Oxide TFT 雖然工藝的均勻性較好，但是與a-Si TFT類(lèi)似，在長(cháng)時(shí)間加壓和高溫下，其閾值電壓會(huì )出現漂移，由于顯示畫(huà)面不同，面板各部分TFT的閾值漂移量不同，會(huì )造成顯示亮度差異，由于這種差異與之前顯示的圖像有關(guān)，因此常呈現為殘影現象，也就是通常所說(shuō)的殘像。

　　因此，在當前的工藝制作中，不管是LTPS還是Oxide都存在均勻性或穩定性的問(wèn)題，而且OLED本身也會(huì )隨著(zhù)點(diǎn)亮時(shí)間的增加亮度逐漸衰減。既然這些問(wèn)題難以在工藝上完全克服，就必須要在設計上通過(guò)各種補償技術(shù)來(lái)解決。通常OLED的發(fā)光亮度和電流成正比，而電流是由TFT提供的，與TFT的特性參數相關(guān)。電流通常表示為，k是和TFT遷移率有關(guān)的參數，Vgs和Vds又和電源電壓與OLED驅動(dòng)電壓有關(guān)?？芍绊戨娏鞔笮〉膮涤蠺FT遷移率、閾值電壓，OLED的驅動(dòng)電壓以及電源電壓的大小。補償技術(shù)的主要目的就是要消除這些因素的影響，最終讓所有像素的亮度達到理想值。因為變量太多，技術(shù)難度很大，補償技術(shù)已成為 AMOLED顯示的核心技術(shù)之一。

　　補償方法可以分為內部補償和外部補償兩大類(lèi)。內部補償是指在像素內部利用TFT構建的子電路進(jìn)行補償的方法。外部補償是指通過(guò)外部的驅動(dòng)電路或設備感知像素的電學(xué)或光學(xué)特性然后進(jìn)行補償的方法。通常內部補償的像素結構和驅動(dòng)方式都較復雜，且補償效果僅限于TFT 閾值電壓和IR Drop，補償范圍偏小，難以解決殘像問(wèn)題。這種補償方式在TV產(chǎn)品中應用不多，但是在手機/平板這些使用頻率不高，產(chǎn)品生命周期短的應用中，也足以滿(mǎn)足需求。而外部補償的方式具有像素結構簡(jiǎn)單，驅動(dòng)速度快和補償范圍大的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是外圍驅動(dòng)電路設計復雜度高，在大尺寸AMOLED TV顯示應用中，外部補償被認為是較佳的補償方案。但是最近隨著(zhù)用戶(hù)對產(chǎn)品特性的要求提高，外部補償也在逐漸向中小尺寸應用中發(fā)展。

　　下圖是一個(gè)典型的內部補償型電路，它由7個(gè)TFT和1個(gè)存儲電容組成，因此被簡(jiǎn)稱(chēng)為7T1C結構，類(lèi)似還有6T1C，5T2C等很多類(lèi)似電路結構，經(jīng)過(guò)近幾年的不斷研究和發(fā)展，內部補償電路的拓撲結構幾乎已被窮盡，很難再有實(shí)用性的結構創(chuàng )新。這種像素電路工作時(shí)一般都會(huì )有三個(gè)工作階段，會(huì )經(jīng)歷復位、補償、發(fā)光，即一個(gè)驅動(dòng)周期至少要干2到3件事，因此對電路驅動(dòng)能力和面板上的負載都有一定要求。它的一般工作思路是在補償階段把TFT的閾值電壓 Vth先儲存在它的柵源電壓Vgs內，在最后發(fā)光時(shí)，是把Vgs-Vth轉化為電流，因為Vgs已經(jīng)含有了Vth，在轉化成電流時(shí)就把Vth的影響抵消了，從而實(shí)現了電流的一致性。但是實(shí)際因為寄生參數和驅動(dòng)速度等影響，Vth并不能完全抵消，也即當Vth偏差超過(guò)一定范圍時(shí)（通常？Vth≥0.5V），電流的一致性就不能確保了，因此說(shuō)它的補償范圍是有限的。

　　

　　外部補償根據數據抽取方法的不同又可以分為光學(xué)抽取式和電學(xué)抽取式。光學(xué)抽取式是指將背板點(diǎn)亮后通過(guò)光學(xué)CCD照相的方法將亮度信號抽取出來(lái)，電學(xué)抽取式是指通過(guò)驅動(dòng)芯片的感應電路將TFT和OLED的電學(xué)信號抽取出來(lái)。兩種方法抽取的信號種類(lèi)不同，因此數據處理的方式也不同。光學(xué)抽取的方式具有結構簡(jiǎn)單，方法靈活的優(yōu)點(diǎn)，因此在現階段被廣泛采用。

　　下圖是外部光學(xué)補償原理圖。OpTIcal sensor通常是高分辨率和高精度的CCD照相機。

　　

　　外部光學(xué)補償原理圖

　　其補償過(guò)程是用CCD對整個(gè)面板拍照，得到每個(gè)像素在幾個(gè)特征灰階下的亮度值，然后對子像素進(jìn)行建模，得到每個(gè)像素的灰階-亮度的特性曲線(xiàn)。在對某一顯示圖像進(jìn)行補償時(shí)，我們根據輸入灰階相對應的理想亮度，從該子像素的灰階-亮度特征曲線(xiàn)中可以反推出為了使該子像素達到相同的亮度，所對應的補償灰階，對所有的子像素都進(jìn)行類(lèi)似操作，我們就可以得到一個(gè)所謂的補償圖像，使用這個(gè)補償圖像驅動(dòng)背板，就可以達到我們想要的理想亮度值。這一技術(shù)的難點(diǎn)是如何用CCD準確抓到每個(gè)像素的正確亮度并建立正確的模型，要通過(guò)算法克服子像素準確定位、摩爾紋等問(wèn)題。因為光學(xué)補償要借助專(zhuān)業(yè)化的設備，只能在出廠(chǎng)前做初始化校準，無(wú)法在產(chǎn)品使用中進(jìn)行補償，因此只能補償顯示非均勻性，無(wú)法補償使用中產(chǎn)生的殘像。

　　

　　光學(xué)外部補償方案

　　外部補償的另一種方式是電學(xué)補償，即通過(guò)像素內部的TFT將驅動(dòng)管的I-V特性以及OLED器件的I-V特性讀取到外部感應電路，計算需要補償的驅動(dòng)電壓值并反饋給驅動(dòng)面板的芯片從而實(shí)現補償。它需要開(kāi)發(fā)具有信號提取功能的新型IC。

　　

　　圖中Column readout作用是監測 TFT I-V 特性變化和均勻性，監測OLED均勻性和老化；Image processing LSI作用是根據監測結果計算補償量，并將補償量和初始數據整合輸出給Data Driver

　　外部補償像素電路比較簡(jiǎn)單，通常是3T1C結構如下圖，除了傳統的數據線(xiàn)以外，它有一個(gè)感應線(xiàn)（SENSE）可以將TFT和OLED的電流抽取到驅動(dòng)IC中。

　　

　　外部補償像素結構

　　它有兩種抽取電信號方式，一種是抽取TFT電流，被稱(chēng)作TFT sensing，一種是抽取OLED電流，被稱(chēng)作OLED sensing?；驹矶际墙o定TFT或OLED的驅動(dòng)電壓，把電流從感應線(xiàn)傳抽取到驅動(dòng)IC，如下圖所示

　　

　　TFT和OLED感應方式

　　讀出電信號后，外部補償方式可借助外部的集成電路芯片實(shí)施較復雜的算法，對TFT閾值電壓和遷移率的非均勻性以及OLED 老化等實(shí)施補償。外部電學(xué)補償的技術(shù)難點(diǎn)在于實(shí)現高精度和高速的TFTOLED電學(xué)參數讀取，感應線(xiàn)上的寄生效應會(huì )影響讀取速度并造成信號衰減，感應電路的誤差會(huì )造成輸出失真，相鄰感應線(xiàn)或外界環(huán)境的噪聲會(huì )干擾感應信號的準確性。外部補償技術(shù)是一個(gè)包含面板設計，IC設計，驅動(dòng)電路設計，算法設計的系統級方案，任何一個(gè)環(huán)節做不好都有可能影響補償效果，但是一旦實(shí)現精準設計，它的補償效果是最好的，可以實(shí)現實(shí)時(shí)補償，即在產(chǎn)品生命周期內，在使用過(guò)程中持續進(jìn)行補償，可有效提升產(chǎn)品壽命。

　　由于補償技術(shù)非常關(guān)鍵，很多公司都在積極開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的補償技術(shù)。目前內部補償技術(shù)積累較深厚的公司是三星，外部補償業(yè)內只有LG率先實(shí)現了量產(chǎn)。其他面板廠(chǎng)或公司都在大力投入、針對這一技術(shù)積極進(jìn)行研發(fā)，BOE目前也開(kāi)發(fā)完成了具有自主知識產(chǎn)權的內部補償和外部補償技術(shù)，并已完成了在產(chǎn)品端的驗證，在國內處于領(lǐng)先地位。但即使是三星或LG，現在的補償技術(shù)并不能說(shuō)是毫無(wú)瑕疵，還需要繼續創(chuàng )新和改進(jìn)，伴隨著(zhù)工藝水平和能力的進(jìn)步，相信未來(lái)的AMOLED產(chǎn)品會(huì )更加完美。

　　作者簡(jiǎn)介：吳仲遠 BOE VO SBU OLED開(kāi)發(fā)副本部長(cháng)2004年獲得清華大學(xué)微電子與固體物理學(xué)專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，2004~2010在韓國三星半導體從事顯示驅動(dòng)IC設計，2010年加入京東方至今一直專(zhuān)注于大尺寸OLED技術(shù)領(lǐng)域?，F負責大尺寸OLED技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。個(gè)人主要研究興趣方向包括AMOLED像素設計、驅動(dòng)技術(shù)、補償算法、IC設計等。主要負責的55 UHD AMOLED開(kāi)發(fā)、外部補償等項目曾獲集團卓越優(yōu)秀項目獎。目前擔任SID北京分會(huì )專(zhuān)業(yè)技術(shù)委員會(huì )委員。