有源矩阵有机电致发光像素电路的研究进展
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文章编号：1006-6268（2009）02-0036-07
摘要：有源驱动方式的有机发光二极管（AMOLED）较之无源驱动方式易于实现高亮度和高分辨率、功耗更小，更适合大屏幕显示。但传统的两管驱动电路会出现驱动管阈值电压在整个屏幕上分布不均匀，或长时间加偏压后驱动管的阈值电压发生漂移。本文在两管驱动电路的基础上介绍了几种最近提出的补偿电路并描述了它们的改善效果及各自存在的问题。
关键词：有机电致发光二极管；有源矩阵；阈值电压漂移；像素电路
中图分类号：TN873. 3 ; TN321. 5 文献标识码：A
Progress of the Research on Pixel Circuits in Active-matrix Organic light-emitting Diode
XU Xiao-ming1,2 ,ZHU Wen-qing*,1,2 ZHANG Hao2 ,ZHANG Zhi-lin1,2， JIANG Xue-yin1,2
(1. College of Material Science and Engineering, Shanghai University，Shanghai 200072,
China，2. Key Laboratory of Advanced Display and System Applications,
Ministry of Education, Shanghai 200072,China)
Abstract:Be compared with passive matrix, Active matrix organic light emitting diode(AMOLED) is easier to achieve advantages such as high brightness , high resolution and low power consumption, so it is more suitable for large screen display. But the simplest pixel circuit for AMOLED displays which consists of two thin-film transistors(TFTs) can face several problems. For example, the threshold voltage of the driving TFT will be ununiform over the whole screen or the output current is sensitive to threshold voltage shift of the driving TFT. In this paper, some recent proposed compensation pixel circuits based on the two-TFT pixel circuit are introduced. As well as their improvements, problems of each scheme are described.
Keywords: OLED ; active matrix ; threshold voltage shift ; pixel circuit
引言
有机发光二极管（organic light-emitting diode , OLED）具有诸如高亮度、高对比度、超轻超薄、宽视角、响应快、低功耗、低成本、全固态等独特的优势。因此在平板显示产业中受到了广泛的关注，被认为是最有可能取代LCD的显示器件[1]。其驱动电路与LCD一样，有无源驱动OLED（passive matrix OLED, PMOLED）和有源驱动OLED（active matrix OLED , AMOLED）两类。PMOLED显示屏构造简单、生产成本低，但功耗大、显示效率低。AMOLED显示屏是在简单矩阵结构的基础上，为每个OLED像素配置了薄膜晶体管（TFT）和信号存储电容。发光元件在整个帧周期的时间里都是点亮的，克服了无源驱动中使用占空比很小的脉冲信号驱动带来的问题。
应用于AMOLED的TFT有源材料有多种，其中研究最广泛的主要是非晶硅（a-Si）与多晶硅（poly-Si）两种。另外还有有机材料（如并五苯等）、单晶硅（c-Si）、微晶硅（μ-Si）等等。a-Si成本低，工艺简单，但迁移率低；poly-Si工艺复杂，但迁移率高使之在有源OLED显示研究上受到越来越多的关注；另外基于柔性显示的需要，很多工作致力于对有机薄膜晶体管（organic thin film transistor, OTFT）的研究。
本文将首先简单介绍传统的两管驱动电路，然后就其遇到的诸如大面积显示发光不均匀、参数漂移、晶体管增多带来的开口率下降等各种问题及一些最新的改善方案进行讨论。
1 传统两管驱动电路
有别于LCD所用的1-TFT驱动电路，由于OLED是电流驱动器件，除了LCD中的开关TFT之外，还需要一个驱动TFT来提供持续、稳定的电流。所以，在AMOLED驱动电路中至少需要两个TFT与一个存储电容。图1所示为简单的两管驱动方案的器件结构简图及其等效电路图[2]。其中(a)、(b)分别称为恒定电流结构与源极跟随结构。前者使用两个n型TFT，采用顶发射结构，OLED处于驱动管T2的漏端，克服了OLED开启电压的变化对T2管电流的影响，但其ITO沉积在器件的顶端，增加了工艺的难度。而目前较多的研究致力于源极跟随结构[3]，其使用两个p型TFT，采用底发射结构，在工艺上更容易实现。鉴于p型非晶硅TFT迁移率极低（大约10-3~10-2cm2/V・s），因此多晶硅几乎是唯一可用的制备材料。
两管AMOLED的工作原理如下：当扫描线被选中时，开关管T1开启，数据电压通过T1管对存储电容CS充电，CS的电压控制驱动管T1的漏极电流；当扫描线未被选中时，T1截止，储存在CS上的电荷继续维持T2的栅极电压，T2保持导通状态，故在整个帧周期中，OLED处于恒流控制。
简单的两管驱动电路虽然结构简单，制造成本低，但对于多晶硅TFT来说，制造工艺带来TFT的阈值电压（Uth）在整个屏幕上分布不均匀[4]从而导致显示屏亮度不均匀；而对非晶硅来说，长时间处在偏压状态下其驱动管T2的阈值电压（Vth）会发生漂移[5]。输入的数据值和发光亮度呈非线性关系，给实现精确的灰度调节带来了一定的困难。这就需要在传统两管驱动电路的基础上引入补偿电路进行改进。因此，一些补偿电路应运而生，可分为模拟补偿与数字补偿两种。以下在传统驱动电路所遇到的一些主要问题的基础上介绍了几种最新的模拟补偿方案，其中涉及到了电流调制补偿（current-programmed pixel circuits, CPPCs）、电压调制补偿（Voltage-progrmmed pixel circuits, VPPCs）及光反馈补偿等。
2 多晶硅在大面积显示中的不均匀问题
多晶硅材料具有迁移率高（约为几百cm2/V・s）、响应速度快、光敏性差、能制备p型与n型TFT等优点，易于实现大屏幕AMOLED的制造。特别是如今日益受到关注的低温多晶硅（LTPS）技术，由于其制造温度低，因此对基板的选择更加灵活。另外，多晶硅TFT也可实现周边驱动电路与显示区域一体化，解决高密度引线的困难，使产品更加轻薄、稳定，并大幅降低成本。但其缺点是各像素间TFT的迁移率与阈值电压等特性的不同造成的大范围的失配，导致显示屏整体发光不均匀，这些参数差异的形成原因是多晶硅材料晶界分布的不规则造成的[6]。
为了实现多晶硅TFT驱动OLED大面积的均匀性，Jae-Hoon Lee等人[7]设计了一种利用电流镜改善发光不均匀问题的补偿电路，如图2所示。此电路使用了4个p型TFT，其驱动过程为：
（1）数据写入阶段，T1、T2导通，T4断开，CSTG充电；
（2）发光阶段，T1与T2断开，T4导通，CSTG放电,此时
经过此补偿电路的优化，像素的不均匀性减小到了9.1%。但电流镜补偿电路的缺点是，需要得到电学参数完全相同的对管T3与T4，其制备工艺有一定难度，也降低了器件成品率。另外，电流控制电路比电压控制置位时间（settling time）明显过长。
最近Chih-Lung Lin的研究小组[8]提出了一种电压源控制的补偿电路。实验结果表明，这种补偿电路既可以有效地消除LTPS-TFT阈值电压的差异，也能防止其漂移，从而改善OLED长期使用之后的发光均匀性与发光衰减。图3为其等效电路图、控制信号与补偿效果。此电路的补偿过程为：
（1）初始阶段，T2、T4、T5导通，T3断开，C1充电至VDD-VDATA；
（2）补偿阶段，T2断开，B点电压为VT1+VOLED_0，其中VOLED_0为OLED段开时的电压，则C1放电至VT1+VOLED_0-VDATA；
（3）发光阶段，T2与T3都导通，C1电压保持为VT1+VOLED_0-VDATA，而A点电压为VOLED_1（OLED发光时的电压），则B点电压为VOLED_1+VT1+VOLED0-VDATA。此时流过OLED的电流可表示为：
其中， k=μCOXW/L。
从上式看出，此电路中OLED电流与驱动晶体管T1的阈值电压无关，只与VOLED_0-VDATA的值有关。通过测试不同驱动条件下的OLED的I-V特性曲线，从图3中的IOLED-Vdata曲线也可看出在T1管阈值电压不同的情况下，各像素间OLED电流基本相同。
另外，Jae-Hoon Lee等人[9]还报道了一种电流滞后导致的残影现象，并提出一种利用复位信号改善OLED电流滞后效应带来的影响，它同时也能补偿电流分布差异造成的发光不均匀。如图4所示，其驱动过程如下：（1）时钟信号为低点平（复位电压），T3导通，T2栅极电压放电直到T3断开，此时T2栅极电压为VLOW+VTH_T3 ；（2）时钟信号高于数据信号值，T3断开，Vdata控制T2向OLED提供电流，使OLED发光。从图4（c）可以看出，传统两管电路中，由于这种滞后效应形成了像素间OLED电流的差异（10%左右）；而此带复位信号的像素电路消除了这种电流误差。
3 非晶硅TFT的阈值电压与迁移率漂移问题
相比于多晶硅材料，非晶硅在大面积显示上具有很好的均匀性。由于在TFT-LCD中已得到广泛应用，所以相比较其它材料其制备工艺更为成熟，制造成本也更低[10]。然而非晶硅TFT技术用于AMOLED会有几个不容忽视的问题，首先亟待解决的难题是其极低的载流子迁移率（约0.1~1 cm2/V・s），对于需要电流驱动的OLED显示屏，这无疑是阻碍其发展的瓶颈。虽然它在发光均匀性上优于多晶硅，但在长时间处于导通状态下会使TFT阈值电压发生漂移，M.J.Powell等人[11]对此作了深入的研究。如果驱动电路不具备补偿功能，将促使OLED器件老化，不仅降低显示屏亮度，还会导致"残影现象"[12]。
最近Shahin J. Ashtiani等人提出了一种补偿驱动晶体管阈值电压的漂移的方法[13]。图5（a）为等效电路图，（b）为控制信号。电路中包含一个驱动TFT（T2）、三个开关TFT（T1,T3,T4,T5）与一个存储电容CS。电路中添加三个选择信号线（SEL1~SEL3）。预充电阶段，SEL1与SEL2处于高电位，SEL3处于低电位，则T1、T3、T5导通，T4断开。此时，A点充电至接近于VDD。VDATA置于-VP+VOLEDI，其中，VP为控制电压，VOLEDI为OLED的初始开启电压。补偿阶段，SEL1为低，T1断开，CS通过T2向OLED放电，直到A点电位至VT2+VOLED，其中VT2为T2的阈值电压，VOLED为OLED的开启电压。至此，CS的电压等于VT2+VOLED-VOLEDI+VP。驱动阶段，SEL2变为低而SEL1与SEL3变为高，使得T1与T4导通而T3与T5断开。VCS等于T2的栅源电压，而流过OLED的电流等于IOUT。OLED的电流可通过控制VP的范围得到补偿。其后对流过OLED的电流与T2管阈值电压的关系的分析得出，当T2管阈值电压增大4V时，IOLED的相对误差（ΔI /I）只有-5.5%。
Moon Hyo Kang等人[14]提出一种光反馈驱动电路，如图6。其驱动过程如下：（1）复位阶段，栅n-1为高点平，T1导通，使上一周期中存储在电容Cst中的数据初始化，此阶段中OLED发光反馈至光敏器件P1；（2）光反馈阶段，扫描线n为高点平，T3与P1同时导通，光电流从T5栅极流向接地端，T5栅极电压放电至一定值（Vcompensation）。当VT值漂移，Vcompensation也随之改变；（3）数据写入与发光阶段，栅n-1与扫描线n信号同为低电平，栅n为高电平，T4导通，T5的栅极电压为VDATA+Vcompensation。
（c）传统两管电路与此光反馈型电路OLED发光衰减比较
由于此电路反馈OLED的发光强度，因此不仅能补偿驱动TFT的阈值电压漂移，同时还能直接补偿OLED的发光衰减。从图6（c）中也可以看出此补偿电路相比于两管电路在发光衰减上得到了极大改善。但另一方面其复杂的电路造成了开口率的下降。另外，环境光对其的干扰也是一个不能回避的问题。
另外，G. Reza Chaji等人设计了一种电路不仅能补偿a-Si TFT漂移，也改善了电荷注入、时钟馈通等带来的动态效应[15]，此电路的电流误差控制在0.5%以内。具有降低OLED发光衰减的AC驱动方式也受到了广泛关注[16~18]。
4开口率问题
从式（3）可知，IOLED与VT无关。
这种补偿电路将T2管的VT增大造成的IOLED衰减控制在10%以内。两管的结构使此补偿电路的开口率与无补偿的电路差不多，用最少量的晶体管也能大大提高成品率。另外，Shahin J.Ashtiani等人[20]及Chih-Lung Lin等人[21]提出了两种三管补偿电路，其补偿效果都得到了验证。
5结论
OLED像素驱动电路的设计是一个复杂的系统工程，如今OLED驱动晶体管的研究主要集中在a-Si TFT阈值电压漂移与LTPS TFT大面积显示屏均匀性问题上。虽然增加晶体管与信号线的数量一定程度上可以改善显示不均匀与发光衰减问题，但增加的元件也同时降低了显示屏的开口率与成品率。
如今研究最多的几种模拟补偿方法主要有：电压控制、电流控制及光反馈等等。电流控制补偿电路可以有效补偿时间与空间上的显示失真，但其缺点是在小电流（~10nA）控制时会出现预置时间过长的问题；电压控制补偿电路预置时间很短，且电压驱动在AMLCD中研究广泛，工艺成熟，但其补偿效果不如电流补偿；光反馈电路不仅能改善TFT阈值电压的漂移，还能直接反馈OLED的发光衰减，但其电路较复杂，且极易受环境光的干扰。
本文介绍的改善电路对a-Si与poly-Si驱动晶体管的补偿都能达到一定的效果，但在不同情况下不仅要考虑其均匀性、稳定性、驱动电压、响应速度等内在因素，还应综合各方面的问题，如：开口率、成品率、成本收益等可行性问题。"完美"的驱动方案目前还没有，所以在显示器件的研究中应统筹全局，通过计算、模拟、测试等一系列的过程找到一种最适合自身应用的方案，这是目前AMOLED像素电路研究的重点。
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