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)光器件已越來越多地被應(yīng)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。但是，亮度均勻性和殘像仍然是它目前面臨的兩個主要難題，要解決這兩個問題，除了工藝的改善，就不得不提到補償技術(shù)。

　　介紹補償技術(shù)之前，首先我們來看看AMOLED為什么需要補償。下圖所示為一個最簡單的AMOLED像素電路，它由兩個薄膜晶體管（TFT）構(gòu)建像素電路為OLED器件提供相應(yīng)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(wěn)定的特性，更適合應(yīng)用于AMOLED顯示中。在中小尺寸應(yīng)用中多采用低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT），而在大尺寸應(yīng)用中多采用氧化物薄膜晶體管（Oxide TFT）。這是因為LTPS TFT遷移率更大，器件所占面積更小，更適合于高PPI的應(yīng)用。而Oxide TFT均勻性更好，工藝與a-Si兼容，更適合在高世代線上生產(chǎn)大尺寸AMOLED面板。然后它們又各有缺點，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(shù)上具有非均勻性，這種非均勻性會轉(zhuǎn)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(xiàn)象。Oxide TFT 雖然工藝的均勻性較好，但是與a-Si TFT類似，在長時間加壓和高溫下，其閾值電壓會出現(xiàn)漂移，由于顯示畫面不同，面板各部分TFT的閾值漂移量不同，會造成顯示亮度差異，由于這種差異與之前顯示的圖像有關(guān)，因此常呈現(xiàn)為殘影現(xiàn)象，也就是通常所說的殘像。

　　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(wěn)定性的問題，而且OLED本身也會隨著點亮時間的增加亮度逐漸衰減。既然這些問題難以在工藝上完全克服，就必須要在設(shè)計上通過各種補償技術(shù)來解決。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(shù)相關(guān)。電流通常表示為，k是和TFT遷移率有關(guān)的參數(shù)，Vgs和Vds又和電源電壓與OLED驅(qū)動電壓有關(guān)?？芍绊戨娏鞔笮〉膮?shù)有TFT遷移率、閾值電壓，OLED的驅(qū)動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(nèi)部補償和外部補償兩大類。內(nèi)部補償是指在像素內(nèi)部利用TFT構(gòu)建的子電路進行補償?shù)姆椒?。外部補償是指通過外部的驅(qū)動電路或設(shè)備感知像素的電學(xué)或光學(xué)特性然后進行補償?shù)姆椒?。通常?nèi)部補償?shù)南袼亟Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式都較復(fù)雜，且補償效果僅限于TFT 閾值電壓和IR Drop，補償范圍偏小，難以解決殘像問題。這種補償方式在TV產(chǎn)品中應(yīng)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(yīng)用中，也足以滿足需求。而外部補償?shù)姆绞骄哂邢袼亟Y(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動速度快和補償范圍大的優(yōu)點，但缺點是外圍驅(qū)動電路設(shè)計復(fù)雜度高，在大尺寸AMOLED TV顯示應(yīng)用中，外部補償被認為是較佳的補償方案。但是最近隨著用戶對產(chǎn)品特性的要求提高，外部補償也在逐漸向中小尺寸應(yīng)用中發(fā)展。

　　下圖是一個典型的內(nèi)部補償型電路，它由7個TFT和1個存儲電容組成，因此被簡稱為7T1C結(jié)構(gòu)，類似還有6T1C，5T2C等很多類似電路結(jié)構(gòu)，經(jīng)過近幾年的不斷研究和發(fā)展，內(nèi)部補償電路的拓撲結(jié)構(gòu)幾乎已被窮盡，很難再有實用性的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。這種像素電路工作時一般都會有三個工作階段，會經(jīng)歷復(fù)位、補償、發(fā)光，即一個驅(qū)動周期至少要干2到3件事，因此對電路驅(qū)動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(nèi)，在最后發(fā)光時，是把Vgs-Vth轉(zhuǎn)化為電流，因為Vgs已經(jīng)含有了Vth，在轉(zhuǎn)化成電流時就把Vth的影響抵消了，從而實現(xiàn)了電流的一致性。但是實際因為寄生參數(shù)和驅(qū)動速度等影響，Vth并不能完全抵消，也即當Vth偏差超過一定范圍時（通常？Vth≥0.5V），電流的一致性就不能確保了，因此說它的補償范圍是有限的。

　　外部補償根據(jù)數(shù)據(jù)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亮后通過光學(xué)CCD照相的方法將亮度信號抽取出來，電學(xué)抽取式是指通過驅(qū)動芯片的感應(yīng)電路將TFT和OLED的電學(xué)信號抽取出來。兩種方法抽取的信號種類不同，因此數(shù)據(jù)處理的方式也不同。光學(xué)抽取的方式具有結(jié)構(gòu)簡單，方法靈活的優(yōu)點，因此在現(xiàn)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

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

　　光學(xué)外部補償方案

　　外部補償?shù)牧硪环N方式是電學(xué)補償，即通過像素內(nèi)部的TFT將驅(qū)動管的I-V特性以及OLED器件的I-V特性讀取到外部感應(yīng)電路，計算需要補償?shù)尿?qū)動電壓值并反饋給驅(qū)動面板的芯片從而實現(xiàn)補償。它需要開發(fā)具有信號提取功能的新型IC。

　　圖中Column readout作用是監(jiān)測 TFT I-V 特性變化和均勻性，監(jiān)測OLED均勻性和老化；Image processing LSI作用是根據(jù)監(jiān)測結(jié)果計算補償量，并將補償量和初始數(shù)據(jù)整合輸出給Data Driver

　　外部補償像素電路比較簡單，通常是3T1C結(jié)構(gòu)如下圖，除了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)線以外，它有一個感應(yīng)線（SENSE）可以將TFT和OLED的電流抽取到驅(qū)動IC中。

　　外部補償像素結(jié)構(gòu)

　　它有兩種抽取電信號方式，一種是抽取TFT電流，被稱作TFT sensing，一種是抽取OLED電流，被稱作OLED sensing。基本原理都是給定TFT或OLED的驅(qū)動電壓，把電流從感應(yīng)線傳抽取到驅(qū)動IC，如下圖所示

　　TFT和OLED感應(yīng)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施較復(fù)雜的算法，對TFT閾值電壓和遷移率的非均勻性以及OLED 老化等實施補償。外部電學(xué)補償?shù)募夹g(shù)難點在于實現(xiàn)高精度和高速的TFT&OLED電學(xué)參數(shù)讀取，感應(yīng)線上的寄生效應(yīng)會影響讀取速度并造成信號衰減，感應(yīng)電路的誤差會造成輸出失真，相鄰感應(yīng)線或外界環(huán)境的噪聲會干擾感應(yīng)信號的準確性。外部補償技術(shù)是一個包含面板設(shè)計，IC設(shè)計，驅(qū)動電路設(shè)計，算法設(shè)計的系統(tǒng)級方案，任何一個環(huán)節(jié)做不好都有可能影響補償效果，但是一旦實現(xiàn)精準設(shè)計，它的補償效果是最好的，可以實現(xiàn)實時補償，即在產(chǎn)品生命周期內(nèi)，在使用過程中持續(xù)進行補償，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發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的補償技術(shù)。目前內(nèi)部補償技術(shù)積累較深厚的公司是三星，外部補償業(yè)內(nèi)只有LG率先實現(xiàn)了量產(chǎn)。其他面板廠或公司都在大力投入、針對這一技術(shù)積極進行研發(fā)，BOE目前也開發(fā)完成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)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(nèi)處于領(lǐng)先地位。但即使是三星或LG，現(xiàn)在的補償技術(shù)并不能說是毫無瑕疵，還需要繼續(xù)創(chuàng)新和改進，伴隨著工藝水平和能力的進步，相信未來的AMOLED產(chǎn)品會更加完美。

　　作者簡介：吳仲遠 BOE VO SBU OLED開發(fā)副本部長2004年獲得清華大學(xué)微電子與固體物理學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，2004~2010在韓國三星半導(dǎo)體從事顯示驅(qū)動IC設(shè)計，2010年加入京東方至今一直專注于大尺寸OLED技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)負責大尺寸OLED技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)工作。個人主要研究興趣方向包括AMOLED像素設(shè)計、驅(qū)動技術(shù)、補償算法、IC設(shè)計等。主要負責的55 UHD AMOLED開發(fā)、外部補償?shù)软椖吭@集團卓越&優(yōu)秀項目獎。目前擔任SID北京分會專業(yè)技術(shù)委員會委員。