一种针对AMOLED器件劣化的电学补偿技术

2019-05-29解红军张小宝

液晶与显示 2019年4期

解红军，张小宝

(维信诺科技股份有限公司，河北固安 065500)

1 引言

OLED(Organic Light Emitting Diode)显示技术具有轻薄、宽视角、低功耗、响应速度快等特点，是目前最有希望实现柔性显示的一种技术。搭配TFT背板技术可制成具有矩阵式像素排列、采用逐行扫描来刷新图像的显示屏，称为AMOLED(Active Matrix Organic Light Emitting Diode)。近年来AMOLED显示技术逐渐发展起来，已经获得了一些市场份额，主打高端市场。尽管如此，任何新技术出来都不是完美无缺的，都要有技术演进的过程。AMOLED显示屏存在着诸多的技术问题，例如亮度不稳定、短期/长期残像、色偏、亮度衰减等等。在长期的使用过程中OLED器件发生材料劣化，发光效率降低，从显示效果上表现为亮度衰减。因此OLED器件劣化会造成AMOLED显示屏寿命下降。

此外，OLED器件劣化还会造成显示屏出现长期残像。AMOLED为主动发光型显示屏，具体位置的像素是否发光、发光的亮暗，都取决于显示图像。不发光或者发光亮度低的像素电流很小，器件劣化速度很慢；发光且亮度越高的像素电流越大，器件劣化速度越快，因此不同位置的像素发生了不同程度的劣化。出现了原来图像的印记，这就是所谓的长期残像。

寿命下降问题和长期残像问题，在工控等非消费领域显得尤为重要。必须要有一种技术对其加以改善。一种方法是优化OLED各层材料特性，优化器件结构，从根本上延缓OLED器件劣化进程；另一种方法是采用补偿技术，像补偿TFT均匀性那样补偿OLED劣化，虽然材料仍在劣化，但人眼不易识别。很显然，第一种方法属于材料和工艺领域，是从根本上加以解决，是未来的长远的技术方向，但技术发展速度缓慢；第二种方法属于驱动控制领域，是间接改善方式，效果很快即可呈现。本文技术方案属于第二种方法。对于OLED器件劣化问题，目前国内外大都将重点放在器件优化上面，而补偿技术还都处于研究阶段，未见于量产品之上。随着产品领域增多，不再局限于手机等消费品，对产品寿命及残像的要求越来越高，对补偿技术的需求变得更加明确。

伴随着AMOLED显示技术的发展诞生了补偿技术，分为内部像素补偿技术[1]和外部补偿技术。外部补偿分为光学补偿和电学补偿[2]。光学补偿使用相机拍照再补偿，不管什么原因造成，通通体现在亮度差异上，最后统一进行补偿[3]。电学补偿主要针对驱动TFT的阈值电压和迁移率进行补偿，获得更高的亮度均匀性。电学补偿分为电压型侦测和电流型侦测。电压型电学补偿发展较快，研究广泛。电流型电学补偿适合大尺寸AMOLED TV领域，技术难度大。本文提出一种电压型电学补偿方案，能够侦测OLED器件劣化程度，根据劣化程度对像素电流进行相应的补偿，从而改善AMOLED显示屏寿命问题和长期残像问题。

2 补偿技术原理

2.1 OLED劣化侦测原理

电学补偿技术分为两个部分：侦测和补偿。侦测是利用屏上某个现象与某个物理量之间存在的固有联系，感测并记录该物理量，用该物理量表征屏上现象变化的过程。补偿是利用已有的补偿数据与图像数据进行计算，得出补偿后的图像数据。

OLED器件劣化过程中，会伴有很多物理量的变化，例如OLED的电压会逐渐增大[4]，I-V斜率会逐渐变小，反向等效电容逐渐增大或减小[5]。本文提出的侦测方案是用电学方法侦测OLED器件阈值电压，用阈值电压变化量表征OLED器件的劣化程度。图1所示为OLED器件劣化引起的I-V曲线变化，在OLED的I-V曲线图中不难看出，器件劣化的过程就是曲线右移的过程，器件阈值电压也会随之增大。将OLED阈值电压随时间变化的规律提炼出来，就得到如图2所示的曲线，即OLED器件劣化引起的VTH变化。本文的侦测方法就是侦测每个像素的OLED阈值电压，将阈值电压变化量ΔVTH存储于芯片内。变化量是相对于初始VTH而言的，每个子像素的劣化程度是独立的，所以像素之间的阈值电压变化量ΔVTH也是独立的。OLED阈值电压变化量ΔVTH越大，劣化程度越严重；阈值电压变化量ΔVTH越小，劣化程度越轻微。本文定义OLED电流为1 nA时阳极与阴极的电压差为OLED的阈值电压VTH。

图1 OLED器件劣化引起的I-V曲线变化Fig.1 OLEDI-Vvariation with device degradation

图2 OLED器件劣化引起的VTH变化Fig.2 OLEDVTHvariation with device degradation

2.2 OLED劣化补偿原理

劣化补偿的目的是用算法处理图像数据，使劣化的像素获得更大的驱动电流，恢复亮度，使人眼识别不到劣化造成的亮度降低和显示残像。

对于任一型号产品，在产品开发初期进行OLED被动器件的劣化数据的搜集，得到大量样本的不同劣化程度的I-V-L(电流-电压-亮度)。用I-V数据得到器件VTH，用I-L数据得到器件发光效率η。同一时刻器件的VTH与发光效率η形成映射关系，如表1所示。

表1 器件VTH与发光效率η的映射关系Tab.1 Relation of deviceVTHand efficiencyη

若将初始的器件VTH记为VTH0，则VTH变化量为：

ΔVTH=VTH-VTH0，

(1)

因此得到ΔVTH与发光效率η的映射关系，如表2所示。

表2 器件ΔVTH与发光效率η的映射关系Tab.2 Relation of device ΔVTHand efficiencyη

将表2数据进行编码，以查找表(Look Up Table)的方式存储于芯片内。相同颜色的所有像素使用同一查找表，共有3个查找表分别对应红绿蓝三色像素。设像素初始的OLED器件阈值电压为VTH0，对应的发光效率为η0，对应灰阶的初始电流为I0。对于任一子像素来说，补偿运算时先根据其VTH得到ΔVTH，然后查出对应的发光效率η，必要时需要进行线性插值运算。然后进行如下计算，得出补偿后像素电流表达式:

(2)

其中:Kgain为电流增益倍数，由公式可知补偿后电流大于初始电流I0, 从而实现用更大的电流来弥补器件劣化造成的亮度下降，保持亮度恒定。

图3 理论补偿运算流程图Fig.3 Flow chart of compensation algorithm

像素电路[6]具有内部补偿功能，因此I0公式如下：

(3)

(4)

3 补偿技术方案设计与实现

显示模组的电路构成如图4所示，包含TCON(Timing Controller)模块，驱动芯片(Driver IC)和AMOLED面板[8]。TCON模块负责显示时序控制、侦测时序控制、侦测数据处理与数据存储、显示图像数据补偿运算，是整个系统的控制中心和数据处理中心。该显示系统有两种工作模式，显示模式和侦测模式，都由TCON完成时序控制和状态转换。Driver IC负责把图像数据转换为模拟量，输出并驱动显示屏，如图加粗箭头所示。Driver IC内还包含侦测模块，负责将屏内传出的电压转换为数字量，最后回传给TCON，如图细线箭头所示。因此该Driver IC具有电学补偿功能，这是与常规Driver IC的不同之处。

图4 AMOLED显示模组的电路构成Fig.4 Circuit block diagram of AMOLED module

AMOLED面板包含背板部分和EL发光器件部分，等等。显示屏背板采用LTPS-TFT,呈现p型MOS特性，OLED采用RGB蒸镀方式，FMM(Fine Metal Mask)蒸镀技术。发光方式为顶发光，光线穿过透明阴极。为实现电学补偿技术，AMOLED面板及像素设计具有特殊性。图5所示为像素电路简图，粗线以上为面板，下面是驱动芯片(Driver IC)。虚线以上为显示区，以下为周边电路，包含DMUX(De-multiplexer)电路和扇出(Fan out)走线。实线框表示一个子像素，虚线框为该子像素的其他部分。显示模式下SW1断开，子像素的其他部分工作，电流ID流过有机发光二极管，画面正常显示；侦测模式下SW1导通，子像素的其他部分不工作，ID为0，画面表现为黑画面(VREF电位的确定，应使OLED两极压差略高于器件平均VTH，所以侦测时单行OLED亮度很低，人眼无法识别)。

图5 像素电路简图Fig.5 Brief circuit of sub-pixel

图5中的DMUX电路为选通电路，一般为多路选通一路。该电路可降低驱动芯片的通道数目，缺点是时分复用造成充电时间减少。

图6为驱动芯片内的侦测电路，由MUX模块、采样模块[9]、模数转换(ADC)模块和输出接口模块构成。S1、S2、S3……为芯片的侦测通道，连接面板的侦测信号线(Sense line)。侦测模式有3个时段，称为预充电时段t1、放电时段t2和电压采样时段t3。图7为侦测模式下各时段的波形图。t1时段开关SW_R导通，SMP断开，VREF电压写入侦测信号线的寄生电容CP，且通过SW1写入OLED的阳极A点，即完成预充电过程。t2时段开关SW_R断开，SMP断开，CP上的电荷通过SW1流过OLED，实现对CP放电。t2时段内CP电位一直下降，直到OLED两极压差接近于器件VTH为止。为了使A点和CP电位放电充分，应保证t2时间足够长。t3时段内SW_R一直断开，首先使SMP导通，CP电位被采样到IC内部的采样电容上。然后SMP断开，SW_S1/ SW_S2/ SW_S3/......依次打开，ADC进行逐个转换，最后输出。

图6 驱动芯片内的侦测电路Fig.6 Sensing circuit of driver IC

图7 VTH侦测波形图Fig.7 Waveform ofVTHsensing

Driver IC将侦测到的电压值VA传回给TCON，若ELVSS为0 V,则初始侦测值VA等于VTH0，产品使用时侦测的VA为VTH，用公式(1)算出ΔVTH。将每个子像素的ΔVTH编码后存储于Flash芯片内，形成OLED劣化补偿数据。

产品在显示模式下需要进行实时的补偿运算，该运算在TCON板上执行。图8为TCON板硬件框架图，主要硬件为TCON芯片, DDR(Double Data Rate)芯片和Flash芯片。Flash芯片为固态存储，储存器件的特性LUT和各像素补偿数据。DDR芯片可实现快速数据吞吐，使补偿运算速度与屏幕刷新速度相匹配。系统上电后将Flash芯片内所有数据搬移到DDR内，然后进入到显示模式。