淺談AMOLED補(bǔ)償技術(shù)

　　有機(jī)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(duì)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)問題，除了工藝的改善，就不得不提到補(bǔ)償技術(shù)。

　　介紹補(bǔ)償技術(shù)之前，首先我們來看看AMOLED為什么需要補(bǔ)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(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?yàn)長(zhǎng)TPS 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(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(shù)上具有非均勻性，這種非均勻性會(huì)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(zhǎng)時(shí)間加壓和高溫下，其閾值電壓會(huì)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(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(xiàn)為殘影現(xiàn)象，也就是通常所說的殘像。

　　因此，在當(dāng)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(huì)隨著點(diǎn)亮?xí)r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(jì)上通過各種補(bǔ)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(dòng)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(dòng)電壓以及電源電壓的大小。補(bǔ)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(dá)到理想值。因?yàn)樽兞刻啵夹g(shù)難度很大，補(bǔ)償技術(shù)已成為 AMOLED顯示的核心技術(shù)之一。

　　補(bǔ)償方法可以分為內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償兩大類。內(nèi)部補(bǔ)償是指在像素內(nèi)部利用TFT構(gòu)建的子電路進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。外部補(bǔ)償是指通過外部的驅(qū)動(dòng)電路或設(shè)備感知像素的電學(xué)或光學(xué)特性然后進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒āＭǔ?nèi)部補(bǔ)償?shù)南袼亟Y(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式都較復(fù)雜，且補(bǔ)償效果僅限于TFT 閾值電壓和IR Drop，補(bǔ)償范圍偏小，難以解決殘像問題。這種補(bǔ)償方式在TV產(chǎn)品中應(yīng)用不多，但是在手機(jī)/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(bǔ)償?shù)姆绞骄哂邢袼亟Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)速度快和補(bǔ)償范圍大的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，在大尺寸AMOLED TV顯示應(yīng)用中，外部補(bǔ)償被認(rèn)為是較佳的補(bǔ)償方案。但是最近隨著用戶對(duì)產(chǎn)品特性的要求提高，外部補(bǔ)償也在逐漸向中小尺寸應(yīng)用中發(fā)展。

　　下圖是一個(gè)典型的內(nèi)部補(bǔ)償型電路，它由7個(gè)TFT和1個(gè)存儲(chǔ)電容組成，因此被簡(jiǎn)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(bǔ)償電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)幾乎已被窮盡，很難再有實(shí)用性的結(jié)構(gòu)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(fù)位、補(bǔ)償、發(fā)光，即一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期至少要干2到3件事，因此對(duì)電路驅(qū)動(dòng)能力和面板上的負(fù)載都有一定要求。它的一般工作思路是在補(bǔ)償階段把TFT的閾值電壓 Vth先儲(chǔ)存在它的柵源電壓Vgs內(nèi)，在最后發(fā)光時(shí)，是把Vgs-Vth轉(zhuǎn)化為電流，因?yàn)閂gs已經(jīng)含有了Vth，在轉(zhuǎn)化成電流時(shí)就把Vth的影響抵消了，從而實(shí)現(xiàn)了電流的一致性。但是實(shí)際因?yàn)榧纳鷧?shù)和驅(qū)動(dòng)速度等影響，Vth并不能完全抵消，也即當(dāng)Vth偏差超過一定范圍時(shí)（通常？Vth≥0.5V），電流的一致性就不能確保了，因此說它的補(bǔ)償范圍是有限的。

　　外部補(bǔ)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(diǎn)亮后通過光學(xué)CCD照相的方法將亮度信號(hào)抽取出來，電學(xué)抽取式是指通過驅(qū)動(dòng)芯片的感應(yīng)電路將TFT和OLED的電學(xué)信號(hào)抽取出來。兩種方法抽取的信號(hào)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(jiǎn)單，方法靈活的優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)階段被廣泛采用。

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

　　外部光學(xué)補(bǔ)償原理圖

　　其補(bǔ)償過程是用CCD對(duì)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(duì)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。在對(duì)某一顯示圖像進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，我們根據(jù)輸入灰階相對(duì)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(dá)到相同的亮度，所對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償灰階，對(duì)所有的子像素都進(jìn)行類似操作，我們就可以得到一個(gè)所謂的補(bǔ)償圖像，使用這個(gè)補(bǔ)償圖像驅(qū)動(dòng)背板，就可以達(dá)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(zhǔn)確抓到每個(gè)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(zhǔn)確定位、摩爾紋等問題。因?yàn)楣鈱W(xué)補(bǔ)償要借助專業(yè)化的設(shè)備，只能在出廠前做初始化校準(zhǔn)，無法在產(chǎn)品使用中進(jìn)行補(bǔ)償，因此只能補(bǔ)償顯示非均勻性，無法補(bǔ)償使用中產(chǎn)生的殘像。

　　光學(xué)外部補(bǔ)償方案

　　外部補(bǔ)償?shù)牧硪环N方式是電學(xué)補(bǔ)償，即通過像素內(nèi)部的TFT將驅(qū)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(yīng)電路，計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)電壓值并反饋給驅(qū)動(dòng)面板的芯片從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。它需要開發(fā)具有信號(hào)提取功能的新型IC。

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

　　外部補(bǔ)償像素電路比較簡(jiǎn)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(gè)感應(yīng)線（SENSE）可以將TFT和OLED的電流抽取到驅(qū)動(dòng)IC中。

　　外部補(bǔ)償像素結(jié)構(gòu)

　　它有兩種抽取電信號(hào)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?；驹矶际墙o定TFT或OLED的驅(qū)動(dòng)電壓，把電流從感應(yīng)線傳抽取到驅(qū)動(dòng)IC，如下圖所示

　　TFT和OLED感應(yīng)方式

　　讀出電信號(hào)后，外部補(bǔ)償方式可借助外部的集成電路芯片實(shí)施較復(fù)雜的算法，對(duì)TFT閾值電壓和遷移率的非均勻性以及OLED 老化等實(shí)施補(bǔ)償。外部電學(xué)補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)難點(diǎn)在于實(shí)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(huì)影響讀取速度并造成信號(hào)衰減，感應(yīng)電路的誤差會(huì)造成輸出失真，相鄰感應(yīng)線或外界環(huán)境的噪聲會(huì)干擾感應(yīng)信號(hào)的準(zhǔn)確性。外部補(bǔ)償技術(shù)是一個(gè)包含面板設(shè)計(jì)，IC設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，算法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級(jí)方案，任何一個(gè)環(huán)節(jié)做不好都有可能影響補(bǔ)償效果，但是一旦實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，它的補(bǔ)償效果是最好的，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，即在產(chǎn)品生命周期內(nèi)，在使用過程中持續(xù)進(jìn)行補(bǔ)償，可有效提升產(chǎn)品壽命。

　　由于補(bǔ)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(shí)產(chǎn)權(quán)的補(bǔ)償技術(shù)。目前內(nèi)部補(bǔ)償技術(shù)積累較深厚的公司是三星，外部補(bǔ)償業(yè)內(nèi)只有LG率先實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。其他面板廠或公司都在大力投入、針對(duì)這一技術(shù)積極進(jìn)行研發(fā)，BOE目前也開發(fā)完成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償技術(shù)，并已完成了在產(chǎn)品端的驗(yàn)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(bǔ)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(jìn)，伴隨著工藝水平和能力的進(jìn)步，相信未來的AMOLED產(chǎn)品會(huì)更加完美。

　　作者簡(jiǎn)介：吳仲遠(yuǎn) BOE VO SBU OLED開發(fā)副本部長(zhǎng)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(dòng)IC設(shè)計(jì)，2010年加入京東方至今一直專注于大尺寸OLED技術(shù)領(lǐng)域。現(xiàn)負(fù)責(zé)大尺寸OLED技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)工作。個(gè)人主要研究興趣方向包括AMOLED像素設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、補(bǔ)償算法、IC設(shè)計(jì)等。主要負(fù)責(zé)的55 UHD AMOLED開發(fā)、外部補(bǔ)償?shù)软?xiàng)目曾獲集團(tuán)卓越&優(yōu)秀項(xiàng)目獎(jiǎng)。目前擔(dān)任SID北京分會(huì)專業(yè)技術(shù)委員會(huì)委員。