OLED显示原理调研.docx

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OLED显示原理调研

OLED显示原理

一、简介

OLED（OrganicLight-EmittingDiode,有机发光二极管）是指有机半导体材料和发光材料在电场的作用下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。

其原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电场作用下，电子和空穴分别从阳极和阴极注入到电子和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。

OLED与LCD最大的不同在于，LCD技术可以简单的理解为，外界施加电压使液晶如闸门般地阻隔背光或让背光穿透，进而将光线投射在不同颜色的彩色滤光片中形成图像。

而OLED是通过电流驱动有机薄膜本身来发光的，发的光可为红、绿、蓝、白等单色，同样也可以达到全彩的效果。

优点：

1．厚度可以小于1毫米，仅为LCD屏幕的1/3，并且重量也更轻；

2．固态机构，没有液体物质，因此抗震性能更好，不怕摔；

3．几乎没有可视角度的问题，即使在很大的视角下观看，画面仍然不失真；

4．响应时间是LCD的千分之一，显示运动画面绝对不会有拖影的现象；

5．低温特性好，在零下40度时仍能正常显示，而LCD则无法做到；

6．制造工艺简单，成本更低；

7．发光效率更高，能耗比LCD要低；

8．能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔软显示器。

缺点：

1．寿命通常只有5000小时，要低于LCD至少1万小时的寿命；

2．不能实现大尺寸屏幕的量产，因此目前只适用于便携类的数码类产品；

3．存在色彩纯度不够的问题，不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩。

二、基本结构与发光原理

OLED的基本结构如图1所示。

它由以下各部分组成：

基层（透明塑料，玻璃，金属箔）——基层用来支撑整个OLED。

1阳极（透明）——阳极在电流流过设备时消除电子（增加电子“空穴”）。

2有机层——有机层由有机物分子或有机聚合物构成。

3导电层——该层由有机塑料分子构成，这些分子传输由阳极而来的“空穴”。

可采用聚苯胺作为OLED的导电聚合物。

4发射层——该层由有机塑料分子（不同于导电层）构成，这些分子传输从阴极而来的电子;发光过程在这一层进行。

可采用聚芴作为发射层聚合物。

5阴极（可以是透明的，也可以不透明，视OLED类型而定）——当设备内有电流流通时，阴极会将电子注入电路。

图1OLED基本结构

如图2所示，OLED的发光过程通常由以下5个阶段完成。

1．在外加电场的作用下载流子的注入：

电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜注入。

2．载流子的迁移：

注入的电子和空穴分别从电子输送层和空穴输送层向发光层迁移。

3．载流子的复合：

电子和空穴复合产生激子。

4．激子的迁移：

激子在电场的作用下迁移，能量传递给发光分子，并激发电子从基态跃迁到激发态。

5．电致发光：

激发态能量通过辐射跃迁，产生光子，释放出能量。

图2OLED的发光过程

目前在OLED全彩显示器技术方面，实现彩色化的方法主要有3种：

独立发光材料法，光色转换法以及彩色滤光薄膜法。

独立发光材料法：

如图3所示，是以红绿蓝三色为独立发光材料进行发光，是目前OLED彩色化最常用的工艺方法。

图3独立发光材料法图4光色转换法

光色转换法：

如图4所示，主要利用蓝光为发光源，经由光色转换薄膜将蓝光分别转换成红光或绿蓝光进而实现红绿蓝三色光。

彩色滤光膜法：

如图5所示，有些类似LCD，采用白色光源透过类似LCD的彩色滤光片来达到全彩的效果。

图5彩色滤光膜法

三、电路驱动

根据驱动电路与基板的关系，OLED分为有源驱动和无源驱动有机发光显示器两大类。

对于无源驱动有机发光显示器，基板周边需要外接驱动电路的有机发光显示器。

显示基板上的显示区域仅仅是发光像素（电极，各功能层），所有的驱动和控制功能由集成IC完成，（IC可以置于在基板外或者基板上非显示区域）。

无源矩阵的驱动方式为多路动态驱动，这种驱动方式受扫描电极数的限制，占空比系数是无源驱动的重要参数。

对于有源驱动有机发光显示器：

外围驱动电路和显示阵列集成在同一基板上的有机发光显示器。

在显示基板上的显示区域内，每个像素至少配备两个薄膜晶体管和一个电荷存储电容，用于保证扫描寻址时，扫描一场的周期内，每个像素的发光与否的状态不变。

静态驱动：

如图6所示，各有机电致发光像素的相同电极（比如阴极）是连在一起引出的，各像素的另一电极（比如阳极）是分立引出的。

分立电极上施加的电压决定对应像素是否发光，在一幅图像的显示周期中，像素发光与否的状态是不变的。

动态驱动：

如图7所示，显示屏上像素的两个电极做成了矩阵型结构，即水平一组显示像素的同一性质的电极是共用的，纵向一组显示像素的相同性质的另一电极是共用的。

如果像素可分为N行M列，就可以有N个行电极和M个列电极，我们分别把它们称为行电极和列电极。

为了点亮整屏像素，将采取逐行点亮或者逐列点亮，点亮整屏像素时间小于人眼视觉暂留极限20ms的方法。

图6静态驱动图7动态驱动

有源矩阵的驱动方式属于静态驱动方式，有源矩阵OLED具有存储效应，可进行100%负载驱动，这种驱动不受扫描电极数的限制，可以对各像素独立进行选择性调节。

有源矩阵可以实现高亮度和高分辨率。

 无源矩阵由于有占空比的问题，非选择时显示很快消失，为了达到显示屏一定的亮度，扫描时每列的亮度应为屏的平均亮度乘以列数。

如64列时, 平均亮度为100cd/m2, 则1列的亮度应为6400cd/m2。

随着列数的增加，每列的亮度必须相应增加，相应的必须提高驱动电流密度。

由此可以看出，无源矩阵难以实现高亮度和高分辨率。

 有源矩阵无占空比问题，驱动不受扫描电极数的限制，易于实现高亮度和高分辨率。

有源驱动还具有其他许多优点，例如提高了发光亮度、减少了电极引线的功耗、提高了均匀性和寿命，使大面积高分辨率显示成为可能。

图8单个像素的双管驱动电路

对于OLED驱动控制系统的实现，关键技术在于数据的写入和扫描控制，如图8所示为单个像素的双管驱动电路。

一个TFT用来寻址，另一个是电流调制晶体管，用来为OLED提供电流。

为防止OLED开启电压的变化导致电流变化，使用的是P沟器件，这样OLED处于驱动TFT的漏端，源电压与有机层上的电压无关。

DataLine与寻址TFT的源级相连，ScanLine使地址TFT选通，数据线上的内容通过漏级写入到存储电容CS上，并以电荷的形式暂存。

当PowerLine为高电平时，驱动TFT的源级为高电平，同时CS上的电荷将选通驱动TFT，其漏电流流过OLED显示器件，驱动其发光。

数据线电平的高低决定了像素的亮暗。

四、灰阶显示

OLED灰度调制从原理上讲，可分为三类：

幅值调制法，时间调制法，空间调制法。

幅值调制法：

OLED是一种电流驱动器件，亮度正比于电流密度。

当发光面积为常数时，亮度正比于电流。

通过调制电流幅值来实现灰度显示。

空间调制法：

如图9所示，其基本原理是把每个像素分成为若干个子像素，那么每个像素的灰度将由子像素被点亮的数目来决定。

按照这种方法，具体的实现方式为，将OLED显示屏上的一个显示单元定义成许多子单元的集合，这些子单元是可独立控制的；当该单元中不同数量的子单元被选通时，将获得相应灰度等级；由不同数量的子像素的选通组合而组成的显示像素，就会显示出不同的灰度级别。

这种方法是用降低分辨率和增加微细加工的成本来换取一定的灰度级别的，为了保持原有的分辨率，必须在原有的子像素基础上，对子像素再次进行分割加工起来必将十分困难。

图9空间调制法

时间调制法：

在较短的时间范围内，人眼对亮度的感觉取决于发光物体的发光强度和发光体点亮的时间，即点亮的时间越长，人眼对发光强度的感觉也就越强，呈现出类似于积分的效果。

是常用的灰度显示方案之一，主要有脉宽调制法、子分场调制法。

脉宽调制法：

脉宽调制法是把行扫描周期分段，例如为实现16级灰度级显示，可以行扫描周期再把分解成16个子段。

在各个子段上，由列电极按一定的时间比例加上导通/断开的电压。

当全部子段上都加上导通电压时，该单元即处于选通状态，从而具有最高等级的亮度；反之，当全部都加上断开电压时，该单元即处于非选通状态，从而具有最低等级的亮度；而当一部分子段处于导通状态、另一部分子段处于断开状态时，根据断开和导通时间的长短，就可以实现不同的灰度显示。

这样，在每个子段的时间都是很小的时候，从而实现高灰度级的显示。

其缺点是时序关系复杂，电路开销大，且受到OLED显示器不能响应过窄的脉冲宽度值的限制。

子分场调制法：

子分场调制法也是一种时间灰度调制的方式。

如前所述，在一定的时间范围内，点亮的时间越长，人眼对发光强度的感觉也就越强。

子分场调制技术就是利用人眼视觉上的这种暂留特性，将OLED的点亮时间分成若干个子分场，利用点亮的时间不同来区分亮度，以实现灰度级显示。

将OLED的发光单元只当作“熄灭”和“发光”两种状态，将一帧内的输入信号的显示时间按1：

2：

4：

8…的比例分成若干个子分场，利用子分场的组合就可以得到任意级别的灰度显示所对应的像素点亮时间，以此来实现OLED的灰度级显示。

对于全彩色OLED显示屏，只需将RGB三色像素以各自的方式驱动，然后在屏上进行合成即可。