1.OLED的基本結構及原理
OLED的基本結構是由一薄而透明具半導體特性之銦錫氧化物(ITO),與電力之正極相連,再加上另一個金屬陰極,包成如三明治的結構。整個結構層中包括了:空穴傳輸層(HTL)、發光層(EL)與電子傳輸層(ETL)。當電力供應至適當電壓時,正極空穴與陰極電荷就會在發光層中結合,產生光亮,依其配方不同產生紅、綠和藍RGB三原色,構成基本色彩。OLED的特性是自己發光,不像TFT LCD需要背光,因此可視度和亮度均高,其次是電壓需求低且省電效率高,加上反應快、重量輕、厚度薄,構造簡單,成本低等,被視為 21世紀最具前途的產品之一。
有機發光二極體的發光原理和無機發光二極體相似。當元件受到直流電(Direct Current;DC)所衍生的順向偏壓時,外加之電壓能量將驅動電子(Electron)與空穴(Hole)分別由陰極與陽極注入元件,當兩者在傳導中相遇、結合,即形成所謂的電子-空穴復合(Electron-Hole Capture)。而當化學分子受到外來能量激發後,若電子自旋(Electron Spin)和基態電子成對,則為單重態(Singlet),其所釋放的光為所謂的熒光(Fluorescence);反之,若激發態電子和基態電子自旋不成對且平行,則稱為三重態(Triplet),其所釋放的光為所謂的磷光(Phosphorescence)。
當電子的狀態位置由激態高能階回到穩態低能階時,其能量將分別以光子(Light Emission)或熱能(Heat Dissipation)的方式放出,其中光子的部分可被利用當作顯示功能;然有機熒光材料在室溫下并無法觀測到三重態的磷光,故PM-OLED元件發光效率之理論極限值僅25%。
PM-OLED發光原理是利用材料能階差,將釋放出來的能量轉換成光子,所以我們可以選擇適當的材料當作發光層或是在發光層中摻雜染料以得到我們所需要的發光顏色。此外,一般電子與電洞的結合反應均在數十納秒(ns)內,故PM-OLED的應答速度非常快。
P.S.:PM-OLEM的典型結構。典型的PM-OLED由玻璃基板、ITO(indium tin oxide;銦錫氧化物)陽極(Anode)、有機發光層(Emitting Material Layer)與陰極(Cathode)等所組成,其中,薄而透明的ITO陽極與金屬陰極如同三明治般地將有機發光層包夾其中,當電壓注入陽極的空穴(Hole)與陰極來的電子(Electron)在有機發光層結合時,激發有機材料而發光。
而目前發光效率較佳、普遍被使用的多層PM-OLED結構,除玻璃基板、陰陽電極與有機發光層外,尚需制作空穴注入層(Hole Inject Layer;HIL)、空穴傳輸層(Hole Transport Layer;HTL)、電子傳輸層(Electron Transport Layer;ETL)與電子注入層(Electron Inject Layer;EIL)等結構,且各傳輸層與電極之間需設置絕緣層,因此熱蒸鍍(Evaporate)加工難度相對提高,制作過程亦變得復雜。
由于有機材料及金屬對氧氣及水氣相當敏感,制作完成後,需經過封裝保護處理。PM-OLED雖需由數層有機薄膜組成,然有機薄膜層厚度約僅1,000~1,500A°(0.10~0.15 um),整個顯示板(Panel)在封裝加干燥劑(Desiccant)後總厚度不及200um(2mm),具輕薄之優勢。
2.OLED的驅動方式
OLED的驅動方式分為主動式驅動(有源驅動)和被動式驅動(無源驅動)。
(1)、無源驅動(PM OLED)
其分為靜態驅動電路和動態驅動電路。
1、靜態驅動方式:在靜態驅動的有機發光顯示器件上,一般各有機電致發光像素的陰極是連在一起引出的,各像素的陽極是分立引出的,這就是共陰的連接方式。若要一個像素發光只要讓恒流源的電壓與陰極的電壓之差大于像素發光值的前提下,像素將在恒流源的驅動下發光,若要一個像素不發光就將它的陽極接在一個負電壓上,就可將它反向截止。但是在圖像變化比較多時可能出現交叉效應,為了避免我們必須采用交流的形式。靜態驅動電路一般用于段式顯示屏的驅動上。
2、動態驅動方式:在動態驅動的有機發光顯示器件上人們把像素的兩個電極做成了矩陣型結構,即水平一組顯示像素的同一性質的電極是共用的,縱向一組顯示像素的相同性質的另一電極是共用的。如果像素可分為N行和M列,就可有N個行電極和M個列電極。行和列分別對應發光像素的兩個電極。即陰極和陽極。在實際電路驅動的過程中,要逐行點亮或者要逐列點亮像素,通常采用逐行掃描的方式,行掃描,列電極為數據電極。實現方式是:循環地給每行電極施加脈沖,同時所有列電極給出該行像素的驅動電流脈沖,從而實現一行所有像素的顯示。該行不再同一行或同一列的像素就加上反向電壓使其不顯示,以避免“交叉效應”,這種掃描是逐行順序進行的,掃描所有行所需時間叫做幀周期。
在一幀中每一行的選擇時間是均等的。假設一幀的掃描行數為N,掃描一幀的時間為1,那么一行所占有的選擇時間為一幀時間的1/N該值被稱為占空比系數。在同等電流下,掃描行數增多將使占空比下降,從而引起有機電致發光像素上的電流注入在一幀中的有效下降,降低了顯示質量。因此隨著顯示像素的增多,為了保證顯示質量,就需要適度地提高驅動電流或采用雙屏電極機構以提高占空比系數。
除了由于電極的公用形成交叉效應外,有機電致發光顯示屏中正負電荷載流子復合形成發光的機理使任何兩個發光像素,只要組成它們結構的任何一種功能膜是直接連接在一起的,那兩個發光像素之間就可能有相互串擾的現象,即一個像素發光,另一個像素也可能發出微弱的光。這種現象主要是因為有機功能薄膜厚度均勻性差,薄膜的橫向絕緣性差造成的。從驅動的角度,為了減緩這種不利的串擾,采取反向截至法也是一行之有效的方法。
帶灰度控制的顯示:顯示器的灰度等級是指黑白圖像由黑色到白色之間的亮度層次。灰度等級越多,圖像從黑到白的層次就越豐富,細節也就越清晰。灰度對于圖像顯示和彩色化都是一個非常重要的指標。一般用于有灰度顯示的屏多為點陣顯示屏,其驅動也多為動態驅動,實現灰度控制的幾種方法有:控制法、空間灰度調制、時間灰度調制。
(2)、有源驅動(AM OLED)
有源驅動的每個像素配備具有開關功能的低溫多晶硅薄膜晶體管(LowTemperature Poly-Si Thin Film Transistor, LTP-Si TFT),而且每個像素配備一個電荷存儲電容,外圍驅動電路和顯示陣列整個系統集成在同一玻璃基板上。與LCD相同的TFT結構,無法用于OLED。這是因為LCD采用電壓驅動,而OLED卻依賴電流驅動,其亮度與電流量成正比,因此除了進行ON/OFF切換動作的選址TFT之外,還需要能讓足夠電流通過的導通阻抗較低的小型驅動TFT。
有源驅動屬于靜態驅動方式,具有存儲效應,可進行100%負載驅動,這種驅動不受掃描電極數的限制,可以對各像素獨立進行選擇性調節。
有源驅動無占空比問題,驅動不受掃描電極數的限制,易于實現高亮度和高分辨率。
有源驅動由于可以對亮度的紅色和藍色像素獨立進行灰度調節驅動,這更有利于OLED彩色化實現。
有源矩陣的驅動電路藏于顯示屏內,更易于實現集成度和小型化。另外由于解決了外圍驅動電路與屏的連接問題,這在一定程度上提高了成品率和可靠性。