OLED矩阵显示屏控制电路的设计

1. 引言

        有机电致发光显示(OLED)技术是下一代最有竞争力的平板显示技术。目前, OLED的研究重点是提高器件的稳定性、发光效率和高质量动态显示的驱动技术以达到实用化的要求.本文从实用的角度出发,首先论述了稳定的绿色有机薄膜电致发光器件的研制，阐述了96×64点阵的PM-OLED显示屏的制作，重点论述了利用Solomon公司的新产品,集控制器、行驱动器和列驱动器于一体的专用于OLED显示控制驱动电路SSD1303和单片机AT89C51驱动OLED显示屏的方法。本文工作结果是从实验室到应用的尝试,为OLED的实际应用提供了一种可行的方法。

2.矩阵显示屏的制备

2.1 OLED采用的结构及材料

        OLED的结构采用目前较为成熟的多层结构,即在阳极和阴极之间夹多层有机薄膜组成的稳定的绿色有机薄膜电致发光器件。结构为ITO/CuPc/NPB/Alq3:QA/Mg:Ag。

为了有效地从阳极注入空穴,要求阳极的功函数尽可能高,采用ITO(铟锡氧化物)作阳极.

        为了有效地向有机材料注入电子,阴极材料的功函数要低。如Mg、Li等,但由于它们在空气中易氧化而不稳定,因此可采用与其它稳定金属合金的办法,我们采用Mg:Ag做阴极,既可以提高器件量子效率和稳定性,还可以在有机膜上形成稳定坚固的金属薄膜。

        加入CuPc(酞菁铜) 缓冲层,是为了提高器件稳定性和寿命.NPB(二胺衍生物: Ｎ,Ｎ’-二(1-萘基)-N,Ｎ’-二苯基-1,1’-联苯-4,4’-二胺)为空穴传输层。 电子传输层兼发光层为Alq3（8-羟基喹啉铝），它既是一种电致发光材料,也是一种电子传输材料。传输层的引入是为了改善电子和空穴的注入平衡,以提高器件的发光效率.QA(喹吖啶酮)为器件产生绿光的掺杂剂，而掺QA的器件在稳定性上具有优势。
.
2.2显示屏的制备

        ＰＭ-OLED使用普通的矩阵交叉屏, OLED位于交叉排列的阳极和阴极中间,通过对阳极和阴极组合的选通,可以控制每一个OLED的点亮。

        矩阵显示屏的制备是在ITO导电玻璃上采用光刻工艺形成X方向的条状电极（阳极）,其线宽为0.4mm,线间距0.1mm,然后在上面相继蒸发上CuPc、NPB、Alq3及掺杂剂QA,最后制作Y方向的金属Mg:Ag合金电极（阴极）,其线宽也为0.4mm,线间距0.1mm,制作了每个像素尺寸0.4×O.4(mm2), 矩阵显示屏分辩率96×64,有效面积48×32 mm2. 由于ITO表面的清洁程度对器件的性能影响极大,在蒸发之前,要对ITO基片进行清洁处理,包括超声清洗、经有机溶剂蒸汽脱脂处理后,再用去离子水多次冲洗和氧等离子体处理等。

        我们采用PR650、Keithley 2400 Source Meter等测试仪对像素特性进了测量，当外加电压>15V时，器件所能达到的亮度＞10000cd/m2 。当电流密度为20mA/cm2时,器件的亮度是1900 cd/m2 ，由于OLED属于电流型器件，显示器的亮度可用电流来控制。我们用归一化亮度(亮度/初始亮度)与工作时间(小时)的关系曲线来表示器件衰退曲线,初始亮度为420 cd/m2,半亮度寿命为3300小时, 当初始亮度为100 cd/m2,半亮度寿命为13860小时,因此显示屏完全达到了实用化要求。

3. OLED矩阵显示屏驱动IC的选择

        目前,世界上有多家公司正在从事OLED专用IC的设计工作, 我国内地还没有能生产OLED专用IC的公司，在国际上实力比较强的有我国香港的Solomon公司和美国的Clare公司等。
        Clare公司生产的用于OLED显示的驱动IC,有MXED102行驱动器和MXED202列驱动器I C等,被认为是综合的、成品OLED显示驱动器.

        Solomon公司投入市场的SSD1301被公认为是第一枚把控制器、行驱动器、列驱动器集成于一体的专用于OLED显示控制驱动的集成电路.而SSD1303是目前Solomon公司新推出的产品, 通过实验,我们用SSD1303成功驱动了96×64点阵的OLED显示屏.

        SSD1303芯片内部电路框图如图1所示：主要由MCU接口、命令译码器、振荡器、显示时序发生器、电压控制与电流控制、区颜色译码器、和图形显示数据存储器(ＧＤＤＲＡＭ)、行驱动和列驱动组成。这种ＩＣ的专用ＯＬＥＤ驱动方案使ＯＬＥＤ显示性能最佳,降低了功耗。该器件采用ＴＣＰ/ＴＡＢ封装。具有驱动最大132×64点阵的图形显示、提供的逻辑电源为2.4～3.5Ｖ、供给ＯＬＥＤ屏的电源为7.0～16Ｖ、列输出的最大电流为320μＡ、行输入的最大电流为４5mＡ、低电流睡眠模式小于5μＡ、256级对比度控制,可编程帧频、具有几个ＭＣＵ接口,如68/80并行总线和串行的周边接口、132×65ｂｉｔ显示缓冲器、可以垂直滚动、支持部分显示、工作温度：-40 oC～ 85 oC.采用此类芯片可进一步提高产品的可靠性和竞争力,是今后的主流产品。

4．系统硬件及软件设计:

        整个系统由单片机、控制驱动电路SSD1303和OLED显示屏三部分组成.SSD1303与单片机接口的引脚有：DO～D7为与单片机接口的数据总线，R/W(RW#)为读写选择信号，D/C为数据/命令选择信号，CS#为片选信号,低电平有效，E(RD#)为使能信号，RES#为复位信号。单片机采用ATMEL 公司生产的低功耗、高性能的AT89C51, AT89C51与SSD1303和显示屏的硬件接线如图2所示,Ｐ1.0、Ｐ1.1、Ｐ1.2、Ｐ1.3、Ｐ1.4分别与SSD1303的R/W(RW#)、D/C、CS#、E(RD#)、RES#相连,Ｐ0口与SSD1303的数据总线相连。其它引脚的连线VCC接12V，VDD接2.7V，VSS接地等。下面通过程序来控制这些引脚,从而使OLED显示需要的汉字或图形.主程序软件流程图如图3所示。

        图2 单片机AT89C51与SSD1303和显示屏的硬件接线

                                                                                         图3 主程序软件流程图

5．结论　　 

        根据以上方案,我们在研究了稳定的绿色有机薄膜电致发光器件的基础上，制作出了96×64点阵的OLED显示屏，并用SSD1303和AT89C51成功驱动了该显示屏,显示效果较好，但在试验过程中我们发现,在显示中还有某些缺陷,产生的原因主要是目前现有的OLED制作工艺上的某些不足,这些都有待于在以后的工作中进一步解决。我们相信随着平板显示器市场需求的日趋增长，OLED显示技术将会得到进一步的开发，作为最有发展前景的显示器件之一，OLED将会成为平板显示应用领域中的一种主流技术。

        本文的创新点在于提高了绿色有机薄膜电致发光器件的稳定性并达到了实用化要求，并设计了OLED矩阵显示屏的控制电路，为OLED从实验室的研究到实际应用提供了一种有效的途径，对推动OLED显示器的产业化进程有着积极的意义。

参考文献:

[1] Borchardt.John K.Developments in organic displays[J].Materials Today 2004,7(9):42～46

[2]Yoon-Heung Tak , Ki-Beom Kim, Hyoung-Guen Park , et al. Criteria for ITO (indium.tin-oxide) thin film as the bottom electrode of an organic light emitting diode[J].thin Solid Film,2002,411(5):12～16.

[3] Lee Jiun-Haw,Liao Chi-Chih,Hu Pier-Jy, et al. High contrast ratio organic light-emitting devices based on CuPC as electron
transport material[J], Synthetic Metals; 2004, 144(8):279～283

[4] Pfeiffer M,Forrst.S.R,Zhou,X, et al .A low drive voltage, transparent, metal-free n–i–p electrophosphorescent light emitting diode[J].Organic Electronics Volume 2003,4(6):21～26

[5]Landsburg, George; Micronix, Clare. OLED and cholesteric displays demand new driver –IC designs[J]. Electronic Design, 2001,49(05) :81～84

[6]王单，李平.单片机控制的OLED全彩色静态和动态视频图像显示[J].微计算机信息，2005,21(11)，9-11

[7]李会录,冯佳宁,马学军. 有机电致发光显示技术[J] .现代显示,2003,37(3):10-15

[8]宫莹光,高丽,张步新.OLED矩阵显示屏运动图像的一种实现方法[J].上海大学学报,2003,8(8):326-329

[9]蒋泉,成建波,林祖伦.OLED驱动控制电路的研究[J].光电子技术.2003,23(4):257～260