随着新能源汽车的发展和日益激烈的竞争,车载显示也发生了巨大的变化。从传统的机械仪表,嵌入中控面板,发展到现在LCD显示屏,mini-LED,OLED显示多种显示百花齐放的状态。目前OLED显示屏因其显示色彩丰富,轻薄,响应速度快,可做柔性显示等特点,已经逐渐成为高端车型的标配,那什么是OLED显示技术呢?这期就针对OLED技术做下详细的介绍。
本文主要从AMOLED介绍,显示技术分类以及AMOLED工作原理做对应的介绍。
OLED(有机发光二极管)显示技术分为主动矩阵型AMOLED和被动矩阵型PMOLED两种,都属于差异点主要在于驱动方式不同。受限于显示分率和刷新率,目前PMOLED不适合用在高端显示中,我们消费穿戴,手机,平板,电脑类以及车载的OLED显示都是指的AMOLED(有源/主动矩阵有机发光二极管)显示技术。

AMOLED分为控制电路和发光二极管构成矩阵型阵列,通过驱动电流大小控制不同像素发不同亮度的光从而显示图像。控制电路里面最主要的控制器件为TFT(薄膜晶体管),当然还有电容等,TFT主要作为控制开关以及电流驱动等功能。而发光二极管则为有机多层材料叠层构成的发光器件。因为其为电流驱动且为主动发光,因此相较LCD背光和液晶偏转来说,具有较优的显示效果,如高色域,高动态对比度,黑态较为深邃,响应速度较快。而根据结构差异,OLED能做得更为轻薄且具有可弯折性。

OLED技术的发展可以说始于日本,发展于韩国,最后这几年在中国发展壮大。

OLED的技术主要有背板技术,发光技术,以及封装技术的不同技术路线。背板这块TFT分为LTPS和Oxide或两者的混合技术,主流的为LTPS背板技术,在大尺寸的世代上则会用到Oxide TFT,对于LTPS和Oxide的混合TFT技术LTPO则是由苹果首先在Apple Watch上应用(备注:为啥没有a-Si TFT技术应用到OLED?主要电子迁移率太低,不适合OLED)。补充说明,背板技术这块还有基材的区分,如承载驱动电路的为玻璃基材,则称为刚性OLED,若承载驱动电路的为柔性基材(例如PI,聚酰亚胺)则称为柔性OLED,目前在所有面板厂中以柔性OLED为主,刚性仅较少的份额。发光技术根据结构可分为RGB-OLED(小尺寸主流),W-OLED或B-OELD(大尺寸LG技术路线)。若根据实现技术分,一般的工艺为蒸镀工艺,还有华星和JOLED的喷墨打印技术。最后,封装技术这块,现在主流的封装技术为柔性封装(也称TFE薄膜封装)和硬板封装(玻璃封装)。
主流的技术:LTPS+RGB-OLED+TFE薄膜封装

如上面介绍,OLED的背板技术主要为LTPS和OXIDE TFT技术。LTPS技术因为为低温多晶硅构成的TFT,相较于非晶硅和氧化物具有较高的电子迁移率和阈值电压可靠性。但由于低温多晶硅需要利用准分子激光退火(Excimer Laser Annealing, ELA)将非晶硅(a-Si)转变为多晶硅(p-Si),从而使电子迁移率提高了数百倍,由此可以提升高端薄膜晶体管或显示屏中的像素密度,其对激光设备和均一性要求较高,目前阵列大板尺寸限制在G6世代线。而oxide TFT技术则无需上述技术,主要靠CVD/PVD(化学气相沉积和物理气相沉积)成膜,因此基本不受世代线限制,可以做G8.5。该技术已经在LCD工艺上实现稳定量产,可以移植到OLED阵列工艺上。目前主流的OLED面板厂像三星,京东方,天马,华星,维信诺均为LTPS TFT技术或LTPO技术,单纯的OXIDE TFT主要为LG的G8.5配合WOLED的技术路线。

OLED发光器件根据制作工艺分可以分为蒸镀法和印刷法(喷墨打印),目前主流厂商基于成熟的R/G/B OLED小分子的蒸镀工艺完成OLED器件的制作,其核心设备为蒸镀机,主要依赖于佳能Tokki的设备,一台设备就要达到1亿美金,是整个OLED工艺中最昂贵的设备。而OLED印刷工艺则在于突破OLED蒸镀和mask的尺寸限制的另一条技术路线,采用的是R/G/B大分子用喷墨打印的工艺完成OLED器件的制作,其特点在于无需mask掩模板,可以做大尺寸面板,成本较低,难点在于油墨材料的稳定性和喷墨工艺,目前主要有华星的聚华印刷和日本JOLED两家仍在进行技术和产品开发,可惜目前还未达到蒸镀法的成熟度和稳定度。

另外,OLED发光器件根据结构差异可以分为RGB OLED,W-OLED,蓝光QD-OLED。RGB OLED的结构为R/G/B三个子像素的发光材料独立发光,W-OLED为白光OLED+三色彩色滤光片进行发光,QD-OLED 为蓝光OLED配色变转换层(如QD膜)将蓝光转换成RGB三色。在目前的三种技术路线中,蒸镀白光技术是最成熟的,也是目前应用最广泛的主流技术,其它两种技术还有很大的提升空间。虽然目前只有LG Display已实现大尺寸OLED面板的量产,但三星显示、京东方、TCL华星都在通过其他技术路线进行研发突破。京东方积极拓展OLED技术和产能,蒸镀白光OLED电视面板正在研发中。三星显示重点布局量子点QD-OLED技术路线。TCL华星着力推进印刷OLED技术,如今已取得突破。
介绍完OLED技术的分类,下面着重介绍下OLED技术的工作原理。因涉及到的知识非常专业,下面通过类比的方式进行介绍。

我们知道所有发光的产品都是由发光体和开关控制两部分组成,如家里的电灯,由灯泡和开光配合组成,显示屏也不列外。AMOLED的显示屏可以理解为array制程制作开关电路,OLED制程制作OLED发光器件,然后将两者组合在一起的发光体,只不过显示屏因为需要显示比较精细,发光体比较小,微米级,重复形成精细的二维发光矩阵(矩阵的多少就有屏幕的分辨率决定,如1920*1080,就是纵向1920个Pixel,横向1080个pixel的矩阵),且需要显示更多的颜色,因此需要显示的三原色R/G/B进行配色显示,最终就是我们在放大镜下看到的红绿蓝发光矩阵了。

了解了OLED显示的基本逻辑,其工作原理可以简化为如下图。以红绿蓝三色的发光二极管为主体,矩阵型重复布置。红绿蓝三角形代表了三原色的OLED发光器件,为发光的基础,一个红绿蓝重复单元代表一个pixel。而里面的每一个开关的作用,主要为控制单一的OLED灯泡的何时开启以及开启多大。何时开启某个子像素点以及某个像素点开多大主要是根据每帧图片本身决定,每帧图片可以解析为每个子像素点的二进制码,每个子像素的二进制码多少值对应改子像素开启多大亮度,如果为0则代表不开启。从这里就可以看到控制OLED发光的开关电路则非常关键。

那OLED的开关电路具体是如何的呢?因为需要控制开关时间,就需要GOA(Gate on Array)/EOA(Emmision on Array)电路,需要控制开多大,则需要像素电路分别进行精细的控制。

GOA/EOA电路在屏幕两侧,因此其设计影响屏幕边框的尺寸,主要为为每行的像素电路进行重置,充电和放电发光,使屏幕逐行扫描发光从而形成一帧画面,其一帧扫描的时间为屏幕帧率1/N。具体的电路稍复杂,在此处不做过多展开。

下面具体介绍下每个子pixel下面的像素电路。标准的OLED像素电路为7T1C(7个TFT和1个Capacity)设计,像素电路主要由TFT和电容两种器件组成,其中TFT主要有两个功能,一类是开关作用(如图中M1~M7中除M3外的TFT),一类控制驱动电流的从而控制OLED发多亮的光(如图中M3 TFT),TFT的工作原理是由gate的电压控制S/D流过的电流,也就是开启关闭或者电流大小,类似水龙头的开关之于出水量的关系。电容的作用为储存电荷保持电压,从而延长稳定的发光时间。像素电路除了两类器件外,还需要对应的供电信号输入。其中对应OLED器件发光的阳极电压PVDD和阴极电压PVEE。Vdata为给予每个子像素输出多大电流对应驱动TFT的电压值。Vref电压为重置上一帧写入子像素Vdata的参考电压,防止下一帧Vdata电压受影响。Scan1/Scan2为GOA电路输入到每行pixel的控制时序的开关信号,以及Emit为EOA电路产生的控制此行发光步骤的开关信号。

具体的发光原理参考如上补偿电路和发光时序时序图,图像每帧像素每行的发光可以简化分为三步(也有分为四步的):STEP 1. N1点及OLED阳极重置;STEP 2. Vdata数据写入N1点;STEP 3. 发光时段,逐行扫描进行,然后每帧重复。STEP 1 Scan1信号低电平,对应的TFT M5&M7开启,Vref信号与N1点和N4点(OLED阳极)连接,因其电压较低,可以对此两点进行电压重置,为下阶段做准备。STEP 2 Scan2信号低电平,对应TFT M2&M4开启,Vdata电位写入N1点,使驱动TFT M3的gate携带Vdate电压值,因此在后续驱动过程中电流受Vdata控制,而因为Vdata值根据每帧的图像信号变化,因此需要在每个循环过程中对N1点位进行重置,否则可能导致显示亮度值异常。STEP3 Emit低电平,TFT M1&M6开启,电流从PVDD通过M1, M6和携带Vdata的M3进而直达OLED器件,因PVDD电压较高,PVEE电压较低,电压超过OLED器件的开启电压,从而达到控制OLED器件发多大的光。具体OLED发多大的光亮,则可以根据驱动TFT的饱和状态下的电流公式计算得出:

从本式中可以看出,理论上经由OLED器件电流的大小只与TFT的迁移率,驱动TFT M3沟道的宽长比以及Vdata电压和PVDD电压相关,而与TFT的阈值电压Vth无关,而除Vdata外,其余参数在设计结束后均为固定值,因此可见经由OLED的电流完全就可以由Vdata电压进行调控。此为整个OLED 7T1C补偿电路的精髓,因其对驱动TFT的阈值电压进行补偿,从而实现了对每个像素的精准控制以及产品发光的较高均匀性。
总结来说,OLED显示面板的主要技术核心包含驱动OLED器件的像素驱动电路和OLED二极管器件制作两大部分。由于其每个子像素都有对应的像素电路进行控制而驱动OLED器件自主发光,因此其黑态和响应时间较优,而RGB OLED器件相较LCD的色阻具有较纯的单色性,因此其显示色域更广,显示效果更优异。根据以上功能而形成的结构又较LCD由明显的结构优势(无需背光模组部分),因此其具有轻薄和具有柔性的特点也就顺其自然了。由此我们就比较清楚了知道了OLED相较传统显示LCD的优势在哪了,为什么其被称为第三代显示技术而被应在高端产品上。
注:文章中引用数据和图片来源网络