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OLED发光原理、结构及关键技术深度图文解析

作者:时间:2018-08-31来源:ittbank收藏

   蒸镀技术

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/391418.htm

  究竟什么是蒸镀?这得从的结构讲起。典型结构是在ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的发光材料——也就是人们通常所说屏幕像素自发光材料,发光层上方有一层金属电极,电极加电压,发光层产生光辐射;从阴阳两级分别注入电子和空穴,被注入的电子和空穴在有机层传输,并在发光层复合,激发发光层分子产生单态激子,单态激子辐射衰减发光。



  这解释得有些复杂了,不过大致上就是你看到的红绿蓝三个次像素会自己发光就对了。当然了,具体到整块面板,结构也就复杂很多,包括次像素间需要隔离柱、绝缘层之类。AMOLED则还有TFT backplane这种控制每个像素开关的东西。



  这种复杂的结构,靠人手用小刀去微雕是不可能的。如果将这些结构付诸实现,就是制造工艺的问题了。OLED的制造工艺涉及到ITO玻璃洗净、光刻处理之类的东西,都需要很高科技、我们一般人没见过的技术去搞定,总之就是通过光刻就能在基板上形成电极图案、ITO图案、隔离柱图案等等。

  随后的工艺部分,在OLED面板的制造上才显得至关重要,即蒸镀。真空腔室内,把ITO玻璃基板放置在可加热的旋转样品托架上,然后放把火在下面烧坩埚(当然不是真的放把火),你看到的发光材料就这么蒸上去了。是的,红绿蓝三色灯泡(当然不是真的灯泡)就这么蒸上去了。

  说得高大上一点,蒸镀就是真空中通过电流加热,电子束轰击加热和激光加热等方法,使被蒸材料蒸发成原子或分子,它们随即以较大的自由程作直线运动,碰撞基片表面而凝结,形成薄膜。

  可以说,蒸镀是OLED制造工艺的精华部分,而且不仅是发光材料,金属电极等等之类也是这么蒸上去的。虽然我们把蒸镀说得跟蒸馒头一样,但实际操作还是非常复杂的,比如如何控制像素区域,像素要怎么对齐,还有控制蒸上去的薄膜厚度,什么前处理、蒸镀室的真空度等,都不是我们一般人可以参透的。除了蒸镀之外,随后还有点胶、封装、老化、切割、测试等等过程。

  实际上,蒸镀也的确是OLED屏幕成本高的一个重要原因, LG就是因为买不到太多蒸镀机,所以才没有搞定iPhone 8订单的。

  OLED驱动技术

  除了在制程工艺、设备、原材料及器件结构设计上进行优化改进以外,最重要的措施是需要在驱动方式及驱动电路设计上进行改善。

  PMOLED驱动技术

  无源驱动矩阵的像素由阴极和阳极单纯基板构成,阳极和阴极的交叉部分可以发光,驱动用IC需要由TCP或COG等连接方式进行外装。显示基板上的显示区域仅仅是发光象素(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),PMOLED面板电路如图所示。无源驱动分为静态驱动电路和动态驱动电路。



  静态驱动

  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。在一幅图象的显示周期中,像素发光与否的状态是不变的。若要一个像素发光只要让恒流源的电压与阴极的电压之差大于像素发光值的前提下,像素将在恒流源的驱动下发光,若要一个像素不发光就将它的阳极接在一个负电压上,就可将它反向截止。但是在图像变化比较多时可能出现交叉效应,为了避免这一现象,必须采用交流驱动的形式。静态驱动电路一般用于段式显示屏的驱动上。

 动态驱动

  显示屏上象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。如果象素可分为N行和M列,就可有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。 为了点亮整屏象素,将采取逐行点亮或者逐列点亮、点亮整屏象素时间小于人眼视觉暂留极限20 ms的方法,该方法对应的驱动方式就叫做动态驱动法。在实际电路驱动的过程中,要逐行点亮或者要逐列点亮像素,通常采用逐行扫描的方式,行扫描,列电极为数据电极。实现方式是:循环地给每行电极施加脉冲,同时所有列电极给出该行像素的驱动电流脉冲,从而实现一行所有像素的显示。该行不再同一行或同一列的像素就加上反向电压使其不显示,以避免“交叉效应”,这种扫描是逐行顺序进行的,扫描所有行所需时间叫做帧周期。

  在一帧中每一行的选择时间是均等的。假设一帧的扫描行数为N,扫描一帧的时间为1,那么一行所占有的选择时间为一帧时间的1/N该值被称为占空比系数。在同等电流下,扫描行数增多将使占空比下降,从而引起有机电致发光像素上的电流注入在一帧中的有效下降,降低了显示质量。因此随着显示像素的增多,为了保证显示质量,就需要适度地提高驱动电流或采用双屏电极机构以提高占空比系数。

  除了由于电极的共用形成交叉效应外,OLED显示屏中像素发光的机理是正负电荷载流子复合形成发光,只要组成它们结构的任何一种功能膜是直接连接在一起的,那两个发光像素之间就可能有相互串扰的现象,即一个像素发光,另一个像素也可能发出微弱的光。这种现象主要是因为有机功能薄膜厚度均匀性差,薄膜的横向绝缘性差造成的。从驱动的角度,为了减缓这种不利的串扰,采取反向截止法也是一行之有效的方法。

  带灰度控制的显示:显示器的灰度等级是指黑白图像由黑色到白色之间的亮度层次。灰度等级越多,图像从黑到白的层次就越丰富,细节也就越清晰。灰度对于图像显示和彩色化都是一个非常重要的指标。一般用于有灰度显示的屏多为点阵显示屏,其驱动也多为动态驱动,实现灰度控制的几种方法有:控制法、空间灰度调制、时间灰度调制。

 AMOLED驱动技术

  与PMOLED不同,AMOLED是在每一个像素单元布置了2个晶体管及1个电容(即2T1C),这是AMOLED最基本的像素驱动电路方式,考虑到亮度均匀性等性能补偿,也可以设计更多的晶体管和电容。有源驱动的每个像素配备具有开关功能的薄膜晶体管,而且每个像素配备一个电荷存储电容,外围驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一玻璃基板上。有源矩阵的驱动电路藏于显示屏内,更易于实现集成度和小型化。另外由于解决了外围驱动电路与屏的连接问题,这在一定程度上提高了成品率和可靠性。有源驱动突出的特点是恒流驱动电路集成在显示屏上,而且每一个发光像素对应其矩阵寻址用薄膜晶体管,驱动发光包含薄膜晶体管、电荷存储电容等。

  有源驱动属于静态驱动方式,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,无占空比问题,易于实现高亮度和高分辨率。有源驱动由于可以对低亮度的红色和蓝色像素独立进行灰度调节驱动,这更有利于OLED彩色化实现。OLED显示器件具有二极管特性,因此原则上为单向直流驱动。但是由于有机发光薄膜的厚度在纳米量级,发光面积尺寸一般大于100微米,器件具有很明显的电容特性,为了提高显示器件的刷新频率,对不发光的像素对应的电容进行快速放电。目前很多驱动电路采用正向恒流反向恒压的驱动模式。

  在实际产品中,各种影响AMOLED图像质量的因素更复杂,有的是某一种因素起主导作用,有的可能是多种因素共同作用的结果,针对导致AMOLED图像质量劣化的因素,业界研究了各种驱动补偿技术及相应的补偿电路,可大致分为电压补偿法、电流补偿法、数字驱动补偿法、外部补偿法等。相对于工艺技术和设备技术改进AMOLED图像质量劣化,采用电路改进的手段更为快捷。驱动补偿技术是AMOLED驱动的关键和难点,也是AMOLED驱动相比TFT LCD驱动的特别之处。

  两款最容易搞混的屏幕OLED与QLED对比介绍与对比说明

  QLED 与 OLED 屏幕比一比 ,名称相似实质大不同。屏幕面板技术不断更新,各种缩写名词对一般消费者不仅复杂又容易混淆,到底这些不同的名称差别在哪里,今天就来对两款最容易搞混的屏幕 OLED 与 QLED 做个介绍与说明,让大家对这两款名称相似却截然不同的屏幕产品有个最基本的了解,在添购家中电视时也更清楚自己要的是什么!

  在 CES 2017 时,Samsung 首度推出了一款 QLED 电视,新技术与新名词一出让原本就已经够混乱的消费者更加困惑,这个新东西到底与过去广受国际媒体好评的 OLED 有什么不同,难道只是在 O 与 Q 两个字母间的差异吗?

  QLED 是什么?

  QLED 并不像等离子、OLED 或 MicroLED 一样是种屏幕发光技术,一般来说,QLED 又称为量子点显示技术,也就是利用量子点来提升关键影像质量区域效能的 LED 电视,而量子点并非直接发出你眼中所看的颜色,它们散布在一块类似 LED 电视面板中滤光片作用的胶片上,透过这层薄膜将光线细致调校到最理想的色温、亮度与色彩,让产生的光比 LED 更干净,画面呈现也得以增强。为了能够满足 UHD 联盟提出的 UHD 标准,大多数显示器、电视机必须以某种方式来利用量子点的技术。

  OLED 是什么?

  OLED 其实是有机发光二极管的简称,更简单来说就是以有机化合物制成的发光二极管,在开启电源时时点亮,因此也被称为发光显示器。单个 OLED 就是一个像素,因此在屏幕画面上需要数以百万计的 OLED 单点填充,但也是这样的灵活性,当你关闭电视时面板看起来就像黑色,屏幕的厚度也可以比 QLED 更薄,形状也更多变化性。

  QLED 与 OLED 比较

  接下来我们将两种技术在几个方面的差异一一说明。

  黑色显像

  屏幕的显色指针中有个很重要的指标就是在黑色深邃的显像能力,屏幕呈现的黑色越深也代表对比度显示越高,色彩层次也越丰富,画面影像也会更生动逼真,也由于 OLED 在没有开启电源时并不会产生任何光,所以也没有漏光的问题,在这部分 OLED 可以说是无庸置疑的第一把交椅。

  QLED 虽然改进了 LED 显示器的黑色显像效能,但还是必须依赖于 LCD 面板后的背光,即使在调光技术的进化中获得很大的进步,在显像时依然会在该是纯粹黑色显像处出现漏光的状况,特别是想月亮、星空等影像显示时,可以在明亮物体边缘看到轻微的光晕,而这个问题从 QLED 问世以来就一直存在,不过 Samsung 在 2018 年时在 QLED 技术上取得飞越性地突破,把黑色显像力与偏角影像性能尽可能提高到 OLED 等级,因此两者间的差距预期还会继续缩小。

  赢家:OLED

  亮度

  在亮度方面,QLED 占了上风,由于 LED 为基底的电视显像技术在亮度上已经颇为先进,加上量子点的辅助使得画面呈现更为明亮,所以 QLED 能够使可用光谱中的所有颜色更亮的同时保有色彩饱和度,在有充足环境光的房间中使用更能发挥 QLED 的优势,而电视制造也声称 QLED 更适用于 HDR 内容,可以更广地呈现多层次色彩,像是湖光粼粼或金属反射等更漂亮 。

  赢家:QLED

  反应时间

  所谓反应时间是指每个二极管从「开」切换为「关」的所需时间,反应时间越快,动态模糊就越少,残影也越少。 OLED 以较小的二极管为单一像素工作,相较之下 QLED 电视需要整个 LCD 背光面版照亮像素们,所以在反应时间也比 OLED 慢。

  赢家:OLED

  视角

  在使用 QLED 时,最佳视角的范围很狭窄,死角明显,无论颜色、对比度、影像质量都会逐渐降低,你可以找一部 QLED 电视左右或上下移动脚步,虽然各机型的严重程度不一却难掩其死角明显的问题;OLED 在最大 84 度的偏角观赏时亮度与影像不太会受到影响。Samsung 在最高阶的 QLED 电视上采用新的面板设计和不同的防反射涂层,尽管缩小两者间的差距,但还是无法超越 OLED 在视角方面的优势。

  赢家:OLED

  屏幕尺寸

  OLED 在这个项目中取得很大的进步,不过截至目前为止,最大的 OLED 显示器只有到 88 吋的购买选择,在 LCD 类的 QLED 显然限制较少,目前市面上最大已经超过 100 吋,虽然对大多数人来说极大的屏幕尺寸并不是太大的优势,但对于商用等级来说却是一个很大的要素。

  赢家:QLED

  屏幕老化

  最早对于老化的定义来自早期四四方方的 CRT 屏幕,当长时间显示静态影像时会导致图像烙印在屏幕上,实际原因在于涂布在屏幕背面的荧光粉在没有休息的情况下长时间发光,导致荧光粉以影像的模样产生耗损。同样的问题也会发生在 OLED 上,因为点亮的化合物会随着时间的推移而降解,如果静态显像的时间够长则会使得像素点比其他部分提早变暗,进而出现画面变深沈的感受,不过除非你刻意滥用或故意为之,这对于一般正常使用的消费者来说不太可能发生。

  赢家:QLED

  售价

  在早期,QLED 在这一项可以说是赢得轻而易举,但在现今 OLED 电视的价格已经来到与 QLED 差不了多少,所以售价部分几乎可以省去不看。

  赢家:择你所爱

  耗电率

  OLED 比起 QLED 来说更轻、更薄且因为无需背光来显像,所以所耗用的电能也更少,这一项赢得轻松。

  赢家:OLED

  整体来说,两者相比之下,OLED 在影像质量方面更为突出,且更轻、更薄也更省电,提供用户更充分的观赏视角,虽然价格上仍稍高,却比该技术刚推出时平价许多。QLED 在亮度部分拥有其独特优势,加上近期业者技术上的进步,不管是黑色显像或观赏角度上也有所改善,在日间观看时 QLED 将能带来更好的观赏效果。

  LCD/LED/QLED/OLED和量子点OLED,究竟那个更好?

  LCD、OLED,量子点OLED,什么才是完美的显示?三星显示器公司计划在2019年下半年试生产“量子点OLED”(QD-OLED)显示器。三星正与佳能、Kateeva合作研发新的生产设备,采用Kateeva的喷墨打印技术将量子点滤镜加到OLED屏幕上。据报道,正在研发的是第八代生产设备,类似LG显示器公司当前的OLED电视生产线,可大规模生产的屏幕尺寸在55至65寸之间。

  对于消费者来说,我们听说过LCD,LED,QLED(量子点),OLED。如今又来了一个“量子点OLED”,不仅令人眼花缭乱。

  这些名词背后究竟是什么?对于显示设备来说,究竟那个设备更好呢?我们来看一下。

  一、我们是怎么看到图像的

  其实,要说显示设备,可以追溯到70年代的CRT显示器,再早可以追溯到电影,甚至小孔成像。这里我们不往远说,就说近的。看看我们常用的LCD液晶显示屏幕是怎么显示图像的。

  一般来说,LCD液晶显示屏幕包括这么几层。

  首先是一个背光光源,以前是日光灯管一类的东西,现在大多是LED光源了(现在所谓的LED显示器,LED电视,严格来应该叫用了LED光源的LCD显示器。),LED就是发光二极管,你可以理解就是通电能亮的灯管,相对于传统灯管,LED的优点是同等亮度耗电更少。随意现在灯泡、日光灯,照明灯几乎都是LED了。

  日光灯管也好,LED光源也好,这个光或者是一条条的(日光灯管),或者是一点点的(LED),而我们看图像需要一个面。

  所以,LCD的光源上面是一个导光板,这个板要把光线均匀分布成一个面,制造成一个发光的墙。

  光墙只能发单一的光,构不成图像啊。所以在导光板上面需要有液晶层(这也是液晶显示器名称的来源)。

  液晶有个特点,通电情况下它会动,它一动就把后面的光给挡住了,这样就有明有暗,一个个点阵凑起来,就能显示图像或者文字了。类似运动会拼字,譬如奥运会开幕式那个和字。

  液晶你给他加的电压不同,翻转的幅度不同,遮挡的光线多少也不同,这样就有了明暗,所谓灰度,有两种电压,只有黑白,有四种就有黑、黑灰、白灰、白。

  所谓多少位灰度,就是施加多少种电压,现在一般是8位屏幕,就是施加2的8次幂种电压,让液晶分子偏转有256种状态。显示256种黑白灰。位数越多,在黑白之间能显示的灰色种类越多。过渡越自然。我们说电视、显示器、手机屏幕是8位色,是就是有2的8次幂种电压,有10位色,就是有2的10次幂种电压。

  但是,无论8位10色,出来的都是灰度屏幕,黑白屏有什么好看?要彩色的啊。

  对,这就是下一层滤色片的作用。

  我们用放大镜看LCD液晶屏幕,能看到红蓝绿三种颜色的小点,这就是滤色片了。通常是红蓝绿三种(有些电视用的液晶屏幕有的发展到四种颜色了,有加白提升亮度的,又加黄加宽色域的。)

  黑白灰色经过红色滤色片,就变成了红,黑,各种深浅不等的纯红色,8位色的屏幕这样就得到了256种红色。

  绿色,蓝色也是一样。

  把红,绿,蓝三个小色块放在一起,亮度都一样的话,你看到的不是三色,而是三色混合出来的白色。也就是纯白色。

  红色亮度0,绿色,蓝色最强,你看到的是黄色,各自有256种色,256种红、蓝、绿组合起来就是1677216种颜色

  也就是1670万色,24位色(三个2的8次幂再乘起来),真彩色。

  之所以1670万色叫真彩色,是我们的眼睛对颜色的分辨能力大致就这么高,可以有10亿种色甚至更多。

  同时对每个像素点控制,我们看到每个像素点不同的色彩,组合起来就是我们看到的图像。

  二、LCD的限制和OLED、QLED

  从液晶显示的原理可以看出,液晶发的光实际是后面的灯管发出来了。这样就有两个问题

  第一,液晶分子遮挡光线有个极限,不能一点不剩的都挡住,所谓的纯黑色,实际还是一种灰色,因为有光线能透过来嘛。

  你屏幕亮度开的越高,背光的LED(或者日光灯管)亮度越高,投过液晶遮挡的光线越多,黑色就越不纯。

  黑色不纯,屏幕的对比度就弱,对比度受到限制,色彩也就不鲜明。

  早期,所以很多搞设计的用老旧的特丽珑,就是因为早期LCD的对比度不行。

  第二是色彩区域的问题

  人眼能分辨的色彩从科学上讲属于可见光的光谱范围,相当的大,显示设备只能显示一部分,为了标准,有什么RGB,NTSC,NTSC是个老标准,早期液晶显示器有72%左右,后来随着滤色片技术的进步,逐步到了80%、90%。但是距离人眼看到的真实世界还差很远。

  有这两个毛病,LCD和用LED(实际上是用LED背光的LCD)显示效果就不行。

  于是,就有了OLED。OLED的历史可以追溯到几十年前的柯达实验室。这个东西的好处是主动发光,不需要灯管,通电就亮还能控制强度,还能做很小。能做很小是关键的关键。

  因为主动发光,不用灯管,要黑色,你把它关了就行,所以可以显示纯正的黑色,因为主动发光,所以色彩区域不看灯管的脸色,可以达到很高的色彩区域,所以色彩可以做得非常逼真。

  我们很多手机屏幕都是OLED的,所以手机屏幕的色彩,就要常见的LCD、LED液晶电视鲜明很多。

  此外,OLED还有一个附加优势,它的响应时间比LCD快很多,它不需要液晶层,不需要缓慢的液晶分子运动,这样显示动态画面的时候效果好很多,没有拖影或者迟滞。

  然而OLED也有OLED的雷。

  纯正的OLED,应该是红色,绿色、蓝色,三种颜色的OLED。三种光线混合起来显示。早期的三星OLED就是这么做的。

  但是,电视和手机不一样,电视一看就是几个小时,天天如此,OLED要一直亮着。

  而红色、绿色、蓝色三种OLED的寿命是不同的,随着使用时间增加,红色衰减50%,绿色衰减20%,蓝色衰减30%。这个电视就偏色了啊!

  所以,三星没坚持几年,就不这么玩了。

  而LG想出来一个办法,用白色的OLED,还是每个点的光源能关掉,显示纯正的黑色,但是颜色靠红、蓝、绿三色的滤色片,虽然色域没有三色LED那么大,但是寿命和偏色问题就没有了。

  这是市面主流的OLED电视的显示方式。

  在OLED之外,还有个QLED(量子点),QLED和OLED差不多原理,也是主动发光,可以显示高色域和纯正黑色。

  但是,但是,但是(重要的事情说三遍),QLED的成熟度比OLED还差,依靠它自己发光的商用产品根本出不来。

  那么,市面上的QLED电视是怎么回事呢?

  也很简单,继续用LED背光,然后QLED的自发光混合两种光,只改变颜色。这样用了QLED的宽色域,但是背光也液晶层还是有的,纯正的黑色还是显示不了。

  三、完美解决方案——量子点OLED

  既然当前的方案都不完美,三星就想到了把OLED和QLED结合起来。

  OLED当背光,类似LG的解决方案,获得真正的黑色和超高对比度、快速响应时间。

  然后,用QLED的混合光,替代滤色片,获得宽色域。

  这样,三星OLED宽色域、高对比度与快速响应可以兼得,同时还避免了三色LED寿命短,偏色的问题。堪称完美的解决方案。

  当然,理论完美还是理论完美,现在OLED是一套生产设备,QLED是另外一套生产设备,要把两套东西融合起来需要一定努力。

  要把理论完美的东西量产出来也需要很多工艺的探索,而且初期产品必然会非常昂贵。但是有了正确的方向,好东西终究是会普及的,我们期待着三星的进度能快一点早点量产,期待着LG、京东方、天马能在三星之后跟进。

  完美的显示已经不再遥远。


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关键词: OLED

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