極性相反結構的micro-LED和OLED混合集成顯示器件的驅動

何 爽 ， 胡興元 ， 黃忠航 ， 夏志明 ， 陳紹杭 ， 劉明洋 ，楊天溪 ， 周雄圖 ，， 嚴 群 ，，3， 孫 捷 ，

（1.福州大學 物理與信息工程學院， 福建 福州 350000；2.中國福建光電信息科學與技術創(chuàng)新實驗室， 福建 福州 350000；3.晉江市博感電子科技有限公司， 福建 泉州 362200）

1 引 言

LCD（Liquid Crystal Display）和 OLED（Organic Light-Emitting Diode）顯示技術是當今社會的主流顯示技術。LCD借助于背光板和光源通過在極板兩側調節(jié)電壓來控制液晶的偏轉進而實現顯示，液晶本身并不發(fā)光。由于液晶分子的各向異性和材料的粘滯度等影響，其存在響應速度慢、視角小、難以實現高分辨率和超薄顯示等弊端。OLED相較于LCD，因其采用自發(fā)光的方式，便于實現超薄和較高分辨率顯示［1-9］。但是在具體的產業(yè)化發(fā)展進程中，OLED存在藍光發(fā)光材料的光效低的弊端；同時藍光光子的能量較高［10-11］，容易引起藍光材料的衰變，因而存在壽命短、亮度衰減快等問題，目前主要通過增大藍光像素尺寸來提高藍光OLED的使用壽命，這使得其在高分辨率上的發(fā)展難以進一步突破。因此，micro-LED （Light-Emitting Diode）顯示技術逐漸走進大眾的視野。

Micro-LED是由微米級別的自發(fā)光LED為像素單元構成的高密度LED陣列，不僅具有超薄、高分辨率的優(yōu)良顯示效果，同時具備高發(fā)光效率、高壽命等優(yōu)點［12-14］，但在具體的測試中發(fā)現，micro-LED在綠光和紅光器件中的光提取效率遠低于藍光器件，同時OLED在綠光波段與紅光波段具有外量子效率超過50%的良好表現，而在藍光波段表現出較差的工作壽命［15］?；谝陨显?，將藍光micro-LED和紅綠OLED結合在同一個RGB像素中，更易于實現光效的最大化。

另一個值得注意的問題是，傳統(tǒng)的顯示器件由3個單一的子像素點構成一個RGB像素陣列，對于不同的子像素都需要有各自適配的驅動電路對其驅動［16-18］。Micro-LED向著更小的尺寸和高密度的方向發(fā)展，使得所需控制的像素點較多，其整體的外圍硬件電路的規(guī)模進一步提高，硬件電路的整體復雜程度也進一步增大［19］。

基于以上原因，本課題組提出了一種由GaN micro-LED與OLED結合的全彩無源矩陣（PM）交流（AC）顯示器件，GaN micro-LED與OLED雖涉及無機、有機相關工藝的結合，但兩種工藝的結合已經不再是無法跨域的橫溝，有團隊已經實現有機和無機半導體的結合并且實現了在光電應用方面的設計［20］；同時本組所在的科研團隊在AC器件的預研階段已經實現了LED和OLED兩種工藝結合，并且實現了器件的點亮和測試。在工藝流程中為了更加便捷地制備和提升生產工藝中的良率，同時為了盡可能地節(jié)省引腳，減少整個驅動電路的復雜程度，將一組OLED與LED反向并聯(lián)共用一組電極。除此之外，反向并聯(lián)還可以實現并聯(lián)器件的分時調控，避免二者之間的互相干擾，且便于實現更為精準的數據傳輸和控制。選取綠光OLED與藍光micro-LED反向并聯(lián)，再與一組紅光OLED共同組成RGB像素點，使得像素點既具有紅綠光高效率的優(yōu)勢，又具有高像素密度和長時間工作壽命等優(yōu)點。

在對AC顯示器件進行外圍驅動電路設計時，我們發(fā)現有如下問題：（1）AC器件存在反向并聯(lián)的結構，反向并聯(lián)的藍綠像素點使紅綠OLED工作時與藍光micro-LED沖突，傳統(tǒng)的掃描電路無法連續(xù)依次掃描發(fā)光點，也無法設計多路同步控制電路，同時點亮一個全彩像素點。因此傳統(tǒng)的像素點顯示驅動方案已經不能滿足AC器件的驅動要求。（2）在測試中發(fā)現，相同電壓控制下藍光micro-LED的光強遠大于紅綠OLED，在顯示器件的具體顯示過程中會造成色彩顯示不均勻的情形。

全彩顯示器件的驅動較為成熟，除了傳統(tǒng)的方案之外，還有奇偶行交叉掃描控制與雙驅動器的方案［21］，但其均不適合本文所描述的新型顯示器件。因此，本文提出一種AC顯示驅動方案，通過同向的紅綠OLED像素點先點亮，輸入、輸出端反向后藍光LED像素點后點亮的單行雙向掃描的方案，實現存在反向并聯(lián)結構的AC器件的全彩顯示。同時，因紅綠OLED和藍光micro-LED先后點亮，便于控制藍光像素點的輸入占空比，達到均衡三者色彩均勻性的目的。此文所設計的顯示驅動方案對于AC器件的驅動能起到良好的效果，對于后續(xù)的疊成結構的實現，以及未來高密度超薄的顯示都具有促進和推動作用。

2 AC顯示器件簡介

基于顯示材料的選取遵循高發(fā)光效率和長使用壽命的原則。OLED的發(fā)光層由有機物構成，在使用壽命上存在較大缺陷，同時由于材料的限制，其發(fā)光效率不高，OLED存在藍光發(fā)光材料光效低的弊端，藍光材料在具體顯示時其亮度也下降較快，如圖1所示。目前主要是通過增大藍光像素尺寸的方法來提高藍光OLED的使用壽命，這使得其在高分辨率上的發(fā)展難以進一步突破。對于無機發(fā)光二極管LED，其藍光器件的外量子效率遠超紅綠器件，同時有機發(fā)光二極管OLED在綠光波段與紅光波段具有外量子效率超過50%的良好表現，而藍光波段則表現出較差的工作壽命。因此綜合以上因素，為了更好地實現高密度、超薄以及高壽命使用，選取藍光micro-LED和綠光OLED反向并聯(lián)為最佳選擇，同時再選取紅光OLED與綠光OLED同向排布，共同構成AC顯示器件單個RGB像素點。

圖1 理想OLED RGB排列和實際像素排列狀況Fig.1 Ideal OLED RGB arrangement and actual pixel arrangement

AC器件主要包括OLED、micro-LED以及具備多組電極的基板，LED和OLED通過基板上的一組電極連接，所述電極與micro-LED的陰極和OLED的陽極相連；同一基板上的其他電極或其他基板上的電極則連接至LED的陽極和OLED的陰極。

相較于傳統(tǒng)的RGB像素點，因藍光micro-LED與綠光OLED反向并聯(lián)結構的存在，共用一組電極，減少了1/3列電極的使用。對于顯示器件的大規(guī)模驅動而言，有效減少外圍驅動電路的難度和整體的體積，更有利于實現高分辨率和超薄顯示。

預研片的測試數據表明，在相同測試條件下，對于AC器件而言，藍光LED所發(fā)出的光強大于OLED發(fā)出的綠光和紅光，紅綠OLED光強則較為接近，因此將綠光OLED和紅光OLED同向布放，使二者可以在相同信號下刷新，有利于色彩的均衡性。

圖2所示為AC顯示器件的結構圖。現階段分辨率為24×16，像素點大小為100 μm，單像素間距在600 μm左右。最終的顯示器件相較于預研片，除尺寸外其余所有工藝流程相同，主要通過外延生長技術制備出GaN基藍光micro-LED外延片，進行光刻、刻蝕、鍍膜等一系列半導體圖形化工藝得到所需的藍光micro-LED陣列顯示芯片，之后通過熱蒸鍍技術將OLED蒸鍍在micro-LED的N-GaN層上，首先蒸鍍ITO，之后是傳輸層、發(fā)光層、電注入層等其他功能層，最后將OLED陰極搭在無源矩陣布線線網上即可。

圖2 AC顯示器件結構Fig.2 Structure of AC display device

3 AC顯示驅動的掃描方案

AC器件結構在控制電路設計上與傳統(tǒng)顯示器相比，差異主要在于藍光LED反接，造成了電平反向。陣列結構下藍光micro-LED的使能端與其他發(fā)光點的接地端復用，所以在同一行中，綠光OLED工作時與藍光LED沖突，控制電路無法連續(xù)依次掃描發(fā)光點，也無法設計多路同步控制電路，同時點亮一個全彩像素點。

為了實現AC顯示器件的顯示，本文結合高分辨率和高刷新速率的性能需求，提出一種AC顯示方案：首先點亮同一行上所有紅光與綠光OLED，隨后點亮該行所有藍光micro-LED，完成對一整行的掃描；隨后，以此方式依次掃描下一行，最終完成整幅圖像的掃描。

圖3為AC顯示方案的整體系統(tǒng)結構。圖像數據經過數據傳輸接口輸入，由解碼單元轉換為24位RGB格式數據流，緩存到顯存中（使用RAM緩存一幀圖像），掃描顯示功能部分逐行讀取顯存中的圖像數據，生成驅動LED的脈沖寬度調制（PWM）波，按照對應的時序和控制電路的行列選擇，點亮對應像素點。

圖3 AC顯示方案的整體系統(tǒng)結構Fig.3 Overall system structure of AC display scheme

結合現有技術基礎，本文主要對驅動掃描部分進行了獨特性設計，圖像數據輸入、解碼以及顯存部分采用常規(guī)的技術手段，設計完成后的邏輯電路使用FPGA芯片進行了可行性驗證。

驅動電路如圖4所示。因存在反向并聯(lián)的結構，在點亮反向連接的藍色micro-LED時，PWM信號的變換同時會影響其他行紅綠OLED的亮滅狀態(tài)，所以對所有行的起始端口均添加一個三態(tài)門，通過控制器實現其開閉，保證僅在該行選定時才導通，其他行屬于截止狀態(tài)，避免因反相輸入信號時，行與行之間存在電流反灌導致的短路現象。

圖4 掃描電路圖Fig.4 Scanning circuit diagram

所有列的末端有一路8 bit位寬的PWM發(fā)生器，將顯存的數據一次讀取一整行，隨后根據每個像素點內部顏色數據的排列方式（R-G-B），將紅光（R）和綠光（G）部分的亮度值傳遞給對應通路上的PWM發(fā)生器，掃描電路列信號置0，使一行中紅、綠像素完成亮度顯示。隨后，由數據選擇器將藍光（B）部分灰度值送入與綠光OLED共用的PWM發(fā)生器，掃描電路列信號置高電平點亮藍光micro-LED，同時控制選擇器，將PWM輸出信號取反后輸出，實現同一行中藍光micro-LED的亮度顯示。以此類推，對每一行進行同樣操作，完成AC器件24位全彩驅動電路設計。

圖5為該電路某一行的控制時序圖（以R為127，G為100，B為155為例），a、b是圖4中控制器的時序圖，A、B、C、D是圖4對應結點的時序圖?？刂破鬏敵鯽為高電平時，控制Mux2-1選擇器傳輸藍色通道數據；a為低電平時，傳輸綠色通道數據?？刂破鬏敵鼋Y點b的信號控制選擇器Mux2-2的輸出。節(jié)點b為高電平時，選擇器輸出反向后的藍色通道的PWM脈沖；節(jié)點b為低電平時，選擇器輸出綠色通道的PWM脈沖。C點是PWM調制后的紅色通道脈沖。D點的高低電平控制對應LED的亮滅。為高電平時，B點是反向后的藍色通道PWM脈沖；低電平時，B點是綠色通道的PWM脈沖，C點是紅色通道的PWM脈沖。

圖5 時序圖Fig.5 Timing diagram

PWM發(fā)生器由一個計數器與一個8 bit比較器實現，計數器計數范圍為0～255，輸入比較器負端，由控制器將單通道的灰度值傳入比較器正端，當灰度值大于計數時，比較器輸出高電平，小于時輸出低電平，以此實現PWM占空比的配置，完成LED亮度控制，最后讓每條通路上的比較器共用同一個計數器，減小電路面積的同時，使所有燈的顯示周期一致。

圖6 共用一個計數器的多個PWM發(fā)生器Fig.6 Multiple PWM generators sharing a counter

對于一整行圖像數據的讀取，本文設計了一個串并轉換的寄存器堆。由于讀取一行像素的時間遠少于對這一行掃描顯示的時間，所以在本行掃描顯示過程中，對下一行數據逐個像素點進行讀取，讀滿一行后等待掃描下一行像素的控制信號到來，直接將緩存的數據并行傳遞給對應位置的PWM發(fā)生器，實現每一行之間的連續(xù)掃描。

由于藍光micro-LED的光強遠大于紅綠OLED，本文采用二次掃描方案。因為紅綠OLED先點亮，藍光micro-LED反向后再點亮，此方案不僅可以實現反向并聯(lián)的AC顯示期間的全彩點亮，同時便于調節(jié)各自掃描周期內的時長，縮短藍光的掃描時長，達到減弱藍光光強的目的。

本文提出的控制器部分使用計數器與狀態(tài)機結構完成二次掃描方案的實現。以一個PWM周期為基礎時間單元，可以設置紅綠OLED掃描周期個數的寄存器，當達到指定周期數時則切換至藍燈顯示；同樣可以設置藍色micro-LED掃描周期個數的寄存器，當達到指定周期數時則控制器將產生掃描下一行的信號。在同一行紅、綠燈與藍燈切換時間定時器內部調整時間參數，使不同發(fā)光點亮度一致，最終達到均衡不同色彩之間光強的目的。例如在某一行內，先點亮紅綠OLED，計數器計數0～7，再點亮藍光micro-LED，計數器計數8～9，在下一次計數時跳轉到下一行，以此循環(huán)，這樣可以根據最后的實測亮度比對，靈活調節(jié)控制器內部的計數值實現不同顏色之間亮度均值的調控。

4 驅動電路仿真結果

如圖7所示，針對本次設計的16×8的行掃描信號波形圖，我們截取了前6行的掃描信號，共有高電平信號、低電平信號和高阻態(tài)3個狀態(tài)。當某一行被選中時，列方向產生驅動電壓，行方向除被選中行為低電平外，其余均為高阻態(tài)，可視為與電路斷開連接，電流由列方向輸出流至行方向，點亮同向連接的紅綠OLED。隨后，行方向轉變?yōu)楦唠娖剑娏饔尚蟹较蜉敵隽髦亮蟹较?，點亮反向連接的藍色micro-LED。在此之后，該行轉為高阻態(tài)，繼續(xù)下一行的掃描，依次直至整幅畫面的顯示。圖8為截取的前三行的反向并聯(lián)模塊藍光micro-LED和綠光OLED導通時的行信號變化圖，藍綠錯開，始終處于一個反向電平的狀態(tài)。

圖7 行掃描信號Fig.7 Line scan signal

圖8 時鐘和輸出信號的波形Fig.8 Waveforms of clock and output signal

為了滿足驅動接口需求，行列方向的輸出端采用推挽電路結構設計。輸出為高電平時，可以輸出足夠的電流，有良好的帶負載能力；輸出為低電平時，等效于接地，有良好的灌電流能力，可滿足設計效果需求。

5 結 論

本文提出了一種由OLED和micro-LED反向并聯(lián)組成的AC顯示器件，該AC器件由有機發(fā)光二極管OLED、無機發(fā)光二極管micro-LED以及具備多組電極的基板構成，創(chuàng)造性地將藍光micro-LED和綠光OLED反向并聯(lián)，再與紅光OLED組成RGB像素點，其中OLED方向同向，該器件兼具高發(fā)光效率、高像素密度和長時間工作壽命等優(yōu)點。在此基礎上，我們提出了一種針對此種新型顯示器件的驅動方案，通過將同向的紅綠OLED像素點先點亮，輸入、輸出端反向后的藍光micro-LED像素點后點亮的單行雙向掃描的方案，實現了反向并聯(lián)結構的AC器件的全彩顯示。通過仿真，實現了反向并聯(lián)器件的逐行掃描以及反向數據的分時傳輸，表明本顯示驅動方案能夠實現對于AC器件的驅動，對于后續(xù)疊成顯示器件、高密度、高PPI的實現均具有指導意義。