TWI505248B - 有機發光二極體顯示器及其控制方法 - Google Patents

Description

有機發光二極體顯示器及其控制方法

本發明涉及一種有機發光二極體顯示器(OLED display)及其控制方法，尤指一種包含一畫素電路與一補償電路之有機發光二極體顯示器。

OLED所表現出的亮度是由流過之電流大小所決定的。而對主動式有機發光二極體(AMOLED)來說，流過OLED的電流是由驅動之薄膜電晶體(TFT)所決定。因此只要是與TFT或OLED相關的因素，都會影響到AMOLED的顯示品質。以下便針對常發生的問題去探討AMOLED在電路上會出現什麼問題。

一、門檻電壓(threshold voltage)的變異：

在最原始的AMOLED中，I_OLED 是由V_DATA 利用操作在飽和區之TFT來轉換成的電流，其公式為I_OLED =K(V_GS -V_TH )² 。其中V_TH 是指TFT的門檻電壓，所以如果因為製程上的差異或是長時間操作之後TFT特性的差異造成V_TH 的變異，便會造成AMOLED顯示不均勻的現象。

二、OLED跨壓與發光效率：

由於材料老化的現象，OLED會在長時間操作下，發生跨壓逐漸上升且發光效率下降的問題。跨壓的上升可能會影響到TFT的操作，以N-type TFT為例，若OLED接在TFT的源極(source)端，當OLED的跨壓上升時會直接影響到TFT的閘極與源極間的電壓V_GS ，也就是直接影響到通過OLED的電流。而在發光效率方面，若因長時間操作造成材料老化發光效率下降，那即使是流過相同的電流也無法產生預期的亮度。

三、TFT的選擇性：

目前最主流的兩種製程方式為低溫多晶矽(LTPS)和非晶矽(a-Si)，因製程上的差異，使得a-Si技術只能用n-type的TFT來設計，而LTPS則沒有此限制；然而，a-Si最大的優點便是成本較低、技術純熟且穩定性較高，比較不會有V_TH 的變異，除此之外，在大尺寸面板的情況之下，受限於技術的純熟性，LTPS尚無法滿足大尺寸的需求，下列之表T001為兩者之間的比較。

四、畫素補償電路的設計：

目前針對OLED亮度補償的畫素電路主要分為兩種方式，第一種主要是畫素元件數與控制訊號的設計，但其大部分皆會導致複雜的控制訊號與過多的元件數，造成畫素內開口率過低的現象；另外一種則是利用外部電路偵測畫素內元件的衰減情形，但此種方式會造成驅動訊號複雜，且會受到OLED面板解析度的限制。

五、補償時間：

對於目前較新之3D顯像技術而言，更新速度就較傳統來的快上許多。因此相對於補償電路在補償OLED及TFT元件變異時因操作訊號較為複雜，造成補償時間過多的問題。因此對於要應用至3D之顯像技術中，補償時間是不得不去重視的一大問題。

職是之故，發明人鑒於習知技術之缺失，乃思及改良發明之意念，終能發明出本案之「有機發光二極體顯示器及其控制方法」。

本案之主要目的在於提供一種具補償電路之有機發光二極體顯示器及其控制方法，係利用外部偵測電流衰減大小，以調變畫素電路內資料電壓大小，因此使得驅動電流不受TFT臨界電壓及電子遷移率之變異，並且也不受OLED材料老化之影響，在長時間的操作下仍能有效的維持電流之穩定度，改善OLED亮度衰減的問題。

本案之又一主要目的在於提供一種有機發光二極體顯示器，包含一畫素電路，包括一主動式有機發光二極體與一具一第一端之驅動電晶體，以及一補償電路，包括一比較電路，接收一參考資料電流與該主動式有機發光二極體之一驅動電流，且產生一控制訊號，一充電電路，接收該控制訊號，並據以增加或減少該第一端上之一電壓，俾改變該驅動電流，以及一低通濾波器，耦合於該充電電路。

本案之下一主要目的在於提供一種有機發光二極體顯示器，包含一畫素電路，產生一驅動電流，以及一補償電路，包括一比較電路以接收一參考資料電流與該驅動電流，並據以調整該驅動電流。

本案之再一主要目的在於提供一種用於一有機發光二極體顯示器之控制方法，其中該顯示器包括一主動式有機發光二極體與一具一第一端之驅動電晶體，包含比較一參考資料電流與該主動式有機發光二極體之一驅動電流，且據以產生一輸出訊號，以及依據該輸出訊號，以增加或減少該第一端上之一電壓，俾改變該驅動電流。

為了讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第一圖是一習知之AMOLED面板之電路示意圖，其中每一畫素電路包含兩個電晶體、一個電容以及一個AMOLED(其為一2T1C畫素電路)。

第二圖(a)是一依據本發明構想之第一較佳實施例的補償電路與2T1C畫素電路之電路示意圖。該補償電路包括一電壓/電流轉換器、一電流偵測器(其為一比較器)、一充電幫浦(charge pump)、一低通濾波器(其為一電容Cp)、一緩衝器(其為一運算放大器)與一開關TG，而該2T1C畫素電路包括電晶體T1(例如一薄膜電晶體)與T2、電容Cs與一OLED(例如一AMOLED)。

第二圖(b)是一依據本發明構想之第一較佳實施例的開關與畫素電路之相關波形圖，包含TG、SCAN[N-1]、VDD[N-1]、SCAN[N]與VDD[N]等之波形圖。

第三圖為2T1C畫素電路的實際光罩圖。第四圖是一習知之電壓/電流轉換器的電路圖。第五圖是一習知之充電幫浦的電路圖。

第六圖是一依據本發明構想之第一較佳實施例的外部補償電路與AMOLED畫素電路之電路示意圖，其與第二圖(a)之不同，在於第六圖另行顯示了該外部補償電路與一AMOLED畫素電路的方塊圖。第七圖是一依據本發明構想之第二較佳實施例的外部補償電路與AMOLED畫素電路之電路示意圖，其與第六圖之不同，在於第七圖中之該開關TG與該緩衝器互換位置。第八圖是一依據本發明構想之第三較佳實施例的外部補償電路與AMOLED畫素電路 之電路示意圖，其與第六圖或第七圖之不同，在於第八圖中之TG是一開關選擇器(switch selector)。

如前所述，該外部補償電路可由一電流比較器(Current Comparator)、一充電幫浦(Charge Pump)及一低通濾波器(Low Pass Filter)等組成，然後再配合一組傳統之2T1C畫素電路。流經OLED之電流I_OLED 為畫素電路上之驅動電晶體T1閘極上之電壓所決定。該外部補償電路與該2T1C畫素電路的主要操作原理即利用電流比較器比較參考之資料電流I_DATA 與驅動電流I_OLED (如第六圖所示)，而後控制充電幫浦進而增加或減少驅動電晶體T1上之閘極電壓。

第九圖是一依據本發明構想之第一較佳實施例的a-SiTFT之元件特性量測的波形圖，為TFT之元件實驗的結果之顯示。此實驗是為了驗證當TFT受電壓施壓時臨界電壓之漂移量。由實驗結果可知當經過10800秒後，TFT之臨界電壓漂移約為1.02V。該外部補償電路與該畫素電路之操作步驟可分為，補償階段及發光階段。其操作方式如下：1、補償階段(Compensation mode)：在補償階段TG、SCAN[N]和VDD[N]為高電位，使得T2導通，此時驅動電晶體(T1)之閘極端會被預充至穩定之電壓值V_{data_0} ，而流經OLED之初始電流值可表示為I _{OLED _0} =K ₀ ×(V _{data _0} -V _i )² =K ₀ ×(V _init )² (1)

其中V_i 為T1與OLED之初始臨界電壓值。當操作一段時間後流經OLED的電流會受T1之臨界電壓與電子遷移率及OLED材料老化造成其臨界電壓上升的影響，而造成驅動電流不穩定，使得OLED發光亮度降低。因此假設這些變異成分與受變異影響之OLED電流可分別表示為：

ΔV _TH 與ΔV _{TH_OLED} 為T1與OLED之臨界電壓變異之電壓差，K₁ 為T1之K₀ 受電子遷移率衰減之值。由式子(2)代入式子(1)中可得知，當TFT與OLED之電子特性變異後，會使得增加的同時便使得I_OLED 變小，如式子(3)所示。因此，當變異後之OLED電流I_{OELD_1} 透過回授線(Feedback line)流進外部補償電路中的電流比較器後，電流比較器會將其與理想之OLED電流I_{OLED_0} 做比較，當I_{OELD_1} 較I_{OLED_0} 小時，則控制充電幫浦對低通濾波器充電，直到驅動電流值與I_{OLED_0} 相同時。而這個充電之電壓差(ΔV)大小可表示為：

ΔV =V _{diff _1} +V _{diff _2} =I _p ×T (s )　(4)

其中V_{diff_1} 為T1與OLED之臨界電壓變異之電壓，V_{diff_2} 為T1受電子遷移率變異時等量之電壓差，I_P 為充電幫浦之充電電流，T(S)為低通濾波器之轉移函數。即使補償電路可以消除元件衰減所導致臨界電壓值上升的影響，電流依然會因為電子遷移率衰減而逐漸下降，因此該補償電路利用電流比較的概念，對畫素電路閘極端進行額外的充電來達成電流穩定的目的。因此T1上閘極電壓就可表示為

V _G =V _{diff _1} +V _{diff _2} +V _{data _0} 　(5)

其中V_{diff_1} 可表示為

V _{diff _1} =ΔV _TH +ΔV _{TH _ OLED} 　(6)

在V_{diff_2} 方面，首先將式子(1)做移項整理，並將式子(2)與(5)帶入T1的飽和電流公式，因此可分別求得：

將式子(7)與式子(8)相減後，就會整理出所要求得之V_{diff_2} 式子，由於修正完後之電流值I_{OLED_1} 會與初始電流值I_{OLED_0} 相同，因此可整理得到：

最後將式子(1)代入式子(9)做移項整理後就可得到V_{diff_2} 值，如式子(10)所示

由於μ₁ 為變異後之電子遷移率，因此假設其與初始之電子遷移率

相差一個誤差量，即μ₁ =μ₀ -Δμ因此將其代入式子(10)後可得：

要達到快速校準的目的，就必需去討論相關影響5%穩態時間有關之變數，而會影響到5%穩態時間的，有兩組因素如下：

(1)、資料線(Data line)和回授線：當面板尺寸愈來愈大時，其線上之寄生電阻電容將會變大，因此最直接的就是影響到5%之穩態時間，因此在整體系統分析時就必需將這兩因素考慮進去。

(2)、充電幫浦之電流與低通濾波器：由式子(4)可知修正之電壓量大小與充電幫浦之充電電流和低通濾波器大小相關，當固定好系統之工作頻率後，其低通濾波器之大小則亦被固定住，因此整個充電時間的長短即和充電幫浦之充電電流大小有關。

統合上述兩點去分析整個系統之5%穩態時間，可得穩定時間與充電幫浦之充電電流為反比關係，也就是說，當充電幫浦之充電電流愈大時則所需之穩態時間就愈少，其如下表示

其中C_S 為儲存電容，C_gs 為T1之閘極端與源極端上之寄生電容，C_P 為低通濾波器之電容值，R_FB 與C_PD 為資料線和回授線上之寄生電阻電容。而K' =R _M ×f ×I _P ×gm 為系統之增益值，其大小為充電幫浦電流(I_P )、轉阻值(R_M )、系統操作頻率(f)和T1之轉導係數(gm)大小有關。第十圖是一依據本發明構想之第一較佳實施例的外部補償電路與2T1C畫素電路之5%穩態時間對應OLED電流波幅的模擬結果之波形圖。由模擬結果可知，當I_P 從60μA提升至120μA時，時間可由28μs減少至23μs。

2、發光階段(Emission mode)：

最後階段為發光階段，SCAN[N]變為低電位，此時T2關閉。把修正完之電壓值帶入電流公式中，可得到穩定不受T1臨界電壓變異及電子遷移率影響和OLED臨界電壓變異影響的I_OLED 。由式子(13)可知，最後經校準完後之OLED電流為不受臨界電壓變異與電子遷移率影響之穩定電流。

I _OLED =K ₁ ×(V _GS -V _i ')² =K ₁ ×[V _{DATA _0} +V _{diff _1} +V _{diff _2} -(V _i +V _{diff 1} )]² =K ₁ ×[V _{DATA _0} -V _i +V _{diff _2} ]² =I _{OLED _0} (13)

第十一圖為一依據本發明構想之第一較佳實施例的外部補償電路與2T1C畫素電路和習知之2T1C電路的時間對電流之波形圖。第十一圖可用以驗證公式(13)中消除臨界電壓變異與電子遷移率對電流之影響，其量測環境為高溫100℃。由圖中可知，受高溫影響，習知之2T1C電路的電流衰減達81.75%，然而本發明所提議之外部補償電路與2T1C畫素電路的電流衰則減低到：小於4.5%。

實施例：

1.一種有機發光二極體顯示器，包含：一畫素電路，包括一主動式有機發光二極體與一具一第一端之驅動電晶體；以及一補償電路，包括：一比較電路，接收一參考資料電流與該主動式有機發光二極體之一驅動電流，且產生一控制訊號；一充電電路，接收該控制訊號；以及一低通濾波器，耦合於該充電電路。

2.根據實施例1所述之顯示器更包括一基板，其中該比較電路為一比較器或一電流偵測電路，該充電電路為一充電 幫浦或一電壓/電流轉換器(V/I converter)，且該基板為一玻璃基板。

3.根據實施例1或2所述之顯示器，其中該補償電路更包括一電壓/電流轉換器、一緩衝器與一開關電路，該電壓/電流轉換器耦合於該比較電路，接收一輸入電壓以產生該參考資料電流，該低通濾波器用於儲存一校準電壓與決定一電路操作頻寬，當該充電電路運作於增加或減少該第一端上之該電壓時，該開關電路被導通，當該充電電路未運作於增加或減少該第一端上之該電壓時，該開關電路被關斷，該緩衝器用於推動一負載，該負載包括同一欄之複數個2T1C畫素電路，且該開關電路為一開關或一開關選擇器(switch selector)。

4.根據以上任一實施例所述之顯示器，其中該緩衝器耦合於該低通濾波器與該開關電路，且該開關電路耦合於該畫素電路。

5.根據以上任一實施例所述之顯示器，其中該開關電路耦合於該低通濾波器與該緩衝器，且該緩衝器耦合於該畫素電路。

6.一種有機發光二極體顯示器，包含：一畫素電路，產生一驅動電流；以及一補償電路，包括一比較電路以接收一參考資料電流與該驅動電流，並據以調整該驅動電流。

7.根據實施例6所述之顯示器，其中該畫素電路包括一具一第一端之驅動電晶體，該補償電路更包括一充電電路， 該比較電路為一比較器或一電流偵測電路，該充電電路為一充電幫浦或一電壓/電流轉換器(V/I converter)，用於接收該比較電路之一輸出訊號，並據以增加或減少該第一端上之一電壓，俾改變該驅動電流。

8.一種用於一有機發光二極體顯示器之控制方法，其中該顯示器包括一主動式有機發光二極體與一具一第一端之驅動電晶體，包含：比較一參考資料電流與該主動式有機發光二極體之一驅動電流，且據以產生一輸出訊號；以及依據該輸出訊號，以增加或減少該第一端上之一電壓，俾改變該驅動電流。

9.根據實施例8所述之方法，其中該經改變之驅動電流I_OLED =K1*(V_{DATA_0} -V_i -V' _i +V_{diff_1} +V_{diff_2} )² ，V_{DATA_0} 為該第一端被預充至一穩定之電壓值，流經該主動式有機發光二極體的一初始電流值I_{OLED_0} =K0*(V_{DATA_0} -V_i )² ，K0為該驅動電晶體之一參數值，K1為該K0值受到一電子遷移率變異的影響時之一變動值，V_i 為該主動式有機發光二極體與該驅動電晶體之一初始臨界電壓值，V' _i 為該主動式有機發光二極體與該驅動電晶體之一變異臨界電壓值，V_{diff_1} 為該主動式有機發光二極體與該驅動電晶體受到臨界電壓變異的影響時之一等量電壓差，V_{diff_2} 為該驅動電晶體受到該電子遷移率變異的影響時之一等量的電壓差，且該I_OLED 為一穩定電流。

10.根據實施例8或9所述之方法，其中該V_{diff_2} =(V_{DATA_0} -V_i )*((μ0/(μ0-△μ))^1/2 -1)，μ0為一初始之電子遷移率，△μ為該電子遷移率變異與該初始之電子遷移率兩者間之一誤差量。

綜上所述，本發明提供一種具補償電路之有機發光二極體顯示器及其控制方法，係利用外部偵測電流衰減大小，以調變畫素電路內資料電壓大小，因此使得驅動電流不受TFT臨界電壓及電子遷移率之變異，並且也不受OLED材料老化之影響，在長時間的操作下仍能有效的維持電流之穩定度，改善OLED亮度衰減的問題，故其確實具有進步性與新穎性。

是以，縱使本案已由上述之實施例所詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

第一圖：其係顯示一習知之AMOLED面板之電路示意圖；第二圖(a)：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的補償電路與畫素電路之電路示意圖；第二圖(b)：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的開關與畫素電路之相關波形圖；第三圖：其係顯示一習知之2T1C畫素電路的光罩示意圖；第四圖：其係顯示一習知之電壓/電流轉換器的電路圖；第五圖：其係顯示一習知之充電幫浦的電路圖；第六圖：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的外部補償電路與AMOLED畫素電路之電路示意圖； 第七圖：其係顯示一依據本發明構想之第二較佳實施例的外部補償電路與AMOLED畫素電路之電路示意圖；第八圖：其係顯示一依據本發明構想之第三較佳實施例的外部補償電路與AMOLED畫素電路之電路示意圖；第九圖：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的a-Si TFT之元件特性量測的波形圖；第十圖：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的外部補償電路與2T1C畫素電路之5%穩態時間對應OLED電流波幅的模擬結果之波形圖；以及第十一圖：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例的外部補償電路與2T1C畫素電路和習知之2T1C電路的時間對電流之波形圖。

Claims (9)

1. 一種有機發光二極體顯示器，包含：一畫素電路，包括一主動式有機發光二極體與一具一第一端之驅動電晶體；以及一補償電路，包括：一比較電路，接收一參考資料電流與該主動式有機發光二極體之一驅動電流，且產生一控制訊號；一充電電路，接收該控制訊號，並據以增加或減少該第一端上之一電壓，俾改變該驅動電流；一緩衝器，電連接於該充電電路；一開關電路，電連接於該緩衝器，其中當該充電電路運作時，該開關電路被導通，當該充電電路未運作時，該開關電路被關斷；以及一低通濾波器，耦合於該充電電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之顯示器更包括一基板，其中該比較電路為一比較器或一電流偵測電路，該充電電路為一充電幫浦或一電壓/電流轉換器(V/I converter)，且該基板為一玻璃基板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之顯示器，其中該補償電路更包括一電壓/電流轉換器，該電壓/電流轉換器耦合於該比較電路，接收一輸入電壓以產生該參考資料電流，該低通濾波器用於儲存一校準電壓與決定一電路操作頻寬，該緩衝器用於推動一負載，該負載包括同一欄之複數個2T1C畫素電路，且該開關電路為一開關或一開關選擇器(switch selector)。
4. 如申請專利範圍第3項所述之顯示器，其中該緩衝器耦合於該低通濾波器與該開關電路，且該開關電路耦合於該畫素電路。
5. 如申請專利範圍第3項所述之顯示器，其中該開關電路耦合於該低通濾波器與該緩衝器，且該緩衝器耦合於該畫素電路。
6. 一種有機發光二極體顯示器，包含：一畫素電路，產生一驅動電流；以及一補償電路，包括：一比較電路，接收一參考資料電流與該驅動電流；一充電電路，電連接於該比較電路；一開關電路，電連接於該充電電路，其中當該充電電路運作時，該開關電路被導通，當該充電電路未運作時，該開關電路被關斷，俾據以調整該驅動電流；以及一緩衝器，電連接於該開關電路。
7. 如申請專利範圍第6項所述之顯示器，其中該畫素電路包括一具一第一端之驅動電晶體，該比較電路為一比較器或一電流偵測電路，該充電電路為一充電幫浦或一電壓/電流轉換器(V/I converter)，用於接收該比較電路之一輸出訊號，並據以增加或減少該第一端上之一電壓，俾改變該驅動電流。
8. 一種用於一有機發光二極體顯示器之控制方法，其中該顯示器包括一主動式有機發光二極體與一具一第一端之驅 動電晶體，包含：比較一參考資料電流與該主動式有機發光二極體之一驅動電流，且據以產生一輸出訊號；以及依據該輸出訊號，以增加或減少該第一端上之一電壓，俾改變該驅動電流，其中該經改變之驅動電流I_OLED =K1*(V_{DATA_0} -V_i -V' _i +V_{diff_1} +V_{diff_2} )² ，V_{DATA_0} 為該第一端被預充至一穩定之電壓值，流經該主動式有機發光二極體的一初始電流值I_{OLED_0} =K0*(V_{DATA_0} -V_i )² ，K0為該驅動電晶體之一參數值，K1為該K0值受到一電子遷移率變異的影響時之一變動值，V_i 為該主動式有機發光二極體與該驅動電晶體之一初始臨界電壓值，V' _i 為該主動式有機發光二極體與該驅動電晶體之一變異臨界電壓值，V_{diff_1} 為該主動式有機發光二極體與該驅動電晶體受到臨界電壓變異的影響時之一等量電壓差，V_{diff_2} 為該驅動電晶體受到該電子遷移率變異的影響時之一等量的電壓差，且該I_OLED 為一穩定電流。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該V_{diff_2} =(V_{DATA_0} -V_i )*((μ0/(μ0-△μ))^1/2 -1)，μ0為一初始之電子遷移率，△μ為該電子遷移率變異與該初始之電子遷移率兩者間之一誤差量。