基于SSD1303及AT89C51OLED显示屏驱动方设计 稳定性, 显示屏, 动态, 技术

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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。


双色OLED和冷光屏的关系


液晶是一种几乎完全透明的物质。它的分子排列决定了光线穿透液晶的路径。到20世纪60年代，人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的扭曲或折射，由此引发了人们发明液晶显示设备的念头。
　　液晶显示器，简称LCD(Liquid Crystal Display)。世界上第一台液晶显示设备出现在20世纪70年代初，被称之为TN-LCD(扭曲向列)液晶显示器。尽管是单色显示，它仍被推广到了电子表、计算器等领域。80年代，STN-LCD(超扭曲向列)液晶显示器出现，同时TFT-LCD(薄膜晶体管)液晶显示器技术被研发出来，但液晶技术仍未成熟，难以普及。80年代末90年代初，日本掌握了STN-LCD及TFT-LCD生产技术，LCD工业开始高速发展。
　　TFT(Thin Film Transistor)LCD即薄膜场效应晶体管LCD，是有源矩阵类型液晶显示器(AM-LCD)中的一种。
　　和TN技术不同的是，TFT的显示采用“背透式”照射方式——假想的光源路径不是像TN液晶那样从上至下，而是从下向上。这样的作法是在液晶的背部设置特殊光管，光源照射时通过下偏光板向上透出。由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的表现也会发生改变，可以通过遮光和透光来达到显示的目的，响应时间大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，故TFT俗称“真彩”。
　　相对于DSTN而言，TFT-LCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度，这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。
　　目前，绝大部分笔记本电脑厂商的产品都采用TFT-LCD。早期的TFT-LCD主要用于笔记本电脑的制造。尽管在当时TFT相对于DSTN具有极大的优势，但是由于技术上的原因，TFT-LCD在响应时间、亮度及可视角度上与传统的CRT显示器还有很大的差距。加上极低的成品率导致其高昂的价格，使得桌面型的TFT-LCD成为遥不可及的尤物。
　　不过，随着技术的不断发展，良品率不断提高，加上一些新技术的出现，使得TFT-LCD在响应时间、对比度、亮度、可视角度方面有了很大的进步，拉近了与传统CRT显示器的差距。如今，大多数主流LCD显示器的响应时间都提高到50ms以下，这些都为LCD走向主流铺平了道路。
　　LCD的应用市场应该说是潜力巨大。但就液晶面板生产能力而言，全世界的LCD主要集中在中国台湾、韩国和日本三个主要生产基地。亚洲是LCD面板研发及生产制造的中心，而台、日、韩三大产地的发展情况各有不同。
　　目前主流的TFT面板有a-Si(非晶硅薄膜晶体管) TFT技术和LTPS TFT(低温复晶硅)TFT技术。
　　在a-Si方面，三个生产基地的技术各有千秋。日本厂商曾经研制出分辨率高达2560×2048的LCD产品。因此，有些人认为，a-Si TFT技术完全可满足高分辨率的产品需要，但是，由于技术的不成熟，它还不能满足高速视频影像或动画等的需要。LTPS TFT相对可以节约成本，这对于TFT LCD的推广有着重要意义。目前，日本厂商已经有量产12.1英寸LTPS TFT LCD的能力。而中国台湾已开发完成LTPS组件制造技术与LTPS SXGA面板技术。韩国在这方面缺少专门的设计人员和研发专家，但像三星等主要企业已经推出了LTPS产品，显示出韩国厂商的实力。不过，目前LTPS技术尚不成熟，产品集中在小屏幕，而且良品率低，成本优势尚无从谈起。
　与LTPS相比，a-Si无疑是目前TFT LCD的主流。日本公司的a-Si TFT投资策略上几乎都以第三代LCD产品为主，通过制造技术及良品率的改善来提高产量，降低成本。日本一直走高端路线，其技术无疑是最先进的。由于研发力量有限，台湾的a-Si TFT技术主要来自日本厂商的转让，但由于台湾企业一般属于劳动密集型，技术含量价低，以生产低端产品为主。韩国在a-Si方面有着强大的研发实力，比如三星公司就量产了全球第一台24寸a-Si TFT LCD—240T，它的响应时间小于25ms，可以满足一般应用需要;而可视角度达到了160度，使得LCD在传统弱项上不输给CRT。三星240T标志着大屏幕TFT LCD技术走向成熟，也向世人展示了韩国厂商的实力不容置疑。
　　除了以上两种TFT技术之间的竞争，SED将会成为TFT LCD的强大敌人。然而，SED目前仍属于概念型产品，短时间内难以进入主流市场。
　　虽然目前LCD已经大幅降价，但是相对于CRT仍然价格较高。因此成本问题是大家关注的焦点。实际上，TFT的生产成本与CRT不相上下，但良品率极低造成了TFT面板成本居高不下的情况。TFT面板是由一块较大的基板切割而成。而LCD产品还要有大量的晶体管阵列来控制三原色，现在的制造技术很难保证在一大块基板上数千万甚至上亿的晶体管不出一个问题。如果有一个晶体管出现问题，那么那个晶体管对应的点的对应色彩就会出问题(只能显示某种固定色彩)，那么这个点就是通常称的“坏点”。坏点出现的几率于位置是不固定的，所以一块基板很有可能会被浪费很多。目前一般LCD要求坏点在5个以下，而一些大厂把这个标准缩小到了3个，甚至为0，这就会使良品率降低。而一些小厂则将坏点数扩大，这样一来，成本自然大幅下降，而产品品质随之下降，这也是某些厂商为何可以大幅降低LCD售价的原因之一。
　　虽然目前有能力生产液晶显示器的厂家不少，但真正有制造TFT面板能力的厂家屈指可数。ACER作为IT业内知名企业，实力相当雄厚，虽没有自己生产TFT面板的能力，但与台湾达基关系密切，在技术配合上有一定优势。不过，限于台湾企业的技术实力，ACER LCD产品主要集中在中低端。PHILIPS作为世界知名的显示设备制造厂，其显示器销量在国内一直名列前茅，而且于韩国LG达成同盟，共同研发、制造TFT面板。同样由于技术原因，以及市场定位问题，PHILIPS目前的产品主要集中在中端，而且在零售市场PHILIPS动作一直不很明显。三星作为另一实力强劲的显示设备研发、制造厂商，在LCD方面投入了较大精力，致力于不断丰富产品线，目前三星产品涵盖了高中低端市场。
　　LCD技术仍处在不断发展、完善的阶段，三大产地的发展方向各有不同，它们之间既存在竞争，又有着合作。正是这些因素促使了LCD向前发展。