有機發光顯示二極管（OLED）作為一種電流型發光器件已越來越多地被應用于高性能顯示中。由于它自發光的特性，與LCD相比，AMOLED具有高對比度、超輕薄、可彎曲等諸多優點。但是，亮度均勻性和殘像仍然是它目前面臨的兩個主要難題，要解決這兩個問題，除了工藝的改善，就不得不提到補償技術。

　　介紹補償技術之前，首先我們來看看AMOLED為什么需要補償。下圖所示為一個最簡單的AMOLED像素電路，它由兩個薄膜晶體管（TFT）構建像素電路為OLED器件提供相應的電流。

　　與一般的非晶硅薄膜晶體管（amorphous-Si TFT）相比，LTPS TFT和Oxide TFT具有更高的遷移率和更穩定的特性，更適合應用于AMOLED顯示中。在中小尺寸應用中多采用低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT），而在大尺寸應用中多采用氧化物薄膜晶體管（Oxide TFT）。這是因為LTPS TFT遷移率更大，器件所占面積更小，更適合于高PPI的應用。而Oxide TFT均勻性更好，工藝與a-Si兼容，更適合在高世代線上生產大尺寸AMOLED面板。然后它們又各有缺點，由于晶化工藝的局限性，在大面積玻璃基板上制作的LTPSTFT，不同位置的TFT常常在諸如閾值電壓、遷移率等電學參數上具有非均勻性，這種非均勻性會轉化為OLED顯示器件的電流差異和亮度差異，并被人眼所感知，即mura現象。Oxide TFT 雖然工藝的均勻性較好，但是與a-Si TFT類似，在長時間加壓和高溫下，其閾值電壓會出現漂移，由于顯示畫面不同，面板各部分TFT的閾值漂移量不同，會造成顯示亮度差異，由于這種差異與之前顯示的圖像有關，因此常呈現為殘影現象，也就是通常所說的殘像。

　　因此，在當前的工藝制作中，不管是LTPS還是Oxide都存在均勻性或穩定性的問題，而且OLED本身也會隨著點亮時間的增加亮度逐漸衰減。既然這些問題難以在工藝上完全克服，就必須要在設計上通過各種補償技術來解決。通常OLED的發光亮度和電流成正比，而電流是由TFT提供的，與TFT的特性參數相關。電流通常表示為，k是和TFT遷移率有關的參數，Vgs和Vds又和電源電壓與OLED驅動電壓有關。可知影響電流大小的參數有TFT遷移率、閾值電壓，OLED的驅動電壓以及電源電壓的大小。補償技術的主要目的就是要消除這些因素的影響，最終讓所有像素的亮度達到理想值。因為變量太多，技術難度很大，補償技術已成為 AMOLED顯示的核心技術之一。

　　補償方法可以分為內部補償和外部補償兩大類。內部補償是指在像素內部利用TFT構建的子電路進行補償的方法。外部補償是指通過外部的驅動電路或設備感知像素的電學或光學特性然后進行補償的方法。通常內部補償的像素結構和驅動方式都較復雜，且補償效果僅限于TFT 閾值電壓和IR Drop，補償范圍偏小，難以解決殘像問題。這種補償方式在TV產品中應用不多，但是在手機/平板這些使用頻率不高，產品生命周期短的應用中，也足以滿足需求。而外部補償的方式具有像素結構簡單，驅動速度快和補償范圍大的優點，但缺點是外圍驅動電路設計復雜度高，在大尺寸AMOLED TV顯示應用中，外部補償被認為是較佳的補償方案。但是最近隨著用戶對產品特性的要求提高，外部補償也在逐漸向中小尺寸應用中發展。

　　下圖是一個典型的內部補償型電路，它由7個TFT和1個存儲電容組成，因此被簡稱為7T1C結構，類似還有6T1C，5T2C等很多類似電路結構，經過近幾年的不斷研究和發展，內部補償電路的拓撲結構幾乎已被窮盡，很難再有實用性的結構創新。這種像素電路工作時一般都會有三個工作階段，會經歷復位、補償、發光，即一個驅動周期至少要干2到3件事，因此對電路驅動能力和面板上的負載都有一定要求。它的一般工作思路是在補償階段把TFT的閾值電壓 Vth先儲存在它的柵源電壓Vgs內，在最后發光時，是把Vgs-Vth轉化為電流，因為Vgs已經含有了Vth，在轉化成電流時就把Vth的影響抵消了，從而實現了電流的一致性。但是實際因為寄生參數和驅動速度等影響，Vth并不能完全抵消，也即當Vth偏差超過一定范圍時（通常？Vth≥0.5V），電流的一致性就不能確保了，因此說它的補償范圍是有限的。

　　外部補償根據數據抽取方法的不同又可以分為光學抽取式和電學抽取式。光學抽取式是指將背板點亮后通過光學CCD照相的方法將亮度信號抽取出來，電學抽取式是指通過驅動芯片的感應電路將TFT和OLED的電學信號抽取出來。兩種方法抽取的信號種類不同，因此數據處理的方式也不同。光學抽取的方式具有結構簡單，方法靈活的優點，因此在現階段被廣泛采用。

　　下圖是外部光學補償原理圖。Optical sensor通常是高分辨率和高精度的CCD照相機。

　　外部光學補償原理圖

　　其補償過程是用CCD對整個面板拍照，得到每個像素在幾個特征灰階下的亮度值，然后對子像素進行建模，得到每個像素的灰階-亮度的特性曲線。在對某一顯示圖像進行補償時，我們根據輸入灰階相對應的理想亮度，從該子像素的灰階-亮度特征曲線中可以反推出為了使該子像素達到相同的亮度，所對應的補償灰階，對所有的子像素都進行類似操作，我們就可以得到一個所謂的補償圖像，使用這個補償圖像驅動背板，就可以達到我們想要的理想亮度值。這一技術的難點是如何用CCD準確抓到每個像素的正確亮度并建立正確的模型，要通過算法克服子像素準確定位、摩爾紋等問題。因為光學補償要借助專業化的設備，只能在出廠前做初始化校準，無法在產品使用中進行補償，因此只能補償顯示非均勻性，無法補償使用中產生的殘像。

　　光學外部補償方案

　　外部補償的另一種方式是電學補償，即通過像素內部的TFT將驅動管的I-V特性以及OLED器件的I-V特性讀取到外部感應電路，計算需要補償的驅動電壓值并反饋給驅動面板的芯片從而實現補償。它需要開發具有信號提取功能的新型IC。

　　圖中Column readout作用是監測 TFT I-V 特性變化和均勻性，監測OLED均勻性和老化；Image processing LSI作用是根據監測結果計算補償量，并將補償量和初始數據整合輸出給Data Driver

　　外部補償像素電路比較簡單，通常是3T1C結構如下圖，除了傳統的數據線以外，它有一個感應線（SENSE）可以將TFT和OLED的電流抽取到驅動IC中。

　　外部補償像素結構

　　它有兩種抽取電信號方式，一種是抽取TFT電流，被稱作TFT sensing，一種是抽取OLED電流，被稱作OLED sensing。基本原理都是給定TFT或OLED的驅動電壓，把電流從感應線傳抽取到驅動IC，如下圖所示

　　TFT和OLED感應方式

　　讀出電信號后，外部補償方式可借助外部的集成電路芯片實施較復雜的算法，對TFT閾值電壓和遷移率的非均勻性以及OLED 老化等實施補償。外部電學補償的技術難點在于實現高精度和高速的TFT&OLED電學參數讀取，感應線上的寄生效應會影響讀取速度并造成信號衰減，感應電路的誤差會造成輸出失真，相鄰感應線或外界環境的噪聲會干擾感應信號的準確性。外部補償技術是一個包含面板設計，IC設計，驅動電路設計，算法設計的系統級方案，任何一個環節做不好都有可能影響補償效果，但是一旦實現精準設計，它的補償效果是最好的，可以實現實時補償，即在產品生命周期內，在使用過程中持續進行補償，可有效提升產品壽命。

　　由于補償技術非常關鍵，很多公司都在積極開發具有自主知識產權的補償技術。目前內部補償技術積累較深厚的公司是三星，外部補償業內只有LG率先實現了量產。其他面板廠或公司都在大力投入、針對這一技術積極進行研發，BOE目前也開發完成了具有自主知識產權的內部補償和外部補償技術，并已完成了在產品端的驗證，在國內處于領先地位。但即使是三星或LG，現在的補償技術并不能說是毫無瑕疵，還需要繼續創新和改進，伴隨著工藝水平和能力的進步，相信未來的AMOLED產品會更加完美。

　　作者簡介：吳仲遠 BOE VO SBU OLED開發副本部長2004年獲得清華大學微電子與固體物理學專業碩士學位，2004~2010在韓國三星半導體從事顯示驅動IC設計，2010年加入京東方至今一直專注于大尺寸OLED技術領域。現負責大尺寸OLED技術和產品開發工作。個人主要研究興趣方向包括AMOLED像素設計、驅動技術、補償算法、IC設計等。主要負責的55 UHD AMOLED開發、外部補償等項目曾獲集團卓越&優秀項目獎。目前擔任SID北京分會專業技術委員會委員。