薄膜式电致发光动态显示器

陈可简  

摘自 深圳大学学报 JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY
SCIENCE & ENGINEERING
1999年　第16卷　第4期　Vol.16　No.4　1999

　　摘　要　研究了用电致发光材料（EL）制作的薄膜型平面动态显示器的发光特征，在此基础上设计了驱动薄膜型电致发光平面动态点阵的CMOS电路.
　　

TFEL Panel and Its Driving Techniques

　　CHEN Ke-jian
　　School of Engineering and Technology
　　Shenzhen University
　　Shenzhen 518060
　　P. R. China

　　Abstract　The emitting characteristic of thin film electroluminescent (TFEL) panel has been studied in this paper.The driving circuits used for TFEL panel have also been investigated and designed.
　　Key words　EL；TF panel；dynamic plate displays

引 言
　　现代显示技术已成为人们社会生活的一由于个不可缺少的技术领域.用电致发光材料（EL）制做的显示器由于其具有发光效率高，响应快，能耗低，造价低廉等优点，因而在大中型显示屏幕的应用方面，有着十分广阔的发展前景.薄膜式电致发光显示器（TFEL）与液晶显示器（LCD）相比，具有无需背光源，发光强度高，响应速度快等优点；与阴极射线显示器（CRT）相比，具有能耗低，且发光效率高，视角广等优点；与等离子体显示器（PDP）相比，也具有造价低廉，使用安全，寿命长等优点.本文通过分析了EL显示特性，特别是其发光强度和发光效率与驱动电压波形之间的关系，结合动态驱动的特点，设计了合理的驱动电压波形.在此基础上，综合TFEL平面动态点阵显示的其它一些特征，设计了CMOS驱动电路.

1　EL显示特性
1.1 EL发光特性
　　对于无机电致发光材料来讲，其发光强度与电压的关系为： L=Lo exp(-Uo/U)其中，L--发光强度；U--电压；L₀和U₀是与激励条件，发光单元结构以及发光粉有关的常数^[1]-[3].
　　发光强度在低频范围内与频率成正比，随着频率增加，发光强度呈现出饱和状态.但是，实验表明，发光强度与电压波形的占空比没有明显的关系.换言之，在同样的频率下，改变电压波形的占空比，不会明显改变发光强度.
　　此外，进一步的实验结果表明，电压波形的极性对EL的发光效率和寿命有十分重要的影响.由于无机电致发光材料是通过掺杂硫化锌中的导带热电子被高电场加速后碰撞激发发光中心而产生发光效果.采用单极性脉冲电压作为驱动电压如图1中（a），不利于碰撞后的恢复，影响使用寿命，而采用正负极性脉冲电压作为驱动电压如图1中（b），更有利于碰撞后的恢复，从而增加使用寿命.

(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（b）

图1 电压波形的极性
Fig.1 The polarities of voltage pulses

1.2 EL动态显示驱动电压
　　依据上述实验结果，并考虑到EL必须在驱动电压幅值高于发光域值电压Vy后才能发光，设计TFEL的行电极驱动电压脉冲为由扫描脉冲Vs和恢复脉冲-Vr组成的正负极性脉冲电压，且Vs和Vr的幅值略低于发光域值电压Vy的幅值.此外，不同行的扫描脉冲Vs可以根据各行的不同选通条件是不同步的，但恢复脉冲-Vr各行都是同步的，如图2.

图2 TFEL行和列驱动脉冲时序示意图
Fig.2 Simplified diagram illustrating row and column timing to operate an TFEL

　　另一方面，设计TFEL的列电极驱动电压脉冲为由Vp脉冲组成的极性与行扫描脉冲极性相反的单极性脉冲电压，且Vs + Vp 的幅值高于发光域值电压Vy的幅值，Vp 的幅值根据发光强度要求可调，各列的脉冲时序根据各列 选通条件不同而有所不同.
　　当某行某列选通时，行和列交叉点的脉冲电压幅值高于发光域值电压Vy的幅值，该点就能发光.如图2显示的1行和1列选通的结果.

2　EL驱动电路
　　由于TFEL是由发光材料，介电材料，透明导电电极，以及另一电极组成，（如图3），各像素点的发光域值电压一致性完全取决于制屏工艺水平，因此，采取真空溅射等方法保证工艺参数的一致性是非常必要的，并且增加介电效果，提高发光域值电压Vy的绝对值（约200V），从而保证各像素点的发光域值电压一致性，使TFEL驱动工作可靠.

图3 TFEL结构示意图
Fig.3 TFEL display architecture

2.1 驱动电路的浮地问题
　　由于TFEL是一个相当大的容抗负载，驱动回路必须采用MOS场效应管，而驱动波形又必须是正负极性的高压脉冲电压，驱动回路的浮地问题解决不好，就不能保证MOS场效应管的可靠通断工作.为此，驱动回路的浮地问题解决如图4.

图4 行驱动回路框图
Fig.4 Row driver panel switching block diagram

　　图4中，“C”是恢复电压Vr加于回路的控制端；“D”是Vr去除控制端；“A”是扫描电压Vs加于回路的控制端；“B” 是Vs去除控制端.
2.2 发光强度控制
　　TFEL发光强度与驱动脉冲频率密切相关^[1]-[3].一般情况下，选择扫描刷新频率为60Hz.当需要增加发光强度时，仅仅改变基本时钟频率就能达到目的.此外，由于驱动电压采用的是Vs + Vp的方法，在行扫描速度不变的情况下，只要单独提高列扫描的频率，同样能体现出扫描频率增加的效果来.因此，通过增加列逻辑控制信号移位寄存器的移位速度，就可以增加发光强度.
2.3 以偶合电路消除冲击电流
　　由于TFEL显示屏是一个较大的容性负载，其容抗随显示屏面积增加而增加.对于一定面积的显示屏，由于容抗效应产生的冲击电流是一个不容忽略的问题.为此，考虑到行驱动和列驱动回路的差异，在行驱动回路中，增加了偶合回路，以消除系统中的冲击电流.
　　图5给出驱动系统的框图.

图5 TFEL驱动系统的框图
Fig.5 Block diagram of the driver system for a TFEL

3　实验与结果
　　用1mm厚的导电玻璃经腐蚀后作为透明导电极，通过真空溅射，分别把发光层，介电层，以及铝电极层依次溅射到透明导电极上，（三层总厚度为1微米），再通过腐蚀使铝层成为另一端的电极，构成一个512 X 256个像素点的显示屏，采用CMOS和MOS场效应管构成驱动电路，通过移位寄存器，实现每七行同时扫描，Vs和Vr为130V，Vp为70V.通过多媒体卡与计算机连接.
　　实验结果表明，该显示器亮度高，响应时间快，响应时间不到1ms，同CRT显示器的响应速度相同，而同尺寸的TFT LCD显示器响应时间为40ms，同尺寸的STN LCD显示器响应时间为200ms.
　　采用白色发光材料制做的显示屏，在列驱动电路中增加灰度调节电路，且在屏前增加红，黄，蓝三色滤光栅，可以构成彩色TFEL显示器.

作者简介：陈可简（1957-），女，江苏人，深圳大学教授、博士.
作者单位：深圳大学工程技术学院，深圳，518060

参考文献
［1］陈可简，黄志峰，朱勤. 电致发光材料超薄型平面动态显示器研究 ，1996，13（3-4）：30-33
［2］王文静，侯延冰，徐叙容. TFEL器件亮度波形的快速过程，1995，16（1）：1-4
［3］Benoit J. Excitation efficiency in thin-film electroluminescent devices ,1993,73  (3):1435-1442