平板显示器中FED与OLED技术特性比较

摘要：从发光原理、物理结构、驱动电路和制作工艺上对场致发射显示器(field emissiondisplay，fed)和有机发光二极管(organic light Enntting diode，oled)进行了详细的技术特性比较，并分析了各自的优缺点，为平板显示领域的研究提供了一定的理论基础。

关键词：平板显示器；场致发射显示器；有机发光二极管

中图分类号：TN873

文献标识码：A

引 言

随着信息技术的发展，人们对信息显示的需求日益提高，先后出现了CRT显示、LCD显示、PDP显示、LED显示、FED显示以及0LED显示等。基于各自优缺点，FED与0LED成为最有发展潜力的后起之秀，那么它们之中谁又能够最终独占市场鳌头呢?这就需要对它们各自的性能进行详细的比较和分析。

1　FED与OLED特性比较

1.1　发光原理

FED的基本原理和阴极射线管(cathode raytube，CRT)相同，都是由阴极发射电子激发荧光粉的主动发光显示。两者的不同之处在于FED是冷阴极发射，因此其除了具有CRT的所有优点外，还有功耗小、亮度高、视角宽等优点。FED按其结构可分为二极管型和三极管型。二极管型是由两个靠得很近的阴、阳极板构成，中间抽成真空，并用绝缘柱支撑。当所加电压足够大时，激发阴极向阳极发射电子，轰击荧光粉而发光。三极管型的FED主要是由冷阴极场发射阵列、控制栅极和荧光粉的阳极屏组成，其间抽成真空，并用绝缘柱支撑。电子的场发射是通过阴极和栅极之间施加几十伏的电压激发而形成，并在阳极电压加速后轰击到涂敷在阳极表面的荧光粉而发光。

OLED是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件，其典型结构是在LMH玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层。发光层上方有一层低功函数的金属电极，当电极上加上大于某一阈值的电压时，空穴与电子分别以电流的形式从阳极与阴极注入到加在阳、阴极间的有机薄膜发光层，两者复合生成激子，激子的能量转移到发光分子，使发光分子中的电子被激发到激发态，不稳定的激发态去激过程将产生可见光。电子和空穴之间的能差越大，发射光线的频率越大。通过精心选择阳极和阴极的材料以及聚合物层的结构能够使复合率达到最大，从而使发射光线最强。对发射层用少量高荧光分子掺杂可以明显提高发光效率和增强对色彩的控制。OLED不需要背光、滤色镜和偏振器等附加设施。

1.2　物理结构

FED的基本结构由两块平板玻璃和一层真空空间构成，即由电子发射源和荧光显示屏两部分组成，上层为荧光屏板，下层为微阵列电子发射源板，相互靠得很近。在每个像素点后面不到3mm处都制作了成千上万个极小的电子发射器。电子源撞击像素点上的荧光物质(RGB)，显示屏就呈现出不同的图形与色彩。所以，FED和等离子(PDP)、液晶(LCD)一样，都属于“定址(Addressed)显示器”，在显示画面时需要“行扫描，列选址”。依电子发射源的不同，FED又可分为Spindt(圆锥发射体型)、CNT(碳纳米管型)、SED(表面传导型)、BSD(弹道电子放射型)等类型。目前业界最为看好的应用主要是CNT和SED两大技术体系。如图1是Spindt三极管型结构示意图。

OLED的基本结构如图2所示，由一叠薄薄的有机聚合物层嵌夹在透明阳极和金属阴极之间而成，形成三明治的结构。整个结构层中包括了空穴传输层(HTL)、有机发光层(EL)和电子传输层(ETL)。当电源供应至适当电压时，阳极空穴与阴极电子就会在发光层中复合，将多余的能量以光子的形式释放出来，最终表现出发光，依其配方和释放能量频率的不同，可以产生红、绿和蓝(RGB)三原色，构成基本色彩。

1.3　驱动电路

1.3.1　FED驱动电路

FED结构分为二极管型和三极管型结构，但驱动方式都采用行、列扫描形式，二者区别仅仅在于所需电压大小不同。

如图3所示为单像元驱动结构，把整个显示平面分成M行N列，其电极垂直相交，在交叉处构成一个像元，即共构成M×N个显示像元。每一个交叉点像元越小，则图像越清晰，分辨率越高，即当显示屏尺寸一定时，M、N的数值越大，图像显示的效果越好。改变每个像元的发光强度，则点阵就可显示出许多不同灰度等级的图像。为了实现动态显示效果，通常驱动电路采用矩阵寻址方式，而矩阵寻址又分为逐点扫描寻址和逐行扫描寻址两种。

矩阵选址的FED驱动系统的硬件电路主要由逻辑控制电路、行驱动电路、列驱动电路、后级功率放大电路、存储器和电源模块等几部分组成，如图4所示。逻辑控制电路主要是根据输入的视频信号来产生逻辑控制信号

和时序信号，这部分主要由MCU与逻辑控制器构成，并通过程序控制来实现：行、列驱动电路主要是产生逻辑行、列控制信号，由译码器、数据锁存器、移位寄存器等数字芯片组成：后级功率放大电路主要是对产生的控制信号进一步放大来满足驱动要求；电源模块在整个驱动电路中为各模块提供所需电压。

同时，三极管型FED是通过控制阴极上脉冲宽度(PWM)和数目来逐行、逐帧循环实现灰度显示。由于栅、阴两极之间间距较小，故其驱动电压相对较低，目前驱动电路可选用专用驱动集成芯片，如HV5308／5408、HV632PG等。

1.3.2　OLED驱动电路

OLED驱动根据结构可分为无源矩阵显示驱动和有源矩阵显示驱动。

①无源驱动(PM－OLED)

无源矩阵显示驱动电路又可分为静态驱动电路和动态驱动电路。

静态驱动方式：在静态驱动的有机发光显示器件上，一般各有机电致发光像素的阴极是连在一起引出的，而各像素的阳极是分立引出的，称之为共阴极连接方式。若要一个像素发光，只需恒流源的电压与阴极电压之差大于激发电子的阈值电压，像素将在恒流源的驱动下发光；反之，可实现反向截止。但在图像变化比较多时可能会出现“交叉效应”，为了避免其发生，必须采用交流电压形式。静态驱动电路一般多用于段式显示屏的驱动上。

动态驱动方式：在动态驱动的有机发光显示器件上，将像素的行列电极做成矩阵型结构，在交叉点处将会形成发光点阵列，即水平和垂直分别表示显示像素性质相同的电极。如果显示屏上像素可分为N行和M列，则可有N个行电极和M个列电极，行和列分别对应发光像素的阴极和阳极。在实际电路驱动过程中，要逐行点亮或逐列点亮像素，通常采用逐行扫描的方式，行为扫描电极，列为数据电极。实现方式是循环地给每行电极施加脉冲，同时所有列电极给出该行像素的驱动电流脉冲，从而实现一行所有像素的显示。若不在显示范围内，该行或该列像素就会加上反向电压而不显示，从而避免了“交叉效 应”，此方法也属于矩阵选址方式。

②有源驱动(AMOLED)

有源驱动的每个像素配备具有开关功能的低温多晶硅薄膜晶体管(TFT)，且每个像素配备一个电荷存储电容，驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一玻璃基板上。每一个像素至少用两个薄膜晶体管，其轮流接通相互垂直的阳极和阴极条，如图5所示。这样，任何有源像素都可以保持其导通状态直至下一次扫描周期的到来。OLED属于电流型驱动，其发光亮度与电流量成正比，当像素亮度大大增加时，图像会更清晰，但为了得到均匀的亮度，分配到每一个像素上的电流应该是一样的。有源矩阵显示技术较为复杂，制作成本也较高。

1.4　制作工艺

由于制作FED所需的薄膜技术和微细加工技术类似于其他平板显示(如薄膜型ELD)和超大规模集成电路(VLSI)技术，工艺上已趋于成熟，易于大规模生产以降低成本，加上FED兼具CRT和AM－LCD的优点，所以一面世就得到很多大公司的认可。

目前，FED阴极结构分为Spindt型和平面薄膜型。Spindt型根据阴极材料的不同又分为MO-Spindt型、Si-Spindt型等；平面薄膜型分为金刚石材料型、CNT型、SED型和BSD型。平面薄膜型主要是针对Spindt型工艺的复杂化而提出的，利用了低逸出功材料制备的阴极结构，’其发射电子所需的阴极电压较小。

OLED的基本结构属夹层式结构，即发光层被两侧电极夹在中间，其一侧为不透明电极以便获得面发光。一般OLED阳极多用氧化铟锡玻璃电极(ITO)，在ITO上用蒸镀法或旋涂层法得到单层或多层有机薄膜，薄膜与金属阴极相连。根据有机薄膜的功能、器件结构可分为：单层器件结构、双层器件结构、三层器件结构和多层器件结构。

单层器件结构就是在器件的阳极和阴极间，制作由一种或数种物质组成的发光层，这种结构在聚合物发光中较为常见。由于大多数有机发光材料是单极性的，或具有传输空穴的性质，或具有传输电子的性质，如果用这种有机物作为单层器件的发光材料，将会使电子与空穴的复合区靠近某一电极，当复合区越靠近这一电极就越容易被该电极所淬灭，而这种淬灭不利于有机物的有效发光，从而使发光效率降低。为了解决这一问题，研究人员分别提出了双层、三层和多层器件结构，有效地解决了电子和空穴的复合区靠近电极和平衡载流子注入速率的问题，有效地提高了OLED的发光效率。

2　各自优缺点分析

FED与OLED除了具有清晰度高、功耗低、响应时间短、视角大(可达160°以上)、重量轻、厚度薄、无×射线污染等特点外，各自还有如下优缺点。

2.1　FED优缺点

2.1.1　FED的优势

FED显像原理和CRT几乎完全相同(电子束激发荧光粉而发光)，因此它完全有能力达到和超越CRT的显示质量；

由于其阴极发射阵列是硅基材料制备的，所以它可与驱动电路集成以缩小体积、降低成本。

FED的显示分辨率与阴极阵列的密度相同，可接近CRT的显示效果。一般CRT虽然体积庞大，但显示效果远比LCD等要好，而FED在这些方面与CRT是相当的；

FED采用的是冷阴极，使得器件与室温一样，降低了对荧光粉的要求，有利于保持器件的真空度。

2.1.2　目前FED存在的不足

阴极制备工艺复杂。不管是Spindt型还是CNT-FED型，包括发射体阵列、集成工艺、真空封装工艺、支撑技术等工艺都较为复杂，所需成本较高；

FED的发光效率和亮度均不能达到所需要求；

驱动技术还不成熟。驱动方式根据不同的阴极结构而定，驱动电压较高，二极管型FED驱动电压在几百上千伏特，三极管型FED也在几十上百伏特左右。

2.2　OLED优缺点

2.2.1　OLED的优点

固态显示器件，没有液态、气态物质，因此抗震性能更好，不怕摔打：

制造工艺相对简单，发光效率高、成本低：

能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔性显示器。

另外，对有源矩阵OLED显示器没有像素数、分辨率和尺寸方面的固有限制，像素的失效只会形成屏幕的小暗斑，其允许度远大于LCD中亮点故障的影响。此外，恒定电流驱动电路直接设计在基板上，消除了对高密度、高成本外设驱动器互连的要求。

2.2.2 目前OLED存在的不足

显示屏的寿命(常称作亮度半寿命――lumi-nance half-lifetime)，OLED研究界一般采用的寿命指标是自初始点亮起至显示亮度衰退到初始亮度的一半所用的时间。也就是说OLED的寿命通常只有5，000小时，要低于LCD至少1万小时的寿命：

不能实现大尺寸屏幕的量产，器件尺寸变大后会出现驱动形式问题、扫描方式下材料的寿命问题、显示屏发光均一化问题等，因此目前只适用于便携类的数码产品；

存在色彩纯度不够的问题，很难显示出鲜艳、浓郁的色彩，尤其是红色与蓝色；

OLED的成品率比较低。目前成品率低主要是由于显示技术的稳定性问题，特别是成膜技术还没有彻底得到解决所引起的。

但随着科学技术的进步，不管是FED还是OLED，存在的缺陷和问题都会在以后的科研中逐步得到解决。

3　结 论

对FED和OLED的发光原理、物理结构、驱动方式和制作工艺等特性进行了比较，并列举了目前各自的优缺点。作为目前显示领域研究的两个热点，谁将最终在平板显示领域中独占鳌头，这将是我们期待及关注的方向。但无论是FED还是OLED显示都将是一种非常有潜力的平板显示器件，都将在未来显示领域中占据举足轻重的地位。

参考文献

1　应根裕，胡文波，邱勇等，平板显示技术[M]，北京：人民邮电出版社，2002。

2　赵守珍，谢宝森，梁翠果等，光电平板显示器的研制[J]，光电子技术，2003，23(3)：199－201。

3　狄亮，宁铎，平板显示器驱动电路[J]，微计算机信息，200824(3-2)：280-282。

4　李玉魁，朱长纯，场致发射平板显示器的研究进展[J]，微纳电子技术，2006，6：266-269。

5　付新虎，郑喜凤，丁铁夫，OLED驱动技术的发展与应用[J]，电视技术，2005，9：36－39。

[6]高佳栋，张相臣有机发光显示器的显示原理和器件结构[J]，现代显示，2007，81(11)：53-59。

7　杨 辉，王维杰，季静佳等，有机电致发光器件(OLED)的制备方法和工艺[J]，人工晶体学报，2D07，36(1)：226-236。

8　王红光，黄浩，李德杰等，场发射显示技术的发展状况[J]，真空电子技术，2006，5：33-38。

9　曹艳，汪辉，OLED技术及柔性OLED性能、缺陷的研究[J]，现代显示，2008，6：36-39，

10　苗英恺，陈佳，OLED平板显示技术原理与应用[J]，通信技术，2008，04(41)：165-167。