OLED的產(chǎn)生與發(fā)展

March 28, 2019

OLED顯示技術(shù)是OEL顯示技術(shù)的一種，在過去的十多年里發(fā)展迅猛，取得了巨大的成就。全球越來越多的顯示器廠家紛紛投入研發(fā)，大大的推動了OLED的產(chǎn)業(yè)化進程。目前OLED已到大規(guī)模量產(chǎn)的前夜?？梢韵嘈?，在不久的將來OEL顯示器件必將有一個突破性的發(fā)展。

 

一、OLED的產(chǎn)生與發(fā)展

 

OLED的研究產(chǎn)生起源于一個偶然的發(fā)現(xiàn)。1979年的一天晚上，在Kodak公司從事科研工作的華裔科學(xué)家鄧青云博士（Dr.C.W.Tang）在回家的路上忽然想起有東西忘記在實驗室里，回去以后，他發(fā)現(xiàn)黑暗中有個亮的東西。打開燈發(fā)現(xiàn)原來是一塊做實驗的有機蓄電池在發(fā)光。這是怎么回事？OLED研究就此開始，鄧博士由此也被稱為OLED之父。

 

1987年，Kodak公司最早發(fā)表其研究成果，此后，全世界許多企業(yè)和研究機構(gòu)開始致力于小分子OLED器件和相關(guān)課題的研究，有關(guān)的專著文獻和專利的數(shù)量每年成百上千地遞增。在美國（除Kodak公司外）和歐洲，絕大多數(shù)有機EL的研究工作是從9O年代早期開始的。今天，高效率（>15lm/w）和高穩(wěn)定性（發(fā)光強度為150nits時，工作壽命>10000小時）的有機EL器件已經(jīng)研制出來。

 

對高分子有機EL的研究工作比對小分子有機EL的研究，起步要晚得多。直到1990年，才由Burroughes及其合作者研究成功第一個高分子有機EL器件。此后，為了發(fā)展聚合物EL技術(shù)，在美國和歐洲進行了大量的研究工作。人們一般都隊為，聚合物材料比有機小分子材料要穩(wěn)定，這也就成了發(fā)展聚合物EL的原動力。

 

目前，OLED的產(chǎn)品已從試驗室走向了市場。從1997～l999年，OLED顯示器的惟一市場是在車載顯示器上，2000年以后，產(chǎn)品的應(yīng)用范圍逐漸擴大到手機顯示屏。OLED在手機上的應(yīng)用又極大地推動其技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用范圍的迅速擴大，對現(xiàn)有的LCD、LED和VFD提出強有力的挑戰(zhàn)。

 

二、OLED顯示特點與分類

 

有機電致發(fā)光（OrganicElectroluminescentLight）簡稱為OEL。它有兩個技術(shù)分支，一個是分子量在500～2000之間的小分子有機發(fā)光二極管（OrganicLightEmittingDiode）簡稱為OLED或SM-OLED；另一個是分子量在10000～100000之間的高分子（又稱聚合物）有機發(fā)光二極管（PolymerLight-EmittingDiode）簡稱為PLED或P-OLED。

 

OEL顯示器件具有的主動發(fā)光、發(fā)光效率較高、功耗低、輕、薄、無視角限制等優(yōu)點，被業(yè)內(nèi)人士認為是最有可能在未來的顯示器件市場上占據(jù)霸主地位的新一代顯示器件。作為一項嶄新的顯示技術(shù)，OLED免不了還存在很多不足，其材料、器件壽命、良品率等還有待于進一步研究、提高，應(yīng)用領(lǐng)域也有待于進一步擴大，這就為今后的科研探索提供了很大的研究空間。

 

OLED技術(shù)在過去的十多年里發(fā)展迅猛，取得了巨大的成就。由于全球越來越多的顯示器廠家紛紛投入研發(fā)，大大的推動了OLED的產(chǎn)業(yè)化進程，使得OLED產(chǎn)業(yè)的成長速度驚人，目前已經(jīng)到達了大規(guī)模量產(chǎn)的前夜。業(yè)內(nèi)有關(guān)人士預(yù)言，2007年也許會成為OLED大規(guī)模量產(chǎn)的元年。從2000年到2005年OLED面板出貨量年均增長速度超過了175%，未來隨著OLED產(chǎn)品逐漸向有源全彩和大尺寸的方向發(fā)展，OLED產(chǎn)業(yè)還將保持高速的增長勢頭。OLED產(chǎn)品已經(jīng)逐漸被下游廠商所認可，需求量也明顯增大。目前OLED主要應(yīng)用領(lǐng)域包括通訊產(chǎn)品（手機副屏）、消費類電子產(chǎn)品（MP3）、車載和儀器儀表等領(lǐng)域。

 

與OLED技術(shù)相比，PLED技術(shù)發(fā)展稍有滯后，主要是因為介入的廠商有限、技術(shù)相對不太成熟、原材料合成難度大、設(shè)備生產(chǎn)廠商少等原因。盡管如此，其發(fā)展速度也十分迅速，目前市場上已經(jīng)可以見到配有較低檔次PLED的產(chǎn)品。據(jù)DisplaySearch預(yù)測，到2008年P(guān)LED市場份額將快速上升到OEL市場的40%。

 

三、OLED的結(jié)構(gòu)和發(fā)光機理簡述

 

OLED顯示器件是基于有機材料的一種電流型半導(dǎo)體發(fā)光器件。其典型結(jié)構(gòu)是在ITO玻璃上制作一層幾十納米厚的有機發(fā)光材料作發(fā)光層，發(fā)光層上方有一層低功函數(shù)的金屬電極。當(dāng)電極上加有電壓時，發(fā)光層就產(chǎn)生光輻射。

 

OLED的發(fā)光機理和過程是從陰、陽兩極分別注入電子和空穴，被注入的電子和空穴在有機層內(nèi)傳輸，并在發(fā)光層內(nèi)復(fù)合，從而激發(fā)發(fā)光層分子產(chǎn)生單態(tài)激子，單態(tài)激子輻射衰減而發(fā)光。

 

OLED要獲得全彩有三種方法：

 

1、采用白色發(fā)光層加濾色片。這是獲得全色顯示最簡單的方法。

 

2、采用紅、綠、藍三種有機發(fā)光材料，因此發(fā)光層為三層結(jié)構(gòu)。

 

3、采用藍色有機發(fā)光材料，再用顏色轉(zhuǎn)換材料獲得全彩。

 

四、OLED的制備工藝

 

1、OLED的制備工藝

 

目前在中國大陸，OLED顯示器件的制備還處于實驗室階段，但已到達了中試的邊緣，因此我們將主要討論實驗室的OLED制備工藝。

 

不管是實驗室、中試，還是量產(chǎn)，OLED器件的制備過程基本一致，主要區(qū)別在于器件的真空蒸鍍設(shè)備上。實驗室一般選用手動的真空蒸鍍設(shè)備進行單片樣品蒸鍍，以便于制作種類不同的實驗樣品；中試線一般采用半自動的真空蒸鍍設(shè)備進行連續(xù)的多片樣品蒸鍍，以便于小批量產(chǎn)品的切換；量產(chǎn)線一般采用全自動的真空蒸鍍設(shè)備進行流水樣品蒸鍍（或采用線蒸鍍技術(shù)與工藝），以便于提高良品率、降低產(chǎn)品成本。據(jù)悉，也有的機構(gòu)正在研究嘗試在量產(chǎn)線上用旋涂技術(shù)工藝進行生產(chǎn)OLED產(chǎn)品。

 

OLED顯示器件的制備工藝包括：ITO玻璃清洗→光刻→再清洗→前處理→真空蒸鍍有機層→真空蒸鍍背電極→真空蒸鍍保護層→封裝→切割→測試→模塊組裝→產(chǎn)品檢驗及老化實驗等十幾道工序，其幾個關(guān)鍵工序的工藝如下。

 

（1）ITO玻璃的洗凈及表面處理

 

ITO作為陽極其表面狀態(tài)直接影響空穴的注入和與有機薄膜層間的界面電子狀態(tài)及有機材料的成膜性。如果ITO表面不清潔，其表面自由能變小，從而導(dǎo)致蒸鍍在上面的空穴傳輸材料發(fā)生凝聚、成膜不均勻。

 

ITO表面的處理過程為：洗潔精清洗→乙醇清洗→丙酮清洗→純水清洗，均用超聲波清洗機進行清洗，每次洗滌采用清洗5分鐘，停止5分鐘，分別重復(fù)3次的方法。然后再用紅外烘箱烘干待用。對洗凈后的ITO玻璃還需進行表面活化處理，以增加ITO表面層的含氧量，提高ITO表面的功函數(shù)。也可以用比例為水:雙氧水:氨水=5:1:1混合的過氧化氫溶液處理ITO表面，使ITO表面過剩的錫含量減少而氧的比例增加，以提高ITO表面的功函數(shù)來增加空穴注入的幾率，可使OLED器件亮度提高一個數(shù)量級。

 

ITO玻璃在使用前還應(yīng)經(jīng)過“紫外線－臭氧”或“等離子”表面處理，主要目的是去除ITO表面殘留的有機物、促使ITO表面氧化、增加ITO表面的功函數(shù)、提高ITO表面的平整度。未經(jīng)處理的ITO表面功函數(shù)約為4.6 eV，經(jīng)過紫外線－臭氧或等離子表面處理后的ITO表面的功函數(shù)為5.0 eV以上，發(fā)光效率及工作壽命都會得到提高。對ITO玻璃表面進行處理一定要在干燥的真空環(huán)境中進行，處理過的ITO玻璃不能在空氣中放置太久，否則ITO表面就會失去活性。

 

（2）ITO的光刻處理工藝

 

（3）有機薄膜的真空蒸鍍工藝

 

OLED器件需要在高真空腔室中蒸鍍多層有機薄膜，薄膜的質(zhì)量關(guān)系到器件質(zhì)量和壽命。在高真空腔室中設(shè)有多個放置有機材料的蒸發(fā)舟，加熱蒸發(fā)舟蒸鍍有機材料，并利用石英晶體振蕩器來控制膜厚。ITO玻璃基板放置在可加熱的旋轉(zhuǎn)樣品托架上，其下面放置的金屬掩膜板控制蒸鍍圖案。

 

在我們的真空蒸鍍設(shè)備上進行蒸鍍實驗，實驗結(jié)果表明，有機材料的蒸發(fā)溫度一般在170℃～400℃之間、ITO樣品基底溫度在100℃～150℃、蒸發(fā)速度在1晶振點～10晶振點/秒（即約0.1nm～1nm/S）、蒸發(fā)腔的真空度在5×10-4Pa～3×10-4Pa時蒸鍍的效果較佳。

 

但是，有機材料的蒸鍍目前還存在材料有效使用率低（〈10%）、摻雜物的濃度難以精確控制、蒸鍍速率不穩(wěn)定、真空腔容易污染等等不足之處，從而導(dǎo)致樣片基板的鍍膜均勻度達不到器件要求。

 

（4）金屬電極的真空蒸鍍工藝

 

金屬電極仍要在真空腔中進行蒸鍍。金屬電極通常使用低功函數(shù)的活潑金屬，因此在有機材料薄膜蒸鍍完成后進行蒸鍍。常用的金屬電極有Mg/Ag、Mg:Ag/Ag、Li/Al、LiF /Al等。用于金屬電極蒸鍍的舟通常采用鉬、鉭和鎢等材料制作，以便用于不同的金屬電極蒸鍍（主要是防止舟金屬與蒸鍍金屬起化學(xué)反應(yīng)）。

 

金屬電極材料的蒸發(fā)一般用加熱電流來表示，在我們的真空蒸鍍設(shè)備上進行蒸鍍實驗，實驗結(jié)果表明，金屬電極材料的蒸發(fā)加熱電流一般在70A～100A之間（個別金屬要超過100A）、ITO樣品基底溫度在80℃左右、蒸發(fā)速度在5晶振點～50晶振點/秒（即約0.5nm～5nm/S）、蒸發(fā)腔的真空度在7×10-4Pa～5×10-4Pa時蒸鍍的效果較佳。

 

（5）器件封裝工藝

 

OLED器件的有機薄膜及金屬薄膜遇水和空氣后會立即氧化，使器件性能迅速下降，因此在封裝前決不能與空氣和水接觸。因此，OLED的封裝工藝一定要在無水無氧的、通有惰性氣體（如氬氣）的手套箱中進行。封裝材料包括粘合劑和覆蓋材料。粘合劑使用紫外固化環(huán)氧固化劑，覆蓋材料則采用玻璃封蓋，在封蓋內(nèi)加裝干燥劑來吸附殘留的水分。圖3.4為由于水分入侵造成有機層的破壞。

 

有機電致發(fā)光研究最早可追溯到1936年[1]，但早期的發(fā)光器件驅(qū)動電壓高，發(fā)光效率低[2, 3]，沒有引起人們的重視。1987年，C.W.Tang等制備成功低壓驅(qū)動(<10V)的小分子發(fā)光器件[4]，使有機發(fā)光現(xiàn)象再次引起廣泛關(guān)注。1990年，J.H. Borroughes等又報道了低壓下高分子器件的發(fā)光現(xiàn)象[5]，開辟了高分子材料研究的新領(lǐng)域。

 

有機電致發(fā)光器件又稱為有機發(fā)光二極管(OLED)，由透明陽極ITO、金屬陰極和有機薄膜層構(gòu)成，如圖1所示。在直流電壓驅(qū)動下，陰極注入的電子和陽極注入的空穴向有機發(fā)光層運動，最終在發(fā)光層中相遇并復(fù)合發(fā)光。根據(jù)有機發(fā)光層制備材料的不同，有機發(fā)光器件有小分子和高分子兩種類型。小分子器件的有機薄膜一般為多層結(jié)構(gòu)，高分子器件多為單層結(jié)構(gòu)。目前，小分子器件在性能上占優(yōu)，基本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但成本較高，制作較大尺寸顯示面板有困難；高分子器件發(fā)光性能稍差，但穩(wěn)定性好，成本低，容易制作大面積顯示器，且具備柔軟顯示特性。

 

與液晶顯示器相比，有機電致發(fā)光顯示器具有高亮度、高對比度、寬視角以及快捷的響應(yīng)速度等優(yōu)點，被視為下一代最理想的顯示技術(shù)，現(xiàn)已開始應(yīng)用于MP3、手機、PDA、音響顯示面板等小尺寸領(lǐng)域，近期的研發(fā)目標是實現(xiàn)較大尺寸的有機顯示，應(yīng)用于計算機顯示器、大屏幕電視機等方面。

 

有機電致發(fā)光材料

 

有機電致發(fā)光器件的發(fā)光顏色和效率基本上取決于有機發(fā)光材料，有小分子和高分子兩大類。小分子材料熒光量子效率高，提純?nèi)菀?，在亮度、色純度及顏色表現(xiàn)等方面優(yōu)于高分子材料；高分子發(fā)光材料則在加工性、機械性能、穩(wěn)定性及成本上占優(yōu)，通過分子設(shè)計還可實現(xiàn)能帶調(diào)控，得到全色發(fā)光器件。此外，高分子器件質(zhì)量輕薄且具有柔韌性，更易于制作大尺寸的顯示面板。

 

由于小分子發(fā)光材料容易發(fā)生濃度淬滅，所以常常是作為客體材料摻雜進主體材料中，并通過能量轉(zhuǎn)移得到激發(fā)而產(chǎn)生發(fā)光[6]。紅光材料較好的是DCM系列的DCJTB、DCJTI等[7, 8]；綠光材料則是香豆素系列的C－545TB、C－545MT[9, 10]；藍光材料有DPVBi、AND、MADN等[11]。其中，綠光材料的性能最好，已達實用化的要求；藍光材料在色彩飽和度和發(fā)光穩(wěn)定性方面有待改善；紅光則需改進其較低的發(fā)光效率和亮度。

 

高分子發(fā)光材料主要有聚苯撐乙烯(PPV)和聚噻吩(PAT)兩大類。PPV最早被用來做PLED的發(fā)光層，對其的研究也最為充分，其重要的衍生物有MEH-PPV，PPE等；PAT則是繼聚對苯撐乙烯類之后人們研究較多的一類雜環(huán)高分子發(fā)光材料，它具有較高的熱穩(wěn)定性。其他的一些重要高分子還有PPP、PF等，兩者都是重要的藍光材料。

 

1997年，日本Pioneer公司推出多彩汽車音響面板，被認為是有機顯示產(chǎn)業(yè)化進程的開始。2001年，Pioneer正式批量生產(chǎn)車載電視機所用的5.2 英寸全彩OLED顯示器。同年，Sony展示了13 英寸的全彩OLED顯示器樣機；2004年5月，Epson發(fā)布了全球最大的40 英寸OLED顯示器樣機，引起了業(yè)界的震驚。它采用主動矩陣驅(qū)動方式，分辨率為1280×768，支持256K色，面板厚度僅為2.1 cm。Epson宣稱在2007年前后將讓該產(chǎn)品達到實用水平。2005年，Samsung也宣布完成40英寸AM-OLED面板原型的開發(fā)，面板厚度為2.2 cm。Sony則發(fā)布了厚度僅為3 mm的11 英寸和厚度小于10 mm的27 英寸 OLED電視機，兩款電視的對比度都達到了令人震撼的1000000:1，亮度最高也達到了600 cd/m2。在色彩表現(xiàn)上，這兩款產(chǎn)品已經(jīng)完全超出NTSC的色域范圍，并且在色彩層次上也相當(dāng)出色。2005年低，Samsung引進第四代高分子PLED生產(chǎn)線，并試產(chǎn)40 英寸的PLED顯示面板。2006年10月，三星發(fā)布了目前世界上最薄的OLED顯示屏，厚度僅為0.78 mm，可顯示26萬色彩，面板為2.2英寸。

 

可以預(yù)見，OLED面板尺寸將由小尺寸發(fā)展到中等尺寸，再到大尺寸，顯示顏色則是單色、多色到全彩色。然而，目前眾多廠商選擇使用TFT-LCD面板的LTPS-TFT作為OLED基板，成品率不足40％。此外，目前只有第1～3.5代的蒸鍍機臺供應(yīng)，大尺寸OLED制造所需的4代以上機臺還無供應(yīng)，嚴重制約了有機顯示技術(shù)的發(fā)展。
 

OLED的驅(qū)動技術(shù)
 

有機電致發(fā)光顯示器的驅(qū)動分為有源驅(qū)動(Acitive Matrix，即AM)和無源驅(qū)動(Passive Matrix，即PM)兩種方式。在PM驅(qū)動中，面板上的ITO和金屬電極通過光刻形成相互正交的平行電極，二者交叉處形成一個發(fā)光單元，通過掃描信號逐行點亮形成一幀圖象。由于每一行的顯示時間都非常短，要達到正常的圖象亮度，每一行的亮度都要足夠高。例如，一個100行的器件，每一行的亮度必須比平均亮度高100倍。這需要很高的電流和電壓進行驅(qū)動，從而引起功耗增加和顯示效率的急劇下降，還使器件的壽命大幅度縮短。目前，PM-OELD在大面積顯示中的應(yīng)用受到限制，產(chǎn)品多為2~5英寸的小尺寸面板。

 

與PM方式不同，AM采用的是薄膜晶體管(TFT)陣列來單獨對每一個像素進行驅(qū)動，是實現(xiàn)大面積顯示的理想驅(qū)動技術(shù)。驅(qū)動電路主要完成兩個功能：一是提供受控電流以驅(qū)動OELD，其次，在尋址期之后繼續(xù)提供電流以保證各象素連續(xù)發(fā)光。此外，AM-OELD的各個象素是同時發(fā)光的，對單個象素發(fā)光亮度的要求相對降低，驅(qū)動電壓也相應(yīng)下降，有利于降低功耗和延長器件壽命。

 

驅(qū)動IC芯片是有機電致發(fā)光顯示器驅(qū)動技術(shù)中的重要組成部分，負責(zé)產(chǎn)生驅(qū)動信號。目前，單色、多色驅(qū)動IC已經(jīng)比較成熟，彩色驅(qū)動特別是大尺寸平板顯示器的專用驅(qū)動IC技術(shù)難度較大，而且大尺寸面板成品率低，仍處于研發(fā)階段。

 

應(yīng)用及展望

 

超輕薄、低能耗、寬視角和快響應(yīng)速度等特點使OLED在筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機等便攜設(shè)備的顯示屏上具有廣泛的應(yīng)用前景，同時其高質(zhì)量的顯示畫質(zhì)也被業(yè)界鎖定為下一代的電視技術(shù)。在即將到來的3G通信中，手機視頻將會日益普及，而OLED的高速響應(yīng)和低能耗特點非常適合于播放快速手機視頻，預(yù)計OLED將首先在這個小尺寸面板市場對液晶構(gòu)成強有力的挑戰(zhàn)，有望成為主流的手機顯示屏。市場調(diào)查機構(gòu)DisplaySearch預(yù)測，手機用OLED顯示屏的產(chǎn)量將從2006年的239萬個增加到2007年的2484.1萬個，2008達9588.5萬個，到2010年將會突破2億個。

 

OLED巨大的市場應(yīng)用前景已引起全世界超過85家公司介入這一領(lǐng)域，其中不乏如三星電子、索尼、東芝、三洋及飛利浦這樣的顯示巨人；我國也有部分小型企業(yè)參與OLED的研發(fā)，如北京維信諾公司、上海航天上大歐德科技有限公司等。目前，我國的PC及移動通信等消費類電子產(chǎn)品正處于歷史上高速發(fā)展的時期，它們對顯示屏有著巨大的需求。而且，OLED與LCD不同，在技術(shù)上尚處于起步階段，技術(shù)及資金門檻相對較低，比較容易進入。因此，OLED顯示技術(shù)在我國有著巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌隹臻g，我們面臨著前所未有的發(fā)展機遇，應(yīng)盡快加大有機顯示技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程，避免重蹈等離子和液晶顯示的老路，受制于人。

 

值得指出的是，有機電致發(fā)光顯示在巨大的發(fā)展機遇面前，也同時面臨著不小的挑戰(zhàn)。比如，OLED要取代液晶顯示成為市場的主流，仍需突破大尺寸面板及TFT電路的設(shè)計與制造技術(shù)，延長使用壽命，降低制造成本。大尺寸顯示需要保證大面積基板的鍍膜均勻性，避免發(fā)光亮度和色彩的不均勻。顯示面積增大，意味著器件必須有很高的瞬間亮度和高的發(fā)光效率，并在高亮度下有良好的穩(wěn)定性。此外，雖然目前OLED面板一萬小時左右的使用壽命對于手機和MP3等便攜應(yīng)用產(chǎn)品而言已基本夠用，但對于OLED在桌面顯示器、電視等大尺寸面板上的應(yīng)用，仍有較大差距。最后，目前業(yè)界寄予厚望的低溫多晶硅TFT制作工藝復(fù)雜，技術(shù)門檻高，且大尺寸有機顯示面板產(chǎn)量較少，成品率低，使得成本居高不下。

 

總之，有機電致發(fā)光顯示雖被視為下一代最理想的顯示技術(shù)，但其未來的發(fā)展空間仍有賴于業(yè)界加大研發(fā)力度，克服有機顯示在技術(shù)上的致命缺陷，如顯示色彩的豐富性、工作穩(wěn)定性及壽命等問題，這是其取代目前液晶顯示市場主流地位的必然要求。

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