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OLED的产生与发展



OLED显示技术是OEL显示技术的一种,在过去的十多年里发展迅猛,取得了巨大的成就。全球越来越多的显示器厂家纷纷投入研发,大大的推动了OLED的产业化进程。目前OLED已到大规模量产的前夜。可以相信,在不久的将来OEL显示器件必将有一个突破性的发展。

 

一、OLED的产生与发展

 

OLED的研究产生起源于一个偶然的发现。1979年的一天晚上,在Kodak公司从事科研工作的华裔科学家邓青云博士(Dr.C.W.Tang)在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室里,回去以后,他发现黑暗中有个亮的东西。打开灯发现原来是一块做实验的有机蓄电池在发光。这是怎么回事?OLED研究就此开始,邓博士由此也被称为OLED之父。

 

1987年,Kodak公司最早发表其研究成果,此后,全世界许多企业和研究机构开始致力于小分子OLED器件和相关课题的研究,有关的专著文献和专利的数量每年成百上千地递增。在美国(除Kodak公司外)和欧洲,绝大多数有机EL的研究工作是从9O年代早期开始的。今天,高效率(>15lm/w)和高稳定性(发光强度为150nits时,工作寿命>10000小时)的有机EL器件已经研制出来。

 

对高分子有机EL的研究工作比对小分子有机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个高分子有机EL器件。此后,为了发展聚合物EL技术,在美国和欧洲进行了大量的研究工作。人们一般都队为,聚合物材料比有机小分子材料要稳定,这也就成了发展聚合物EL的原动力。

 

目前,OLED的产品已从试验室走向了市场。从1997~l999年,OLED显示器的惟一市场是在车载显示器上,2000年以后,产品的应用范围逐渐扩大到手机显示屏。OLED在手机上的应用又极大地推动其技术的进一步发展和应用范围的迅速扩大,对现有的LCD、LED和VFD提出强有力的挑战。

 

二、OLED显示特点与分类

 

有机电致发光(OrganicElectroluminescentLight)简称为OEL。它有两个技术分支,一个是分子量在500~2000之间的小分子有机发光二极管(OrganicLightEmittingDiode)简称为OLED或SM-OLED;另一个是分子量在10000~100000之间的高分子(又称聚合物)有机发光二极管(PolymerLight-EmittingDiode)简称为PLED或P-OLED。

 

OEL显示器件具有的主动发光、发光效率较高、功耗低、轻、薄、无视角限制等优点,被业内人士认为是最有可能在未来的显示器件市场上占据霸主地位的新一代显示器件。作为一项崭新的显示技术,OLED免不了还存在很多不足,其材料、器件寿命、良品率等还有待于进一步研究、提高,应用领域也有待于进一步扩大,这就为今后的科研探索提供了很大的研究空间。

 

OLED技术在过去的十多年里发展迅猛,取得了巨大的成就。由于全球越来越多的显示器厂家纷纷投入研发,大大的推动了OLED的产业化进程,使得OLED产业的成长速度惊人,目前已经到达了大规模量产的前夜。业内有关人士预言,2007年也许会成为OLED大规模量产的元年。从2000年到2005年OLED面板出货量年均增长速度超过了175%,未来随着OLED产品逐渐向有源全彩和大尺寸的方向发展,OLED产业还将保持高速的增长势头。OLED产品已经逐渐被下游厂商所认可,需求量也明显增大。目前OLED主要应用领域包括通讯产品(手机副屏)、消费类电子产品(MP3)、车载和仪器仪表等领域。

 

与OLED技术相比,PLED技术发展稍有滞后,主要是因为介入的厂商有限、技术相对不太成熟、原材料合成难度大、设备生产厂商少等原因。尽管如此,其发展速度也十分迅速,目前市场上已经可以见到配有较低档次PLED的产品。据DisplaySearch预测,到2008年PLED市场份额将快速上升到OEL市场的40%。

 

三、OLED的结构和发光机理简述

 

OLED显示器件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ITO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。当电极上加有电压时,发光层就产生光辐射。

 

OLED的发光机理和过程是从阴、阳两极分别注入电子和空穴,被注入的电子和空穴在有机层内传输,并在发光层内复合,从而激发发光层分子产生单态激子,单态激子辐射衰减而发光。

 

OLED要获得全彩有三种方法:

 

1、采用白色发光层加滤色片。这是获得全色显示最简单的方法。

 

2、采用红、绿、蓝三种有机发光材料,因此发光层为三层结构。

 

3、采用蓝色有机发光材料,再用颜色转换材料获得全彩。

 

四、OLED的制备工艺

 

1、OLED的制备工艺

 

目前在中国大陆,OLED显示器件的制备还处于实验室阶段,但已到达了中试的边缘,因此我们将主要讨论实验室的OLED制备工艺。

 

不管是实验室、中试,还是量产,OLED器件的制备过程基本一致,主要区别在于器件的真空蒸镀设备上。实验室一般选用手动的真空蒸镀设备进行单片样品蒸镀,以便于制作种类不同的实验样品;中试线一般采用半自动的真空蒸镀设备进行连续的多片样品蒸镀,以便于小批量产品的切换;量产线一般采用全自动的真空蒸镀设备进行流水样品蒸镀(或采用线蒸镀技术与工艺),以便于提高良品率、降低产品成本。据悉,也有的机构正在研究尝试在量产线上用旋涂技术工艺进行生产OLED产品。

 

OLED显示器件的制备工艺包括:ITO玻璃清洗→光刻→再清洗→前处理→真空蒸镀有机层→真空蒸镀背电极→真空蒸镀保护层→封装→切割→测试→模块组装→产品检验及老化实验等十几道工序,其几个关键工序的工艺如下。

 

(1)ITO玻璃的洗净及表面处理

 

ITO作为阳极其表面状态直接影响空穴的注入和与有机薄膜层间的界面电子状态及有机材料的成膜性。如果ITO表面不清洁,其表面自由能变小,从而导致蒸镀在上面的空穴传输材料发生凝聚、成膜不均匀。

 

ITO表面的处理过程为:洗洁精清洗→乙醇清洗→丙酮清洗→纯水清洗,均用超声波清洗机进行清洗,每次洗涤采用清洗5分钟,停止5分钟,分别重复3次的方法。然后再用红外烘箱烘干待用。对洗净后的ITO玻璃还需进行表面活化处理,以增加ITO表面层的含氧量,提高ITO表面的功函数。也可以用比例为水:双氧水:氨水=5:1:1混合的过氧化氢溶液处理ITO表面,使ITO表面过剩的锡含量减少而氧的比例增加,以提高ITO表面的功函数来增加空穴注入的几率,可使OLED器件亮度提高一个数量级。

 

ITO玻璃在使用前还应经过“紫外线-臭氧”或“等离子”表面处理,主要目的是去除ITO表面残留的有机物、促使ITO表面氧化、增加ITO表面的功函数、提高ITO表面的平整度。未经处理的ITO表面功函数约为4.6 eV,经过紫外线-臭氧或等离子表面处理后的ITO表面的功函数为5.0 eV以上,发光效率及工作寿命都会得到提高。对ITO玻璃表面进行处理一定要在干燥的真空环境中进行,处理过的ITO玻璃不能在空气中放置太久,否则ITO表面就会失去活性。

 

(2)ITO的光刻处理工艺

 

(3)有机薄膜的真空蒸镀工艺

 

OLED器件需要在高真空腔室中蒸镀多层有机薄膜,薄膜的质量关系到器件质量和寿命。在高真空腔室中设有多个放置有机材料的蒸发舟,加热蒸发舟蒸镀有机材料,并利用石英晶体振荡器来控制膜厚。ITO玻璃基板放置在可加热的旋转样品托架上,其下面放置的金属掩膜板控制蒸镀图案。

 

在我们的真空蒸镀设备上进行蒸镀实验,实验结果表明,有机材料的蒸发温度一般在170℃~400℃之间、ITO样品基底温度在100℃~150℃、蒸发速度在1晶振点~10晶振点/秒(即约0.1nm~1nm/S)、蒸发腔的真空度在5×10-4Pa~3×10-4Pa时蒸镀的效果较佳。

 

但是,有机材料的蒸镀目前还存在材料有效使用率低(〈10%)、掺杂物的浓度难以精确控制、蒸镀速率不稳定、真空腔容易污染等等不足之处,从而导致样片基板的镀膜均匀度达不到器件要求。

 

(4)金属电极的真空蒸镀工艺

 

金属电极仍要在真空腔中进行蒸镀。金属电极通常使用低功函数的活泼金属,因此在有机材料薄膜蒸镀完成后进行蒸镀。常用的金属电极有Mg/Ag、Mg:Ag/Ag、Li/Al、LiF /Al等。用于金属电极蒸镀的舟通常采用钼、钽和钨等材料制作,以便用于不同的金属电极蒸镀(主要是防止舟金属与蒸镀金属起化学反应)。

 

金属电极材料的蒸发一般用加热电流来表示,在我们的真空蒸镀设备上进行蒸镀实验,实验结果表明,金属电极材料的蒸发加热电流一般在70A~100A之间(个别金属要超过100A)、ITO样品基底温度在80℃左右、蒸发速度在5晶振点~50晶振点/秒(即约0.5nm~5nm/S)、蒸发腔的真空度在7×10-4Pa~5×10-4Pa时蒸镀的效果较佳。

 

(5)器件封装工艺

 

OLED器件的有机薄膜及金属薄膜遇水和空气后会立即氧化,使器件性能迅速下降,因此在封装前决不能与空气和水接触。因此,OLED的封装工艺一定要在无水无氧的、通有惰性气体(如氩气)的手套箱中进行。封装材料包括粘合剂和覆盖材料。粘合剂使用紫外固化环氧固化剂,覆盖材料则采用玻璃封盖,在封盖内加装干燥剂来吸附残留的水分。图3.4为由于水分入侵造成有机层的破坏。

 

有机电致发光研究最早可追溯到1936年[1],但早期的发光器件驱动电压高,发光效率低[2, 3],没有引起人们的重视。1987年,C.W.Tang等制备成功低压驱动(<10V)的小分子发光器件[4],使有机发光现象再次引起广泛关注。1990年,J.H. Borroughes等又报道了低压下高分子器件的发光现象[5],开辟了高分子材料研究的新领域。

 

有机电致发光器件又称为有机发光二极管(OLED),由透明阳极ITO、金属阴极和有机薄膜层构成,如图1所示。在直流电压驱动下,阴极注入的电子和阳极注入的空穴向有机发光层运动,最终在发光层中相遇并复合发光。根据有机发光层制备材料的不同,有机发光器件有小分子和高分子两种类型。小分子器件的有机薄膜一般为多层结构,高分子器件多为单层结构。目前,小分子器件在性能上占优,基本实现产业化,但成本较高,制作较大尺寸显示面板有困难;高分子器件发光性能稍差,但稳定性好,成本低,容易制作大面积显示器,且具备柔软显示特性。

 

与液晶显示器相比,有机电致发光显示器具有高亮度、高对比度、宽视角以及快捷的响应速度等优点,被视为下一代最理想的显示技术,现已开始应用于MP3、手机、PDA、音响显示面板等小尺寸领域,近期的研发目标是实现较大尺寸的有机显示,应用于计算机显示器、大屏幕电视机等方面。

 

有机电致发光材料

 

有机电致发光器件的发光颜色和效率基本上取决于有机发光材料,有小分子和高分子两大类。小分子材料荧光量子效率高,提纯容易,在亮度、色纯度及颜色表现等方面优于高分子材料;高分子发光材料则在加工性、机械性能、稳定性及成本上占优,通过分子设计还可实现能带调控,得到全色发光器件。此外,高分子器件质量轻薄且具有柔韧性,更易于制作大尺寸的显示面板。

 

由于小分子发光材料容易发生浓度淬灭,所以常常是作为客体材料掺杂进主体材料中,并通过能量转移得到激发而产生发光[6]。红光材料较好的是DCM系列的DCJTB、DCJTI等[7, 8];绿光材料则是香豆素系列的C-545TB、C-545MT[9, 10];蓝光材料有DPVBi、AND、MADN等[11]。其中,绿光材料的性能最好,已达实用化的要求;蓝光材料在色彩饱和度和发光稳定性方面有待改善;红光则需改进其较低的发光效率和亮度。

 

高分子发光材料主要有聚苯撑乙烯(PPV)和聚噻吩(PAT)两大类。PPV最早被用来做PLED的发光层,对其的研究也最为充分,其重要的衍生物有MEH-PPV,PPE等;PAT则是继聚对苯撑乙烯类之后人们研究较多的一类杂环高分子发光材料,它具有较高的热稳定性。其他的一些重要高分子还有PPP、PF等,两者都是重要的蓝光材料。

 

1997年,日本Pioneer公司推出多彩汽车音响面板,被认为是有机显示产业化进程的开始。2001年,Pioneer正式批量生产车载电视机所用的5.2 英寸全彩OLED显示器。同年,Sony展示了13 英寸的全彩OLED显示器样机;2004年5月,Epson发布了全球最大的40 英寸OLED显示器样机,引起了业界的震惊。它采用主动矩阵驱动方式,分辨率为1280×768,支持256K色,面板厚度仅为2.1 cm。Epson宣称在2007年前后将让该产品达到实用水平。2005年,Samsung也宣布完成40英寸AM-OLED面板原型的开发,面板厚度为2.2 cm。Sony则发布了厚度仅为3 mm的11 英寸和厚度小于10 mm的27 英寸 OLED电视机,两款电视的对比度都达到了令人震撼的1000000:1,亮度最高也达到了600 cd/m2。在色彩表现上,这两款产品已经完全超出NTSC的色域范围,并且在色彩层次上也相当出色。2005年低,Samsung引进第四代高分子PLED生产线,并试产40 英寸的PLED显示面板。2006年10月,三星发布了目前世界上最薄的OLED显示屏,厚度仅为0.78 mm,可显示26万色彩,面板为2.2英寸。

 

可以预见,OLED面板尺寸将由小尺寸发展到中等尺寸,再到大尺寸,显示颜色则是单色、多色到全彩色。然而,目前众多厂商选择使用TFT-LCD面板的LTPS-TFT作为OLED基板,成品率不足40%。此外,目前只有第1~3.5代的蒸镀机台供应,大尺寸OLED制造所需的4代以上机台还无供应,严重制约了有机显示技术的发展。
 

OLED的驱动技术
 

有机电致发光显示器的驱动分为有源驱动(Acitive Matrix,即AM)和无源驱动(Passive Matrix,即PM)两种方式。在PM驱动中,面板上的ITO和金属电极通过光刻形成相互正交的平行电极,二者交叉处形成一个发光单元,通过扫描信号逐行点亮形成一帧图象。由于每一行的显示时间都非常短,要达到正常的图象亮度,每一行的亮度都要足够高。例如,一个100行的器件,每一行的亮度必须比平均亮度高100倍。这需要很高的电流和电压进行驱动,从而引起功耗增加和显示效率的急剧下降,还使器件的寿命大幅度缩短。目前,PM-OELD在大面积显示中的应用受到限制,产品多为2~5英寸的小尺寸面板。

 

与PM方式不同,AM采用的是薄膜晶体管(TFT)阵列来单独对每一个像素进行驱动,是实现大面积显示的理想驱动技术。驱动电路主要完成两个功能:一是提供受控电流以驱动OELD,其次,在寻址期之后继续提供电流以保证各象素连续发光。此外,AM-OELD的各个象素是同时发光的,对单个象素发光亮度的要求相对降低,驱动电压也相应下降,有利于降低功耗和延长器件寿命。

 

驱动IC芯片是有机电致发光显示器驱动技术中的重要组成部分,负责产生驱动信号。目前,单色、多色驱动IC已经比较成熟,彩色驱动特别是大尺寸平板显示器的专用驱动IC技术难度较大,而且大尺寸面板成品率低,仍处于研发阶段。

 

应用及展望

 

超轻薄、低能耗、宽视角和快响应速度等特点使OLED在笔记本电脑、手机、数码相机等便携设备的显示屏上具有广泛的应用前景,同时其高质量的显示画质也被业界锁定为下一代的电视技术。在即将到来的3G通信中,手机视频将会日益普及,而OLED的高速响应和低能耗特点非常适合于播放快速手机视频,预计OLED将首先在这个小尺寸面板市场对液晶构成强有力的挑战,有望成为主流的手机显示屏。市场调查机构DisplaySearch预测,手机用OLED显示屏的产量将从2006年的239万个增加到2007年的2484.1万个,2008达9588.5万个,到2010年将会突破2亿个。

 

OLED巨大的市场应用前景已引起全世界超过85家公司介入这一领域,其中不乏如三星电子、索尼、东芝、三洋及飞利浦这样的显示巨人;我国也有部分小型企业参与OLED的研发,如北京维信诺公司、上海航天上大欧德科技有限公司等。目前,我国的PC及移动通信等消费类电子产品正处于历史上高速发展的时期,它们对显示屏有着巨大的需求。而且,OLED与LCD不同,在技术上尚处于起步阶段,技术及资金门槛相对较低,比较容易进入。因此,OLED显示技术在我国有着巨大的发展潜力和市场空间,我们面临着前所未有的发展机遇,应尽快加大有机显示技术的研发和产业化进程,避免重蹈等离子和液晶显示的老路,受制于人。

 

值得指出的是,有机电致发光显示在巨大的发展机遇面前,也同时面临着不小的挑战。比如,OLED要取代液晶显示成为市场的主流,仍需突破大尺寸面板及TFT电路的设计与制造技术,延长使用寿命,降低制造成本。大尺寸显示需要保证大面积基板的镀膜均匀性,避免发光亮度和色彩的不均匀。显示面积增大,意味着器件必须有很高的瞬间亮度和高的发光效率,并在高亮度下有良好的稳定性。此外,虽然目前OLED面板一万小时左右的使用寿命对于手机和MP3等便携应用产品而言已基本够用,但对于OLED在桌面显示器、电视等大尺寸面板上的应用,仍有较大差距。最后,目前业界寄予厚望的低温多晶硅TFT制作工艺复杂,技术门槛高,且大尺寸有机显示面板产量较少,成品率低,使得成本居高不下。

 

总之,有机电致发光显示虽被视为下一代最理想的显示技术,但其未来的发展空间仍有赖于业界加大研发力度,克服有机显示在技术上的致命缺陷,如显示色彩的丰富性、工作稳定性及寿命等问题,这是其取代目前液晶显示市场主流地位的必然要求。


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