OLED的產生與發展

March 28, 2019

OLED顯示技術是OEL顯示技術的一種，在過去的十多年里發展迅猛，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，大大的推動了OLED的產業化進程。目前OLED已到大規模量產的前夜。可以相信，在不久的將來OEL顯示器件必將有一個突破性的發展。

 

一、OLED的產生與發展

 

OLED的研究產生起源于一個偶然的發現。1979年的一天晚上，在Kodak公司從事科研工作的華裔科學家鄧青云博士（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，他發現黑暗中有個亮的東西。打開燈發現原來是一塊做實驗的有機蓄電池在發光。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公司最早發表其研究成果，此后，全世界許多企業和研究機構開始致力于小分子OLED器件和相關課題的研究，有關的專著文獻和專利的數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）和高穩定性（發光強度為150nits時，工作壽命>10000小時）的有機EL器件已經研制出來。

 

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，為了發展聚合物EL技術，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定，這也就成了發展聚合物EL的原動力。

 

目前，OLED的產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，產品的應用范圍逐漸擴大到手機顯示屏。OLED在手機上的應用又極大地推動其技術的進一步發展和應用范圍的迅速擴大，對現有的LCD、LED和VFD提出強有力的挑戰。

 

二、OLED顯示特點與分類

 

有機電致發光（OrganicElectroluminescentLight）簡稱為OEL。它有兩個技術分支，一個是分子量在500～2000之間的小分子有機發光二極管（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）有機發光二極管（PolymerLight-EmittingDiode）簡稱為PLED或P-OLED。

 

OEL顯示器件具有的主動發光、發光效率較高、功耗低、輕、薄、無視角限制等優點，被業內人士認為是最有可能在未來的顯示器件市場上占據霸主地位的新一代顯示器件。作為一項嶄新的顯示技術，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，應用領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技術在過去的十多年里發展迅猛，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，大大的推動了OLED的產業化進程，使得OLED產業的成長速度驚人，目前已經到達了大規模量產的前夜。業內有關人士預言，2007年也許會成為OLED大規模量產的元年。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產品逐漸向有源全彩和大尺寸的方向發展，OLED產業還將保持高速的增長勢頭。OLED產品已經逐漸被下游廠商所認可，需求量也明顯增大。目前OLED主要應用領域包括通訊產品（手機副屏）、消費類電子產品（MP3）、車載和儀器儀表等領域。

 

與OLED技術相比，PLED技術發展稍有滯后，主要是因為介入的廠商有限、技術相對不太成熟、原材料合成難度大、設備生產廠商少等原因。盡管如此，其發展速度也十分迅速，目前市場上已經可以見到配有較低檔次PLED的產品。據DisplaySearch預測，到2008年PLED市場份額將快速上升到OEL市場的40%。

 

三、OLED的結構和發光機理簡述

 

OLED顯示器件是基于有機材料的一種電流型半導體發光器件。其典型結構是在ITO玻璃上制作一層幾十納米厚的有機發光材料作發光層，發光層上方有一層低功函數的金屬電極。當電極上加有電壓時，發光層就產生光輻射。

 

OLED的發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傳輸，并在發光層內復合，從而激發發光層分子產生單態激子，單態激子輻射衰減而發光。

 

OLED要獲得全彩有三種方法：

 

1、采用白色發光層加濾色片。這是獲得全色顯示最簡單的方法。

 

2、采用紅、綠、藍三種有機發光材料，因此發光層為三層結構。

 

3、采用藍色有機發光材料，再用顏色轉換材料獲得全彩。

 

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，OLED器件的制備過程基本一致，主要區別在于器件的真空蒸鍍設備上。實驗室一般選用手動的真空蒸鍍設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備進行連續的多片樣品蒸鍍，以便于小批量產品的切換；量產線一般采用全自動的真空蒸鍍設備進行流水樣品蒸鍍（或采用線蒸鍍技術與工藝），以便于提高良品率、降低產品成本。據悉，也有的機構正在研究嘗試在量產線上用旋涂技術工藝進行生產OLED產品。

 

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→產品檢驗及老化實驗等十幾道工序，其幾個關鍵工序的工藝如下。

 

（1）ITO玻璃的洗凈及表面處理

 

ITO作為陽極其表面狀態直接影響空穴的注入和與有機薄膜層間的界面電子狀態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，從而導致蒸鍍在上面的空穴傳輸材料發生凝聚、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。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表面的功函數來增加空穴注入的幾率，可使OLED器件亮度提高一個數量級。

 

ITO玻璃在使用前還應經過“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、提高ITO表面的平整度。未經處理的ITO表面功函數約為4.6 eV，經過紫外線－臭氧或等離子表面處理后的ITO表面的功函數為5.0 eV以上，發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，薄膜的質量關系到器件質量和壽命。在高真空腔室中設有多個放置有機材料的蒸發舟，加熱蒸發舟蒸鍍有機材料，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備上進行蒸鍍實驗，實驗結果表明，有機材料的蒸發溫度一般在170℃～400℃之間、ITO樣品基底溫度在100℃～150℃、蒸發速度在1晶振點～10晶振點/秒（即約0.1nm～1nm/S）、蒸發腔的真空度在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、蒸鍍速率不穩定、真空腔容易污染等等不足之處，從而導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反應）。

 

金屬電極材料的蒸發一般用加熱電流來表示，在我們的真空蒸鍍設備上進行蒸鍍實驗，實驗結果表明，金屬電極材料的蒸發加熱電流一般在70A～100A之間（個別金屬要超過100A）、ITO樣品基底溫度在80℃左右、蒸發速度在5晶振點～50晶振點/秒（即約0.5nm～5nm/S）、蒸發腔的真空度在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氧固化劑，覆蓋材料則采用玻璃封蓋，在封蓋內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。

 

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

 

有機電致發光器件又稱為有機發光二極管(OLED)，由透明陽極ITO、金屬陰極和有機薄膜層構成，如圖1所示。在直流電壓驅動下，陰極注入的電子和陽極注入的空穴向有機發光層運動，最終在發光層中相遇并復合發光。根據有機發光層制備材料的不同，有機發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構，高分子器件多為單層結構。目前，小分子器件在性能上占優，基本實現產業化，但成本較高，制作較大尺寸顯示面板有困難；高分子器件發光性能稍差，但穩定性好，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，有機電致發光顯示器具有高亮度、高對比度、寬視角以及快捷的響應速度等優點，被視為下一代最理想的顯示技術，現已開始應用于MP3、手機、PDA、音響顯示面板等小尺寸領域，近期的研發目標是實現較大尺寸的有機顯示，應用于計算機顯示器、大屏幕電視機等方面。

 

有機電致發光材料

 

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

 

由于小分子發光材料容易發生濃度淬滅，所以常常是作為客體材料摻雜進主體材料中，并通過能量轉移得到激發而產生發光[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光穩定性方面有待改善；紅光則需改進其較低的發光效率和亮度。

 

高分子發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高分子發光材料，它具有較高的熱穩定性。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業化進程的開始。2001年，Pioneer正式批量生產車載電視機所用的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發布了全球最大的40 英寸OLED顯示器樣機，引起了業界的震驚。它采用主動矩陣驅動方式，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，面板厚度為2.2 cm。Sony則發布了厚度僅為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。在色彩表現上，這兩款產品已經完全超出NTSC的色域范圍，并且在色彩層次上也相當出色。2005年低，Samsung引進第四代高分子PLED生產線，并試產40 英寸的PLED顯示面板。2006年10月，三星發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。

 

可以預見，OLED面板尺寸將由小尺寸發展到中等尺寸，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，大尺寸OLED制造所需的4代以上機臺還無供應，嚴重制約了有機顯示技術的發展。
 

OLED的驅動技術
 

有機電致發光顯示器的驅動分為有源驅動(Acitive Matrix，即AM)和無源驅動(Passive Matrix，即PM)兩種方式。在PM驅動中，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用受到限制，產品多為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動，是實現大面積顯示的理想驅動技術。驅動電路主要完成兩個功能：一是提供受控電流以驅動OELD，其次，在尋址期之后繼續提供電流以保證各象素連續發光。此外，AM-OELD的各個象素是同時發光的，對單個象素發光亮度的要求相對降低，驅動電壓也相應下降，有利于降低功耗和延長器件壽命。

 

驅動IC芯片是有機電致發光顯示器驅動技術中的重要組成部分，負責產生驅動信號。目前，單色、多色驅動IC已經比較成熟，彩色驅動特別是大尺寸平板顯示器的專用驅動IC技術難度較大，而且大尺寸面板成品率低，仍處于研發階段。

 

應用及展望

 

超輕薄、低能耗、寬視角和快響應速度等特點使OLED在筆記本電腦、手機、數碼相機等便攜設備的顯示屏上具有廣泛的應用前景，同時其高質量的顯示畫質也被業界鎖定為下一代的電視技術。在即將到來的3G通信中，手機視頻將會日益普及，而OLED的高速響應和低能耗特點非常適合于播放快速手機視頻，預計OLED將首先在這個小尺寸面板市場對液晶構成強有力的挑戰，有望成為主流的手機顯示屏。市場調查機構DisplaySearch預測，手機用OLED顯示屏的產量將從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巨大的市場應用前景已引起全世界超過85家公司介入這一領域，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參與OLED的研發，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品正處于歷史上高速發展的時期，它們對顯示屏有著巨大的需求。而且，OLED與LCD不同，在技術上尚處于起步階段，技術及資金門檻相對較低，比較容易進入。因此，OLED顯示技術在我國有著巨大的發展潛力和市場空間，我們面臨著前所未有的發展機遇，應盡快加大有機顯示技術的研發和產業化進程，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，有機電致發光顯示在巨大的發展機遇面前，也同時面臨著不小的挑戰。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電路的設計與制造技術，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光效率，并在高亮度下有良好的穩定性。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等便攜應用產品而言已基本夠用，但對于OLED在桌面顯示器、電視等大尺寸面板上的應用，仍有較大差距。最后，目前業界寄予厚望的低溫多晶硅TFT制作工藝復雜，技術門檻高，且大尺寸有機顯示面板產量較少，成品率低，使得成本居高不下。

 

總之，有機電致發光顯示雖被視為下一代最理想的顯示技術，但其未來的發展空間仍有賴于業界加大研發力度，克服有機顯示在技術上的致命缺陷，如顯示色彩的豐富性、工作穩定性及壽命等問題，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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