OLED的發(fā)光原理，發(fā)展歷史及現狀

機發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode，簡(jiǎn)稱(chēng)OLED)與 TFT-LCD“薄膜晶體管液晶顯示器”(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)是不同類(lèi)型的產(chǎn)品。部分國外又稱(chēng) OLED 為有機電激發(fā)光顯示(Organic Electroluminesence Display, OELD)。

OLED具有自發(fā)光性、廣視角、高對比、低耗電、高反應速率、全彩化、制程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，OLED顯示器的種類(lèi)可分單色、多彩及全彩等種類(lèi)，而其中以全彩制作技術(shù)最為困難，OLED顯示器依驅動(dòng)方式的不同又可分為被動(dòng)式(Passive Matrix，PMOLED)與主動(dòng)式(active matrix，AMOLED)。

有機發(fā)光二極管可簡(jiǎn)單分為OLED(organic light-emitting diodes)和聚合物發(fā)光二極管(polymer light-emitting diodes, PLED)兩種類(lèi)型，目前均已開(kāi)發(fā)出成熟產(chǎn)品。PLED主要優(yōu)勢相對于OLED是其柔性大面積顯示。但由于產(chǎn)品壽命問(wèn)題，目前市面上的產(chǎn)品仍以OLED為主要應用。

OLED歷史

OLED 技術(shù)的研究，起源于鄧青云博士(Dr.Ching Wan Tang)，他出生于香港，于英屬哥倫比亞大學(xué)得到化學(xué)理學(xué)士學(xué)位，于1975年在康奈爾大學(xué)獲得物理化學(xué)博士學(xué)位。鄧青云自1975年開(kāi)始加入柯達公司Rochester實(shí)驗室從事研究工作，在意外中發(fā)現OLED。1979年的一天晚上，他在回家的路上忽然想起有東西忘記在實(shí)驗室，回到實(shí)驗室后，他發(fā)現在黑暗中的一塊做實(shí)驗用的有機蓄電池在閃閃發(fā)光從而開(kāi)始了對OLED的研究。到了1987年，同屬柯達公司的汪根樣博士和同事 Steven 成功地使用類(lèi)似半導體 PN結的雙層有機結構第一次作出了低電壓、高效率的光發(fā)射器。 1987年的這項實(shí)作，為柯達公司生產(chǎn) OLED 顯示器奠定了基礎。到了1990年，英國劍橋的實(shí)驗室也成功研制出高分子有機發(fā)光原件。1992年劍橋成立的顯示技術(shù)公司CDT(Cambridge Display Technology)，這項發(fā)現使得 OLED 的研究走向了一條與柯達完全不同的研發(fā)之路。

OLED結構

OLED的基本結構是由一薄而透明具半導體特性之銦錫氧化物(ITO)，與電力之正極相連，再加上另一個(gè)金屬陰極，包成如三明治的結構。整個(gè)結構層中包括了：電洞傳輸層(HTL)、發(fā)光層(EL)與電子傳輸層(ETL)。當電力供應至適當電壓時(shí)，正極電洞與陰極電子便會(huì )在發(fā)光層中結合，產(chǎn)生光子，依其材料特性不同，產(chǎn)生紅、綠和藍 RGB 三原色，構成基本色彩。OLED的特性是自發(fā)光，不像 TFT LCD 需要背光，因此可視度和亮度均高，且無(wú)視角問(wèn)題，其次是驅動(dòng)電壓低且省電效率高，加上反應快、重量輕、厚度薄，構造簡(jiǎn)單，成本低等，被視為 21世紀最具前途的產(chǎn)品之一。

OLED的驅動(dòng)方式

不過(guò)，OLED 也與 LCD 一樣其驅動(dòng)方式也分為主動(dòng)和被動(dòng)式兩種。被動(dòng)式下依照定位發(fā)光點(diǎn)亮，類(lèi)似郵差寄信，主動(dòng)式則和 TFT LCD 相同在每一個(gè) OLED 單元背增加一個(gè)薄膜晶體管，發(fā)光單元依照晶體管接到的指令點(diǎn)亮。簡(jiǎn)言之，主動(dòng)/被動(dòng)矩陣分法，主要指的是在顯示器內打開(kāi)或關(guān)閉像素的電子開(kāi)關(guān)型式。

典型的OLED由陰極、電子傳輸層、發(fā)光層、電洞輸運層和陽(yáng)極組成。電子從陰極注入到電子輸運層，同樣，電洞由陽(yáng)極注入進(jìn)空穴輸運層，它們在發(fā)光層重新結合而發(fā)出光子。與無(wú)機半導體不同，有機半導體(小分子和聚合物)沒(méi)有能帶，因此電荷載流子輸運沒(méi)有廣延態(tài)。受激分子的能態(tài)是不連續的，電荷主要通過(guò)載流子在分子間的躍遷來(lái)輸運。因此，在有機半導體中，載流子的移動(dòng)能力比在硅、砷化鎵、甚至無(wú)定型硅的無(wú)機半導體中要低幾個(gè)數量級。 在實(shí)際的OLED中，有機半導體典型的載流子移動(dòng)能力為10-3~10-6cm2/VS。因為它太小，OLED器件就需要較高的工作電壓。如一個(gè)發(fā)光強度為1000cd/m2的OLED，其工作電壓約為7~8V。因為同樣的原因，OLED受空間電荷限制，其注入的電流密度較高。

通過(guò)一厚度為d的薄膜的電流密度由下式定義：

J=(9 / 8)e M (V2/d3)

式中e是荷常怠M是d流子w移率、V楸∧啥說(shuō)碾骸

在一般的OLED中，全部有機膜的厚度約為1000囝 。實(shí)際上，OLED的發(fā)光功率與電流有J·Vm的關(guān)系，其中m 2。Burrows和Forrest制得的TPD/Alq器件的m高達9，他們認為，m值大是因為“阱”(或稱(chēng)極化子)的緣故。最近，他們又證實(shí)m具有很強的溫度依賴(lài)性，并且電荷是通過(guò)“阱”來(lái)輸運的。 在發(fā)光層中，摻雜客體螢光染料能極大地提高OLED的性能和特性。例如，只要摻雜1%的紅色螢光染料DCM、Alq式OLED的最大發(fā)射峰即可從520nm遷移到600nm;摻雜少量的MQA(一種綠色染料)將使OLED的效率提高2～3倍，在同樣的亮度下工作壽命可提高10倍。

有機發(fā)光二極管所用的物料是有機分子或高分子材料。將來(lái)可望應用于制造平價(jià)可彎曲顯示幕、照明設備、發(fā)光衣或裝飾墻壁。2004年開(kāi)始， OLED 已廣泛應用于隨身MP3播放器。

器件效率

迄今為止，發(fā)綠光的OLED是最有效的器件，這是因為人眼對綠光最為敏感。Tang曾報道，用香豆素摻雜Alq的器件具有5~6lm/w的效率。據文獻報道，效率最大的發(fā)綠光的OLED是由Sano制成的，用Bebq作為HTM，其效率為15lm/w。與發(fā)綠光的OLED比較，對發(fā)紅光和藍光的OLED的研究工作少得多。

目前已知的，效率最好的發(fā)藍光的OLED是由Idemitsu的Hosokawa等人研制的，其發(fā)光效率為5.0lm/w，對應的表面量子效率為2.4%。據Tang等人報道，將DCM染料攙入Alq制成了發(fā)紅光的OLE器件，其發(fā)光效率為2.5lm/W。 需要說(shuō)明的是，上述文獻所報道的發(fā)光效率，都是在發(fā)光強度約為100cd/m2或更小的條件下測得的。而實(shí)際應用的OLED是由多路驅動(dòng)的，最大的發(fā)光強度要高一些。因此，顯示象素會(huì )被驅動(dòng)到很高的發(fā)光強度，導致發(fā)光效率下降。也就是說(shuō)，隨著(zhù)發(fā)光亮度增加，發(fā)光效率將因驅動(dòng)電壓的增加而降低。發(fā)綠光的OLED，在發(fā)光亮度為10,000cd/m2時(shí)，其發(fā)光效率降為2lm/W，只有低亮度下的30%。發(fā)紅光和藍光的OLED，其發(fā)光效率隨著(zhù)發(fā)光亮度的增加降低得更多。因此，OLED技術(shù)可能更適用于不需要有源矩陣驅動(dòng)的小尺寸、低顯示容量的顯示器件。

器件的壽命和衰變

在過(guò)去的幾年中，對OLED器件的壽命有過(guò)一些報道。但由于每個(gè)實(shí)驗室測量器件壽命的方法不同，無(wú)法對這些數據進(jìn)行有意義的比較。在報道中，應用最多的測量器件壽命的方法，是在器件維持一恒定電流的條件下，測量從初始亮度下降至一半亮度的時(shí)間。據柯達公司的VanSlyke報道，亮度在2000cd/m2時(shí)，器件的工作壽命達到了1000小時(shí)。Sano也報道了，在TPD中摻雜紅熒烯得到的器件，其初始亮度為500cd/m2、半亮度壽命為3000小時(shí)。對壽命進(jìn)行比較的最佳量值是亮度和半亮度壽命的乘積。據報道，該量值對使用壽命最長(cháng)的器件是：綠光為7,000,000cd/m2-hr;藍光為300,000cd/m2-hr;紅─橙色為1,600,000cd/m2-hr。一個(gè)雙倍密封的OLED器件的儲存壽命約為5年。

特色與關(guān)鍵技術(shù)

過(guò)去的市場(chǎng)上OLED一直沒(méi)辦法普及，主要的問(wèn)題在于早先技術(shù)發(fā)展的OLED樣品大多是單色居多，即使采用多色的設計，其發(fā)色材料和生產(chǎn)技術(shù)往往還是限制了OLED發(fā)色的多樣性。實(shí)際上OLED的影像產(chǎn)生方法和CRT顯示一樣，皆是借由三色RGB畫(huà)素拼成一個(gè)彩色畫(huà)素;因為OLED的材料對電流接近線(xiàn)性反應，所以能夠在不同的驅動(dòng)電流下顯示不同的色彩與灰階。

OLED的特色在于其核心可以做得很薄，厚度為目前液晶的三分之一，加上OLED為全固態(tài)組件，抗震性好，能適應惡劣環(huán)境。OLED主要是自體發(fā)光的讓其幾乎沒(méi)有視角問(wèn)題，與LCD技術(shù)相比，即使在大的角度觀(guān)看，顯示畫(huà)面依然清晰可見(jiàn)。OLED的元件為自發(fā)光且是依靠電壓來(lái)調整，反應速度要比液芯片件來(lái)得快許多，比較適合當作高畫(huà)質(zhì)電視使用，2007年底SONY推出的11OLED電視XEL-1 反應速度就比LCD快了1000倍。

OLED的另一項特性是對低溫的適應能力，舊有的液晶技術(shù)在零下75度時(shí)，即會(huì )破裂故障，OLED 只要電路未受損仍能正常顯示。此外，OLED的效率高，耗能較液晶略低還可以在不同材質(zhì)的基板上制造，甚至能成制作成可彎曲的顯示器，應用范圍日漸增廣。

OLED與LCD比較之下較占優(yōu)勢，數年前OLED的使用壽命仍然難以達到消費性產(chǎn)品(如PDA、移動(dòng)電話(huà)及數碼相機等)應用的要求，但近年來(lái)已有大幅的突破，許多移動(dòng)電話(huà)的屏幕已采用 OLED，然而在價(jià)格上仍然較LCD貴許多，這也是未來(lái)量產(chǎn)技術(shù)等待突破的。

潛在的應用

OLED技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是主動(dòng)發(fā)光?，F在，發(fā)紅、綠、藍光的OLED都可以得到。在過(guò)去的幾年中，研究者們一直致力于開(kāi)發(fā)OLED在從背光源、低容量顯示器到高容量顯示器領(lǐng)域的應用。下面，將對OLED的潛在應用進(jìn)行討論，并將其與其它顯示技術(shù)進(jìn)行對比。

OLED在1999年首度商業(yè)化，技術(shù)仍然非常新?，F在用在一些黑白/簡(jiǎn)單色彩的汽車(chē)收音機、移動(dòng)電話(huà)、掌上型電動(dòng)游樂(lè )器等。都屬于高階機種。

目前全世界約有100多家廠(chǎng)商從事OLED的商業(yè)開(kāi)發(fā)，OLED目前的技術(shù)發(fā)展方向分成兩大類(lèi)：日、韓和臺灣傾向柯達公司的低分子OLED技術(shù)，歐洲廠(chǎng)商則以PLED為主。兩大集團中除了柯達聯(lián)盟之外，另一個(gè)以高分子聚合物為主的飛利浦公司現在也聯(lián)合了EPSON、DuPont、東芝等公司全力開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品。2007年第二季全球OLED市場(chǎng)的產(chǎn)值已達到1億2340萬(wàn)美元。

在中國企業(yè)方面，早在2005年，清華大學(xué)和維信諾公司決定開(kāi)始OLED大規模生產(chǎn)線(xiàn)建設，并最終在昆山建設了OLED大規模生產(chǎn)線(xiàn);廣東省也積極上馬OLED專(zhuān)案，截至2009年12月，廣東已建、在建和籌建的OLED生產(chǎn)線(xiàn)項目有5個(gè)，分別是汕尾信利小尺寸OLED生產(chǎn)線(xiàn)、佛山中顯科技的低溫多晶硅TFT(薄膜場(chǎng)效應晶體管)AMOLED生產(chǎn)線(xiàn)專(zhuān)案、東莞宏威的OLED顯示幕示范生產(chǎn)線(xiàn)項目、惠州茂勤光電公司的AMOLED光電項目、彩虹在佛山建設的OLED生產(chǎn)線(xiàn)項目。在OLED微型顯示器方面，云南北方奧雷德光電科技股份有限公司是世界第二家、中國第一家具備批量生產(chǎn)能力的AMOLED微型顯示器的生產(chǎn)廠(chǎng)商，微型顯示器多與光學(xué)組件配合，進(jìn)行便攜的近眼式應用，可應用于紅外系統、工業(yè)檢測、醫療器械、消費電子等多個(gè)領(lǐng)域。根據調研公司DisplaySearch的報告，全球OLED產(chǎn)業(yè)2009年的產(chǎn)值為8.26億美元，比2008年增長(cháng)35%。中國成為全球OLED應用最大的市場(chǎng)，中國的手機、移動(dòng)顯示設備及其他消費電子產(chǎn)品的產(chǎn)量都超過(guò)全球產(chǎn)量的一半。