OLED李凡OLED有機發(fā)光二極管

（OrganicLight-EmittingDiode）

又稱為有機電激光顯示（OrganicElectroluminesenceDisplay,OELD）

OLED的誕生：它的發(fā)明始于偶然，1979年某一天的晚上．在

Kodak公司從事科研工作的華裔科學家鄧青云博士。在回家途中突然想起有件東西忘在實驗室里便返了回去，在黑暗中他發(fā)現(xiàn)有個亮光，打開燈后看到原來是一塊做實驗的有機蓄電池在發(fā)光。從此，他開始了對有機體的發(fā)光研究。即今稱之為OLED的研究．他也被稱為OLED之父。

OLED和LED的發(fā)光機理基本相同．但因使用的是有機材料。具有一系列優(yōu)異的特性。作為平板顯示器件，OLED與使用最普遍的LCD相比，擁有面板薄、對比度高、響應(yīng)速度快、功耗低、視角寬、重量輕等，尤其值得一提的優(yōu)勢更在于OLED屏可以彎曲、折疊、甚至可以像一張紙一樣掛在墻上，放在口袋里，以至鑲嵌在衣服里，不用時是衣服的一部分，需要時則可顯示必要的信息。OLED的基本結(jié)構(gòu)是由一薄而透明具半導(dǎo)體特性之銦錫氧化物(ITO)，與電力之正極相連，再加上另一個金屬陰極，包成如三明治的結(jié)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)層中包括了：空穴傳輸層(HTL)、發(fā)光層(EL)與電子傳輸(ETL)

有機發(fā)光二極體的發(fā)光原理和無機發(fā)光二極體相似。當元件受到直流電（DirectCurrent；DC）所衍生的順向偏壓時，外加之電壓能量將驅(qū)動電子（Electron）與空穴（Hole）分別由陰極與陽極注入元件，當兩者在傳導(dǎo)中相遇、結(jié)合，即形成所謂的電子-空穴復(fù)合（Electron-HoleCapture）而當化學分子受到外來能量激發(fā)后，若電子自旋（ElectronSpin）和基態(tài)電子成對，則為單重態(tài)（Singlet），其所釋放的光為所謂的熒光（Fluorescence）；反之，若激發(fā)態(tài)電子和基態(tài)電子自旋不成對且平行，則稱為三重態(tài)（Triplet），其所釋放的光為所謂的磷光（Phosphorescence）

依據(jù)0LED材料在器件中的功能及器件結(jié)構(gòu)的不同，OLED材料可區(qū)分為空穴注入層(HIL)、空穴傳輸層(HTL)、發(fā)光層(EML)、電子傳輸層(ETL)、電子注入層(EIL)等材料。其中，有些發(fā)光材料本身具有空穴傳輸或者電子傳輸?shù)墓δ?，通常被稱為主發(fā)光體；發(fā)光材料層中少量摻雜的有機熒光或者磷光染料可以接受來自主發(fā)光體的能量轉(zhuǎn)移并經(jīng)由載流子捕獲而發(fā)出不同顏色的光，該摻雜發(fā)光材料通常也被稱為客發(fā)光體或者摻雜發(fā)光體。有機材料：有機材料的特性深深地影響元件之光電特性表現(xiàn)。在陽極材料的選擇上，材料本身必需是具高功函數(shù)（Highworkfunction）與可透光性，所以具有4.5eV-5.3eV的高功函數(shù)、性質(zhì)穩(wěn)定且透光的ITO透明導(dǎo)電膜，便被廣泛應(yīng)用于陽極。在陰極部分，為了增加元件的發(fā)光效率，電子與電洞的注入通常需要低功函數(shù)（Lowworkfunction）的Ag、Al、Ca、In、Li與Mg等金屬，或低功函數(shù)的復(fù)合金屬來制作陰極（例如：Mg-Ag鎂銀）。適合傳遞電子的有機材料不一定適合傳遞電洞，所以有機發(fā)光二極體的電子傳輸層和電洞傳輸層必須選用不同的有機材料。目前最常被用來制作電子傳輸層的材料必須制膜安定性高、熱穩(wěn)定且電子傳輸性佳，一般通常采用螢光染料化合物。如Alq、Znq、Gaq、Bebq、Balq、DPVBi、ZnSPB、PBD、OXD、BBOT等。而電洞傳輸層的材料屬于一種芳香胺螢光化合物，如TPD、TDATA等有機材料。有機發(fā)光層的材料須具備固態(tài)下有較強螢光、載子傳輸性能好、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性佳、量子效率高且能夠真空蒸鍍的特性，一般有機發(fā)光層的材料使用通常與電子傳輸層或電洞傳輸層所采用的材料相同，例如Alq被廣泛用于綠光，Balq和DPVBi則被廣泛應(yīng)用于藍光。OLED的優(yōu)點：◆具有良好的視角和色飽和度◆自主發(fā)光，無需背光燈，響應(yīng)速度快，響應(yīng)時間是LCD的千分之一，顯示運動畫面絕對不會有拖影的現(xiàn)象◆發(fā)光效率更高，能耗比LCD要低◆與LCD相比，制程簡單，成本低◆適應(yīng)溫度范圍廣，低溫特性好，在零下40度時仍能正常顯示，而LCD則無法做到◆采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，更輕更薄（厚度可以小于1毫米，僅為LCD屏幕的1/3）更省電◆可借用現(xiàn)有的TFT基板技術(shù)◆固態(tài)機構(gòu)，沒有液體物質(zhì)，因此抗震性能更好，不怕摔；◆能夠在不同材質(zhì)的基板上制造，可以做成能彎曲的柔軟顯示器OLED的不足:(使用壽命短、屏幕大型化難

)◆目前，器件壽命還沒有達到期望值(壽命通常只有5000小時，要低于LCD至少1萬小時的壽命)◆目前，多用于中小尺寸顯示和便攜式產(chǎn)品，用于大尺寸顯示產(chǎn)品還不太成熟◆由于是電流驅(qū)動，所以，長時間顯示靜態(tài)畫面，會加速發(fā)光材料的老化，尤其是白場信號◆在戶外使用時，會受光子撞擊而發(fā)光，因而，畫面的對比度降低，可讀性會變差

OLED顯示器件按照驅(qū)動類型可分為

PM—OLED(無源OLED)和AM—OLED(有源OLED)

OLED與LCD一樣，也有主動式和被動式之分。被動方式下由行列地址選中的單元被點亮。主動方式下，OLED單元后有一個薄膜晶體管（TFT），發(fā)光單元在TFT驅(qū)動下點亮。被動式的OLED比較省電，但主動式的OLED顯示性能更佳。

PM-OLED：典型的PM-OLED由玻璃基板、ITO（indiumtinoxide；銦錫氧化物）陽極（Anode）、有機發(fā)光層（EmittingMaterialLayer）與陰極（Cathode）等所組成，其中，薄而透明的ITO陽極與金屬陰極如同三明治般地將有機發(fā)光層包夾其中，當電壓注入陽極的空穴（Hole）與陰極來的電子（Electron）在有機發(fā)光層結(jié)合時，激發(fā)有機材料而發(fā)光。而目前發(fā)光效率較佳、普遍被使用的多層PM-OLED結(jié)構(gòu)，除玻璃基板、陰陽電極與有機發(fā)光層外，尚需制作空穴注入層（HoleInjectLayer；HIL）、空穴傳輸層（HoleTransportLayer；HTL）、電子傳輸層（ElectronTransportLayer；ETL）與電子注入層（ElectronInjectLayer；EIL）等結(jié)構(gòu)，且各傳輸層與電極之間需設(shè)置絕緣層，因此熱蒸鍍（Evaporate）加工難度相對提高，制作過程亦變得復(fù)雜。由于有機材料及金屬對氧氣及水氣相當敏感，制作完成後，需經(jīng)過封裝保護處理。PM-OLED雖需由數(shù)層有機薄膜組成，然有機薄膜層厚度約僅1,000～1,500A°（0.10～0.15um），整個顯示板（Panel）在封裝加干燥劑（Desiccant）後總厚度不及200um（2mm），具輕薄之優(yōu)勢。AM-OLED:有源驅(qū)動的每個像素配備具有開關(guān)功能的低溫多晶硅薄膜晶體管（LowTemperaturePoly-SiThinFilmTransistor,LTP-SiTFT），而且每個像素配備一個電荷存儲電容，外圍驅(qū)動電路和顯示陣列整個系統(tǒng)集成在同一玻璃基板上。與LCD相同的TFT結(jié)構(gòu)，無法用于OLED。這是因為LCD采用電壓驅(qū)動，而OLED卻依賴電流驅(qū)動，其亮度與電流量成正比，因此除了進行ON/OFF切換動作的選址TFT之外，還需要能讓足夠電流通過的導(dǎo)通阻抗較低的小型驅(qū)動TFT。有源驅(qū)動屬于靜態(tài)驅(qū)動方式，具有存儲效應(yīng)，可進行100%負載驅(qū)動，這種驅(qū)動不受掃描電極數(shù)的限制，可以對各像素獨立進行選擇性調(diào)節(jié)。有源驅(qū)動無占空比問題，驅(qū)動不受掃描電極數(shù)的限制，易于實現(xiàn)高亮度和高分辨率。有源驅(qū)動由于可以對亮度的紅色和藍色像素獨立進行灰度調(diào)節(jié)驅(qū)動，這更有利于OLED彩色化實現(xiàn)。(帶灰度控制的顯示：顯示器的灰度等級是指黑白圖像由黑色到白色之間的亮度層次?；叶鹊燃壴蕉啵瑘D像從黑到白的層次就越豐富，細節(jié)也就越清晰。灰度對于圖像顯示和彩色化都是一個非常重要的指標。一般用于有灰度顯示的屏多為點陣顯示屏，其驅(qū)動也多為動態(tài)驅(qū)動，實現(xiàn)灰度控制的幾種方法有：控制法、空間灰度調(diào)制、時間灰度調(diào)制。)有源矩陣的驅(qū)動電路藏于顯示屏內(nèi)，更易于實現(xiàn)集成度和小型化。另外由于解決了外圍驅(qū)動電路與屏的連接問題，這在一定程度上提高了成品率和可靠性。按照發(fā)光材料類型可分為S—OLED(小分子OLED)和P—OLED(聚合物OLED，又稱PLED）兩者相比PLED產(chǎn)品的彩色化上仍有困難。而低分子OLED則較易彩色化.小分子OLED和高分子OLED的差異主要表現(xiàn)在器件的制備工藝不同：小分子器件主要采用真空熱蒸發(fā)工藝，高分子器件則采用旋轉(zhuǎn)涂覆或噴涂印刷工藝。小分子材料廠商主要有：Eastman、Kodak、出光興產(chǎn)、東洋INK制造、三菱化學等；高分子材料廠商主要有：CDT、Covin、DowChemical、住友化學等。目前國際上與OLED有關(guān)的專利已經(jīng)超過1400份，其中最基本的專利有三項。小分子OLED的基本專利由美國Kodak公司擁有，高分子OLED的專利由英國的CDT（CambridgeDisPlayTechnology）和美國的Uniax公司擁有。小分子OLED材料為:

有機染料、顏料、金屬配合物、共軛分子、共軛寡聚物等高分子OLED材料有:

聚苯乙炔，聚噻吩類的有機共軛聚合物等，這些材料的性能與質(zhì)量直接關(guān)系到OLED器件的性能和壽命。有機小分子材料：在1987年采用Alq3成功實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的發(fā)光探索之后，關(guān)于喹啉結(jié)構(gòu)的電子傳輸材料不斷地被開發(fā)和研究。一般電子傳輸材料都含有如下的吸電子基團或結(jié)構(gòu)在這些結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)溶解性、結(jié)晶性等實用要求合成各種具有其它功能團的小分子、金屬配合物或寡聚物，以便滿足實際OLED器件的需要。例如，為了增加分子的溶解性和可操作性，許多研究集中于在其分子結(jié)構(gòu)中鏈接長鏈的烷烴或醚。如圖4所示幾類結(jié)構(gòu)的分子結(jié)晶性較好，固態(tài)可以直接結(jié)晶排列，其結(jié)晶形態(tài)也直接影響到OLED的效率，正如發(fā)光材料溶解在溶液中，其濃度影響到發(fā)光效率一樣。OLED發(fā)光材料主要以共軛結(jié)構(gòu)的分子為主，許多電子傳輸材料同時也具有發(fā)光功能。圖5為稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)的OLED發(fā)光材料：

(a)圖為2種結(jié)晶形態(tài)，而位于下面的結(jié)晶堆積方式更有利于電子的傳輸，有利于發(fā)光效率的提高；

(b)圖中間部分設(shè)計的結(jié)構(gòu)就有目的地使分子按照平行堆積的方式結(jié)晶，由這種分子制作的OLED器件發(fā)光量子效率達到3．3％，已經(jīng)非常接近于理論上的最高值3.6％；

(c)圖所示的則是將分子的一端連接在固定極板上，迫使其平行排列，也獲得了良好的效果。另一方面，OLED顯示器件的效率首先取決于能否實現(xiàn)有效的電荷注入，所以，空穴注入和傳輸材料至關(guān)重要。幾類空穴傳輸材料的典型結(jié)構(gòu)如圖6所示，它們與電子傳輸材料相反，都含有斥電子基團。一個高發(fā)光強度的例子就是日本Sanyo公司的U$5779937專利，提供了由如下材料制作的OLED器件，在15V時562nm處發(fā)光最大亮度可達76000cd／m。高分子材料最具有代表性的OLED高分子發(fā)光材料就是聚對苯乙炔PPV[poly(p—phenylene

vinylene)]，有時也將高分子制作的OLED稱為PLED。自從1990年劍橋大學首次在《Nature》上報道PPV制備的電致發(fā)光器件得到了直流偏壓驅(qū)動小于14V的藍綠色光輸出,到2009年該文章的引用次數(shù)已達6200次以上，開辟了高分子薄膜電致發(fā)光領(lǐng)域。之后的大部分研究工作集中在采用各種不同的功能團連接在PPV的主鏈上，以改變其發(fā)光性能；最近也有許多研究集中在有機膦類聚合物中在提高發(fā)光材料壽命方面，尤其以發(fā)藍光材料的壽命問題難以解決。最近劍橋和CDT公司在我國申請的專利CN200680016914.0顯示，通過設(shè)計合成的材料結(jié)構(gòu)可提高熱穩(wěn)定性，采用芴或者三芳基胺聚合物可提高OLED材料在脈沖驅(qū)動條件下的工作壽命。高分子OLED材料在使用操作性上與小分子不同，它不存在結(jié)晶堆積問題，在分子量或溶解性允許的范圍內(nèi)更易實現(xiàn)印刷、噴涂或旋涂等工藝，也更容易向柔性顯示的目標邁進。以英國CDT公司為首的高分子OLED材料與器件企業(yè)不斷通過專利交叉授權(quán)的形式獲得微電子、光電、印刷等行業(yè)成熟技術(shù)的滲透和支持，以便盡早完成商品化和產(chǎn)業(yè)化。傳統(tǒng)的視頻圖像顯示器主要為：陰極射線管(CathodeRayTube)。簡稱CRT目前主要的平板顯示器包括：PDP(等離子顯示屏PlasmaDisplayPanel)LCD(液晶顯示器Liquidcrystaldisplays)FED(Fieldemissiondisplays)場發(fā)射顯示器/場效應(yīng)顯示器以及相對較晚出現(xiàn)的OLED(Organiclight—emittingdiodedisplays)OLED同LCD的主要技術(shù)性能比較:(1)亮度

OLED的發(fā)光亮度已經(jīng)超過

100000cd/m2。而LCD則受其采用的光源及本身的光學特性所限制，還不能同OLED相匹敵。(2)對比度

OLED的清晰度高的原因不僅在于其亮度高，還在于其有很好的對比度。因為OLED每一個發(fā)光元素都像一個小的燈泡，當關(guān)閉時可以使對比度趨近無窮大，正是對比度的大小對圖像顯示的清晰度和質(zhì)量起了極大的作用，對比度越大則圖像顯示的清晰度則越高。在這方面LCD尤顯不足，因為其不可能顯示真正意義上的“黑”，所以對比度要打一定的折扣，從而遜于OLED。(3)色彩

OLED無須外部光源的幫助可以產(chǎn)生明亮的紅、綠、藍三基色光，所以表現(xiàn)的顏色更鮮明；而LCD則不能在各種情況下產(chǎn)生完全一致的三基色光，顏色情況比較復(fù)雜。(4)顯示核心性能

OLED器件的核心層厚度很薄，厚度可以小于1mm，厚度為LCD的1／3；而且OLED器件為全固態(tài)機構(gòu)，無真空、液體物質(zhì)，抗震性好，可以適應(yīng)巨大的加速度、振動等惡劣環(huán)境；而LCD為液體物質(zhì)，適應(yīng)能力較差。(5)視角問題主動發(fā)光的特性讓OLED幾乎沒有視角問題，在很大的角度內(nèi)觀看，顯示畫面不失真；而且在環(huán)境光照變化的條件下，OLED有著清晰的視覺感受。(6)響應(yīng)速度

OLED器件單個像素的響應(yīng)速度是LCD元件的1000倍，可以實現(xiàn)高速度的視頻重放；而LCD則無法真實完成這種流暢的顯示效果。(7)溫度特性

OLED器件低溫特性好，在零下40℃能正常顯示；而LCD在低溫下顯示效果則不理想。(8)功耗

OLED僅使用了提供給顯示器最大能量的25％，能耗比液晶略低一些。(9)分辨率

OLED器件單個像素尺寸可以相當小，而且還有很大的“減肥”潛力，使得其分辨率很高，非常適合應(yīng)用在微顯示設(shè)備。(10)基板要求

OLED能夠在不同材質(zhì)的基板上制造，可以做成能彎曲的柔軟顯示器。而LCD目前還達不到這點。

OLED顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，包成如三明治的結(jié)構(gòu)。其發(fā)光的基本原理為在金屬陰極和透明的ITO玻璃陽極中間夾一層發(fā)光層，在電場作用下，電子和空穴在發(fā)光層耦合，將電能轉(zhuǎn)化為光能。發(fā)光的顏色取決于中間發(fā)光層有機化合物本征的能級差（HOMO,LUMO能量差），根據(jù)化合物本征性質(zhì)可以合成一系列紅光，藍光和綠光材料，將三種顏色加工在一個像素中就可實現(xiàn)全色顯示，而如果以一定比例共混就可以實現(xiàn)白光照明。OLED的特性是自己發(fā)光，因此可視度和亮度均高，而厚度更薄，結(jié)構(gòu)也相對簡單。

OLED在生產(chǎn)方面還具有以下優(yōu)勢:(1)OLED所需材料很少，制造工藝簡單，只需要86道工序，而LCD卻有200道。據(jù)估計OLED量產(chǎn)時的成本要比LCD至少節(jié)省20％。(2)通過摻雜或增加有機材料可以幫助控制OLED的發(fā)光強度和色度，同時生產(chǎn)廠家可以選擇小分子OLED技術(shù)或LEP技術(shù)以更好地適應(yīng)生產(chǎn)過程。(3)OLED顯示器的輸入信號完全可以同LCD兼容。目前研究成功的OLED材料還存在效率、壽命、工藝操作性和成本等幾方面的不足，但是商業(yè)化的彩色顯示器和白光照明樣品已經(jīng)出現(xiàn)，并不斷升級。微電子與光電行業(yè)的密切關(guān)注和大力投入，必將不斷提升技術(shù)和降低成本，例如，小分子OLED材料多采用昂貴的真空蒸發(fā)技術(shù)來制造OLED器件，而高分子材料的OLED就在嘗試印刷和噴涂技術(shù)，現(xiàn)在市場的需求加速了小分子OLED也在嘗試印刷工藝以減低成本。OLED材料在效率和壽命上也不斷有新的進展，例如，目前池田浩準等人成功地開發(fā)出發(fā)光效率將可能高達普通材料4倍的OLED材料，這種發(fā)光材料是含苯環(huán)的甲叉環(huán)丙烷誘導(dǎo)體，一一旦照以放射線，誘導(dǎo)體的電子將立即分離，環(huán)狀構(gòu)造打開、發(fā)光；電子若再結(jié)合，就會回復(fù)原來的環(huán)狀構(gòu)造，所以耐久性佳，可以獲得長使用壽命；此外，這種新型發(fā)光材料單純的構(gòu)造可以低成本合成，將有助于在顯示器與照明領(lǐng)域的實用化。另一方面，由于能源危機和節(jié)能減排等社會化潮流的推動，無機LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用正如火如荼地發(fā)展，OLED也自然地被考慮用于白光照明；并且，如果在材料發(fā)光效率相同的情況下，OLED的優(yōu)點更甚一籌，更易實現(xiàn)面光源，于是近來白光OIED照明也逐漸受到市場的追捧。德國研究人員最近利用有機材料與熒光粉制作出第一顆高效能的有機發(fā)光二極管，其發(fā)光效率為901m／W，已超過標準熒光燈管的效率，若再進一步改善光耦合的方式，將有潛力達到124lm／w。另外，在實驗室的試驗中OLED的流明效率已經(jīng)超過了熒光燈是下代的固體照明材料。隨著整個世界更加注重節(jié)約能源，節(jié)能的OLED照明會加速增長，有資料顯示，到2015年90％的OLED材料將用在照明領(lǐng)域。目前，OLED發(fā)