OLED的發(fā)光原理，發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

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

OLED具有自發(fā)光性、廣視角、高對(duì)比、低耗電、高反應(yīng)速率、全彩化、制程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，OLED顯示器的種類可分單色、多彩及全彩等種類，而其中以全彩制作技術(shù)最為困難，OLED顯示器依驅(qū)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(jī)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)兩種類型，目前均已開(kāi)發(fā)出成熟產(chǎn)品。PLED主要優(yōu)勢(shì)相對(duì)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O(shè)LED為主要應(yīng)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(dá)公司Rochester實(shí)驗(yàn)室從事研究工作，在意外中發(fā)現(xiàn)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(yàn)室，回到實(shí)驗(yàn)室后，他發(fā)現(xiàn)在黑暗中的一塊做實(shí)驗(yàn)用的有機(jī)蓄電池在閃閃發(fā)光從而開(kāi)始了對(duì)OLED的研究。到了1987年，同屬柯達(dá)公司的汪根樣博士和同事 Steven 成功地使用類似半導(dǎo)體 PN結(jié)的雙層有機(jī)結(jié)構(gòu)第一次作出了低電壓、高效率的光發(fā)射器。 1987年的這項(xiàng)實(shí)作，為柯達(dá)公司生產(chǎn) OLED 顯示器奠定了基礎(chǔ)。到了1990年，英國(guó)劍橋的實(shí)驗(yàn)室也成功研制出高分子有機(jī)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(xiàng)發(fā)現(xiàn)使得 OLED 的研究走向了一條與柯達(dá)完全不同的研發(fā)之路。

OLED結(jié)構(gòu)

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(gè)金屬陰極，包成如三明治的結(jié)構(gòu)。整個(gè)結(jié)構(gòu)層中包括了：電洞傳輸層(HTL)、發(fā)光層(EL)與電子傳輸層(ETL)。當(dāng)電力供應(yīng)至適當(dāng)電壓時(shí)，正極電洞與陰極電子便會(huì)在發(fā)光層中結(jié)合，產(chǎn)生光子，依其材料特性不同，產(chǎn)生紅、綠和藍(lán) RGB 三原色，構(gòu)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(qū)動(dòng)電壓低且省電效率高，加上反應(yīng)快、重量輕、厚度薄，構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低等，被視為 21世紀(jì)最具前途的產(chǎn)品之一。

OLED的驅(qū)動(dòng)方式

不過(guò)，OLED 也與 LCD 一樣其驅(qū)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(nèi)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(yùn)層和陽(yáng)極組成。電子從陰極注入到電子輸運(yùn)層，同樣，電洞由陽(yáng)極注入進(jìn)空穴輸運(yùn)層，它們?cè)诎l(fā)光層重新結(jié)合而發(fā)出光子。與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體不同，有機(jī)半導(dǎo)體(小分子和聚合物)沒(méi)有能帶，因此電荷載流子輸運(yùn)沒(méi)有廣延態(tài)。受激分子的能態(tài)是不連續(xù)的，電荷主要通過(guò)載流子在分子間的躍遷來(lái)輸運(yùn)。因此，在有機(jī)半導(dǎo)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(jī)半導(dǎo)體中要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 在實(shí)際的OLED中，有機(jī)半導(dǎo)體典型的載流子移動(dòng)能力為10-3~10-6cm2/VS。因?yàn)樗。琌LED器件就需要較高的工作電壓。如一個(gè)發(fā)光強(qiáng)度為1000cd/m2的OLED，其工作電壓約為7~8V。因?yàn)橥瑯拥脑颍琌LED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(jī)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(dá)9，他們認(rèn)為，m值大是因?yàn)?ldquo;阱”(或稱極化子)的緣故。最近，他們又證實(shí)m具有很強(qiáng)的溫度依賴性，并且電荷是通過(guò)“阱”來(lái)輸運(yùn)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(jī)發(fā)光二極管所用的物料是有機(jī)分子或高分子材料。將來(lái)可望應(yīng)用于制造平價(jià)可彎曲顯示幕、照明設(shè)備、發(fā)光衣或裝飾墻壁。2004年開(kāi)始， OLED 已廣泛應(yīng)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?yàn)槿搜蹖?duì)綠光最為敏感。Tang曾報(bào)道，用香豆素?fù)诫sAlq的器件具有5~6lm/w的效率。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)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(duì)發(fā)紅光和藍(lán)光的OLED的研究工作少得多。

目前已知的，效率最好的發(fā)藍(lán)光的OLED是由Idemitsu的Hosokawa等人研制的，其發(fā)光效率為5.0lm/w，對(duì)應(yīng)的表面量子效率為2.4%。據(jù)Tang等人報(bào)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(xiàn)所報(bào)道的發(fā)光效率，都是在發(fā)光強(qiáng)度約為100cd/m2或更小的條件下測(cè)得的。而實(shí)際應(yīng)用的OLED是由多路驅(qū)動(dòng)的，最大的發(fā)光強(qiáng)度要高一些。因此，顯示象素會(huì)被驅(qū)動(dòng)到很高的發(fā)光強(qiáng)度，導(dǎo)致發(fā)光效率下降。也就是說(shuō)，隨著發(fā)光亮度增加，發(fā)光效率將因驅(qū)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(lán)光的OLED，其發(fā)光效率隨著發(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(qū)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(duì)OLED器件的壽命有過(guò)一些報(bào)道。但由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量器件壽命的方法不同，無(wú)法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有意義的比較。在報(bào)道中，應(yīng)用最多的測(cè)量器件壽命的方法，是在器件維持一恒定電流的條件下，測(cè)量從初始亮度下降至一半亮度的時(shí)間。據(jù)柯達(dá)公司的VanSlyke報(bào)道，亮度在2000cd/m2時(shí)，器件的工作壽命達(dá)到了1000小時(shí)。Sano也報(bào)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(duì)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(jù)報(bào)道，該量值對(duì)使用壽命最長(zhǎng)的器件是：綠光為7,000,000cd/m2-hr;藍(lán)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(chǔ)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(shè)計(jì)，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畫素拼成一個(gè)彩色畫素;因?yàn)镺LED的材料對(duì)電流接近線性反應(yīng)，所以能夠在不同的驅(qū)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(yīng)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，即使在大的角度觀看，顯示畫面依然清晰可見(jiàn)。OLED的元件為自發(fā)光且是依靠電壓來(lái)調(diào)整，反應(yīng)速度要比液芯片件來(lái)得快許多，比較適合當(dāng)作高畫質(zhì)電視使用，2007年底SONY推出的11OLED電視XEL-1 反應(yīng)速度就比LCD快了1000倍。

OLED的另一項(xiàng)特性是對(duì)低溫的適應(yīng)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(yīng)用范圍日漸增廣。

OLED與LCD比較之下較占優(yōu)勢(shì)，數(shù)年前OLED的使用壽命仍然難以達(dá)到消費(fèi)性產(chǎn)品(如PDA、移動(dòng)電話及數(shù)碼相機(jī)等)應(yīng)用的要求，但近年來(lái)已有大幅的突破，許多移動(dòng)電話的屏幕已采用 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(yīng)用

OLED技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是主動(dòng)發(fā)光。現(xiàn)在，發(fā)紅、綠、藍(lán)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(yīng)用。下面，將對(duì)OLED的潛在應(yīng)用進(jìn)行討論，并將其與其它顯示技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。

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

目前全世界約有100多家廠商從事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：日、韓和臺(tái)灣傾向柯達(dá)公司的低分子OLED技術(shù)，歐洲廠商則以PLED為主。兩大集團(tuán)中除了柯達(dá)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(xiàn)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(dá)到1億2340萬(wàn)美元。

在中國(guó)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(guī)模生產(chǎn)線建設(shè)，并最終在昆山建設(shè)了OLED大規(guī)模生產(chǎn)線;廣東省也積極上馬OLED專案，截至2009年12月，廣東已建、在建和籌建的OLED生產(chǎn)線項(xiàng)目有5個(gè)，分別是汕尾信利小尺寸OLED生產(chǎn)線、佛山中顯科技的低溫多晶硅TFT(薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管)AMOLED生產(chǎn)線專案、東莞宏威的OLED顯示幕示范生產(chǎn)線項(xiàng)目、惠州茂勤光電公司的AMOLED光電項(xiàng)目、彩虹在佛山建設(shè)的OLED生產(chǎn)線項(xiàng)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(guó)第一家具備批量生產(chǎn)能力的AMOLED微型顯示器的生產(chǎn)廠商，微型顯示器多與光學(xué)組件配合，進(jìn)行便攜的近眼式應(yīng)用，可應(yīng)用于紅外系統(tǒng)、工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)療器械、消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)調(diào)研公司DisplaySearch的報(bào)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(zhǎng)35%。中國(guó)成為全球OLED應(yīng)用最大的市場(chǎng)，中國(guó)的手機(jī)、移動(dòng)顯示設(shè)備及其他消費(fèi)電子產(chǎn)品的產(chǎn)量都超過(guò)全球產(chǎn)量的一半。