OLED的結構原理及優(yōu)缺點

　　第一節(jié)、概述

　　OLED，即有機發(fā)光二極管（OrganicLight-EmittingDiode），又稱為有機電激光顯示（OrganicElectroluminesenceDisplay,OELD）。因為具備輕薄、省電等特性，因此從2003年開始，這種顯示設備在MP3播放器上得到了廣泛應用，而對于同屬數(shù)碼類產(chǎn)品的DC與手機，此前只是在一些展會上展示過采用OLED屏幕的工程樣品，還并未走入實際應用的階段。但OLED屏幕卻具備了許多LCD不可比擬的優(yōu)勢，因此它也一直被業(yè)內(nèi)人士所看好。

　　OLED顯示技術與傳統(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，當有電流通過時，這些有機材料就會發(fā)光。而且OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄，可視角度更大，并且能夠顯著節(jié)省電能。

　　目前在OLED的二大技術體系中，低分子OLED技術為日本掌握，而高分子的PLEDLG手機的所謂OEL就是這個體系，技術及專利則由英國的科技公司CDT掌握，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，不久前三星就發(fā)布了65530色的手機用OLED。

　　不過，雖然將來技術更優(yōu)秀的OLED會取代TFT等LCD，但有機發(fā)光顯示技術還存在使用壽命短、屏幕大型化難等缺陷。目前采用OLED的主要是三星如新上市的SCH-X339就采用了256色的OLED，至于OEL則主要被LG采用在其CU81808280上我們都有見到。

　　為了形像說明OLED構造，可以將每個OLED單元比做一塊漢堡包，發(fā)光材料就是夾在中間的蔬菜。每個OLED的顯示單元都能受控制地產(chǎn)生三種不同顏色的光。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。主動式的OLED比較省電，但被動式的OLED顯示性能更佳。

　　第二節(jié)、OLED的結構、原理

　　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，再加上另一個金屬陰極，包成如三明治的結構。整個結構層中包括了：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，正極電洞與陰極電荷就會在發(fā)光層中結合，產(chǎn)生光亮，依其配方不同產(chǎn)生紅、綠和藍RGB三原色，構成基本色彩。OLED的特性是自己發(fā)光，不像TFTLCD需要背光，因此可視度和亮度均高，其次是電壓需求低且省電效率高，加上反應快、重量輕、厚度薄，構造簡單，成本低等，被視為21世紀最具前途的產(chǎn)品之一。

　　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）與電洞（Hole）分別由陰極與陽極注入元件，當兩者在傳導中相遇、結合，即形成所謂的電子-電洞復合（Electron-HoleCapture）。而當化學分子受到外來能量激發(fā)後，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螢光（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）。

　　當電子的狀態(tài)位置由激態(tài)高能階回到穩(wěn)態(tài)低能階時，其能量將分別以光子（LightEmission）或熱能（HeatDissipation）的方式放出，其中光子的部分可被利用當作顯示功能；然有機螢光材料在室溫下并無法觀測到三重態(tài)的磷光，故PM-OLED元件發(fā)光效率之理論極限值僅25%。

　　PM-OLED發(fā)光原理是利用材料能階差，將釋放出來的能量轉換成光子，所以我們可以選擇適當?shù)牟牧袭斪靼l(fā)光層或是在發(fā)光層中摻雜染料以得到我們所需要的發(fā)光顏色。此外，一般電子與電洞的結合反應均在數(shù)十奈秒（ns）內(nèi)，故PM-OLED的應答速度非常快。

　　P.S.：PM-OLEM的典型結構。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，當電壓注入陽極的電洞（Hole）與陰極來的電子（Electron）在有機發(fā)光層結合時，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結構，除玻璃基板、陰陽電極與有機發(fā)光層外，尚需制作電洞注入層（HoleInjectLayer；HIL）、電洞傳輸層（HoleTransportLayer；HTL）、電子傳輸層（ElectronTransportLayer；ETL）與電子注入層（ElectronInjectLayer；EIL）等結構，且各傳輸層與電極之間需設置絕緣層，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）在封裝加乾燥劑（Desiccant）後總厚度不及200um（2mm），具輕薄之優(yōu)勢。

　　第三節(jié)、有機發(fā)光材料的選用

　　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透明導電膜，便被廣泛應用于陽極。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則被廣泛應用于藍光。

　　一般而言，OLED可按發(fā)光材料分為兩種：小分子OLED和高分子OLED（也可稱為PLED）。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。

　　第四節(jié)、OLED關鍵工藝

　　一、氧化銦錫(ITO)基板前處理

　　(1)ITO表面平整度：ITO目前已廣泛應用在商業(yè)化的顯示器面板制造，其具有高透射率、低電阻率及高功函數(shù)等優(yōu)點。一般而言，利用射頻濺鍍法(RFsputtering)所制造的ITO，易受工藝控制因素不良而導致表面不平整，進而產(chǎn)生表面的尖端物質(zhì)或突起物。另外高溫鍛燒及再結晶的過程亦會產(chǎn)生表面約10~30nm的突起層。這些不平整層的細粒之間所形成的路徑會提供空穴直接射向陰極的機會，而這些錯綜復雜的路徑會使漏電流增加。一般有三個方法可以解決這表面層的影響?U一是增加空穴注入層及空穴傳輸層的厚度以降低漏電流，此方法多用于PLED及空穴層較厚的OLED(~200nm)。二是將ITO玻璃再處理，使表面光滑。三是使用其它鍍膜方法使表面平整度更好。

　　(2)ITO功函數(shù)的增加：當空穴由ITO注入HIL時，過大的位能差會產(chǎn)生蕭基能障，使得空穴不易注入，因此如何降低ITO/HIL接口的位能差則成為ITO前處理的重點。一般我們使用O2-Plasma方式增加ITO中氧原子的飽和度，以達到增加功函數(shù)之目的。ITO經(jīng)O2-Plasma處理后功函數(shù)可由原先之4.8eV提升至5.2eV，與HIL的功函數(shù)已非常接近。

　　加入輔助電極，由于OLED為電流驅(qū)動組件，當外部線路過長或過細時，于外部電路將會造成嚴重之電壓梯度，使真正落于OLED組件之電壓下降，導致面板發(fā)光強度減少。由于ITO電阻過大(10ohm/square)，易造成不必要之外部功率消耗，增加一輔助電極以降低電壓梯度成了增加發(fā)光效率、減少驅(qū)動電壓的快捷方式。鉻(Cr：Chromium)金屬是最常被用作輔助電極的材料，它具有對環(huán)境因子穩(wěn)定性佳及對蝕刻液有較大的選擇性等優(yōu)點。然而它的電阻值在膜層為100nm時為2ohm/square，在某些應用時仍屬過大，因此在相同厚度時擁有較低電阻值的鋁(Al：Aluminum)金屬(0.2ohm/square)則成為輔助電極另一較佳選擇。但是，鋁金屬的高活性也使其有信賴性方面之問題因此，多疊層之輔助金屬則被提出，如：Cr/Al/Cr或Mo/Al/Mo，然而此類工藝增加復雜度及成本，故輔助電極材料的選擇成為OLED工藝中的重點之一。

　　二、陰極工藝

　　在高解析的OLED面板中，將細微的陰極與陰極之間隔離，一般所用的方法為蘑菇構型法(Mushroomstructureapproach)，此工藝類似印刷技術的負光阻顯影技術。在負光阻顯影過程中，許多工藝上的變異因子會影響陰極的品質(zhì)及良率。例如，體電阻、介電常數(shù)、高分辨率、高Tg、低臨界維度(CD)的損失以及與ITO或其它有機層適當?shù)酿ぶ涌诘取?

　　三、封裝

　?、盼牧希阂话鉕LED的生命周期易受周圍水氣與氧氣所影響而降低。水氣來源主要分為兩種：一是經(jīng)由外在環(huán)境滲透進入組件內(nèi)，另一種是在OLED工藝中被每一層物質(zhì)所吸收的水氣。為了減少水氣進入組件或排除由工藝中所吸附的水氣，一般最常使用的物質(zhì)為吸水材(Desiccant)。Desiccant可以利用化學吸附或物理吸附的方式捕捉自由移動的水分子，以達到去除組件內(nèi)水氣的目的。

　?、乒に嚰霸O備開發(fā)：封裝工藝之流程如圖四所示，為了將Desiccant置于蓋板及順利將蓋板與基板黏合，需在真空環(huán)境或?qū)⑶惑w充入不活潑氣體下進行，例如氮氣。值得注意的是，如何讓蓋板與基板這兩部分工藝銜接更有效率、減少封裝工藝成本以及減少封裝時間以達最佳量產(chǎn)速率，已儼然成為封裝工藝及設備技術發(fā)展的3大主要目標。