材料器件推進(jìn)OLED技術(shù)發(fā)展

OLED應(yīng)用前景廣闊

有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)(OLED)是雙載流子注入型的顯示器，與傳統(tǒng)的顯示技術(shù)相比具有超輕、超薄、廣視角、高清晰、耐低溫、抗震性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)(OLED)在近20年時(shí)間內(nèi)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，各種高性能、長(zhǎng)壽命的有機(jī)發(fā)光材料和器件不斷問(wèn)世。

有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)的進(jìn)展使得OLED顯示器快速進(jìn)入了商業(yè)化。1997年，日本先鋒公司率先推出第一個(gè)商品化車載文字信息OLED接收裝置。如今，色彩豐富的彩色OLED顯示器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于MP3、手機(jī)等領(lǐng)域，日本、韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣已有多個(gè)廠家建立了大規(guī)模量產(chǎn)線。OLED產(chǎn)品的對(duì)比度可以達(dá)到10000∶1，厚度可以低于0.8毫米，視角接近180°，在圖像顯示狀態(tài)下，平均功耗低于同尺寸TFT-LCD顯示器產(chǎn)品。

隨著有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，信息量更加豐富的有源驅(qū)動(dòng)OLED顯示器、柔軟的OLED顯示屏以及可用于照明的OLED光源將在不久的未來(lái)給我們創(chuàng)造更加豐富多彩的世界。

OLED具有十分廣闊的應(yīng)用前景。在顯示領(lǐng)域，OLED不僅可以用于手機(jī)、MP3/
MP4、數(shù)碼相機(jī)、GPS、PDA、3G通信終端、壁掛電視、臺(tái)式和筆記本電腦、家電、工業(yè)儀表等民用產(chǎn)品領(lǐng)域。OLED更是一種理想的顯示器，有著更加廣泛的應(yīng)用前景。

與此同時(shí)，OLED是目前所有顯示技術(shù)中，唯一可制作大尺寸、高亮度、高分辨率軟屏的顯示技術(shù)，器件的厚度只有兩層塑料片厚。屆時(shí)，幕布式電視、可卷曲攜帶的電子報(bào)紙等“夢(mèng)幻般的顯示器”將逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

在照明領(lǐng)域，OLED不僅可以用作室內(nèi)外通用照明、背光源、裝飾照明等領(lǐng)域，甚至可以制備富有藝術(shù)性的柔性發(fā)光墻紙、可單色或彩色發(fā)光的窗戶、可穿戴的發(fā)光警示牌等夢(mèng)幻般的產(chǎn)品。

器件效率改善幾十倍

作為時(shí)尚產(chǎn)品的MP3和手機(jī)對(duì)其顯示屏有以下要求：輕薄、小巧；高對(duì)比度；低驅(qū)動(dòng)電壓；寬溫度范圍；快速響應(yīng)；豐富的色彩。以上要求都是OLED所具備的，因此OLED在這些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。OLED性能的提高也為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用創(chuàng)造了必備條件，從1987年～2006年，OLED器件效率改善了幾十倍。

目前，產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)OLED的彩色化有兩種方式：一種是RGB三發(fā)光像素獲得彩色顯示；另一種是白光OLED+濾色片實(shí)現(xiàn)彩色顯示。

RGB方式實(shí)現(xiàn)的彩色顯示器的色純度、效率和壽命主要取決于有機(jī)材料和器件結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，有機(jī)材料的發(fā)光顏色、效率和壽命已得到了很大提高。以日本出光公司的材料為例，在2005-2006年一年的時(shí)間內(nèi)，紅、綠、藍(lán)三色材料的色坐標(biāo)、效率和壽命都取得了飛速的進(jìn)展。紅光材料的效率提高了接近3倍，壽命提高了20倍；綠光材料的壽命提高了3倍；藍(lán)光壽命也提高了70%。這些材料技術(shù)的進(jìn)展使得OLED器件的性能也隨之改善和提高。

通過(guò)濾色片實(shí)現(xiàn)彩色化是液晶領(lǐng)域常用的技術(shù)方案，OLED同樣可以利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)彩色化，其效率和壽命主要取決于白光OLED性能，可以通過(guò)材料的改進(jìn)、器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。由于熒光材料具有很好的穩(wěn)定性，被更廣泛的應(yīng)用在該領(lǐng)域。日本出光興產(chǎn)在橫濱舉辦的“FPD International 2006論壇”會(huì)上宣布，通過(guò)組合最新的藍(lán)、綠、紅三色熒光型OLED材料，可確保白光發(fā)光長(zhǎng)達(dá)7萬(wàn)個(gè)小時(shí)，同時(shí)發(fā)光效率高達(dá)16cd/A。

縱觀OLED發(fā)展可知，OLED是一個(gè)充滿生機(jī)的新興產(chǎn)業(yè)。OLED材料和器件的技術(shù)仍然在飛速發(fā)展，OLED技術(shù)也在不斷改進(jìn)，大尺寸、高品質(zhì)的OLED產(chǎn)品必將隨著材料和器件技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展而逐漸進(jìn)入人們的日常家居生活。

OLED技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要

隨著高科技領(lǐng)域技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)國(guó)家發(fā)展的意義變得越來(lái)越重要。如何在標(biāo)準(zhǔn)制定中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)利益的最大化，是必須認(rèn)真考慮的問(wèn)題。

中國(guó)OLED國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作始于2002年，在研的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目有《有機(jī)發(fā)光二極管顯示器名詞和術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》和《有機(jī)發(fā)光二極管顯示器測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》兩項(xiàng)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)[2002]41號(hào)文件下達(dá)的編制任務(wù)，該兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均由清華大學(xué)、維信諾公司承擔(dān)其制定工作。截至2006年11月，《有機(jī)發(fā)光二極管顯示器名詞和術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)通過(guò)報(bào)批，《有機(jī)發(fā)光二極管顯示器測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》也計(jì)劃在2007年初修訂后通過(guò)報(bào)批。

2002年底，國(guó)際OLED標(biāo)準(zhǔn)的制定工作積極展開(kāi)。國(guó)際電工委員會(huì)平板顯示器標(biāo)準(zhǔn)化工作組(IEC/TC110)在2002年第63屆IEC年會(huì)上，正式成立有機(jī)發(fā)光顯示器標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目組(OLED-G，后在2005年9月荷蘭會(huì)議上更改為WG05)。

TC110/WG05工作組成立至今，已經(jīng)開(kāi)始立項(xiàng)和制定的OLED標(biāo)準(zhǔn)共有5項(xiàng)。分別為PT62341-1-2(名詞和術(shù)語(yǔ))、PT62341-1-1(一般性總規(guī)范)、PT62341-6(光學(xué)及光電參數(shù)測(cè)試方法)、PT62341-5(環(huán)境和機(jī)械耐久性實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法)、PT62341-6-2(圖像質(zhì)量測(cè)試方法)，前三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃在2008年進(jìn)入發(fā)布階段。清華大學(xué)和維信諾公司代表中國(guó)參與并負(fù)責(zé)62341-6光學(xué)及光電參數(shù)測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

OLED未來(lái)應(yīng)用不斷升級(jí)

　　有源驅(qū)動(dòng)OLED(AM-OLED)

　　構(gòu)成OLED像素陣列的方法基本上有兩種，即無(wú)源矩陣OLED顯示器(PM-OLED)和有源矩陣OLED顯示器(AM-OLED)。這兩種方法所用OLED結(jié)構(gòu)相同，但對(duì)每個(gè)單元的尋址方式各異。

　　對(duì)于PM-OLED而言，像素只是在控制器尋址到其所在的行時(shí)才被點(diǎn)亮，所以電流占空因素反比于行數(shù)，而峰值電流則正比于行數(shù)，被觀察到的亮度正比于幀間隔內(nèi)電流的時(shí)間積分。由于占空數(shù)隨著行數(shù)的增加而減少，PM-OLED必定存在發(fā)光區(qū)域面積的限制，因而不適于制備大尺寸的顯示器件。在AM-OLED中，顯示器利用每個(gè)像素的薄膜晶體管 (TFT)在幀間隔持續(xù)時(shí)間內(nèi)獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在一幀之內(nèi)，峰值電流和平均電流是一樣的，因此不會(huì)受到顯示器行數(shù)的限制，可以獲取更多的顯示信息，制備大面積的顯示器。PM-OLED和AM-OLED雖然尋址方式不同，但原材料、器件、工藝等方面都是一致的，隨著前期PM-OLED技術(shù)的積累，AM-OLED逐漸成為研究和發(fā)展的重點(diǎn)。

　　韓國(guó)三星電子在IMID 2006大展中，向世人展示了2.4英寸QVGA分辨率的AM-OLED手機(jī)屏產(chǎn)品。這塊AM-OLED屏幕，色數(shù)為1600萬(wàn)，亮度是200 cd/m2，對(duì)比度高達(dá)10000∶1。與此同時(shí)，這塊屏幕的耗電量卻只有245mW，并能夠達(dá)到31000小時(shí)的理論壽命。在SID2006上，三星電子又報(bào)道了14.1英寸的WXGA的AM-OLED顯示器，證明利用有源驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大面積顯示。

　　OLED柔軟顯示器(FOLED)

　　使用塑料或金屬片等柔軟基板代替硬邦邦的玻璃基板，可以制備彎曲的顯示器。與普通的硬屏顯示器相比，柔性顯示器具有諸多優(yōu)點(diǎn)：耐沖擊，抗震能力更強(qiáng)；重量輕、體積小，攜帶更加方便；采用類似于報(bào)紙印刷工藝的卷帶式工藝，成本更加低廉等，能夠滿足未來(lái)顯示需要。因而，柔性顯示器成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，OLED以其獨(dú)有的特性為這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了極大希望，這也被認(rèn)為是OLED的最大優(yōu)勢(shì)所在。

　　由于OLED對(duì)于水、氧非常敏感，尋找適合FOLED要求的封裝方法是其發(fā)展的首要因素。Vitex公司利用聚合物無(wú)機(jī)材料交替復(fù)合薄膜阻隔水、氧，具有很好的效果，其開(kāi)發(fā)的軟屏基板產(chǎn)品具有與玻璃相媲美的阻隔水、氧能力。2003年，UDC公司率先利用該基板和封裝技術(shù)制備了600 cd/m2的初始亮度下，實(shí)際工作壽命超過(guò)3000小時(shí)的實(shí)驗(yàn)片。根據(jù)計(jì)算，利用這種技術(shù)封裝的器件，在1000cd/m2的起始亮度下，最長(zhǎng)壽命可超過(guò)5000小時(shí)。

　　除了封裝技術(shù)的差別，實(shí)現(xiàn)柔軟點(diǎn)陣屏的另一個(gè)重要原因在于軟屏顯示器制備中涉及工藝問(wèn)題。聚合物基板只能承受100℃以下的加工溫度，在高溫狀況下容易變形，這使得軟屏所需要的低溫制備工藝同絕緣層、隔離柱高溫固化工藝存在一定沖突。此外，軟屏中如果采用柔韌性相對(duì)較差的金屬材料作為陰極結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生新的缺陷。杜邦帝人公司改進(jìn)基板性能，使得聚合物基板的熱穩(wěn)定性提高到180℃～220℃，并改善了機(jī)械性能。日本先鋒公司于2004年率先推出了彩色的柔軟顯示器。利用金屬基板的熱穩(wěn)定性也有利于實(shí)現(xiàn)彩色化，在2006SID會(huì)議上，UDC和三星公司展示了利用聚合物無(wú)機(jī)交替復(fù)合薄膜封裝技術(shù)，制備在金屬基板上的OLED柔軟顯示器。

　　OLED照明光源

　　照明要消耗大量的能源，目前最為常用的兩種傳統(tǒng)白光光源是白熾燈和熒光管，但這兩種光源的效率都不高，需要開(kāi)發(fā)性能更優(yōu)的白光光源。預(yù)計(jì)白光OLED的能量效率將在2008年超過(guò)60lm/W，到2015年則要超過(guò)100lm/W，并同時(shí)擁有很高的亮度和壽命，可以用于取代室內(nèi)和室外的傳統(tǒng)光源。因而成為OLED研究的熱點(diǎn)之一，并得到了迅速的發(fā)展。

　　有機(jī)磷光材料能夠同時(shí)利用單線態(tài)和三線態(tài)的全部激子，實(shí)現(xiàn)理論上100%內(nèi)量子效率，獲得高效率器件，成為光源產(chǎn)品研究的重點(diǎn)。2005年的SID會(huì)議上，日本豐田自動(dòng)織機(jī)展示了一種采用熒光與磷光材料的“混合型”的白色OLED光源，引進(jìn)了高效率紅光和綠光磷光材料，器件在3000 cd/m2的初始亮度下，亮度半衰期為5000小時(shí)，電流效率比全熒光材料的白光器件提高了50%左右。2006年4月，NATURE上報(bào)道了S. R.Forrest等人采用三發(fā)光中心白光器件結(jié)構(gòu)，發(fā)光染料分別為藍(lán)色熒光染料、綠色磷光染料和紅色磷光染料，最大外量子效率達(dá)到18.7%，流明效率達(dá)到37.6lm/W，染色指數(shù)為85。2006年7月，柯尼卡美能達(dá)技術(shù)中心開(kāi)發(fā)成功了1000cd/m2初始亮度下，發(fā)光效率64lm/W、亮度半衰期約10000小時(shí)的OLED白色發(fā)光元件，該器件采用的發(fā)光材料均為磷光材料，一直為磷光材料瓶頸的藍(lán)光材料實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命和高效率。

　　另一種實(shí)現(xiàn)高效率的白光OLED器件的方法是制作疊層結(jié)構(gòu)。Kido認(rèn)為，含有N個(gè)結(jié)構(gòu)單元的白光OLED的亮度可以達(dá)到單個(gè)OLED的N倍，進(jìn)而大幅提高器件的效率。

　　技術(shù)背景

　　OLED技術(shù)歷史

　　早在20世紀(jì)60年代，Pope等人首次報(bào)道了蒽單晶的電致發(fā)光現(xiàn)象，揭開(kāi)了有機(jī)發(fā)光器件研究的序幕，但由于當(dāng)時(shí)獲得的亮度和效率均不理想，而未獲得廣泛的關(guān)注。

　　1987年，美國(guó)柯達(dá)公司鄧青云博士等報(bào)道了以真空蒸鍍法制作出含電子空穴傳輸層的多層器件，獲得了亮度大于1000cd/m2、效率超過(guò)1.5 lm/W、驅(qū)動(dòng)電壓小于10V的發(fā)光器
件。這種器件具有輕薄、低驅(qū)動(dòng)電壓、自主發(fā)光、寬視角、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的關(guān)注。這種器件的基本原理是：在外電壓驅(qū)動(dòng)下，由電極注入的電子和空穴分別經(jīng)過(guò)電子傳輸層和空穴傳輸層進(jìn)入發(fā)光層，復(fù)合而釋放出能量，并將能量傳遞給有機(jī)發(fā)光物質(zhì)的分子，使其受到激發(fā)，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，受激分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)輻射躍遷而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。

　　1990年，英國(guó)劍橋大學(xué)Cavendish研究室的R. H. Friend等人以旋涂的方法將聚合物材料聚對(duì)苯撐乙烯作為發(fā)光材料制備發(fā)光器件，開(kāi)創(chuàng)了聚合物在有機(jī)發(fā)光領(lǐng)域的應(yīng)用。這項(xiàng)研究進(jìn)一步促進(jìn)了有機(jī)發(fā)光顯示器件的研究，應(yīng)用更加廣泛、性能更加優(yōu)越的器件報(bào)道不斷涌現(xiàn)。1993年曹鏞等人報(bào)道的柔性O(shè)LED顯示屏和1994年Kido等人制備的白光OLED器件均具有開(kāi)創(chuàng)性的意義。

　　有機(jī)發(fā)光領(lǐng)域中另一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的工作是有機(jī)磷光發(fā)光器件的出現(xiàn)。1998年，普林斯頓大學(xué)的Forrest等將磷光材料摻入發(fā)光層，獲得外量子效率5%的器件。這項(xiàng)研究證明OLED可突破內(nèi)量子效率25%的限制，使得有機(jī)發(fā)光器件的效率有望大幅提高。2003年，Novaled公司制備了PIN結(jié)構(gòu)的磷光器件，在提高發(fā)光效率的同時(shí)增強(qiáng)了電荷的注入能力，使得器件的效率大幅提高