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年時間內(nèi)取得了長足的進(jìn)步，各種高性能、長壽命的有機(jī)發(fā)光材料和器件不斷問世。

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、韓國和我國臺灣已有多個廠家建立了大規(guī)模量產(chǎn)線。OLED產(chǎn)品的對比度可以達(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，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，幕布式電視、可卷曲攜帶的電子報紙等“夢幻般的顯示器”將逐漸成為現(xiàn)實。

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)光警示牌等夢幻般的產(chǎn)品。

器件效率改善幾十倍

作為時尚產(chǎn)品的MP3和手機(jī)對其顯示屏有以下要求：輕薄、小巧；高對比度；低驅(qū)動電壓；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+濾色片實現(xiàn)彩色顯示。

RGB方式實現(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，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。

通過濾色片實現(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，可以通過材料的改進(jìn)、器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(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”會上宣布，通過組合最新的藍(lán)、綠、紅三色熒光型OLED材料，可確保白光發(fā)光長達(dá)7萬個小時，同時發(fā)光效率高達(dá)16cd/A。

縱觀OLED發(fā)展可知，OLED是一個充滿生機(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)競爭的日益激烈，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對國家發(fā)展的意義變得越來越重要。如何在標(biāo)準(zhǔn)制定中實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)利益的最大化，是必須認(rèn)真考慮的問題。

中國OLED國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作始于2002年，在研的標(biāo)準(zhǔn)項目有《有機(jī)發(fā)光二極管顯示器名詞和術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》和《有機(jī)發(fā)光二極管顯示器測試方法標(biāo)準(zhǔn)》兩項。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會[2002]41號文件下達(dá)的編制任務(wù)，該兩項標(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)語標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)通過報批，《有機(jī)發(fā)光二極管顯示器測試方法標(biāo)準(zhǔn)》也計劃在2007年初修訂后通過報批。

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

TC110/WG05工作組成立至今，已經(jīng)開始立項和制定的OLED標(biāo)準(zhǔn)共有5項。分別為PT62341-1-2(名詞和術(shù)語)、PT62341-1-1(一般性總規(guī)范)、PT62341-6(光學(xué)及光電參數(shù)測試方法)、PT62341-5(環(huán)境和機(jī)械耐久性實驗測試方法)、PT62341-6-2(圖像質(zhì)量測試方法)，前三個標(biāo)準(zhǔn)計劃在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參與并負(fù)責(zé)62341-6光學(xué)及光電參數(shù)測試方法標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

OLED未來應(yīng)用不斷升級

　　有源驅(qū)動OLED(AM-OLED)

　　構(gòu)成OLED像素陣列的方法基本上有兩種，即無源矩陣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，但對每個單元的尋址方式各異。

　　對于PM-OLED而言，像素只是在控制器尋址到其所在的行時才被點(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，顯示器利用每個像素的薄膜晶體管 (TFT)在幀間隔持續(xù)時間內(nèi)獲得驅(qū)動信號。在一幀之內(nèi)，峰值電流和平均電流是一樣的，因此不會受到顯示器行數(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，亮度是200 cd/m2，對比度高達(dá)10000∶1。與此同時，這塊屏幕的耗電量卻只有245mW，并能夠達(dá)到31000小時的理論壽命。在SID2006上，三星電子又報道了14.1英寸的WXGA的AM-OLED顯示器，證明利用有源驅(qū)動技術(shù)可以實現(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；采用類似于報紙印刷工藝的卷帶式工藝，成本更加低廉等，能夠滿足未來顯示需要。因而，柔性顯示器成為近年來的研究熱點(diǎn)，OLED以其獨(dú)有的特性為這個目標(biāo)的實現(xiàn)帶來了極大希望，這也被認(rèn)為是OLED的最大優(yōu)勢所在。

　　由于OLED對于水、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公司利用聚合物無機(jī)材料交替復(fù)合薄膜阻隔水、氧，具有很好的效果，其開發(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，實際工作壽命超過3000小時的實驗片。根據(jù)計算，利用這種技術(shù)封裝的器件，在1000cd/m2的起始亮度下，最長壽命可超過5000小時。

　　除了封裝技術(shù)的差別，實現(xiàn)柔軟點(diǎn)陣屏的另一個重要原因在于軟屏顯示器制備中涉及工藝問題。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較差的金屬材料作為陰極結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動過程中容易產(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)定性也有利于實現(xiàn)彩色化，在2006SID會議上，UDC和三星公司展示了利用聚合物無機(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，需要開發(fā)性能更優(yōu)的白光光源。預(yù)計白光OLED的能量效率將在2008年超過60lm/W，到2015年則要超過100lm/W，并同時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)磷光材料能夠同時利用單線態(tài)和三線態(tài)的全部激子，實現(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會議上，日本豐田自動織機(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，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)光材料實現(xiàn)了長壽命和高效率。

　　另一種實現(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個結(jié)構(gòu)單元的白光OLED的亮度可以達(dá)到單個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等人首次報道了蒽單晶的電致發(fā)光現(xiàn)象，揭開了有機(jī)發(fā)光器件研究的序幕，但由于當(dāng)時獲得的亮度和效率均不理想，而未獲得廣泛的關(guān)注。

　　1987年，美國柯達(dá)公司鄧青云博士等報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1.5 lm/W、驅(qū)動電壓小于10V的發(fā)光器
件。這種器件具有輕薄、低驅(qū)動電壓、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)動下，由電極注入的電子和空穴分別經(jīng)過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)時輻射躍遷而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。

　　1990年，英國劍橋大學(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苯撐乙烯作為發(fā)光材料制備發(fā)光器件，開創(chuàng)了聚合物在有機(jī)發(fā)光領(lǐng)域的應(yīng)用。這項研究進(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)越的器件報道不斷涌現(xiàn)。1993年曹鏞等人報道的柔性O(shè)LED顯示屏和1994年Kido等人制備的白光OLED器件均具有開創(chuàng)性的意義。

　　有機(jī)發(fā)光領(lǐng)域中另一個開創(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)光效率的同時增強(qiáng)了電荷的注入能力，使得器件的效率大幅提高