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大家知道，顯示器不僅應用于電腦，而且廣泛應用于手機、數(shù)碼相機（DSC）、數(shù)字攝像機（DVC）、PDA、數(shù)字電視接收機及汽車衛(wèi)星導航系統(tǒng)等領域。但是，目前還沒有一種顯示技術可以完全適用于所有的領域，因而使顯示器生產(chǎn)商轉向下一代顯示產(chǎn)品的研制。其中，最為突出的就是有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示器。

由于OLED具有視角寬、亮度高、響應速度快、溫度特性好、可彎曲等優(yōu)異性能，而代表著顯示技術的發(fā)展方向，因而成為發(fā)光技術和平板顯示技術研發(fā)的重中之重。OLED的最大突破在于材料的機械韌性和低溫制程，它可在任何輕薄的基板，如塑膠基板上應用。長遠而言，OLED可發(fā)展成為新式可彎曲的柔性的顯示器，因而發(fā)展?jié)摿π酆瘛?/p>

OLED克服了第一代顯示器CRT體積大、笨重、功耗大和不便于攜帶的缺點，也克服了LCD視角小、響應速度慢、在低溫下不能使用，且自身不能發(fā)光的不足。并且，OLED是放射性器件結構，可獲得比傳導性結構LCD更好的視覺效果，因而有著非常誘人的應用前景，已被公認是可以取代LCD的產(chǎn)品，因而使其成為顯示器行業(yè)的后起之秀。

一、OLED的基本結構及其發(fā)光原理

OLED是一種利用有機半導體材料和發(fā)光材料，在電流驅動下發(fā)光的新型顯示技術，即基于有機材料的一種電流型半導體發(fā)光器件。一個最簡單的OLED可以由陰極、發(fā)射層和陽極組成，稱為單層夾心式有機薄膜電致發(fā)光（EL）器件。一般制作過程是在導電玻璃基質ITO上（陽極）旋涂、浸涂或真空蒸鍍一層發(fā)光材料（發(fā)光層），然后鍍上陰極材料，連接直流電源即構成電致發(fā)光器件。OLED去除了LCD生產(chǎn)中復雜的電池及液晶顯示模塊工藝，同時也無需背光源及濾波器。顯然，生產(chǎn)過程相對簡單，因此OLED比LCD更具有成本優(yōu)勢。

為了提高有機發(fā)光器件的穩(wěn)定性和效率，應使電子和空穴載流子的注入達到平衡，這就要求電極材料的功函數(shù)與發(fā)光材料的能級相匹配。在電極材料的選擇上，陰極和陽極的要求是不一樣的。陰極需采用低功函數(shù)材料，以便電子可以在較低激發(fā)電壓下注入到發(fā)光層內；而陽極則必須選擇高功函數(shù)的材料。在上述單層器件的基礎上，已開發(fā)出雙層和三層結構的有機薄膜EL器件。這種雙層和三層結構的有機薄膜電致發(fā)光器件結構如圖1所示。

圖1 有機薄膜電致發(fā)光器件結構

當電極上加有電壓時，發(fā)光層就產(chǎn)生光輻射。和無機薄膜電致發(fā)光器件不同，有機材料的電致發(fā)光屬于注入式的復合發(fā)光，其發(fā)光機理是由正極和負極產(chǎn)生的空穴和電子在發(fā)光材料中復合成激子，激子的能量轉移到發(fā)光分子，使發(fā)光分子中的電子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)是一個不穩(wěn)定的狀態(tài)，去激過程復合就產(chǎn)生可見光。為增強電子和空穴的注入和傳輸能力，通常又在ITO和發(fā)光層間増加一層有機空穴傳輸材料或在發(fā)光層與金屬電極之間增加一層電子傳輸層，以提高發(fā)光效率，這是雙層結構器件。如果既有空穴傳輸層，又有電子傳輸層，則是圖1中的三層結構器件。

OLED主要有機小分子電致發(fā)光與聚合物電致發(fā)光。

有機小分子電致發(fā)光的原理是：從陰極注入電子，從陽極注入空穴，被注入的電子和空穴在有機層內傳輸。第一層的作用是傳輸空穴和阻擋電子，使得沒有與空穴復合的電子不能進入正電極；第二層是電致發(fā)光層，被注入的電子和空穴在有機層內傳輸，并在發(fā)光層內復合，從而激發(fā)發(fā)光層分子產(chǎn)生單重態(tài)激子，單重態(tài)激子輻射躍遷而發(fā)光。

聚合物電致發(fā)光過程為：在電場的作用下，將空穴和電子分別注入到共軸高分子的最高占有軌道（HOMO）和最低空軌道（LUMO），于是就會產(chǎn)生正、負極子，極子在聚合物鏈段上轉移，最后復合形成單重態(tài)激子，單重態(tài)激子輻射躍遷而發(fā)光。

實際上，電致發(fā)光機理屬于注入式發(fā)光，在正向偏壓的作用下，ITO電極向電荷傳輸層注入空穴，在電場的作用下向傳輸層界面移動，而由鋁電極注入的電子也由電子傳輸層向界面移動，由于勢壘的作用，電子不易進入電荷傳輸層，而在界面附近的發(fā)光層（Alq）一側積累。由于激子產(chǎn)生的幾率與電子和空穴濃度的乘積成正比，在空穴進入Alq層后與電子界面處結合而產(chǎn)生激子的幾率很大，因而幾乎所有的激子都是在界面處與Alq層一側很狹窄的區(qū)域（約36nm）內產(chǎn)生。因而發(fā)光不僅僅是在Alq層，而且主要在電子/空穴傳輸層的界面。

二、OLED的分類

（1）按發(fā)光材料或分子結構分類。

①小分子OLED。在小分子OLED中，發(fā)光體是離散的分子。八羥基喹琳鋁（Alq3）是常用的發(fā)光材料，Alq3可發(fā)出波長為450~700nm的寬帶綠光輻射，峰值波長位于550nm。如果在Alq3中加入摻雜劑或用其他原子（如被）取代鋁，就可得到不同顏色的光輻射。Kodak公司的C.W.Tang于1987年發(fā)表的劃時代結果采用的就是Alq3?，F(xiàn)在Kodak公司擁有小分子OLED的基本專利。美國新澤西的UDC（Universal Display Corporation）公司，主要開發(fā)電致磷光OLED器件，其功率效率居世界領先水平（大于30lm/W）。

②聚合物OLED（高分子OLED，簡稱PLED）。這類有機發(fā)光材料是共軛聚合物，也稱為高分子型。與小分子不同，聚合物發(fā)光材料的成膜可用溶液方法進行處理。通常采用的方法是旋涂法和噴黑打印方法，其中噴墨法是劍橋顯示技術公司（CDT）和精工愛普生（SEIKO-EPSON）的專利技術。PLED是劍橋大學卡文迪許實驗室Friend小組于1990年首次發(fā)布的，使用的發(fā)光材料是PPV。PPV本身是難溶性的，不易加工處理，但PPV的前驅物可溶于某些溶劑，如氯仿、甲醇等。目前廣泛使用的材料除了PPV之外，主要還有MEH-PPV和聚藥類材料。劍橋顯示技術公司（CDT）成立于1992年，該公司擁有PLED的基本專利。德國法蘭克福的Cavion公司，則主要向PLED廠商提供聚合物發(fā)光材料。

③鑭系有機金屬OLED（稀土OLED）。鑭系金屬有機化合物介于小分子和聚合物發(fā)光材料之間，它屬于稀土類發(fā)光材料。由這類材料構成的器件也稱為稀土OLED。在稀土OLED中，發(fā)光分子由一個金屬核心和外圍的有機殼層組成。其發(fā)光機制與前兩類OLED不同，加電之后，首先在外圍有機殼層中形成激發(fā)態(tài)，然后將其能量傳遞給金屬核心，金屬核心去激時，輻射出顏色比較純正的光。稀土OLED重要特點之一是，單重態(tài)和三重態(tài)都產(chǎn)生光輻射，其量子效率在理論上可達100%。

因此，它的PL和EL效率都很高，EL功率效率的理論值為120lm/W。由于是金屬核心發(fā)光，與小分子和聚合物OLED相比，稀土OLED的光譜非常窄，半峰寬（FWHW）的典型值只有100nm。目前，英國的兩家公司正在從事稀土OLED產(chǎn)品的開發(fā)工作：一家是成立于1997年的Opsys公司；另一家是成立于1999年的ELAM-T公司，主要開發(fā)鯛系金屬有機化合物材料，功率效率已經(jīng)超過70ImAV。

（2）按驅動方式分類。

①被動矩陣（Passive Matrix）驅動（無源驅動）顯示方式，簡稱PM-OLED，其實際結構如圖2所示。

圖2 PM-OLED的實際結構

其中，ITO玻璃（陽極）和金屬電極（陰極）都是平行的電極條，二者相互正交，在交叉點處形成像素，也就是發(fā)光的部位LED。LED逐行點亮就形成一幀可視圖像。由于每一行的顯示時間都非常短，要達到正常的圖像亮度，每一行的LED的亮度都要足夠高。每個像素的亮度與施加電流的大小成正比。如一個100行的器件，每一行的亮度必須比平均亮度高100倍。這就需要很高的電流和電壓，從而引起功耗增加，使顯示效率急劇下降，這就使得PM-OLED在大面積顯示中的應用受到限制。模擬結果表明，當顯示面積提高4倍時，功率要提高10倍。對于2英寸的小面積顯示器件，PM-OLED的節(jié)能效果比同樣尺寸的背光源LCD要明顯得多；但10英寸的大面積PM-OLED和相同尺寸的LCD相比，節(jié)能效果就不復存在了。因此，這就限制了它在大面積顯示中的應用。

PM-OLED易于制造，但其耗電量大于其他類型的OLED，這主要是因為它需要外部電路的緣故»PM-OLED用來顯示文本和圖標時效率最高，適于制作小屏幕（對角線2~3英寸），如人們在移動電話、掌上型電腦及MP3播放器上經(jīng)常能見到的那種。即便存在一個外部電路，被動矩陣OLED的耗電量，還是要小于這些設備當前采用的LCD。

②主動矩陣（Acitive Matrix）驅動（有源驅動）顯示方式，簡稱AM-OLED，其實際結構如圖3所示。

圖3 AM-OLED的實際結構

它具有完整的陰極層、有機分子層以及陽極層，但陽極層覆蓋著一個薄膜晶體管（TFT）陣列，形成一個矩陣。利用類似于AM-LCD的制造技術，在玻璃襯底上制作CMOS多晶硅TFT，發(fā)光層制作在TFT之上。TFT陣列本身就是一個電路，能決定哪些像素發(fā)光，進而決定圖像的構成。

驅動電路完成兩個功能：一是提供受控電流以驅動OLED；二是在尋址期之后繼續(xù)提供電流以保證各像素連續(xù)發(fā)光。和PM-OLED不同的是，AM-OLED的各個像素是同時發(fā)光的。這樣單個像素的發(fā)光亮度就大大地降低了，電壓也得到了相應的下降。這就意味著AM-OLED的功耗比PM-OLED要低得多，是大面積顯示比較理想的選擇。

一般，驅動OLED的薄膜晶體管有以下三種薄膜晶體管技術。

•低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT）；

•非晶硅薄膜晶體管（a-Si TFT）：

•有機薄膜電晶體（OTFT）

低溫多晶硅薄膜晶體管相對于另兩種晶體管技術，具有較高的載流子（電子或孔穴）遷移率（約100倍）及較高的熱穩(wěn)定性，可提供足夠高的電流供應給有機發(fā)光二極管。因此，低溫多晶硅薄膜晶體管與有機發(fā)光二極管兩種技術的結合，已成為未來必然的發(fā)展趨勢。

AM-OLED的耗電量低于PM-OLED，這是因為TFT陣列所需電量要少于外部電路，因而AM-OLED適合用于大型顯示屏。AM-OLED還具有更高的刷新率，適于顯示視頻。AM-OLED的最佳用途是電腦顯示器、大屏幕電視及電子告示牌或看板。

有源矩陣的驅動電路藏于顯示屏內，更易于實現(xiàn)集成度和小型化。由于解決了外圍驅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?，F(xiàn)在，CDT、精工愛普生、三洋電機等公司展出的17英寸OLED采用的就是主動矩陣方式。可以預見，主動矩陣驅動技術將是今后OLED發(fā)展普遍采用的方式。

三、OLED的優(yōu)缺點

（1）OLED的優(yōu)點如下。

•OLED是自發(fā)光，因而視角寬，亮度高：

•不存在聚焦，失真小，清晰度，色純全屏一致；

•不受磁場影響，無閃爍，材料綠色環(huán)保；

•響應速度快；

•工作電壓低、功耗低，發(fā)光效率高；

•面板超薄，超輕，可做成能彎曲的柔性顯示器；

•生產(chǎn)成本低；

•高低溫特性好，溫度范圍寬（-40℃~+85℃），且耐溫差；

•耐震，適用于震動環(huán)境使用。

（2）OLED的缺點。OLED似乎是一項完美無缺的技術，適合各類的顯示器，但它目前還存在一些需要解決的缺陷問題：

①壽命和穩(wěn)定性問題。OLED/PLED器件要達到實用化，要求實用壽命至少大于10000小時，存儲壽命至少5年。但目前還未達到，影響OLED壽命和穩(wěn)定性的主要原因如下。

•器件溫度升高：因器件在工作過程中除發(fā)光外，還有一部分電能轉化為熱量，從而使分子振動加劇，器件發(fā)熱溫度升高，這將導致薄膜結晶、界面變化等。

•氧化：器件包封不夠嚴密（或在使用過程中泄露空氣），即使有微量空氣滲入，在內部高電場作用下，氧分子將引起光氧化降解反應，破壞有機/高分子材料的共匏特性，使發(fā)光效率降低，導致器件退化。

•水：在高電場下，微量的水分都可能會導致電化學等反應，使器件界面遭到破壞。水氧的存在還可能造成電極被腐蝕，導致電子注入效率下降；氧化產(chǎn)生的離子可能注入器件發(fā)光區(qū)，造成猝滅中心，進而影響器件的發(fā)光效率。

•雜質：雜質可能成為載流子捕獲和生熱中心，引起內部電場的局部畸變，雜質產(chǎn)生的無輻射中心，是器件老化的重要原因，所以有機/高分子材料的提純是一個很關鍵的問題。據(jù)報道，每400個苯基乙烯基單元中含一個殘基就會使器件的發(fā)光猝滅一半。

•EL器件的光輻射：因為發(fā)光層發(fā)出的光可能破壞材料分子的化學鍵。此外，有機薄膜的厚度、均勻性等都可能影響到器件的穩(wěn)定性。

②色度問題。OLED的大部分發(fā)光材料色彩純度不夠，不容易顯示出鮮艷、濃郁的色彩，尤其是紅色的色度性能尤為不良。

③大尺寸問題。因為尺寸變大后會出現(xiàn)如驅動形式、掃描方式下材料的壽命、顯示屏發(fā)光均一化等問題。目前大屏幕顯示器成品率低，因而制造大屏幕顯示器的成本偏高，還不能實現(xiàn)大尺寸屏幕的量產(chǎn)，因而目前只適用于小尺寸便攜類的數(shù)碼類產(chǎn)品。

我國臺灣省以銖德公司為代表的一批企業(yè)已經(jīng)走到世界OLED產(chǎn)業(yè)化的前列；清華大學和維信諾公司已聯(lián)合建立了國內第一條OLED生產(chǎn)線等。相信不久，在解決好大尺寸OLED的長期可靠性和使用壽命等后，OLED必將成為顯示器市場的主流。LCD花了15年時間才超過CRT成為電腦顯示器的主流技術。OLED將花費更短的時間超越LCD。