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  • 【科研组银奖】 OLED技术发展历程及未来趋势
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  • 2017/1/13 15:22:19
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OLED技术的发展历程及未来趋势

张照堃 胡师阳

摘要:本文从OLED的发展历程入手,介绍了有机电致发光现象的发现过程。并经由此后数位科学家的探索与努力,不断推动着OLED技术的发展。当下OLED发光器件电子传输层ETL)、空穴传输层(HTL、有机材料发光层ELL)三层式的结构就材料而言有大分子和小分子两种,就驱动方式而言又可分为有源和无源两种其中有源驱动型以其反应速度快、开口率高等特点占据了OLED市场的主同时横向比较各类显示器件,相较于其他显示器件OLED凭借厚度薄、功耗低可柔性显示等特点必将在显示材料领域掀起新的革命


关键词:电致发光,有源驱动,柔性显示,自主发光

一、OLED技术的发展历程

OLED英文名称为Organic Light-Emitting Diode中文名为有机发光二极管,是基于有电机致发光现象(Organic Electro luminescence)的一种新型显示技术。与传统的lcd显示技术相比具有主动发光,对比度高,视角宽,响应快,厚度薄,功耗低,可实现柔性屏显示的优点,进而拥有“梦幻显示屏”的美誉。

有机电致发光现象的研究起源于上世纪六十年代。美国纽约大学的Martin Pope及其同事1963年发表了世界上第一篇有关OLED的文献,他们在以电解质溶液为电机使用400V的直流电通过蒽晶体时,观察到发光的现象。之后其团队还于1965年的报告中提到蒽晶体的发光现象是由热能化的电子与空穴的结合所产生的,这正是现代OLED显示技术的基本原理。而在同一年加拿大国家研究委员会的W. Helfrich and W. G. Schneider对蒽晶体的电致发光现象进了进一步研究。但由于电解溶液制电极的工艺比较复杂且所需的驱动电压较高故并未引起人们的广泛关注。

1982年Vincett等人用真空镀膜法制作的蒽薄膜作为发光层并采用铝和金作为阴极和阳极制成的有机电致发光器件仅需30V的驱动电压即可实现发光,首次将驱动电压降至了100V以下。但由于材料的成膜性不好且电子注入效率低导致了器件具有外量子效率低易击穿的缺点。

1975年英国国家物理实验所的Roger Partridge第一次制成了采用聚合物材料的发光器件,但其后有机薄膜电致发光的发展陷入了缓慢的阶段。直到1985年美国柯达公司的Ching W. Tang(邓青云) and Steven Van Slyke采用ITO导电玻璃为阳极,芳香二胺为空穴传输层8-羟基喹啉铝发光层,镁铝合金为阴极制成了新型发光器件。该器件创新式的使用了单独空穴传输层和电子传输层的双层结构,这使得其电子与空穴的重组及发光效应发生在了有机层的中间,这一改变大幅的减小了所需的驱动电压发光效率。该器件驱动电压低于10V,发光亮度达到1000cd/发光效率为1.5lm/W,外量子效率到达1%(光子/电子这一结果在全世界引起巨大轰动和关注。而后1990年有关聚合物电致发光的研究迎来高潮,英国剑桥大学卡文迪许实验室J. H. Burroughes等人采用共轭聚合物聚对苯撑乙烯(PPV)为发光层制成单层薄膜夹心式聚合物发光器件尽管该器件驱动电压为14V,外量子效率仅为0.05%,但这一研究成果开辟了发光器件的新领域——聚合物薄膜电致发光器件(PLED)。

1992Heeger等人首次发明了以塑料为衬底制备可变性的柔性显示器,这也使得OLED显示器的独特特性展现出来。1998年,Forrest的研究小组发现了磷光电致发光现象,并将红色磷光染料PtODP掺杂在Al作为电致发光材料,从而器件的外量子效率提高到4%,由此引发了新的研究热点。

二、OLED发光器件的构成和发光原理

OLED发光器件的结构为三明治结构,其主要的组成部分为:基板阳极阴极电子传输层ETL)、空穴传输层(HTL、有机材料发光层ELL)。而现今主要分为四种结构

(1) 单层结构:直接在发光层接阴阳两级该结构的特点是制备工艺简单,但对于材料要求较高,这要求有机发光层既具备电子的传输能力也要具备空穴的传输能力而大部分有机材料都是单极性的,因而很少有材料符合要求。同时该结构的复合区过于靠近电极一侧容易引起灭。

(2) 双层结构:有两种不同的有机材料构成,一种是一层为空穴传输层同时也可为发光层,另一层为电子传输层;另一种是一层为电子传输层同时也可为发光层,另一层为空穴传输层。

(3) 三层结构:最常用的一种结构,由空穴传输层、发光层、电子传输层三层构成每层发挥各自作用可将复合区有效控制在发光层,既提高了复合效率也防止了激子过于靠近电极而淬灭。

(4) 多层结构:为进一步提高器件的发光性能,人们在器件中加入更多的功能层。比如在阴极和阳极的内侧增加缓冲层来确保电子空穴的注入量;又或在发光层两侧加入空穴阻挡层(HBL,这是由于空穴的迁移率远大于电子迁移率,这导致空穴数量过多,多余的空穴在发光层无法与电子复合,进而增加无效的电流,降低发光效率。尽管多层结构在性能上具有优势,但由于其制作工艺复杂并不利于大规模生产。而且一味为增加性能而增加功能层,必然会导致膜过厚,所需驱动电压过高,从而失去实用价值。

OLED器件的发光基于有机电致发光效应,有机致电发光的基本原理是通过注入载流子,引起电子与空穴复合产生激子,激子再通过辐射弛豫现象产生光子。具体来说可见发光过程分为四部:注入激子、电子和空穴传输、电子与空穴的复合并产生激子、激子辐射跃迁产生光子。

(1) 载流子注入:在外电场作用下,电子从阴极,空穴从阳极分别克服电极与器件之间的势垒进入器件,分别到达薄膜的LUMO和HOMO能级上。

(2) 载流子传输:在外电场作用下薄膜LUMO能级上的电子和HOMO能级上的空穴运输至复合界面

(3) 激子产生:电子与空穴在发光层相遇复合产生激子,激子可分为单线态激子和三线态激子,可通过辐射跃迁分别产生荧光和磷光。

(4) 辐射发光:激子通过辐射驰豫释放光子,自身跃迁到较低能级激发态与基态的能级差决定发射光的颜色。

OLED发出的光可以单色光的也可以是全色的,相对单色OLED全色OLED结构较为复杂,通常情况采用以下三种方法来实现:在单色发光层滤光片实现彩色②使用多层发光材料,形成、绿三原色进而实现全色③先使用蓝色发光材料,再通过激发颜色转换材料形成绿光和红光从而获得三原色进而实现全色。


OLED技术的分类

1)根据材料的不同OLED可以分为两大类,分别是聚合物器件(分子量10000--100000)和小分子器件(分子量500--2000)两大类。

① 其中高分子聚合物通常选择导电共轭聚合物或半导体共轭聚合物,它的制作工艺比较简单,采用悬涂方法成膜,成本也有所降低。但相较小分子化合物,在颜色亮度等方面,它的表现不及小分子材料,由于大分子材料本身的特性,它的纯度也不易提高。

② 小分子化合物采用真空镀膜的方法成膜,在具体小分子组成方面可再细分为有机小分子化合物和配合物

有机小分子发光材料主要为有机染料它的化学修饰性强,易于提纯,可产生红、绿、蓝、黄等各种颜色发射峰,但大多数有机染料在固态时存在浓度问题,可能导致发射峰变宽或红移,所以一般将它们以低浓度方式掺杂在具有某种载流子性质的主体中,主体材料通常与ETM(电子输运材料)和HTM(空穴传输材料)层采用相同的材料。而配合物介于有机物和无机物之间,既具备有机物高量子效率特性,又有无机物的稳定性。常用金属离子有:Be2+ Zn2+ Al3+ Ca3+ In3+ Tb3+ Gd3+等。主要配合物发光材料有:8-羟基喹啉类,10-羟基苯并喹啉类,Schiff碱类,-羟基苯并噻唑(噁唑)类和羟基黄酮类等。

2)OLED根据驱动方式还可分为两类。

①无源驱动 OLED (Passive Matrix OLED)又叫被动式有机电激发光二极管,可分静态驱动式和动态驱动式。

a、静态驱动式采取共阴极的连接方式。在有机发光显示器件上,一般各发光像素的阴极是连在一起引出的。在图像变化比较多时可能出现交叉效应,因此必须采用交流的形式。静态驱动电路段式显示屏的驱动上。

b、动态驱动方式动态驱动的有机发光显示器件上水平一组显示像素的同一性质的电极是共用的,纵向一组显示像素的相同性质的另一电极是共用的。如果像素可分为N行和M列,就可有N个行电极和M个列电极。行和列分别对应发光像素的两个电极。即阴极和阳极。

PMOLED的制作成本和入门门槛较低,受限于驱动方式,其分辨率无法提得过高,所以应用产品的面积受到限制。若将其应用在大屏方向上,可能会出现屏幕亮度问题。为了维持整体屏幕的亮度,需加大操作时的电流,最终可能出现耗电快、寿命短等问题。因此不建议向大屏方向发展。

②有源驱动OLED (Active-Matrix OLED)

a、AMOLED的等效驱动电路

AMOLED的驱动电路类似LCD 屏幕,都是行、列扫描的阵列式结构。驱动电路完成两个功能,一是提供电流以驱动OLED,二是在寻址期之后继续提供电流以保证各像素持续发光

b、AMOLED的像素等效电路

当扫描线被选中时,开关管T1开启,数据电压通过T1管对存储电容CS充电,CS的电压控制驱动管T2的漏极电流;当扫描线未被选中时,T1截止,储存在CS上的电荷继续维持T2的栅极电压,T2保持导通状态,故在整个帧周期中,OLED处于恒流控制。下方,左图和右图分别被称为恒流源结构与源极跟随结构,恒流源结构中OLED处于驱动管T2的漏端,克服了OLED开启电压的变化对T2管电流的影响;而源级跟随结构则在制作方面更为简单,容易实现。

c、AMOLED的两种结构

AMOLED有底发光与顶发光两种结构。从图中可以看出在顶发光结构中,光线不会受到驱动电路各种材料版面的遮挡,相比底发光结构有更高的开口率,因此在各个方面的应用中具

有很大的优势。就结构选择而言,顶发光式结构已经占据了AMOLED的主流。

d、AMOLED优缺点对比

AMOLED相较传统的LED来说屏幕更加轻薄,它不需要背光层和偏振片,可在屏幕中集成触摸层。功耗低,可以在不同基板上制得,以实现柔性曲面显示。OLED的固态性使其能够防震防摔,与LED的玻璃基板屏幕相比不易损坏。同时与LCD相比较,其反应速度只有LCD的百分之一到千分之一,使得它更适合于应用在计算、电视机、电子广告、等电子屏幕上。但同时其存在一些缺点,产能不足、不可大面积成屏等也在制约其发展。

四、OLED技术的优势及劣势

OLED的优势

首先从对比度方面来看,OLED能够自主发光,它不需要背光板。在这种情况下OLED能够完全不发光,使其分辨率极大提高。LCD的对比度发展十分迅速,但OLED能够显示全黑使得其依旧具有明显的优势。其次是OLED的视角,OLED在视角方面表现很好,,虽然其在1800视角处的色差不及液晶显示屏,但即使在很大角度下观看依旧不会发生图像失真。响应快又是其另一明显特点。在上文AMOLED中提到过它的响应速度只有LCD的百分之一到千分之一,它所呈现的图像刷新频率极快,具有良好的视觉效果。在厚度方面,OLED的厚度相当于LCD的三分之一,相同情况下LCD的厚度相当于一片OLED、一片偏振片和一块背光板的组合,它的厚度的结构特点也注定了其质量更轻。在能耗方面,OLED的驱动电压低,只有2~10v,而LCD要经过偏振片、基板等,每经过一层,就会发生能量损耗。虽然在后续发展中,LCD采用树脂等材料来降低功耗但其能量消耗依旧比OLED大。最后OLED能够在各种样式的基板上制造,以实现弯曲的柔性显示,且其固态机构的抗震性能和低温特性都远远优于LCD

OLED的劣势

OLED一大突出劣势就是产能不足。智能手机OLED面板需求火爆,由于三星供货不足,多款国产手机未能发售,出现争夺OLED屏幕的现象。


而根据国家统计局数据2015年需求量就达到2亿多万片,这一数字在2016年及以后将会有更大幅度的攀升,而出货数量与之相比实在微小。

通过各方面的报价来看OLED电视的价格大概是当期LCD电视价格的两倍,其工艺不成熟、成品率低等问题使得它的成本偏高。通过理论测定LCD在50%亮度的情况下寿命为五万小时,而OLED蓝光的寿命只有三万小时,在前文中也提到过POLED屏幕为了维持屏幕亮度需要加大操作电流,这也使得其寿命下降。同时OLED不能在大面积的显示屏幕上应用,这也是目前需要解决的问题,但我们也看到OLED电视市场的前景一片光明。无论如何OLED都将会是显示产业发展的必然趋势。

五、OLED技术的未来发展方向

1.屏幕形状的自由性与可折叠性及双面显示

在上文中提到AMOLED在成形时具有很高的灵活性,根据基板的不同形状,可形成非平面非传统典型的屏幕样式。在设计中完全可以将工程优化至最大,考虑到不同观测角度,所成像在人眼的呈现。可以采取光学补偿,通过光学屏幕的凸起,在光线传播的折射率和传播发现进行调制。使得屏幕在各种观看角度和使用姿势下都能舒适人眼。关于这一点,可以从目前的曲屏和无边框手机窥得一二。2016年日本高新技术博览会上,夏普的无边框自由形状显示屏手机就证实了这一点的可行性。其外,OLED材料可以实现柔性显示,借助该材料的柔性,有望实现可折叠屏幕。LG公司本年初展示了全球第一款18英寸可卷曲显示屏,该显示屏就是通过OLED材料实现。我们可以设想若是采取多块OLED屏幕拼接的方式,可在折叠性及空间形状改变能力上实现极大的突破。同时OLED材料及其轻薄,能够自主发光不需要背光板,在复合时易实现。通过将两个显示屏复合可以实现双面显示,且其厚度依旧轻薄。双面显示在车站等人流密度大的区域有极大的实用价值。

2.在虚拟现实方面的应用

  2016年被称为VR元年,VR成为了当下最为火热的概念之一,而现下VR中所采用的显示器绝大部分都为OLED屏幕,这也为OLED带来了新的商机。VR之所以采用OLED屏幕主要是因为以下三点:(1)VR为提供沉浸感的体验往往会采用曲面显示,而柔性显示正是OLED的特性之一(2)未提供更为舒适的体验,VR设备往往都尽可能的减轻自己的重量,而OLED轻薄的特性刚好可以满足这个需求(3)由于OLED主动发光的特性使得OLED可以实现低余晖显示,这可以减少拖影现象大大地减轻在使用VR时带来的眩晕感。

  根据市调机构Juniper Research的资料,全球VR头戴设备市场在2016年销售量约达300万台,2020年销售量可望剧增到3,000万台这也意味着OLED的销售市场将随着VR的持续火爆进一步扩大。其中三星显示器(Samsung Display)就在日前表示他们正押注VR和AR市场并借此进一步扩大OLED的移动市场。


参考文献

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