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OLED(OrganicLight-Emitting Diode),又称为有机电激光显示、有机发光半导体(OrganicElectroluminesence Display,OLED)。OLED属于一种电流型的有机发光器件,是通过载流子的注入和复合而致发光的现象,发光强度与注入的电流成正比。OLED在电场的作用下,阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动,分别向空穴传输层和电子传输层注入,迁移到发光层。当二者在发光层相遇时,产生能量激子,从而激发发光分子最终产生可见光。

有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode,OLED),又称为有机电激光显示、有机发光半导体(OrganicElectroluminesence Display,OLED),是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下,通过载流子注入和复合导致发光的现象。

一般而言,OLED可按发光材料分为两种:小分子OLED和高分子OLED(也可称为PLED)。

OLED是一种利用多层有机薄膜结构产生电致发光的器件,它很容易制作,而且只需要低的驱动电压,这些主要的特征使得OLED在满足平面显示器的应用上显得非常突出。OLED显示屏比LCD更轻薄、亮度高、功耗低、响应快、清晰度高、柔性好、发光效率高,能满足消费者对显示技术的新需求。全球越来越多的显示器厂家纷纷投入研发,大大的推动了OLED的产业化进程。

(一)从器件结构上进行分类

OLED,是一种有机电致发光器件,由比较特殊的有机材料构成的,按照其结构的不同可以将其划分为四种类型,即单层器件、双层器件、三层器件以及多层器件。

(1)单层器件

单层器件也就是在器件的正、负极之间接入一层可以发光的有机层,其结构为衬底/ITO/发光层/阴极。在这种结构中由于电子、空穴注入、传输不平衡,导致器件效率、亮度都较低,器件稳定性差。

(2)双层器件

双层器件是在单层器件的基础上,在发光层两侧加入空穴传输层(HTL)或电子传输层(ETL),克服了单层器件载流子注入不平衡的问题,改善了器件的电压-电流特性,提高了器件的发光效率。

(3)三层器件

三层器件结构是应用最广泛的一种结构,其结构为衬底/ITO/HTL/发光层/ETL/阴极。这种结构的优点是使激子被局限在发光层中,进而提高器件的效率。

(4)多层结构

多层结构的性能是比较好的一种结构,其能够很好的发挥各个层面的作用。发光层也可以由多层结构组成,由于各发机层之间相互独立,可以分别优化。因此,这种结构能充分发挥各有机层的作用,极大地提高了器件设计的灵活性。

(二)从驱动方式上进行分类

OLED按照驱动方式来划分,一般分为两种,一种是主动式,一种是被动式。主动式的一般为有源驱动,被动式的为无源驱动。在实际的应用过程中,有源驱动主要是用于高分辨率的产品,而无源驱动主要应用在显示器尺寸比较小的显示器中。

(三)从材料上进行分类

构成OLED的材料主要是有机物,可根据有机物的种类划分,一种为小分子,另一种是高分子。这两种器件的主要差别在制作工艺上,小分子器件主要采用的是真空热蒸发工艺,高分子器件采用的是旋转涂覆或者是喷涂印刷工艺。

OLED器件由基板、阴极、阳极、空穴注入层(HIL)、电子注入层(EIL)、空穴传输层(HTL)、电子传输层(ETL)、电子阻挡层(EBL)、空穴阻挡层(HBL)、发光层(EML)等部分构成。其中,基板是整个器件的基础,所有功能层都需要蒸镀到器件的基板上;通常采用玻璃作为器件的基板,但是如果需要制作可弯曲的柔性OLED器件,则需要使用其它材料如塑料等作为器件的基板。阳极与器件外加驱动电压的正极相连,阳极中的空穴会在外加驱动电压的驱动下向器件中的发光层移动,阳极需要在器件工作时具有一定的透光性,使得器件内部发出的光能够被外界观察到;阳极最常使用的材料是ITO。空穴注入层能够对器件的阳极进行修饰,并可以使来自阳极的空穴顺利的注入到空穴传输层;空穴传输层负责将空穴运输到发光层;电子阻挡层会把来自阴极的电子阻挡在器件的发光层界面处,增大器件发光层界面处电子的浓度;发光层为器件电子和空穴再结合形成激子然后激子退激发光的地方;空穴阻挡层会将来自阳极的空穴阻挡在器件发光层的界面处,进而提高器件发光层界面处电子和空穴再结合的概率,增大器件的发光效率;电子传输层负责将来自阴极的电子传输到器件的发光层中;电子注入层起对阴极修饰及将电子传输到电子传输层的作用;阴极中的电子会在器件外加驱动电压的驱动下向器件的发光层移动,然后在发光层与来自阳极的空穴进行再结合。

OLED器件的发光过程可分为:电子和空穴的注入、电子和空穴的传输、电子和空穴的再结合、激子的退激发光。具体为:

(1)电子和空穴的注入。处于阴极中的电子和阳极中的空穴在外加驱动电压的驱动下会向器件的发光层移动,在向器件发光层移动的过程中,若器件包含有电子注入层和空穴注入层,则电子和空穴首先需要克服阴极与电子注入层及阳极与空穴注入层之间的能级势垒,然后经由电子注入层和空穴注入层向器件的电子传输层和空穴传输层移动;电子注入层和空穴注入层可增大器件的效率和寿命。关于OLED器件电子注入的机制还在不断的研究当中,目前最常被使用的机制是穿隧效应和界面偶极机制。

(2)电子和空穴的传输。在外加驱动电压的驱动下,来自阴极的电子和阳极的空穴会分别移动到器件的电子传输层和空穴传输层,电子传输层和空穴传输层会分别将电子和空穴移动到器件发光层的界面处;与此同时,电子传输层和空穴传输层分别会将来自阳极的空穴和来自阴极的电子阻挡在器件发光层的界面处,使得器件发光层界面处的电子和空穴得以累积。

(3)电子和空穴的再结合。当器件发光层界面处的电子和空穴达到一定数目时,电子和空穴会进行再结合并在发光层产生激子。

(4)激子的退激发光。在发光层处产生的激子会使得器件发光层中的有机分子被活化,进而使得有机分子最外层的电子从基态跃迁到激发态,由于处于激发态的电子极其不稳定,其会向基态跃迁,在跃迁的过程中会有能量以光的形式被释放出来,进而实现了器件的发光。

1、OLED显示技术依制程方式分为高分子制程及小分子制程两类,高分子制程(PLED)因不需薄膜制程,故设备投资及生产成本均远低于TFT-LCD(类似CD—R以旋转涂布spin-coating方式涂模),较利于大尺寸显示器的发展。但由于PLED每个颜色的衰减常数不同,因此产品多彩化不但困难,产品使用寿命也因而受到影响。小分子有机电激发光元件虽在多彩化方面优于高分子有机电激发光元件,但设备投资及生产成本较高(因采加热蒸镀方式蒸镀多层有机薄膜材料,为避免材料间的相互污染,故必须使用价格昂贵的多腔体的真空设备,且驱动电压大及产出率较低。

高分子元件在热稳定性方面表现较佳,因此可适用于较高温度的工作环境,并可忍受较高的电流密度,但因红篮绿三画素独立定位困难,至今仍无法推出全彩显示器。

2、OLED显示技术依驱动方式分为被动式(无源驱动passive matrix,即PM-OLED)与主动式(有源驱动active matrix,即AM—OLED)两类。被动式适合用在小尺寸的面版,因为其瞬间亮度与阴极扫瞄列数成正比,所以需要在高脉冲电流下操作,会使像素的寿命缩短。且因为扫瞄的关系也使其分辨率受限制,但成本低廉、制程简单是其一大优点。

主动式恰与被动式特性相反,虽然成本较昂贵、制程较复杂(仍比TFT-LCD容易),但每一个像素皆可连续与独立驱动,并可记忆驱动信号,不需在高脉冲电流下操作,效率较高,寿命也可延长,适用于大尺寸、高分辨率之高信息容量的全彩化OLED显示产品。

1、相较于LED或LCD的晶体层,OLED的有机塑料层更薄、更轻而且更富于柔韧性。

2、OLED的发光层比较轻,因此它的基层可使用富于柔韧性的材料,而不会使用刚性材料。OLED基层为塑料材质,而LED和LCD则使用玻璃基层。

3、OLED比LED更亮,OLED有机层要比LED中与之对应的无机晶体层薄很多,因而OLED的导电层和发射层可以采用多层结构。此外,LED和LCD需要用玻璃作为支撑物,而玻璃会吸收一部分光线。OLED则无需使用玻璃。

4、OLED并不需要采用LCD中的逆光系统。LCD工作时会选择性地阻挡某些逆光区域,从而让图像显现出来,而OLED则是靠自身发光。因为OLED不需逆光系统,所以它们的耗电量小于LCD(LCD所耗电量中的大部分用于逆光系统)。这一点对于靠电池供电的设备(例如移动电话)来说,尤其重要。

5、OLED制造起来更加容易,还可制成较大的尺寸。OLED为塑胶材质,因此可以将其制作成大面积薄片状。而想要使用如此之多的晶体并把它们铺平,则要困难得多。

6、OLED的视野范围很广,可达170度左右。而LCD工作时要阻挡光线,因而在某些角度上存在天然的观测障碍。OLED自身能够发光,所以视域范围也要宽很多。

OLED技术之所以能够获得广泛的应用,在于其与其它技术相比,具有以下优点:

(1)功耗低

与LCD相比,OLED不需要背光源,而背光源在LCD中是比较耗能的一部分,所以OLED是比较节能的。例如,24in的AMOLED模块功耗仅仅为440mw,而24in的多晶硅LCD模块达到了605mw。

(2)响应速度快

OLED技术与其他技术相比,其响应速度快,响应时间可以达到微秒级别。较高的响应速度更好的实现了运动的图像。根据有关的数据分析,其响应速度达到了液晶显示器响应速度的1000倍左右。

(3)较宽的视角

与其他显示相比,由于OLED是主动发光的,所以在很大视角范围内画面是不会显示失真的。其上下,左右的视角宽度超过170度。

(4)能实现高分辨率显示

大多高分辨率的OLED显示采用的是有源矩阵也就是AMOLED,它的发光层可以是吸纳26万真彩色的高分辨率,并且随着科学技术的发展,其分辨率在以后会得到更高的提升。

(5)宽温度特性

与LCD相比,OLED可以在很大的温度范围内进行工作,根据有关的技术分析,温度在-40摄氏度到80摄氏度都是可以正常运行的。这样就可以降低地域限制,在极寒地带也可以正常使用。

(6)OLED能够实现软屏

OLED可以在塑料、树脂等不同的柔性衬底材料上进行生产,将有机层蒸镀或涂布在塑料基衬上,就可以实现软屏。

(7)OLED成品的质量比较轻

与其他产品相比,OLED的质量比较小,厚度与LCD相比是比较小的,其抗震系数较高,能够适应较大的加速度,振动等比较恶劣的环境。

影响OLED器件寿命的因素众多,按照影响OLED器件的因素影响,可以将影响因素分为内因和外因两种。其中,内因是指器件寿命的减小是因器件自身的材料或结构等非外界因素而引起,外因是指器件寿命的减小是因为器件所处环境的外部因素而引起。

影响OLED器件寿命的外因有器件所处环境中水、氧气、微小颗粒等的含量、基板表面的平整度、器件电极表面的微小孔隙等。OLED器件中的电极通常采用的是活性较高的金属材料,当其与环境中的水和氧气相遇时,器件中的电极极易与水和氧气发生反应,在器件的发光区域产生不能发光的黑点,黑点的大小会随着时间的增加逐渐增大,使得器件可发光区域的面积逐渐减小。OLED器件所处环境中的微小颗粒也会对器件的寿命产生重要的影响。在制备OLED器件的过程中,如果在清洗器件基板时没有清洗干净,或者器件在蒸镀过程中所处的蒸镀环境中有较多的微小颗粒,那么残留在基板上的微小颗粒会对器件的寿命产生重要的影响;原因是器件所处环境中的微小颗粒通常是无法导电的固体,当其附着在器件的电极表面时,微小颗粒会使其所处电极处的导电性下降,并对蒸镀在电极表面功能层的平整度产生影响,进而影响器件的寿命。器件基板表面的平整度也会影响到OLED器件的寿命。如果器件基板的表面不平整有较多的突起物,产生的突起物容易引起尖端放电,进而使得器件产生更多的漏电流;除此之外,尖端放电也会导致器件产生的热量增多,进而影响到器件的稳定性,使器件的寿命减小。器件电极表面的微小孔隙也会影响OLED器件的寿命;原因是,若器件的电极表面有较多的孔隙,则器件所处环境中的水和氧气更容易通过电极表面的孔隙进入器件的内部,与器件中的材料发生反应,进而影响器件的稳定性,减小器件的寿命。

影响OLED器件寿命的内因有器件采用的结构、器件所使用材料的稳定性等。通常来说,多层结构的OLED器件比单层结构的OLED器件具有更长的寿命;与单层结构的器件相比,多层结构的器件由于其电子和空穴在被注入阴极和阳极时需要克服的能级势垒较小,所以电子和空穴只需较低的驱动电压即可被注入器件内部;除此之外,多层结构的器件由于具有电子阻挡层、空穴阻挡层、电子传输层和空穴传输层等功能层的加入,器件的发光效率会更高。器件所采用的材料的稳定性也会影响到OLED器件的寿命;由于器件在外加驱动电压的驱动下会产生较多的热量,所以如果器件所用材料的稳定性较差,器件的寿命也会减小。

由于OLED具有众多优势,OLED技术要比LCD技术应用范围更加广泛,可以延伸到电子产品领域、商业领域、交通领域、工业控制领域、医用领域当中,在加上近些年国际各大企业都在不断加强对OLED技术的研究,OLED技术会进一步得到完善。

在商业领域当中,POS机、复印机、ATM机中都可以安装小尺寸的OLED屏幕,由于OLED屏幕可弯曲、轻薄、抗衰性能强等特性,既美观又实用。大屏幕可以用作商务宣传屏,也可以用作车站、机场等广告投放屏幕,这是因为OLED屏幕广视角、亮度高、色彩鲜艳,视觉效果比LCD屏好很多。

电子产品领域中,OLED应用最为广泛的就是智能手机,其次是笔记本、显示屏、电视、平板、数码相机等领域,由于OLED显示屏色彩更加浓艳,并且可以对色彩进行调教(不同显示模式),因此在实际应用中非常广泛,特别是当今的曲面电视,广受群众的好评。

这里需要提一点VR技术,LCD屏观看VR设备有非常严重的拖影,但在OLED屏幕中会缓解非常多,这是因为OLED屏是点亮光分子,而液晶是光液体流动。因此,在16年OLED屏幕正式超越了LCD屏,成为了手机界的新宠儿。

在交通领域中,OLED主要用作轮船、飞机仪表、GPS、可视电话、车载显示屏等,并且以小尺寸为主,这些领域主要是注重OLED广视角性能,即使不直视也能够清楚看到屏幕内容,LCD则不行。

工业领域中,当今我国工业正在朝向自动化、智能化方向发展,所引入的智能操作系统也越来越多,这就对屏幕有了更多的需求。无论是在触屏显示上还是观看显示上,OLED的应用范围要比LCD更广。

医疗领域中,医学诊断影响、手术屏幕监控都离不开屏幕,为了适应医疗显示的广视域要求,OLED屏幕是“不二人选”。

可见,OLED显示屏的发展空间非常高,市场潜力巨大。但是相比LCD屏幕,OLED制造技术还不够成熟,由于量产率低、成本高,在市场上只有一些高端设备才会采用顶级的OLED屏幕。但是从2017年上半年数据来看,各个厂商都加大了对OLED技术的研究投入,并且我国很多中端电子产品都应用了OLED显示屏。从手机行业来看,从2015年以后,OLED屏幕的应用比例逐年提高,虽然依然没有LCD产品多,但是高端智能手机都采用了最先进的OLED屏幕,因此,智能手机等电子产品发展,势必会进一步推动OLED发展。

1、真正能发挥OLED技术优势,仍以AMOLED应用为主

PMOLED在其元件的结构组成方面,较AMOLED更为简单,具备大量生产压低成本的制造优势,也是OLED用于显示应用最早量产的产品形态。PMOLED适用于移动电话的显示屏幕应用,在讯息显示量不高的小型面板应用尤其适合,量产成本也相对低许多。但在主应用产品越趋转向高彩、大尺寸、快速显示的应用方向时,PMOLED在技术条件明显无法应付新需求。但真正能发挥OLED技术优势,仍是AMOLED应用为主,尤其用于显示器应用领域。

2、可挠式AMOLED得以应用

AMOLED由于结构具备可挠特性,因此也具备导入e-ink电子纸应用的条件,例如,Sony就开发出采用AMOLED构造的可挠式显示器(Flexible Plastic Substrate),其制法是将AMOLED结构制作于塑料薄膜上,克服以往AMOLED需高温制程可能会造成塑料基底的变形问题。在Sony的制法中,可挠式的OLED面板制程可全程控制在180℃以下。

针对可挠性OLED的原型开发,亚利桑那州立大学(Arizona StateUniversity;ASU)也开发出4寸大小的AMOLED显示器,目前已具备QVGA显示分辨率。由ASU发展的可挠设计原型使用杜邦Teijin热稳定聚乙烯萘二甲酸乙二醇酯(PEN)材料,与Sony同样以低于180℃制程制作,整合于非晶矽TFT背板。

3、发展节能光源OLED成为全球趋势

OLED的材质特性,不只是让显示器厂商为之惊艳,OLED具备的自发光特性,也让灯具、光源制造商感兴趣,如飞利浦、欧斯朗等灯具大厂尝试投入相关研发。


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