OLED詳解 (1)

第一節(jié)、概述

OLED，即有機發(fā)光二極管（OrganicLight-EmittingDiode），又稱為有機電激光顯示（OrganicElectroluminesenceDisplay,OELD）。因為具備輕薄、省電等特性，因此從2003年開始，這種顯示設(shè)備在MP3播放器上得到了廣泛應(yīng)用，而對于同屬數(shù)碼類產(chǎn)品的DC與手機，此前只是在一些展會上展示過采用OLED屏幕的工程樣品，還并未走入實際應(yīng)用的階段。但OLED屏幕卻具備了許多LCD不可比擬的優(yōu)勢，因此它也一直被業(yè)內(nèi)人士所看好。

OLED顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，當有電流通過時，這些有機材料就會發(fā)光。而且OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄，可視角度更大，并且能夠顯著節(jié)省電能。

目前在OLED的二大技術(shù)體系中，低分子OLED技術(shù)為日本掌握，而高分子的PLEDLG手機的所謂OEL就是這個體系，技術(shù)及專利則由英國的科技公司CDT掌握，兩者相比PLED產(chǎn)品的彩色化上仍有困難。而低分子OLED則較易彩色化，不久前三星就發(fā)布了65530色的手機用OLED。

不過，雖然將來技術(shù)更優(yōu)秀的OLED會取代TFT等LCD，但有機發(fā)光顯示技術(shù)還存在使用壽命短、屏幕大型化難等缺陷。目前采用OLED的主要是三星如新上市的SCH-X339就采用了256色的OLED，至于OEL則主要被LG采用在其CU81808280上我們都有見到。

為了形像說明OLED構(gòu)造，可以將每個OLED單元比做一塊漢堡包，發(fā)光材料就是夾在中間的蔬菜。每個OLED的顯示單元都能受控制地產(chǎn)生三種不同顏色的光。OLED與LCD一樣，也有主動式和被動式之分。被動方式下由行列地址選中的單元被點亮。主動方式下，OLED單元后有一個薄膜晶體管（TFT），發(fā)光單元在TFT驅(qū)動下點亮。主動式的OLED比較省電，但被動式的OLED顯示性能更佳。

第二節(jié)、OLED的結(jié)構(gòu)、原理

OLED的基本結(jié)構(gòu)是由一薄而透明具半導(dǎo)體特性之銦錫氧化物(ITO)，與電力之正極相連，再加上另一個金屬陰極，包成如三明治的結(jié)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)層中包括了：空穴傳輸層(HTL)、發(fā)光層(EL)與電子傳輸層(ETL)。當電力供應(yīng)至適當電壓時，正極空穴與陰極電荷就會在發(fā)光層中結(jié)合，產(chǎn)生光亮，依其配方不同產(chǎn)生紅、綠和藍RGB三原色，構(gòu)成基本色彩。OLED的特性是自己發(fā)光，不像TFTLCD需要背光，因此可視度和亮度均高，其次是電壓需求低且省電效率高，加上反應(yīng)快、重量輕、厚度薄，構(gòu)造簡單，成本低等，被視為21世紀最具前途的產(chǎn)品之一。

有機發(fā)光二極體的發(fā)光原理和無機發(fā)光二極體相似。當組件受到直流電（DirectCurrent；DC）所衍生的順向偏壓時，外加之電壓能量將驅(qū)動電子（Electron）與空穴（Hole）分別由陰極與陽極注入組件，當兩者在傳導(dǎo)中相遇、結(jié)合，即形成所謂的電子-空穴復(fù)合（Electron-HoleCapture）。而當化學(xué)分子受到外來能量激發(fā)后，若電子自旋（ElectronSpin）和基態(tài)電子成對，則為單重態(tài)（Singlet），其所釋放的光為所謂的螢光（Fluorescence）；反之，若激發(fā)態(tài)電子和基態(tài)電子自旋不成對且平行，則稱為三重態(tài)（Triplet），其所釋放的光為所謂的磷光（Phosphorescence）。

當電子的狀態(tài)位置由激態(tài)高能階回到穩(wěn)態(tài)低能階時，其能量將分別以光子（LightEmission）或熱能（HeatDissipation）的方式放出，其中光子的部分可被利用當作顯示功能；然有機螢光材料在室溫下并無法觀測到三重態(tài)的磷光，故PM-OLED組件發(fā)光效率之理論極限值僅25%。

PM-OLED發(fā)光原理是利用材料能階差，將釋放出來的能量轉(zhuǎn)換成光子，所以我們可以選擇適當?shù)牟牧袭斪靼l(fā)光層或是在發(fā)光層中摻雜染料以得到我們所需要的發(fā)光顏色。此外，一般電子與電洞的結(jié)合反應(yīng)均在數(shù)十納秒（ns）內(nèi)，故PM-OLED的應(yīng)答速度非?？?。

P.S.：PM-OLEM的典型結(jié)構(gòu)。典型的PM-OLED由玻璃基板、ITO（indiumtinoxide；銦錫氧化物）陽極（Anode）、有機發(fā)光層（EmittingMaterialLayer）與陰極（Cathode）等所組成，其中，薄而透明的ITO陽極與金屬陰極如同三明治般地將有機發(fā)光層包夾其中，當電壓注入陽極的空穴（Hole）與陰極來的電子（Electron）在有機發(fā)光層結(jié)合時，激發(fā)有機材料而發(fā)光。

而目前發(fā)光效率較佳、普遍被使用的多層PM-OLED結(jié)構(gòu)，除玻璃基板、陰陽電極與有機發(fā)光層外，尚需制作空穴注入層（HoleInjectLayer；HIL）、空穴傳輸層（HoleTransportLayer；HTL）、電子傳輸層（ElectronTransportLayer；ETL）與電子注入層（ElectronInjectLayer；EIL）等結(jié)構(gòu)，且各傳輸層與電極之間需設(shè)置絕緣層，因此熱蒸鍍（Evaporate）加工難度相對提高，制作過程亦變得復(fù)雜。

由于有機材料及金屬對氧氣及水氣相當敏感，制作完成后，需經(jīng)過封裝保護處理。PM-OLED雖需由數(shù)層有機薄膜組成，然有機薄膜層厚度約僅1,000～1,500A°（0.10～0.15um），整個顯示板（Panel）在封裝加干燥劑（Desiccant）后總厚度不及200um（2mm），具輕薄之優(yōu)勢。

第三節(jié)、有機發(fā)光材料的選用

有機材料的特性深深地影響組件之光電特性表現(xiàn)。在陽極材料的選擇上，材料本身必需是具高功函數(shù)（Highworkfunction）與可透光性，所以具有4.5eV-5.3eV的高功函數(shù)、性質(zhì)穩(wěn)定且透光的ITO透明導(dǎo)電膜，便被廣泛應(yīng)用于陽極。在陰極部分，為了增加組件的發(fā)光效率，電子與電洞的注入通常需要低功函數(shù)（Lowworkfunction）的Ag、Al、Ca、In、Li與Mg等金屬，或低功函數(shù)的復(fù)合金屬來制作陰極（例如：Mg-Ag鎂銀）。

適合傳遞電子的有機材料不一定適合傳遞電洞，所以有機發(fā)光二極體的電子傳輸層和電洞傳輸層必須選用不同的有機材料。目前最常被用來制作電子傳輸層的材料必須制膜安定性高、熱穩(wěn)定且電子傳輸性佳，一般通常采用螢光染料化合物。如Alq、Znq、Gaq、Bebq、Balq、DPVBi、ZnSPB、PBD、OXD、BBOT等。而電洞傳輸層的材料屬于一種芳香胺螢光化合物，如TPD、TDATA等有機材料。

有機發(fā)光層的材料須具備固態(tài)下有較強螢光、載子傳輸性能好、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性佳、量子效率高且能夠真空蒸鍍的特性，一般有機發(fā)光層的材料使用通常與電子傳輸層或電洞傳輸層所采用的材料相同，例如Alq被廣泛用于綠光，Balq和DPVBi則被廣泛應(yīng)用于藍光。

一般而言，OLED可按發(fā)光材料分為兩種：小分子OLED和高分子OLED（也可稱為PLED）。小分子OLED和高分子OLED的差異主要表現(xiàn)在器件的制備工藝不同：小分子器件主要采用真空熱蒸發(fā)工藝，高分子器件則采用旋轉(zhuǎn)涂覆或噴涂印刷工藝。小分子材料廠商主要有：Eastman、Kodak、出光興產(chǎn)、東洋INK制造、三菱化學(xué)等；高分子材料廠商主要有：CDT、Covin、DowChemical、住友化學(xué)等。目前國際上與OLED有關(guān)的專利已經(jīng)超過1400份，其中最基本的專利有三項。小分子OLED的基本專利由美國Kodak公司擁有，高分子OLED的專利由英國的CDT（CambridgeDisPlayTechnology）和美國的Uniax公司擁有。

第四節(jié)、OLED關(guān)鍵工藝

一、氧化銦錫(ITO)基板前處理

(1)ITO表面平整度：ITO目前已廣泛應(yīng)用在商業(yè)化的顯示器面板制造，其具有高透射率、低電阻率及高功函數(shù)等優(yōu)點。一般而言，利用射頻濺鍍法(RFsputtering)所制造的ITO，易受工藝控制因素不良而導(dǎo)致表面不平整，進而產(chǎn)生表面的尖端物質(zhì)或突起物。另外高溫鍛燒及再結(jié)晶的過程亦會產(chǎn)生表面約10~30nm的突起層。這些不平整層的細粒之間所形成的路徑會提供空穴直接射向陰極的機會，而這些錯綜復(fù)雜的路徑會使漏電流增加。一般有三個方法可以解決這表面層的影響?U一是增加空穴注入層及空穴傳輸層的厚度以降低漏電流，此方法多用于PLED及空穴層較厚的OLED(~200nm)。二是將ITO玻璃再處理，使表面光滑。三是使用其它鍍膜方法使表面平整度更好。

(2)ITO功函數(shù)的增加：當空穴由ITO注入HIL時，過大的位能差會產(chǎn)生蕭基能障，使得空穴不易注入，因此如何降低ITO/HIL接口的位能差則成為ITO前處理的重點。一般我們使用O2-Plasma方式增加ITO中氧原子的飽和度，以達到增加功函數(shù)之目的。ITO經(jīng)O2-Plasma處理后功函數(shù)可由原先之4.8eV提升至5.2eV，與HIL的功函數(shù)已非常接近。

加入輔助電極，由于OLED為電流驅(qū)動組件，當外部線路過長或過細時，于外部電路將會造成嚴重之電壓梯度，使真正落于OLED組件之電壓下降，導(dǎo)致面板發(fā)光強度減少。由于ITO電阻過大(10ohm/square)，易造成不必要之外部功率消耗，增加一輔助電極以降低電壓梯度成了增加發(fā)光效率、減少驅(qū)動電壓的快捷方式。鉻(Cr：Chromium)金屬是最常被用作輔助電極的材料，它具有對環(huán)境因子穩(wěn)定性佳及對蝕刻液有較大的選擇性等優(yōu)點。然而它的電阻值在膜層為100nm時為2ohm/square，在某些應(yīng)用時仍屬過大，因此在相同厚度時擁有較低電阻值的鋁(Al：Aluminum)金屬(0.2ohm/square)則成為輔助電極另一較佳選擇。但是，鋁金屬的高活性也使其有信賴性方面之問題因此，多疊層之輔助金屬則被提出，如：Cr/Al/Cr或Mo/Al/Mo，然而此類工藝增加復(fù)雜度及成本，故輔助電極材料的選擇成為OLED工藝中的重點之一。

二、陰極工藝

在高解析的OLED面板中，將細微的陰極與陰極之間隔離，一般所用的方法為蘑菇構(gòu)型法(Mushroomstructureapproach)，此工藝類似印刷技術(shù)的負光阻顯影技術(shù)。在負光阻顯影過程中，許多任務(wù)藝上的變異因子會影響陰極的品質(zhì)及良率。例如，體電阻、介電常數(shù)、高分辨率、高Tg、低臨界維度(CD)的損失以及與ITO或其它有機層適當?shù)酿ぶ涌诘取?/p>

三、封裝

⑴吸水材料：一般OLED的生命周期易受周圍水氣與氧氣所影響而降低。水氣來源主要分為兩種：一是經(jīng)由外在環(huán)境滲透進入組件內(nèi)，另一種是在OLED工藝中被每一層物質(zhì)所吸收的水氣。為了減少水氣進入組件或排除由工藝中所吸附的水氣，一般最常使用的物質(zhì)為吸水材(Desiccant)。Desiccant可以利用化學(xué)吸附或物理吸附的方式捕捉自由移動的水分子，以達到去除組件內(nèi)水氣的目的。

⑵工藝及設(shè)備開發(fā)：封裝工藝之流程如圖四所示，為了將Desiccant置于蓋板及順利將蓋板與基板黏合，需在真空環(huán)境或?qū)⑶惑w充入不活潑氣體下進行，例如氮氣。值得注意的是，如何讓蓋板與基板這兩部分工藝銜接更有效率、減少封裝工藝成本以及減少封裝時間以達最佳量產(chǎn)速率，已儼然成為封裝工藝及設(shè)備技術(shù)發(fā)展的3大主要目標。

第五節(jié)、OLED的形色化技術(shù)

顯示器全彩色是檢驗顯示器是否在市場上具有競爭力的重要標志，因此許多全彩色化技術(shù)也應(yīng)用到了OLED顯示器上，按面板的類型通常有下面三種:RGB象素獨立發(fā)光，光色轉(zhuǎn)換(ColorConversion)和彩色濾光膜(ColorFilter)。

一、RGB象素獨立發(fā)光

利用發(fā)光材料獨立發(fā)光是目前采用最多的彩色模式。它是利用精密的金屬蔭罩與CCD象素對位技術(shù)，首先制備紅、綠、藍三基色發(fā)光中心，然后調(diào)節(jié)三種顏色組合的混色比，產(chǎn)生真彩色，使三色OLED組件獨立發(fā)光構(gòu)成一個象素。該項技術(shù)的關(guān)鍵在于提高發(fā)光材料的色純度和發(fā)光效率，同時金屬蔭罩刻蝕技術(shù)也至關(guān)重要。

目前，有機小分子發(fā)光材料AlQ3是很好的綠光發(fā)光小分一于材料，它的綠光色純度，發(fā)光效率和穩(wěn)定性都很好。但OLED最好的紅光發(fā)光小分子材料的發(fā)光效率只有31m/W，壽命1萬小時，藍色發(fā)光小分子材料的發(fā)展也是很慢和很困難的。有機小分子發(fā)光材料面臨的最大瓶頸在于紅色和藍色材料的純度、效率與壽命。但人們通過給主體發(fā)光材料摻雜，已得到了色純度、發(fā)光效率和穩(wěn)定性都比較好的藍光和紅光。

高分子發(fā)光材料的優(yōu)點是可以通過化學(xué)修飾調(diào)節(jié)其發(fā)光波長，現(xiàn)已得到了從藍到綠到紅的覆蓋整個可見光范圍的各種顏色，但其壽命只有小分子發(fā)光材料的十分之一，所以對高分子聚合物，發(fā)光材料的發(fā)光效率和壽命都有待提高。不斷地開發(fā)出性能優(yōu)良的發(fā)光材料應(yīng)該是材料開發(fā)工作者的一項艱巨而長期的課題。

隨著OLED顯示器的彩色化、高分辨率和大面積化，金屬蔭罩刻蝕技術(shù)直接影響著顯示板畫面的質(zhì)量，所以對金屬蔭罩圖形尺寸精度及定位精度提出了更加苛刻的要求。

二、光色轉(zhuǎn)換光色轉(zhuǎn)換是以藍光OLED結(jié)合光色轉(zhuǎn)換

膜陣列，首先制備發(fā)藍光OLED的器件，然后利用其藍光激發(fā)光色轉(zhuǎn)換材料得到紅光和綠光，從而獲得全彩色。該項技術(shù)的關(guān)鍵在于提高光色轉(zhuǎn)換材料的色純度及效率。這種技術(shù)不需要金屬蔭罩對位技術(shù)，只需蒸鍍藍光OLED組件，是未來大尺寸全彩色OLED顯示器極具潛力的全彩色化技術(shù)之一。但它的缺點是光色轉(zhuǎn)換材料容易吸收環(huán)境中的藍光，造成圖像對比度下降，同時光導(dǎo)也會造成畫面質(zhì)量降低的問題。目前掌握此技術(shù)的日本出光興產(chǎn)公司已生產(chǎn)出10英寸的OLED顯示器。

三、彩色濾光膜

此種技術(shù)是利用白光OLED結(jié)合彩色濾光膜，首先制備發(fā)白光OLED的器件，然后通過彩色濾光膜得到三基色，再組合三基色實現(xiàn)彩色顯示。該項技術(shù)的關(guān)鍵在于獲得高效率和高純度的白光。它的制作過程不需要金屬蔭罩對位技術(shù)，可采用成熟的液晶顯示器LCD的彩色濾光膜制作技術(shù)。所以是未來大尺寸全彩色OLED顯示器具有潛力的全彩色化技術(shù)之一，但采用此技術(shù)使透過彩色濾光膜所造成光損失高達三分之二。目前日本TDK公司和美國Kodak公司采用這種方法制作OLED顯示器。

RGB象素獨立發(fā)光，光色轉(zhuǎn)換和彩色濾光膜三種制造OLED顯示器全彩色化技術(shù)，各有優(yōu)缺點。可根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)及有機材料決定。

第六節(jié)、OLED的驅(qū)動方式

OLED的驅(qū)動方式分為主動式驅(qū)動(有源驅(qū)動)和被動式驅(qū)動(無源驅(qū)動)。

一、無源驅(qū)動（PMOLED）

其分為靜態(tài)驅(qū)動電路和動態(tài)驅(qū)動電路。

⑴靜態(tài)驅(qū)動方式：在靜態(tài)驅(qū)動的有機發(fā)光顯示器件上，一般各有機電致發(fā)光像素的陰極是連在一起引出的，各像素的陽極是分立引出的，這就是共陰的連接方式。若要一個像素發(fā)光只要讓恒流源的電壓與陰極的電壓之差大于像素發(fā)光值的前提下，像素將在恒流源的驅(qū)動下發(fā)光，若要一個像素不發(fā)光就將它的陽極接在一個負電壓上，就可將它反向截止。但是在圖像變化比較多時可能出現(xiàn)交叉效應(yīng)，為了避免我們必須采用交流的形式。靜態(tài)驅(qū)動電路一般用于段式顯示屏的驅(qū)動上。

⑵動態(tài)驅(qū)動方式：在動態(tài)驅(qū)動的有機發(fā)光顯示器件上人們把像素的兩個電極做成了矩陣型結(jié)構(gòu)，即水平一組顯示像素的同一性質(zhì)的電極是共享的，縱向一組顯示像素的相同性質(zhì)的另一電極是共享的。如果像素可分為N行和M列，就可有N個行電極和M個列電極。行和列分別對應(yīng)發(fā)光像素的兩個電極。即陰極和陽極。在實際電路驅(qū)動的過程中，要逐行點亮或者要逐列點亮像素，通常采用逐行掃描的方式，行掃描，列電極為數(shù)據(jù)電極。實現(xiàn)方式是：循環(huán)地給每行電極施加脈沖，同時所有列電極給出該行像素的驅(qū)動電流脈沖，從而實現(xiàn)一行所有像素的顯示。該行不再同一行或同一列的像素就加上反向電壓使其不顯示，以避免“交叉效應(yīng)”，這種掃描是逐行順序進行的，掃描所有行所需時間叫做幀周期。

在一幀中每一行的選擇時間是均等的。假設(shè)一幀的掃描行數(shù)為N，掃描一幀的時間為1，那么一行所占有的選擇時間為一幀時間的1/N該值被稱為占空比系數(shù)。在同等電流下，掃描行數(shù)增多將使占空比下降，從而引起有機電致發(fā)光像素上的電流注入在一幀中的有效下降，降低了顯示質(zhì)量。因此隨著顯示像素的增多，為了保證顯示質(zhì)量，就需要適度地提高驅(qū)動電流或采用雙屏電極機構(gòu)以提高占空比系數(shù)。

除了由于電極的公用形成交叉效應(yīng)外，有機電致發(fā)光顯示屏中正負電荷載流子復(fù)合形成發(fā)光的機理使任何兩個發(fā)光像素，只要組成它們結(jié)構(gòu)的任何一種功能膜是直接連接在一起的，那兩個發(fā)光像素之間就可能有相互串擾的現(xiàn)象，即一個像素發(fā)光，另一個像素也可能發(fā)出微弱的光。這種現(xiàn)象主要是因為有機功能薄膜厚度均勻性差，薄膜的橫向絕緣性差造成的。從驅(qū)動的角度，為了減緩這種不利的串擾，采取反向截至法也是一行之有效的方法。

帶灰度控控制的顯示：顯示器的灰度等級是指黑白圖像由黑色到白色之間的亮度層次?；叶鹊燃壴蕉?，圖像從黑到白的層次就越豐富，細節(jié)也就越清晰?；叶葘τ趫D像顯示和彩色化都是一個非常重要的指標。一般用于有灰度顯示的屏多為點陣顯示屏，其驅(qū)動也多為動態(tài)驅(qū)動，實現(xiàn)灰度控制的幾種方法有：控制法、空間灰度調(diào)制、時間灰度調(diào)制。

二、有源驅(qū)動（AMOLED）

有源驅(qū)動的每個像素配備具有開關(guān)功能的低溫多晶硅薄膜晶體管（LowTemperaturePoly-SiThinFilmTransistor,LTP-SiTFT），而且每個像素配備一個電荷存儲電容，外圍驅(qū)動電路和顯示陣列整個系統(tǒng)集成在同一玻璃基板上。與LCD相同的TFT結(jié)構(gòu)，無法用于OLED。這是因為LCD采用電壓驅(qū)動，而OLED卻依賴電流驅(qū)動，其亮度與電流量成正比，因此除了進行ON/OFF切換動作的選址TFT之外，還需要能讓足夠電流通過的導(dǎo)通阻抗較低的小型驅(qū)動TFT。

有源驅(qū)動屬于靜態(tài)驅(qū)動方式，具有存儲效應(yīng)，可進行100%負載驅(qū)動，這種驅(qū)動不受掃描電極數(shù)的限制，可以對各像素獨立進行選擇性調(diào)節(jié)。

有源驅(qū)動無占空比問題，驅(qū)動不受掃描電極數(shù)的限制，易于實現(xiàn)高亮度和高分辨率。

有源驅(qū)動由于可以對亮度的紅色和藍色像素獨立進行灰度調(diào)節(jié)驅(qū)動，這更有利于OLED彩色化實現(xiàn)。

有源矩陣的驅(qū)動電路藏于顯示屏內(nèi)，更易于實現(xiàn)集成度和小型化。另外由于解決了外圍驅(qū)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。

三、主動式與被動式兩者比較

被動式主動式

瞬間高高密度發(fā)光（動態(tài)驅(qū)動/有選擇性）連續(xù)發(fā)光（穩(wěn)態(tài)驅(qū)動）

面板外附加IC芯片TFT驅(qū)動電路設(shè)計/內(nèi)藏薄膜型驅(qū)動IC

線逐步式掃描線逐步式抹寫數(shù)據(jù)

階調(diào)控制容易在TFT基板上形成有機EL畫像素

低成本/高電壓驅(qū)動低電壓驅(qū)動/低耗電能/高成本

設(shè)計變更容易、交貨期短（制造簡單）發(fā)光組件壽命長（制程復(fù)雜）

簡單式矩陣驅(qū)動+OLEDLTPSTFT+OLED