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OLED技术和产业发展情况

导读: 新型有机发光显示技术日益成为显示领域的研究热点,由于具有超轻超薄、低驱动电压、自主发光、宽视角、快速响应、可实现柔软显示等诸多优点,相关技术和产业均发展迅速。彩色化、柔软显示、大尺寸和白光光源已逐渐成为有机发光显示器技术发展的主流方向

万博泉 吴空物 高裕弟 (北京维信诺科技有限公司) 现代显示,中国半导体照明网

摘要:新型有机发光显示技术日益成为显示领域的研究热点,由于具有超轻超薄、低驱动电压、自主发光、宽视角、快速响应、可实现柔软显示等诸多优点,相关技术和产业均发展迅速。彩色化、柔软显示、大尺寸和白光光源已逐渐成为有机发光显示器技术发展的主流方向。

关键词:有机发光;材料和器件;显示和照明

1 引言
早在20世纪60年代, Popo等人 [1] 首次报道了蒽单晶的电致发光现象,揭开了有机发光器件研究的序幕。1987年,美国柯达公 司邓青云 博士等人 [2] 报道了高效有机发光显示器件(OLED),以具有良好成膜性的三芳胺衍生物和 3-(8- 羟基喹啉 ) 铝(Alq3)分别作为空穴传输层和发光兼电子传输层,获得了亮度大于1,000cd/m2 、效率大于1.5lm/W 、驱动电压小于10V的发光器件。这种器件具有超轻超薄、低驱动电压、自主发光、宽视角、快速响应等优点,因此得到了广泛的关注。

1990年,英国剑桥大学Cavendish研究室的R.H. Friend等人 [3] 以聚对苯撑乙烯(PPV)作为发光材料制备了发光器件,开创了聚合物在有机发光领域的应用。这项研究进一步促进了有机发光显示器件的研究,应用更加广泛、性能更加优越的器件报道不断涌现。 1993年曹镛等人制备的柔性OLED显示屏和Kido等人制备的白光显示器件均具有开创性的意义。

有机发光领域中另一个开创性的工作是有机磷光发光器件的出现。 1998 年,普林斯顿大学的Forrest等人 [4] 将磷光材料八乙基卟啉铂( PtOEP )掺入发光层,获得外量子效率 5 %的器件。这项研究证明 OLED 可突破内量子效率 25 %的限制,使得有机发光器件的效率有望大幅提高。据统计,从 1987 年到 2005 年,器件效率改善了几十倍。

伴随着有机发光材料和器件技术的不断成熟, OLED 逐步进入各个显示领域。 1997 年,日本东北先锋公司推出了 OLED 车载显示器,使得有机显示屏首次进入商业化领域。时至今日,已有韩国三星和 LG 、日本东北先锋和索尼、台湾铼宝和悠景等十多家公司完成了 OLED 量产线的建设,并具备了批量生产和提供 OLED 产品的能力。 OLED 产品在 MP3 和手机副屏产品领域获得了应用和认可。市调机构 Display Search 针对全球 OLED 产业指出, 2005 年全球 OLED 面板出货量达 6300 万片,相较于 2004 年增长幅度高达 96% ,产值规模达 5.3 亿美金,较 2004 年增长 31% ,并预估 2006 年 OLED 出货量可提升至 8300 万片,较 2005 年增长 32% 。国务院颁布的 " 国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2006-2020 年) " 中明确指出以 " 开发有机发光显示、场致发射显示、激光显示等各种平板和投影显示技术,建立平板显示材料与器件产业链 " 为优先主题。我国已有多家单位从事 OLED 的研究开发工作,并获得 973 、 863 等多方面的支持。维信诺科技、五粮液集团、 TCL 等企业已介入产业化或产业化研究。

随着OLED商业化的不断进展,OLED技术的发展趋势也更加明朗。一个主要方向是高性能的彩色化 OLED产品,高色纯度、长寿命和高解析度为重点的研究内容;第二个方向是有源矩阵OLED显示器( AMOLED ),这种驱动方式的显示器与无源矩阵OLED显示器( PMOLED )相比能量效率更高,而且能够实现大尺寸显示;另一个方向是 OLED 在照明光源领域的应用,随着OLED各项性能的不断提高, OLED 用于照明光源成为可能,因而受到科学界和产业界越来越多的关注;除此之外,塑料等柔性材料作基板的柔性OLED显示器(FOLED)也具有无可替代的优点,并成为一个重点的研究方向。

2 高性能彩色化OLED
近年来,包括摩托罗拉和 NEC 在内的多款手机和 MP3 均应用了 OLED 显示屏。作为时尚产品的 MP3 和手机对其显示屏有以下要求:1)轻薄、小巧;2 )高对比度;3)低驱动电压;4)宽温度范围;5)快速响应;6 ) 丰富的色彩。以上要求都是OLED所具备的,因此 OLED 在这些领域具有广阔的应用前景。

从表1可以看出,OLED产品由于其快速响应的优势,在诸如数码相机、 DVD播放器、彩电等产品领域具有较高的竞争力;超轻超薄的技术特点也将使其在智能卡、头盔显示器、手机、PDA和笔记本电脑显示屏等领域具有广泛的应用空间。但由于产品寿命方面的原因,OLED目前还只能应用于MP3和手机等时尚用品上。


表 1 不同应用市场对显示产品寿命尧响应速度和重量厚度的需求比较


表 2 出光材料 2005 年和 2006 年有机材料性能数据对比

彩色OLED的色纯度和寿命性能主要取决于有机材料和器件结构。近期,有机材料的发光颜色、效率和寿命已得到了很大提高。

以日本出光公司的材料为例(见表 2 ),在2005年~ 2006年一年的时间内,红、绿、蓝三色材料的色坐标、效率和寿命都取得了飞速的进展。红光材料的效率提高了接近3倍,效率提高了20倍;绿光材料的寿命提高了3倍;蓝光寿命也提高了70% 。这些材料技术的进展都使得OLED器件的性能也随之改善和提高。随着OLED寿命的不断突破,OLED必将逐步进入更多的产品领域。

3 有源矩阵OLED显示器AMOLED
构成OLED像素阵列的方法基本上有两种,即无源矩阵OLED显示器( PMOLED)和有源矩阵OLED显示器( AMOLED )。这两种方法所用的OLED 结构相同,但每个单元的寻址方式不同。

对于PMOLED而言,像素只在控制器寻址到其所在的行时才被点亮,所以电流占空比反比于行数,峰值电流正比于行数,被观察到的亮度正比于每帧间隔内电流的时间积分。由于占空比随着行数的增加而减少, PMOLED 必定存在发光区域面积的限制,不适于制备大尺寸的显示器件。 AMOLED 显示器利用每个像素的薄膜晶体管( TFT )在帧间隔持续时间内获得驱动信号。在一帧之内,峰值电流和平均电流一致,不会受到显示器行数的限制,可以制备大面积的显示器,并且能耗更低。

AMOLED的发展主要取决于 TFT 在 OLED 中的应用。在 SID2005 会议中,三星 SDI 公司 [5] 介绍了全彩的 17in UXGA ( 118ppi )的 AMOLED 显示器。他们以低温多晶硅( LTPS ) -TFT 为 AMOLED HDTVs 的基板,介绍了不同的 LTPS 晶化方法,包括激态分子激光猝灭( ELA )、连续侧向固化( SLS )、固相晶化( SPC )、金属导向晶化( MIC )、金属导向侧向晶化( MILC )、超颗粒硅( SGS )等,用不同的晶化方法得到的 LTPS-TFT 具有不同的特性(如表 3 )。


表3 不同的晶化方法得到的 LTPS-TFT 的特性

在KES2005上, 三星SDI公布了2.0in的QVGA AMOLED以及2.65in的VGA AMOLED,并宣称将在2006年首先量产2.0in 、可用于手机主屏的AMOLED产品。

除LTPS-TFT外,一些非晶硅TFT( a-Si TFT )[6] 和有机薄膜晶体管( OTFT )[7] 也被用于 AMOLED 的驱动。

4 用于照明的OLED
随着OLED技术的不断提高,OLED在照明光源领域也受到越来越多人的关注。以平面发光为特点的OLED与其它光源相比具有高效、环保、安全等优点,可以使用在更广泛的地方。

高效率、长寿命的白光器件是 OLED 在照明光源领域发展的重点。磷光材料由于具有高效特征,因此在白光照明领域被广泛看好。

2005年的SID会议上,日本丰田自动织机展示了一种采用荧光与磷光材料的 " 混合型 " 的白色OLED光源,引进了高效率红光和绿光磷光材料。此白色OLED光源器件在3000cd/m2 的初始亮度下,亮度半衰期为5000小时,电流效率也比全荧光材料的白光器件提高了 50% 左右。 2006年4月NATURE上报道了S.R.Forrest等人 [8] 采用三发光中心白光器件结构,发光染料分别为蓝色荧光染料、绿色磷光染料和红色磷光染料。采用的器件结构为 ITO/NPD/5% BCzVbi:CBP/CBP/4% PqIr:CBP/5%Irppy:CBP/CBP/5%BCzVbi:CBP/ETL/LiF/Al ,最大外量子效率达到18.7% ,流明效率达到37.6lm/W ,在500cd/m2条件下, 效率仍能维持在18.4% ,23.8lm/W ,演色指数为85 。 2006 年 7 月,柯尼卡美能达技术中心成功开发了1000cd/m2初始亮度下,发光效率64 lm/W 、亮度半衰期约10000小时的OLED白色发光元件。该器件采用的发光材料均为磷光材料,且一直为磷光材料瓶颈的蓝光材料实现了长寿命和高发光效率,在 300cd/m2初始亮度下,实现了16000小时的亮度半衰期。

近年来,欧美各国在OLED照明领域投入相对大的资金。美国的GE 、 UDC 、Osrem公司获得了美国政府的项目支持,开发OLED照明技术,美国能源部在OLED照明光源技术发展规划中指出: 2007年,用于照明的白光OLED效率将达到50lm/W 、寿命超过5000小时;2012年,其效率将达到150 lm/W 、寿命超过10000小时,制作成本也会大幅下降。欧洲20多家从事有机发光材料和器件的顶级公司和研究机构获得欧盟信息社会技术资助,共同参与 " 用于信息通讯技术与照明设备的高亮度有机发光二极管项目 " ,该项目宣布的目标是2008年延长OLED光源的寿命到10000小时,并达到50lm/W的效率。

5 柔性OLED显示器FOLED
使用塑料或金属片等柔软基板代替硬梆梆的玻璃基板,可以制备弯曲的显示器。与普通的硬屏显示器相比,柔性显示器具有诸多优点:耐冲击,抗震能力更强;重量轻、体积小,携带更加方便;采用类似于报纸印刷工艺的卷带式工艺,成本更加低廉等等。目前,用于柔性显示的器件有 TFT-LCD 、CSTN-LCD电子纸、OLED等。

OLED相比其它柔性显示器具有更多优点:它是自发光显示,相应速度快、视角宽;由有机材料制备,弯曲能力强等。因此在显示效果好的便携产品和军事等特殊领域有非常广泛的应用。

由于OLED对于水、氧非常敏感,如何避免这两种气氛对器件的影响是FOLED发展的首要因素。研究表明OLED要求水汽的渗透能力在10-5g /m2/day 以下,但传统的金属或玻璃封装盖会影响器件的弯曲能力,不适合柔性器件的封装,如何避免水、氧对器件的影响是FOLED发展的主要课题。

Vitex 公司利用聚合物无机材料交替复合薄膜(PML)阻隔水氧,具有比较好的效果,其开发的软屏基板产品具有与玻璃相媲美的阻隔效果(如表 4)。日本先锋公司计算,利用这种技术封装的器件,在 1000cd/m2 的起始亮度下,最长寿命可超过5000小时[9] 。


表 4 Vitex 产品的水汽阻隔效果和表面 ITO 电阻

除了封装技术的差别之外,软屏点阵屏在寿命上同硬屏器件的寿命存在明显差别的一个重要原因,还在于软屏显示器制备中涉及的绝缘层、隔离柱材料都需要 180 ℃ 左右的烘烤温度,才能将该类光固化胶中的水分和其他杂质有效去除。而 PET 软屏基板则只能承受 100 ℃ 以下的加工温度,否则在高温状况下容易变形。这使得软屏需要的低温制备工艺同绝缘层、隔离柱高温固化工艺存在一定冲突。此外,软屏中仍然需要柔韧性相对差出很多的金属材料作为阴极结构,也使得软屏在驱动过程中容易产生新的缺陷。

UDC 公司与 Vitex 公司有着密切的合作,在软屏 OLED 领域处于相对领先的地位。 2003 年该公司制备了单色的软屏器件,在 600cd/m2 的起始亮度下的寿命超过 2 , 500 小时 [10] 。该公司又在 2006 SID 上展示了 6in 的彩色柔性显示器件。

6 结束语

在技术发展方面,针对高性能彩屏、有源驱动、照明光源及柔软显示技术在材料性能和器件性能的不断改善下,进一步向前发展。 OLED 寿命的不断突破,将引导 OLED 产品逐步进入更加宽阔的市场,根据 DisplaySearch 统计, 2006 年全球 OLED 市场总产值将达 5.8 亿美元,较 2005 年增加 10% 。 2007 年在 AMOLED 产品快速增长下, OLED 产值将增至 12 亿美元, 较 2006 年增长一倍。特别是在 AMOLED 技术方面,三星 SDI 、三星电子、精工 - 爱普生、日立 (Hitachi Display) ,以及台湾的铼宝、友达、统宝、奇美电子等公司量产技术日渐成熟,预期 2007 年将会是 AMOLED 市场快速成长的一年。

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