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材料器件推进OLED技术发展

导读: OLED应用前景广阔 有机发光显示技术(OLED)是双载流子注入型的显示器,与传统的显示技术相比具有超轻、超薄、广视角、高清晰、耐低温、抗震性能好等一系列优点。因此,有机发光显示技术(OLED)在近20年时间内取得了长足的进步,各种高性能、长寿命的有机发光材料和器件不断问世。

OLED应用前景广阔

有机发光显示技术(OLED)是双载流子注入型的显示器,与传统的显示技术相比具有超轻、超薄、广视角、高清晰、耐低温、抗震性能好等一系列优点。因此,有机发光显示技术(OLED)在近20年时间内取得了长足的进步,各种高性能、长寿命的有机发光材料和器件不断问世。

有机发光显示技术的进展使得OLED显示器快速进入了商业化。1997年,日本先锋公司率先推出第一个商品化车载文字信息OLED接收装置。如今,色彩丰富的彩色OLED显示器已经广泛地应用于MP3、手机等领域,日本、韩国和我国台湾已有多个厂家建立了大规模量产线。OLED产品的对比度可以达到10000∶1,厚度可以低于0.8毫米,视角接近180°,在图像显示状态下,平均功耗低于同尺寸TFT-LCD显示器产品。

随着有机发光显示技术的进一步发展,信息量更加丰富的有源驱动OLED显示器、柔软的OLED显示屏以及可用于照明的OLED光源将在不久的未来给我们创造更加丰富多彩的世界。

OLED具有十分广阔的应用前景。在显示领域,OLED不仅可以用于手机、MP3/ MP4、数码相机、GPS、PDA、3G通信终端、壁挂电视、台式和笔记本电脑、家电、工业仪表等民用产品领域。OLED更是一种理想的显示器,有着更加广泛的应用前景。

与此同时,OLED是目前所有显示技术中,唯一可制作大尺寸、高亮度、高分辨率软屏的显示技术,器件的厚度只有两层塑料片厚。届时,幕布式电视、可卷曲携带的电子报纸等“梦幻般的显示器”将逐渐成为现实。

在照明领域,OLED不仅可以用作室内外通用照明、背光源、装饰照明等领域,甚至可以制备富有艺术性的柔性发光墙纸、可单色或彩色发光的窗户、可穿戴的发光警示牌等梦幻般的产品。

器件效率改善几十倍

作为时尚产品的MP3和手机对其显示屏有以下要求:轻薄、小巧;高对比度;低驱动电压;宽温度范围;快速响应;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。OLED性能的提高也为其产业化应用创造了必备条件,从1987年~2006年,OLED器件效率改善了几十倍。

目前,产业化实现OLED的彩色化有两种方式:一种是RGB三发光像素获得彩色显示;另一种是白光OLED+滤色片实现彩色显示。

RGB方式实现的彩色显示器的色纯度、效率和寿命主要取决于有机材料和器件结构。近年来,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,在2005-2006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,寿命提高了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使得OLED器件的性能也随之改善和提高。

通过滤色片实现彩色化是液晶领域常用的技术方案,OLED同样可以利用该技术实现彩色化,其效率和寿命主要取决于白光OLED性能,可以通过材料的改进、器件结构的设计实现。由于荧光材料具有很好的稳定性,被更广泛的应用在该领域。日本出光兴产在横滨举办的“FPD International 2006论坛”会上宣布,通过组合最新的蓝、绿、红三色荧光型OLED材料,可确保白光发光长达7万个小时,同时发光效率高达16cd/A。

纵观OLED发展可知,OLED是一个充满生机的新兴产业。OLED材料和器件的技术仍然在飞速发展,OLED技术也在不断改进,大尺寸、高品质的OLED产品必将随着材料和器件技术进一步发展而逐渐进入人们的日常家居生活。

OLED技术标准至关重要

随着高科技领域技术竞争的日益激烈,技术标准对国家发展的意义变得越来越重要。如何在标准制定中实现产业利益的最大化,是必须认真考虑的问题。

中国OLED国家标准的制定工作始于2002年,在研的标准项目有《有机发光二极管显示器名词和术语标准》和《有机发光二极管显示器测试方法标准》两项。根据国家标准化管理委员会[2002]41号文件下达的编制任务,该两项标准均由清华大学、维信诺公司承担其制定工作。截至2006年11月,《有机发光二极管显示器名词和术语标准》已经通过报批,《有机发光二极管显示器测试方法标准》也计划在2007年初修订后通过报批。

2002年底,国际OLED标准的制定工作积极展开。国际电工委员会平板显示器标准化工作组(IEC/TC110)在2002年第63届IEC年会上,正式成立有机发光显示器标准化项目组(OLED-G,后在2005年9月荷兰会议上更改为WG05)。

TC110/WG05工作组成立至今,已经开始立项和制定的OLED标准共有5项。分别为PT62341-1-2(名词和术语)、PT62341-1-1(一般性总规范)、PT62341-6(光学及光电参数测试方法)、PT62341-5(环境和机械耐久性实验测试方法)、PT62341-6-2(图像质量测试方法),前三个标准计划在2008年进入发布阶段。清华大学和维信诺公司代表中国参与并负责62341-6光学及光电参数测试方法标准的制定工作。

OLED未来应用不断升级

有源驱动OLED(AM-OLED)

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(PM-OLED)和有源矩阵OLED显示器(AM-OLED)。这两种方法所用OLED结构相同,但对每个单元的寻址方式各异。

对于PM-OLED而言,像素只是在控制器寻址到其所在的行时才被点亮,所以电流占空因素反比于行数,而峰值电流则正比于行数,被观察到的亮度正比于帧间隔内电流的时间积分。由于占空数随着行数的增加而减少,PM-OLED必定存在发光区域面积的限制,因而不适于制备大尺寸的显示器件。在AM-OLED中,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是一样的,因此不会受到显示器行数的限制,可以获取更多的显示信息,制备大面积的显示器。PM-OLED和AM-OLED虽然寻址方式不同,但原材料、器件、工艺等方面都是一致的,随着前期PM-OLED技术的积累,AM-OLED逐渐成为研究和发展的重点。

韩国三星电子在IMID 2006大展中,向世人展示了2.4英寸QVGA分辨率的AM-OLED手机屏产品。这块AM-OLED屏幕,色数为1600万,亮度是200 cd/m2,对比度高达10000∶1。与此同时,这块屏幕的耗电量却只有245mW,并能够达到31000小时的理论寿命。在SID2006上,三星电子又报道了14.1英寸的WXGA的AM-OLED显示器,证明利用有源驱动技术可以实现大面积显示。

OLED柔软显示器(FOLED)

使用塑料或金属片等柔软基板代替硬邦邦的玻璃基板,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,能够满足未来显示需要。因而,柔性显示器成为近年来的研究热点,OLED以其独有的特性为这个目标的实现带来了极大希望,这也被认为是OLED的最大优势所在。

由于OLED对于水、氧非常敏感,寻找适合FOLED要求的封装方法是其发展的首要因素。Vitex公司利用聚合物无机材料交替复合薄膜阻隔水、氧,具有很好的效果,其开发的软屏基板产品具有与玻璃相媲美的阻隔水、氧能力。2003年,UDC公司率先利用该基板和封装技术制备了600 cd/m2的初始亮度下,实际工作寿命超过3000小时的实验片。根据计算,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。

除了封装技术的差别,实现柔软点阵屏的另一个重要原因在于软屏显示器制备中涉及工艺问题。聚合物基板只能承受100℃以下的加工温度,在高温状况下容易变形,这使得软屏所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,软屏中如果采用柔韧性相对较差的金属材料作为阴极结构,在驱动过程中容易产生新的缺陷。杜邦帝人公司改进基板性能,使得聚合物基板的热稳定性提高到180℃~220℃,并改善了机械性能。日本先锋公司于2004年率先推出了彩色的柔软显示器。利用金属基板的热稳定性也有利于实现彩色化,在2006SID会议上,UDC和三星公司展示了利用聚合物无机交替复合薄膜封装技术,制备在金属基板上的OLED柔软显示器。

OLED照明光源

照明要消耗大量的能源,目前最为常用的两种传统白光光源是白炽灯和荧光管,但这两种光源的效率都不高,需要开发性能更优的白光光源。预计白光OLED的能量效率将在2008年超过60lm/W,到2015年则要超过100lm/W,并同时拥有很高的亮度和寿命,可以用于取代室内和室外的传统光源。因而成为OLED研究的热点之一,并得到了迅速的发展。

有机磷光材料能够同时利用单线态和三线态的全部激子,实现理论上100%内量子效率,获得高效率器件,成为光源产品研究的重点。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,器件在3000 cd/m2的初始亮度下,亮度半衰期为5000小时,电流效率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,最大外量子效率达到18.7%,流明效率达到37.6lm/W,染色指数为85。2006年7月,柯尼卡美能达技术中心开发成功了1000cd/m2初始亮度下,发光效率64lm/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,一直为磷光材料瓶颈的蓝光材料实现了长寿命和高效率。

另一种实现高效率的白光OLED器件的方法是制作叠层结构。Kido认为,含有N个结构单元的白光OLED的亮度可以达到单个OLED的N倍,进而大幅提高器件的效率。

技术背景

OLED技术历史

早在20世纪60年代,Pope等人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,但由于当时获得的亮度和效率均不理想,而未获得广泛的关注。

1987年,美国柯达公司邓青云博士等报道了以真空蒸镀法制作出含电子空穴传输层的多层器件,获得了亮度大于1000cd/m2、效率超过1.5 lm/W、驱动电压小于10V的发光器件。这种器件具有轻薄、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。这种器件的基本原理是:在外电压驱动下,由电极注入的电子和空穴分别经过电子传输层和空穴传输层进入发光层,复合而释放出能量,并将能量传递给有机发光物质的分子,使其受到激发,从基态跃迁到激发态,受激分子从激发态回到基态时辐射跃迁而产生发光现象。

1990年,英国剑桥大学Cavendish研究室的R. H. Friend等人以旋涂的方法将聚合物材料聚对苯撑乙烯作为发光材料制备发光器件,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年曹镛等人报道的柔性OLED显示屏和1994年Kido等人制备的白光OLED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等将磷光材料掺入发光层,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。2003年,Novaled公司制备了PIN结构的磷光器件,在提高发光效率的同时增强了电荷的注入能力,使得器件的效率大幅提高。 

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