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OLED显示技术近期进展及赶超机遇

导读: 新型有机发光显示技术拥有诸多优势,而成为平板显示领域的研究热点。目前,大尺寸、彩色化、白光光源和柔性显示等已成为有机发光显示器技术发展的主流方向。

 作者:北京维信诺科技有限公司 万博泉

摘要: 新型有机发光显示技术拥有诸多优势,而成为平板显示领域的研究热点。目前,大尺寸、彩色化、白光光源和柔性显示等已成为有机发光显示器技术发展的主流方向。

关键词: OLED;有机材料;平板显示器;柔性显示
 

    伴随着有机发光材料和器件技术的不断成熟,有机发光二极管(OLED)显示器逐步进入各个显示领域。1997年,Pioneer公司首次推出了单色OLED车载音响,使得有机显示屏首次进入商业领域。时至今日,韩国Samsung和LG、日本Pioneer和SONY、台湾铼宝和悠景等十多家公司建设了OLED量产线,实现了批量生产和销售。今年在美国举办的2007SID(信息显示协会)展会上,许多公司纷纷展出了各种应用领域的OLED显示屏,涉及电视、MP3、手机、车载、白光光源、可弯曲标价牌等,展品的颜色丰富细腻,亮度、对比度、解析度等都达到了历史新高,表明OLED在大尺寸、全彩色化、照明、柔性显示等技术和产业化方面的长足进步。

  近期OLED显示技术的进展

  OLED是双载流子注入型显示器。对OLED的研究工作始于1960年代,1963年Pope报道了蒽单晶片在400V电压的作用下的发光现象。直到1987年C. W. Tang[2]等人首次采用双层器件结构得到了高性能的OLED后,OLED技术才引起各国专家的极大关注。特别是最近10年里,OLED技术取得了显著的进展,从2英寸的产品到40英寸的样品均在陆续推出。

  与液晶显示器(LCD)相比,OLED具有全固态、自发光、宽视角、高清晰、高亮度、高对比度、高响应速度、超薄、低成本、低功耗、耐低温、抗震、可实现柔性显示和双面显示等特点,被认为是理想和有潜力的下一代平板显示技术。

  OLED按照所采用有机发光材料的不同,可分为:小分子OLED(基于小分子有机发光材料)和高分子OLED(基于共轭高分子有机发光材料,简称PLED)。美国柯达与英国剑桥显示技术公司分别为小分子OLED和PLED的先行者,拥有80%以上的专利。

  OLED按照驱动方式的不同,还分为有源矩阵驱动(AMOLED)和无源矩阵驱动(PMOLED)。PMOLED技术比较成熟,已在小尺寸OLED产品中大量采用,但是该技术受到扫描行数的限制,不可能用于大尺寸显示。目前,大尺寸AMOLED驱动技术还不成熟,成品率低,仍处于研发阶段。

  从长远来看,OLED未来的发展必将沿着小尺寸-超大尺寸、单色-彩色、无源-有源、硬屏-软屏的方向发展,最理想的OLED显示器应该是OTFT AMOLED。现阶段OLED技术研究的热点主要有:

  有机发光材料

  有机化合物的丰富多彩为材料的设计和选择提供了广阔的天地。可以说,有机材料的不断进步是推动OLED技术进步的重要原因之一。

  OLED发光材料按照发光激子的种类可分为荧光材料和磷光材料两种。目前,荧光材料方面,性能最高的是日本出光兴产的材料。红光效率达到了11cd/A,寿命高达16万小时;绿光效率达到30cd/A,寿命为6万小时;正在开发中的高效率、长寿命蓝光材料BD-2 (0.13, 0.22),效率为8.7 cd/A,寿命2.3万小时。磷光材料方面,UDC公司开发的红光材料色坐标为(0.67,0.33),效率达到15cd/A,500 cd/m2下工作寿命超过15万小时;绿光材料色坐标为(0.34,0.61),效率达到65cd/A,初始亮度为1000 cd/m2时,寿命超过4万小时;最难得到的蓝色磷光材料效率达到了30cd/A,在200 cd/m2的初始亮度下,寿命达到了10万小时。

  总体上讲,OLED红、绿、蓝三色材料的发光效率和发光寿命均基本满足实用化需求。红色磷光材料在色纯度上优于红色荧光材料,但绿光和蓝光在色纯度上还有待进一步提高。获得高色纯度、长寿命的蓝色磷光材料,仍然是富有挑战性的难题。而且对发光材料的研究而言,新三色发光材料的开发和器件色纯度、发光效率、寿命的进一步提高依然是今后一段时间内的重要工作。

  彩色化技术

  目前提高彩色化产品的成品率和寿命是彩色化研究的重点。OLED彩色化实现的方法主要有三基色发光法、彩色滤光片法和色转换法。三基色发光法直接用三基色材料蒸镀形成RGB三像素,发光亮度最高,技术比较成熟,是目前彩色化常用的工艺方法,但蒸镀对位困难,需要三次蒸镀发光材料,导致效率降低,且三基色材料的寿命不一致,会影响显示屏的整体寿命。彩色滤光片法是将白光透过类似LCD的彩色滤光片来达到全彩效果,这种全彩方法的最大优点是可应用LCD的彩色滤光片技术,且蒸镀简单效率高,采用该技术关键在于白光有机材料的色域稳定性、发光效率、寿命以及彩色滤光膜的制造成本。色转换法是以蓝光材料为发光源,通过色转换层转变成红光和绿光,目前色转换层的制备技术还没有完全解决。 

 

      大尺寸技术的研究

  大尺寸显示最能发挥OLED高亮度、高对比度、宽视角、高响应速度等技术性能方面的优势,开发大尺寸技术已成为OLED今后发展的方向。自2003年以来,SONY、Samsung、Sanyo、Epson、Philips、奇美、LPL等公司相继开发了13~ 40英寸的OLED样品,Samsung开发的17英寸LTPS-AMOLED显示屏达到UXGA(1600×1200)分辨率、亮度400 cd/m2。三星投资4.5亿美元建设了一条4代AMOLED生产线,预计年内量产、销售中小尺寸AMOLED产品。

  最近大尺寸AMOLED技术又有了新的突破,最引人注目的是SONY公司在2007 CES(国际消费电子展)上展出的两款OLED高清电视产品,其中一款的尺寸为27英寸、分辨率1920×1080、10亿色、厚度仅10 mm。另一款尺寸为11英寸、分辨率1024×600、1670万色、厚度仅为3 mm。两款电视的对比度都达到了100万:1,亮度最高达到了600cd/m2,色域都超出了NTSC规范。SONY表示今年年内将量产和销售11英寸产品。这两款OLED采用的彩色化技术是RGB三基色发光方案,使用小分子发光材料。为实现1920×1080分辨率,SONY采用了LIPS激光转印法来制备红、绿、蓝发光材料薄膜。由于不再使用荫罩,LIPS能够防止此前一直妨碍大型面板制造的荫罩变形所导致的图案精度降低。SONY表示,激光工艺是一种趋于成熟的、可靠性高的方法。另外,通过采用并排多束激光枪结构,还可加快薄膜制备的速度,提高生产效率。此次SONY新工艺的意义在于从制造方法方面为大尺寸定下了目标。另外,还着眼于生产效率的提高,确定了开发的重心。

  大尺寸OLED的研究涉及基板技术、薄膜制备工艺和封装技术等各方面,而最为关键的技术则是有源矩阵(AMOLED)技术。无源矩阵OLED(PMOLED)和有源矩阵OLED (AMOLED)所用的OLED结构相同,但每个单元的寻址方式不同。PMOLED的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。AMOLED驱动技术有三个研发方向:一是改进传统的非晶硅技术(a-Si TFT),二是开发载流子迁移率高的低温多晶硅技术(LTPS TFT),三是开发有机薄膜晶体管(OTFT)。

  LTPS TFT拥有较高的载流子迁移率,这对电流驱动型的OLED器件来说是非常有利的,然而制备技术还不成熟,成品率还很低。传统的准分子激光晶化法非常昂贵,而且目前最大的LTPS基板只能做到第4代,器件性能上亮度还不均匀。日前,柯达开发了一种GMC的补偿技术,将其应用到LTPS TFT驱动的3英寸OLED面板上,宣称这一技术使得AMOLED多年以来的难题―TFT开态电流误差引起的亮度不均得到了彻底解决。

  a-Si TFT可以延续液晶的技术,工艺简单、成熟、成本低廉,且可以利用现有的液晶生产设备,基板尺寸可以做到5代线以上,但用于驱动OLED则存在迁移率低、器件性能稳定性差等缺点。从发展趋势看,a-Si可能适合大尺寸显示,LTPS则可能适合中小尺寸显示。

  另外OTFT技术采用有机材料代替硅,适合于软屏制备,相对于硅薄膜晶体管,OTFT的工艺要简单得多。但是OTFT技术还处于基础研究阶段。

  OLED照明技术

  与其它照明光源相比,以平面发光为特点的OLED具有更容易实现白光、超薄光源和任意形状光源的优点,同时具有高效、环保、安全等优势。因此,白光OLED作为一种新型的固态光源,在照明和平板显示背光源等方面展示了良好的应用前景。市场调研公司NanoMarkets预测,使用OLED的照明市场的产值规模在2014年将扩大至10亿美元。目前,高效率、长寿命的白光器件的研究是OLED在照明领域发展的重点。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。

  2006年7月,Konica Minolta技术中心成功开发了在1000 cd/m2初始亮度下,发光效率64 lm/W,亮度半衰期约1万小时的白光OLED器件。该器件采用的发光材料均是磷光材料,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300 cd/m2初始亮度下,实现了1.6万小时的亮度半衰期。2007 SID展会上,日本出光兴业报道的白光器件效率达到约16.8 lm/W,寿命超过了4万小时。
  该白光器件采用的发光材料为荧光材料,是目前效率最高的荧光白光OLED。

  白光OLED的发展目标,是成为真正的低成本、高效率、长寿命的平板白光光源。在过去十多年的研究工作中,白光OLED在效率和寿命方面都取得了长足的进步,但距实用化和商品化还有一定的距离。白光OLED面临的挑战是提高器件在高电流工作状态下的效率和寿命。新材料和新结构的开发和使用有望解决这两方面的困难。近年来,欧美各国在OLED照明领域投入相对大的资金。GE、UDC、Osram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50 lm/W、寿命超过5000小时;2012年,其效率将达到150 lm/W、寿命超过1万小时、制作成本也会大幅下降。

  柔性显示

  柔性OLED显示是显示技术领域的最热门的研究课题之一。OLED相比其它柔性显示器具有更多优点:它是自发光显示、响应速度快、视角宽,由有机材料制备,弯曲能力强等。因此对显示效果要求高的便携产品和军事等特殊领域有非常广泛的应用。

  柔性显示需要解决的主要问题是电极层以及有机层的附着性能、基板的气密性、封装和驱动技术。目前,已有CDT、UDC、Samsung、Pioneer、SONY和我国清华大学等试制了高分子和小分子OLED软屏样品,有源驱动技术和薄膜封装技术的应用也极大地丰富了柔性显示的色彩和延长了OLED的寿命。在2007 SID展会上,SONY公司首次推出了TFT驱动的2.5英寸柔性OLED样品,实现了约1670万色的全彩显示,像素尺寸为318 μm见方,精细度为80 ppi,实现了最高的精细度。

  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柔性OLED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不适合柔性器件的封装,如何避免水、氧对器件的影响是柔性OLED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,其开发的软屏基板产品具有与玻璃相媲美的阻隔效果(见表2)。日本先锋公司计算,利用这种技术封装的器件,在1000 cd/m2的起始亮度下,最长寿命可超过5000小时。不过现阶段由于OLED软屏的封装技术还远未成熟,因此柔性OLED显示技术还处于基础研究阶段。

  我国内地的研发单位和企业敏锐地捕捉到了这次机会,投入了大量的人力、物力和财力,取得了很好的研究成果。目前我国大陆在OLED研发和产业化方面所取得的成就主要有:

  清华大学开发出非掺杂体系的红色荧光主体材料,色坐标为(0.65, 0.35),初始亮度1000 cd/m2下寿命超过1.5万小时;吉林大学率先开展了三线态磷光材料的性能研究;中科院长春应化所设计合成的绿光、红光和蓝光铱配合物的磷光材料,发光效率分别达到了57.9 cd/A(57.4 lm/W)、50.0 cd/A(45.2 lm/W)和16.2 cd/A(14.0 lm/W),达到先进水平;华南理工大学率先采用喷墨和旋涂新工艺研制出全彩色高分子发光示屏,像素96×(3)×64;长春光机物理所与维信诺公司合作开发了a-Si OLED的320×240点阵彩屏;南开大学采用金属诱导技术、吉林彩晶采用激光退火技术研发了2英寸p-Si 160×128点阵彩屏;南开大学与香港科技大学合作开发了金属诱导的5英寸p-Si 320×234点阵彩屏;北京京东方公司进行了2英寸a-Si 176×220点阵AMOLED的开发。

  产业方面,目前维信诺公司正在昆山建设国内第一条PMOLED生产线,基板尺寸为370mm×470mm;信利半导体开发出可在短时间内测试OLED寿命、判断生产工艺稳定性的OLED 寿命测试方法;上海广电电子公司目前基本完成了OLED关键技术的研究和生产技术的集成,实现了OLED屏及模块的小量生产和销售,开发了3.5英寸的全彩LTPS TFT-OLED,亮度达到250 cd/m2;吉林环宇公司与荷兰OTB公司签定了两条PLED生产线设备的购买合同,计划生产1.1英寸(PM)和2.6英寸(AM)两款全彩色PLED显示屏,生产能力600万片/年。

  结语

  OLED技术正处于一个发展与调整的关键时期,目前面临的状况类似于90年代上半期的TFT-LCD。TFT-LCD技术70年代末开始研制,但是由于TFT基板制造及彩色化生产技术没能完全突破,产品迟迟进入不了市场。日本参与TFT的企业处于全面亏损状态,当时只有夏普等极少数公司坚持将TFT-LCD搞下去,并最终取得了成功,90年代末,日本的TFT-LCD企业开始大幅度获利,进而推动了全球TFT-LCD产业的大发展。韩国、中国台湾地区90年代中期才开始进入TFT-LCD产业,但他们摒弃了日本厂商的保守观念,在引进日本技术的基础上抓住机遇,大胆创新、大胆投入,最终超过了日本对手。

  OLED目前正处于产业化技术完全突破的前期,在LCD的打压下,市场进入速度减缓,大部分企业处于亏损状态,许多企业退出竞争。但是以Samsung、SONY为首的一批有远见的企业却正在抓住机遇,加大研发和投入的力度,使OLED市场出现了明显的转机。我们应该学习韩国及台湾的经验,我国OLED技术与国外差距不大,并拥有自己的知识产权,产业化已经起步,这是我们在平板显示领域赶超世界先进水平的一个很好的机会,如果我们能抓住这个机遇、快速发展,就能在不久的将来成为OLED强国。

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