显示技术基础11OLED器件制备工艺与工作特性

显示技术基础办公室：E-mail:[e-mail]课程介绍•本课程为光电信息工程专业的学科专业平台必修课程。通过本课程的学习，其作用和任务是使学生掌握几类平板显示技术（PDP、OLED、EL、FED等）的基本原理以及相关的光、电设计原理。本课程重点介绍图像信息的平板显示技术及其在各个领域中的应用。课程内容安排•第一章绪论（显示技术总体应用及发展进展）•第二章阴极射线管及图像质量•第三章平板信息显示器件•3.1PDP显示技术•3.2OLED显示技术•3.3无机EL显示技术•3.4FED显示技术•第四章大屏幕临场感显示•4.1投影显示（CRT投影）•4.2三维显示教材：•《液晶与平板显示技术》，作者：高鸿锦，北京邮电大学出版社，第1版2007参考书：•1、《平板显示技术》应根裕胡文波邱勇，人民邮电出版社2002年10月•2、《光电显示技术》张兴义，北京理工大学出版社1995•3、《显示技术与显示器件》彭国贤，人民邮电出版社1981参考资料：•搜索引擎（Google、baidu）•台湾各高校网络资源•陕西科技大学等离子体课件•麻省理工OLED课件OLED显示技术—OLED器件制备工艺与工作特性•1.OLED制备工艺•2.PLED制备工艺•3.OLED工作特性有机发光二极管制备工艺•OLED器件的发光效率和稳定性、器件的成品率乃至器件的成本等都要受到工艺技术的控制•有机发光二极管工艺技术的发展对产业化进程尤为重要•制备工艺可分为小分子有机发光二极管OLED工艺技术，和聚合物发光二极管PLED工艺技术两大类•小分子OLED通常用蒸镀方法或干法制备，PLED一般用溶液方法或湿法制备OLED器件的典型结构及制作工艺流程有机发光二极管制备工艺1.小分子OLED制造工艺OLED制备过程中的关键技术•ITO基片的清洗和预处理•阴极隔离柱制备•有机功能薄膜和金属电极的制备•彩色化技术•封装技术ProcessofPassiveOLEDGlassITOGlassITOInsulatorRibOrganicLayoutCathodeCathodeOrganicLayoutGlassITOMetalorGlassCanInsulatorRibPassivationLayerUVResin•Fulllayersofcathode,anode,organicmolecules•ThinFilmTransistormatrix(TFT)ontopofanode–Internalcircuitrytodeterminewhichpixelstoturnon/off•LesspowerconsumedthanPMOLED–UsedforlargerdisplaysActive-MatrixOLED(AMOLED)（1）基片的清洗和预处理•OLED对ITO的要求:表面洁净；表面平整；功函数较高•有机层与ITO之间界面对发光性能的影响至关重要，ITO玻璃在使用前必须仔细清洗，目的是除去表面上物理附着的污物和化学附着的有机物等。•污染物通常分为四类：①有形颗粒，如尘埃；②有机物质，如油脂和涂料；③无机物质，如碱、盐和锈斑；④微生物机体•清除基片表面污染物的方法：化学清洗法、超生波清洗法、真空烘烤法及离子轰击法ITO基板清洗化学清洗法清洗剂：乙醇、丙酮、氯仿、四氯化碳等。作用：去除油、润滑脂、脂肪及其它有机污染物。超声波清洗作用：去除不溶性污物。真空烘烤法方法：在真空室（真空度为10-4Pa）中，将基片加热至200C。作用：去除基片表面吸附的气体和杂质。（1）基片的清洗和预处理超声波清洗法•超声波清洗是利用超声波技术，使水和溶剂发生振动，清洗表面复杂的附着物而且不损伤基片的一种清洗方法。目前，超声波清洗广泛应用于OLED器件制作的前清洗工艺当中。•超声波的基本原理是空化作用：存在于液体内的微气泡（空化核）在声场的作用下振动，在声压达到一定值时，气泡迅速增大然后突然闭合，在气泡闭合时产生激波，在其周围产生上千个大气压，破坏不溶性污染物而使它们分散于溶液中，使表面得以净化。•一般超声波清洗所使用的频率为15~50KHz（例如28KHz、38KHz），适合于基板附着有机物的清洗。采用高频率（1MHz以上）的超声波清洗主要是为了清洗亚微米（0.1μm）以下的污染物。（1）基片的清洗和预处理原理：由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质，使液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体中的微小气泡（空化气泡）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子即脱离，从而达到清洗件表面净化的目的。超声波清洗器的工作原理紫外光清洗法1h（254nm）离子游离态原子受激分子中性分子CO2、N2、H2O2185h（nm）1h+O2O3+OO2+OO3h为普朗克常数γ为紫外线光子1h+有机污染CO2、N2、H2O1hO2+O1h1h+O3紫外光（UV）清洗的工作原理是利用紫外光对有机物质所起的光敏氧化作用以达到清洗粘附在物体表面上的有机化合物的目的。紫外光清洗一方面能够避免由于使用有机溶剂造成的污染，同时能够将清洗过程缩短。在实际应用中，通常是利用一种能产生两种波长紫外光的低压水银灯（这种紫外光灯能够产生波长为254nm和波长为185nm的紫外光）。（1）基片的清洗和预处理ITO表面处理工艺目的：ITO的不均匀性将导致有机层不均匀，从而易形成局部强电场引起OLED中黑斑的产生。平整的ITO表面场强均匀，减小短路的危险，提高OLED的稳定性。早在1987年，邓青云就指出，在沉积有机层之前，ITO表面必须进行仔细的清洗，否则不能得到稳定的OLED器件。（1）基片的清洗和预处理ITO基片处理ITOForLCDITOForOLED（1）基片的清洗和预处理ITO膜表面形态对OLED器件的性能:粗糙的ITO膜表面将使光线产生漫反射,减小出射光效率,降低OLED的外量子效率。OLED加电压时,粗糙表面会影响OLED的内电场分布。ITO表面的尖峰将导致局部高电场,高电场将使激子解离成为正负载流子,致使发光强度降低;而且高电场将加速有机材料的恶化,以至降低OLED的稳定性。（1）基片的清洗和预处理ITO膜是有机物膜进行淀积的基底,ITO膜的表面形态将影响有机膜的成膜的吸附性、内应力和结晶度。由于粗糙的表面将不利于有机分子之间内聚形成晶体,因而粗糙的表面易于形成不定形结构的有机物薄膜。对于不定形结构的有机物来说,结晶有机物的出现将增加电子与晶格碰撞的可能性,这将降低OLED器件的发光效率和能量效率。•常用的ITO薄膜表面预处理方法：化学方法（酸碱处理）和物理方法（O2等离子体处理、惰性气体溅射）（1）基片的清洗和预处理•酸碱处理固体表面的结构和组成都与内部不同，处于表面的原子或离子表现为配位上的不饱和性，这是由于形成固体表面时被切断的化学键造成的。正是由于这一原因，固体表面极易吸附外来原子，使表面产生污染。因环境空气中存在大量水份，所以水是固体表面最常见的污染物。由于金属氧化物表面被切断的化学键为离子键或强极性键，易与极性很强的水分子结合，因此，绝大多数金属氧化物的清洁表面，都是被水吸附污染了的。在多数情况下，水在金属氧化物表面最终解离吸附生成OH-及H+，其吸附中心分别为表面金属离子以及氧离子。根据酸碱理论，M+是酸中心，O-是碱中心，此时水解离吸附是在一对酸碱中心进行的。在对ITO表面的水进行解离之后，再使用酸碱处理ITO金属氧化物表面时，酸中的H+、碱中的OH-分别被碱中心和酸中心吸附，形成一层偶极层，因而改变了ITO表面的功函数。（1）基片的清洗和预处理•等离子体处理等离子体的作用通常是改变表面粗糙度和提高功函数。研究发现，等离子作用对表面粗糙度的影响不大，只能使ITO的均方根粗糙度从1.8nm降到1.6nm，但对功函数的影响却较大。用等离子体处理提高功函数的方法也不尽相同。氧等离子处理是通过补充ITO表面的氧空位来提高表面氧含量的。（1）基片的清洗和预处理（２）阴极隔离柱技术•为了实现无源矩阵OLED的高分辨率和彩色化，更好地解决阴极模板分辨率低和器件成品率低等问题，人们在研究中引入了阴极隔离柱结构。•即在器件制备中不使用金属模板，而是在蒸镀有机薄膜和金属阴极之前，在基板上制作绝缘的间壁，最终实现将器件的不同像素隔开，实现像素阵列•在隔离柱制备中，广泛采用了绝缘的无机材料（如氮化硅，碳化硅、氧化硅）、有机聚合物材料（如PI、聚四氟乙烯等）和光刻胶等材料•目前采用有机绝缘材料和光刻胶的OLED隔离柱制备工艺比较成熟。隔离柱的形状是隔离效果关键。倒梯形隔离柱结构绝缘缓冲层来解决同一像素间的短路问题，同时使用倒立梯形的隔离柱来解决相邻像素间的短路问题•隔离柱的基本制作方法：•（１）在透明基片上旋涂第一层光敏有机绝缘材料，厚度为0.5~5μm，一般为光敏型PI、前烘后曝光，曝光图形为网状结构或条状结构，线条的宽度由显示分辨率即像素之间间隔决定，显影后线宽为10~50μm，然后进行后烘。•（２）在有机绝缘材料上旋涂第二层光敏型有机绝缘材料，膜厚为0.5~5μm，一般为光刻后线条横截面能形成上大下小倒梯形形状的光刻胶中的一种，一般为负型光刻胶，前烘后对第二层有机绝缘体材料进行曝光，曝光图形为直线条，显影后的线宽为5~45μm有机薄膜的制备工艺步骤（３）有机薄膜或金属电极的制备小分子OLED器件通常采用真空蒸镀法制备有机薄膜和金属电极（３）有机薄膜或金属电极的制备•小分子OLED器件通常采用真空蒸镀法制备有机薄膜和金属电极，其具体操作过程是在真空中加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流，入射到固体衬底或基片的表面形成固态薄膜•该过程如果真空度太低，有机分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到严重污染，甚至被氧化烧毁；此条件下沉积的金属往往没有光泽，表面粗糙，得不到均匀连续的薄膜•理论计算，为了保证镀膜质量，当蒸发源到基片距离为25cm时，必须保证气压低于3×10-3Pa有机薄膜的制备采用真空蒸镀法沉积成膜。包括以下三个基本过程：①加热蒸发过程②气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输送③蒸发原子或分子在基片表面上的沉积过程（３）有机薄膜或金属电极的制备基本步骤：放置材料于束源→抽取真空→通电加热蒸发→成膜真空热蒸镀技术的三大缺点:1，环境要求高。工艺流程必须在真空室中进行，要求紧邻玻璃底板放置一块遮光板，用以确定底板上沉积材料的图样。2，制作大尺寸困难。真空热蒸镀技术在生产小屏时，相对容易，但制造大屏幕时则困难重重。遮光板，极易受工艺流程中的高温环境影响而发生偏移，导致很难在大尺寸底板上保持均匀的沉积率。3，成本过高。流程复杂、环境特殊、良品率低等因素，造成现阶段OLED屏的售价居高不下。有机薄膜厚度优化05101502000400060008000HIL-5HIL-1HIL-2HIL-3Brightnesscd.m-2Voltage/V0100200300400500250300350400450500550Brightness/cd.m-2Time/hrHIL-2HIL-3HIL-4有机薄膜沉积速率优化0.00.20.40.60.80.40.60.81.01.21.4发光效率/lm.W-1沉积速率/nm.s-10.00.20.40.60.80.00.51.01.52.0流明效率/lm.W-1沉积速率/nm.s-1HTL-1EML-1有机薄膜沉积速率优化(a)0.02nm/s(b)0.09nm/s(c)0.24nm/s(d)1.33nm/s有机薄膜沉积速率优化0500100015002503003504004505005501.0A/s0.5A/s2.0A/sBrightness/cd.m-2Time/hrHTL-2染料掺