第六章光电子显示技术-6

§6.5电致发光及场致发光器件（OLED）§6.5电致发光及场致发光器件（OLED）1920年德国学者古登和波尔发现，某些物质加上电压后会发光，人们把这种现像称为电致发光或场至发光（EL）。1936年，德斯垂将ZnS荧光粉浸入蓖麻油中，并加上电场，荧光粉便能发出明亮的光。1947年美国学者麦克马斯发明了导电玻璃，多人利用这种玻璃做电极制成了平面光源，但由于当时发光效率很低，还不适合作照明光源，只能勉强作显示器件。70年代后，由于薄膜技术带来的革命，薄膜晶体管（TFT）技术的发展场致发光（EL）在寿命、效率、亮度、存储上的技术有了相当的提高。使得场致发光（EL）成为三在显示技术中最有前途的发展方向之一。场致发光（EL）按激光发过程的不同分为二大类：（1）注入式电致发光：直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合时，以光的形式释放出多余的能量。注入式电致发光的基本结构是结型二极管（LED）；（2）本征型电致发光：又分为高场电致发光与低能电致发光。其中高场电致发光是荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰接发光中心并使其激发或离化，电子在回复到基态时辐射发光。第（二）种器件程类繁多，大致分成：交流粉末电致发光（ACEL）;直流粉末电致发光（DCEL）;交流薄膜电致发光（ACTFEL）;直流薄膜电致发光（DCTFEL）。低能电致发光是指某些高电导荧光粉在低能电子注入时的激励发光现象。6.5.1、高场交流电致发光显示图6.5.1ACEL结构图交流电致发光显示是目前高场电致发光显示的主流。ACEL结构如图6.5.1所示。它是将电致发光粉ZnS:CuCl或（ZnCd）S:CuBr混合在环氧树脂和氰乙基醣的混合物的有机介质中，两端夹有电极，其中一个为透明电极。另一个是真空蒸镀铝或银电极，构成一个EL。实质上，ACEL是大量几微米到几十微米的发光粉状晶体悬浮在绝缘介质中的发光现象，也称德斯垂效应。ACEL所加的电压通常为数百伏。ACEL是晶体内的发光线发光，不是体发光。线发光强度可达3.4×105cd/m2，总体发光亮度约40cd/m2功率转换效率为1/%，寿命约1000小时。高场电致发光的机制存在许多有趣的物理问题，最近仍在不断的探讨，它与EL材料中的电子在高电场下作用下的加速产生热电子，热电子碰撞ZnS格使之离化产生电子空穴对，当电子重新被这些离化的施主和受主俘获时，产生复合发光，也可以通过热电子直接碰撞发光中心发光（如ZnS基质发光材料中的施主-受主对，或掺杂的Mn2+，或一些三价稀土离子），电子空穴对的复合能量也可以直接传递给发光中心而发光。6.5.2、高场薄膜电致发光（TFEL）目前的ACTFEL多采用双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。器件由三层组成，如图6.5.2所示。器件由三层组成，发光层夹在两绝缘层间，起消除漏电流与避免击穿的作用。掺不同杂质则发不同的光，其中掺Mn的发光效率最高，加200V，5000Hz电压时，亮度高达5000cd/m2。ACTFEL具有记忆效应，通常室内光照度下，记忆可维持几分钟，在黑暗中可保持十几个小时。记忆效应可以解释为：脉冲电压产生强电场，使发光层中电子加速。在这些电子穿过发光层时，激发锰发光中心。已穿过发光层的电子便在发光层与绝缘层的界面上积累起来，这些电子在电场移去后仍将留在界面处，于是在发光层两边形成极化电荷。如果下一个脉冲与上一个脉冲同方向，则极化电场将抵消脉冲电压产生的电场的大部分，所以发光亮度变小。反过来，如果下一脉冲方向反转，则极化电场与脉冲电压产生的电场叠加，总电场变大，所以发光亮度增加。利用记忆效效可以制成具有灰度级的记忆板，作为视频显示板用的记忆板能够具有帧储存的能力。图6.5.2ACTFEL结构示意图1金属电极；2绝缘层；3发光层；4绝缘层；5透明电极；玻璃衬底ACTFEL优点是寿命长（大于2万小时），亮度高，工作温度宽（-55℃~+125℃），缺点是只有掺Mn的发光效率高，且为橙黄色，对全色显示要求三基色研制高效的发光材料是当今研究的课题。EL器件目前已被应用在背光源照明上，在汽车、飞机及其他设备仪器仪表、手机、手表、电子钟、LCD模块、笔记本电脑显示器等方面获得应用。也作为交通安全标志，公司标志，出口通道等发光指示牌上的发光显示器件。6.5.3、OLED图6.5.3柯达L633数码相机显示屏有机发光显示器（OLED）又称有机EL，是以有机薄膜作为发光体的自发光显示器件。它是固体自发光器件，可适应恶劣工作环境；它响应时间短、发光效率高、视角宽、对比度高；它可在5V~10V的低电压下工作，功耗低，工艺简单；制造成本低、有机发光材料众多、覆盖发光光谱从红外到紫外，适合全彩色显示；价廉、易于大规模生产；OLED的生产更近似于精细化工产品，可在塑料、树脂等不同的材质上生产，产品的机械性能好，不仅可以制造出笔记本电脑、台式机适用的显示器，还有可能创造出墙壁大小的屏幕、可以弯曲折叠的屏幕。人们预言，随着规模量产的到来，OLED可以比LCD成本低20%。图6.5.4可以卷起来的显示器图6.5.5典型双异质结结构OLED已成为当今超薄、大面积平板显示器件研究的热门。1963年Pope发表了世界上第一篇有关OLED的文献，当时使用数百伏电压，加在有机芳香族Anthracene（葸）晶体上时，观察到发光现象。但由于电压过高，发光效率低，未得到重视。直到1987年伊士曼柯达公司的C.W.Tang及SteveVanSlyke等人发明以真空蒸镀法制成多层式结构的的OLED器件后，研究开发才活越起来。同年，英国剑桥大学开文迪施实验室的JeremyBurroughes证明高分子有机聚合物也有电致发光效应。1990年英国剑桥大学的Friend等人成功的开发出以涂布方式将多分子应用在OLED上，即Polymer（多聚物，聚和物）LED，亦称PLED。不但再次引发第二次研究热潮，更确立了OLED在二十一世纪产业中所占的重要地位。目前正进入产业化阶段。OLED在材料与技术专利部分主要有两大阵营，分别为小分子及高分子材料。目前OLED量产的产品有90%以上为被动式单色或多彩小尺寸显示器，应用市场主要为手机、PDA、手持游戏机和数字相机等。若从技术及市场发展趋势来看，OLED将会往主动式、全彩和大尺寸发展，进而直接威胁TFT-LCD和PDP等平面显示器的市场。一、OLED器件的发光机制OLED的基本原理为：加入一外加偏压，使电子空穴分别经过空穴传输层与电子传输层后，进入一具有发光特性的有机物质，在其内部发生复合，激励出一个激子，再将能量释放出来回到基态，而这些释放出来的能量中，通常由于发光材料的选择及电子自旋的特性，只有25%（单重态到基态）的能量可以用来当作OLED的发光，其余75%（三重态到基态）的能量以磷光或热的形式回归到基态。选择不同的发光材料（带隙不同）可得到不同颜色的发光。图6.5.5所示的典型多层OLED结构，发光过程为：载流子注入是通过阴极和阳极注入到电极内侧有机功能薄膜层，载流子分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移，电子和空穴在发光层中相，相互束缚而形成激子（Exciton），激发态能量通过辐射跃迁到基态。由于OLED属有机分子为主的非晶半导体器件，而无机发光器件（EL）则是以原子为主。OELD的特性主要来自其分子之作用力而EL是来自其原子之作用力。有机分子是共价键化合物，因其电子被局域化，故通导性不佳。然而有一类有机分子因其具有π—电子，而在适当组合下，这些π—电子不会被局域化，而其键结是以单、双键方式交互形成，故此类分子称为共轭分子，而其特性因π—电子能够在其共轭π—轨道上移动，故具有导通性。利用此类单体分子便能聚合产生“共轭聚合物”。最早的共轭聚合物即为聚乙烯，其具有高导度。有机半导体因其导电程度介于导体与半导体之间，故其应用范围也非常广，多用于电磁波遮蔽体、抗静电涂布等。而应用其掺杂及去掺杂之行为，发展了充电式电池、智能电变色窗、太阳电池、光存储、非线性光学器件等。当前最热门的应用则是OLED。二、OLED器件的分类一般说来，OLED显示器依驱动方式分为被动式和主动式两类。其电路原理如图6.5.6所示。被动式无源矩阵主动式有源矩阵图6.5.6主、被动式OLED电原理图被动式适合用在小尺寸的面板，因为其瞬间亮度与阴极扫瞄列数成正比，所以需要在高脉冲电流下操作，会使像素的寿命缩短。且因为扫描的关系也使其分辨率受限制，因其成本低廉、工艺简单，适用于低信息量的显示，如字符显示。主动式与被动式特性相反，成本较昂贵、制造较复杂，它在面板上增加了一层电子底板，每个像素通过在电子底板上相应的薄膜晶体管和电容器来进行独立的寻址。即每个像素可连续与独立驱动，并可记忆驱动信号，不需在高脉冲电流下操作，效率较高，寿命也可延长，适用于大尺寸、高分辨率之高信息容量的全彩化OLED显示产品。