一篇OLED的基础介绍性文章,入门使用

有机电致发光显示器件华嘉光电技术有限公司姚华文名称•日本称之为OELD（organicelectroluminesenceDisplay）•美国称之为OLED（organiclightemittingdiode）性能优异的OLED大视角平板结构可携带性主要内容•1．发展历史•2．器件分类•3．基本结构•4.OLED材料及发光机理•5.OLED电流驱动方式•6.有机电致发光的理论及计算•7．获得彩色显示板的方法•8.无源矩阵驱动方式•9.有源矩阵驱动方式•10．OLED的制造工艺•11．存在问题及进展概况1．发展历史[1]1936年，Destriau将有机荧光化合物分散在聚合物中制成薄膜，得到最早的电致发光器件。[2]20世纪50年代，A.Bernanose等人在蒽单晶片的两侧加上400V的直流电压观测到发光现象，单晶厚10µm～20µm[3]1963年M.Pope等人也获得了蒽单晶的电致发光[4]70年代宾夕法尼亚大学的Heeger探索了合成金属[5]1987年Kodak公司的邓青云首次研制出具有实用价值的低驱动电压（10V，1000cd/m2）有机EL器件（Alq作为发光层）。[6]1990年，Burroughes及其合作者研究成功第一个高分子EL（PLED）(PPV作为发光层)2．器件分类•OLED有以下两种分类方法：!第一，按照组件所使用的载流子传输层和发光层有机薄膜材料的不同，OLED可区分为小分子基OLED和高分子基OLED（PLED）两种不同的技术类型!第二，与LCD类似，目前OLED显示屏的驱动方式也分为无源（被动矩阵）与有源（主动矩阵）两种驱动方式。无源OLED类似液晶显示中的TN/STN的驱动方式。有源OLED类似于TFT－LCD的显示驱动方式。四种不同的器件结构单层结构双层结构（SH－A）双层结构（SH－B）三层结构（DH）阴极阴极阴极ETL阴极EMLETLEMLEMLHTLEMLHTLITOITOITOITO玻璃衬底玻璃衬底玻璃衬底玻璃衬底三种类型的有机电致发光器件三种类型的有机电致发光器件+-+-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-+-+ITOHTLEML&ETLMg/AgITOEML&HTETLMg/AgITOHTLEMLETLMg/Ag普通OLED面板的结构HoletransportinglayerLightAnodeEmittinglayerElectrontransportinglayerCathode全色有机电致发光器件结构图(1)注入层•理想阴极是以低功函数金属作为注入层，以具有较高功函数的稳定金属（Mg/Ag,Li/Al）作为钝化层。•阳极是由透明或半透明导体制成的。ITO玻璃表面电阻很容易在80Ω/以下。理想的OLED需要表面粗糙度小的高质量玻璃基片。(2)输运层•电子输运材料（ETM）：荧光染料化合物。必须热稳定和表面稳定，有机金属络合物具有足够的热稳定性。为了保证有效的电子注入，ETM的LUMO能级（分子最低空轨道）应与阴极的功函数相匹配。Alq被广泛用于绿光EL，Balq和DPVBi则被广泛应用于蓝光EL。•空穴输运材料（HTM）属于一类芳香胺化合物。必须热稳定性要好。绝大多数HTM用的是TPD（Tg＝60°C），最稳定的器件采用NPB（Tg＝100°C）。(3)发光层•由在荧光基质材料中掺杂百分之几的荧光掺杂剂来制备。基质材料通常与ETM或HTM采用的材料相同，荧光掺杂剂是热和光化学稳定的激光染料。荧光染料必须具有较高的量子效率和足够的热稳定性，升华而不会分解。芘作为蓝光发射层的掺杂剂MQA作为绿光发射层的掺杂剂红荧烯为黄光发射层的掺杂剂DCM为橙红色光发射层的掺杂剂。4.OLED材料及发光机理•根据发光材料的不同，OLED可以分成三类，即：–小分子OLED–聚合物OLED（也被称之为PLED）–镧系有机金属OLED（也叫稀土OLED）。小分子基OLED和PLED的比较低单价、量大的产品高单价、高附加值产品适用领域材料合成、纯化以及彩色化较困难，研发和产业化步伐相对较慢设备成本较高、对于水分的耐受性不佳、蒸镀效率低易造成材料浪费、热稳定性与机械性质较差、驱动电压较高劣势设备成本较低、组件构造相对简单、耐热性较佳容易彩色化、工艺控制较容易且稳定、材料合成与纯化较为容易优势可高于20lm/W可高于15lm/W发光效率旋转涂布法或喷墨打印真空热蒸镀制膜工艺PPV及其衍生物、FluoreneHomopolymers、MEH－PPV、PPP、Copolymers、Polythiophenes、PolyquinoxalinesAlq、Beq2、DPVBi、Amine、Balq、PVK、TAZ、Zn(ODZ)2主要发光材料PLED小分子基OLEDOLED和PLED发光机理T1PhosphorescenceAbsorptionFluorescenceIntersystemcrossingInternalconversionS2S1S0012电致发光材料中能量传递：Jablonskienergyleveldiagram有机小分子的发光机理•从阴极注入电子,从阳极注入空穴,被注入的电子和空穴在有机层内传输。HTL的作用是传输空穴和阻挡电子,使得没有与空穴复合的电子不能进入正电极,被注入的电子和空穴在有机层内传输,并在发光层内复合,从而激发发光层分子产生单态激子,单态激子辐射衰减而发光。有机聚合物的发光机理•在电场的作用下,将空穴和电子分别注入到共轭高分子的最高占有轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO),于是就会产生正、负极子,极子在聚合物链段上转移,最后复合形成单态激子,单态激子辐射衰减而发光。也有人认为•,电致发光机理属于注入式发光,在正向偏压的作用下,ITO电极向电荷传输层注入空穴,在电场的作用下向传输层界面移动,而由阴极注入的电子也由电子传输层向界面移动,由于势垒的作用,电子不易进入电荷传输层,而在界面附近的发光层(Alq)一侧积累。由于激子产生的几率与电子和空穴浓度的乘积成正比,在空穴进入Alq层后与电子界面处结合而产生激子的几率很大,因而几乎所有的激子都是在界面处与Alq层一侧很狭窄的区域(约36nm)内产生。因而发光不仅仅是在Alq层,而且主要在电子/空穴传输层的界面。稀土OLED组成和发光机理稀土OLED能级图ExcitedsingletExcitedtripletLanthanideoractinateexcitedstatesTrappedstatesLathanidefluorescenceLigandfluorescenceLigandphosphorescenceGroundstatesingletRadiativeabsorptionRadiativeemission(fluorescence)Non-radiativeemission5.OLED的驱动方式•OLED的驱动方式就电压极性而言,可分为直流驱动和交流驱动。•在正向直流驱动时（ITO接正极）空穴和电子的传输方向是固定不变的,其中未参与复合的多余空穴(或电子),或者积累在HTL/EML(EML/ETL)界面,或者越过势垒流入电极。•对于交流驱动时,正半周的发光机制与正向直流驱动完全一样,但是交流驱动的负半周却起着十分重要的作用。即在正半周电压过后，HTL/EML(或EML/STL)界面处积累了未复合的多余空穴(或电子),当负半周电压来到时,这些多余空穴和电子则改变运动方向,朝着相反的方向运动,相对地消耗了这些多余的电子和空穴,从而削弱了由正半周的多余载流子在OLED内部形成的内建电场,进一步增强了下一个正半周的载流子注入及复合,最终有利于提高复合效率。另外,负半周的反向偏压处理可以“烧断(Burnout)”某些局部导通的微观小通道“细丝(Filaments)”,这种细丝实际上是由某种“针孔”引起的,针孔的消除对于延长器件的使用寿命是相当重要的。由此可见,交流驱动更适合于OLED的发光机制。6.有机电致发光的理论及计算•I.功率•II.器件效率•III.平衡注入•IV.器件寿命I.功率－电流密度)()89(32dVeMJ=e——电荷常数M——载流子迁移率V——薄膜两端的电压OLED的功率与电流有如下关系mVJP⋅=m2，具有很强的温度依赖性II.器件效率•效率极限：25.0≤=erFELηηχϕϕχ——单线态激子的产生几率；由于自旋多重性，荧光的比率为1/4。ϕF——表示单线态激子的辐射跃迁几率；可达100％ηr——发光层内电子与空穴的复合几率；可达100％ηe——光子从器件中的逃逸几率；只有10％～20％III.平衡注入•1．利用多层异质结构和有机材料主要传输单一载流子的性质，使电子空穴在分立的输运层中，异质阻挡层起聚集电子（或空穴）的作用，并将复合和激子扩散限制在一定范围内。一般来说，电子是少子，将不同的空穴输运层组合起来可实现阶梯注入可进一步改善器件性能。•2．通过降低荧光产额换取电荷载流子的适当迁移率，可得到平衡注入，并可降低工作电压。IV．器件寿命!寿命：在器件维持一恒定电流的条件下，测量从初始亮度下降到一半亮度的时间。!对寿命进行比较的最佳量值是亮度和半亮度寿命的乘积。!对于实际应用目的，跟LCD背光源有机EL发光板总是处于工作状态相比，显示颜色为黑色的像素却是不发光的；因此，有机EL显示器的寿命则可更长。7．获得彩色显示板的方法白色发光层加滤色片。这是获得全色显示最简单的方法，它是在研发LCD和CCD时形成的一种成熟的滤色片技术。采用红绿兰三种EL发光材料，因此发光层为三层结构。采用兰色EL发光材料，及光致发光的颜色转换材料获得全色显示。除兰色外，再由兰色光通过激发光致发光材料分别获得绿色和红色光。I.白色发光层加滤色片BluefilterRedfilterGreenfilterwhiteITOBGRII.采用红绿兰三种EL发光材料ThickMg/AgElectrode1(reflector)TopOLEDSputteredITOElectrode2MiddleTOLEDThinMg/AgElectrode3(Partialreflector/absorber)BottomTOLEDITOElectrode4SubstrateGRBIII.光致发光的颜色转换G→RB→GBB→GBBSubstrateRGB8.无源矩阵驱动方式原理图有机薄膜电致发光矩阵显示器的整机原理方框图微处理器控制单元耦合电路行扫描行驱动控制器列驱动EL平面时钟数据行同步列同步双扫描无源矩阵OLED的驱动电路复合彩色信号移位寄存器NTSC解码器PLL信号控制器移位寄存器取样保持电路电压－电流变换器ICs电源驱动ICs电压电流变换器ICs取样－保持电路列驱动器列驱动器显示板（320×3×240）AFC行驱动器9.有源矩阵驱动方式•OLED高分辨率上有相当程度的困难，若无法及时解决，将丧失在移动电话手机逐鹿的最佳机会。•TFT驱动技术在彩色有机电致发光显示器件的改进应用，将克服简单阵列驱动的局限，使得彩色有机电致发光显示的分辨率和显示屏尺寸都将会有很大的提高，为彩色有机电致发光显示器件向高清晰度、大尺寸化方向发展奠定了基础。•LTPS所提供的TFT主动矩阵驱动以及驱动电路和TFT可同时整合制造，恰可维持轻薄化优势情形下并解决上述分辨率的问题。•有机EL的发展需要低温多晶硅强化其驱动电路。主被动驱动OLED比较被动主动1.制作简单1.制作复杂2.开口率高2.开口率低3.易串线3.不串线4.低亮度,高功耗4.高亮度,低功耗5.小尺寸(5英寸)5.大中小尺寸6.少像素6.多像素,7.低成本7.高成本主动驱动OLED现有的一些AMOLEDTFT设计1.Toppoly公司的4T1CAMOLEDTFT2.AUO公司TWOTFT3.美国专利Toppoly公司的4T1CAMOLEDTFTDataScanCsOLEDVddAUO公司的TwoTFTpixeldesign