（光学工程专业论文）透明oled器件及全彩pmoleds显示系统的研究.pdf

摘要 摘要 有机发光二极管( o r g a n i cl i g h t e m i t t i n gd i o d e ，o l e d ) 或称有机电致发光器件， 由于具有自发光、响应快、全固态、宽视角、超薄、耐高低温等优点，在平板显 示技术领域是目前国内外研究的热点之一。 本论文在透明o l e d 器件的制备、无源矩阵o l e d s ( p a s s i v em a t r i xo l e d s ， p m o l e d s ) 屏和全彩高分辨率p m o l e d s 显示系统的研究、掺杂型绿色器件的结 构优化和工艺方面进行了一系列的探索性和创新性的工作，具体包括： 1 使用低功函数和高稳定性的六硼化镧( l a b 6 ) 材料作为透明阴极，制作 了l a b 6 胤q 3 n p d a u 和i t o t p d a l q 3 l a b 6 两种o l e d 器件。l a b 6 薄膜是使用 电子束蒸镀工艺来制备的，当l a b 6 薄膜厚度1 8 0 0 k 时，薄膜透过率约为7 0 ， 方阻约为3 5 d u 。l a b 6 a i q 3 n p d a u 器件发光面为l a b 6 阴极，开启电压大约为 2 4 v ，器件的最大电流效率为2 4 6 c d a ，此时对应的驱动电压为2 6 v 。在驱动电 压1 5 v 时，电致发光光谱峰值波长为5 3 4 n m ，色度坐标为( 0 2 8 7 ，0 6 5 2 ) 。 i t o t p d a l q 3 l a b 6 为透明o l e d 器件，器件的开启电压大约为2 8 v ，1 7 v 时器 件亮度可达5 6 5 0 c d m 2 。电压5 0 v 时得到最大电流效率4 3 6 c d a 。l a b 6 阴极一侧 的发光光谱与i t o 阳极一侧相比，峰值波长红移了约8 n m ，部分原因可能是微腔 效应。 2 采用矩阵网络分析方法，建立了p m o l e d s 屏的简化和准确等效电路，可 系统、简化地分析p m o l e d s 屏的交叉串扰现象，如o l e d s 具有良好的整流特性， 采用逐行寻址驱动技术时，交叉串扰影响较小。仿真计算了o l e d s 行、列电极 的电压降，因为o l e d s 是电流型器件，必须采用恒流源驱动，如用恒压源驱动， 在行、列电极上产生的电压降将会严重影响图象亮度的均匀性。建立了计算 p m o l e d s 功耗的数学模型，模型表明采用双屏驱动的o l e d s 与单屏相比，随着 屏的尺寸的增加，器件的功耗可得到显著的降低。制作了两个绿色小分子无源矩 阵o l e d s ，器件的尺寸为2 5 ，分辨率为1 2 8 6 4 。测试结果验证了功耗模型， 当二者工作亮度均为10 0 c d m 2 时，采用双屏驱动的o l e d s 的功耗比单屏的降低 了2 5 。 3 利用a u t o c a d 软件包设计了1 2 8 1 6 0 高分辨率全彩o l e d s 屏的基板、 摘要 以及与基板配套的4 张光掩模、2 张机械掩模图案以及f p c 和c o f 。 4 、利用分立元件设计了全彩p m o l e d s 屏的驱动电路，驱动电路采用了预充 电技术，首先用一电压源对o l e d 的寄生电容充电将其电压充到启亮电压附近， 再用一程控电流源驱动o l e d 使之发光，r 、g 、b 三色o l e d 像素的预充电电 压分别被设定为3 0 v 、2 0 v 和2 9 v ；设计了全彩p m o l e d s 屏的显示系统，显 示系统使用d v i 接1 2 1 将显示数据从微机传输到f p g a 进行数据处理，f p g a 将1 8 位的显示数据和时钟信号传输给驱动电路。o l e d s 屏能实现2 6 2 1 4 4 种颜色。当 屏平均工作亮度为4 0 c d m 2 时，寿命预计超过5 0 0 0 小时，功耗约为3 0 0 m w 。 5 研究了两种不同空穴材料( 2 t n a t a 和c u p e ) 对掺杂型o l e d 器件性能 的影响。器件的电流一电压亮度关系的测试结果，两种器件在低电压情况下 ( 5 7 v ) ，电极和有机层为欧姆接触；而在较大的电压情况下，满足陷阱电荷 限制传导机制。测试结果表明作为空穴注入材料，2 - t n a t a 的性能优于c u p c ， 以2 - t n a t a 为空穴注入层，研究了其厚度对器件光电性能的影响。结果表明， 当2 - t n a t a 厚度为3 5 r i m 时，器件的性能最优。当驱动电压分别为1 3 v 时，器 件的亮度和电流效率分别为3 2 8 0 耐、1 3 7 7 c d a 。在有机发光器件中的微腔效 应并没有对器件的发光光谱带来很大的影响，因此基本可以忽略。 6 研究了绿色荧光染料c 5 4 5 t 掺杂在a l q 3 发光层对o l e d 器件性能的影 响，并优化了掺杂浓度。当c 5 4 5 t 掺杂浓度为1 5 叭时，器件的效率最高；当 掺杂浓度大于1 5 科时，有较明显的浓度猝灭现象。外加电压1 9 5 v 时，器件 的亮度达到了1 0 6 5 0 c d m 2 ，最大电流效率为6 1 6 c d a 。c 5 4 5 t 掺杂对器件的发光 光谱影响较大，掺杂1 0w t 和2 5w t 的峰值波长差为2 6 n m ，有明显的红移现 象。 关键词；有机发光二极管，透明o l e d ，无源矩阵，驱动技术，空穴注入层。掺 杂 i i a b s t r a c t a b s t r a c t o r g a n i cl i g h t e m i t t i n gd i o d e ( o l e d ) i sa l s on a m e da so 玛a m ce l e c t r o l u m i n e s c e n c e d e v i c e t h eo l e dt e c h n o l o g yd e v e l o p sv e r yq u i c k l yb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s ，s u c h 嬲s e l f - e m i s s i o n , f a s tr e s p o n s e ，f u l ls o l i dd e v i c e ，l a r g ef i e w i n ga n g l e ，u l t r a - t h i n s t r u c t u r e ，a n dw i d e t e m p e r a t u r eo p e r a t i n gr a n g e ， 1 t w ok i n d so fo l e dw i t hl a n t h a n u mh e x a b o r i d e s ( l a b 6 ) a st r a n s p a r e n tc a t h o d e w e r ef a b r i c a t e d n i es t r u c t u r e so ft w ok i n d so fo l e da l el a b r a q a n p d a ua n d i t o t p d a l q 3 l a b 6 r e s p e c t i v e l y l a b 6f i l m , w i t l lt r a n s p a r e n c yo f 一7 0 a n ds h e e t r e s i s t a n c eo f3 5 d ow h e nt h et h i c k n e s so ff i l mi sa b o u t18 0 0 a , w a sp r e p a r e db yt h e e l e c t r o n s - b e a me v a p o r a t i o n t u r n o nv o l t a g eo fl a b 6 a l q a n p d a ui s2 4 va n d m a x i m u mc u r r e n te f f i c i e n c yi s2 4 6 c d aa t2 6 v p e a kw a v e l e n g t ho fe ls p e c t r u mi s 5 3 4 n ma t15 va n dc h r o m a t i c i t yc o o r d i n a t e si s ( 0 2 8 7 ，0 6 5 2 ) t h ed e v i c ew i t ht h e s t r u c t u r eo fi t o t p d a l q 3 l a b 6i sat r a n s p a r e n to l e d ，w h o s et u r r l - o nv o l t a g ei s2 8 v m a x i m u mc u r r e n te f f i c i e n c yi s4 3 6 c d aa t5 0 va n dl u m i n a n c er e a c h5 6 5 0 c d m 2a t17 v c o m p a r e dt ot h ep e a kw a v e l e n g t ho fs p e c t r ae m i t t e df r o ma n o d e ，t h ep e a ko fs p e c t r a e m i t t e df r o ml a b 6t r a n s p a r e n tc a t h o d es h i f t s 一8 r m at ol o n g e rw a v e l e n g t h , d u ei np a r tt o m i c r o c a v ee f f e c t 2 as y s t e m a t i ca n dn u m e r i c a la n a l y s i so ft h es i m p l ee q u i v a l e n ta n de x a c te q u i v a l e n t c i r c u i to fp m o l e d sw a s p r e s e n t e d ，a n dt h ec r o s s t a l ko fp m o l e d s w a sa n a l y z e d i f o l e d sh a v ea9 0 0 dr e c t i f i c a t i o 玛t h ec r o s s t a l kw i l lh a v eav e r ym i n o ri m p a c to nt h e i m a g en o n - u n i f o r m i t yo fp m o l e d s v o l t a g ed r o p0 1 1t h ee l e c t r o d ew a sq u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e d b e c a u s et h ec u r r e n td e p e n d e n c eo fv o l t a g eo fo l e dm u s tm e e tt h ep o w e r r e l a t i o n , t h em i l l o rv o l t a g ea p p l i e dt oe a c hp i x dw i l le n a b l er e l a t i v ed i f f e r e n c eo f c u r r e n t s oc u r r e n t s o u c ci su s u a l l yu s e dt od r i v ep m o l e d s am a t h e m a t i c a lm o d e lt o c a l c u l a t et h ep o w e rc o n s u m p t i o no fp m o l e d sw a sp r e s e n t e d t h em o d e l sd e m o n s t r a t e t h a tt h ep o w e ro fd u a l - p a r t e lp m o l e d sc a l lb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e dc o m p a r e dw i t h t h a to fs i n g l e p a n e lp m o l e d s t w o2 5 一i n 1 2 8 x 6 4 - p i x e l g r e e ns m a l lm o l e c u l e p m o l e d sw a sf a b r i c a t e d o n ei ss i n g l e - p a n e l ，a n dt h eo t h e ri sd u a l - p a n e l ，c o m p a r e d t h ep o w e rc o n s u m p t i o no fs i n g l e - p a n e lw i t ht h a to fd u a l p a n e lp m o l e d s ，t h el a t t e r i i i a b s t r a c t d e v i c es h o war e d u c t i o no f2 5 w h e nb o t ha r eo p e r a t e da tt h ea v e r a g ei u m i n a n c eo f 10 0 c d m 2 3 t h ep a t t e r no fs u b s t r a t eo ff u l l c o l o rp m o l e d s ( 12 8 16 0 ) f o u rk i n d so f p h o t o m a s ka n d t w ok i n d so fs h a d o wm a s k , f p ca n dc o fw a sd e s i g n e d 4 d r i v i n gc i r c u i t su s i n gp r e c h a r g et e c h n o l o g yo ff u l l - c o l o rp m o l e d sw a s d e s i g n e d b ya p p l y i n gp r e - c h a r g e ，t h ep i x e lv o l t a g er e a c h e st h et a r g e tl e v e lq u i c k l y ，a n d t h ed i o d ec u r r e n tf l o wa tt h ec o r r e s p o n d i n gd e s i r e dl e v e l t h ec h a r g e dl e v e lo fr e d ， g r e e na n db l u eo l e dw a ss e tt o3 0 v ，2 0 va n d2 9 v ，r e s p e c t i v e l y t h ed i s p l a y f e a t u r e st h a tc o n t r o lc i r c u i tc a nt r a n s f o r m18b i t sg r a y - s c a l ed a t af r o map ct ot h e o l e dp a n e lv i aad v ic h a n n e l t h el i f e t i m eo fp a n e lw a se s t i m a t e do v e r5 0 0 0 h b e c a u s eo ft h eu s eo fd u a l - s c a nd n v i n gt e c h n o l o g y , a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h e d i s p l a yw a sa b o u t3 0 0 r o wa tt h ea v e r a g el u m i n a n c eo f 4 0 c d m 2 5 g r e e nd o p e do l e dw i t l lt w od i f f e r e n th i l ，2 - t n a t aa n dc u p cw e r es t u d i e d m e a s u r e m e n to f - v - lc t f f v e st w ok i n d so fo l e ds h o wao h m i cc o n t a c tb e t w e e n o r g a n i cl a y e ra n dt h ee l e c t r o d ei n t e r f a c eu n d e rl o wf o r w a r db i a sv o l t a g e ( 5 7 t h ee f f i c i e n c yo fo l e d u s i n g2 - t n a t a 嬲h i li sb e a e rt h a nt h a to fc t & c m o r e o v e r , d e v i c ew i t ht h ed i f f e r e n tt h i c k n e s so f2 - t n a t aw a ss t u d i e d t h ep e r f o r m a n c eo f d e v i c ew i t ht h e3 5 n mt h i c k n e s so f2 t n a t ai st h eb e s t ，n l el u m i n a n c ea n dc u r r e n t e f f i c i e n c yi s3 2 8 0 c d m 2a n d1 3 7 7 c d aa t13 v t h et h i c k n e s s e so fh i lh a v eam i n o r i m p a c to ne ls p e c t r u mo fd e v i c e 6 i n f l u e n c e so fd i f f e r e n td o p i n gc o n c e n t r a t i o no fc 一5 4 5 t0 1 1o l e dw e r es t u d i e d t h ed e v i c ew i t h1 5w t d o p i n gc o n c e n t r a t i o ns h o w sam a x i m u mp o w e re f f i c i e n c yo f 6 1 6 c d a a n dal u m i n a n c eo f1 0 6 5 0 c d m ia t1 9 5 vd o p i n gc o n c e n t r a t i o no fc 一5 4 5 t h a sag r e a ti m p a c to ne l s p e c t r u m ，a n d t h e r ei sa - 2 6 n mr e d s h i f to ft h es p e c t r a lp e a k k e y w o r d s ：o l e d ，t r a n s p a r e n to l e d ，p a s s i v em a t r i x ，d r i v i n gt e c h n o l o g y , h o l e i n j e c t i o nl a y e r , d o p i n g i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 蔓丞 日期：2 g 年j2 月ig 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：霜袅 导师签名：i 彬窿j 苠 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 o l e d 即英文o r g a n i cl i g h te m i t t i n gd i o d e 的缩写，中文译为有机发光二极 管。近年来，已经成为平板显示领域研究的热点。 1 9 8 7 年，美国e a s t m a nk o d a k 公司的c w t a n g 和v a n s l y k e 对有机e l 做 了开创性的工作【i 】，引起世界工业界和科技界的广泛重视。之后，各种新型的 有机材料被开发出来，多种器件结构相继建立，比如白光o l e d 、透明柔性o l e d 、 全彩0 l e d 。 近年来，有机电致发光领域得到了工业界和学术界的大量投入，并取得了令 人瞩目的成就，世界各大公司和研究机构，如美国的k o d a k ，u n i a x ，d u p o n t ， i b m ，d o w 化学公司；日本的p i o n e e r ，s a n y o ，s c i k o e p s o n ，i e m i t s n ，k o s o n ； 荷兰的p h i l i p s ；德国的h o e c h s t 、韩国的s a m s u n g 、l g 等许多大公司也把有机电 致发光显示器作为下一代实用化平板显示器加以开发。令人欣慰的是，我们国家 的o l e d 技术也在不断的发展。可以与其他国家一起参与竞争。 1 2o l e d 的研究状况与进展 1 2 1 有机电致发光的国外研究状况与进展 早在6 0 年代，就有人注意到有机电致发光现象。1 9 6 3 年，p o p e 等人以电解 质溶液为电极，在葸单晶两侧加4 0 0 v 直流电压时，观察到了葸的蓝色电致发光1 2 】。 随后，h e l f r i c h 等人对葸单晶的电致发光作了进一步研究【3 】。由于电解质溶液电极 制作工艺复杂，1 9 6 9 年，d r e s n e r 等人在有机e l 器件中引入了固体电极【4 】。这些 早期的有机e l 器件，单晶难于生长，驱动电压很高( 4 0 0 2 0 0 0 v ) ，几乎没有实 际用处，但这些早期研究建立了对有机电致发光的全过程的认识：电子、空穴 从阴、阳极注入；载流子复合；复合产生的激子通过辐射完成能量衰减。 1 9 7 3 年，v i t y u k 等人以真空沉积的葸薄膜替代了单副5 1 。1 9 8 2 年，p s v i n c e t t 等人使用铝和金作为阴极和阳极，0 6 t m 的蒽薄膜作为发光层制作了有机e l 器 电子科技大学博士学位论文 件，驱动电压大大降低( 3 0v 左右) ，但是那时的器件寿命还很短，发光效率很 低1 6 。 真正使o l e d 获得划时代的发展是在八十年代。1 9 8 7 年，美国e a s t m a nk o d a k 公司的c w t a n g 等人以空穴传输效果较好的芳香二胺作为空穴传输层，8 羟基喹 啉铝作发光层，以透明的i t o 导电膜和镁银合金分别作为阳极和阴极，制作了双 层薄膜夹心式绿光o l e d ，其驱动电压低于1 0 v ，发光效率为1 5 1 m w ，发光亮 度高达1 0 0 0 c d m 2 。这种超薄平板器件以其高亮度，高效率和低驱动电压等优点 引起了人们的极大关注。可以说是o l e d 器件发展的里程碑。随后，日本九州大 学的c a d a c h i 等人在器件中引入了电子传输层作为三层夹心结构，进一步降低了 驱动电压并提高了器件的发光效率【瑚。 1 9 9 0 年，英国剑桥大学j h b u r r o u g h s 等人首次用聚合物材料对苯乙炔( p p v ) 薄膜作为发光层制作了单层薄膜夹心式聚合物l e d ( p l e d ) ，所得器件的开启电压 为1 4 v ，得到了明亮的黄绿光，量子效率约为0 0 5 。b u r r o u g h s 的工作还确认了 电致发光来自于单线态的激子的辐射衰耐1 0 1 。 1 9 9 3 年，n c g r e e n h a m 等人在两层聚合物间插入另一层聚合物实现载流子 匹配注入，发光量子效率提高了2 0 倍，这不仅拓宽了对o l e d 器件机制的理解 且预示着o l e d 开始走向产业化【l 。 之后，各种新型的有机材料被开发出来，多种器件结构相继建立，比如白光 o l e d 、透明柔性o l e d 、微显示器o l e d 、自组装技术制作的o l e d 、多色o l e d 等等。德国的n o v a l e d 公司报道了借用无机半导体掺杂的概念，制作了p i n 型 高效o l e d 器件【协1 3 1 ，其在1 0 0 0c d m 2 的亮度下，流明达到11 0i m w 。 在提高有机电致发光二极管的同时，有机电致发光显示器也获得了飞速的发 展。1 9 9 5 年，日本先锋公司率先报道了单色绿光2 5 6 x 6 4 点阵的o l e d 显示器， 并于1 9 9 7 年成功用于汽车面板。为了实现大面积彩色o l e d 显示器，人们采用 了有源驱动技术，首先是单个非晶硅薄膜晶体管t f t 驱动，再到多晶硅t f t 驱 动，为了获得均匀的发光，又研究了二个n 可，三个t f t ，四个t f t 驱动方式。 先锋公司于1 9 9 9 年展示了有源矩阵驱动5 2 ”全彩色1 4 v g a a m o l e d 。2 0 0 0 年， 柯达与其合作伙伴日本三洋公司采用低温多晶硅薄膜驱动有机电致发光显示器， 制成了5 5 ”全彩色v g aa m o l e d ，该器件仅有一个硬币厚，功耗是相同尺寸 a m l c d 的一半，成本只有其7 5 。2 0 0 1 年，s 研叮y 又推出1 3 ”全彩色a m o l e d ， 东芝公司首次采用喷墨印刷技术制作成功2 8 f - 全彩色聚合物a m o l e d 。其他如 荷兰p h i l i p s 、美国u n i x 、杜邦、s h a r p 、m o t o r o l a 等也都把有机电致发光显示器 2 第章绪论 作为下一代实用化平板显示器加以开发。另外，随着o l e d 器件的开发，世界各 大公司和研究机构正在全力以赴形成各自专利技术。正是由于o l e d 是从外量子 效率小于o 1 ，寿命仅为几分钟开始发展起来的，目前己发展到最大发光亮度以 超过1 0 6 e a m 2 ，发光效率达1 5 1 m w ，量子效率为8 ，工作寿命为1 0 0 0 0 小时。 目前，全世界已有上百家公司和研究机构投入其中，使得该领域竞争异常激 烈，不断有各种o l e d 产品问世并推动o l e d 技术迅速向前发展。柯达公司已经 有成熟的、高清晰o l e d 产品用于其数码相机上，并于2 0 0 2 年与日本三洋公司 合资建立了工厂，在2 0 0 5 年年底其5 5 0 m m x 6 7 0 m m 尺寸显示器能力达每天8 0 0 片；e m a g i n 公司已可以提供装备到头盔中的o l e d 显示器，其图像清晰，分辨 率为8 0 0 6 0 0 ，可在零度以下及高温环境使用；u n i v e r s a ld i s p l a yc o r p o r a t i o n ( u d c ) 已经拥有技术将o l e d 嵌入透明表面中，如汽车挡风玻璃中，这样在驾驶时就可 以看到汽车行驶速度；2 0 0 2 年，三星公司推出1 5 英寸全彩p c 及笔记本电脑用的 o l e d 样品，东芝松下显示科技公司研发出1 7 英寸l t p s t f t 驱动的o l e d 面板， 分辨率可达x g a ( 1 0 2 4 x 7 6 8 ) ，先锋也公布其2 0 英寸的全彩o l e d 面板生产工艺 已经准备就绪。目前小分子材料厂商主要有：e a s t m a nk o d a k 、出光兴产、东洋i n k 制造、三菱化学等。国际上与o l e d 有关的专利已经超过1 4 0 0 项，其中最基本 的专利有三项。小分子o l e d 的基本专利由美国k o d a k 公司拥有。 在韩国首尔召开的“第5 届国际信息显示会议( m i d 2 0 0 5 ) ”上，韩国三星电 子首次对2 0 0 5 年5 月开发的4 0 英寸o l e d 面板的技术内容进行了公开发表。在 此次发表中，公开了显示器件的结构、t f t 性能、白色e l 的色彩表现效果、封 装技术以及今后的技术目标。在结构方面，谈到了利用白色有机e l 以实现彩色 显示而导入的彩色滤色器技术。据称，为了在以前的将e l 发光导向1 i 玎底板一 侧的底发光型面板结构中实现最大的光利用效率，此次的彩色滤色器采用了两项 新技术。一项是在t f t 底板上形成色彩滤色器的彩色滤色器阵列( c o a ) 技术， 另一项则采用了在过去的r g b 三原色基础上追加白色( w ) 的四色彩色滤色器。 通过采用四色方式，光利用效率达到了过去三色方式的1 5 倍。 1 2 2 有机电致发光的国内研究状况与进展 中国在有机电致发光方面也展开了积极的研究与产品生产，特别是中国的台 湾省，涌现出了一大批像莱宝科技、联宗光电等一大批优秀的企业，在( o l e d ) 产品方面，与日本和韩国形成三国鼎立的局势。香港城市大学已经成功开发出区 3 电子科技大学l 尊士学位论文 域彩色o l e d 显示屏，分辨率为1 2 8 x 6 4 ；以及分辨率为2 5 6 x 2 5 6 的单色o l e d 显示屏。香港科技大学的郭海成教授等人在微腔o l e d 研究方面取得了突破性进 展，器件的效率达到了8 0 1 n f f w 。香港晶门科技公司在o l e d 驱动i c 方面占有了 很大的市场，其生产的s s d 系列o l e d 驱动芯片被很多大公司采用。 中国最早研究o l e d 的清华大学与v i s i o n o x 合作，在2 0 0 3 年十月份发布了 其最新一款用于手机的全色o l e d 产品，对角线尺寸为0 9 5 2 英寸，解析度达 1 2 0 p p i ，色彩为6 5 k 色，画面细腻，色彩逼真。广东汕尾信利半导体公司和东莞 光阵科技有限公司，已经能够量产用于m p 3 和手机屏幕的小尺寸o l e d 面板。 上海航空航天集团与上海大学合作的项目上海上大欧德科技有限公司，其他如吉 林大学、华南理工大学、长春光机所、电子科技大学、南开大学等也在开展此项 目 1 2 1 。中国大陆o l e d 产业前景良好，也已经拥有一定的积累，但总体还处于产 业发展的起步阶段，发展障碍不容忽视。 这是一个很有商业前景的新技术，它具有以下的特点： l 、很薄的主动发光层，不像在液晶显示( l c d ) q b 需要背光源； 2 、通过在发光层中加入合适的发光染料，可以调节辐射出的光波长； 3 、很低的驱动电压( 一般3 1 0 伏) ； 4 、很高的发光效率和对比度，这可以在低功耗的条件下达到高亮度以利于阅 读； 5 、宽视角( 可以达到1 6 0 度) ，而在l c d 中视角很窄； 6 、微秒级的响应时间，这就允许了高质量的画面； 7 、薄和轻的装置，并且十分坚硬，可用于移动电话和掌上电脑等变携式的装 置； 8 、因为这种全色，高图像容量的平板显示器件是在低温技术下制造的，并以 有弹性的塑料为基板，它可以满足在绝大多数情况下交流信息。 9 、可实现大面积、高亮度的平面光源，甚至是平面激光光源。 因此，o l e d 可用于在室内和野外照明；可制成光电耦合器件，用于光通信， 即用作集成电路上的芯片与芯片之间通信的单片光源；可制成可折叠的“电子报 纸”；可用于飞机，坦克等的数字、图像处理和移动通信装置的显示，它在彩色大 屏幕平板显示技术方面已经显示出了广阔的应用前景。 1 3 有机电致发光技术存在的问题 4 第一章绪论 尽管世界上众多研究科研机构和公司投入巨资致力于o l e d 器件的研发，但 由于o l e d 涉及物理学、化学、材料学和电子学等多学科的研究领域，仍然有一 些关键的问题没有得到很好的解决，包括以下几个方面： l 、有机电致发光机理：为了提高有机电致发光器件的性能，人们对电致发光 过程的机理进行了广泛的研究。但由于问题的复杂性，导致了数学处理和实验结 果分析上的困难，大部分问题都悬而未决。对有机电致发光的各种基本物理过程 ( 例如载流子从电极的注入，载流子在有机薄膜中的输运特性、能量传递等) 的 理解仍然是不够充分的【1 9 3 i 】。 2 、性能优越的有机材料：包括空穴注入材料、空穴传输材料、有机发光材料 和电子传输材料f 3 2 - 4 0 3 等。 3 、o l e d 器件的商品化：目前，o l e d 器件的最大竞争对手是l c d 器件。 与l c d 器件相比，o l e d 器件在稳定性、寿命还有一定差距。尤其在成本上还无 法与l c d 竞争，虽然o l e d 显示屏的工艺流程比l c d 少一半多，但是产品的价 格仍然没有优势，一个重要的方面就是整个生产工艺流程还不成熟，并且产业的 供应链还不完善。 1 4 本论文的结构和研究内容 本论文的结构和具体内容安排如下： 第二章o l e d 器件的工作机理。简要介绍o l e d 器件的结构和工作机理， 以及表征o l e d 器件光电性能参数的物理含义。 第三章基于l a b 6 透明阴极的o l e d 器件研究。透明o l e d 器件的技术难点 在于如何制作具有高透光率和高注入效率的顶部电极。作为透明电极必须具备两 个条件是良好的电学性能，包括导电性和载流子注入能力，另一个是具有良好 的透光性，以保证器件的效率。本章介绍采用低功函数、高稳定性的l a b 6 作为透 明阴极，利用电子束蒸镀工艺制备l a b 6 薄膜，从而制备透明o l e d 器件。 第四章无源o l e d s 屏技术研究。为了将无源o l e d s 屏应用于p d a 或移动 通信领域，要求以电池作为电源和较低的功耗，需要知道o l e d s 屏的驱动电压( 电 流) 和功耗，还要考虑无源o l e d s 屏的交叉串扰和灰度要求等因素。针对以上 情况，本章将对无源o l e d s 的交叉串扰，灰度等级、电极电压降和功耗等因素进 行系统的数值分析和研究；提出了采用双屏方式可降低器件的功耗，并制备了采 用双屏和单屏方式的无源o l e d s 屏，进行了功耗对比。 5 电子科技大学博士学位论文 第五章全彩无源o l e d s 屏显示系统研究。本章详细阐述一款尺寸为1 9 ”， 分辨率为1 2 8 ( x 3 ) x 1 6 0 的全彩无源o l e d s 屏的研发过程，设计了o l e d s 屏基 板布局、光掩模、机械掩模以及配套的f p c 和c o f 的图案；设计了采用预充电 技术的o l e d 驱动电路、并设计了使用d v i 接口和采用f p g a 作为控制器的显示 系统。在同等或以下尺寸的采用无源矩阵驱动的全彩o l e d s 屏中，该屏的分辨 率在目前报道的全彩o l e d s 屏处于较高水平。目前，国内关于这方面的详细报 道也较少。 第六章基于c 5 4 5 t 掺杂剂绿色o l e d 器件的研究。本章首先制备了采用 c u p c 和2 - t n a t a 作为空穴注入材料的c 5 4 5 t 掺杂型o l e d 器件，进行了对比， 并对2 - t n a t a 层厚度对o l e d 器件光电性能的影响进行了研究，优化了器件结 构；对绿色荧光染料c 5 4 5 t 掺杂浓度对o l e d 器件性能的影响进行了研究，给 出了优化结果。 第七章结论 6 第二章o l e d 器件的工作机理 第二章0 l e d 器件的工作机理 2 10 l e d 器件基本结构 o l e d 的基本结构属于夹层式， 间，一侧为透明电极以获得面发光。 类： 即发光层被两侧的电极像三明治一样夹在中 根据有机膜的功能，器件结构可分为以下几 1 、单层器件结构 在器件的阳极和阴极间，制作一种或数种物质组成的发光层( e m i s s i v el a y e r ， e m l ) ，这种结构较为常见1 1 9 - 3 1 】，如图2 1 所示。 图2 l 单层器件结构 2 、双层器件结构 由于大多数o l e d 的材料是单极性的，不是具有传输空穴的性质，就是具有 传输电子的性质，但同时具有均等的空穴和电子传输性质的有机物很少。 如果用这种单极性的有机物作为单层器件的发光材料，会使电子和空穴的复合区 自然的靠近某一电极，当复合区越靠近这一电极就越容易被该电极所淬灭， 有损于有机物的有效发光，从而使发光效率降低。目前，有两种器件结构来解决 这一问题。一种是d l a 型双层器件结构，为柯达公司发吲7 】，如图2 2 所示，它 的主要特点是发光层材料具有电子传输性，需要加入一层空穴传输材料去调节空 穴和电子注入到发光层的速率，称为空穴传输层( h o l et r a n s p o r tl a y e r ，h t l ) 。 h t l 还起着阻挡电子的作用，使注入的电子和空穴在发光层处复合；另一种是 d l b 型双层器件结构，为日本九州大学a d a c h i 等首先采用【4 0 4 1 1 ，如图2 3 所示。 7 电子科技大学博士学位论文 它的主要特点是需要加入电子传输层( e l e c t r o nt r a n s p o r tl a y e r ，e t l ) 以调节载流 子的注入速率，使注入的电子和空穴在发光层处复合。 图2 - 2d l - a 型图2 - 3d l b 型 3 三层器件结构 由h t l ，e t l 和将电能转化成光能的e m l 组成的三层器件结构，如图2 - 4 所示，a d a c h i 首先采用【8 】 。它的特点是三层各行其职，对于选择材料和优化器件 结构性能十分方便，是最常采用的器件结构。 图2 4 三层器件结构 图2 5 多层器件结构 4 、多层器件结构 为了使器件的各项性能最优，充分发挥各个功能层的作用，有时采用多层结 构，如图2 5 所示。其中，电子注入层( e l e c t r o ni n j e c t i o nl a y e r ，e i l ) 和空穴注 入层( h o l ei n j e c t i o nl a y e r ，h i l ) 的作用是更有效地从阴极和阳极分别注入电子 和空穴；一般而言，空穴在有机层中的迁移率大于电子，为了限制电子和空穴的 复合区域，可在e t l 和e m l 之间加一空穴阻挡层( h o l eb l o c kl a y e r ，h b l ) 。 除了上述的结构外，为了某种目的，例如彩色显示的空间混色、白色或其他 8 第二章o l e d 器件的工作机理 颜色的o l e d 等，各种器件的结构不断出现。但是大多数有机物具有绝缘性，只 有在很高的电场( 约1 0 - 6 v c m ) 下才能使载流子从一个分子运动到另一个分子， 所以有机膜的总厚度不能超过几百纳米，否则驱动电压太高，失去实际应用价值。 2 20 l e d 器件工作机理 人们利用能带模型对金属一半导体间载流子的注入进行了极为详细的研 究。无机半导体材料的结构特征是原子的排列具有周期性，即长程有序。晶 格中原子间存在强共价健或强离子健，因此通过原子轨道重叠的强交换作用 形成导带和价带，外层电子可以在整个晶体中自由运动，因而很容易发生电 荷运输。而绝大多数有机聚合物电致发光材料属于有机半导体，是非晶态固 体，不象晶态固体那样具有长程有序性，而是短程有序。分子间的结合是靠 范德华力的作用，同时分子轨道重叠和分子间电荷交换也比较弱，分子内电 子的局域性较强，因而这种结构对电子的输运是不利的。考虑到有机发光材 料也具有光吸收边带，说明有机材料也存在带隙，作为一种近似，现在的许 多有机电致发光理论都借用能带理论来描述。 面 f 眄 冲 下一j e a i c b 蠢+ 7 ，一匀 !i d i o e g i , 1 7 压l王 v bj ，i ，i j 。jj ：x 图2 - 6 有机材料能带结构示意图 有机半导体的能带结构可以这样考虑。每个分子由多个原子组成，该分子 的分子轨道由能级相近的原子轨道的线形组合得到。原子轨道通过线形组合形 成分子轨道时，轨道数目不变，但能级发生变化，两个能量相近的原子轨道组 合分子轨道时，总要产生一个能级低于原子轨道的成键轨道( 7 c ) 和一个能级 高于原子轨道的反健轨道( 7 1 ；) ，多个成键轨道或反键轨道之间的交叠、简并，