柔性OLED的原理与技术现状.doc

柔性OLED的原理与技术现状魏 涛（西北大学 化工学院 陕西 西安 710069）摘要：新型柔性有机发光显示技术（FOLED）拥有诸多优势，被认为是LCD显示技术的有力竞争对手，因而成为平板显示领域的研究热点。该文在简单地介绍了柔性有机电致发光器件的结构和发光原理后，重点介绍了对于柔性显示技术最为重要的两个问题，衬底的选择及水、氧的阻隔，最后则简单地介绍了FOLED的产业现状。关键词：柔性OLED；衬底；水；氧阻隔；产业动态显示器件的发展先后经历了阴极射线显示（CRT）、液晶显示（LCD）、等离子显示（PDP）、以及无机半导体LED显示，如图。在科技飞速发展的今天，显示技术也在发生着日新月异的变化，旧的技术在不断被改进，新的技术被提出和实现。虽然OLED 面板几毫米的厚度已让其他平板显示技术难以匹敌，但是OLED 的发展不会停滞，技术的发展总会向着人类友好的方向发展。人们对显示器材的未来需求是更为便携、更为时尚、适用环境更为友好，因此制造更轻、更薄、更结实的产品，在消耗更低功耗的同时还要提升画面质量是研究者及产业界需要面临的问题。在研发新兴的柔性有源矩阵显示技术以满足上述所有需求，与普通的硬屏显示器相比，柔性显示器具有诸多优点:耐冲击，抗震能力更强;重量轻、体积小，携带更加方便;采用类似于报纸印刷工艺的卷带式工艺，成本更加低廉等等。图、目前主要显示器件的分类一、FOLED的工作原理柔性OLED（FOLED）显示屏就是利用OLED技术在柔性塑料或者金属薄膜上制作显示器件，其基本结构为“柔性衬底ITO阳极有机功能层，金属阴极”，发光机理与普通玻璃衬底的OLED相似。柔性（FOLED)器件一般是在玻璃或聚合物基板上，由夹在透明阳极、金属阴极和夹在它们之间的两层或更多层有机层构成。当器件上加正向电压时，在外电场的作用下，空穴和电子分别由正极和负极注入有机小分子、高分子层内，带有相反电荷的载流子在小分子、高分子层内迁移，在发光层复合，形成激子，激子把能量传给发光分子，激发电子到激发态，激发态能量通过辐射失活，产生光子，形成发光。有机电致发光器件的基本结构是夹层式结构，即各有机功能层被两侧电极像三明治一样夹在中间，且至少有一侧的电极是透明的，以便获得面发光，如图2示。具体说来，OLED的基本器件结构有单层、双层、三层和多层等。图2.有机电致发光二极管器件的基本构成由于电子空穴在有机薄膜中迁移率(mobility)不同，导致电荷的不平衡注入，使发光效率下降，因此，通常采用多层器件结构: 基板(substrate)/阳极(anode)/空穴注入层(hole injecting layer)/空穴传输层(hole transporting layer)/发光层(emitting layer)/电子传输层(electron transporting layer)/阴极(cathode)。评价柔性OLED可从发光材料的发光性能和器件的电学性能两个方面来评价。发光性能主要包括发射光谱、发光效率和寿命等，对于作显示器件的可见光还有发光亮度、发光色度等参数，电学性能如电流与电压关系等。二、FOLED的衬底制作一个耐撞击、不易破碎、轻薄、便于携带的柔性显示器，能让人们随时可以卷起来，放到口袋里带走会是一件多么美妙的事情。然而要是实现这样的目标需要考虑许多的问题，仅仅从柔性显示器件制作方面来看，就要考虑如衬底材质的选择，水氧阻绝层的水氧阻绝能力、导电阳极的平整度、与导电度、阳极的图案化制程、元件制作后的效率与颜色，还有元件完成后的封装效果好坏，最后则是元件寿命的长短及可以承受的机械应力如卷曲度及次数等。其中最为基础的就是衬底段阳极的改善。柔性有机电致发光器件（FOLED）与传统的导电玻璃有机电致发光器件的最主要的差别就是实用的衬底不同，因此，如何在低温的条件下，根据不同的衬底，制作出导电性及平整度皆不错的导电阳极，是一个重要的课题。而为了防止环境中的水氧气对器件的操作寿命造成影响，气体阻绝层及器件的封装是另一项重要的研究课题。柔性OLED常使用的衬底是塑料衬底，包括PET、PEN等，也有使用金属箔衬底的，以他还有超薄玻璃及纸衬底。选择衬底材料的一般原则： (1)衬底材料的透明性要好(可见光透过率超过90)；(2)衬底材料和薄膜材料间要有一定的附着性；(3)衬底材料要有一定的耐温性1。1、聚合物塑料衬底以聚合物塑料作为衬底的OLED有以下优点，重量轻、耐久、可适应不同的使用情况、可以使用低成本的roll-to-roll制造技术。但同时也会引入一些新的问题，表面粗糙度(Ra)问题、衬底变形问题、低的水、氧阻隔率问题、电导电层的剥离问题、，制作有源柔性显示屏时，柔性衬底的低玻璃化温度与薄膜晶体管(TFT)较高的制作温度之间的矛盾问题2。更为重要的是由于有机发光材料对水汽与氧气非常敏感，若要满足柔性显示对衬底的要求，其对水汽的租个能力需达到10-6 g/m2d，而阻隔氧气的能力需达到10-3 g/m2d。表1中列出了几种常见的透明聚合物塑料衬底的水和氧气的渗透速率。表 1 透明聚合物及衬底材料的水和氧气的渗透速31992年Gustafsso等采用ITO/PET为基板，首次发表了柔性电致发光器件。Noda等人于2003年以l-to-roll方式制作ITO/PET，这种方式可大量生产ITO/PET衬底，降低成本。PES衬底由于其玻璃化表面温度高（Tg 200 ），可以承受较高的温度，所以衬底不易受热变形而产生不良影响。Park等人在2001年实现了以射频磁控溅镀方式在180m的PES上溅镀100nm的ITO薄膜4。DuPont Display的Innocenzo等人在SID2003年发表了可应用的柔性显示器的PEN塑料衬底的相关研究5。 2、金属薄片衬底以金属薄片作为衬底主要的优势在于，金属薄片的耐温性能要远高于塑料与玻璃，所以没有耐温的问题；而且金属薄片根本不存在租个水汽与氧气的问题，所以金属薄片十分适合用作柔性OLED的衬底材料；同时金属薄片的价格要远低于特殊耐温塑料材料；另外材料取得也很容易。当然，以金属薄片作为衬底也存在着很多问题，其中最大的问题就是材料表面粗糙度（Ra）的克服。正是由于这一限制，是的具有众多优点的金属薄片实际应用及发展比其他的材料都要慢。为了降低金属薄片的表面粗糙度，一般采用传统的机械研磨抛光技术，近年来发展起来的电化学抛光技术（electrochemical polishing, ECP）可以避免机械抛光的一些缺点6,7。1997年Wu等人所发表的柔性器件既是以铬金属为衬底8，衬底厚为200m，表面抛光后的粗糙度为70nm。Xie等人在2003年使用涂布有1mSOG(spin-on-glass)薄膜的20m钢箔当做衬底，制作出了发光器件9。3、超薄玻璃及纸基板 超薄玻璃衬底用于柔性显示器件的困难在于是如何实现玻璃的薄化，只有薄化的玻璃才有可扰曲性。Auch10和Plichta11等人提出了利用超薄玻璃作为衬底和封装层设计柔性OLED。超薄玻璃制作柔性显示器有着许多的缺点，超薄玻璃的韧性差、很脆，对裂纹缺陷非常敏感；超薄玻璃的切割技术易引起边缘的微裂痕缺陷。Kian Soo Ong等人采用聚硅氧烷对超薄玻璃进行增强可以改善其脆性，增强超薄玻璃的的绕去性能12。在美国西雅图所举办的2004SID平面显示器研讨会中，Lee等人发表了以纸为衬底的FOLED13，具体做法为在纸衬底上涂布一层Parylene，再镀上镍为阳极。但器件的效率并不好，不过这也显示了OLED几乎可以制作在任何衬底上。三、水、氧阻隔层实用化的显示器件要求其使用寿命大于10000h。而OLED对于水汽、氧气非常敏感，其有机发光材料和活泼金属阴极都很容易和水汽、氧气发生反应而使器件遭到损坏。要估计OLED对水、氧渗透率的要求，可以Mg作阴极的器件来估算14：原子最为24、密度为1749/cm3的Mg层如果住器件中的厚度为50nm，则该器件中含金属Mg的量为3.610-7molcm2，只需要1.510-5 g 的水就能与之完会反应。所以要使Mg完全破坏时间为一年，则水的渗透率要小于4.110-5。g/m2day。而实际上器件中阴极只要有l0被氧化，器件就已经严重损坏，所以即使忽略水、氧对有机层的破坏作用，渗透率也要小于10-5 g/m2day。而文献中经常引用的数据为：要使柔性OLED器件达到商业化所要求的最低10000h的使用寿命。水、氧的渗透率要分别小于510-6gm2day和10-3cm3/m2day15。柔性OLED常选用聚合物(PET、PNS等)作衬底，聚合物衬底虽然能提供很好的柔性，但是它们不能对水、氧进行有效的阻隔，可行的办法是在柔性衬底上制备阻挡层来保护器件。70年代早期，在PET基片上蒸镀销膜的阻透薄膜已经实现了商业化生产。目前，具有优良的透明性和阻隔性能的SiOx和SiNx介电薄膜成为应用最广的阻透材料，其中以具有较商的密度的SiNx的阻透性能最为出色。四、OLED产业动态目前已有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318m见方精细度为80 ppi 实现了最高的精细度。德国SchottDisplay glas公司的研究小组发表了集玻璃和有机薄膜所长的玻璃底板技术。这些技术的实现,可将柔性TFT驱动电路和OLED器件集成起来,实现大屏幕、全彩色OLED软屏显示。在OLEDsAsia-2004研讨会上，英特尔公司（Intel）的代表ChungDavidB指出：“ 现在看来柔性（flexible）面板是能打败LCD的地方，也是本人所认为OLED未来最大的优势之所在”。飞利浦公司副总裁PeterWierenga亦表示：飞利浦公司的显示器研发重点不再基于玻璃的显示器，取而代之的是，该公司正在研究“ 基于塑料的低成本制造技术”。图 3 Universal DispLay公司展出的OLED显示面板图 4 SONY 公司2.5 英寸柔性OLED五、结语FOLED的特殊优势使其在军事和航空航天领域能得到很好的应用，FOLED可以制作成各种形状的薄膜显示器，覆盖在头盔的面罩上，军队制服的衬衣袖子上、航天器驾驶舱的仪表盘上、甚至汽车的挡风玻璃上还有希望创造出新一代柔性电子显示器。包括“折迭”式电子报纸、书、TV和个人多媒体通信和计算装置、视频明信片，视频报纸，发光的天花板和墙壁等。金属箔片作为FOLED的衬底材料，可以发挥其适合高温工艺、兼容于目前主要的平板显示器制造技术的特点，材料成本较低，预计很有可能成为未来FOLED衬底的主要材料。单层的薄膜封装，对柔性OLED来说是不够的，但有许多薄膜封装方式可以借鉴这种方法。对有机无机薄膜阻挡作用增强的研究，会进一步延长柔性OLED的寿命。真正实现柔性OLED的有效封装还需要薄膜封装技术的进一步发展参考文献：1 Zhang Fang,Flexible organic light emitting displayJ.Advanced Materials Industry(新材料产业)，2006,5: 55-58(in Chinese)2文尚胜,李爱源,文斐,季飞,莫文贞,彭俊彪,柔性有机电致发光器件的研究进展J. 量子电子学报,V01. 24 No. 6 Nov. 20083杨利营,印寿根,华玉林,陆燕,王振,董波,柔性显示器见的衬底材料级封装技术J.功能材料,第1期,37卷，2006；10-134S.K.Park,J.I.Han,W.K.Kim,M.G.Kwak,Thin Solid 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