音乐播放器OLED显示屏的设计毕业论文.doc

音乐播放器 OLED 显示屏设计 摘 要 有机电致发光二极管 Organic Light Emitting Diode OLED 显示具有自发光 不需 背光源 对比度高 厚度薄 视角广 反应速度快 可用于挠曲性面板 使用温度范 围广 构造及制程较简单的优点 发展空间很广阔 将成为显示器件的主流产品 通过使用 AUTO CAD 绘图软件 来实现音乐播放器 OLED 显示屏的设计 本次 OLED 显示屏的设计主要包含外观图形 显示内容 电极 阳极掩模板 阴极掩模板 有机层掩模板以及结构的设计 并在此基础上进行了各层材料的选取 其中设计的 OLED 小视屏的外型尺寸设计为 2 6 英寸 通过设计详细了解了 OLED 的发光原理 各个制作工艺以及各层材料的选取 关键词 显示屏 工艺流程 电致发光 电子 空穴 OLED display screen of music player ABSTRACT Organic Light Emitting Diode OLED display has a self luminous without backlighting high contrast thin wide viewing angle fast response can be used for deflection of panels wide temperature range structure and the advantages of simple process very broad space for development will become the mainstream product display devices By using AUTO CAD drawing software to achieve OLED display music player design The OLED display design mainly includes the appearance of graphics display electrode anode mask mask cathode the organic layer mask and structural design and on this basis the material selection of the layers Small Screen OLED which designed the exterior size of the design is 2 6 inches through the design details about the OLED light emitting principle all production processes and material selection of each layer KEY WORDS display process electroluminescence electron hole 目 录 摘要 ABSTRACT 1 有机电致发光概述 1 1 1 有机电致发光的发展 1 1 2 OLED 器件的特点 2 1 3 OLED 器件工作原理 2 1 3 1 载流子注入 3 1 3 2 载流子迁移 3 1 3 3 激子形成 4 1 3 4 激子辐射复合发光 4 1 4 OLED 制作原理 6 1 4 1 光刻原理 6 1 4 2 真空蒸镀原理 6 1 4 3 封装原理 7 2 音乐播放器 OLED 显示屏设计 9 2 1 OLED 显示屏外观设计 9 2 2 显示图形的设计 10 2 3 电极图形的设计 12 2 3 1 逻辑真值表设计 12 2 3 2 电极走线设计 14 2 3 3 电极的设计 17 2 4 掩模板的设计 18 2 4 1 阳极掩模板的设计 19 2 4 2 阴极掩模板的设计 19 2 4 3 有机层掩模板的设计 20 2 4 4 OLED 显示屏制作工艺 21 3 OLED 器件结构和材料 24 3 1 器件结构的设计 24 3 1 1 基本结构器件 24 3 1 2 OLED 器件彩色化结构 26 3 1 3 音乐播放器 OLED 显示屏结构 27 3 2 有机电致发光器件的材料 28 3 2 1 电极材料 28 3 2 2 缓冲材料 28 3 2 3 载流子传输材料 29 3 2 4 发光材料 29 4 总结 32 致 谢 33 参考文献 34 1 有机电致发光概述 随着世界电子信息产业的快速发展 显示器作为人机交流必不可少的界面发挥着 越来越重要的作用 显示技术的不断进步及新型显示技术的不断涌现带动了显示工业 的跨越式发展 由于有机电致发光二极管 Organic Light Emitting Diode OLED 同时具备自发光 不需背光源 对比度高 厚度薄 视角广 反应速度快 可用于挠曲性面板 使用温 度范围广 构造及制程较简单等优异之特性 1 被认为是下一代的平面显示器新兴应用 技术 因此目前全球有多家厂商投入研发 OLED 全色技术虽然技术尚未成熟 但随着全球厂商投入研发的力度不断增加下 OLED 技术将会愈来愈成熟 而目前风骚于音乐播放器 手机及便携式产品的 LCD 将逐步会给 OLED 让出相当部分市场 因此本课题的研究对 OLED 应用于音乐播放器 等微型显示领域市场化有重要的意义 1 1 有机电致发光的发展 追溯 OLED 技术之源说到 OLED 就不得不提到被誉为 OLED 之父的华人科学家邓 青云博士 邓青云博士生于香港毕业于台湾大学化学系并获得博士学位 1975 年加入 柯达公司 在 Rochester 实验室从事研究工作 22 年前 1979 年的一天晚上 邓先生 在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室 回到实验室 他发现黑暗中有个亮的东 西 打开灯 原来是一块做实验的有机蓄电池在发光 OLED 研究就由此开始了 现 在邓青云仍是该领域最高权威之一 2 柯达科学家于 1979 年发现了具有发光特性的有机材料 随后于 1987 年获得了 OLED 器件设计的第一个专利 柯达公司与三洋公司于 1999 年合作开发出世界上第一 台有源阵列的全彩色 2 4 英寸 OLED 显示屏 不到一年后又生产出 5 5 英寸的有源阵列 OLED 显示屏 2002 年底 15 英寸的 OLED 显示屏问世 两家公司于 2001 年 12 月成 立了合资生产企业 SK 显示公司 从 2002 年开始批量生产 2 2 英寸的 OLED 显示屏 3 有机电致发光显示器在最近几年的产业化进程中得到迅速发展 OLED 领域的研究 也早已不限于学术界 几乎所有国际著名的电子公司及化学公司都投入巨大的人力与 资金进入这一研究领域 目前 虽然 OLED 产品逐渐进入了实用化的阶段 并在小尺寸的应用 如手机外 屏和 MP3 上与 LCD 形成了有力的竞争 但 OLED 的技术优势远未体现出来 其产 业化进程也远低于人们的预期 其原因主要是在该领域研究中许多关键问题尚未得到 真正解决 主要在 OLED 的发光材料的优化 彩色化技术 制膜技术 高分辨显示技 术 有源驱动技术 封装技术等方面存在应用的 瓶颈 4 在未来 OLED 发光材料未来开发方向是 高效率化 提高发光效率 改善荧光 材料 引入磷光材料 而 OLED 产品和技术将向着小尺寸 中尺寸 大尺寸 超大尺寸 单色 多色 彩色 IC 驱动 无源驱动 有源驱动 硬屏 软屏 柔性显示 高分辨率 透明显示 及低成本制作的方向发展 最理想的 OLED 显示器应该是 TFT OLED 并 随着白光 OLED 技术的突破 OLED 的应用将不局限于显示领域 向着背光 照明等 应用领域发展 5 1 2 OLED 器件的特点 与传统的 CRT 显示器和以液晶为代表的其他平板显示器件相比 有机平板显示 器件具有以下特点 6 1 全固化显示 器件重量轻 2 主动发光 无视角限制且响应速度快 小于 1 m 3 驱动电压低 3 10V 低功耗 4 发光亮度和发光效率高 5 材料选择范围宽 发光颜色丰富 易实现彩色显示 6 温度特性优异 发光性能受温度影响小 7 可实现柔性显示 器件具有重量轻 易携带 可卷曲等特点 使用起来特 别方便 8 生产工艺简单 成本低 正基于 OLED 的诸多优点 关于 OLED 的研究也不再仅仅限于学术界 几乎所 有国际知名的电子公司和化学公司都投入巨大人力与资金进入这一领域 呈现产 学 研齐头并进的局面 目前欧美各国主要侧重于高分子材料电致发光现象的研究 而日 本侧重于小分子材料电致发光现象的研究 当然目前的 OLED 还存在一些缺点需要技 术上的解决 当这些问题解决后将会是 OLED 大面积走入市场主流的日子 目前的 OLED 存在的主要问题有 1 寿命通常只有 5000 小时 要低于 LCD 至少 1 万小时的寿命 2 不能实现大尺寸屏幕的量产 因此目前只适用于便携类的数码类产品 3 存在色彩纯度不够的问题 不容易显示出鲜艳 浓郁的色彩 1 3 OLED 器件工作原理 OLED 是一种电流注入型发光显示器件 一般认为其发光机理是 在外界电压驱 动下 空穴和电子分别从正极和负极注入到有机材料中 空穴和电子在有机层中相遇 复合 释放出能量 将能量传递给有机发光物质的分子 使其从基态跃迁到激发态 激发态很不稳定 受激分子从激发态回到基态 辐射跃迁而产生发光现象 7 有机电致 发光过程如图 1 1 空穴注入 空穴迁移电子迁移 电子注入 电子和空穴形成激子 激子复合激子离化 正 负激化电致发光 电致发热 形成器件电流 图 1 1 有机电致发光过程示意图 1 3 1 载流子注入 由于 OLED 器件的有机层的厚度很薄 所以很小的电压便可在有机发光层中产生 108V cm 左右的高电场 在这样高的场强作用下 空穴 Hole 会越过 ITO 的费米能 级和有机层中的最高占据分子轨道 HOMO 之间的势垒 电子 Electron 从金属电极 中越过金属电极的费米能级和有机层的最低孔轨道 LUMO 之间的势垒而注入到有机层 中 最有效地载流子注入是电极与有机材料形成欧姆接触 即在接触及其附近的自由 载流子浓度比有机层内的要高很多 要产生欧姆接触 需选择低功函数的材料做阴极 高功函数的材料做阳极 满足欧姆接触 电流就不受注入电极的限制 而受有机层本 身的体控制 即受有机层内部空间中载流子迁移所控制 在不满足欧姆接触的条件下 电荷注入是电极限制的 电流 电压特性是由载流子跨越接触势垒的方式决定的 1 3 2 载流子迁移 当载流子 电子和空穴 一旦从电极注入到有机薄膜中 有机分子就处于粒子自 由基 A A 状态如图 1 2 由于这种离子基与近邻的有机分子有部分的电子云交叠 因而在电场的作用下 这种离子自由基能通过电子的传递向对面电极运动 但是 由 于分子之间的电子云交叠较弱 不能像无机半导体晶体中那样形成能带 因此 载流 子在有机固体中的运动往往被看作是从一个分子向另一个分子的跳跃运动 即在有机 半导体中处于激发态的电子凭借跳过势垒在局域态间传输 载流子迁移率与电场紧密 相关 若在没有陷阱条件下 载流子迁移率符合 Poole Frenkel 公式 1 1 其中 0为零场迁移率 是与场有关的系数 F 为外加电场 F0为特征场 图 1 2 分子激子 A 形成示意图 在外电场作用下载流子传输就是注入的电子和空穴分别向阳极和阴极迁移 载流 子的迁移可能发生三种情况 1 两种载流子相遇 2 两种载流子不相遇 3 载流子被杂质或缺陷俘获而失活 显然只有正负载流子相遇才有可能复合而发光 载流子传输性能的好坏取决于有机材料的载流子迁移率 相对于无机半导体材料 来说 有机材料的载流子迁移率较低 一般在 10 4 10 8cm2 Vs 量级 显然 低载流子 迁移率不利于载流子在有机材料内有效传输 然而 由于 OLED 器件采用的是薄膜结 构 通常在低电压下便可在发光层产生 104 106V cm 的高电场 在高电场作用下 载流 子在有机材料中的传输基本不成问题 1 3 3 激子形成 在有机固体中运动的电子和空穴相互接近并接触时 能够通过电子的转移形成中 性的激发态 激子 Exction 激子是一种分子激发态 可以在分子间通过迁移过程进 行扩散 从而在不涉及净电荷输运条件下输运能量 产生的激子在以辐射或非辐射的 形式退激发之前 能够以自由扩散的方式在有机固体中不停的运动 其平均扩散长度 视材料不同而不同 其平均值一般为几十个纳米 有机电致发光不同于无机电致发光 后者属于高场发光 发光能量来自高电场下 加速电子的碰撞激发 它发光来自导带中的电子和价带中的空穴的直接复合辐射 或 通过杂质能级复合辐射 这种复合也形成激子 但常温下 这种激子不能稳定存在 有机材料中的双分子复合不同于无机半导体中的复合 通过从接触电极得电子和空穴 发射过程而注入到有机半导体中的载流子或者暂时地俘获在俘获中心 或者通过复合 中心永久地消失 因为不存在完美的完全没有缺陷的有机材料 所以目前的有机材料 都会有定域态 这些定域态可能限制在模糊不清的分立能级内或分布在禁带能隙内 形成所谓的俘获和复合中心 可以将俘获认为是通过使电子和空穴定域在空间一定位 置上以便阻止它们自由运动造成的能量贮存过程 这些受俘获的电子和空穴可以通过 吸收足够的热能或光能而在此释放成为自由的 或者通过复合放弃它们贮存的能量而 消失 任何由定域态形成的 能够俘获载流子的中心称为 陷阱 或 俘获中心 1 3 4 激子辐射复合发光 有机物的光致激发 PL 和电致激发 EL 过程都可以产生激子 如图 1 3 其 中 PL 激发仅是从基态单线态到激发单线态的电子跃迁 而 EL 的激发可以同时产生从 基态到激发态单线态 S 和到激发三线态 T 的电子跃迁 这是因为在 EL 激发中 有机 分子激发态产生于载流子的复合 这种复合不需要自旋选择性 每四对电子空穴对在 复合区复合 形成 1 个单线态激子 总自旋量子数 S 0 和 3 个三线态激子 总自旋 量子数 S 1 图 1 3 有机材料的光致发光和电致发光 激子可以通过光量子的形成重新发射出已吸收的能量而产生去激发 弱发射开始 和结束的状态具有相同的自选多重性 态的多重性由 2S 1 定义 S 为态的总自旋数 比如 从第一激发单线态 S1向基态单线态 S0的辐射跃迁产生具有 S 0 的荧光 有机 分子荧光的寿命很短 约为几个纳秒 通常环境下观察到的发光就是这种荧光 正因 为其余辉时间很短 OLED 才可以显示视频图像 其最终的响应速度取决于器件电容 若发射开始和结束的状态具有不同的自旋 例如 从最低激发三线态 T1至基态 S0的辐 射跃迁会产生具有 S 1 的磷光 因为只有 S 0 时才能产生高的可几迁移 因此 T S0在室温下是进阶的 较难观测到磷光 有机电致发光器件的电注入到光输出的基 本过程中 通常发光的内量子效率最高 25 而 75 的能量以无光辐射的形式损失 对于蒸发的 Alq3膜 光致发光量子效率为 8 故其最大电致发光效率为 2 简单地说 有机 EL 的过程就是载流子 空穴与电子 注入 迁移 复合 发光的过 程 因此 理想的 OLED 器件应该具有如下几个特点 1 两个电极与和其相邻的层之间的注入势垒比较低 空穴和电子的注入能力强 并且两者之间比较均衡 2 空穴传输层和电子传输层的传导能力强 3 发光层中的非辐射复合中心少 激发态分子大部分以辐射发光的形式激发 4 发光区域离金属电极比较远 激子猝灭的几率比较小 5 电子和空穴运动到达发光层后尽可能被约束在发光层中 1 4 OLED 制造原理 OLED 显示屏的制作工艺主要有光刻 真空蒸镀和封装 光刻主要用于 ITO 玻璃 基板即阳极的刻蚀 蒸镀主要用于有机层 空穴缓冲层 空穴传输层 发光层 电子 传输层等 阴极的制备 封装是在制作完器件 对器件起保护作用避免氧化而进行的 工艺 1 4 1 光刻原理 光刻是按照阳极图形的设计要求 在 ITO 玻璃基板上面刻蚀出于阳极掩模板完全 相对应的几何图形 8 光刻是一种复印图像与化学腐蚀相结合的综合性技术 它先采用照相复印的方法 将光刻掩模板上的图形精确的复制在涂有光刻胶的 ITO 玻璃基板表面 在适当的波长 光照射下 光刻胶的溶解性发生变化 提高了强度 从而不溶于有些有机溶剂中 未 受照射的部分光刻胶没有发生变化 很容易被某些有机溶剂溶解 然后利用光刻胶的 保护作用 对 ITO 表面进行化学腐蚀 从而在 ITO 上得到与光刻掩模板相对应的图形 光刻的步骤包括 涂胶 利用旋转法在 ITO 表面涂上一层粘附性好 厚度适当 均匀 表面无颗粒无划痕的光刻胶 前烘 将 ITO 玻璃基板在红外灯下烘焙 促使胶 膜内溶剂充分的挥发掉 使胶膜干燥 增加胶膜与 ITO 之间的粘附性和提高胶膜的耐 磨性 不沾污掩模板 只有干燥的光刻胶才能充分进行光化学反应 曝光 预热紫外 光灯 使光源稳定 将光刻掩模板安装在支架上 光刻掩模板与工作台上的玻璃基板 涂有光刻胶的一面紧贴 是光刻掩模板上的图形与 ITO 相应位置对准进行曝光 显影 将经过曝光的 ITO 玻璃基板放在显影液中 将未感光部分的光刻胶溶除 以获得腐蚀 时所需要的图形 坚膜 显影时胶膜发生软化 膨胀 坚膜可以使胶膜与 ITO 之间的 粘贴更牢 以增强胶膜本身的抗蚀能力 腐蚀 选适当的腐蚀液 将无光刻胶覆盖的 ITO 腐蚀掉 而有光刻胶覆盖的区域保存下来 去胶 去掉覆盖在 ITO 上的保护胶膜 1 4 2 真空蒸镀原理 真空镀膜技术是一种新颖的材料合成与加工的新技术 是表面工程技术领域的重 要组成部分 真空镀膜技术是利用物理 化学手段将固体表面涂覆一层特殊性能的镀 膜 从而使固体表面具有耐磨损 耐高温 耐腐蚀 抗氧化 防辐射 导电 导 磁 绝缘和装饰等许多优于固体材料本身的优越性能 达到提高产品质量 延长产品寿命 节约能源和获得显著技术经济效益的作用 因此真空镀膜技术被誉为最具发展前途的 重要技术之一 并已在高技术产业化的发展中展现出诱人的市场前景 真空蒸发镀膜法 简称真空蒸镀 是在真空室中 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 称为衬底或基 片 表面 凝结形成固态薄膜的方法 由于真空蒸发法或真空蒸镀法主要物理过程是 通过加热蒸发材料而产生 所以又称热蒸发法 9 一般说来 真空蒸发 除电子束蒸发外 与化学气相沉积 溅射镀膜等成膜方法 相比较 有如下特点 设备比较简单 操作容易 制成的薄膜纯度高 质量好 厚度 可较准确控制 成膜速率效率高 用掩膜可以获得清晰图形 薄膜的生长机理比较单 纯 这种方法的主要缺点是 不容易获得结晶结构的薄膜 所形成薄膜在基板上的附 着力较小 工艺重复性好等 真空蒸发镀膜包括以下三个基本过程 1 加热蒸发过程 包括由凝聚相转变为气相 固相或液相 气相 的相变过程 每种蒸发物质在不同温度时有不相同的饱和蒸气压 蒸发化合物时 其组分之间发生 反应 其中有些组分以气态或蒸气进入蒸发空间 2 气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运 即这些粒子在环境气氛中的飞 行过程 飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数 取决于蒸发原子的平 均自由程 以及蒸发源到基片之间的距离 常称源 基距 3 蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程 即是蒸发凝聚 成核 核生长 形成连续薄膜 由于基板温度远低于蒸发源温度 因此 沉积物分子在基板表面将直 接发生从气相到固相的转变过程 上述过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行 否则 蒸发物原子或分子将 与大量空气分子碰撞 使膜层受到严重的污染 甚至形成氧化物 或者蒸发源被加热 氧化烧毁 或者由于空气分子的碰撞阻挡 难以形成均匀连续的薄膜 1 4 3 封装原理 OLED 的封装主要是将发光器件与环境隔离 以防水分 有害气体 氧气等 尘 埃及射线的侵入并防止外力损伤 稳定器件的各项参数进而提高 OLED 的使用寿命 常用的封装技术有玻璃封装和薄膜封装 10 1 物理法封装技术 OLED 封装的一个简单的方法就是将金属背电极包埋在一层厚的金属涂层中 这 种方法简便 价格低廉 但在金属蒸镀过程中不可避免的会有针孔缺陷形成 为了避 免金属涂层的针孔缺陷 使用玻璃封装 即将显示器件密封在干燥的惰性气体环境中 如密封在一有玻璃盖的干燥盒内 玻璃能很好的隔离潮气和氧气 2 化学法封装技术 利用热化学气相沉积聚合成膜技术封装 OLED 器件 TCVDPF 封装过程并不影响 OLED 的发光性能和电流与电压的性质 而且封装后的 OLED 使用寿命较未封装的寿 命提高了 4 倍 3 复合封装法 复合封装法也就是所谓的多层包覆密封 它弥补了靠单一无机物或有机物封装带 来的缺陷 被认为是最具有前景的一类封装方法 相对于传统的封装方法具有低成本 更轻 更薄的优点 有效延长了 OLED 的使用寿命 并能有效消除各防护层材料之间 的相互影响 2 音乐播放器 OLED 显示屏设计 2 1 OLED 显示屏外观设计 本次设计的音乐播放器 OLED 显示屏考虑到实际应用问题 便于随身携带 所以 设计尺寸为 2 6 英寸 可视区的对角线尺寸为 2 6 英寸 屏长宽比为 4 3 折合为 mm 为单位可得对角线长为 2 6 25 4 66 04mm 可视区的长为 66 04 5 4 54mm 宽为 66 04 5 3 36mm 可视区与 ITO 玻璃基板的边缘留有一定的余地 并且所有电极引脚 都是在 ITO 玻璃上光刻 所以还需留出光刻电极引脚的区域 设计 ITO 玻璃基板的长 为 58mm 宽为 50mm 玻璃厚度为 0 5mm 封装盖要保护金属阴极 所以需盖住金属 引线 设计封装盖的长为 58mm 宽为 47mm 显示图形设计基本处于可视区的中心 显示屏外观图如图 2 1 所示 图 2 1 显示屏外观图 2 2 显示图形设计 现在音乐播放器的功能不仅仅限于音乐的播放 在显示方面也日渐完善 不在局 限于显示音量和电量 所以本设计增加了播放模式 视觉效果 时间 循环模式 播 放进度和播放时间的显示 这样可以使使用者根据自己的喜好选择 总体显示效果图 如图 2 2 所示 图 2 2 总体外观图 图形左上角六个八字图中 1 所示区域显示播放进度 前三个八字用来显示当前播 放歌曲的位置 后三个八字显示歌曲的总数量 最上面八字后面的图形图中 2 所示区域是用来显示循环模式的 从左到右分别表 示单曲播放 单曲循环 全部播放和全部循环 接下来的比较大的一块点阵图 3 所示区域用来显示视觉效果 可以显示梦幻星空 频谱分析和示波显示等视觉效果 后面的字符显示图中 4 所示区域 用来表示播放模式 NOR 表示正常模式 3D 表示 3D 效果模式 ROCK 表示摇滚模式 POP 表示流行音乐模式 JAZZ 表示爵士音 乐模式 USER 表示用户自定义模式 下半部分的七个点阵字符图中 5 所示区域用来显示歌词 这个点阵区域可以循环 显示歌曲名 歌手以及歌词 最下面的十二个八字图中 6 所示区域 显示时间 前六了八显示当前播放歌曲的 播放时间 后六个八字显示此歌曲的总时间 最明显的就是显示电量和音量的图形 分别用电池符号和喇叭符号显示 图中设计的七段八字大小完全一样 只是根据显示要求来合理分布显示位置 设 计的七段八字高为 3 2mm 宽为 1 7mm 笔段宽度为 0 2mm 相邻的两个八字之间的 距离是 0 4mm 如图 2 3 所示 图 2 3 七段八字的设计图 设计的用来显示视觉效果个歌词的区域选择点阵显示 所设计的点阵分八个区域 由于不需要显示精细图形所以设计的点阵为 0 5 mm 0 5 mm 点阵子像素之间的距离 为 0 2 mm 如图 2 4 所示 图 2 4 点阵的设计图 设计电极引脚考虑到驱动电路和整体的美观 所以设计在玻璃基板的下边 通过 设计显示图形的电极计算出共需要 200 个电极引脚 其中阳极引脚 152 个 阴极引脚 48 个 设计的电极高度为 6mm 电极宽度为 0 2mm 电极之间的间距为 0 07mm 如 图 2 5 所示 图 2 5 电极引脚的设计图 2 3电极图形设计 电极设计是显示屏设计过程中的一个非常重要的环节 电极设计包括逻辑走线表 的设计 逻辑真值表的填写 和电极的绘制 2 3 1 逻辑真值表的设计 图 2 6 逻辑走线图 逻辑走线表是指显示像素所对应的阴 阳电极之间的逻辑连接关系 包括笔段或 点阵电极之间的连接以及它们与引线的连接 连接方式一般由驱动电路来决定 或由 客户提供 电极连接的规则是当阴 阳任意一组对应电极选通时 只能有一个像素被 点亮 这是进行逻辑走线表设计的最基本的原则 设计图形的逻辑走线如图 2 6 所示 逻辑真值表如表 2 1 所示 电极阳极分布在左 边 阴极在右边 阳极序号从左到右依次为 1 152 阴极序号从右到左依次为 1 48 表 2 1 逻辑真值表 分解图 PINS14S15S16S17S18S19S20S21S22S23S24S25 C13B3A3F2B2A2F1B1A1F C23C3G3E2C2G2E1C1G1E C113D2D1D C12W7 C13W6 C14W5 PINS26S27 S42S43S44S45 C16D1 1D1 2 D1 17 C17D2 1D2 2 D2 17 C27D12 1D12 2 D12 17 C28W8 C29W9 C30W10 PINS1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13 C36B6A6F5B5A5F4B4A4F C46C6G6E5C5G5E4C4G4E C5W1 C6W2 C7W3 C8W4 C96D5D4D C10Q1 PINS46S47S48S49S50S51S52S53S54S55 C467F7A7B8F8A8BQ29F9A9B C477E7G7C8E8G8CQ39E9G9C C487D8D9D PINS56S57S58S59S60S61S62S63S64S65 C4610F10A10BQ411F11A11B12F12A12B C4710E10G10CQ511E11G11C12E12G12C C4810D11D12D PINS66S67 S114S152 C15Q10 C31D13 1D13 2 D13 49 C32D14 1D14 2 D14 49 C41D23 1D23 2 D23 49 PIN S11 5 S11 6 S11 7 S11 8 S11 9 S120S121S122S123S124S125S126S127S128 C4313F13A13B14F14A14BQ615F15A15B16F16A16BQ8 C4413E13G13C14E14G14CQ715E15G15C16E16G16CQ9 C4513D14D15D16D PINS129S130S131S132S133S134S135 S151 C42S16 S1 C4317F17A17B18F18A18B C4417E17G17C18E18G18C C4517D18D 2 3 2 电极走线的设计 在逻辑走线表的基础上 就可以进行电极图形的设计 所谓电极指的是阳极 ITO 玻璃 金属阴极的图形 因此 阳极 ITO 膜的功能有两个 一是作为电极 将信号加 到电极上 二是通过本身的形状来控制显示图案 ITO 玻璃基板经光刻所有的保留下 来的 ITO 膜统称为电极图形 它包括像素电极部分 引线电极部分和外引线 引脚 部分 而且 电极也是通过光刻技术来完成的 而光刻是不能刻单线的 因此电极必 须具有一定宽度 该宽度称为线宽 而且电极之间的间隔 称为线间距 也要满足光 刻机的要求 最小线宽和最小线间距必须大于光刻机所能识别的最小宽度 否则将会 造成短路或断路 电极设计原理 设计原理是在绘制电极过程中始终要遵循的原则 需要显示的区 域对应的 ITO 玻璃的 ITO 膜必须保留且阴极必须镀上金属 而不需要显示的区域 如 图案之间的间隔 引线 对应的阳极 ITO 不能够保留 阴极金属不能镀上或不能使其 在上下对应部分发生重叠 换句话说 上下电极图形重叠的区域就是能够显示的区域 而不重叠的部分则是不能够显示的区域 这就是设计电极所要遵循的基本的原则 走线原则 1 同一面上不同的引出端电极的连线不能交叉 如果走线必须相交时 用过渡点跨线 2 上 下图形走线尽量避免交叉 如果难以避免时 交叉点最好选择 在可视区之外 若必须在可视区内交叉 其交叉点的面积要控制在 0 1mm 0 1mm 范围 内 3 布线的宽度尽量走宽 不宜走又细又长的线 电极图形的设计过程 1 七段八字的电极绘制过程 1 绘制目标图形七段 8 字 将各笔段分别闭合 2 设计逻辑走线或写出逻辑真值表 本设计采用 3 3 的驱动方式 3 分层布电极 在 8 字基础上 利用偏移命令将每一个笔段向外偏移 形成内外 两个 8 字 将其放置在不同图层上 阴极层和阳极层 4 连通 按照逻辑表走线 将一个引脚连接的笔段全部连通 两层都这样 5 处理笔段连通的地方 在一层上连通时产生的多余区域必须由另外一层来控 制 将多余部分切掉 6 处理引线部分 如果是外层引出 可不必考虑 如果是内层引出 则要考虑引 线处的笔段边缘 可由外层电极来控制 总之 在某一层上由于笔段连通或引线使笔 段边缘扩大 必须由另一层将多余部分去掉 以使图形不发生变形 7 分层检测 看是否有多余线头 重线或断线 8 检测 设计完成后 必须将两个版重合在一起检查设计质量 要求上下版图重 合部分就是外观图重要显示的部分 而非显示的内容上下版不能有重合 除检查重合 的质量外 还要检查每个显示单元与外引出线的连线是否正确 即符合真值表的要求 设计的 8 字电极如图 2 7 所示 a 阳极电极图形 b 阴极电极图形 c 重合电极显示图形 图 2 7 七段 8 字电极图形 2 字母或文字的电极走线设计过程 1 绘制目标图形 具有宽度的文字或字母 2 设计逻辑走线 本设计采用 1 1 的驱动方式 3 分层布电极 将文字本身的边缘作为一层电极 需要连通的地方连通 另一层 电极则由一个将文字包括在内部的矩形框构成 阴极层和阳极层 4 处理笔段连通的地方 在一层上连通时产生的多余区域必须由另外一层来控制 将多余部分切掉 最好不要留有悬空实体 5 处理引线部分 内层电极出线时 由外层来控制该处边缘 总之 在某一层上 由于笔段连通或引线使笔段边缘扩大 必须由另一层将多余部分去掉 以使图形不发 生变形 6 检测 设计的其中一个字符如图 2 8 所示 a 字符阳极电极 b 字符阴极电极 c 字符电极 图 2 8 字符的电极走线 3 点矩阵的电极走线设计过程 1 绘制目标图形 即点阵 2 设计逻辑走线 3 分层布线 由于点阵为行列驱动 因此在电极排布上实质是一些行列连通的电 极条 阳极层和阴极层 但要保证两层电极条的相交或重叠区域正好是像素的大小 4 为了留有余量 顶端需伸出一点 5 给每个电极条引线 6 检测 设计图形中一个点矩阵电极的设计如图 2 9 所示 a 点阵阳极 b 点阵阴极 c 点阵电极 图 2 9 点电极的设计 2 3 3 电极的设计 电极的设计决定着显示图形 阴极与阳极在可视区重叠的部分就是要显示的图形 在可视区不该显示的区域阴阳极不能重叠 阴 阳极电极尽量不重合 在可视区避免 不了重叠需控制在 0 1mm 0 1mm 范围内 最终电极走线及引脚连接如图 2 10 所示 a 阳极走线图 b 阴极走线图 c 电极走线图 图 2 10 电极走线及引脚连接图 2 4 掩模板设计 设计完电极走线接下来就是掩模板的设计 包括阳极掩模板 阴极掩模板和有机 层掩模板的设计 2 4 1 阳极掩模板设计 阳极图形及电极和所有引脚都是在 ITO 玻璃上光刻形成的 所以阳极掩模板的设 计并不同于阴极掩模板和有机层掩模板 阳极掩模板的图形如图 2 11 所示 图 2 11 阳极掩模板 2 4 2 阴极掩模板设计 在 OLED 器件中用金属 合金做阴极 利用蒸镀工艺制备 由于金属在空气中易 氧化 因此加封装盖保护阴极 避免与空气中的水和氧气接触 所以不能将电信号直 接加到金属上 需通过 ITO 电极将电信号传递给阴极 所以阴极电极和 ITO 电极引脚 还必须相连 以便能传输电信号 所以在与电极引脚相连部分要有一部分与 ITO 电极 重合 即覆盖一部分 ITO 电极 这样才能使电信号很好的通过 阴极电极引脚和 ITO 连接图如 2 12 所示 阴极掩模板如图 2 13 所示 图 2 12 阴极电极和 ITO 连接图 图 2 13 阴极掩模板 2 4 3 有机层掩模板设计 有机层包括三层 电子传输层 空穴传输层和发光层 作用即传输载流子 平衡 载流子并发光 而有机层掩模板就是给有机层限定范围 决定有机层的形状与大小 要保证可视区图形全部发光 必须使有机层将可视区全部覆盖 如图 2 13 所示 图 2 13 有机层掩模板 2 4 4 OLED 显示屏制作工艺 OLED 显示屏的制备步骤 将附有 ITO 的玻璃衬底进行光刻 刻出底电极图形 清洗烘干备用 将 CuPc BCP Alq3 Mg Ag 等分别置于 OLED 制备系统的相应舟 中 将衬底玻璃以面朝下方式放在小车上 以便可以在两个室的各个部分移动 抽真 空系统使其达到约 5 10 4Pa 较高真空状态 依次蒸发 CuPc NPB Alq3 Mg Ag 薄 膜 11 如图 2 14 所示 ITO 光刻ITO 清洗 发光层蒸镀金属电极蒸镀 空穴传输层蒸镀缓冲层蒸镀 封装测试 图 2 14 OLED 器件的制备过程 1 ITO 玻璃表面处理 为了得到精细的条纹 实现无源驱动 必须对 ITO 进行光刻 ITO 光刻工艺如图 2 15 所示 清洗 涂胶 前烘 曝光显影 检测 去胶 刻蚀 检测 坚膜 图 2 15 ITO 光刻工艺过程 ITO 表面处理 a 先将 ITO 玻璃表面洗净 b 利用匀胶机涂布光刻胶 采用光刻胶 光 刻胶稀释剂 1 1 的光刻胶 通过控制匀胶机转速来控制胶的厚度 c 通过前烘消除在 光刻中胶与掩模板发生黏结 d 利用紫外光将阳极光刻掩模板图形投影在胶上 e 曝光 与未曝光的部分光刻胶成分不同 曝光部分在显影液中会溶解 f 清洗留在 ITO 玻璃 上的显影液并在烘箱中坚膜 g 检测光刻胶图形的完整性 h 用 HCl H2O 1 1 并加入一 定量的 FeCl3对 ITO 进行刻蚀 将图形转到 ITO 上 i 用 4 的 NaOH 溶液进行去胶 j 检测 电极上是否有短路或断路 12 2 有机膜制备 将清洗过的 ITO 玻璃放在真空室内的基片支架上 将 CuPc NPB Alq3等有机材 料放在由钨丝环绕的石英玻璃舟内 然后采用真空蒸镀法进行有机层的蒸镀 13 各材 料的蒸镀条件如表 2 2 所示 表 2 2 各种有机材料的蒸镀条件 有机材料蒸发温度 真空度 Pa 蒸发速率 nm s CuPc3404 10 40 1 NPB2204 10 40 3 Alq32204 10 40 3 有机层的蒸镀 将洗净的 ITO 玻璃放置于支架上 将有机层掩模板贴近 ITO 玻璃 基板放置 通过蒸发舟依次蒸镀 CuPc PVK Alq3 BCP 等有机物 其中 CuPc 作为 缓冲层 用来降低 ITO 和有机层之间的势垒 有助于空穴的注入接触 平衡电子和空 穴 PVK 作为发光层主体材料兼空穴传输层 Alq3作为电子传输层 使电子传输到发 光层 BCP 作为空穴阻挡层 使空穴和电子相对平衡 3 金属阴极制备 有机膜制备好后应立即开始制备阴极 实验室常采用 Mg Ag LiF Al 作为阴极 14 由于 LiF 所蒸镀的量比较少 因此采用带一小孔的钨舟作为蒸发舟 蒸镀 Al 时由于其 与钨 钼 钽均发生反应 因此不能采用接触面比较大的舟作为蒸发源 因此采用钨 丝 将 Al 丝悬挂在钨丝上 减小接触面 各金属有机层沉积条件如表 1 2 所示 表 2 3 各种阴极材料的蒸镀条件 阴极材料蒸发电流 A 真空度 Pa 蒸发速率 nm s Mg Ag503 10 31 1 LiF505 10 40 3 Al253 10 31 1 阴极也采用的是蒸镀工艺 将阴极掩模板接近基板放置 进行蒸镀 这样可以保 证蒸镀图形的完整和不扩散 阴极可以采用金属阴极 合金阴极和层状阴极 在这本 设计采用的是合金阴极 即采用 Mg Ag 合金 合金阴极比金属阴极发光效率高而且还 对稳定器件有一定的作用 4 器件封装 含有有机薄膜及金属电极薄膜的 OLED 器件 遇到水和氧气会立即变坏 因此在 将器件从真空室中取出之前必须对其进行封装 蒸镀完金属电极后 通过机械手将蒸 镀好的器件从真空室中拿到封装室内 将其放在四周涂有封框胶的封装玻璃上 向封 装室内冲入高纯氮气 在封装室中再进行真空封装 封装可以采用薄膜封装和玻璃封装 本设计采用玻璃封装 金属 合金暴露于空 气中会氧化 与水接触会对性能产生影响 并且会减少器件的使用寿命 加封装盖可 以很好的对阴极电极起到保护作用 将制备完阴极的玻璃板至于真空室内进行封装 封装盖必须将阴极全部覆盖 尤其是阴极电极的引脚部分 将封装盖对位放置在器件 上在四周用封框胶将其封口 避免空气和水的进入 3 OLED 器件结构和材料 3 1 器件结构设计 有机电致发光器件多采用夹层三明治结构 即将发光层夹在两侧的电极中间 加 上电压后 空穴和电子分别从阳极和阴极注入 并在有机层中传输 相遇之后形成激 子 激子复合发光 15 氧化铟锡 indium tin oxide ITO 透明电极和低功耗函数的金 属 Mg Li Ca 等 常被分别用作阳极和阴极 辐射光经由 ITO 一侧射出 OLED 技 术从最初的单层器件发展到今天 出现了各种复杂的器件结构 器件的光电性能也有 了质的飞跃 3 1 1 基本结构器件 1 单层器件结构 单层有机薄膜被夹在 ITO 阳极和金属阴极之间形成最为简单的单层有机电致发光 器件 16 17 如图 3 1 所示 其中的有机层作为发光层 EML 又兼做电子传输层 ETL 和空穴传输层 HTL 单层器件主要用来测量有机材料的电学 光学性质和 制备聚合物电致发光器件 图 3 1 单层器件结构 单层器件虽然有制作简单的优点 但是由于大多数有机材料都是单极性的 同时 具有均等的传输电子和空穴性能的材料很少 如果用这种结构 器件的性能较差 主 要是因为 a 由于两种载流子注入不平衡 载流子复合几率较低 因而影响器件的发光 效率 b 厚度较大 引起的驱动电压高 效率差 c 由于两个电极之间只隔了一个发 光层 复合发光区靠近金属电极 该处缺陷较多 非辐射复合机率大 载流子很容易 从一个电极进入另一个电极 引起效率降低 要使发光层中具有高的载流子复合效率 两种载流子的注入及传输能力应相当 否则传输快的一方就会直接穿过发光层到达对电极而引起猝灭 平衡电子和空穴的注 入与传输可通过在电极和发光层之间加入载流子传输层或限制层制作多层器件的途径 来实现 2 双层器件结构 双层器件是有两种不同功能的有机层组成的有机电致发光器件 由于大多数有机 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 会使电子与空穴的复合区自然地靠近某一电极 当复合区越靠近这一电 极就越容易被该电极所猝灭 而这种猝灭有损于有机物的有效发光 从而使 OLED 的 发光效率降低 双层器件结构有效地解决了电子和空穴的复合区远离电极和平衡载流 子注入效率问题 提高了 OLED 的发光效率 根据功能材料的不同作用 分为 DL A 和 DL B 型 如图 3 2 所示 DL A 型是含有空穴传输层 HTL 和集电子传输功能和 受激发光的发光层 EMT DL B 是含有电子传输层 ETL 和集空穴传输功能和受 激发光的发光层 EML DL A DL B 图 3 2 双层器件结构 双层器件结构是为了平衡空穴和电子的注入量 提高载流子的注入速率 提高其 发光效率和量子效率 另外传输层还起着阻挡载流子的作用 这样更有利于控制空穴 和电子在发光层中复合 得到所需要的发光颜色 3 三层器件结构 三层器件结构如图 3 3 所示 由空穴传输层 HTL 电子传输层 ETL 和将电能转 化成光能的发光层组成的三层器件结构是由日本的 Adachi 首次提出的 这种器件结构 的优点是使三层功能层各司其职 对于选择材料和优化器件结构性能十分方便 是目 前有机 EL 器件中比较常用的器件结构 图 3 3 三层器件结构 4 多层器件结构 在实际应用中 为了降低驱动电压 提高对比度 增加量子效率和提高发光效率 但不改变发光颜色 一般采用多层器件结构 如图 3 4 所示 图 3 4 多层器件结构 多层器件结构不但保证了 OLED 功能层与玻璃间的良好附着性 而且还使得来自 阴极和阳极的载流子更容易注入到有机功能薄膜中 但是多层结构在改善器件的同时 也会给各层之间带来复杂的界面效应 5 掺杂型器件结构 有机荧光染料在高浓度时易互相反应 生成二聚体或者多聚体导致其浓度减小 进而影响 OLED 的发光效率 降低器件的发光亮度 在实际器件中 我们可以将其掺 杂在较高激子能量的基质材料中 利用能量传递时限受激的基质分子到染料分子的能 量转移 从而实现染料分子的发光 有机电致发光器件属于载流子双注入型发光器件 是由电极注入的电子与空穴在 有机物中复合而产生的发光 所以又称为有机发光二极管 其发光机理一般认为是在 外界电压驱动下 带负电的电子与带正电的空穴在有机层相向运动 当他们相遇时便 可能发生复合而放出能量并将能量传递给有机发光物质的分子 使其受到激发 从基 态跃迁到激发态 当受激分子从激发态回到基态时辐射跃迁而产生发光现象 在这个 过程中 要使发光中心发光并提高发光效率 必须使从阳极注入的空穴与阴极注入的 电子平衡地向发光中心注入 而在发光中心部位复合 从而提高器件的使用稳定性 3 1 2 OLED 器件彩色化结构 OLED 彩色化主要有三种方法 独立发光材料法 光色转换法以及彩色滤光膜法 独立发光材料法 顾名思义是以红绿蓝三色为独立发光材料进行发光 是目前 OLED 彩色化最常用的工艺方法 彩色滤光膜法 有些类似 LCD 采用白色光源透过 类似 LCD 的彩色滤光片来达到全彩的效果 光色转换法 主要利用蓝光为发光源 经 由光色转换薄膜将蓝光分别转换成红光或绿蓝光进而实现红绿蓝三色光 18 彩色化方 法如图 3 5 所示 a 三基色独立发光 b 白光 彩色滤色膜 c 蓝光 光色转换 图 3 5 三种彩色化方案原理图 3 1 3 音乐播放器 OLED 显示屏结构 音乐播放器的显示屏既要显示它的功能 还需考虑到人们的需求 一般采用柔和 的色彩显示可以使使用者身心放松 设计的这款显示屏为彩色显示 比较三种彩色化方案 红 绿 蓝三基色独立发 光对设备要求高 对位精度的误差要求也十分严格 制造成本较高 而且三种 RGB 发 光材料不同 发光材料的衰减周期不同 导致 RGB 三基色寿命长短不一 三