电子显示技术 第七章 新型光电显示技术 电致发光.pdf

1第页2010 10 26 电子显示技术电子显示技术 第7章 新型光电显示技术新型光电显示技术 2第页2010 10 26 新型光电显示技术新型光电显示技术 电致变色显示技术 场致发射显示技术 电致发光显示技术 电泳显示技术 铁电显示技术 3第页2010 10 26 电致变色显示技术 电致变色 Eletroc chromism EC 是指 材料的光学属性 反射率 透过率 吸收 率等 在外加电场的作用下发生稳定 可 逆的颜色变化的现象 在外观上表现为颜 色和透明度的可逆变化 具有电致变色性 能的材料称为电致变色材料 用电致变色 材料做成的器件称为电致变色器件 Eletroc chromism device ECD 4第页2010 10 26 电致变色的形式 离子通过电解液进入材料引起变色 金属薄膜电沉积在观察电极上 彩色不溶性有机物析出在观察电极上 5第页2010 10 26 电致变色显示器与其它显示器相比 具有无视盲角 对比度高 制造成本低 工作温度范围宽 驱动电压低 仅0 5 20V 器件可以做成全固态结构 具有存储功能 色彩丰富等优点 在仪表 显示 户外广告 静态显示等领域具有很 大的应用前景 6第页2010 10 26 缺点 响应慢 响应速度500ms 对于频繁改变的显示 功耗大 往复显示寿命不高 大约10 6 10 7次 7第页2010 10 26 电致变色显示器件 ECD结构组成和显示原理图 根据电致变色层材料不同 可以分为 全固态塑料电致变色器件 混合氧化物电致变色器件 8第页2010 10 26 场致发射显示技术 FED Field Emission Display 的电子发 射是指电子从阴极逸出进入真空或其它气体 媒质中的过程 场致电子发射现象是在强外加电场作用下固 体表面发生的发射电子的现象 是利用加在 物体表面的强电场束削弱阻碍电子逸出物体 的力 并利用隧道效应使固体向真空发射出 电子 由于外加强电场使表面势垒高度降 低 宽度变窄 电子穿透势垒的几率增加 因而发射电流随之迅速增加 其电子主要来 自费米能级附近较窄范围的能带上 9第页2010 10 26 10第页2010 10 26 其工作原理是使用电场自发射阴极材料的尖端放出电子来 轰击屏幕上的荧光粉 启动荧光粉而发光 有点类似CRT 的工作原理 但不同的是CRT在显像管内部有三个电子 枪 为了使电子束获得足够的偏离还不得不把显像管做得 必须有一段距离长 因此CRT显示器又大又厚又重 而FED 在每一个荧光点后面不到3mm处都拥有成千上万个主动极 小的冷电子发射器 同时用场发射技术作为电子来源以取 代传统CRT显像管中的热电子枪 由于不是使用热能 使 得场发射电子束的能量分布范围较传统热电子束窄而且具 有较高亮度 因此在构造上FED可以达到比CRT节省空间的 效果 其次在于电压部分 CRT大约需要15 30KV左右的工 作电压 而FED的阴极电压约小于1KV 因而可以用于平面 显示器并带来了很多优秀特色 11第页2010 10 26 7 3 1电致发光现象的历程 什么是电致发光 电致发光 electroluminescent EL 是指半导 体 主要是荧光体 在外加电场作用下的自发光 现象 利用EL原理做成的显示器件 称为ELD 注入型EL 外场下产生少数载流 子注入而发光 电致发光 本征型EL 不伴随少数载流子注 入而发光 后简称EL为本征发光 电致发光显示技术 12第页2010 10 26 7 3 1 电致发光现象的历程 1936年 法国用ZnS粉末发光 1950年 Sylvania公司利用SnO2透明导电膜 开发成功分散型EL元件 称为第一代EL 1968年 Vecht等和Kahng等人发表论文使 EL的研究更进一步 被认为是第二代EL开 始的标志 1983年 日本开始薄膜ELD批量生产 电致发光显示技术 13第页2010 10 26 7 3 2ELD元件的分类 近年来正从材料的角度进行研究ELD 所涉 及的范围越来越广 EL从结构上分分散型和薄膜型 从驱动方 式上分交流驱动型和直流驱动型 因此可 以组合出四种EL元件类型 其中已经达到 实用化的有薄膜型交流EL和分散型交流 EL 如下图 电致发光显示技术 14第页2010 10 26 7 3 2EL元件的分类及特征 EL元件的分类及特征 电致发光显示技术 15第页2010 10 26 7 3 2 ELD的特征 与其他电子显示元件相比 有下述优点 图像显示质量高 自发光 显示精度高 8条 mm以 上 受温度变化的影响小 发光阈值决定于隧道效应 是目前唯一的全固体显示元件 耐冲击振动好 小功耗 薄型 质轻 一般厚 25mm 对 微机 显示器重约500g 因为上述特点 可在很多领域应用 电致发光显示技术 16第页2010 10 26 电致发光的原理 结构 特性 半导体发光半导体发光 半导体中的电子可以吸收一定能量的光子而被 激发 同样 处于激发态的电子也可以向较低的 能级跃迁 以光辐射的形式释放能量 即电子从 高能级向低能级跃迁 伴随着发射光子 称为半 导体发光现象 半导体发光的主要条件 半导体发光的主要条件 系统必须处于非平衡状态 通过非平衡载流子 的复合 形成发光 激发方式 激发方式 电致发光 光致发光 阴极发光等 17第页2010 10 26 半导体发光半导体发光 发光效率 发光效率 内部量子效率 内部量子效率 内 单位时间内产生的光子数 单位时间内注 入的电子 空穴对数 外部量子效率 外部量子效率 外 单位时间发射到外部的光子数 单位时间 内注入的电子 空穴对数 18第页2010 10 26 7 3 3 1分散型交流电致发光 起源于Sylvania公司 第一代EL代表结构形式 目前应用于液晶显示器的背照光源 分散型交流EL元件的基本结构 电致发光显示技术 荧光粉分散在有机粘结剂 中 做成厚度50 100um薄 层 荧光粉母体为ZnS 添 加发光中心Cu Cl I Mn 等 有机粘结剂采用高介电 常数的有机物如氰乙基纤维 素等 粉晶悬浮在绝缘介质中 的发光现象 背电极与发光层间有绝缘背电极与发光层间有绝缘 层 层 背电极为Al膜 19第页2010 10 26 分散型交流电致发光原理 ZnS荧光体粒径为5 30 m 通常在一个 ZnS颗粒中会存在 点缺陷及线缺陷 电场在ZnS内非均匀分布 所以发光状态 也不相同 在ZnS颗粒内沿线缺陷会有Cu的析出 形成电导 率较大的CuxS 其与ZnS形成异质结 可以认为这样就形成 了电导率非常高的P型或金属电导状态 当施加电压时 在 上述CuxS ZnS界面上会产生高于平均电场的电场强度 在这 种高电场强作用下 位于界面能级的电子会通过隧道效应向 ZnS内注入 与发光中心捕获的空穴发生复合 产生发光 当发光中心为Mn时 如上所述发生的电子与这些发光中心 碰撞使其激发 引起发光 电致发光显示技术 20第页2010 10 26 右图表示辉度 电压 L V 特性及发光效率 电压 V 特性 L V的关系 为 其中 与分别为常数 其 数值的大小与荧光体的粒 径 活化剂及共活化剂的 浓度 发光层的厚度 有 机粘结剂的介电常数等相 关 辉度与驱动周波数相 关 发光效率随电压的增 加先增加后减小 exp 21 00 VVLL 0 L 0 V 分散型交流EL元件的辉度 电压及发光效率 电压特性 电致发光显示技术 21第页2010 10 26 电致发光显示技术 发光色通过活化剂和共活化剂的组合可在 蓝色到黄色间变化 分散型交流EL元件的最大问题是稳定性差 寿命短 元件耐湿度性很弱 需钝化保护 第一代EL初期寿命为100h 现在为2500h 22第页2010 10 26 7 3 3 2 分散型直流电致发光 结构如图所示 由于是直流驱动 应选择具有导电性的荧光体层 为此选用粒径为0 5 1 m的荧光 体粉末 将荧光体浸在中进 行热处理 使其表面产生层 这种工艺叫包铜处理 最后再蒸镀Al 分散型直流EL制成后不马上 发光 而是在一定电压作用下长时间放置 再让其正式 发光 42SO Cu SCux 电致发光显示技术 23第页2010 10 26 L V特性表示为 从图中可以看出在100V左右的电压下可 获得大于500cd m2辉度 即使采用占空比为1 左右的脉冲驱动 也能得到与交 流驱动相同程度的辉度 此时其发光效率一般在0 5 1lm W范围内 且经严格 防湿处理后可以延长其寿命 直流驱动的寿命大致在1000h 脉冲驱动可达 5000h exp 21 00 VVLL 电致发光显示技术 24第页2010 10 26 7 3 3 3 薄膜型交流电致发光 1974年高辉度 长寿命的薄膜交流型EL元件被制成 该元件是将发 光层薄膜夹于两层绝缘膜间 结构如图所示 全膜厚只有2 m左 右 在EL元件电极间 加200v左右电压 可 获得EL发光 由于发 光层夹在两绝缘层之 间 可防止元件的绝 缘被破坏 可形成稳 定的以上的强 电场 而且 由于致 密的绝缘膜保护 可 防止杂质及湿气对发 光层的损害 cmV 106 电致发光显示技术 25第页2010 10 26 7 3 3 3 薄膜型交流电致发光 从发光机制来说 可以用ZnS Mn系的荧光体的的 碰撞激发来解释 当施加的电压大于阈值电压Vth 时 由于隧道效应 从绝缘层与发光层间的界面能 级飞出的电子被的强电场加速 使其热电子 化 并碰撞激发Mn等发光中心 被激发的内壳层 电子从激发能级向原始能级返回时 产生EL发 光 cmV 106 电致发光显示技术 26第页2010 10 26 以ZnS Mn系的电气特性为 例 电流 电压特性及电流的 相位角 电压关系如图所示 I V特性中以Vth为转折点 可用两条直线表示 低于Vth 区域 曲线斜率与绝缘层的 静电容量和发光层的静电容 量相串连的情况相对应 高 于Vth区域 曲线斜率仅与绝 缘层的静电容量相对应 从 相位 电压特性来看 高于 Vth 发光层从电容性负载向 电阻性负载变化 薄膜型交流电致发光 电致发光显示技术 27第页2010 10 26 薄膜型交流电致发光 ZnS Mn系的辉度 电压特性 及发光效率 电压特性如图所 示 辉度在Vth处急速上升 此 后出现饱和趋势 发光效率在 辉度急速上升的电压范围内到 达最大值 EL发光的上升沿为数微秒 下 降沿为数毫秒量级 辉度在数 千赫兹范围内与电压周波数呈 正比增加 电致发光显示器 28第页2010 10 26 元件的结构很简单 在薄膜发光层的两侧 直接形成电极即可 迄今为止 已试做过 各种各样的元件 但由于其稳定性不能解 决 所以至今未达到实用化 元件的发光 机制为碰撞激发型 需要的 强电场来驱动 由于没有绝缘膜保护 很 难保证不发生绝缘破坏 因此难以稳定地 维持强电场 从而需要导入限制电流层 cmV 10 10 65 电致发光显示技术 7 3 3 4 7 3 3 4 薄膜型直流电致发光薄膜型直流电致发光薄膜型直流电致发光薄膜型直流电致发光 29第页2010 10 26 以上讨论的EL元件的发光层都是由无机材 料做成的 最近已经制成以有机薄膜为发光 层及空穴输送层的注入型薄膜EL元件 在 有的文献中称为OLED Organic Electroluminescence Display Organic Light Emitting Diode 电致发光显示技术 7 3 3 5 7 3 3 5 有机薄膜电致发光有机薄膜电致发光有机薄膜电致发光有机薄膜电致发光 30第页2010 10 26 有机ELD OLED 的发展概况 有机EL的起源可以追溯至1963年 Pope等人以蒽单晶外加直流电压 而使其发光 但因当时驱动电压高 100V 且发光亮度和效率都比较 低 并没有引起太多的重视 直到1987年 美国Kodak公司的Tang等人以8 羟基喹啉铝 为发 光材料 把载流子传输层引入有机EL器件 并采用超薄膜技术和低 功函数碱金属作注入电极 得到直流驱动电压低 1 000cd 和效率高 1 5 lm W 的器件以后 才重新引起了 人们对有机EL的极大兴趣 1990年 英国Burroughes等人以聚对苯撑乙烯 PPV 为发光层材料 制成了聚合物EL器件 将有机EL的研究开发推广到大分子聚合物领 域 在过去十几年里 有机EL作为一种新的显示技术已得到长足的发 展 日本先锋公司于1997年已将用于汽车的低信息容量的有机ELD 投放市场 3Alq 2 m 电致发光显示技术 31第页2010 10 26 OLED技术是一项众人企盼的显示技术 尤其是在大尺寸 电视领域 该技术被认为是LCD和PDP技术的未来替代技 术 已经有大家厂商开始涉足OLED技术的开发和研究 最近几年 进入这个领域的学术界及工业界研究小组日益 增多 努力开发和研究物理性能优良的有机材料 探索新 的制膜工艺 改进器件结构 发展有机EL显示技术 研究 相关的发光机理等将是这一研究工作的主要目标 实验室的有机发光材料的研究成果令人振奋 例如小分子 有机发光二极管的红 绿 蓝三种颜色的发光亮度已经达 到31 lm W 英国South Bank大学的ELAM T公司甚至宣 称他们研制的稀土有机发光材料的效率已经超过70 lm W 目前有机EL的研究重点是 研制高稳定性的RGB三色和 白色器件以向实用化前进 并在此基础上 研究用于动态 显示的矩阵屏及实现高质量动态显示的驱动电路 电致发光显示技术 32第页2010 10 26 有机ELD的优点 有机薄膜电致发光 OEL 材料能提供真正的像纸一样薄的显示 器 OEL显示器又轻又薄 低功耗 广视角 响应速度快 亚微 秒 易实现全彩色大面积显示 OEL显示器结构简单 总厚度不到1 m 特别是可采用与集成 电路相匹配的直流低电压驱动 只要在两个电极之间加上5 10V的电压就可以产生电场效应而发光 OEL器件与无机EL器件相比 还具有多色彩性 易处理 可加 工成不同的形状 机械性能良好及成本低廉等优点 目前OEL已成为国际上的一个研究热点 有机OELD与无机ELD都具有视角大 响应速度快等优点 当 二者用于大信息量的彩色显示时 各有优缺点 下表是二者的 比较 有机ELD电致发光显示器 33第页2010 10 26 有机OELD和无机ELD的比较 电致发光显示技术 34第页2010 10 26 由表中可以看出 有机电致发光显示器件采用的是低温沉积工艺 从理论 上讲 可以降低成本 对无机交流ELD而言 驱动电路需要很高的电压 而电 致发光本身需要的却是低电流 这是其主要缺点 而 OELD使用的是恒流驱动 因此电极中电阻损失较小 无机电致发光和有机电致发光都需要用广谱发光材料 无机电致发光需要用滤色器 有机电致发光需要用变色 介质层 CCM 这样才能保证良好的色纯度 OELD的半衰期寿命长达10000h 为避免其在高信息容 量显示中产生潜像 对稳定性的要求相当严格 电致发光显示技术 35第页2010 10 26 有机ELD的结构及工作原理 典型结构如图所示 在透明电极 铟锡氧化物ITO膜 阳 极 上 由有机空穴传输层HTL 有机发光层EMI 有机 电子传输层ETL及金属背电极 阴极 等组成 包成如三明 治的结构 当在器件的两端加上正向直流电压时 即可 发光 通过选择不同的发光材料或掺杂的方法 就可以 得到不同颜色的光 其原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳 极和阴极 在一定正向直流电压驱动下 电子和空穴分 别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层 电子和空穴 分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层 并在发光层 中相遇 形成激子并使发光分子激发 后者经过辐射弛 豫而发出可见光 电致发光显示器 36第页2010 10 26 OEL器件的典型结构 电致发光显示技术 37第页2010 10 26 有机薄膜EL器件的发光过程由以下四个步骤完成 载流子的注入 电子和空穴分别从阴极和阳极注入夹 在电极间的有机功能薄膜层 载流子的迁移 载流子分别从电子传输层和空穴传输 层向发光层迁移 激子的形成和扩散 电子和空穴在发光层中相遇 形 成激子 激子复合并将能量传递给发光材料 使其从 基态能级跃迁为激发态 发光 激发态能量通过辐射弛豫过程而产生光子 释 放出光能 电致发光显示器 38第页2010 10 26 有机薄膜EL器件的驱动方式 1 直流驱动 在正向直流驱动时 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 或EML ETL 界面 或者越过势垒流入电 极 2 交流驱动 在交流驱动时 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 ETL 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 这些多余的空穴和电子改变运动方向 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器件内部形成的内建电场 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 某些局部导通的微观小通道 细丝 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 电致发光显示器 39第页2010 10 26 有机ELD用的材料及薄膜ELD器件的制作 RGB和白色EL器件的结构为 ITO CuPc NPB Alq3 DCJTB MgAg 器件R ITO CuPc NPB Alq3 QA MgAg 器件G ITO CuPc NPB DPVBi Perylene Alq3 MgAg 器件B 和ITO CuPc NPB DPVBi DCJTB Alq3 MgAg 器件W ITO玻璃衬底经清洗及等离子处理后放入真空室内 器件的各层都是 在优于8 10 4Pa的真空下 采用连续蒸发的方法制备的 有掺杂剂 时采用共蒸发的方法 Mg Ag合金电极用双源蒸发制得 最后经密 封制成器件 器件的亮度 色度及光谱通过PR650光谱扫描色度计测 量 亮度 电压和亮度 电流密度特性由2400 Source Meter及相关线路 测量 矩阵显示屏采用以下工艺制成 在ITO导电玻璃上 光刻成X方向的 条状电极 其线宽0 4mm 线间距0 1mm 在ITO电极上 蒸发上 CuPc TPD 然后用双源蒸发Alq及掺杂剂 最后制备Y方向的金属 条状电极 其线宽与线间距与X方向相同 器件经封装后得到 电致发光显示器 40第页2010 10 26 国外已经报道了用亚芳基连苯乙烯的衍生物作为发光材料的 有机电致发光显示器 这种器件在蓝光区域的光效可提高到 2 lm W左右 其原因就是在发光层中掺入了荧光性杂质 该器件的外部量子效率很高 达2 4 后来改进了掺杂剂 后 在恒流驱动下 有机电致发光显示器件的光效可高达6 lm W 寿命达10000h 起始亮度达l00cd 优化选择DSA胺 空穴注入层和阴极材料后 阴极效率大为 提高 在脉冲电压驱动下 改进后的蓝色有机电致发光器件 的亮度也明显提高 例如 在19V的脉冲电压作用下 每脉 冲相对亮度Lp的值大约为5 104 cd m2 高于以前报道的 值 这归因于所注入的载流子的优良性能 2 m 电致发光显示器 41第页2010 10 26 RGB多色有机ELD 有机EL与无机EL相比 比较容易解决蓝色发光问题 从而更容易实 现全彩色显示 实现全彩色显示的方式主要有三种 RGB三色各点分别采用三色发光材料独立发光 将蓝色显示作为色变换层 使其一部分转变成红色和绿色 从而形成 RGB三色 使用白色有机EL为背光 采用类似LCD所用的彩色滤光片 来达到全 彩色的效果 一般情况下 RGB多色有机电致发光显示含有红 绿 蓝三种次级像 素 其制作工艺过程如下 首先 在玻璃基板上印刷有机荧光介质层 形成红 绿两种次级像素 为改善蓝色次级像素的纯度 在蓝色像素前 加一蓝色滤光器 然后在基板上制作保护层 再在保护层上制作用作阳 极的ITO膜 最后再进行光刻 按上述步骤 在ITO膜上制作蓝色电致 发光器件 Mg Ag阴极由掩模工艺制作 电致发光显示器 42第页2010 10 26 有机ELD的像素是毫米级的 为了使像素小 于几百纳米 需要改进工艺以制取更精细的颜 色变换层及阴极等 利用最新的微图案成形工 艺 可以制造出尺寸微细的颜色变换层 其大 小仅为80 m 250 m 对于绿色像素 可利用 感光性高分子聚合物 含绿光发射材料 和光刻工 艺制成图案 对于红色颜色变换点阵 可通过 感光树脂掩模 对含有红色发光染料的透明树 脂层进行光刻 利用上述方法制作的颜色变换 层条带的相互间距为300nm 次级像素的尺寸为 300 m 800 m 电致发光显示器 43第页2010 10 26 有机ELD器件的新进展 先锋公司的研究人员在8 羟基喹啉铝溶液中掺入喹吖啶 得到了最大光效高达12 lm W的绿色电致发光 以此制成 的电致发光显示器件初始亮度为300cd m2 半衰期寿 命达10000h 在此基础上 先锋公司成功地制造了显示面 积为9 5cm 2 1cm 无源寻址256 65的点阵显示屏 该 屏的功耗 不包括驱动电路的功耗 为0 5W 亮度为 100cd m2 为提高对比度 使用了滤光器 显示屏的光 效为1 3 lm W 目前先锋公司已有256 65单色产品在市 场销售 并展示了320 240彩色样机 Idemitsu Kosan公司用DPVBi作为发蓝光的有机电致发光材 料 其光效高达2lm W 利用变色介质产生红 黄 蓝 三基色 并制成25 4cm 640 480彩色的样机 电致发光显示器 44第页2010 10 26 1990年以来 人们一直研究一种新的共轭聚合物PPV有机 电致发光材料 这种电致发光材料原理简单 沉积成本 低 实用性强 即使采用简单的涂敷工艺也能生产出性能 良好的器件 简单的真空热处理或紫外处理都能生产共轭 聚合物 通过对PPV材料的化学组成进行调整 就可以调 整发光颜色 最近的研究表明 PPV电致发光的量子效率 为3 但有关PPV电致发光稳定性数据却很少 在多层结构的基础上 有机ELD器件已取得长足进展 虽 然有机ELD器件要实现全色显示还须克服许多困难 但作 为一种新型的全固态主动发光型显示器 除具备上面所述 的优点之外 还具有驱动电压低 发光效率高 亮度高 寿命长 制作工艺简单等优点 因此 有机ELD器件具有 广阔的应用前景 电致发光显示器 45第页2010 10 26 OLED驱动驱动 OLED的驱动方式分为被动式驱动 无源 驱动 和主动式驱动 有源驱动 一 无源驱动 其分为静态驱动电路和动态驱动电路 46第页2010 10 26 无源驱动 静态驱动方式 在静态驱动的有机发光显示 器件上 一般各有机电致发光像素的阴极是连在 一起引出的 各像素的阳极是分立引出的 这就 是共阴的连接方式 若要一个像素发光只要让恒 流源的电压与阴极的电压之差大于像素发光值的 前提下 像素将在恒流源的驱动下发光 若要一 个像素不发光就将它的阳极接在一个负电压上 就可将它反向截止 但是在图像变化比较多时可 能出现交叉效应 为了避免我们必须采用交流的 形式 静态驱动电路一般用于段式显示屏的驱动 上 47第页2010 10 26 无源驱动 动态驱动方式 在动态驱动的有机发光显示器件上人 们把像素的两个电极做成了矩阵型结构 即水平一组显示 像素的同一性质的电极是共用的 纵向一组显示像素的相 同性质的另一电极是共用的 如果像素可分为N行和M 列 就可有N个行电极和M个列电极 行和列分别对应发 光像素的两个电极 即阴极和阳极 在实际电路驱动的过 程中 要逐行点亮或者要逐列点亮像素 通常采用逐行扫 描的方式 行扫描 列电极为数据电极 实现方式是 循 环地给每行电极施加脉冲 同时所有列电极给出该行像素 的驱动电流脉冲 从而实现一行所有像素的显示 该行不 再同一行或同一列的像素就加上反向电压使其不显示 以 避免 交叉效应 这种扫描是逐行顺序进行的 扫描所有 行所需时间叫做帧周期 48第页2010 10 26 无源被动矩阵驱动无源被动矩阵驱动 49第页2010 10 26 OLED主动驱动方式主动驱动方式 利用TFT搭配电容存储信号 来控制OLED亮度和 灰阶 每个像素需要两个TFT和一个C 当扫描线开启时 外部电路送入电压信号经由开 关TFT储存在电容C上 此电压信号控制驱动TFT 导通电流的大小 此电流决定OLED的灰阶 当 扫描线关闭时 存储在电容上的电压仍能保持驱 动TFT导通 因此可在一个画面时间内提供固定 电流使OLED点亮 TFT制作目前多采用 Si和LTPS技术 50第页2010 10 26 主动驱动主动驱动OLED 51第页2010 10 26 主动有源驱动特点 有源驱动属于静态驱动方式 具有存储效应 可进 行100 负载驱动 这种驱动不受扫描电极数的限 制 可以对各像素独立进行选择性调节 有源 驱动无占空比问题 驱动不受扫描电极数的限制 易于实现高亮度和高分辨率 有源驱动由于可以对亮度的红色和蓝色像素独立进 行灰度调节驱动 这更有利于OLED彩色化实现 有源矩阵的驱动电路藏于显示屏内 更易于实现集 成度和小型化 另外由于解决了外围驱动电路与屏 的连接问题 这在一定程度上提高了成品率和可靠 性 52第页2010 10 26 主动与被动式驱动比较 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 53第页2010 10 26 主动与被动式驱动比较 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 54第页2010 10 26 ELD的各种驱动方式 针对已达制品化的二层绝缘膜结构的薄膜交流EL 元件的驱动方法 作为线顺次驱动法 有帧更新 field refresh 驱动法 对称驱动法 今后 随着 ELD的大容量化 高精细化 人们将寄希望于有 源矩阵驱动法 帧更新驱动法 对称驱动法 电致发光显示器 55第页2010 10 26 灰度调节显示驱动法 考虑到ELD要应用于微机等领域 就要求其必须能 进行灰度调节 实现灰度调节显示有两种方法 1 通过调节周波数 来调节显示一个像素的时间间隔变化 来达到调节灰度的目的 但由于这种方法是利用单位时 间内发光次数变化来调节 发光次数减少太多会发生闪 动现象 因此灰度调节的阶数受到限制 2 依据EL元件的辉度 电压特性 调节脉冲宽度或脉冲幅 度来达到调 节灰度的目的 其中 在不降低显示质量的 同时 能进行多灰度 调节的方式当数脉冲幅度调节法 但是这需要专门的IC 最近人们又提出采用锯齿波的脉 冲宽度调节法 并使16阶灰度的640 400 640 480像 素的ELD达到实用化 电致发光显示器 56第页2010 10 26 有源矩阵驱动法 像LCD一样 ELD也可以采用有 源矩阵式驱动 如在每个像素位置 设置非晶硅薄膜三极管 TFT 等驱 动元件进行驱动 如图所示 每个 像素位置设置两个TFT T1用于选 址 T2用于EL驱动 和电容 Cs用于 数据存储 Cdv用于EL驱动 由于 ELD具有存储效应 可进行100 负载驱动 这种驱动方式不受扫描 电极数的限制 可以对各像素进行 选择性调节 采用这种方法 可以 对低辉度的红色和蓝色像素独立进 行高周波驱动 有源矩阵驱动方式 使全色EL器件的实用化迈出了关键 的一步 电致发光显示器 57第页2010 10 26 ELD的用途及应用展望 1 数字及符号显示 据Lohja 荷 公司报道 ZnS Mn薄膜型交流ELD产品已正式 用于空港航班显示板 图即为 赫尔辛基空港内设置的ELD航 班显示板 每个数字或符号由 8 11点构成 尺寸为 40mm 35mm 亮度为115cd m2 在5 000 lx照度的周围 光之下 其对比度为10 1 整 个显示板的尺寸为3m 2 2m 厚度为20cm 每一行由45个符 号组成 共16行 电致发光显示器 58第页2010 10 26 2 图形显示 由ZnS Mn制作的双层绝缘膜结构的橙黄色发光薄膜交流ELD显 示器 应用范围不断扩大 正从原来的FA领域向OA相关联的领域扩 展 并逐步推广到笔记本电脑 微处理器等领域 目前市售的大型薄膜EL显示器的特性如下表所示 下图为工作站用 18英寸大型EL监视器 从表种可以看出 EL显示器的视角都在120 以上 非常宽 工作温度在0 50 也相当宽 电致发光显示器 59第页2010 10 26 电致发光显示器 60第页2010 10 26 彩色显示 如前面所述 以ZnS CaS SrS等作为发光层母体 可获得不同颜色的 发光 据此 人们采用下述四种方式 研究开发多色薄膜EL显示器 EL积层型 将多色发光层简单地积层 EL平面布置型 利用光刻工艺将三原色发光层在平面上布置 白色EL与彩色滤光器积层型 使发光波长广布于可见光范围内的白色发光 层与彩色滤光器相积层 二层基板型 是上述积层型与平面布置型相组合的方法 从将来彩色化的角度看 哪种方式最好 尚难以断言 但目前看来 EL平面布置型在制作 结构 驱动电路构成等方面最容易实现 只是需要 开发高辉度蓝色发光的荧光体 从最近的动向看 对白色发光EL与彩色滤 光器积层型的研制更多些 下面 在给出原型实例的同时 简单地介绍各 种方式的现状 电致发光显示器 61第页2010 10 26 EL积层型 EL积层型 可通过不同发光色的EL元件的积层 实 现多色发光 与平面布置型相比较 EL积层型的特点是 不影响显示的精细度 不需要对EL发光层进行特殊加工 缺点是 由于多层EL积层 薄膜形成难度大 驱动电路复 杂等 Planer System公司在单片上积层绿色 红色EL层 已试制出由320 240点构成的三色显示EL显示器 EL平面布置型 与积层型相比 EL平面布置型的优点是制作工艺简 单 向外电路引出端子的方法及驱动电路的构成基本上与 单色EL显示器相同 不必采取特殊措施 缺点是显示精度 低 需要对发光层进行加工 电致发光显示器 62第页2010 10 26 LCD背照光源 作为LCD的背照光源 分散型交流EL的需求 量正逐渐增加 从绿色发光的EL到最近白色发光 的EL都有产品面市 并正向大型化方向发展 随 着元件特性的提高 驱动电路的改进 电源周波 数的增加 正逐步克服其辉度较低的缺点 与荧 光灯相比 EL背照光源功耗小 温升低 但用于 全色LCD还需进一步提高辉度 电致发光显示器 上述全色EL显示屏的色再现性已达到与彩色CRT相接近 的水平 这种显示屏具有640 480个像素 分辨率为VGA 级 显示色为16色 今后的发展方向是实现全色显示 63第页2010 10 26 电致发光显示器 可以卷起来的显示器 64第页2010 10 26 图1 Samsung SDI展示40英寸 31英寸及14英寸OLED TV 图2 Samsung SDI 展示厚度只 有50 m的4 AMOLED 图1 Samsung SDI展示40英寸 31英寸及14英寸OLED TV 图4 Samsung SDI 展示4片 12 1 Transparent AMOLED面板 图3 Samsung SDI 6 5 Flexible AMOLED面板 65第页2010 10 26 ELD的课题与发展前景 与其他显示器相比 电致发光显示器 ELD 的研究开发起步很早 但未能捷足先登占领市场 至今仅有部分产品达到商品化 有些姗姗 来迟 主要原因是其彩色化进展缓慢 还有价格问题等 绿色和红色 发光已达到实用化水平 蓝色发光达实用化尚需一段时间 关于价 格 由于高耐压驱动IC占总价的1 3 因此降低高耐压驱动IC的价格 是当务之急 当然 这方面已取得了相当大的进展 高性能化的课题主要是提高效率 降低驱动电压 扩大显示容 量 关于降低电压 若能使目前200V的驱动电压下降到30V左右 就 可以采用CMOS IC驱动器进行驱动 有机ELD的驱动电压可降低到 10V 因此在这方面具有很大优势 为了降低驱动电压 提高发光效 率 需要进一步搞清楚发光机制 目前 由EL元件的光取出效率大致 在5 20 为进一步提高效率 既需要提高内部元件的发光效率 更需要提高光的取出效率 关于扩大显示容量 如果驱动扫描线数达 到500 1000条以上 则需要采用具有存储效应的EL元件 有源矩阵驱 动等技术 电致发光显示器 66第页2010 10 26 以上概括了ELD技术的现状 展望今 后的发展 大致分下述三个发展阶段 第一阶段 ZnS Mn 橙黄色 单色显示器 的商品化 第二阶段 二色 红色 绿色 三色 红 色 绿色 蓝色 多色显示器的商品化 第三阶段 全色显示器的商品化 电致发光显示器 67第页2010 10 26 电致发光显示器 目前正从第一阶段向第二阶段进展 单色ELD在国内 外的销售情况 远不如LCD好 主要原因是价格太高 因 此降低价格是最优先的课题 近年来OEL的研究取得突破性进展 并引起产业界的 高度重视 由于OELD主动发光 发光效率高 色彩丰 富 工作电压低 特别是可采用与集成电路相匹配的直流 低电压驱动 是极具发展前途的显示技术 估计OELD将 首先在小尺寸的显示领域获得应用 例如家电显示 手机 屏 PDA等 然后再与TFT技术结合 应用到较大屏幕的 显示 预计OELD将会在许多应用领域挤占LCD的市场 目前 OELD在工作状态和保存期的性能还不够稳 定 随着有机材料老化机理的研究取得突破性进展 OELD将成为一种重要的平板显示器 68第页2010 10 26 电泳显示技术 电泳 字面理解为 在一定的电压下可泳动 是指 悬浮于液体中的电荷粒子在外电场作用下定 向移动并附着在电极上的现象 电泳显示 Electrophoretic E Paper 工作原理是靠浸在透明或彩色液体之中的电 离子移动 即通过翻转或流动的微粒子来使 像素变亮或变暗 并可以被制作在玻璃 金 属或塑料衬底上 69第页2010 10 26 电泳显示技术 电泳显示技术基本原理 是将直径约为1mm的二氧化钛粒子被散布在碳氢油中 黑 色染料 表面活性剂以及使粒子带电的电荷控制剂也被加 到碳氢油中 这种混合物被放置在两块 间距为10 100mm 的平行导电板之间 当对两块导电板加电压时 这些粒子 会以电泳的方式从所在的薄板迁移到带有相反电荷的薄板 上 当粒子位于显示器的 正面 显示面 时 显示屏为白 色 这是因为光通过二氧化钛粒子散射回阅读者一方 当 粒子位于显示器背面时 显示器为黑色 这是因为彩色染 料吸收了入射光 如果将背面的电极分成多个微小的图 像元素 像素 通过对显示器的每个区域加上适当的电压 来产生反射区和吸收区图案 即可形成图像 70第页2010 10 26 电泳显示的优点 一是能耗低 工作寿命长 具有存储效应 由于 具有双稳定性 在电源被关闭之后 仍然在显示 器上将图像保留几天或几个月 二是电泳技术生产的显示器属于反射型 因此具 有良好的日光可读性 同样也可以跟前面或侧面 的光线结合在一起 用于黑暗环境 三是电泳显示器以形状因子灵活为特色 容许它 们被制造在塑料 金属或玻璃表面上 所以它是 柔性显示技术的最佳选择 71第页2010 10 26 电泳显示的优点 电泳显示技术由于结合了普通纸张和电子显示 器的优点 因而是最有可能实现电子纸张产业 化的技术 目前它已从众多显示技术中脱颖而 出 成为极具发展潜力 的柔性电子显示技术 之一 据iSuppli预测 电泳显示全球市场06 年仅仅900万美元 但是预计到2013年将增加 到2 47亿美元 年均增长率 高达60 5 该增 长的大部分市场在指示标和新颖的直接驱动显 示器 另外电子显示卡 柔性电子阅读器 电 子纸张和数字签字等产品也将获得应用 72第页2010 10 26 电泳显示的面临的问题 一是响应速度比较慢 因为电泳技术依赖于粒子的运动 用于显示的开关时间非常长 长达几百毫秒 这个速度对 视频应用是不够的 目前用于电泳显示的使开 关时间达 到几十毫秒的更快的材料正在开发之中 二是显示的双稳态 以及转换速度慢 也影响了其连续显 示色彩