有机发光二极管原理及应用

有机发光二极管原理及应用 梁亮 有机发光二极管诞生于 1979 年 由柯达公司罗切斯特实验室的邓青云博士及同事范斯 莱克所发明 有机发光二极管 OLED 的原理 有机发光二极管 OLED 同普通发光二极管 LED 发光的原理相同 即利用半导体经 过渗透杂质处理后形成 PN 结 电子由 P 型材料引入 当电子与半导体内的空穴相遇时 有可能掉到较低的能带上 从而放出能量与能隙相同的光子 从而形成发光二极管 发光 二极管的光线波长取决于发光材料的能隙大小 若要使二极管产生可见光 就要使材料的 低能带与高能导带之间的能隙大小必须落在狭窄的范围内 大约 2 至 3 电子伏特 能量为 一电子伏特的光子波长为 1240 纳米 处于红外区 当能量达到 3 电子伏特时 发出光子的 波长约为 400 纳米左右 呈紫色 有机发光二极管与传统发光二极管的区别在于 有机发光二极管所采用的半导体材料 为有机分子材料 按照分子大小区分 可分为两大类 小分子的称之为低分子 OLED 大分 子的称为高分子 OLEDP 型有机分子 当 P 型有机分子和 N 型有机分子接触时 在两者的 接触面就会产生类似发光二极管一样的发光现象 此外 采用氧化铟锡作为 P 型接触材料 由于氧化铟锡为透明导电材料 易于载流子注入 而且具有光线传播还需要有透明性能 非常适合做 P 型接触材料 OLED 的典型结构非常简单 玻璃基板 或塑料基衬 上首先有一层透明的氧化铟锡 阳极 上面覆盖着增加稳定性的钝化层 再向上就是 P 型和 N 型有机半导体材料 最顶层 是镁银合金阴极 这些涂层都是热蒸镀到玻璃基板上的 厚度非常薄 只有 100 到 150 纳 米 小于一根头发丝的 1 而传统 LED 的厚度至少需要数微米 在电极两端加上 2V 到 10V 的电压 PN 结就可以发出相当明亮的光 这种基本结构多年来一直没有太大的变化 人们称之为柯达型 由于组成材料的分子量很小 甚至小于最小的蛋白质分子 所以柯达 型的 OLED 又被称为低分子 OLED 第二种有机发光材料为高分子聚合物 也称为高分子发光二极管 PLED 由英国剑桥 大学的杰里米伯勒德及其同事首先发现 聚合物大多由小的有机分子以链状方式结合在一 起 以旋涂法形成高分子有机发光二极管 旋转涂布工艺采用的原理是 在旋转的圆盘上 通常为每分钟 1200 转至 1500 转 滴 上数滴液体 液体会因为旋转形成的离心力而呈薄膜状分布 在这种状态下 液体凝固后 便可在膜体上形成晶体管等组件 膜体的厚度可通过调节液体粘度及旋转时间来调整 旋 涂之后 要采取烘干的步骤来除去溶剂 最初 PLED 是由一种称之为次苯基二价乙烯基 PPV 单层活性聚合物 夹于氧化铟锡 和钙之间形成 铟锡氧化物为载流子注入层 而钙为电子传递层 现在的 PLED 又增添了一 层聚合物载流子注入层 PPV 聚合物产生黄光 具有效率高寿命长的特点 这是由于在低 压工作环境下 聚合物层具有良好的导电性能 这种 PLED 应用于计算机显示器 其寿命可 长达 10000 小时 相当于正常使用 10 年 其他的聚合物及复合聚合物也在开发之中 如陶 氏化学公司研究开发了一种聚氟高分子 全彩色 PLED 也在开发中 主要是通过改变复合聚 合物片段的长度来实现显示功能 令人遗憾的是 与 PPV 相比 各种全彩色有机聚合物的 寿命不长 而蓝光聚合物始终不尽人意 但是低分子 OLED 与高分子 OLED 相比 在制作工艺上有不小的劣势 小分子或寡聚物 必须由热蒸镀的方式制造元件 生产时必须使用高精度的真空系统 从而增加了制造成本 同时 在大面积化生产时将遇到严重的问题 而高分子有机半导体材料则可以利用溶液制 程贻旋转喷饰或搭配喷墨技术等方式制作元件 具有成本低且可以大面积生产的优势 此外 研究高分子 P 型高分子及 N 型高分子材料还可以应用于 CMOS 元件 其应用前景 相当广泛 所以 目前国际上对于高分子半导体的研究仍有很大的热情 有机发光二极管 OLED 的应用 由于有机发光二极管 OLED 材料上的优势 应用于显示器时 无疑将会产生深远的影 响 与现有的各种显示器 CRT 阴极射线管显示屏 PDP 等离子显示屏 LCD 液晶显示 屏 相比 OLED 显示器具有以下明显的优势 1 技术优势 无辐射 超轻薄 可达 1 毫米以下 柔软显示 屏幕可卷曲 2 成本优势 OLED 制造工艺比较简单 批量生产时的成本要比 LCD 至少节省 20 3 适应性强 能在 45 80 正常显示 4 节能性强 由于有机材料自己发光 驱动电压低 无需后背光源 因而更加节省 能源 5 可视角大 接近 180 度 6 反应速度快 OLED 显示屏中的单个元素反应速度是 LCD 液晶屏的 1000 倍 可以 实现精彩的视频重放 色彩炫丽 绝不会出现液晶屏上的拖曳现象 7 外形优势 OLED 的重量比 LCD 轻得多 而且可以做到更加轻薄 虽然一直以来 人们认为 OLED 最主要的缺点是寿命比 LCD 短 目前只能达到 5000 小 时 而 LCD 可达 10000 小时 但最新的技术显示 通过将磷光材料与制作 TFT 背板的非晶 硅集成 OLED 产品可能延长 3 倍寿命 正因为 OLED 具有如此多的优点 所以具有广泛的市场应用前景 主要领域包括 商业 领域如 POS 机和 ATM 机 复印机 游戏机等 通讯领域如手机 移动网络终端等 计算机 领域如 PDA 商用和家用计算机等 消费类电子产品如音响设备 数码相机 便携式 DVD 工业应用领域如仪器仪表等 交通领域如 GPS 飞机仪表等 由于一开始 OLED 显示屏主要应用在小屏幕领域 所以早有人预言其将在数码领域里取 得初步的成功 果不其然 自从柯达在 2003 年 3 月举办的第 79 届国际摄影营销协会年会 及行业展览会 PMA 上 成功推出新款数码相机 Easy Share LS633 之后 使得 OLED 的小屏 应用一发不可收拾 除了数码相机之外 手机成了 OLED 第二个要攻克的桥头堡 由于 OLED 不需要背光板 它可以做到很薄 所以令手机非常 瘦身 专家称今后几年内 手机可能变得薄如纸片 再加上 OLED 显示屏很省电 因此 今后手机的待机时间也许可以达到 30 天 随着 3G 的脚 步临近 移动网络将向人们提供更多的视频服务 对手机的彩色显示功能要求也就越多 OLED 显示屏将完全能胜任 然而 OLED 最大的用途应该还是在日后生产可穿戴的数码产品 国外一家公司称他们 正在研究将只有指甲盖大小的高分辨率 OLED 显示器置入轻便的头盗式取景器中 利用这种 内置有微型 OLED 显示器的半透明头盔显示器 飞行员可以毫不费力地查看各种飞行数据 正在进行手术的外科医生眼睛无需离开手术台就可以看到复杂的诊断图像 飞行机械师在 检修飞机时 随着目光所至即能看到相应部件的维修手册 小有小的风流 大有大的精彩 OLED 虽然已经为大多数显示屏生产商所认可 视为未 来重要的显示技术 但是目前仅局限于运用在小尺寸和显示量较少的产品上 如数码相机 和手机 在其他大尺寸产品应用领域上 OLED 与其他传统平面显示技术相比仍无法胜出 主要的原因在于驱动有机发光体的电路所需的多晶矽薄膜晶体管成本太高 现在各厂商又 开始想办法 加大 OLED 显示屏的尺寸 2004 年 5 月 爱普生公司公司展示了一款 40 寸的 OLED 显示器 并随之宣布他们将会在 2007 年大规模量产销售 OLED 电视 难怪媒体惊呼 OLED 电视的时代即将到来 但是在 OLED 的实际应用中 并非总是一帆风顺 虽然 OLED 技术可称之为最理想的显 示技术 但它的研究开发历史并不长 要想真正实现其产业化 必须克服以下一些具体的 难题 即因大面积化带来工艺 设备技术和驱动技术等方面的问题 从单色显示到多色显 示带来的问题 封装技术与使用寿命的问题 阴极电极微细化的问题 驱动技术问题等 有机膜的不均匀性将导致发光亮度和色彩的不均匀性 影响显示效果 显示面积增大 意味着器件必须有很高的瞬间亮度和高的发光效率 并在高亮度下有良好的稳定性 从单 色显示到多色显示和彩色过渡时 将三种不同的发光材料分别镀在非常临近的三个小区域 上将是又一大难题 要实现 OLED 的商业化 使用寿命问题必须解决 从材料和器件结构着 手是途径之一 驱动技术在实验室研究阶段显得不是很重要 但是一旦考虑到产业化和大 面积化 此问题就会变得异常突出 至今为止 还没有一套成熟的高度集成的大电流驱动 IC 当前世界上关于 OLED 器件的开发主要分布在日本 美国和欧州 欧美主要以高分子 材料为主 可望有比较长的寿命 日本则以低分子材料为主 已获得很好的发光亮度 发 光效率寿命 就目前的情况来看 在实际应用技术开发方面 日本遥遥领先 己经进入商 业应用阶段 欧州居第二位 但在应用