萬博泉 吳空物 高裕弟 (北京維信諾科技有限公司) 現(xiàn)代顯示，中國半導(dǎo)體照明網(wǎng)

摘要：新型有機發(fā)光顯示技術(shù)日益成為顯示領(lǐng)域的研究熱點，由于具有超輕超薄、低驅(qū)動電壓、自主發(fā)光、寬視角、快速響應(yīng)、可實現(xiàn)柔軟顯示等諸多優(yōu)點，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)均發(fā)展迅速。彩色化、柔軟顯示、大尺寸和白光光源已逐漸成為有機發(fā)光顯示器技術(shù)發(fā)展的主流方向。

關(guān)鍵詞：有機發(fā)光；材料和器件；顯示和照明

1 引言
早在20世紀60年代， Popo等人 [1] 首次報道了蒽單晶的電致發(fā)光現(xiàn)象，揭開了有機發(fā)光器件研究的序幕。1987年，美國柯達公 司鄧青云 博士等人 [2] 報道了高效有機發(fā)光顯示器件（OLED），以具有良好成膜性的三芳胺衍生物和 3-(8- 羥基喹啉 ) 鋁（Alq3）分別作為空穴傳輸層和發(fā)光兼電子傳輸層，獲得了亮度大于1,000cd/m2 、效率大于1.5lm/W 、驅(qū)動電壓小于10V的發(fā)光器件。這種器件具有超輕超薄、低驅(qū)動電壓、自主發(fā)光、寬視角、快速響應(yīng)等優(yōu)點，因此得到了廣泛的關(guān)注。

1990年，英國劍橋大學(xué)Cavendish研究室的R.H. Friend等人 [3] 以聚對苯撐乙烯（PPV）作為發(fā)光材料制備了發(fā)光器件，開創(chuàng)了聚合物在有機發(fā)光領(lǐng)域的應(yīng)用。這項研究進一步促進了有機發(fā)光顯示器件的研究，應(yīng)用更加廣泛、性能更加優(yōu)越的器件報道不斷涌現(xiàn)。 1993年曹鏞等人制備的柔性O(shè)LED顯示屏和Kido等人制備的白光顯示器件均具有開創(chuàng)性的意義。

有機發(fā)光領(lǐng)域中另一個開創(chuàng)性的工作是有機磷光發(fā)光器件的出現(xiàn)。 1998 年，普林斯頓大學(xué)的Forrest等人 [4] 將磷光材料八乙基卟啉鉑（ PtOEP ）摻入發(fā)光層，獲得外量子效率 5 ％的器件。這項研究證明 OLED 可突破內(nèi)量子效率 25 ％的限制，使得有機發(fā)光器件的效率有望大幅提高。據(jù)統(tǒng)計，從 1987 年到 2005 年，器件效率改善了幾十倍。

伴隨著有機發(fā)光材料和器件技術(shù)的不斷成熟， OLED 逐步進入各個顯示領(lǐng)域。 1997 年，日本東北先鋒公司推出了 OLED 車載顯示器，使得有機顯示屏首次進入商業(yè)化領(lǐng)域。時至今日，已有韓國三星和 LG 、日本東北先鋒和索尼、臺灣錸寶和悠景等十多家公司完成了 OLED 量產(chǎn)線的建設(shè)，并具備了批量生產(chǎn)和提供 OLED 產(chǎn)品的能力。 OLED 產(chǎn)品在 MP3 和手機副屏產(chǎn)品領(lǐng)域獲得了應(yīng)用和認可。市調(diào)機構(gòu) Display Search 針對全球 OLED 產(chǎn)業(yè)指出， 2005 年全球 OLED 面板出貨量達 6300 萬片，相較于 2004 年增長幅度高達 96% ，產(chǎn)值規(guī)模達 5.3 億美金，較 2004 年增長 31% ，并預(yù)估 2006 年 OLED 出貨量可提升至 8300 萬片，較 2005 年增長 32% 。國務(wù)院頒布的 " 國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（ 2006-2020 年） " 中明確指出以 " 開發(fā)有機發(fā)光顯示、場致發(fā)射顯示、激光顯示等各種平板和投影顯示技術(shù)，建立平板顯示材料與器件產(chǎn)業(yè)鏈 " 為優(yōu)先主題。我國已有多家單位從事 OLED 的研究開發(fā)工作，并獲得 973 、 863 等多方面的支持。維信諾科技、五糧液集團、 TCL 等企業(yè)已介入產(chǎn)業(yè)化或產(chǎn)業(yè)化研究。

隨著OLED商業(yè)化的不斷進展，OLED技術(shù)的發(fā)展趨勢也更加明朗。一個主要方向是高性能的彩色化 OLED產(chǎn)品，高色純度、長壽命和高解析度為重點的研究內(nèi)容；第二個方向是有源矩陣OLED顯示器（ AMOLED ），這種驅(qū)動方式的顯示器與無源矩陣OLED顯示器（ PMOLED ）相比能量效率更高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸顯示；另一個方向是 OLED 在照明光源領(lǐng)域的應(yīng)用，隨著OLED各項性能的不斷提高， OLED 用于照明光源成為可能，因而受到科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界越來越多的關(guān)注；除此之外，塑料等柔性材料作基板的柔性O(shè)LED顯示器（FOLED）也具有無可替代的優(yōu)點，并成為一個重點的研究方向。

2 高性能彩色化OLED
近年來，包括摩托羅拉和 NEC 在內(nèi)的多款手機和 MP3 均應(yīng)用了 OLED 顯示屏。作為時尚產(chǎn)品的 MP3 和手機對其顯示屏有以下要求：1）輕薄、小巧；2 ）高對比度；3）低驅(qū)動電壓；4）寬溫度范圍；5）快速響應(yīng)；6 ） 豐富的色彩。以上要求都是OLED所具備的，因此 OLED 在這些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

從表1可以看出，OLED產(chǎn)品由于其快速響應(yīng)的優(yōu)勢，在諸如數(shù)碼相機、 DVD播放器、彩電等產(chǎn)品領(lǐng)域具有較高的競爭力；超輕超薄的技術(shù)特點也將使其在智能卡、頭盔顯示器、手機、PDA和筆記本電腦顯示屏等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間。但由于產(chǎn)品壽命方面的原因，OLED目前還只能應(yīng)用于MP3和手機等時尚用品上。

表 1 不同應(yīng)用市場對顯示產(chǎn)品壽命堯響應(yīng)速度和重量厚度的需求比較

表 2 出光材料 2005 年和 2006 年有機材料性能數(shù)據(jù)對比

彩色OLED的色純度和壽命性能主要取決于有機材料和器件結(jié)構(gòu)。近期，有機材料的發(fā)光顏色、效率和壽命已得到了很大提高。

以日本出光公司的材料為例（見表 2 ），在2005年～ 2006年一年的時間內(nèi)，紅、綠、藍三色材料的色坐標、效率和壽命都取得了飛速的進展。紅光材料的效率提高了接近3倍，效率提高了20倍；綠光材料的壽命提高了3倍；藍光壽命也提高了70% 。這些材料技術(shù)的進展都使得OLED器件的性能也隨之改善和提高。隨著OLED壽命的不斷突破，OLED必將逐步進入更多的產(chǎn)品領(lǐng)域。

3 有源矩陣OLED顯示器AMOLED
構(gòu)成OLED像素陣列的方法基本上有兩種，即無源矩陣OLED顯示器（ PMOLED）和有源矩陣OLED顯示器（ AMOLED ）。這兩種方法所用的OLED 結(jié)構(gòu)相同，但每個單元的尋址方式不同。

對于PMOLED而言，像素只在控制器尋址到其所在的行時才被點亮，所以電流占空比反比于行數(shù)，峰值電流正比于行數(shù)，被觀察到的亮度正比于每幀間隔內(nèi)電流的時間積分。由于占空比隨著行數(shù)的增加而減少， PMOLED 必定存在發(fā)光區(qū)域面積的限制，不適于制備大尺寸的顯示器件。 AMOLED 顯示器利用每個像素的薄膜晶體管（ TFT ）在幀間隔持續(xù)時間內(nèi)獲得驅(qū)動信號。在一幀之內(nèi)，峰值電流和平均電流一致，不會受到顯示器行數(shù)的限制，可以制備大面積的顯示器，并且能耗更低。

AMOLED的發(fā)展主要取決于 TFT 在 OLED 中的應(yīng)用。在 SID2005 會議中，三星 SDI 公司 [5] 介紹了全彩的 17in UXGA （ 118ppi ）的 AMOLED 顯示器。他們以低溫多晶硅（ LTPS ） -TFT 為 AMOLED HDTVs 的基板，介紹了不同的 LTPS 晶化方法，包括激態(tài)分子激光猝滅（ ELA ）、連續(xù)側(cè)向固化（ SLS ）、固相晶化（ SPC ）、金屬導(dǎo)向晶化（ MIC ）、金屬導(dǎo)向側(cè)向晶化（ MILC ）、超顆粒硅（ SGS ）等，用不同的晶化方法得到的 LTPS-TFT 具有不同的特性（如表 3 ）。[!--empirenews.page--]

表3 不同的晶化方法得到的 LTPS-TFT 的特性

在KES2005上， 三星SDI公布了2.0in的QVGA AMOLED以及2.65in的VGA AMOLED，并宣稱將在2006年首先量產(chǎn)2.0in 、可用于手機主屏的AMOLED產(chǎn)品。

除LTPS-TFT外，一些非晶硅TFT（ a-Si TFT ）[6] 和有機薄膜晶體管（ OTFT ）[7] 也被用于 AMOLED 的驅(qū)動。

4 用于照明的OLED
隨著OLED技術(shù)的不斷提高，OLED在照明光源領(lǐng)域也受到越來越多人的關(guān)注。以平面發(fā)光為特點的OLED與其它光源相比具有高效、環(huán)保、安全等優(yōu)點，可以使用在更廣泛的地方。

高效率、長壽命的白光器件是 OLED 在照明光源領(lǐng)域發(fā)展的重點。磷光材料由于具有高效特征，因此在白光照明領(lǐng)域被廣泛看好。

2005年的SID會議上，日本豐田自動織機展示了一種采用熒光與磷光材料的 " 混合型 " 的白色OLED光源，引進了高效率紅光和綠光磷光材料。此白色OLED光源器件在3000cd/m2 的初始亮度下，亮度半衰期為5000小時，電流效率也比全熒光材料的白光器件提高了 50% 左右。 2006年4月NATURE上報道了S.R.Forrest等人 [8] 采用三發(fā)光中心白光器件結(jié)構(gòu)，發(fā)光染料分別為藍色熒光染料、綠色磷光染料和紅色磷光染料。采用的器件結(jié)構(gòu)為 ITO/NPD/5% BCzVbi:CBP/CBP/4% PqIr:CBP/5%Irppy:CBP/CBP/5%BCzVbi:CBP/ETL/LiF/Al ，最大外量子效率達到18.7% ，流明效率達到37.6lm/W ，在500cd/m2條件下， 效率仍能維持在18.4% ，23.8lm/W ，演色指數(shù)為85 。 2006 年 7 月，柯尼卡美能達技術(shù)中心成功開發(fā)了1000cd/m2初始亮度下，發(fā)光效率64 lm/W 、亮度半衰期約10000小時的OLED白色發(fā)光元件。該器件采用的發(fā)光材料均為磷光材料，且一直為磷光材料瓶頸的藍光材料實現(xiàn)了長壽命和高發(fā)光效率，在 300cd/m2初始亮度下，實現(xiàn)了16000小時的亮度半衰期。

近年來，歐美各國在OLED照明領(lǐng)域投入相對大的資金。美國的GE 、 UDC 、Osrem公司獲得了美國政府的項目支持，開發(fā)OLED照明技術(shù)，美國能源部在OLED照明光源技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中指出： 2007年，用于照明的白光OLED效率將達到50lm/W 、壽命超過5000小時；2012年，其效率將達到150 lm/W 、壽命超過10000小時，制作成本也會大幅下降。歐洲20多家從事有機發(fā)光材料和器件的頂級公司和研究機構(gòu)獲得歐盟信息社會技術(shù)資助，共同參與 " 用于信息通訊技術(shù)與照明設(shè)備的高亮度有機發(fā)光二極管項目 " ，該項目宣布的目標是2008年延長OLED光源的壽命到10000小時，并達到50lm/W的效率。

5 柔性O(shè)LED顯示器FOLED
使用塑料或金屬片等柔軟基板代替硬梆梆的玻璃基板，可以制備彎曲的顯示器。與普通的硬屏顯示器相比，柔性顯示器具有諸多優(yōu)點：耐沖擊，抗震能力更強；重量輕、體積小，攜帶更加方便；采用類似于報紙印刷工藝的卷帶式工藝，成本更加低廉等等。目前，用于柔性顯示的器件有 TFT-LCD 、CSTN-LCD、電子紙、OLED等。

OLED相比其它柔性顯示器具有更多優(yōu)點：它是自發(fā)光顯示，相應(yīng)速度快、視角寬；由有機材料制備，彎曲能力強等。因此在顯示效果好的便攜產(chǎn)品和軍事等特殊領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。

由于OLED對于水、氧非常敏感，如何避免這兩種氣氛對器件的影響是FOLED發(fā)展的首要因素。研究表明OLED要求水汽的滲透能力在10-5g /m2/day 以下，但傳統(tǒng)的金屬或玻璃封裝蓋會影響器件的彎曲能力，不適合柔性器件的封裝，如何避免水、氧對器件的影響是FOLED發(fā)展的主要課題。

Vitex 公司利用聚合物無機材料交替復(fù)合薄膜（PML）阻隔水氧，具有比較好的效果，其開發(fā)的軟屏基板產(chǎn)品具有與玻璃相媲美的阻隔效果（如表 4）。日本先鋒公司計算，利用這種技術(shù)封裝的器件，在 1000cd/m2 的起始亮度下，最長壽命可超過5000小時[9] 。

表 4 Vitex 產(chǎn)品的水汽阻隔效果和表面 ITO 電阻

除了封裝技術(shù)的差別之外，軟屏點陣屏在壽命上同硬屏器件的壽命存在明顯差別的一個重要原因，還在于軟屏顯示器制備中涉及的絕緣層、隔離柱材料都需要 180 ℃ 左右的烘烤溫度，才能將該類光固化膠中的水分和其他雜質(zhì)有效去除。而 PET 軟屏基板則只能承受 100 ℃ 以下的加工溫度，否則在高溫狀況下容易變形。這使得軟屏需要的低溫制備工藝同絕緣層、隔離柱高溫固化工藝存在一定沖突。此外，軟屏中仍然需要柔韌性相對差出很多的金屬材料作為陰極結(jié)構(gòu)，也使得軟屏在驅(qū)動過程中容易產(chǎn)生新的缺陷。

UDC 公司與 Vitex 公司有著密切的合作，在軟屏 OLED 領(lǐng)域處于相對領(lǐng)先的地位。 2003 年該公司制備了單色的軟屏器件，在 600cd/m2 的起始亮度下的壽命超過 2 ， 500 小時 [10] 。該公司又在 2006 SID 上展示了 6in 的彩色柔性顯示器件。

6 結(jié)束語

在技術(shù)發(fā)展方面，針對高性能彩屏、有源驅(qū)動、照明光源及柔軟顯示技術(shù)在材料性能和器件性能的不斷改善下，進一步向前發(fā)展。 OLED 壽命的不斷突破，將引導(dǎo) OLED 產(chǎn)品逐步進入更加寬闊的市場，根據(jù) DisplaySearch 統(tǒng)計， 2006 年全球 OLED 市場總產(chǎn)值將達 5.8 億美元，較 2005 年增加 10% 。 2007 年在 AMOLED 產(chǎn)品快速增長下， OLED 產(chǎn)值將增至 12 億美元， 較 2006 年增長一倍。特別是在 AMOLED 技術(shù)方面，三星 SDI 、三星電子、精工 - 愛普生、日立 (Hitachi Display) ，以及臺灣的錸寶、友達、統(tǒng)寶、奇美電子等公司量產(chǎn)技術(shù)日漸成熟，預(yù)期 2007 年將會是 AMOLED 市場快速成長的一年。