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2006-11-28 11:49 |
新一代超薄顯示技術(shù)-OLED
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子顯示技術(shù)也在不斷地更新?lián)Q代。
從傳統(tǒng)的陰極射線管(CRT)發(fā)展到了先進(jìn)的液晶屏(LCD)�，F(xiàn)正在向第3代顯示技術(shù)過(guò)渡。作為第3代顯示技術(shù)候選的有等離子體放電顯示屏(PDP)、有機(jī)電致發(fā)光屏(OLED)、發(fā)光二極管(LED)、電場(chǎng)激發(fā)發(fā)光(FED)等。現(xiàn)在在研究開發(fā)方面競(jìng)爭(zhēng)得最激烈的是PDP、OLED、LCD。它們各有所長(zhǎng)，但追求的最終目標(biāo)都是一樣的，即要求達(dá)到質(zhì)輕、體薄、高亮度、快速響應(yīng)、高清析度、低電壓、高效率、長(zhǎng)壽命、低成本。本文就當(dāng)前公認(rèn)為最理想的顯示技術(shù)，即OLED做簡(jiǎn)單介紹。
OLED的基本原理及器件結(jié)構(gòu)
當(dāng)在由某些特殊的強(qiáng)螢光性有機(jī)物質(zhì)構(gòu)成的薄膜兩表面上鍍上適當(dāng)?shù)碾姌O并加上電壓時(shí)，該薄膜就會(huì)發(fā)出光來(lái)。此過(guò)程被稱為有機(jī)電致發(fā)光(Organic Electroluminescence，簡(jiǎn)稱EL)，由于其發(fā)光原理又十分接近無(wú)機(jī)發(fā)光二極管，所以又稱為OLED(Organic Light Emitting Diode)，是一個(gè)電變光的過(guò)程。
早在上一世紀(jì)三十年代科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象。但由于后來(lái)在材料和器件技術(shù)方面的進(jìn)步較慢，沒有受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界太大的重視。圖1是OLED器件的基本結(jié)構(gòu)示意圖，它包括基板、透明電極(陽(yáng)極)、有機(jī)層、金屬電極(陰極)4大部分。其中有機(jī)層根據(jù)不同情況下的需要，可以是單層，也可以是多層，但總層數(shù)一般不會(huì)超過(guò)5層，總厚度也不會(huì)超過(guò)幾百納米，一般是2－3層，100納米左右。
OLED發(fā)光大致包括以下5個(gè)基本物理過(guò)程：1．正負(fù)電荷分別從陽(yáng)極和陰極注入有機(jī)層。2．在電場(chǎng)的作用下正負(fù)電荷在有機(jī)層內(nèi)分別朝著對(duì)方電極方向移動(dòng)。3．正負(fù)電荷在有機(jī)層內(nèi)特定位置再結(jié)合并釋放出能量。4．特定的有機(jī)分子獲得該能量后自己受激發(fā)或?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)移給其它分子，使其受激發(fā)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。5．處于激發(fā)態(tài)的分子回到基態(tài)，釋放出光能。從此可以看出，在OLED器件的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)里發(fā)生著極其復(fù)雜的光電子物理過(guò)程。
通過(guò)改變所使用的薄膜有機(jī)材料的種類，可以調(diào)控器件發(fā)出的光的顏色。通過(guò)控制從兩端電極注入的電流的大小可以調(diào)節(jié)發(fā)光的強(qiáng)弱。從以上的器件結(jié)構(gòu)和發(fā)光所包括的基本物理過(guò)程還可以看出，為了保證高效率地實(shí)現(xiàn)這些基本過(guò)程，材料結(jié)構(gòu)、純度、聚集態(tài)及界面狀態(tài)的嚴(yán)格控制是至關(guān)重要的。這也是為什么OLED器件的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，材料也不特殊，但要實(shí)現(xiàn)高性能的發(fā)光卻并不那么容易的原因之所在。
近年來(lái)關(guān)于有機(jī)材料的電致發(fā)光方面的研究和產(chǎn)品開發(fā)非常熱門，是國(guó)際上競(jìng)爭(zhēng)得最激烈的前沿科學(xué)領(lǐng)域之一。
OLED特點(diǎn)
現(xiàn)在，巳經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的電子顯示技術(shù)主要有以下幾種：即陰極射線管(CRT)、液晶顯示屏(LCD)、發(fā)光二極管(LED)、無(wú)機(jī)電致發(fā)光器件(無(wú)機(jī)EL)、等離子體放電顯示屏(PDP)、真空螢光管(VFD)、電場(chǎng)激發(fā)發(fā)光(FED)；圖2是幾種顯示器的基本結(jié)構(gòu)變遷的比較。各種顯示方式的性能比較如表1所示。OLED的主要特點(diǎn)有：
1．與CRT相比較，OLED具有驅(qū)動(dòng)電壓低、體積小、重量輕；特別是其厚度薄于其它任何一種顯示器件，可以薄如一張紙貼在壁上使用。是實(shí)現(xiàn)壁掛式、可卷可折式電視的最理想的技術(shù)。
2．液晶顯示屏驅(qū)動(dòng)電壓低、品種多、而且它巳具有大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，特別是日趨成熟的TFT技術(shù)等優(yōu)勢(shì)和已形成的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。但是其顯示方式是一種被動(dòng)式的，必需要有光源。此外、LCD仍然存在響應(yīng)速度慢(出現(xiàn)殘像)，難以實(shí)現(xiàn)高亮度等難題。OLED恰好可以克服這些缺點(diǎn)。其響應(yīng)速度是液晶的1000倍以上，其亮度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于液晶。
3．OLED器件不像LED，要在基板上長(zhǎng)單晶，所以LED難以實(shí)現(xiàn)大面積化。而OLED電極間的有機(jī)層是非晶薄膜，很容易實(shí)現(xiàn)大面積，超薄型顯示。其發(fā)光的最小單元可以小至數(shù)十納米。此外，OLED的色彩也更為豐富。
4．無(wú)機(jī)電致發(fā)光存在一些難以克服的困難和缺點(diǎn)，比如種類少、顏色可調(diào)性小、發(fā)光強(qiáng)度有限、驅(qū)動(dòng)電壓高等，這些都可以用OLED來(lái)克服。
5．與PDP相比、OLED有驅(qū)動(dòng)電壓低、發(fā)光效率高、薄、色彩清晰、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
此外、有機(jī)化合物種類繁多，結(jié)構(gòu)多種多樣�？梢酝ㄟ^(guò)有機(jī)合成手段設(shè)計(jì)和合成出滿足各種色彩和工藝要求的材料。
從器件結(jié)構(gòu)、制作工藝、材料開發(fā)等多方面來(lái)考慮，與現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用及正在開發(fā)的各種顯示器件相比可以說(shuō)OLED是最理想的一種顯示技術(shù)。但也不能忘記現(xiàn)階段OLED在使用壽命方面有待改善，生產(chǎn)技術(shù)也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟。
OLED技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
陰極顯像管被稱為第一代顯示技術(shù)，液晶屏被稱為第二代顯示技術(shù)，而OLED則是第三代顯示技術(shù)的重要候選者之一。
OLED技術(shù)的最典型的應(yīng)用就是作為顯示器。就其顯示功能來(lái)講，它完全可以代替CRT、LCD、LED的作用，實(shí)現(xiàn)顯示器件的輕量化、薄型化、高亮度、快速響應(yīng)(與液晶相比)、高清析度、低電壓化、高效率化和低成本化。可以大幅度地節(jié)省空間，極方便攜帶。如應(yīng)用于航空、航天器的顯示器，軍事移動(dòng)器的夜間及野外顯示器，就更能顯示其顯示功能的優(yōu)越性。比如在航空航天器上，體積小，重量輕是任何零部件永遠(yuǎn)的追求，顯示器也不例外。在夜間或野外使用時(shí)，由于OLED是自己主動(dòng)發(fā)光，可以大大提高對(duì)比度，獲得更好的顯示質(zhì)量，這是液晶屏很難解決的難題。此外，OLED顯示屏還可以做成柔性的，可以很容易地設(shè)計(jì)成曲面，甚至可卷曲，折疊，這些都是其他顯示技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)的功能。也正因?yàn)镺LED有以上功能，可完全取代CRT、LCD、LED的顯示作用，所以它面向的市場(chǎng)是直接的和非常巨大的。這也是目前國(guó)外眾多的研究部門以及各大企業(yè)投入巨大資金和人力進(jìn)行OLED技術(shù)研發(fā)的最重要原因。
除作為顯示器使用以外，OLED也可以作為光源使用，特別是可以用它制造出大面積，高亮度的平面或曲面光源，高色純度的單色光源。將來(lái)甚至可以用它制造出大平面激光光源，高效率偏振光光源。通過(guò)改變發(fā)光材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)或器件結(jié)構(gòu)，發(fā)射波長(zhǎng)可以在紫外區(qū)到紅外區(qū)的很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)調(diào)控。
相信隨著OLED材料及器件技術(shù)的日趨成熟，今后還將開發(fā)出許多我們現(xiàn)在想象不到的新用途。
OLED技術(shù)現(xiàn)狀
關(guān)于OLED器件的研究起源于上一世紀(jì)的60年代，但大規(guī)模的開發(fā)研究起源于1986年美國(guó)的Easten Kodak(EK)的基本專利發(fā)表之后�，F(xiàn)在世界上關(guān)于OLED器件的開發(fā)主要分布在日本、美國(guó)和歐州。歐美主要以高分子材料為主，可望有比較長(zhǎng)的壽命。日本則以低分子材料為主，已獲得很好的發(fā)光亮度，發(fā)光效率壽命。就目前的情況來(lái)看，在實(shí)際應(yīng)用技術(shù)開發(fā)方面，日本遙遙領(lǐng)先，己經(jīng)進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。歐州居第二位，但在應(yīng)用技術(shù)方面與日本的距離越來(lái)越近。美國(guó)主要擁有基本專利。
現(xiàn)在有關(guān)OLED技術(shù)，主要有三大基本專利，它們是:
1． 基于柯達(dá)的主要以小分子為對(duì)象的器件基本結(jié)構(gòu)專利。
2． 針對(duì)高分子材料的材料專利。
3． 實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)光的三線態(tài)發(fā)光材料專利。
其中第1項(xiàng)和第3項(xiàng)由美國(guó)企業(yè)控制。第2項(xiàng)由英國(guó)控制。而與OLED應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)技術(shù)相關(guān)的絕大多數(shù)專利則由日本企業(yè)所控制。
現(xiàn)在世界上進(jìn)行OLED相關(guān)技術(shù)開發(fā)的主要企業(yè)有：在日本有SONY、東芝、SHARP、松下、三洋電機(jī)、NEC、三菱化學(xué)、三菱電機(jī)、卡西歐、出光、凸版印刷、先峰音響、出光興產(chǎn)、住友化學(xué)、TDK等。在美國(guó)有柯達(dá)、Dupont、UDC(Universal Display Corporation)、Dow Chemical Company等。歐洲有Cambridge Display Technology(CDT)、Phillips、Covion等。日本以外的亞洲地區(qū)有以RitDisplay為首的臺(tái)灣省的近10家企業(yè)，韓國(guó)的三星顯示器等。技術(shù)上最領(lǐng)先的為先峰音響、出光興產(chǎn)(材料)、三洋電機(jī)、TDK等。特別是先峰音響公司己經(jīng)開發(fā)出三代產(chǎn)品推向市場(chǎng)。
現(xiàn)在國(guó)際上OLED器件的最高壽命可以達(dá)到：綠色：10000-20000小時(shí)，藍(lán)色：6000-8000小時(shí)，紅色：3000-6000小時(shí)。最高亮度可以達(dá)到150000 cd/m2(一般電視的亮度是300 cd/m2，螢光燈的亮度是2000-5000 cd/m2)。最高發(fā)光效率可以達(dá)60lm/W。最低電壓可以實(shí)現(xiàn)只需加上3-4Ｖ電壓就能接近一般電視的亮度。最大面積400×400 mm2。
我國(guó)在OLED方面以大學(xué)為中心也開展了一些研究。也有一些企業(yè)已經(jīng)投資或?qū)⒁顿YOLED技術(shù)。但從總體技術(shù)水平來(lái)看至少要比國(guó)際先進(jìn)水平落后5－8年。特別是在要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化所必須的關(guān)鍵技術(shù)和重要技術(shù)方面幾乎是空白，發(fā)展趨勢(shì)與當(dāng)年的液晶產(chǎn)業(yè)極為相似。要想將OLED產(chǎn)業(yè)真正培養(yǎng)成為我國(guó)的民族產(chǎn)業(yè)，道路還十分艱難。圖3為北京大學(xué)開發(fā)出的非動(dòng)態(tài)圖象演示器，其尺寸為80×80×0.7毫米,驅(qū)動(dòng)電壓為5V(本顯示屏是在國(guó)家自然科學(xué)基金(90101013)，杰出青年科學(xué)基金(50125310)，863計(jì)劃(2002AA324080)，973計(jì)劃(2002CB613405)資助下研制成功的)。
與OLED產(chǎn)業(yè)化相關(guān)的現(xiàn)存問(wèn)題
雖然OLED技術(shù)可稱之為最理想的顯示技術(shù)。但對(duì)它的研究開發(fā)歷史并不長(zhǎng)，要想真正實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化，必須克服以下一些具體的難題；即因大面積化帶來(lái)的問(wèn)題，從單色顯示到多色顯示帶來(lái)的問(wèn)題，封裝技術(shù)與使用壽命的問(wèn)題，陰極電極微細(xì)化的問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)技術(shù)問(wèn)題等。
從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化，器件的大面積化將帶來(lái)工藝、設(shè)備技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)等方面的問(wèn)題。比如大面積基板的鍍膜均勻性問(wèn)題。有機(jī)膜的不均勻性將導(dǎo)致發(fā)光亮度和色彩的不均勻性，影響顯示效果。顯示面積增大，意味著器件必須有很高的瞬間亮度和高的發(fā)光效率，并在高亮度下有良好的穩(wěn)定性。也就是說(shuō)，在100cd/m2得到的所謂壽命數(shù)據(jù)并不能確保實(shí)際應(yīng)用的壽命。透明電極ITO的面阻抗問(wèn)題也將顯得越來(lái)越突出。透明度高，阻抗小的ITO基板的開發(fā)將是有機(jī)電致發(fā)光技術(shù)工業(yè)化過(guò)程中的一個(gè)重大課題。
從單色顯示到多色顯示和彩色過(guò)渡時(shí)，將三種不同的發(fā)光材料分別鍍?cè)谕幌笏氐姆浅ＥR近的三個(gè)小區(qū)域上將是又一大難題。而且，對(duì)于用高分子發(fā)光材料的器件來(lái)說(shuō)問(wèn)題更為突出。另外，長(zhǎng)期使用過(guò)程中的三基色的相對(duì)穩(wěn)定性問(wèn)題也會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。這些問(wèn)題必須通過(guò)材料、制造工藝和驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)來(lái)綜合解決。
要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，使用壽命問(wèn)題必須解決，從材料和器件結(jié)構(gòu)著手是途徑之一。但是封裝技術(shù)也不能忽視，甚至更為重要。
驅(qū)動(dòng)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室研究階段或器件面積不大時(shí)不顯得重要。因?yàn)椴徊捎脧?fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路也能實(shí)現(xiàn)良好的顯示效果。但一旦考慮到產(chǎn)業(yè)化和大面積化。此問(wèn)題就會(huì)變得非常突出。這是因?yàn)橛袡C(jī)電致發(fā)光是一個(gè)電流支配過(guò)程，不同于在諸如液晶顯示類的電壓支配過(guò)程。而至今為止，還沒有一套成熟地高度集成地大電流驅(qū)動(dòng)IC。
陰極電極(多為活性大的金屬)微細(xì)化問(wèn)題也是在有機(jī)電致發(fā)光技術(shù)工業(yè)化過(guò)程中要遇到且必須解決地一個(gè)重要難題。其難就難在由于一旦鍍上有機(jī)膜后，器件就絕對(duì)不能與有機(jī)溶劑及活性氣體接觸，也就是說(shuō)不能采用二次加工的方式來(lái)形成微細(xì)陰極電極。
在有機(jī)電致發(fā)光技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，雖然會(huì)遇到以上諸多難題，但由于OLED是一個(gè)劃時(shí)代的高新技術(shù)。在所有的顯示技術(shù)中，只有它才能真正地把顯示屏帶到野外，帶進(jìn)嚴(yán)寒地區(qū)，帶到宇宙，真正地實(shí)現(xiàn)顯示屏亮、輕、薄、快、低功耗、全方位等理想特性。相信隨著研究開發(fā)的深入和完善，以上問(wèn)題是可以得到解決的。
OLED技術(shù)將來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
OLED技術(shù)可以說(shuō)正處于高速發(fā)展期。材料和器件技術(shù)都不完全成熟。實(shí)用的產(chǎn)品，特別是作為薄膜電視的上市可能需3－8年時(shí)間(小型的需3年、大型的需5－10年)。從這一點(diǎn)來(lái)看，它不如PDP現(xiàn)實(shí)，但不管現(xiàn)實(shí)是怎樣的，從其基本結(jié)構(gòu)和顯示效果來(lái)判斷，它是最理想的顯示技術(shù)，有非常光明的前途。人們上街去買電視機(jī)時(shí)，不說(shuō)買一臺(tái)，而是說(shuō)買一張或買一塊的時(shí)代將不會(huì)很遙遠(yuǎn)。
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