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大家知道，顯示器不僅應(yīng)用于電腦，而且廣泛應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)（DSC）、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（DVC）、PDA、數(shù)字電視接收機(jī)及汽車衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等領(lǐng)域。但是，目前還沒(méi)有一種顯示技術(shù)可以完全適用于所有的領(lǐng)域，因而使顯示器生產(chǎn)商轉(zhuǎn)向下一代顯示產(chǎn)品的研制。其中，最為突出的就是有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示器。

由于OLED具有視角寬、亮度高、響應(yīng)速度快、溫度特性好、可彎曲等優(yōu)異性能，而代表著顯示技術(shù)的發(fā)展方向，因而成為發(fā)光技術(shù)和平板顯示技術(shù)研發(fā)的重中之重。OLED的最大突破在于材料的機(jī)械韌性和低溫制程，它可在任何輕薄的基板，如塑膠基板上應(yīng)用。長(zhǎng)遠(yuǎn)而言，OLED可發(fā)展成為新式可彎曲的柔性的顯示器，因而發(fā)展?jié)摿π酆瘛?/p>

OLED克服了第一代顯示器CRT體積大、笨重、功耗大和不便于攜帶的缺點(diǎn)，也克服了LCD視角小、響應(yīng)速度慢、在低溫下不能使用，且自身不能發(fā)光的不足。并且，OLED是放射性器件結(jié)構(gòu)，可獲得比傳導(dǎo)性結(jié)構(gòu)LCD更好的視覺(jué)效果，因而有著非常誘人的應(yīng)用前景，已被公認(rèn)是可以取代LCD的產(chǎn)品，因而使其成為顯示器行業(yè)的后起之秀。

一、OLED的基本結(jié)構(gòu)及其發(fā)光原理

OLED是一種利用有機(jī)半導(dǎo)體材料和發(fā)光材料，在電流驅(qū)動(dòng)下發(fā)光的新型顯示技術(shù)，即基于有機(jī)材料的一種電流型半導(dǎo)體發(fā)光器件。一個(gè)最簡(jiǎn)單的OLED可以由陰極、發(fā)射層和陽(yáng)極組成，稱為單層夾心式有機(jī)薄膜電致發(fā)光（EL）器件。一般制作過(guò)程是在導(dǎo)電玻璃基質(zhì)ITO上（陽(yáng)極）旋涂、浸涂或真空蒸鍍一層發(fā)光材料（發(fā)光層），然后鍍上陰極材料，連接直流電源即構(gòu)成電致發(fā)光器件。OLED去除了LCD生產(chǎn)中復(fù)雜的電池及液晶顯示模塊工藝，同時(shí)也無(wú)需背光源及濾波器。顯然，生產(chǎn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，因此OLED比LCD更具有成本優(yōu)勢(shì)。

為了提高有機(jī)發(fā)光器件的穩(wěn)定性和效率，應(yīng)使電子和空穴載流子的注入達(dá)到平衡，這就要求電極材料的功函數(shù)與發(fā)光材料的能級(jí)相匹配。在電極材料的選擇上，陰極和陽(yáng)極的要求是不一樣的。陰極需采用低功函數(shù)材料，以便電子可以在較低激發(fā)電壓下注入到發(fā)光層內(nèi)；而陽(yáng)極則必須選擇高功函數(shù)的材料。在上述單層器件的基礎(chǔ)上，已開(kāi)發(fā)出雙層和三層結(jié)構(gòu)的有機(jī)薄膜EL器件。這種雙層和三層結(jié)構(gòu)的有機(jī)薄膜電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 有機(jī)薄膜電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)

當(dāng)電極上加有電壓時(shí)，發(fā)光層就產(chǎn)生光輻射。和無(wú)機(jī)薄膜電致發(fā)光器件不同，有機(jī)材料的電致發(fā)光屬于注入式的復(fù)合發(fā)光，其發(fā)光機(jī)理是由正極和負(fù)極產(chǎn)生的空穴和電子在發(fā)光材料中復(fù)合成激子，激子的能量轉(zhuǎn)移到發(fā)光分子，使發(fā)光分子中的電子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)是一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)，去激過(guò)程復(fù)合就產(chǎn)生可見(jiàn)光。為增強(qiáng)電子和空穴的注入和傳輸能力，通常又在ITO和發(fā)光層間増加一層有機(jī)空穴傳輸材料或在發(fā)光層與金屬電極之間增加一層電子傳輸層，以提高發(fā)光效率，這是雙層結(jié)構(gòu)器件。如果既有空穴傳輸層，又有電子傳輸層，則是圖1中的三層結(jié)構(gòu)器件。

OLED主要有機(jī)小分子電致發(fā)光與聚合物電致發(fā)光。

有機(jī)小分子電致發(fā)光的原理是：從陰極注入電子，從陽(yáng)極注入空穴，被注入的電子和空穴在有機(jī)層內(nèi)傳輸。第一層的作用是傳輸空穴和阻擋電子，使得沒(méi)有與空穴復(fù)合的電子不能進(jìn)入正電極；第二層是電致發(fā)光層，被注入的電子和空穴在有機(jī)層內(nèi)傳輸，并在發(fā)光層內(nèi)復(fù)合，從而激發(fā)發(fā)光層分子產(chǎn)生單重態(tài)激子，單重態(tài)激子輻射躍遷而發(fā)光。

聚合物電致發(fā)光過(guò)程為：在電場(chǎng)的作用下，將空穴和電子分別注入到共軸高分子的最高占有軌道（HOMO）和最低空軌道（LUMO），于是就會(huì)產(chǎn)生正、負(fù)極子，極子在聚合物鏈段上轉(zhuǎn)移，最后復(fù)合形成單重態(tài)激子，單重態(tài)激子輻射躍遷而發(fā)光。

實(shí)際上，電致發(fā)光機(jī)理屬于注入式發(fā)光，在正向偏壓的作用下，ITO電極向電荷傳輸層注入空穴，在電場(chǎng)的作用下向傳輸層界面移動(dòng)，而由鋁電極注入的電子也由電子傳輸層向界面移動(dòng)，由于勢(shì)壘的作用，電子不易進(jìn)入電荷傳輸層，而在界面附近的發(fā)光層（Alq）一側(cè)積累。由于激子產(chǎn)生的幾率與電子和空穴濃度的乘積成正比，在空穴進(jìn)入Alq層后與電子界面處結(jié)合而產(chǎn)生激子的幾率很大，因而幾乎所有的激子都是在界面處與Alq層一側(cè)很狹窄的區(qū)域（約36nm）內(nèi)產(chǎn)生。因而發(fā)光不僅僅是在Alq層，而且主要在電子/空穴傳輸層的界面。

二、OLED的分類

（1）按發(fā)光材料或分子結(jié)構(gòu)分類。

①小分子OLED。在小分子OLED中，發(fā)光體是離散的分子。八羥基喹琳鋁（Alq3）是常用的發(fā)光材料，Alq3可發(fā)出波長(zhǎng)為450~700nm的寬帶綠光輻射，峰值波長(zhǎng)位于550nm。如果在Alq3中加入摻雜劑或用其他原子（如被）取代鋁，就可得到不同顏色的光輻射。Kodak公司的C.W.Tang于1987年發(fā)表的劃時(shí)代結(jié)果采用的就是Alq3。現(xiàn)在Kodak公司擁有小分子OLED的基本專利。美國(guó)新澤西的UDC（Universal Display Corporation）公司，主要開(kāi)發(fā)電致磷光OLED器件，其功率效率居世界領(lǐng)先水平（大于30lm/W）。

②聚合物OLED（高分子OLED，簡(jiǎn)稱PLED）。這類有機(jī)發(fā)光材料是共軛聚合物，也稱為高分子型。與小分子不同，聚合物發(fā)光材料的成膜可用溶液方法進(jìn)行處理。通常采用的方法是旋涂法和噴黑打印方法，其中噴墨法是劍橋顯示技術(shù)公司（CDT）和精工愛(ài)普生（SEIKO-EPSON）的專利技術(shù)。PLED是劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室Friend小組于1990年首次發(fā)布的，使用的發(fā)光材料是PPV。PPV本身是難溶性的，不易加工處理，但PPV的前驅(qū)物可溶于某些溶劑，如氯仿、甲醇等。目前廣泛使用的材料除了PPV之外，主要還有MEH-PPV和聚藥類材料。劍橋顯示技術(shù)公司（CDT）成立于1992年，該公司擁有PLED的基本專利。德國(guó)法蘭克福的Cavion公司，則主要向PLED廠商提供聚合物發(fā)光材料。

③鑭系有機(jī)金屬OLED（稀土OLED）。鑭系金屬有機(jī)化合物介于小分子和聚合物發(fā)光材料之間，它屬于稀土類發(fā)光材料。由這類材料構(gòu)成的器件也稱為稀土OLED。在稀土OLED中，發(fā)光分子由一個(gè)金屬核心和外圍的有機(jī)殼層組成。其發(fā)光機(jī)制與前兩類OLED不同，加電之后，首先在外圍有機(jī)殼層中形成激發(fā)態(tài)，然后將其能量傳遞給金屬核心，金屬核心去激時(shí)，輻射出顏色比較純正的光。稀土OLED重要特點(diǎn)之一是，單重態(tài)和三重態(tài)都產(chǎn)生光輻射，其量子效率在理論上可達(dá)100%。

因此，它的PL和EL效率都很高，EL功率效率的理論值為120lm/W。由于是金屬核心發(fā)光，與小分子和聚合物OLED相比，稀土OLED的光譜非常窄，半峰寬（FWHW）的典型值只有100nm。目前，英國(guó)的兩家公司正在從事稀土OLED產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作：一家是成立于1997年的Opsys公司；另一家是成立于1999年的ELAM-T公司，主要開(kāi)發(fā)鯛系金屬有機(jī)化合物材料，功率效率已經(jīng)超過(guò)70ImAV。

（2）按驅(qū)動(dòng)方式分類。

①被動(dòng)矩陣（Passive Matrix）驅(qū)動(dòng)（無(wú)源驅(qū)動(dòng)）顯示方式，簡(jiǎn)稱PM-OLED，其實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PM-OLED的實(shí)際結(jié)構(gòu)

其中，ITO玻璃（陽(yáng)極）和金屬電極（陰極）都是平行的電極條，二者相互正交，在交叉點(diǎn)處形成像素，也就是發(fā)光的部位LED。LED逐行點(diǎn)亮就形成一幀可視圖像。由于每一行的顯示時(shí)間都非常短，要達(dá)到正常的圖像亮度，每一行的LED的亮度都要足夠高。每個(gè)像素的亮度與施加電流的大小成正比。如一個(gè)100行的器件，每一行的亮度必須比平均亮度高100倍。這就需要很高的電流和電壓，從而引起功耗增加，使顯示效率急劇下降，這就使得PM-OLED在大面積顯示中的應(yīng)用受到限制。模擬結(jié)果表明，當(dāng)顯示面積提高4倍時(shí)，功率要提高10倍。對(duì)于2英寸的小面積顯示器件，PM-OLED的節(jié)能效果比同樣尺寸的背光源LCD要明顯得多；但10英寸的大面積PM-OLED和相同尺寸的LCD相比，節(jié)能效果就不復(fù)存在了。因此，這就限制了它在大面積顯示中的應(yīng)用。

PM-OLED易于制造，但其耗電量大于其他類型的OLED，這主要是因?yàn)樗枰獠侩娐返木壒?raquo;PM-OLED用來(lái)顯示文本和圖標(biāo)時(shí)效率最高，適于制作小屏幕（對(duì)角線2~3英寸），如人們?cè)谝苿?dòng)電話、掌上型電腦及MP3播放器上經(jīng)常能見(jiàn)到的那種。即便存在一個(gè)外部電路，被動(dòng)矩陣OLED的耗電量，還是要小于這些設(shè)備當(dāng)前采用的LCD。

②主動(dòng)矩陣（Acitive Matrix）驅(qū)動(dòng)（有源驅(qū)動(dòng)）顯示方式，簡(jiǎn)稱AM-OLED，其實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 AM-OLED的實(shí)際結(jié)構(gòu)

它具有完整的陰極層、有機(jī)分子層以及陽(yáng)極層，但陽(yáng)極層覆蓋著一個(gè)薄膜晶體管（TFT）陣列，形成一個(gè)矩陣。利用類似于AM-LCD的制造技術(shù)，在玻璃襯底上制作CMOS多晶硅TFT，發(fā)光層制作在TFT之上。TFT陣列本身就是一個(gè)電路，能決定哪些像素發(fā)光，進(jìn)而決定圖像的構(gòu)成。

驅(qū)動(dòng)電路完成兩個(gè)功能：一是提供受控電流以驅(qū)動(dòng)OLED；二是在尋址期之后繼續(xù)提供電流以保證各像素連續(xù)發(fā)光。和PM-OLED不同的是，AM-OLED的各個(gè)像素是同時(shí)發(fā)光的。這樣單個(gè)像素的發(fā)光亮度就大大地降低了，電壓也得到了相應(yīng)的下降。這就意味著AM-OLED的功耗比PM-OLED要低得多，是大面積顯示比較理想的選擇。

一般，驅(qū)動(dòng)OLED的薄膜晶體管有以下三種薄膜晶體管技術(shù)。

•低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT）；

•非晶硅薄膜晶體管（a-Si TFT）：

•有機(jī)薄膜電晶體（OTFT）

低溫多晶硅薄膜晶體管相對(duì)于另兩種晶體管技術(shù)，具有較高的載流子（電子或孔穴）遷移率（約100倍）及較高的熱穩(wěn)定性，可提供足夠高的電流供應(yīng)給有機(jī)發(fā)光二極管。因此，低溫多晶硅薄膜晶體管與有機(jī)發(fā)光二極管兩種技術(shù)的結(jié)合，已成為未來(lái)必然的發(fā)展趨勢(shì)。

AM-OLED的耗電量低于PM-OLED，這是因?yàn)門FT陣列所需電量要少于外部電路，因而AM-OLED適合用于大型顯示屏。AM-OLED還具有更高的刷新率，適于顯示視頻。AM-OLED的最佳用途是電腦顯示器、大屏幕電視及電子告示牌或看板。

有源矩陣的驅(qū)動(dòng)電路藏于顯示屏內(nèi)，更易于實(shí)現(xiàn)集成度和小型化。由于解決了外圍驅(qū)動(dòng)電路與屏的連接問(wèn)題，這在一定程度上提高了成品率和可靠性?，F(xiàn)在，CDT、精工愛(ài)普生、三洋電機(jī)等公司展出的17英寸OLED采用的就是主動(dòng)矩陣方式。可以預(yù)見(jiàn)，主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是今后OLED發(fā)展普遍采用的方式。

三、OLED的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）OLED的優(yōu)點(diǎn)如下。

•OLED是自發(fā)光，因而視角寬，亮度高：

•不存在聚焦，失真小，清晰度，色純?nèi)烈恢拢?/p>

•不受磁場(chǎng)影響，無(wú)閃爍，材料綠色環(huán)保；

•響應(yīng)速度快；

•工作電壓低、功耗低，發(fā)光效率高；

•面板超薄，超輕，可做成能彎曲的柔性顯示器；

•生產(chǎn)成本低；

•高低溫特性好，溫度范圍寬（-40℃~+85℃），且耐溫差；

•耐震，適用于震動(dòng)環(huán)境使用。

（2）OLED的缺點(diǎn)。OLED似乎是一項(xiàng)完美無(wú)缺的技術(shù)，適合各類的顯示器，但它目前還存在一些需要解決的缺陷問(wèn)題：

①壽命和穩(wěn)定性問(wèn)題。OLED/PLED器件要達(dá)到實(shí)用化，要求實(shí)用壽命至少大于10000小時(shí)，存儲(chǔ)壽命至少5年。但目前還未達(dá)到，影響OLED壽命和穩(wěn)定性的主要原因如下。

•器件溫度升高：因器件在工作過(guò)程中除發(fā)光外，還有一部分電能轉(zhuǎn)化為熱量，從而使分子振動(dòng)加劇，器件發(fā)熱溫度升高，這將導(dǎo)致薄膜結(jié)晶、界面變化等。

•氧化：器件包封不夠嚴(yán)密（或在使用過(guò)程中泄露空氣），即使有微量空氣滲入，在內(nèi)部高電場(chǎng)作用下，氧分子將引起光氧化降解反應(yīng)，破壞有機(jī)/高分子材料的共匏特性，使發(fā)光效率降低，導(dǎo)致器件退化。

•水：在高電場(chǎng)下，微量的水分都可能會(huì)導(dǎo)致電化學(xué)等反應(yīng)，使器件界面遭到破壞。水氧的存在還可能造成電極被腐蝕，導(dǎo)致電子注入效率下降；氧化產(chǎn)生的離子可能注入器件發(fā)光區(qū)，造成猝滅中心，進(jìn)而影響器件的發(fā)光效率。

•雜質(zhì)：雜質(zhì)可能成為載流子捕獲和生熱中心，引起內(nèi)部電場(chǎng)的局部畸變，雜質(zhì)產(chǎn)生的無(wú)輻射中心，是器件老化的重要原因，所以有機(jī)/高分子材料的提純是一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，每400個(gè)苯基乙烯基單元中含一個(gè)殘基就會(huì)使器件的發(fā)光猝滅一半。

•EL器件的光輻射：因?yàn)榘l(fā)光層發(fā)出的光可能破壞材料分子的化學(xué)鍵。此外，有機(jī)薄膜的厚度、均勻性等都可能影響到器件的穩(wěn)定性。

②色度問(wèn)題。OLED的大部分發(fā)光材料色彩純度不夠，不容易顯示出鮮艷、濃郁的色彩，尤其是紅色的色度性能尤為不良。

③大尺寸問(wèn)題。因?yàn)槌叽缱兇蠛髸?huì)出現(xiàn)如驅(qū)動(dòng)形式、掃描方式下材料的壽命、顯示屏發(fā)光均一化等問(wèn)題。目前大屏幕顯示器成品率低，因而制造大屏幕顯示器的成本偏高，還不能實(shí)現(xiàn)大尺寸屏幕的量產(chǎn)，因而目前只適用于小尺寸便攜類的數(shù)碼類產(chǎn)品。

我國(guó)臺(tái)灣省以銖德公司為代表的一批企業(yè)已經(jīng)走到世界OLED產(chǎn)業(yè)化的前列；清華大學(xué)和維信諾公司已聯(lián)合建立了國(guó)內(nèi)第一條OLED生產(chǎn)線等。相信不久，在解決好大尺寸OLED的長(zhǎng)期可靠性和使用壽命等后，OLED必將成為顯示器市場(chǎng)的主流。LCD花了15年時(shí)間才超過(guò)CRT成為電腦顯示器的主流技術(shù)。OLED將花費(fèi)更短的時(shí)間超越LCD。