OLED 解析

有機發(fā)光二極管（OrganicLight-Emitting Diode，OLED），又稱為有機電激光顯示、有機發(fā)光半導(dǎo)體（OrganicElectroluminesence Display，OLED），是指有機半導(dǎo)體材料和發(fā)光材料在電場驅(qū)動下，通過載流子注入和復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象。^[2]

一般而言，OLED可按發(fā)光材料分為兩種：小分子OLED和高分子OLED（也可稱為PLED）。^[2]

OLED是一種利用多層有機薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電致發(fā)光的器件，它很容易制作，而且只需要低的驅(qū)動電壓，這些主要的特征使得OLED在滿足平面顯示器的應(yīng)用上顯得非常突出。OLED顯示屏比LCD更輕薄、亮度高、功耗低、響應(yīng)快、清晰度高、柔性好、發(fā)光效率高，能滿足消費者對顯示技術(shù)的新需求。全球越來越多的顯示器廠家紛紛投入研發(fā)，大大的推動了OLED的產(chǎn)業(yè)化進程。^[3]

OLED，是一種有機電致發(fā)光器件，由比較特殊的有機材料構(gòu)成的，按照其結(jié)構(gòu)的不同可以將其劃分為四種類型，即單層器件、雙層器件、三層器件以及多層器件。^[4]

（1）單層器件

單層器件也就是在器件的正、負(fù)極之間接入一層可以發(fā)光的有機層，其結(jié)構(gòu)為襯底/ITO/發(fā)光層/陰極。在這種結(jié)構(gòu)中由于電子、空穴注入、傳輸不平衡，導(dǎo)致器件效率、亮度都較低，器件穩(wěn)定性差。^[4]

（2）雙層器件

雙層器件是在單層器件的基礎(chǔ)上,在發(fā)光層兩側(cè)加入空穴傳輸層（HTL）或電子傳輸層（ETL），克服了單層器件載流子注入不平衡的問題，改善了器件的電壓-電流特性，提高了器件的發(fā)光效率。^[4]

（3）三層器件

三層器件結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為襯底/ITO/HTL/發(fā)光層/ETL/陰極。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是使激子被局限在發(fā)光層中，進而提高器件的效率。^[4]

（4）多層結(jié)構(gòu)

多層結(jié)構(gòu)的性能是比較好的一種結(jié)構(gòu)，其能夠很好的發(fā)揮各個層面的作用。發(fā)光層也可以由多層結(jié)構(gòu)組成，由于各發(fā)機層之間相互獨立，可以分別優(yōu)化。因此，這種結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮各有機層的作用，極大地提高了器件設(shè)計的靈活性。^[4]

OLED按照驅(qū)動方式來劃分，一般分為兩種，一種是主動式，一種是被動式。主動式的一般為有源驅(qū)動，被動式的為無源驅(qū)動。在實際的應(yīng)用過程中，有源驅(qū)動主要是用于高分辨率的產(chǎn)品，而無源驅(qū)動主要應(yīng)用在顯示器尺寸比較小的顯示器中。^[4]

構(gòu)成OLED的材料主要是有機物，可根據(jù)有機物的種類劃分，一種為小分子，另一種是高分子。這兩種器件的主要差別在制作工藝上，小分子器件主要采用的是真空熱蒸發(fā)工藝，高分子器件采用的是旋轉(zhuǎn)涂覆或者是噴涂印刷工藝。^[4]

OLED器件由基板、陰極、陽極、空穴注入層（HIL）、電子注入層（EIL）、空穴傳輸層（HTL）、電子傳輸層（ETL）、電子阻擋層（EBL）、空穴阻擋層（HBL）、發(fā)光層（EML）等部分構(gòu)成。其中，基板是整個器件的基礎(chǔ)，所有功能層都需要蒸鍍到器件的基板上；通常采用玻璃作為器件的基板，但是如果需要制作可彎曲的柔性O(shè)LED器件，則需要使用其它材料如塑料等作為器件的基板。陽極與器件外加驅(qū)動電壓的正極相連，陽極中的空穴會在外加驅(qū)動電壓的驅(qū)動下向器件中的發(fā)光層移動，陽極需要在器件工作時具有一定的透光性，使得器件內(nèi)部發(fā)出的光能夠被外界觀察到；陽極最常使用的材料是ITO?？昭ㄗ⑷雽幽軌?qū)ζ骷年枠O進行修飾，并可以使來自陽極的空穴順利的注入到空穴傳輸層；空穴傳輸層負(fù)責(zé)將空穴運輸?shù)桨l(fā)光層；電子阻擋層會把來自陰極的電子阻擋在器件的發(fā)光層界面處，增大器件發(fā)光層界面處電子的濃度；發(fā)光層為器件電子和空穴再結(jié)合形成激子然后激子退激發(fā)光的地方；空穴阻擋層會將來自陽極的空穴阻擋在器件發(fā)光層的界面處，進而提高器件發(fā)光層界面處電子和空穴再結(jié)合的概率，增大器件的發(fā)光效率；電子傳輸層負(fù)責(zé)將來自陰極的電子傳輸?shù)狡骷陌l(fā)光層中；電子注入層起對陰極修飾及將電子傳輸?shù)诫娮觽鬏攲拥淖饔?；陰極中的電子會在器件外加驅(qū)動電壓的驅(qū)動下向器件的發(fā)光層移動，然后在發(fā)光層與來自陽極的空穴進行再結(jié)合。^[5]

OLED器件的發(fā)光過程可分為：電子和空穴的注入、電子和空穴的傳輸、電子和空穴的再結(jié)合、激子的退激發(fā)光。具體為：^[5]

（1）電子和空穴的注入。處于陰極中的電子和陽極中的空穴在外加驅(qū)動電壓的驅(qū)動下會向器件的發(fā)光層移動，在向器件發(fā)光層移動的過程中，若器件包含有電子注入層和空穴注入層，則電子和空穴首先需要克服陰極與電子注入層及陽極與空穴注入層之間的能級勢壘，然后經(jīng)由電子注入層和空穴注入層向器件的電子傳輸層和空穴傳輸層移動；電子注入層和空穴注入層可增大器件的效率和壽命。關(guān)于OLED器件電子注入的機制還在不斷的研究當(dāng)中，目前最常被使用的機制是穿隧效應(yīng)和界面偶極機制。^[5]

（2）電子和空穴的傳輸。在外加驅(qū)動電壓的驅(qū)動下，來自陰極的電子和陽極的空穴會分別移動到器件的電子傳輸層和空穴傳輸層，電子傳輸層和空穴傳輸層會分別將電子和空穴移動到器件發(fā)光層的界面處；與此同時，電子傳輸層和空穴傳輸層分別會將來自陽極的空穴和來自陰極的電子阻擋在器件發(fā)光層的界面處，使得器件發(fā)光層界面處的電子和空穴得以累積。^[5]

（3）電子和空穴的再結(jié)合。當(dāng)器件發(fā)光層界面處的電子和空穴達到一定數(shù)目時，電子和空穴會進行再結(jié)合并在發(fā)光層產(chǎn)生激子。^[5]

（4）激子的退激發(fā)光。在發(fā)光層處產(chǎn)生的激子會使得器件發(fā)光層中的有機分子被活化，進而使得有機分子最外層的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，由于處于激發(fā)態(tài)的電子極其不穩(wěn)定，其會向基態(tài)躍遷，在躍遷的過程中會有能量以光的形式被釋放出來，進而實現(xiàn)了器件的發(fā)光。^[5]

1、OLED顯示技術(shù)依制程方式分為高分子制程及小分子制程兩類，高分子制程(PLED)因不需薄膜制程，故設(shè)備投資及生產(chǎn)成本均遠(yuǎn)低于TFT-LCD(類似CD—R以旋轉(zhuǎn)涂布spin-coating方式涂模)，較利于大尺寸顯示器的發(fā)展。但由于PLED每個顏色的衰減常數(shù)不同，因此產(chǎn)品多彩化不但困難，產(chǎn)品使用壽命也因而受到影響。小分子有機電激發(fā)光元件雖在多彩化方面優(yōu)于高分子有機電激發(fā)光元件，但設(shè)備投資及生產(chǎn)成本較高(因采加熱蒸鍍方式蒸鍍多層有機薄膜材料，為避免材料間的相互污染，故必須使用價格昂貴的多腔體的真空設(shè)備，且驅(qū)動電壓大及產(chǎn)出率較低。^[6]

高分子元件在熱穩(wěn)定性方面表現(xiàn)較佳，因此可適用于較高溫度的工作環(huán)境，并可忍受較高的電流密度，但因紅籃綠三畫素獨立定位困難，至今仍無法推出全彩顯示器。^[6]

2、OLED顯示技術(shù)依驅(qū)動方式分為被動式(無源驅(qū)動passive matrix，即PM-OLED)與主動式(有源驅(qū)動active matrix，即AM—OLED)兩類。被動式適合用在小尺寸的面版，因為其瞬間亮度與陰極掃瞄列數(shù)成正比，所以需要在高脈沖電流下操作，會使像素的壽命縮短。且因為掃瞄的關(guān)系也使其分辨率受限制，但成本低廉、制程簡單是其一大優(yōu)點。^[6]

主動式恰與被動式特性相反，雖然成本較昂貴、制程較復(fù)雜(仍比TFT-LCD容易)，但每一個像素皆可連續(xù)與獨立驅(qū)動，并可記憶驅(qū)動信號，不需在高脈沖電流下操作，效率較高，壽命也可延長，適用于大尺寸、高分辨率之高信息容量的全彩化OLED顯示產(chǎn)品。^[6]

1、相較于LED或LCD的晶體層，OLED的有機塑料層更薄、更輕而且更富于柔韌性。^[6]

2、OLED的發(fā)光層比較輕，因此它的基層可使用富于柔韌性的材料，而不會使用剛性材料。OLED基層為塑料材質(zhì)，而LED和LCD則使用玻璃基層。^[6]

3、OLED比LED更亮，OLED有機層要比LED中與之對應(yīng)的無機晶體層薄很多，因而OLED的導(dǎo)電層和發(fā)射層可以采用多層結(jié)構(gòu)。此外，LED和LCD需要用玻璃作為支撐物，而玻璃會吸收一部分光線。OLED則無需使用玻璃。^[6]

4、OLED并不需要采用LCD中的逆光系統(tǒng)。LCD工作時會選擇性地阻擋某些逆光區(qū)域，從而讓圖像顯現(xiàn)出來，而OLED則是靠自身發(fā)光。因為OLED不需逆光系統(tǒng)，所以它們的耗電量小于LCD(LCD所耗電量中的大部分用于逆光系統(tǒng))。這一點對于靠電池供電的設(shè)備(例如移動電話)來說，尤其重要。^[6]

5、OLED制造起來更加容易，還可制成較大的尺寸。OLED為塑膠材質(zhì)，因此可以將其制作成大面積薄片狀。而想要使用如此之多的晶體并把它們鋪平，則要困難得多。^[6]

6、OLED的視野范圍很廣，可達170度左右。而LCD工作時要阻擋光線，因而在某些角度上存在天然的觀測障礙。OLED自身能夠發(fā)光，所以視域范圍也要寬很多。^[6]

OLED技術(shù)之所以能夠獲得廣泛的應(yīng)用，在于其與其它技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

（1）功耗低

與LCD相比，OLED不需要背光源，而背光源在LCD中是比較耗能的一部分，所以O(shè)LED是比較節(jié)能的。例如，24in的AMOLED模塊功耗僅僅為440mw，而24in的多晶硅LCD模塊達到了605mw。^[4]

（2）響應(yīng)速度快

OLED技術(shù)與其他技術(shù)相比，其響應(yīng)速度快，響應(yīng)時間可以達到微秒級別。較高的響應(yīng)速度更好的實現(xiàn)了運動的圖像。根據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)分析，其響應(yīng)速度達到了液晶顯示器響應(yīng)速度的1000倍左右。^[4]

（3）較寬的視角

與其他顯示相比，由于OLED是主動發(fā)光的，所以在很大視角范圍內(nèi)畫面是不會顯示失真的。其上下，左右的視角寬度超過170度。^[4]

（4）能實現(xiàn)高分辨率顯示

大多高分辨率的OLED顯示采用的是有源矩陣也就是AMOLED，它的發(fā)光層可以是吸納26萬真彩色的高分辨率，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其分辨率在以后會得到更高的提升。^[4]

（5）寬溫度特性

與LCD相比，OLED可以在很大的溫度范圍內(nèi)進行工作，根據(jù)有關(guān)的技術(shù)分析，溫度在-40攝氏度到80攝氏度都是可以正常運行的。這樣就可以降低地域限制，在極寒地帶也可以正常使用。^[4]

（6）OLED能夠?qū)崿F(xiàn)軟屏

OLED可以在塑料、樹脂等不同的柔性襯底材料上進行生產(chǎn)，將有機層蒸鍍或涂布在塑料基襯上，就可以實現(xiàn)軟屏。^[4]

（7）OLED成品的質(zhì)量比較輕

與其他產(chǎn)品相比，OLED的質(zhì)量比較小，厚度與LCD相比是比較小的，其抗震系數(shù)較高，能夠適應(yīng)較大的加速度，振動等比較惡劣的環(huán)境。^[4]

影響OLED器件壽命的因素眾多，按照影響OLED器件的因素影響，可以將影響因素分為內(nèi)因和外因兩種。其中，內(nèi)因是指器件壽命的減小是因器件自身的材料或結(jié)構(gòu)等非外界因素而引起，外因是指器件壽命的減小是因為器件所處環(huán)境的外部因素而引起。^[5]

影響OLED器件壽命的外因有器件所處環(huán)境中水、氧氣、微小顆粒等的含量、基板表面的平整度、器件電極表面的微小孔隙等。OLED器件中的電極通常采用的是活性較高的金屬材料，當(dāng)其與環(huán)境中的水和氧氣相遇時，器件中的電極極易與水和氧氣發(fā)生反應(yīng)，在器件的發(fā)光區(qū)域產(chǎn)生不能發(fā)光的黑點，黑點的大小會隨著時間的增加逐漸增大，使得器件可發(fā)光區(qū)域的面積逐漸減小。OLED器件所處環(huán)境中的微小顆粒也會對器件的壽命產(chǎn)生重要的影響。在制備OLED器件的過程中，如果在清洗器件基板時沒有清洗干凈，或者器件在蒸鍍過程中所處的蒸鍍環(huán)境中有較多的微小顆粒，那么殘留在基板上的微小顆粒會對器件的壽命產(chǎn)生重要的影響；原因是器件所處環(huán)境中的微小顆粒通常是無法導(dǎo)電的固體，當(dāng)其附著在器件的電極表面時，微小顆粒會使其所處電極處的導(dǎo)電性下降，并對蒸鍍在電極表面功能層的平整度產(chǎn)生影響，進而影響器件的壽命。器件基板表面的平整度也會影響到OLED器件的壽命。如果器件基板的表面不平整有較多的突起物，產(chǎn)生的突起物容易引起尖端放電，進而使得器件產(chǎn)生更多的漏電流；除此之外，尖端放電也會導(dǎo)致器件產(chǎn)生的熱量增多，進而影響到器件的穩(wěn)定性，使器件的壽命減小。器件電極表面的微小孔隙也會影響OLED器件的壽命；原因是，若器件的電極表面有較多的孔隙，則器件所處環(huán)境中的水和氧氣更容易通過電極表面的孔隙進入器件的內(nèi)部，與器件中的材料發(fā)生反應(yīng)，進而影響器件的穩(wěn)定性，減小器件的壽命。^[5]

影響OLED器件壽命的內(nèi)因有器件采用的結(jié)構(gòu)、器件所使用材料的穩(wěn)定性等。通常來說，多層結(jié)構(gòu)的OLED器件比單層結(jié)構(gòu)的OLED器件具有更長的壽命；與單層結(jié)構(gòu)的器件相比，多層結(jié)構(gòu)的器件由于其電子和空穴在被注入陰極和陽極時需要克服的能級勢壘較小，所以電子和空穴只需較低的驅(qū)動電壓即可被注入器件內(nèi)部；除此之外，多層結(jié)構(gòu)的器件由于具有電子阻擋層、空穴阻擋層、電子傳輸層和空穴傳輸層等功能層的加入，器件的發(fā)光效率會更高。器件所采用的材料的穩(wěn)定性也會影響到OLED器件的壽命；由于器件在外加驅(qū)動電壓的驅(qū)動下會產(chǎn)生較多的熱量，所以如果器件所用材料的穩(wěn)定性較差，器件的壽命也會減小。^[5]

由于OLED具有眾多優(yōu)勢，OLED技術(shù)要比LCD技術(shù)應(yīng)用范圍更加廣泛，可以延伸到電子產(chǎn)品領(lǐng)域、商業(yè)領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、工業(yè)控制領(lǐng)域、醫(yī)用領(lǐng)域當(dāng)中，在加上近些年國際各大企業(yè)都在不斷加強對OLED技術(shù)的研究，OLED技術(shù)會進一步得到完善。^[7]

在商業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，POS機、復(fù)印機、ATM機中都可以安裝小尺寸的OLED屏幕，由于OLED屏幕可彎曲、輕薄、抗衰性能強等特性，既美觀又實用。大屏幕可以用作商務(wù)宣傳屏，也可以用作車站、機場等廣告投放屏幕，這是因為OLED屏幕廣視角、亮度高、色彩鮮艷，視覺效果比LCD屏好很多。^[7]

電子產(chǎn)品領(lǐng)域中，OLED應(yīng)用最為廣泛的就是智能手機，其次是筆記本、顯示屏、電視、平板、數(shù)碼相機等領(lǐng)域，由于OLED顯示屏色彩更加濃艷，并且可以對色彩進行調(diào)教（不同顯示模式），因此在實際應(yīng)用中非常廣泛，特別是當(dāng)今的曲面電視，廣受群眾的好評。^[7]

這里需要提一點VR技術(shù)，LCD屏觀看VR設(shè)備有非常嚴(yán)重的拖影，但在OLED屏幕中會緩解非常多，這是因為OLED屏是點亮光分子，而液晶是光液體流動。因此，在16年OLED屏幕正式超越了LCD屏，成為了手機界的新寵兒。^[7]

在交通領(lǐng)域中，OLED主要用作輪船、飛機儀表、GPS、可視電話、車載顯示屏等，并且以小尺寸為主，這些領(lǐng)域主要是注重OLED廣視角性能，即使不直視也能夠清楚看到屏幕內(nèi)容，LCD則不行。^[7]

工業(yè)領(lǐng)域中，當(dāng)今我國工業(yè)正在朝向自動化、智能化方向發(fā)展，所引入的智能操作系統(tǒng)也越來越多，這就對屏幕有了更多的需求。無論是在觸屏顯示上還是觀看顯示上，OLED的應(yīng)用范圍要比LCD更廣。^[7]

醫(yī)療領(lǐng)域中，醫(yī)學(xué)診斷影響、手術(shù)屏幕監(jiān)控都離不開屏幕，為了適應(yīng)醫(yī)療顯示的廣視域要求，OLED屏幕是“不二人選”。^[7]

可見，OLED顯示屏的發(fā)展空間非常高，市場潛力巨大。但是相比LCD屏幕，OLED制造技術(shù)還不夠成熟，由于量產(chǎn)率低、成本高，在市場上只有一些高端設(shè)備才會采用頂級的OLED屏幕。但是從2017年上半年數(shù)據(jù)來看，各個廠商都加大了對OLED技術(shù)的研究投入，并且我國很多中端電子產(chǎn)品都應(yīng)用了OLED顯示屏。從手機行業(yè)來看，從2015年以后，OLED屏幕的應(yīng)用比例逐年提高，雖然依然沒有LCD產(chǎn)品多，但是高端智能手機都采用了最先進的OLED屏幕，因此，智能手機等電子產(chǎn)品發(fā)展，勢必會進一步推動OLED發(fā)展。^[7]

1、真正能發(fā)揮OLED技術(shù)優(yōu)勢，仍以AMOLED應(yīng)用為主

PMOLED在其元件的結(jié)構(gòu)組成方面，較AMOLED更為簡單，具備大量生產(chǎn)壓低成本的制造優(yōu)勢，也是OLED用于顯示應(yīng)用最早量產(chǎn)的產(chǎn)品形態(tài)。PMOLED適用于移動電話的顯示屏幕應(yīng)用，在訊息顯示量不高的小型面板應(yīng)用尤其適合，量產(chǎn)成本也相對低許多。但在主應(yīng)用產(chǎn)品越趨轉(zhuǎn)向高彩、大尺寸、快速顯示的應(yīng)用方向時，PMOLED在技術(shù)條件明顯無法應(yīng)付新需求。但真正能發(fā)揮OLED技術(shù)優(yōu)勢，仍是AMOLED應(yīng)用為主，尤其用于顯示器應(yīng)用領(lǐng)域。^[3]

2、可撓式AMOLED得以應(yīng)用

AMOLED由于結(jié)構(gòu)具備可撓特性，因此也具備導(dǎo)入e-ink電子紙應(yīng)用的條件，例如，Sony就開發(fā)出采用AMOLED構(gòu)造的可撓式顯示器(Flexible Plastic Substrate)，其制法是將AMOLED結(jié)構(gòu)制作于塑料薄膜上，克服以往AMOLED需高溫制程可能會造成塑料基底的變形問題。在Sony的制法中，可撓式的OLED面板制程可全程控制在180℃以下。^[3]

針對可撓性O(shè)LED的原型開發(fā)，亞利桑那州立大學(xué)(Arizona StateUniversity；ASU)也開發(fā)出4寸大小的AMOLED顯示器，目前已具備QVGA顯示分辨率。由ASU發(fā)展的可撓設(shè)計原型使用杜邦Teijin熱穩(wěn)定聚乙烯萘二甲酸乙二醇酯(PEN)材料，與Sony同樣以低于180℃制程制作，整合于非晶矽TFT背板。^[3]

3、發(fā)展節(jié)能光源OLED成為全球趨勢

OLED的材質(zhì)特性，不只是讓顯示器廠商為之驚艷，OLED具備的自發(fā)光特性，也讓燈具、光源制造商感興趣，如飛利浦、歐斯朗等燈具大廠嘗試投入相關(guān)研發(fā)。^[3]