OLED显示的理论基础及最新进展.docx
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OLED显示的理论基础及最新进展
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OLED的原理2006-3-2
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OLED（OrganicLightEmittingDisplay，中文名有機發光顯示器）是指有機半導體材料和發光材料在電場驅動下，通過載流子注入和複合導致發光的現象。
其原理是用ITO透明電極和金屬電極分別作為器件的陽極和陰極，在一定電壓驅動下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電子和空穴傳輸層，電子和空穴分別經過電子和空穴傳輸層遷移到發光層，並在發光層中相遇，形成激子並使發光分子激發，後者經過輻射弛豫而發出可見光。
輻射光可從ITO一側觀察到，金屬電極膜同時也起了反射層的作用。
根據這種發光原理而製成顯示器被稱為有機發光顯示器，也叫OLED顯示器。
OLED是如何發現的
1979年的一天晚上，在柯達公司從事科學研究工作的華裔科學家鄧青雲（Dr.C.W.Tang）博士在回家的路上忽然想起有東西忘記在實驗室。
回到實驗室，他發現黑暗中有個亮的東西。
打開燈，原來是一塊做實驗的有機蓄電池在發光。
這是怎麼回事？
OLED研究就由此開始.鄧博士由此也被稱為OLED之父。
OLED的技術特點
與LCD相比，OLED具有主動發光，無視角問題；重量輕，厚度小；高亮度，高發光效率；發光材料豐富，易實現彩色顯示；回應速度快，動態畫面質量高；使用溫度範圍廣；可實現柔軟顯示；工藝簡單，成本低；抗震能力強等一系列的優點，因此它被專家稱為未來的理想顯示器。
OLED的市場前景
OLED具有超輕薄、全固化、自發光、回應速度快、溫度特性好、可實現柔軟顯示等特性，在各種領域有著廣泛的應用。
OLED主要應用領域包括：
家電及儀錶用段式顯示幕；新型攜帶型裝置如手機、數碼相機、PDA等的顯示終端，攜帶型電腦、壁掛式電視機的顯示終端電子書籍等新型柔軟顯示幕；對環境適應性要求較高的野外作業應用，如低溫環境等。
業界普遍認為，OLED的產業化已經開始，今後3－5年是OLED技術走向成熟和市場高速增長的階段。
國際上權威的平板顯示器市場分析公司StanfordResource認為，隨著在材料研究、生產工藝、成本控制、市場應用等方面的進展，2002年以後OLED市場的增長勢頭將會更大。
2007年，OLED產品的市場規模可達31億美元。
OLED基礎理論之OLED種類2006-3-3
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一般來說，OLED顯示器依驅動方式分為被動式（passivematrix，即PM-OLED）與主動式（activematrix，即AM-OLED）兩類，其電路設計原理如圖一所示。
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成正比，所以需要在高脈衝電流下操作，會使圖元的壽命縮短。
且因為掃瞄的關係也使其解析度受限制，但成本低廉、制程簡單是其一大優點。
主動式恰與被動式特性相反，雖然成本較昂貴、制程較複雜（仍比TFT-LCD容易），但每一個圖元皆可連續與獨立驅動，並可記憶驅動信號，不需在高脈衝電流下操作，效率較高，壽命也可延長，適用於大尺寸、高解析度之高資訊容量的全彩化OLED顯示產品。
被動式矩陣與主動式矩陣的電路原理
新一代OLED顯示技術2006-3-2
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繼純平顯示器陸續取代我們現在所使用的傳統CRT之後，LCD也逐漸走近千家萬戶，然而，在顯示產品領域歷經了一場又一場的波瀾壯闊的革命之後，我們未來在顯示產品上又將會迎接什麼的技術革新，給我們帶來什麼顯示領域的新驚喜呢？
這就是下文即將談到的下一代的平板顯示器OLED顯示技術。
認識什麼是OLED
OLED即英文OrganicLightEmittingDiode的縮寫，中文譯作：
有機發光二極體。
自2003年開始正式有廠家把OLED技術應用在數碼相機、手機等數位產品的顯示幕幕上，更進一步推進其加速發展，OLED顯示器的製造和生產被各大廠家提上議事日程。
從目前三星、LG、NEC等紛紛推出帶有OLED的顯示幕的手機就能看出OLED在顯示產品的應用上超越了LCD的產品。
正是因為價格和成本控制非常優良，並且具備優秀的顯示效果而被很多人稱之為液晶（LCD）的殺手。
OLED正是憑藉了某些特殊的碳基分子可以在電荷傳遞過程中發射出不同顏色的光作為基本的工作原理，把這些特殊材料聚合成高分子（塑狀），然後製成可用於顯示的材料。
在OLED的生產上，被動短陣技術可以採用低資訊密度顯示設備，而對於電腦、電視等高資訊密度顯示設備就需要使用主動短陣技術了。
具有優異性能的OLED
OLED是當前平板顯示器業界的新寵兒，很多公司都正在對此進行研發，並努力將該技術推向市場。
這跟它所具有的優勢是分不開的，就以OLED跟現在的LCD螢幕比較起來，我們可以發現OLED確實存在諸多的優點：
在機身外形設計上，OLED的顯示幕幕可以做得非常纖細，因為OLED器件的核心層厚度很薄，厚度甚至可以小於1毫米，這樣的厚度僅為目前液晶顯示器的1/3。
所以它的厚度要比LCD屏更薄，更纖細。
同時，由於OLED還可以在不同材質的基板上製造，令它在外形設計上可以做出各種各樣的彎曲形狀的柔軟顯示設備，來配合各種需要。
此外，在OLED器件的單個圖元中，其尺寸可以相當小，並且還預留了很大的空間減幅潛力，令它特別適合應用在今後高速發展的微顯示設備中。
我們都知道，液晶材料在比較低溫的環境中，它的顯示效果讓人痛心，不過OLED就沒有這個缺點，OLED的低溫特性尤其好，就算在-40℃的條件下也能正常顯示。
除了可以應付嚴寒的環境外，OLED的抗衝擊能力也較強，由於OLED器件均為全固態機構，且採用無真空、液體物質，所以抗震性能良好，可以適應巨大的加速度、振動等惡劣環境，從而使OLED的應用範圍可以更加廣泛。
OLED可以自身發光，而LCD則不會發光，這使得OLED比目前的LCD螢幕要光亮很多，並且對比度更大，色彩效果表現也較好。
同時，OLED的發光轉化效率也較高，由於現時的LCD需要背景燈光來點亮，而OLED只是需要在添加點亮的單元的時候才加上電源，所以OLED所需要的電壓比較低，比號稱省電的LCD螢幕更加低功耗，更為節電。
OLED的失真現象較小，不像現在的LCD螢幕，會有嚴重的水平和垂直的視角失真，由於OLED所具有的主動發光的特性，屬於發射型的設計，令它基本沒有視角範圍的限制，視角一般都可以達到1600以上，這樣在很大的角度內觀看，甚至從側面觀看也不會感覺失真。
目前液晶螢幕主要的缺點還表現在它的回應時間較長，對於一些遊戲顯示等快速畫面的顯示會出現“拖影”的現象，而OLED就徹底解決了這個問題，這主要歸功於OLED器件的單個圖元的回應速度得到顯著提升，其速度是目前液晶材料元件的1000倍以上，完全可以實現高質素的視頻重播和3D遊戲顯示，可跟現在的CRT的回應速度相媲美。
在重量方面，OLED的設計重量還要比LCD輕得多，因為在製造工藝上，OLED所需材料很少，它只有一個底層，製造工藝也相對簡單，只需要86道工序，而LCD卻要上200道，它對材料和工藝的要求都比LCD減少約1/3，成本將會更加低。
據估計OLED量產時的成本要比LCD至少節省20%，這也是將來在顯示幕生產中，現有的LCD技術會被OLED技術所取代，在生產成本和產品性能上的優勢奠定了優厚的基礎。
在現階段，OLED面臨的最大的缺點就是壽命比LCD要短，由於OLED只能達到約5000個工作小時，比起現在的LCD可以高達10000個工作小時要明顯遜色。
在技術層面上能夠徹底解決這個難題目前仍較困難，而要縮短兩者的工作時間的差距，至少還需要4到5年的時間，這就迫使目前的OLED產品仍只能適合在一些不經常使用的設備上，譬如車載的DVD播放器、掌上電腦PDA、數碼相機、數碼攝像機、攜帶型影碟機等等的數碼產品，對於要真正廣泛應用在桌面型的電腦中，還需尚待時日，所以OLED目前還不太適合作為電腦的顯示輸出設備。
此外，由於要適應電腦或者是電視機的顯示要求，OLED必須採用主動矩陣技術，這就使OLED不可避免地要面臨和主動矩陣液晶同樣的合格率偏低問題。
OLED技術如何誕生？
那麼OLED技術到底是什麼時候出現的呢？
其實早在1987年，就已經有人開始對OLED進行研究。
這是受聘了Kodak公司的汪根樣博士無意間發現的有機蓄電池所產生的發光現象，並從此開始了關於OLED的研究，為OLED技術邁出了第一步。
作為出生在香港的汪根樣博士不愧是我們中國人的驕傲。
後來汪根樣繼續研究發現：
在小分子有機材料中，它們與金屬半導體類似，可以在電場的作用下產生發光現象，而且這些小分子的有機材料的電光轉換效率非常高。
在電路控制下，OLED能快速地點亮和熄滅，每秒可操作60次，亮度很高，工作電壓卻非常之低。
與此同時，在英國劍橋大學攻讀博士的JeremyBurroughes也在一年之後證明，大分子的聚合物也有場致發光效應。
之後，Jeremy便與他的導師一起創建了劍橋顯示技術公司，同樣走上了研究OLED的道路，開闢了與Kodak公司截然不同的OLED研發路子。
特殊的結構造就出OLED優異的性能
OLED所具備的優異性能跟它的特殊結構的關係是密不可分的，在OLED顯示幕中，每個OLED單元猶如一塊多層的夾心餅乾，其中的發光材料就是夾在每個單元的中間，好比是餅乾中的餡料，每個單元都能受控地產生3種不同顏色的光，它的結構如圖2所示。
在類型上，OLED與LCD一樣，分為主動式和被動式兩大類。
被動方式下由行列位址選中的單元被點亮。
主動方式下，OLED單元後有一個薄膜電晶體（TFT），發光單元在TFT驅動下點亮。
主動式的OLED比較省電，但在顯示性能上，被動式的OLED的顯示效果會更佳。
而OLED的關鍵元件包括了ITO導電玻璃、小分子有機材料、封裝相關材料、高純度金屬材料、低溫多晶矽TFT技術及驅動IC等等；而TFT-LCD需要玻璃基板、背光板、偏光板、彩色濾光片及液晶材料等。
從材料的需要方面來說，TFT-LCD總的面板厚度約1cm左右，不過OLED的材料則僅包括1片約1.3mm的玻璃基板以及小於0.3mm的高純度金屬材料和ITO導電玻璃等，總厚度小於2mm，兩者相比，OLED的面板厚度只是TFTLCD的10%~20%，因此OLED不但比TFTLCD減少許多材料，也因此可以進一步降低生產成本，此外由於OLED與TFT-LCD的發光源不同，所以也減低了平板顯示幕在視角上的缺陷。
OLED技術應用前景廣泛
OLED技術除了用於我們日常熟悉的桌面電腦系統中之外，它的另一個應用就是用在微型顯示器上，這裏所說的微顯示器（Microdisplay）一般是指3.3cm以下的顯示器，它目前主要分為LCD和OLED兩大類。
微型顯示這種小東西是針對在無線環境中，移動設備小得能裝在衣服口袋裏的設計，同時，如果使用這種小巧的OLED螢幕來欣賞大螢幕的DVD影片時，也無須擔心它的顯示面積過於狹小，只要給這類微顯示器配上一副虛擬的光學系統就可以迎刃而解了。
該光學系統可以有單眼用和雙眼用兩種類型，單眼系統使用者在看顯示器的同時也能關注其他事物，但雙眼系統視覺效果更好。
微型顯示的技術最早是應用在戰鬥機的飛行員當中，現在的發展趨勢是主要用在穿戴式電腦上。
通過這種微型顯示，移動設備就不再受到顯示器體積龐大，耗電大的制約。
加上OLED比LCD具有更加優勝的特性，令OLED的應用更加廣泛，前景更好。
OLED所使用的玻璃基板厚度略大於1mm，加上驅動IC以及玻璃保護層，厚度也僅2mm左右，比一般LCD的厚度減少許多，而且OLED的驅動電壓非常低，反應時間也幾乎為即時，完全可以應付動態圖像的顯示要求。
OLED目前雖只能開發單彩小規格的顯示器，主要應用在車用型顯示器，移動電話、遊戲機、PDA、Handled-PC，但未來在高解析度的全彩化小尺寸顯示器開發成功後，則更可應用在DV攝影機、數碼相機以及SMART-PHONE等各類的攜帶型產品上。
OLED的市場發展情狀
OLED顯示器已經被公認為是下一代可以取代STNLCD的產品，尤其在日本Pioneer公司推出他們的車用型單色及多彩顯示器產品之後，進一步證明了OLED產品的巨大潛力，因此使得OLED顯示器是繼薄膜電晶體液晶顯示器（TFT-LCD）之後在平面顯示器上另一個嶄露頭角的顯示設備新力軍，並且迅速成為近兩年來各大製造商最熱門的投資目標之一，根據美國StandardResouree資料顯示，2001年全球OLED銷售金額僅300萬美元，但到2002年達2.1億美元，增長近70倍。
OLED不需背光源、省電、亮度更高、成本更低的特點，也令OLED所具有的有機發光技術吸引了更多的廠商注意。
如日本現已有10多家日本廠商在加緊對OLED的研發工作，當中要算PIONEER公司的成績最佳。
我國臺灣是目前投入OLED廠商最多的地方。
由於OLED產業的基礎同樣也是處理小分子結構材料，所以對於CD-R業者切入非常有利；而生產LED顯示設備的廠商也是基於OLED與LED具有很多相似的驅動方式，所以吸引他們投入時間和精力來研發。
OLED廣闊的市場空間無疑是引發各大顯示器廠商爭相競逐，加入激烈競爭的戰團。
現在的液晶面板基本上是形成了日、韓、台三方對壘的格局。
不過以全新OLED技術的產品而言，市場格局將有可能出現變化。
由於美國的KODAK公司擁有OLED的相關技術專利權，因此在競爭中掌握了主導權，而在2002年初，三洋與KODAK共同建立的顯示器合資公司在OLED產品上無疑是最具有競爭力的廠家之一，而且其現在已經成為了OLED主要供應商的廠家之一。
未來廠商的目標是進軍大面積OLED的市場，這樣將會造成液晶電視與等離子的市場地位的下滑。
預計到了2005年，OLED大螢幕顯示器的成功研發潮必將引發顯示產品的激烈市場競爭。
不過，現階段很多TFT-LCD廠家都開始了兩手準備的市場策略，希望進一步考慮將產品分為兩條戰線，一條是繼續生產LCD並發展到LCD-TV和液晶投影設備上，而另外一條線就是開始涉足OLED領域，當市場步入成熟後就全面發力擴大產能，而不至於被競爭對手分食整個顯示市場。
結語
雖然現今LCD顯示幕具有低輻射、環保健康和低能耗等諸多優點，但面對它自身的回應時間較慢、視角範圍小、色彩亮度低的缺點也限制了部分專業用途的用戶去使用LCD。
不過，以上制約著平板顯示幕的技術瓶頸也將會被下一代的OLED顯示技術所打破，從OLED的低能耗、高亮度，反應時間短以及沒有視角限制等優異特性來看，OLED毋庸置疑將是下一代的平板顯示設備的新星，為我們的顯示新視野展開嶄新的一頁。
有機電致發光顯示器件基本原理與進展2005-4-28
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摘要：
本文對有機電致發光顯示器件的發展歷史，器件結構、工作特徵、獲得彩色顯示的方法以及所具有的優缺點、發展現狀和趨勢等都做了簡要的概括。
詳細比較了小分子OLED與聚合物PLED、OLED與LCD性質上的比較，對OLED顯示的發光機理進行了詳細的綜述。
此外，對獲得彩色顯示的無源驅動電路和有源驅動電路的結構進行了總結，認為有源驅動將是最終發展趨勢。
最後總結了國內外OLED技術的發展狀況。
（作者：
姚華文，上海華嘉光電技術有限公司，上海市嘉定區招賢路928號，201821）
有機電致發光顯示（organicelectroluminesenceDisplay）技術被譽為具有夢幻般顯示特徵的平面顯示技術，因其發光機理與發光二極體（LED）相似，所以又稱之為OLED（organiclightemittingdiode）。
2000年以來，OLED受到了業界的極大關注，開始步入產業化階段。
1．發展歷史
1936年，Destriau將有機螢光化合物分散在聚合物中製成薄膜，得到最早的電致發光器件。
20世紀50年代人們就開始用有機材料製作電致發光器件的探索，A.Bernanose等人在蒽單晶片的兩側加上400V的直流電壓觀測到發光現象，單晶厚10mm～20mm，所以驅動電壓較高。
1963年M.Pope等人也獲得了蒽單晶的電致發光。
70年代賓夕法尼亞大學的Heeger探索了合成金屬[1]。
1987年Kodak公司的鄧青雲首次研製出具有實用價值的低驅動電壓（<10V，>1000cd/m2）OLED器件（Alq作為發光層）[2]。
1990年，Burroughes及其合作者研究成功第一個高分子EL（PLED）（PPV作為發光層），更為有機電致發光顯示器件實用化進一步奠定了基礎。
1997年單色有機電致發光顯示器件首先在日本產品化，1999年月，日本先鋒公司率先推出了為汽車音視通信設備而設計的多彩有機電致發光顯示器面板，並開始量產，同年9月，使用了先鋒公司多色有機電致發光顯示器件的摩托羅拉手機大批量上市[3]。
這一切都表明，OLED技術正在逐步實用化，顯示技術又將面臨新的革命[4]。
2．器件分類
按照元件所使用的載流子傳輸層和發光層有機薄膜材料的不同，OLED可區分為兩種不同的技術類型。
一是以有機染料和顏料等為發光材料的小分子基OLED，典型的小分子發光材料為Alq（8-羥基喹啉鋁）；另一種是以共軛高分子為發光材料的高分子基OLED，簡稱為PLED，典型的高分子發光材料為PPV（聚苯撐乙烯及其衍生物[5]。
3．基本結構和發光機理
OLED是基於有機材料的一種電流型半導體發光器件。
其典型結構是在ITO玻璃上製作一層幾十納米厚的有機發光材料作發光層，發光層上方有一層低功函數的金屬電極。
當電極上加有電壓時，發光層就產生光輻射。
和無機薄膜電致發光器件（TFEL）不同，有機材料的電致發光屬於注入式的複合發光，其發光機理是由正極和負極產生的空穴和電子在發光材料中複合成激子,激子的能量轉移到發光分子,使發光分子中的電子被激發到激發態,而激發態是一個不穩定的狀態，去激過程產生可見光。
為增強電子和空穴的注入和傳輸能力，通常又在ITO和發光層間增加一層有機空穴傳輸材料或/和在發光層與金屬電極之間增加一層電子傳輸層，以提高發光效率。
發光過程的Jablonski能級圖如圖1所示：
其能量可以通過以下的幾種方式釋放：
1通過振動馳豫、熱效應等耗散途徑使體系能量衰減；2通過非輻射的躍遷,耗散能量，比如內部轉換、系間竄躍等形式，如S1→T1；3通過輻射躍遷的螢光發光（S1→S0，S2→S0）和磷光發光（T1→S0）。
在能量釋放時，這些不同形式的能量耗散過程是一個相互競爭的過程。
由於在常溫下，有機分子的磷光非常弱，所以只有其中空穴和電子複合成單重態激子的部分才能通過輻射躍遷發射螢光，從而成為有效的有機電致發光。
其中本身能發生輻射躍遷發光的那部分只是所吸收的總體能量中很小的一部分，即總體吸收的能量中能夠轉化為電致發光部分的能量很少。
而且，在器件的製備過程中，材料的缺陷、電極的純度以及不同材料介面對發光強度和整體性能都有很大的影響。
有機小分子電致發光的原理是：
從陰極注入電子,從陽極注入空穴,被注入的電子和空穴在有機層內傳輸。
第一層的作用是傳輸空穴和阻擋電子,使得沒有與空穴複合的電子不能進入正電極,第二層是電致發光層,被注入的電子和空穴在有機層內傳輸,並在發光層內複合,從而激發發光層分子產生單重態激子,單重態激子輻射躍遷而發光。
對於聚合物電致發光過程則解釋為:
在電場的作用下,將空穴和電子分別注入到共軛高分子的最高佔有軌道（HOMO）和最低空軌道（LUMO）,於是就會產生正、負極子,極子在聚合物鏈段上轉移,最後複合形成單重態激子,單重態激子輻射躍遷而發光。
也有人認為,電致發光機理屬於注入式發光,在正向偏壓的作用下,ITO電極向電荷傳輸層注入空穴,在電場的作用下向傳輸層介面移動,而由鋁電極注入的電子也由電子傳輸層向介面移動,由於勢壘的作用,電子不易進入電荷傳輸層,而在介面附近的發光層（Alq）一側積累。
由於激子產生的幾率與電子和空穴濃度的乘積成正比,在空穴進入Alq層後與電子介面處結合而產生激子的幾率很大,因而幾乎所有的激子都是在介面處與Alq層一側很狹窄的區域（約36nm）內產生。
因而發光不僅僅是在Alq層,而且主要在電子/空穴傳輸層的介面[6]。
小型單色有機電致發光器件基本上都是三層結構。
全色OLED顯示器為多層結構，一般超過三層。
4．OLED工作過程及材料
（1）注入層
理想陰極是以低功函數金屬作為注入層，以具有較高功函數的穩定金屬（Mg/Ag,Li/Al）作為鈍化層。
陽極是由透明或半透明導體製成的。
ITO玻璃表面電阻很容易在80W/以下。
理想的OLED需要表面粗糙度小的高質量玻璃基片。
（2）輸運層
有機電致發光薄膜器件的特點是均有電子傳輸層與空穴傳輸層,而發光層卻不一定單獨存在,可以是電子或空穴傳輸層既為傳輸層又為發光層。
一般情況下這些薄膜器件都表現出單向極化特性,以便使空穴于電子的複合在發光層中進行,因此在ITO側加正向電壓為陽極,金屬電極為陰極。
從器件的電場能帶圖上看,要使器件具有更好的電光性能,則各薄膜之間的能帶匹配是十分重要的。
如金屬電極薄膜就應該盡可能低的功函數,以便電子更易注入電子傳輸層,一般為金屬鎂,銀合金薄膜或鋁電極薄膜;從電子與空穴傳輸的角度,如果有機空穴傳輸（HTL）薄膜的LUMO（分子最低空軌道）比電子傳輸（ETL）薄膜分子的LUMO高很多,將阻礙電子注入HTL,同樣如果ETL的HOMO（分子最高佔據軌道）比HTL的低很多,也將限制空穴進入ETL。
有機電致發光由於是一種注入式發光,因此在器件的薄膜設計上除了考慮電子空穴傳輸特性之外,還要考慮ETL與HTL之間的能帶之間的匹配,特別是當發光層在HTL側或ETL側時,應充分考慮兩層薄膜能級上差異,以盡可能地將電子空穴的複合區放在發光媒介區,以獲得最大的發光效率。
電子輸運材料（ETM）：
螢光染料化合物。
必須熱穩定和表面穩定，有機金屬絡合物具有足夠的熱穩定性。
為了保證有效的電子注入，ETM的LUMO能級（分子最低空軌道）應與陰極的功函數相匹配。
Alq被廣泛用於綠光EL，Balq和DPVBi則被廣泛應用于藍光EL。
空穴輸運材料（HTM）屬於一類芳香胺化合物。
必須熱穩定性要好。
絕大多數HTM用的是TPD（Tg＝60°C），最穩定的器件採用NPB（Tg＝100°C）。
（3）發光層
由在螢光基質材料中摻雜百分之幾的螢光摻雜劑來製備。
基質材料通常與ETM或HTM採用的材料相同，螢光摻雜劑是熱和光化學穩定的鐳射染料。
螢光染料必須具有較高的量子效率和足夠的熱穩定性，昇華而不會分解。
芘作為藍光發射層的摻雜劑[7]；MQA作為綠光發射層的摻
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