OLED是什么?关于OLED的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:28:58

1978年,自从双层、高效率的有机电致发光器件(OLED)被Tang等报道以来,由于与CRT, LCD, PDP以及无机发光二极管相比,OLED具有许多的优点,如高亮度、高效率、宽视角、自主发光、全固态、超薄超轻、制作工艺简单、较快的响应速度、可实现全彩化显示以及良好的机械加工性能,可以制成形状不同的显示器等,在过去的三十年里,引起了人们广泛的关注和研究,所以OLED被誉为继LCD以及PDP之后的最理想、最具潜力的下一代平板显示技术。

引言

随着科学技术的发展,目前,高速发展的信息化社会对信息显示技术的要求越来越高,在国际信息技术和互联网迅速普及的今天,知识信息的传播越来越依赖于显示技术,尤其是广播电视和计算机终端显示应用最为广泛。信息显示技术主要分为以下两大类:真空显像管显示技术(CRT)和平板显示技术(FPT),自从信息显示技术革命以来,CRT在市场上一直占据着主导地位,然而,由于CRZ,体积庞大,笨重,功耗高,抗震性能差,而且发光时闪烁,极易使眼睛疲劳。

近几年来,伴随着新一代平板显示技术的发展,CRT的市场占有率逐年下降,最终将被新一代显示技术所取代。如今,正在发展的平板显示器主要包括:液晶显示器(LCD),等离子体显示器(PDP),有机电致发光器件(OLED),场致发光显示器(FED),真空荧光显示器(VFD),微显示器(LCOS)等。由于平板显示器具有体积小,重量轻,功耗低,无辐射,厚度薄,不闪烁等优点,现在已成为显示技术发展的主要方向,尤其是自上世纪九十年代以来,随着技术的突破及市场需求的急剧增长,使得以LCD为代表的平板显示技术迅速崛起。

LCD具有省电,环保,不会出现任何的几何失真,线性失真等诸多特点,但也有着一些自身无法克服的缺点,如:可视角度小,响应时间长,亮度均匀性差等缺点。尽管目前最新的LCD显示器已经对传统技术作了相当大的改进,但是仍然无法满足日益发展的信息时代对更轻,更薄的高性能平板显示技术的迫切需要。由于人们对显示设备的要求越来越高,这就促使科学家们不断寻求更新型,更高效以及更加环保的平板显示技术,深人研究其发光机理,以便制造出性能更高,成本更低廉的平板显示器。在这样一种历史背景下,有机电致发光器件(OLED)作为新一代的平板显示技术应用而生,并逐渐进人了我们的视野,这些年来其广泛的应用前景和技术上突飞猛进的发展,使OLED成为FPT信息显示领域的希望之星。

OLED的基本原理

有机电致发光器件(OLED)属于低电压、高电流的双注人式发光器件,具有发光二极管的性质,所以有机电致发光器件又称之为有机电致发光二极管。当给器件施加一正向的外加偏压后,电子和空穴克服界面势垒,经由阴极和阳极注人到有机材料中,在外加电场的作用下迁移至发光层,在发光层内,当电子和空穴相遇时,由于库仑力的相互作用而形成暂态激子,由于暂态激子具有较高的能量处于不稳定态,所以一小部分激子可以通过晶格振动,将一部分能量传递给声子而消耗掉,另外的激子则发生复合,最终电子落人空穴,同时向外释放出一定的能量,而发光材料原子的最外层电子吸收这些能量后将处于激发态,当激发态的电子跃迁至基态时,向外辐射出光子,从而就产生了电致发光现象。有机电致发光器件的发光原理可以很简单的用三个步骤来说明,如图2-1所示:

图2-1:OLED发光的三个步骤

(1)载流子的注人:载流子的注人可以看做是从阴极注人的电子,形成负载流子;从阳极夺取电子即注入空穴,形成正载流子。在有机电致发光器件中,由于有机分子与阴、阳两极的能级不匹配,存在着一定的能级差,导致有机材料层和电极之间形成界面势垒,因此电子和空穴的注入需要克服界面势垒才能进人有机发光层。有机分子和电极间的势垒是影响载流子注人以及OLED光电特性的重要因素,如发光效率,电流一电压特性等。

(2)载流子的传输。载流子的传输即注人的电子和空穴在外加电场的作用下分别向阴极和阳极迁移,载流子传输性能的好坏取决于有机材料的载流子迁移率。载流子传输层对器件结构的优化设计十分重要,在器件结构中,它处于电极与发光层之间,所以在材料的选择上,既要考虑其载流子输运性能,又要考虑到能带匹配等方面的因素,因此作为载流子的传输材料必须具有:(a)良好的成膜性;(b)良好的载流子传输性,即材料的载流子迁移率要相对大一些,目前典型的有机材料的载流子迁移率大小在/V ·S; (c)材料要有良好的化学稳定性,且不与发光层材料形成激基复合物;(d)材料的HOMO及LUMO能级要与电极的功函数及发光层材料的HOMO和LUMO能级相匹配,要有利于一种载流子从电极注人,而阻挡另一种载流子从发光层流出。

(3)激子的形成和辐射复合发光。在有机电致发光器件中,载流子在外加电场的作用下进人复合区,复合形成中性的约束态的“电子一空穴对”,这样的“电子一空穴对”被称之为激子(exciton),激子是一种分子激发态,处于激发态的分子又可以通过多种形式释放能量回到基态。从能带理论观点来看,发光来自于激子的辐射复合,电子和空穴由于库仑力的相互作用而形成激子,形成的激子包括单线态激子和三线态激子,而且三线态激子的能量比单线态激子的能量要低一些,在有机/聚合物电致发光过程中,单线态激子和三线态激子被认为是同时产生的,按照自旋统计理论的预计,形成三线态激子的几率是形成单线态激子几率的3倍,因此对于荧光材料来说,只有占25%的单线态激子可以辐射复合,而75%的三线态激子将无辐射衰减。激子形成后可通过各种方式将能量传递给相邻的相同基态的分子,实现所谓的激子迁移。激子的辐射衰变则是电能转化为光能的最终过程,激子辐射衰减的量子效率是决定器件效率的另一个重要因素,荧光器件中75%的三线态激子将无辐射衰减,由此决定了荧光电致发光器件的外量子效率将不会超过25%,而对于磷光电致发光器件来说,则可以充分利用单线态激子和三线态激子的能量,有望实现100%的内量子效率。由于有机电致发光器件为固态超薄膜结构组成的,各不同的分子层之间非常靠近,因而其衰变过程相对于分子的自由状态要复杂的多,分子间复杂的相互作用通常会降低材料的辐射衰减效率,表现为材料的浓度碎灭及其它效应。研究表明,将发光材料掺杂到一个主体发光材料层中,通过从主体发光材料到客体发光材料间的能量传递,则是解决材料浓度碎灭效应的一个最有效的方法,同时客体发光材料还能够有效地利用主体发光材料的激子获得能量,从而达到提高器件发光效率和改变发光颜色的目的。目前,通过主体一客体染料掺杂的方法已经成为提高器件效率,改变器件发光颜色的一种重要手段,在绿光、红光器件中得到了广泛的应用,而在有机磷光电致发光器件中则几乎完全采用这种主体一客体掺杂的发光体系,以降低三线态与三线态之间的湮灭。

OLED的结构

有机电致发光器件的基本结构属于夹层式结构,即发光层被两侧电极像三明治一样夹在中间,并且一侧为透明电极以便获得面发光。由于有机电致发光器件制膜温度低,所以一般使用的阳极多为氧化锢一氧化锡玻璃电极(ITO)。在ITO电极上再用蒸发蒸镀法或者旋转涂层法制备单层或多层有机薄膜,有机薄膜的上面为金属阴电极,根据有机薄膜的功能,器件结构可以分为以下几大类:

单层器件结构

在器件的ITO阳极和金属阴极之间,制备一层有机薄膜作为发光层,这就是最为简单的单层有机电致发光器件。

图3-1 单层有机电致发光器件的结构图

双层器件结构

由于大多数有机电致发光器件的材料是单极性的,不是具有传输空穴的性质,就是具有传输电子的性质,但是同时具有均等的空穴和电子传输性质的有机物很少。如果利用这种单极性的有机材料作为单层器件的发光材料,则会出现电子和空穴的注人极不平衡,而且容易使发光区域靠近迁移率较小的电子注人电极的一侧,如为金属电极,则很容易导致发光碎灭,而这种碎灭有损于有机材料的有效发光,这样便降低了器件的发光效率。Kodak公司首先提出了双层有机薄膜结构,有效地解决了电子和空穴的复合区域远离电极和平衡载流子注人速率的问题,很大程度上提高了器件的发光效率,使有机电致发光器件的研究进入了一个崭新的阶段。这种结构的器件构也叫作DL-A型双层器件结构,它的主要特点是发光层材料具有电子传输性,需要加人一层空穴传输材料去调节空穴和电子注人到发光层的速率,这层空穴传输材料还起看阻挡电子的作用,使注人的电子和空穴在发光层处附近发生复合。反之,如果发光层材料具有空穴传输性质,就需要使用DL-B型双层器件结构,即需要加人电子传输层以调节载流子的注人速率,使注人的电子和空穴在发光层附近处复合。

(a)DL-A型

(b)DL-B型

图3-2:双层有机电致发光器件结构图

三层器件结构

由电子传输层(ETL),空穴传输层(HTL)和将电能转化成光能的发光层组成的三层有机电致发光器件结构是由日本的Adachi首次提出的。这种器件结构的优点是使三个功能层各行其职,对于选择材料和优化器件结构性能十分方便,是目前有机电致发光器件中最常采用的器件结构。

图3-3:三层有机电致发光器件的结构图

多层器件结构

在实际的器件设计当中,为了使有机电致发光器件的各性能最优,并且充分的发挥各个功能层的作用,通常采用多层器件结构,这种器件结构不但保证了有机电致发光器件的功能层与玻璃之间具有良好的附着性,而且还使得来自阳极和金属阴极的载流子更容易注人到有机功能薄膜中。

图3-4:多层有机电致发光器件的结构图

叠串式器件结构

为了全色显示的需要,Forrest等人提出了将三基色元件沿厚度方向垂直堆叠,使得每个器件都有各自的电极控制,这样就构成一彩色显示装置。用这种方法制成的平板显示器可获得优于传统技术的分辨率,人们利用这种思想,将多个发光元件垂直堆叠,中间加一电极连接层,而只用两端电极进行驱动的叠串式结构器件(Trandem OLED),这种结构能够极其有效地提高器件的电流效率,使器件能在较小的电流下达到非常高的亮度,这给实现高效率、长寿命的发光器件提供了一便捷的途径。

OLED的制备工艺

有机电致发光器件的制作工艺实际上是薄膜工艺和表面处理工艺。图4-1是制作有机电致发光器件的工艺流程,制作该器件的关键技术主要包括有机分子功能薄膜,金属电极及ITO透明导电薄膜和保护膜的制备技术,有机电致发光器件的制备过程关系到器件性能的优劣,不同的发光材料有不同的器件制备工艺。下面就以有机小分子为例,简单阐述一下有机电致发光器件的制作方法和工艺流程。

图4-1 OLED的制作工艺

有机小分子发光器件一般采用真空热蒸镀的方法来制作,该器件的阳极通常是采用ITO导电玻璃,其制备流程如下:

(1)首先是把ITO玻璃刻蚀成我们所需要的不同图案;

(2)然后进行清洗工作。具体的清洗过程包括用电子洗液、去离子水、酒精、丙酮、去离子水反复冲洗和超声,把经过超声处理后的ITO玻璃从去离子水中拿出用吹干,为了提高ITO阳极的功函数,并把其放人紫外烘烤箱中进行处理或进行等离子体处理;

(3)然后把处理好的ITO玻璃衬底放人真空蒸镀腔中,并对腔体抽真空,当真空度达到Pa时开始蒸镀有机材料层,最后在有机材料层的上面蒸镀金属Al电极作为阴极。在有机材料的蒸镀过程中,当有机材料从蒸发源中被加热蒸发出来之后,有机材料分子或金属原子将以一定的初速度脱离材料表面而向外飞散,如果这些分子或原子在飞散过程中遇上气体分子,这些被蒸发出来的分子将可能被散射,如果他们碰到气体分子的几率很低,则一部分被蒸发出来的分子将从材料表面匀速直线运动到样品表面,并沉积下来形成一层薄膜,薄膜的厚度分布与束源和样品的相对位置及发散角等因素有关。一般来说,有机小分子在ITO导电玻璃上是均匀层状生长的,而且形成的是无定形薄膜,但是也有岛状生长和类似于传统的分子束外延生长当中的准分子束外延生长的有序有机薄膜。在薄膜的淀积过程中,控制厚度均匀的薄膜和恒定的蒸发速率是非常重要的,通常有机分子的蒸发速率控制在0.01-0.05是最好的,如果沉积速率太快,沉积上去的有机分子还来不及通过热振动驰豫能量,便被随后沉积上去的分子所覆盖,这样很容易导致分子排列的缺陷,使薄膜很容易产生针孔现象,因此需要我们设计好束源的形状、尺寸和与样品的距离。

OLED的优缺点

OLED的优点

(1)有机电致发光器件的核心层厚度约为十万分之一毫米,这比LCD厚度小得多;

(2)与传统的显示器相比,OLED制作工艺简单,成本低廉。人们相信OLED将替代LCD的最主要原因是其在降低加工成本方面的潜力,除了对材料和加工工艺方面的要求比LCD低近1/3外,OLED的加工工艺也比LCD简单了许多。据相关资料显示,OLED显示屏需要86道加工工艺,而LCD屏则需要200多道工艺,对于成本决定生命力的未来,这无疑增加了OLED的竞争筹码;

(3) OLED的组成为全固态结构,无真空腔,无液态成分,从而抗震动性强,可实现柔软显示。使用塑料、聚醋薄膜或胶片作为基板,OLED显示屏可以做到更薄,甚至可以折叠或卷起来。目前由于在柔性衬底上的涂镀等加工工艺还未成熟,可折叠或卷曲的显示器产品还没有商品化,但这一切都会在不久的将来实现;

(4) OLED可以自身发光,而液晶则需要灯管作为背光源,所以 OLED比液晶显示器亮度更高,对比度更大,色彩效果更加丰富,同时由于OLED不需要大量灯管作为背光源,因此OLED电压更低,更加节能,几乎没有视角问题,可在很大的角度范围内观看,而显示画面不失真;

(5)具有快速响应特性。响应时间是液晶电视的千分之一,_显示运动画面绝对不会出现拖影的现象;

(6)发光转化效率高。只是需要点亮的单元才加电,并且电压较低,所以能耗比需要背光源的LCD , CRT低; (7)环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线,既没有热量,也没有辐射,眩光小,而且废弃物可回收,没有污染,不含汞元素,冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。

(8) OLED器件单个像素可以相当小,非常适合应用在微显示设备中。作为一种全新的平板显示技术,有机电致发光显示器的应用前景十分广阔。作为二维发光器件,除了凭借自己更加出众的显示性能之外,还可以用作液晶显示器的背光源,同时也可用于手机、数码相机、掌上电脑、笔记本电脑及各种交通工具的显示设备等领域,从而提高手机、笔记本电脑等显示终端的显示亮度,并降低功耗和重量。

OLED的不足

尽管OLED自身具有以上的许多优点,而且有机电致发光显示器在材料、寿命、亮度以及柔性等方面均有较大的进展。但是其产业化进程远远低于人们的预料,主要原因是在该领域研究中尚有许多关键问题没有真正得到解决,主要表现在以下几个方面:

(1)有机电致发光器件的最大缺点是寿命低。寿命低的主要原因除材料本身的寿命外,还与有机材料的提纯是比较困难的这一特性有关,尤其是大分子聚合物的提纯难度更大。即使一些公司自称突破了OLED寿命低的问题,但是器件的实际寿命也远非其宣称的那么长,由此看来,材料生产上还有待革命性的突破才行;其次,OLED的彩色是靠不同的材料来实现的,众所周知,不同材料的寿命也是互不同的,一般来说,蓝色和绿色材料的寿命稍长,而红色材料最短,这就造成了器件的整体寿命被寿命最短的材料所制约;另外,有机材料的电导率低,电阻大,这一特点使得器件在工作过程中产生较大的焦耳热,加仁穿透电流所导致温度的升高,加速了器件内部化学反应的进程,从而缩短了器件的工作寿命,基于以上的原因告诉我们性能优良的发光材料还有待开发;

(2)载流子的注人效率较低。这主要是指电子的注人效率低限制了电流强度,从而导致了发光效率和发光强度较低。相当大的陷阱密度限制了电流,并导致了有机材料的极化,也可能会导致无辐射的载流子复合;电子一空穴对缺乏有效的复合,较难选择匹配的电子和空穴传输材料,使得受激电子一空穴对的复合有时发生在阴极附近,即产生激子的淬灭,导致激子不能有效地激活发光材料;

(3)大面积化难度大。OLED在中小面积的制作上比LCD容易,但是,在实现大面积,高像素密度和有源器件的制作上,制作工艺还远没有成熟,特别是有源PLED,即低温多晶硅TFT-PLED工艺更未过关;

(4)稳定性差。与LCD比较,OLED可靠性较差,一方面是由于OLED器件的材料和工艺还不够成熟,某些有机发光材料在使用一段时间后会发生重结晶现象而析出,使得器件性能发生退化;另一方面也是由于它属于电流型器件,其每个像素的工作电流要比每个LCD的像素工作电流大很多,这就难免出现异常现象,造成器件的失效。作为电流型器件不可避免地会因电流的热效应而升温,所以OLED在提高亮度时,器件散热是最大的问题;

(5)成膜技术还不够完善。某些有机材料只能通过旋涂成膜,但旋涂成膜技术的可重复性很小,使得器件的制备工艺很不稳定;

(6)知识产权被垄断。虽然LCD也有知识产权,但是其核心专利已被大大分散,或已到期,而OLED的知识产权基本被美国柯达,日本Sony和韩国的几家公司垄断。目前,仅柯达公司就垄断有近百项专利,并且目前还以每年几十项的速度增长,而且,他们并不愿意轻易出卖授权,这对于一些开发,投资实力不强的企业来说是一个较难跨越的门槛。

结语

与其它平板显示器(如液晶平板显示器,等离子显示器)相比,有机电致发光器件(OLED)具有高亮度、高分辨率、高对比度、宽视角、较快的响应速度、超薄、超轻以及制备工艺简单等优点,OLED很有可能成为新一代平板显示器的主流。尽管OLED具有以上的很多优点,而且有机电致发光器件在材料、寿命、亮度以及柔性等方面均有较大的进展,但是其产业化进程远远低于人们的预料,主要原因是在该领域研究中尚有很多关键问题没有真正得到解决,所以仍是目前研究的热点。