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一文了解OLED显示技术的起源、基本结构及原理

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发表时间:2021-12-09 17:33

OLED,即有机发光二极管OLED(Organic Light-Emitting Diode),又称为有机电激光显示(OrganicElectroluminesence Display,OELD)。因为具备轻薄、省电等特性,因此从2003年开始,这种显示设备在MP3播放器上得到了广泛应用,而对于同属数码类产品的DC与手机,此前只是在一些展会上展示过采用OLED屏幕的工程样品,还并未走入实际应用的阶段。但OLED屏幕却具备了许多LCD不可比拟的优势,因此它也一直被业内人士所看好。


OLED显示技术的起源


早在20世纪60年代,Pope等人首次报道了蒽单晶的电致发光现象,揭开了有机发光器件研究的序幕,但由于当时获得的亮度和效率均不理想,而未获得广泛的关注。


1987年,美国柯达公司邓青云博士等以真空蒸镀法制作出含电子空穴传输层的多层器件,获得了亮度大于1000cd/m2、效率超过1.5 lm/W、驱动电压小于10V的发光器件,这种器件具有轻薄、低驱动电压、自主发光、宽视角、快速响应等优点,因此得到了广泛的关注。


1990年,英国剑桥大学Cavendish研究室的R.H.Friend等人以旋涂的方法将聚合物材料聚对苯撑乙烯作为发光材料制备发光器件,开创了聚合物在有机发光领域的应用。这项研究进一步促进了有机发光显示器件的研究,应用更加广泛、性能更加优越的器件报道不断涌现。


1993年曹镛等人的柔性OLED显示屏和1994年Kido等人制备的白光OLED器件均具有开创性的意义。


1998年,普林斯顿大学的Forrest等将磷光材料掺入发光层,获得外量子效率5%的器件。这项研究证明OLED可突破内量子效率25%的限制,使得有机发光器件的效率有望大幅提高。


2003年,Novaled公司制备了PIN结构的磷光器件,在提高发光效率的同时增强了电荷的注入能力,使得器件的效率大幅提高,同年在SID会上,索尼和奇美分别推出了24和20英寸TFT OLED样品及柯达推出第一部使用OLED显示器的数码相机。


2004年5月,SeicoEpson在日本展出了40英寸彩色PLED面板及三星SDI展示了小分子OLED材料蒸镀形成的17英寸OLED显示屏;


2005-2006年,研究焦点集中在高效率白光器件上。柯尼卡美能达技术中心成功开发了初始亮度1000cd/m2、发光效率64lm/W、亮度半衰期约10000小时的OLED白色发光组件;


2006年,韩国三星电子在IMID大展中,展示了2.4英寸QVGA分辨率的AM-OLED手机屏产品;而台湾奇晶开发出以LTPS TFT主动式矩阵OLED技术制成的尺寸达25英寸的OLED电视显示器面板;


2007年初,奇晶光电正式宣告量产AMOLED产品,并已开始在市场上出售小尺寸(2.0-2.7英寸)显示器;同年SID会议上,Sony展出了技术成熟的11吋OLED电视。


目前,全球已经有100多家的研究单位和企业投入到OLED的研发和生产中,包括目前市场上的显示巨头三星,LG,飞利浦等。



整体上看OLED的应用大致可以分为3个阶段。


1、1997年~2001年,OLED的试验阶段。在这段时期OLED开始逐渐走出实验室,主要应用于汽车音响面板,PDA及手机方面。但产品很有限,产品规格少,均为无源驱动,单色或区域彩色,很大程度上带有试验和试销的性质,2001年OLED的全球销售额仅约为1.5亿美元。


2、2002年~2005年,OLED的成长阶段。在这段时期人们开始逐渐接触到更多带有OLED的产品,例如车载显示器,PDA,手机,数码相机,DC,头戴显示器等。但主要以10寸以下的小面板为主,10寸以上的面板也开始投入使用。


3、2005年以后,OLED开始走向一个成熟化的阶段。08年后这种成熟化更会加速,包括技术,市场,都将在市场的带动下突飞猛进。大尺寸及使用寿命将成为今后OLED技术的主要突破方向。


OLED的基本结构及原理


OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO),与电力之正极相连,再加上另一个金属阴极,包成如三明治的结构。整个结构层中包括了:空穴传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。当电力供应至适当电压时,正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合,产生光亮,依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三原色,构成基本色彩。


OLED的特性是自己发光,不像TFT LCD需要背光,因此可视度和亮度均高,其次是电压需求低且省电效率高,加上反应快、重量轻、厚度薄,构造简单,成本低等,被视为21世纪最具前途的产品之一。


它由以下各部分组成:


基层(透明塑料,玻璃,金属箔)——基层用来支撑整个OLED。


阳极(透明)——阳极在电流流过设备时消除电子(增加电子“空穴”)。


有机层——有机层由有机物分子或有机聚合物构成。


导电层——该层由有机塑料分子构成,这些分子传输由阳极而来的“空穴”。可采用聚苯胺作为OLED的导电聚合物。


发射层——该层由有机塑料分子(不同于导电层)构成,这些分子传输从阴极而来的电子;发光过程在这一层进行。可采用聚芴作为发射层聚合物。


阴极(可以是透明的,也可以不透明,视OLED类型而定)——当设备内有电流流通时,阴极会将电子注入电路。


OLED的发光过程通常由以下5个阶段完成。


1、在外加电场的作用下载流子的注入:电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜注入。


2、载流子的迁移:注入的电子和空穴分别从电子输送层和空穴输送层向发光层迁移。


3、载流子的复合:电子和空穴复合产生激子。


4、激子的迁移:激子在电场的作用下迁移,能量传递给发光分子,并激发电子从基态跃迁到激发态。


5、电致发光:激发态能量通过辐射跃迁,产生光子,释放出能量。



OLED彩色化技术方法


RGB象素独立发光


利用发光材料独立发光是目前采用最多的彩色模式。它是利用精密的金属荫罩与CCD象素对位技术,首先制备红、绿、蓝三基色发光中心,然后调节三种颜色组合的混色比,产生真彩色,使三色OLED元件独立发光构成一个象素。该项技术的关键在于提高发光材料的色纯度和发光效率,同时金属荫罩刻蚀技术也至关重要。


目前,有机小分子发光材料AlQ3是很好的绿光发光小分一于材料,它的绿光色纯度,发光效率和稳定性都很好。但OLED最好的红光发光小分子材料的发光效率只有31m/W,寿命1万小时,蓝色发光小分子材料的发展也是很慢和很困难的。有机小分子发光材料面临的最大瓶颈在于红色和蓝色材料的纯度、效率与寿命。但人们通过给主体发光材料掺杂,已得到了色纯度、发光效率和稳定性都比较好的蓝光和红光。


高分子发光材料的优点是可以通过化学修饰调节其发光波长,现已得到了从蓝到绿到红的覆盖整个可见光范围的各种颜色,但其寿命只有小分子发光材料的十分之一,所以对高分子聚合物,发光材料的发光效率和寿命都有待提高。不断地开发出性能优良的发光材料应该是材料开发工作者的一项艰巨而长期的课题。


随着OLED显示器的彩色化、高分辨率和大面积化,金属荫罩刻蚀技术直接影响着显示板画面的质量,所以对金属荫罩图形尺寸精度及定位精度提出了更加苛刻的要求。


光色转换


光色转换是以蓝光OLED结合光色转换膜阵列,首先制备发蓝光OLED的器件,然后利用其蓝光激发光色转换材料得到红光和绿光,从而获得全彩色。该项技术的关键在于提高光色转换材料的色纯度及效率。


这种技术不需要金属荫罩对位技术,只需蒸镀蓝光OLED元件,是未来大尺寸全彩色OLED显示器极具潜力的全彩色化技术之一。但它的缺点是光色转换材料容易吸收环境中的蓝光,造成图像对比度下降,同时光导也会造成画面质量降低的问题。目前掌握此技术的日本出光兴产公司已生产出10英寸的OLED显示器。


彩色滤光膜


此种技术是利用白光OLED结合彩色滤光膜,首先制备发白光OLED的器件,然后通过彩色滤光膜得到三基色,再组合三基色实现彩色显示。


该项技术的关键在于获得高效率和高纯度的白光。它的制作过程不需要金属荫罩对位技术,可采用成熟的液晶显示器LCD的彩色滤光膜制作技术。所以是未来大尺寸全彩色OLED显示器具有潜力的全彩色化技术之一,但采用此技术使透过彩色滤光膜所造成光损失高达三分之二。目前日本TDK公司和美国Kodak公司采用这种方法制作OLED显示器。


RGB象素独立发光,光色转换和彩色滤光膜三种制造OLED显示器全彩色化技术,各有优缺点。可根据工艺结构及有机材料决定。


OLED技术的特点


1、轻薄:超薄是手机的发展趋势,这对于具有轻薄特点的OLED来说是个巨大商机。


2、响应速度快:OLED的响应速度比LCD快1000倍以上,不存在影像拖尾的现象,特别适用于3G视频技术。


3、稳定性好:在工作温度范围内,OLED的光电参数稳定性非常好。LCD由于液晶在高低温的固有特性,通常在低温时显示变暗、响应速度变慢,在高温时显示变亮。而OLED在其所允许的工作范围内,对比度、响应速度和亮度等光电参数基本上不会变化。


4、寿命短:OLED工作寿命通常定义为器件亮度减少到初始亮度的50%且能正常工作的持续时间。目前,众多OLED厂商只能保证产品寿命在8000小时左右。这主要是由于有机发光材料衰减的原因,因此开发长寿命的发光材料是解决这个问题的当务之急。


5、功耗大:目前OLED的功耗是同等尺寸LCD的数倍以上,开发高发光效率的有机材料和开发新的驱动方法是解决这个问题的根本。


6、影像残留:由于亮度的衰减,长期点亮的像素将会有影像残留下来。


7、户外可视性差:由于OLED是自身发光的,在户外的强烈阳光照射下,其可视性很差,要想解决这个问题只能提高表面亮度和对比度。


OLED的电路驱动


根据驱动电路与基板的关系,OLED分为有源驱动和无源驱动有机发光显示器两大类。


对于无源驱动有机发光显示器


基板周边需要外接驱动电路的有机发光显示器。显示基板上的显示区域仅仅是发光像素(电极,各功能层),所有的驱动和控制功能由集成IC完成,(IC可以置于在基板外或者基板上非显示区域)。无源矩阵的驱动方式为多路动态驱动,这种驱动方式受扫描电极数的限制,占空比系数是无源驱动的重要参数。


对于有源驱动有机发光显示器


外围驱动电路和显示阵列集成在同一基板上的有机发光显示器。在显示基板上的显示区域内,每个像素至少配备两个薄膜晶体管和一个电荷存储电容,用于保证扫描寻址时,扫描一场的周期内,每个像素的发光与否的状态不变。


静态驱动


各有机电致发光像素的相同电极(比如阴极)是连在一起引出的,各像素的另一电极(比如阳极)是分立引出的。分立电极上施加的电压决定对应像素是否发光,在一幅图像的显示周期中,像素发光与否的状态是不变的。


动态驱动


显示屏上像素的两个电极做成了矩阵型结构,即水平一组显示像素的同一性质的电极是共用的,纵向一组显示像素的相同性质的另一电极是共用的。如果像素可分为N行M列,就可以有N个行电极和M个列电极,我们分别把它们称为行电极和列电极。为了点亮整屏像素,将采取逐行点亮或者逐列点亮,点亮整屏像素时间小于人眼视觉暂留极限20ms的方法。


有源矩阵的驱动方式属于静态驱动方式,有源矩阵OLED具有存储效应,可进行100%负载驱动,这种驱动不受扫描电极数的限制,可以对各像素独立进行选择性调节。


有源矩阵可以实现高亮度和高分辨率。无源矩阵由于有占空比的问题,非选择时显示很快消失,为了达到显示屏一定的亮度,扫描时每列的亮度应为屏的平均亮度乘以列数。如64列时,平均亮度为100cd/m2,则1列的亮度应为6400cd/m2。随着列数的增加,每列的亮度必须相应增加,相应的必须提高驱动电流密度。由此可以看出,无源矩阵难以实现高亮度和高分辨率。有源矩阵无占空比问题,驱动不受扫描电极数的限制,易于实现高亮度和高分辨率。有源驱动还具有其他许多优点,例如提高了发光亮度、减少了电极引线的功耗、提高了均匀性和寿命,使大面积高分辨率显示成为可能。


对于OLED驱动控制系统的实现,关键技术在于数据的写入和扫描控制。一个TFT用来寻址,另一个是电流调制晶体管,用来为OLED提供电流。为防止OLED开启电压的变化导致电流变化,使用的是P沟器件,这样OLED处于驱动TFT的漏端,源电压与有机层上的电压无关。Data Line与寻址TFT的源级相连,ScanLine使地址TFT选通,数据线上的内容通过漏级写入到存储电容CS上,并以电荷的形式暂存。当Power Line为高电平时,驱动TFT的源级为高电平,同时CS上的电荷将选通驱动TFT,其漏电流流过OLED显示器件,驱动其发光。数据线电平的高低决定了像素的亮暗。


OLED灰阶显示调制方法


幅值调制法


OLED是一种电流驱动器件,亮度正比于电流密度。当发光面积为常数时,亮度正比于电流。通过调制电流幅值来实现灰度显示。


空间调制法


其基本原理是把每个像素分成为若干个子像素,那么每个像素的灰度将由子像素被点亮的数目来决定。按照这种方法,具体的实现方式为,将OLED显示屏上的一个显示单元定义成许多子单元的集合,这些子单元是可独立控制的;当该单元中不同数量的子单元被选通时,将获得相应灰度等级;由不同数量的子像素的选通组合而组成的显示像素,就会显示出不同的灰度级别。


这种方法是用降低分辨率和增加微细加工的成本来换取一定的灰度级别的,为了保持原有的分辨率,必须在原有的子像素基础上,对子像素再次进行分割加工起来必将十分困难。


时间调制法


在较短的时间范围内,人眼对亮度的感觉取决于发光物体的发光强度和发光体点亮的时间,即点亮的时间越长,人眼对发光强度的感觉也就越强,呈现出类似于积分的效果。是常用的灰度显示方案之一,主要有脉宽调制法、子分场调制法。


脉宽调制法


脉宽调制法是把行扫描周期分段,例如为实现16级灰度级显示,可以行扫描周期再把分解成16个子段。在各个子段上,由列电极按一定的时间比例加上导通/断开的电压。当全部子段上都加上导通电压时,该单元即处于选通状态,从而具有最高等级的亮度;反之,当全部都加上断开电压时,该单元即处于非选通状态,从而具有最低等级的亮度;而当一部分子段处于导通状态、另一部分子段处于断开状态时,根据断开和导通时间的长短,就可以实现不同的灰度显示。这样,在每个子段的时间都是很小的时候,从而实现高灰度级的显示。其缺点是时序关系复杂,电路开销大,且受到OLED显示器不能响应过窄的脉冲宽度值的限制。


子分场调制法


子分场调制法也是一种时间灰度调制的方式。如前所述,在一定的时间范围内,点亮的时间越长,人眼对发光强度的感觉也就越强。子分场调制技术就是利用人眼视觉上的这种暂留特性,将OLED的点亮时间分成若干个子分场,利用点亮的时间不同来区分亮度,以实现灰度级显示。


将OLED的发光单元只当作“熄灭”和“发光”两种状态,将一帧内的输入信号的显示时间按1:2:4:8…的比例分成若干个子分场,利用子分场的组合就可以得到任意级别的灰度显示所对应的像素点亮时间,以此来实现OLED的灰度级显示。对于全彩色OLED显示屏,只需将RGB三色像素以各自的方式驱动,然后在屏上进行合成即可。


OLED的种类


OLED的种类主要有:被动矩阵OLED、主动矩阵OLED、透明OLED、顶部发光OLED、可折叠OLED、白光OLED等


被动矩阵OLED(PMOLED)


PMOLED具有阴极带、有机层以及阳极带。阳极带与阴极带相互垂直。阴极与阳极的交叉点形成像素,也就是发光的部位。外部电路向选取的阴极带与阳极带施加电流,从而决定哪些像素发光,哪些不发光。此外,每个像素的亮度与施加电流的大小成正比。


PMOLED易于制造,但其耗电量大于其他类型的OLED,这主要是因为它需要外部电路的缘故。PMOLED用来显示文本和图标时效率最高,适于制作小屏幕(对角线2-3英寸),例如人们在移动电话、掌上型电脑以及MP3播放器上经常能见到的那种。即便存在一个外部电路,被动矩阵OLED的耗电量还是要小于这些设备当前采用的LCD。


主动矩阵OLED(AMOLED)


AMOLED具有完整的阴极层、有机分子层以及阳极层,但阳极层覆盖着一个薄膜晶体管(TFT)阵列,形成一个矩阵。TFT阵列本身就是一个电路,能决定哪些像素发光,进而决定图像的构成。


AMOLED的耗电量低于PMOLED,这是因为TFT阵列所需电量要少于外部电路,因而AMOLED适合用于大型显示屏。AMOLED还具有更高的刷新率,适于显示视频。AMOLED的最佳用途是电脑显示器、大屏幕电视以及电子告示牌或看板。


透明OLED


透明OLED只具有透明的组件(基层、阳极、阴极),并且在不发光时的透明度最高可达基层透明度的85%。当透明OLED显示器通电时,光线可以双向通过。透明OLED显示器既可采用被动矩阵,也可采用主动矩阵。这项技术可以用来制作多在飞机上使用的平视显示器。


顶部发光OLED


顶部发光OLED具有不透明或反射性的基层。它们最适于采用主动矩阵设计。生产商可以利用顶部发光OLED显示器制作智能卡。


可折叠OLED


可折叠OLED的基层由柔韧性很好的金属箔或塑料制成。可折叠OLED重量很轻,非常耐用。它们可用于诸如移动电话和掌上型电脑等设备,能够有效降低设备破损率,而设备破损是退货和维修的一大诱因。将来,可折叠OLED有可能会被缝合到纤维中,制成一种很“智能”的衣服,举例来说,未来的野外生存服可将电脑芯片、移动电话、GPS接收器和OLED显示器通通集成起来,缝合在衣物里面。


白光OLED


白光OLED所发白光的亮度、均衡度和能效都要高于日光灯发出的白光。白光OLED同时具备白炽灯照明的真彩特性。我们可以将OLED制成大面积薄片状,因此OLED可以取代目前家庭和建筑物使用的日光灯。将来,使用OLED有望降低照明所需的能耗。


评价OLED性能的主要参数


通常,OLED发光材料及器件的性能可以从发光性能和电学性能两个方面来评价。发光性能主要包括发射光谱、发光亮度、发光效率、发光色度和寿命;而电学性能则包括电流与电压的关系、发光亮度与电压的关系等,这些都是衡量OLED材料和器件性能的主要参数。


发射光谱


发射光谱指的是在所发射的荧光中各种波长组分的相对强度,也称为荧光的相对强度随波长的分布。发射光谱一般用各种型号的荧光测量仪来测量,其测量方法是:荧光通过单色发射器照射于检测器上,扫描单色发射器并检测各种波长下相对应的荧光强度,然后通过记录仪记录荧光强度对发射波长的关系曲线,就得到了发射光谱。


OLED的发光光谱有两种,即光致发光(PL)光谱和电致发光(EL)光谱。PL光谱需要光能的激发,并使激发光的波长和强度保持不变;EL光谱需要电能的激发,可以测量在不同电压或电流密度下的EL光谱。通过比较器件的EL光谱与不同载流子传输材料和发光材料的PL光谱,可以得出复合区的位置以及实际发光物质的有用信息。


发光亮度


发光亮度的单位是cd/㎡,表示每平方米的发光强度,发光亮度一般用亮度计来测量。最早制作的OLED器件的亮度已超过了1000cd/㎡,而目前最亮的OLED亮度可以超过140000cd/㎡。


发光效率


OLED的发光效率可以用量子效率、功率效率和流明效率来表示。量子效率ηq是指输出的光子数Nf与注入的电子空穴对数Nx之比。量子效率又分为内量子效率ηqi和外量子效率ηqe。内量子效率ηqi是在器件内部由复合产生辐射的光子数与注入的电子空穴对数之比;其实,器件的发光效率由外量子效率ηqe来反映,可由下式来表示。外量子效率可以用积分球光度计来测量单位时间内发光器件的总光通量,通过计算来得出器件的外量子效率。激发光光子的能量总是大于发射光光子的能量,当激发光波长比发射光波长短很多时,这种能量损失就很大,而量子效率不能反映出这种能量损失,需要用功率效率来反映。功率效率ηp,又称为能量效率,是指输出的光功率Pf与输人的电功率Px之比。衡量一个发光器件的功能时,多用流明效率这个参量。流明效率ηl,也叫光度效率,是发射的光通量L(以流明为单位)与输入的电功率Px之比。其中,S为发光面积(㎡),B为发光亮度(cd/㎡),I和V分别为测量亮度时所加的偏置电流和电压,J为相应的电流密度(A/㎡),流明效率的单位是lm/W。


发光色度


发光色度用色坐标(x,y,z)来表示,x表示红色值,y表示绿色值,Z表示蓝色值,通常x,y两个色品就可表注颜色。


发光寿命


寿命是指为亮度降低到初始亮度的50%所需的时间。对商品化的OLED器件要求连续使用寿命达到10000小时以上,存储寿命要求5年。在研究中发现影响OLED器件寿命的因素之一是水和氧分子的存在,因此在器件封装时一定要隔绝水和氧分子。


电流密度-电压关系


在OLED器件中,电流密度随电压的变化曲线反映了器件的电学性质,它与发光二极管的电流密度-电压的关系类似,具有整流效应。在低电压时,电流密度随着电压的增加而缓慢增加,当超过一定的电压电流密度会急剧上升。


亮度-电压关系


亮度-电压的关系曲线反映的是OLED器件的光学性质,与器件的电流-电压关系曲线相似,即在低驱动电压下,电流密度缓慢增加,亮度也缓慢增加,在高电压驱动时,亮度伴随着电流密度的急剧增加而快速增加。从亮度-电压的关系曲线中,还可以得到启动电压的信息。启动电压指的是亮度为1cd/㎡的电压。


来源:传感器技术,网络


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