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OLED技术及柔性OLED性能、缺陷的研究[1]

2014-3-20  来源:(1.上海交通大学微电子学院 2.苏州工业园区职业技术学院)  作者:曹艳 汪辉  有5270人阅读

OLED凭借其在厚度、视角以及在发光效率等方面的优势成为目前平板显示技术开发的重点。首先简单介绍了OLED的结构、发光原理、驱动电路、发光材料等基本概念。重点针对柔性OLED,阐述了它的优点、缺陷,并进一步对其性能的改善做了相关研究。

  0 引言

  21世纪是“3C”,即通讯(communication)、计算机(computer)与消费性电子器材(consumerelectronics)的时代,处于这样的时代,人们对平面显示器的要求也越来越高。平面显示器,从几十英寸的广告牌到一英寸以下的手机显示屏都有,包括了STN-LCD(超扭转向列式液晶)、TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)以及PDP(等离子平板显示)等各种显示器。OLED(有机电致发光显示器)是开发最晚的,但目前它已成为最具发展潜力以及最有可能取代LCD的显示器。相对LCD,OLED存在许多优势:驱动电压低(10V以下);自发光、无需背光板、耗电量大大减少;视角广,达170°以上;反应时间快,约为10~100ns;不存在LCD的残影现象;可采用全彩制作,包括RGB三原色制作和白光制作;亮度可高达10,000cd/m2;高发光效率约16lm/w;厚度薄、体积小、重量轻;可制作大尺寸与可挠曲性面板;可使用温度范围大;制程简单,具有低成本优势等。

  具有以上众多优势的OLED显示器,不存在从侧面看不清楚的问题;也不会有LCD影像残留及画面跳动的情况;不但便宜,而且省电;相对于LCD,颜色更鲜艳,对比更鲜明,而厚度小于2mm的全彩面板更是只有OLED才能做到。

  1 OLED的基本结构及发光原理

  OLED的典型结构如图1所示,用ITO(氧化铟锡)导电薄膜作阳极(正极板),金属作阴极(负极板),中间淀积一层有机发光材料作为发光层。其中的空穴、电子传输层是为了提高发光效率而增加的。OLED利用外加电场使空穴和电子分别从正、负极板注入到空穴和电子传输层,再由传输层迁移至发光层,在发光层相遇形成激子,激发发光分子,发光分子经过辐射弛豫而发出可见光[1],如图1所示。其发光的颜色取决于有机发光层材料,所以可以通过改变发光层的材料而得到所需要的颜色。

  图1 OLED的典型结构及发光原理

  2 OLED的驱动技术

  OLED的驱动方式有主动式(即AM-OLED有源驱动)和被动式(即PM-OLED无源驱动)两种。驱动的电路设计原理如图2所示。无源式驱动电路主要用于小尺寸面板的驱动,这种驱动方式工作在高脉冲电流下,这会使得像素的寿命缩短,而且其分辨率较低,但它的制作成本较低、而且工艺简单。与无源式相反,有源式驱动电路成本比较昂贵、制作工艺也相对比较复杂,但因不需在高脉冲电流下工作,所以效率较高,寿命也较长,主要用于大尺寸、高分辨率、高信息容量的全彩化OLED显示产品[2]。

  图2 两种驱动电流设计原理

  3 OLED的发光材料

  OLED的发光材料既有分子量介于500~2,000之间的小分子化合物,也有分子量约为10,000~100,000的高分子聚合物。

  八羟基喹啉铝(Alq3)是常用的小分子发光材料,它可辐射出波长在450nm~700nm之间的绿光,峰值为550nm,其分子结构如图3所示。如果在Alq3中掺入其它杂质或用其它元素(Mg、Zn等)取代铝,就可得到不同颜色、不同亮度的辐射光。

  图3 八羟基喹啉铝的分子结构

  有机小分子的结晶现象降低了OLED器件的使用寿命,而且为了提高发光效率,小分子OLED大多采用多层结构,器件装配比较困难,大面积显示的成本则更高。而高分子聚合物具有强的挠曲性、易加工成型、不易结晶、同时链状共轭聚合物的能带隙数值与可见光能量相当、可溶性聚合物优良的机械性能和良好的成膜性,这些都使得高分子聚合物更加适合大面积显示。聚对苯乙烯、聚噻吩和聚烷基芴是常用的高分子聚合物发光材料。

  无论高分子材料还是低分子材料用于OLED都要满足以下条件:高量子效率的荧光特性,荧光光谱主要分布可见光区域;有高的导电率,能传导电子或空穴;成膜性好,在几十纳米的薄层中不产生针孔;良好的热稳定性。

  OLED的发光颜色取决于有机发光层材料,所以可通过改变发光层的材料而得到所需要的颜色,通常是向发光层主体材料中掺入有机染料来改变辐射光的颜色。掺入的有机染料需满足:高量子效率、染料的吸收光谱与主体材料的发射光谱重叠较好、红绿兰三原色的发射峰尽可能窄、稳定性好。掺入DCM、DCJTB和TPBD可得到红色辐射光,掺入Coumarin6、quinacridone和Coronene等可得到绿色辐射光,掺入OXD-(P-NMe2)和Distyrylary-lene等可得到蓝色辐射光。

  4 柔性OLED及其存在的问题

  2003年,台湾交通大学OLED试验室的陈金鑫教授研究开发出可卷曲OLED(也叫柔性OLED,即FOLED)。传统的OLED器件采用玻璃作基板,在其上镀一层ITO导电薄膜作为有机电致发光显示器的阳极,而柔性OLED则用塑料衬底代替了玻璃衬底。

  4.1 FOLED的优势

  (1)柔韧性:FOLED的阳极基板可以是具有良好的柔韧性和透光性的塑料基片(典型的是PET基片)、反光的金属箔以及非常薄的玻璃基片(如50μm厚的SchottD263borosilicateglass硼硅玻璃)等。这些材料使得OLED能够弯曲,并且可以卷成任意的形状;

  (2)重量轻、外形薄、耐用性好:FOLED最常用的衬底是聚酯类塑料衬底,其柔韧性很强,既轻又薄(FOLED重量约为同等面积玻璃衬底OLED的十分之一,厚度约为125~175μm左右)[3]。由于衬底的柔韧性很好,因而FOLED器件一般不易破损,更耐冲击,与普通玻璃衬底的器件相比更加耐用;

  (3)成本更低,性能更好:随着可实现连续化滚筒式生产的有机气相淀积工艺的出现,FOLED的生产成本更低,而且可实现大规模量产。目前制作的FOLED器件的亮度高于5×104cd/m2,发光效率可超过400lm/W,与制作在玻璃衬底上的OLED相比FOLED的性能显得更好。

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