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安防视频监控系统所采用的OLED(有机发光二极管)显示器

大家知道,显示器不仅应用于电脑,而且广泛应用于手机、数码相机(DSC)、数字摄像机(DVC)、PDA、数字电视接收机及汽车卫星导航系统等领域。但是,目前还没有一种显示技术可以完全适用于所有的领域,因而使显示器生产商转向下一代显示产品的研制。其中,最为突出的就是有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)显示器。

由于OLED具有视角宽、亮度高、响应速度快、温度特性好、可弯曲等优异性能,而代表着显示技术的发展方向,因而成为发光技术和平板显示技术研发的重中之重。OLED的最大突破在于材料的机械韧性和低温制程,它可在任何轻薄的基板,如塑胶基板上应用。长远而言,OLED可发展成为新式可弯曲的柔性的显示器,因而发展潜力雄厚。

OLED克服了第一代显示器CRT体积大、笨重、功耗大和不便于携带的缺点,也克服了LCD视角小、响应速度慢、在低温下不能使用,且自身不能发光的不足。并且,OLED是放射性器件结构,可获得比传导性结构LCD更好的视觉效果,因而有着非常诱人的应用前景,已被公认是可以取代LCD的产品,因而使其成为显示器行业的后起之秀。

一、OLED的基本结构及其发光原理

OLED是一种利用有机半导体材料和发光材料,在电流驱动下发光的新型显示技术,即基于有机材料的一种电流型半导体发光器件。一个最简单的OLED可以由阴极、发射层和阳极组成,称为单层夹心式有机薄膜电致发光(EL)器件。一般制作过程是在导电玻璃基质ITO上(阳极)旋涂、浸涂或真空蒸镀一层发光材料(发光层),然后镀上阴极材料,连接直流电源即构成电致发光器件。OLED去除了LCD生产中复杂的电池及液晶显示模块工艺,同时也无需背光源及滤波器。显然,生产过程相对简单,因此OLED比LCD更具有成本优势。

为了提高有机发光器件的稳定性和效率,应使电子和空穴载流子的注入达到平衡,这就要求电极材料的功函数与发光材料的能级相匹配。在电极材料的选择上,阴极和阳极的要求是不一样的。阴极需采用低功函数材料,以便电子可以在较低激发电压下注入到发光层内;而阳极则必须选择高功函数的材料。在上述单层器件的基础上,已开发出双层和三层结构的有机薄膜EL器件。这种双层和三层结构的有机薄膜电致发光器件结构如图1所示。

图1 有机薄膜电致发光器件结构

当电极上加有电压时,发光层就产生光辐射。和无机薄膜电致发光器件不同,有机材料的电致发光属于注入式的复合发光,其发光机理是由正极和负极产生的空穴和电子在发光材料中复合成激子,激子的能量转移到发光分子,使发光分子中的电子被激发到激发态,而激发态是一个不稳定的状态,去激过程复合就产生可见光。为增强电子和空穴的注入和传输能力,通常又在ITO和发光层间増加一层有机空穴传输材料或在发光层与金属电极之间增加一层电子传输层,以提高发光效率,这是双层结构器件。如果既有空穴传输层,又有电子传输层,则是图1中的三层结构器件。

OLED主要有机小分子电致发光与聚合物电致发光。

有机小分子电致发光的原理是:从阴极注入电子,从阳极注入空穴,被注入的电子和空穴在有机层内传输。第一层的作用是传输空穴和阻挡电子,使得没有与空穴复合的电子不能进入正电极;第二层是电致发光层,被注入的电子和空穴在有机层内传输,并在发光层内复合,从而激发发光层分子产生单重态激子,单重态激子辐射跃迁而发光。

聚合物电致发光过程为:在电场的作用下,将空穴和电子分别注入到共轴高分子的最高占有轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO),于是就会产生正、负极子,极子在聚合物链段上转移,最后复合形成单重态激子,单重态激子辐射跃迁而发光。

实际上,电致发光机理属于注入式发光,在正向偏压的作用下,ITO电极向电荷传输层注入空穴,在电场的作用下向传输层界面移动,而由铝电极注入的电子也由电子传输层向界面移动,由于势垒的作用,电子不易进入电荷传输层,而在界面附近的发光层(Alq)一侧积累。由于激子产生的几率与电子和空穴浓度的乘积成正比,在空穴进入Alq层后与电子界面处结合而产生激子的几率很大,因而几乎所有的激子都是在界面处与Alq层一侧很狭窄的区域(约36nm)内产生。因而发光不仅仅是在Alq层,而且主要在电子/空穴传输层的界面。

二、OLED的分类

(1)按发光材料或分子结构分类。

①小分子OLED。在小分子OLED中,发光体是离散的分子。八羟基喹琳铝(Alq3)是常用的发光材料,Alq3可发出波长为450~700nm的宽带绿光辐射,峰值波长位于550nm。如果在Alq3中加入掺杂剂或用其他原子(如被)取代铝,就可得到不同颜色的光辐射。Kodak公司的C.W.Tang于1987年发表的划时代结果采用的就是Alq3。现在Kodak公司拥有小分子OLED的基本专利。美国新泽西的UDC(Universal Display Corporation)公司,主要开发电致磷光OLED器件,其功率效率居世界领先水平(大于30lm/W)。

②聚合物OLED(高分子OLED,简称PLED)。这类有机发光材料是共轭聚合物,也称为高分子型。与小分子不同,聚合物发光材料的成膜可用溶液方法进行处理。通常采用的方法是旋涂法和喷打印方法,其中喷墨法是剑桥显示技术公司(CDT)和精工爱普生(SEIKO-EPSON)的专利技术。PLED是剑桥大学卡文迪许实验室Friend小组于1990年首次发布的,使用的发光材料是PPV。PPV本身是难溶性的,不易加工处理,但PPV的前驱物可溶于某些溶剂,如氯仿、甲醇等。目前广泛使用的材料除了PPV之外,主要还有MEH-PPV和聚药类材料。剑桥显示技术公司(CDT)成立于1992年,该公司拥有PLED的基本专利。德国法兰克福的Cavion公司,则主要向PLED厂商提供聚合物发光材料。

③镧系有机金属OLED(稀土OLED)。镧系金属有机化合物介于小分子和聚合物发光材料之间,它属于稀土类发光材料。由这类材料构成的器件也称为稀土OLED。在稀土OLED中,发光分子由一个金属核心和外围的有机壳层组成。其发光机制与前两类OLED不同,加电之后,首先在外围有机壳层中形成激发态,然后将其能量传递给金属核心,金属核心去激时,辐射出颜色比较纯正的光。稀土OLED重要特点之一是,单重态和三重态都产生光辐射,其量子效率在理论上可达100%。

因此,它的PL和EL效率都很高,EL功率效率的理论值为120lm/W。由于是金属核心发光,与小分子和聚合物OLED相比,稀土OLED的光谱非常窄,半峰宽(FWHW)的典型值只有100nm。目前,英国的两家公司正在从事稀土OLED产品的开发工作:一家是成立于1997年的Opsys公司;另一家是成立于1999年的ELAM-T公司,主要开发鯛系金属有机化合物材料,功率效率已经超过70ImAV。

(2)按驱动方式分类。

①被动矩阵(Passive Matrix)驱动(无源驱动)显示方式,简称PM-OLED,其实际结构如图2所示。

图2 PM-OLED的实际结构

其中,ITO玻璃(阳极)和金属电极(阴极)都是平行的电极条,二者相互正交,在交叉点处形成像素,也就是发光的部位LED。LED逐行点亮就形成一帧可视图像。由于每一行的显示时间都非常短,要达到正常的图像亮度,每一行的LED的亮度都要足够高。每个像素的亮度与施加电流的大小成正比。如一个100行的器件,每一行的亮度必须比平均亮度高100倍。这就需要很高的电流和电压,从而引起功耗增加,使显示效率急剧下降,这就使得PM-OLED在大面积显示中的应用受到限制。模拟结果表明,当显示面积提高4倍时,功率要提高10倍。对于2英寸的小面积显示器件,PM-OLED的节能效果比同样尺寸的背光源LCD要明显得多;但10英寸的大面积PM-OLED和相同尺寸的LCD相比,节能效果就不复存在了。因此,这就限制了它在大面积显示中的应用。

PM-OLED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»PM-OLED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),如人们在移动电话、掌上型电脑及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。

②主动矩阵(Acitive Matrix)驱动(有源驱动)显示方式,简称AM-OLED,其实际结构如图3所示。

图3 AM-OLED的实际结构

它具有完整的阴极层、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。利用类似于AM-LCD的制造技术,在玻璃衬底上制作CMOS多晶硅TFT,发光层制作在TFT之上。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。

驱动电路完成两个功能:一是提供受控电流以驱动OLED;二是在寻址期之后继续提供电流以保证各像素连续发光。和PM-OLED不同的是,AM-OLED的各个像素是同时发光的。这样单个像素的发光亮度就大大地降低了,电压也得到了相应的下降。这就意味着AM-OLED的功耗比PM-OLED要低得多,是大面积显示比较理想的选择。

一般,驱动OLED的薄膜晶体管有以下三种薄膜晶体管技术。

•低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT);

•非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT):

•有机薄膜电晶体(OTFT)

低温多晶硅薄膜晶体管相对于另两种晶体管技术,具有较高的载流子(电子或孔穴)迁移率(约100倍)及较高的热稳定性,可提供足够高的电流供应给有机发光二极管。因此,低温多晶硅薄膜晶体管与有机发光二极管两种技术的结合,已成为未来必然的发展趋势。

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

有源矩阵的驱动电路藏于显示屏内,更易于实现集成度和小型化。由于解决了外围驱动电路与屏的连接问题,这在一定程度上提高了成品率和可靠性。现在,CDT、精工爱普生、三洋电机等公司展出的17英寸OLED采用的就是主动矩阵方式。可以预见,主动矩阵驱动技术将是今后OLED发展普遍采用的方式。

三、OLED的优缺点

(1)OLED的优点如下。

•OLED是自发光,因而视角宽,亮度高:

•不存在聚焦,失真小,清晰度,色纯全屏一致;

•不受磁场影响,无闪烁,材料绿色环保;

•响应速度快;

•工作电压低、功耗低,发光效率高;

•面板超薄,超轻,可做成能弯曲的柔性显示器;

•生产成本低;

•高低温特性好,温度范围宽(-40℃~+85℃),且耐温差;

•耐震,适用于震动环境使用。

(2)OLED的缺点。OLED似乎是一项完美无缺的技术,适合各类的显示器,但它目前还存在一些需要解决的缺陷问题:

①寿命和稳定性问题。OLED/PLED器件要达到实用化,要求实用寿命至少大于10000小时,存储寿命至少5年。但目前还未达到,影响OLED寿命和稳定性的主要原因如下。

•器件温度升高:因器件在工作过程中除发光外,还有一部分电能转化为热量,从而使分子振动加剧,器件发热温度升高,这将导致薄膜结晶、界面变化等。

•氧化:器件包封不够严密(或在使用过程中泄露空气),即使有微量空气渗入,在内部高电场作用下,氧分子将引起光氧化降解反应,破坏有机/高分子材料的共匏特性,使发光效率降低,导致器件退化。

•水:在高电场下,微量的水分都可能会导致电化学等反应,使器件界面遭到破坏。水氧的存在还可能造成电极被腐蚀,导致电子注入效率下降;氧化产生的离子可能注入器件发光区,造成猝灭中心,进而影响器件的发光效率。

•杂质:杂质可能成为载流子捕获和生热中心,引起内部电场的局部畸变,杂质产生的无辐射中心,是器件老化的重要原因,所以有机/高分子材料的提纯是一个很关键的问题。据报道,每400个苯基乙烯基单元中含一个残基就会使器件的发光猝灭一半。

•EL器件的光辐射:因为发光层发出的光可能破坏材料分子的化学键。此外,有机薄膜的厚度、均匀性等都可能影响到器件的稳定性。

②色度问题。OLED的大部分发光材料色彩纯度不够,不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩,尤其是红色的色度性能尤为不良。

③大尺寸问题。因为尺寸变大后会出现如驱动形式、扫描方式下材料的寿命、显示屏发光均一化等问题。目前大屏幕显示器成品率低,因而制造大屏幕显示器的成本偏高,还不能实现大尺寸屏幕的量产,因而目前只适用于小尺寸便携类的数码类产品。

我国台湾省以铢德公司为代表的一批企业已经走到世界OLED产业化的前列;清华大学和维信诺公司已联合建立了国内第一条OLED生产线等。相信不久,在解决好大尺寸OLED的长期可靠性和使用寿命等后,OLED必将成为显示器市场的主流。LCD花了15年时间才超过CRT成为电脑显示器的主流技术。OLED将花费更短的时间超越LCD。