OLED顯示技術近期進展及趕超機遇

作者： 北京維信諾科技有限公司 萬博泉 謝靜

摘要： 新型有機發(fā)光顯示技術擁有諸多優(yōu)勢，而成為平板顯示領域的研究熱點。目前，大尺寸、彩色化、白光光源和柔性顯示等已成為有機發(fā)光顯示器技術發(fā)展的主流方向。

關鍵詞： OLED；有機材料；平板顯示器；柔性顯示

引言

伴隨著有機發(fā)光材料和器件技術的不斷成熟，有機發(fā)光二極管(OLED)顯示器逐步進入各個顯示領域。1997年，Pioneer公司首次推出了單色OLED車載音響，使得有機顯示屏首次進入商業(yè)領域。時至今日，韓國Samsung和LG、日本Pioneer和SONY、臺灣錸寶和悠景等十多家公司建設了OLED量產(chǎn)線，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)和銷售。今年在美國舉辦的2007SID(信息顯示協(xié)會)展會上，許多公司紛紛展出了各種應用領域的OLED顯示屏，涉及電視、MP3、手機、車載、白光光源、可彎曲標價牌等，展品的顏色豐富細膩，亮度、對比度、解析度等都達到了歷史新高，表明OLED在大尺寸、全彩色化、照明、柔性顯示等技術和產(chǎn)業(yè)化方面的長足進步。

近期OLED顯示技術的進展

OLED是雙載流子注入型顯示器。對OLED的研究工作始于1960年代，1963年Pope報道了蒽單晶片在400V電壓的作用下的發(fā)光現(xiàn)象。直到1987年C. W. Tang[2]等人首次采用雙層器件結(jié)構(gòu)得到了高性能的OLED后，OLED技術才引起各國專家的極大關注。特別是最近10年里，OLED技術取得了顯著的進展，從2英寸的產(chǎn)品到40英寸的樣品均在陸續(xù)推出。

與液晶顯示器(LCD)相比，OLED具有全固態(tài)、自發(fā)光、寬視角、高清晰、高亮度、高對比度、高響應速度、超薄、低成本、低功耗、耐低溫、抗震、可實現(xiàn)柔性顯示和雙面顯示等特點，被認為是理想和有潛力的下一代平板顯示技術。

OLED按照所采用有機發(fā)光材料的不同，可分為：小分子OLED(基于小分子有機發(fā)光材料)和高分子OLED(基于共軛高分子有機發(fā)光材料，簡稱PLED)。美國柯達與英國劍橋顯示技術公司分別為小分子OLED和PLED的先行者，擁有80％以上的專利。

OLED按照驅(qū)動方式的不同，還分為有源矩陣驅(qū)動(AMOLED)和無源矩陣驅(qū)動(PMOLED)。PMOLED技術比較成熟，已在小尺寸OLED產(chǎn)品中大量采用，但是該技術受到掃描行數(shù)的限制，不可能用于大尺寸顯示。目前，大尺寸AMOLED驅(qū)動技術還不成熟，成品率低，仍處于研發(fā)階段。

從長遠來看，OLED未來的發(fā)展必將沿著小尺寸-超大尺寸、單色-彩色、無源-有源、硬屏-軟屏的方向發(fā)展，最理想的OLED顯示器應該是OTFT AMOLED?，F(xiàn)階段OLED技術研究的熱點主要有：

有機發(fā)光材料

有機化合物的豐富多彩為材料的設計和選擇提供了廣闊的天地?？梢哉f，有機材料的不斷進步是推動OLED技術進步的重要原因之一。

OLED發(fā)光材料按照發(fā)光激子的種類可分為熒光材料和磷光材料兩種。目前，熒光材料方面，性能最高的是日本出光興產(chǎn)的材料。紅光效率達到了11cd/A，壽命高達16萬小時；綠光效率達到30cd/A，壽命為6萬小時；正在開發(fā)中的高效率、長壽命藍光材料BD-2 (0.13, 0.22)，效率為8.7 cd/A，壽命2.3萬小時。磷光材料方面，UDC公司開發(fā)的紅光材料色坐標為(0.67，0.33)，效率達到15cd/A，500 cd/m2下工作壽命超過15萬小時；綠光材料色坐標為(0.34，0.61)，效率達到65cd/A，初始亮度為1000 cd/m2時，壽命超過4萬小時；最難得到的藍色磷光材料效率達到了30cd/A，在200 cd/m2的初始亮度下，壽命達到了10萬小時。

總體上講，OLED紅、綠、藍三色材料的發(fā)光效率和發(fā)光壽命均基本滿足實用化需求。紅色磷光材料在色純度上優(yōu)于紅色熒光材料，但綠光和藍光在色純度上還有待進一步提高。獲得高色純度、長壽命的藍色磷光材料，仍然是富有挑戰(zhàn)性的難題。而且對發(fā)光材料的研究而言，新三色發(fā)光材料的開發(fā)和器件色純度、發(fā)光效率、壽命的進一步提高依然是今后一段時間內(nèi)的重要工作。

彩色化技術

目前提高彩色化產(chǎn)品的成品率和壽命是彩色化研究的重點。OLED彩色化實現(xiàn)的方法主要有三基色發(fā)光法、彩色濾光片法和色轉(zhuǎn)換法。三基色發(fā)光法直接用三基色材料蒸鍍形成RGB三像素，發(fā)光亮度最高，技術比較成熟，是目前彩色化常用的工藝方法，但蒸鍍對位困難，需要三次蒸鍍發(fā)光材料，導致效率降低，且三基色材料的壽命不一致，會影響顯示屏的整體壽命。彩色濾光片法是將白光透過類似LCD的彩色濾光片來達到全彩效果，這種全彩方法的最大優(yōu)點是可應用LCD的彩色濾光片技術，且蒸鍍簡單效率高，采用該技術關鍵在于白光有機材料的色域穩(wěn)定性、發(fā)光效率、壽命以及彩色濾光膜的制造成本。色轉(zhuǎn)換法是以藍光材料為發(fā)光源，通過色轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)變成紅光和綠光，目前色轉(zhuǎn)換層的制備技術還沒有完全解決。OLED三種彩色化方式的比較如表1所示。


表1 OLED三種彩色化方式的比較

大尺寸技術的研究

大尺寸顯示最能發(fā)揮OLED高亮度、高對比度、寬視角、高響應速度等技術性能方面的優(yōu)勢，開發(fā)大尺寸技術已成為OLED今后發(fā)展的方向。自2003年以來，SONY、Samsung、Sanyo、Epson、Philips、奇美、LPL等公司相繼開發(fā)了13~ 40英寸的OLED樣品，Samsung開發(fā)的17英寸LTPS-AMOLED顯示屏達到UXGA(1600×1200)分辨率、亮度400 cd/m2。三星投資4.5億美元建設了一條4代AMOLED生產(chǎn)線，預計年內(nèi)量產(chǎn)、銷售中小尺寸AMOLED產(chǎn)品。

最近大尺寸AMOLED技術又有了新的突破，最引人注目的是SONY公司在2007 CES(國際消費電子展)上展出的兩款OLED高清電視產(chǎn)品，其中一款的尺寸為27英寸、分辨率1920×1080、10億色、厚度僅10 mm。另一款尺寸為11英寸、分辨率1024×600、1670萬色、厚度僅為3 mm。兩款電視的對比度都達到了100萬:1，亮度最高達到了600cd/m2，色域都超出了NTSC規(guī)范。SONY表示今年年內(nèi)將量產(chǎn)和銷售11英寸產(chǎn)品。這兩款OLED采用的彩色化技術是RGB三基色發(fā)光方案，使用小分子發(fā)光材料。為實現(xiàn)1920×1080分辨率，SONY采用了LIPS激光轉(zhuǎn)印法來制備紅、綠、藍發(fā)光材料薄膜。由于不再使用蔭罩，LIPS能夠防止此前一直妨礙大型面板制造的蔭罩變形所導致的圖案精度降低。SONY表示，激光工藝是一種趨于成熟的、可靠性高的方法。另外，通過采用并排多束激光槍結(jié)構(gòu)，還可加快薄膜制備的速度，提高生產(chǎn)效率。此次SONY新工藝的意義在于從制造方法方面為大尺寸定下了目標。另外，還著眼于生產(chǎn)效率的提高，確定了開發(fā)的重心。[!--empirenews.page--]

大尺寸OLED的研究涉及基板技術、薄膜制備工藝和封裝技術等各方面，而最為關鍵的技術則是有源矩陣(AMOLED)技術。無源矩陣OLED(PMOLED)和有源矩陣OLED (AMOLED)所用的OLED結(jié)構(gòu)相同，但每個單元的尋址方式不同。PMOLED的像素只在控制器尋址到其所在的行時才被點亮，所以電流占空比反比于行數(shù)，峰值電流正比于行數(shù)，被觀察到的亮度正比于每幀間隔內(nèi)電流的時間積分。由于占空比隨著行數(shù)的增加而減少，PMOLED存在發(fā)光區(qū)域面積的限制，不適于制備大尺寸的顯示器件。AMOLED顯示器利用每個像素的薄膜晶體管(TFT)在幀間隔持續(xù)時間內(nèi)獲得驅(qū)動信號。在一幀之內(nèi)，峰值電流和平均電流一致，不會受到顯示器行數(shù)的限制，可以制備大面積的顯示器，并且能耗更低。

AMOLED的發(fā)展主要取決于TFT在OLED中的應用。AMOLED驅(qū)動技術有三個研發(fā)方向：一是改進傳統(tǒng)的非晶硅技術(a-Si TFT)，二是開發(fā)載流子遷移率高的低溫多晶硅技術(LTPS TFT)，三是開發(fā)有機薄膜晶體管(OTFT)。

LTPS TFT擁有較高的載流子遷移率，這對電流驅(qū)動型的OLED器件來說是非常有利的，然而制備技術還不成熟，成品率還很低。傳統(tǒng)的準分子激光晶化法非常昂貴，而且目前最大的LTPS基板只能做到第4代，器件性能上亮度還不均勻。日前，柯達開發(fā)了一種GMC的補償技術，將其應用到LTPS TFT驅(qū)動的3英寸OLED面板上，宣稱這一技術使得AMOLED多年以來的難題—TFT開態(tài)電流誤差引起的亮度不均得到了徹底解決。

a-Si TFT可以延續(xù)液晶的技術，工藝簡單、成熟、成本低廉，且可以利用現(xiàn)有的液晶生產(chǎn)設備，基板尺寸可以做到5代線以上，但用于驅(qū)動OLED則存在遷移率低、器件性能穩(wěn)定性差等缺點。從發(fā)展趨勢看，a-Si可能適合大尺寸顯示，LTPS則可能適合中小尺寸顯示。

另外OTFT技術采用有機材料代替硅，適合于軟屏制備，相對于硅薄膜晶體管，OTFT的工藝要簡單得多。但是OTFT技術還處于基礎研究階段。

OLED照明技術

與其它照明光源相比，以平面發(fā)光為特點的OLED具有更容易實現(xiàn)白光、超薄光源和任意形狀光源的優(yōu)點，同時具有高效、環(huán)保、安全等優(yōu)勢。因此，白光OLED作為一種新型的固態(tài)光源，在照明和平板顯示背光源等方面展示了良好的應用前景。市場調(diào)研公司NanoMarkets預測，使用OLED的照明市場的產(chǎn)值規(guī)模在2014年將擴大至10億美元。目前，高效率、長壽命的白光器件的研究是OLED在照明領域發(fā)展的重點。磷光材料由于具有高效特征，因此在白光照明領域被廣泛看好。

2006年7月，Konica Minolta技術中心成功開發(fā)了在1000 cd/m2初始亮度下，發(fā)光效率64 lm/W，亮度半衰期約1萬小時的白光OLED器件。該器件采用的發(fā)光材料均是磷光材料，且一直為磷光材料瓶頸的藍光材料實現(xiàn)了長壽命和高發(fā)光效率，在300 cd/m2初始亮度下，實現(xiàn)了1.6萬小時的亮度半衰期。2007 SID展會上，日本出光興業(yè)報道的白光器件效率達到約16.8 lm/W，壽命超過了4萬小時。
該白光器件采用的發(fā)光材料為熒光材料，是目前效率最高的熒光白光OLED。

白光OLED的發(fā)展目標，是成為真正的低成本、高效率、長壽命的平板白光光源。在過去十多年的研究工作中，白光OLED在效率和壽命方面都取得了長足的進步，但距實用化和商品化還有一定的距離。白光OLED面臨的挑戰(zhàn)是提高器件在高電流工作狀態(tài)下的效率和壽命。新材料和新結(jié)構(gòu)的開發(fā)和使用有望解決這兩方面的困難。近年來，歐美各國在OLED照明領域投入相對大的資金。GE、UDC、Osram公司獲得了美國政府的項目支持，開發(fā)OLED照明技術。美國能源部在OLED照明光源技術發(fā)展規(guī)劃中指出：2007年，用于照明的白光OLED效率將達到50 lm/W、壽命超過5000小時；2012年，其效率將達到150 lm/W、壽命超過1萬小時、制作成本也會大幅下降。

柔性顯示

柔性OLED顯示是顯示技術領域的最熱門的研究課題之一。OLED相比其它柔性顯示器具有更多優(yōu)點：它是自發(fā)光顯示、響應速度快、視角寬，由有機材料制備，彎曲能力強等。因此對顯示效果要求高的便攜產(chǎn)品和軍事等特殊領域有非常廣泛的應用。

柔性顯示需要解決的主要問題是電極層以及有機層的附著性能、基板的氣密性、封裝和驅(qū)動技術。目前，已有CDT、UDC、Samsung、Pioneer、SONY和我國清華大學等試制了高分子和小分子OLED軟屏樣品，有源驅(qū)動技術和薄膜封裝技術的應用也極大地豐富了柔性顯示的色彩和延長了OLED的壽命。在2007 SID展會上，SONY公司首次推出了TFT驅(qū)動的2.5英寸柔性OLED樣品，實現(xiàn)了約1670萬色的全彩顯示，像素尺寸為318 μm見方，精細度為80 ppi，實現(xiàn)了最高的精細度。

由于OLED對于水、氧非常敏感，如何避免這兩種氣氛對器件的影響是柔性OLED發(fā)展的首要因素。研究表明，OLED要求水汽的滲透能力在10-5g/m2/day以下，但傳統(tǒng)的金屬或玻璃封裝不適合柔性器件的封裝，如何避免水、氧對器件的影響是柔性OLED發(fā)展的主要課題。Vitex公司利用聚合物無機材料交替復合薄膜(PML)阻隔水氧，其開發(fā)的軟屏基板產(chǎn)品具有與玻璃相媲美的阻隔效果(見表2)。日本先鋒公司計算，利用這種技術封裝的器件，在1000 cd/m2的起始亮度下，最長壽命可超過5000小時。不過現(xiàn)階段由于OLED軟屏的封裝技術還遠未成熟，因此柔性OLED顯示技術還處于基礎研究階段。

我國內(nèi)地的研發(fā)單位和企業(yè)敏銳地捕捉到了這次機會，投入了大量的人力、物力和財力，取得了很好的研究成果。目前我國大陸在OLED研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面所取得的成就主要有：

清華大學開發(fā)出非摻雜體系的紅色熒光主體材料，色坐標為(0.65, 0.35)，初始亮度1000 cd/m2下壽命超過1.5萬小時；吉林大學率先開展了三線態(tài)磷光材料的性能研究；中科院長春應化所設計合成的綠光、紅光和藍光銥配合物的磷光材料，發(fā)光效率分別達到了57.9 cd/A(57.4 lm/W)、50.0 cd/A(45.2 lm/W)和16.2 cd/A(14.0 lm/W)，達到先進水平；華南理工大學率先采用噴墨和旋涂新工藝研制出全彩色高分子發(fā)光示屏，像素96×(3)×64；長春光機物理所與維信諾公司合作開發(fā)了a-Si OLED的320×240點陣彩屏；南開大學采用金屬誘導技術、吉林彩晶采用激光退火技術研發(fā)了2英寸p-Si 160×128點陣彩屏；南開大學與香港科技大學合作開發(fā)了金屬誘導的5英寸p-Si 320×234點陣彩屏；北京京東方公司進行了2英寸a-Si 176×220點陣AMOLED的開發(fā)。[!--empirenews.page--]

產(chǎn)業(yè)方面，目前維信諾公司正在昆山建設國內(nèi)第一條PMOLED生產(chǎn)線，基板尺寸為370mm×470mm；信利半導體開發(fā)出可在短時間內(nèi)測試OLED壽命、判斷生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性的OLED 壽命測試方法；上海廣電電子公司目前基本完成了OLED關鍵技術的研究和生產(chǎn)技術的集成，實現(xiàn)了OLED屏及模塊的小量生產(chǎn)和銷售，開發(fā)了3.5英寸的全彩LTPS TFT-OLED，亮度達到250 cd/m2；吉林環(huán)宇公司與荷蘭OTB公司簽定了兩條PLED生產(chǎn)線設備的購買合同，計劃生產(chǎn)1.1英寸(PM)和2.6英寸(AM)兩款全彩色PLED顯示屏，生產(chǎn)能力600萬片/年。

結(jié)語

OLED技術正處于一個發(fā)展與調(diào)整的關鍵時期，目前面臨的狀況類似于90年代上半期的TFT-LCD。TFT-LCD技術70年代末開始研制，但是由于TFT基板制造及彩色化生產(chǎn)技術沒能完全突破，產(chǎn)品遲遲進入不了市場。日本參與TFT的企業(yè)處于全面虧損狀態(tài)，當時只有夏普等極少數(shù)公司堅持將TFT-LCD搞下去，并最終取得了成功，90年代末，日本的TFT-LCD企業(yè)開始大幅度獲利，進而推動了全球TFT-LCD產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。韓國、中國臺灣地區(qū)90年代中期才開始進入TFT-LCD產(chǎn)業(yè)，但他們摒棄了日本廠商的保守觀念，在引進日本技術的基礎上抓住機遇，大膽創(chuàng)新、大膽投入，最終超過了日本對手。

OLED目前正處于產(chǎn)業(yè)化技術完全突破的前期，在LCD的打壓下，市場進入速度減緩，大部分企業(yè)處于虧損狀態(tài)，許多企業(yè)退出競爭。但是以Samsung、SONY為首的一批有遠見的企業(yè)卻正在抓住機遇，加大研發(fā)和投入的力度，使OLED市場出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)機。我們應該學習韓國及臺灣的經(jīng)驗，我國OLED技術與國外差距不大，并擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)起步，這是我們在平板顯示領域趕超世界先進水平的一個很好的機會，如果我們能抓住這個機遇、快速發(fā)展，就能在不久的將來成為OLED強國。

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