OLED技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

萬(wàn)博泉 吳空物 高裕弟 (北京維信諾科技有限公司) 現(xiàn)代顯示，中國(guó)半導(dǎo)體照明網(wǎng)

摘要：新型有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)日益成為顯示領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，由于具有超輕超薄、低驅(qū)動(dòng)電壓、自主發(fā)光、寬視角、快速響應(yīng)、可實(shí)現(xiàn)柔軟顯示等諸多優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)均發(fā)展迅速。彩色化、柔軟顯示、大尺寸和白光光源已逐漸成為有機(jī)發(fā)光顯示器技術(shù)發(fā)展的主流方向。

關(guān)鍵詞：有機(jī)發(fā)光；材料和器件；顯示和照明

1 引言
早在20世紀(jì)60年代， Popo等人 [1] 首次報(bào)道了蒽單晶的電致發(fā)光現(xiàn)象，揭開(kāi)了有機(jī)發(fā)光器件研究的序幕。1987年，美國(guó)柯達(dá)公 司鄧青云 博士等人 [2] 報(bào)道了高效有機(jī)發(fā)光顯示器件（OLED），以具有良好成膜性的三芳胺衍生物和 3-(8- 羥基喹啉 ) 鋁（Alq3）分別作為空穴傳輸層和發(fā)光兼電子傳輸層，獲得了亮度大于1,000cd/m2 、效率大于1.5lm/W 、驅(qū)動(dòng)電壓小于10V的發(fā)光器件。這種器件具有超輕超薄、低驅(qū)動(dòng)電壓、自主發(fā)光、寬視角、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的關(guān)注。

1990年，英國(guó)劍橋大學(xué)Cavendish研究室的R.H. Friend等人 [3] 以聚對(duì)苯撐乙烯（PPV）作為發(fā)光材料制備了發(fā)光器件，開(kāi)創(chuàng)了聚合物在有機(jī)發(fā)光領(lǐng)域的應(yīng)用。這項(xiàng)研究進(jìn)一步促進(jìn)了有機(jī)發(fā)光顯示器件的研究，應(yīng)用更加廣泛、性能更加優(yōu)越的器件報(bào)道不斷涌現(xiàn)。 1993年曹鏞等人制備的柔性O(shè)LED顯示屏和Kido等人制備的白光顯示器件均具有開(kāi)創(chuàng)性的意義。

有機(jī)發(fā)光領(lǐng)域中另一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的工作是有機(jī)磷光發(fā)光器件的出現(xiàn)。 1998 年，普林斯頓大學(xué)的Forrest等人 [4] 將磷光材料八乙基卟啉鉑（ PtOEP ）摻入發(fā)光層，獲得外量子效率 5 ％的器件。這項(xiàng)研究證明 OLED 可突破內(nèi)量子效率 25 ％的限制，使得有機(jī)發(fā)光器件的效率有望大幅提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從 1987 年到 2005 年，器件效率改善了幾十倍。

伴隨著有機(jī)發(fā)光材料和器件技術(shù)的不斷成熟， OLED 逐步進(jìn)入各個(gè)顯示領(lǐng)域。 1997 年，日本東北先鋒公司推出了 OLED 車載顯示器，使得有機(jī)顯示屏首次進(jìn)入商業(yè)化領(lǐng)域。時(shí)至今日，已有韓國(guó)三星和 LG 、日本東北先鋒和索尼、臺(tái)灣錸寶和悠景等十多家公司完成了 OLED 量產(chǎn)線的建設(shè)，并具備了批量生產(chǎn)和提供 OLED 產(chǎn)品的能力。 OLED 產(chǎn)品在 MP3 和手機(jī)副屏產(chǎn)品領(lǐng)域獲得了應(yīng)用和認(rèn)可。市調(diào)機(jī)構(gòu) Display Search 針對(duì)全球 OLED 產(chǎn)業(yè)指出， 2005 年全球 OLED 面板出貨量達(dá) 6300 萬(wàn)片，相較于 2004 年增長(zhǎng)幅度高達(dá) 96% ，產(chǎn)值規(guī)模達(dá) 5.3 億美金，較 2004 年增長(zhǎng) 31% ，并預(yù)估 2006 年 OLED 出貨量可提升至 8300 萬(wàn)片，較 2005 年增長(zhǎng) 32% 。國(guó)務(wù)院頒布的 " 國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（ 2006-2020 年） " 中明確指出以 " 開(kāi)發(fā)有機(jī)發(fā)光顯示、場(chǎng)致發(fā)射顯示、激光顯示等各種平板和投影顯示技術(shù)，建立平板顯示材料與器件產(chǎn)業(yè)鏈 " 為優(yōu)先主題。我國(guó)已有多家單位從事 OLED 的研究開(kāi)發(fā)工作，并獲得 973 、 863 等多方面的支持。維信諾科技、五糧液集團(tuán)、 TCL 等企業(yè)已介入產(chǎn)業(yè)化或產(chǎn)業(yè)化研究。

隨著OLED商業(yè)化的不斷進(jìn)展，OLED技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)也更加明朗。一個(gè)主要方向是高性能的彩色化 OLED產(chǎn)品，高色純度、長(zhǎng)壽命和高解析度為重點(diǎn)的研究?jī)?nèi)容；第二個(gè)方向是有源矩陣OLED顯示器（ AMOLED ），這種驅(qū)動(dòng)方式的顯示器與無(wú)源矩陣OLED顯示器（ PMOLED ）相比能量效率更高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸顯示；另一個(gè)方向是 OLED 在照明光源領(lǐng)域的應(yīng)用，隨著OLED各項(xiàng)性能的不斷提高， OLED 用于照明光源成為可能，因而受到科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注；除此之外，塑料等柔性材料作基板的柔性O(shè)LED顯示器（FOLED）也具有無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)，并成為一個(gè)重點(diǎn)的研究方向。

2 高性能彩色化OLED
近年來(lái)，包括摩托羅拉和 NEC 在內(nèi)的多款手機(jī)和 MP3 均應(yīng)用了 OLED 顯示屏。作為時(shí)尚產(chǎn)品的 MP3 和手機(jī)對(duì)其顯示屏有以下要求：1）輕薄、小巧；2 ）高對(duì)比度；3）低驅(qū)動(dòng)電壓；4）寬溫度范圍；5）快速響應(yīng)；6 ） 豐富的色彩。以上要求都是OLED所具備的，因此 OLED 在這些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

從表1可以看出，OLED產(chǎn)品由于其快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，在諸如數(shù)碼相機(jī)、 DVD播放器、彩電等產(chǎn)品領(lǐng)域具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力；超輕超薄的技術(shù)特點(diǎn)也將使其在智能卡、頭盔顯示器、手機(jī)、PDA和筆記本電腦顯示屏等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間。但由于產(chǎn)品壽命方面的原因，OLED目前還只能應(yīng)用于MP3和手機(jī)等時(shí)尚用品上。

表 1 不同應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)顯示產(chǎn)品壽命堯響應(yīng)速度和重量厚度的需求比較

表 2 出光材料 2005 年和 2006 年有機(jī)材料性能數(shù)據(jù)對(duì)比

彩色OLED的色純度和壽命性能主要取決于有機(jī)材料和器件結(jié)構(gòu)。近期，有機(jī)材料的發(fā)光顏色、效率和壽命已得到了很大提高。

以日本出光公司的材料為例（見(jiàn)表 2 ），在2005年～ 2006年一年的時(shí)間內(nèi)，紅、綠、藍(lán)三色材料的色坐標(biāo)、效率和壽命都取得了飛速的進(jìn)展。紅光材料的效率提高了接近3倍，效率提高了20倍；綠光材料的壽命提高了3倍；藍(lán)光壽命也提高了70% 。這些材料技術(shù)的進(jìn)展都使得OLED器件的性能也隨之改善和提高。隨著OLED壽命的不斷突破，OLED必將逐步進(jìn)入更多的產(chǎn)品領(lǐng)域。

3 有源矩陣OLED顯示器AMOLED
構(gòu)成OLED像素陣列的方法基本上有兩種，即無(wú)源矩陣OLED顯示器（ PMOLED）和有源矩陣OLED顯示器（ AMOLED ）。這兩種方法所用的OLED 結(jié)構(gòu)相同，但每個(gè)單元的尋址方式不同。

對(duì)于PMOLED而言，像素只在控制器尋址到其所在的行時(shí)才被點(diǎn)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(shí)間積分。由于占空比隨著行數(shù)的增加而減少， PMOLED 必定存在發(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(gè)像素的薄膜晶體管（ TFT ）在幀間隔持續(xù)時(shí)間內(nèi)獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在一幀之內(nèi)，峰值電流和平均電流一致，不會(huì)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(yīng)用。在 SID2005 會(huì)議中，三星 SDI 公司 [5] 介紹了全彩的 17in UXGA （ 118ppi ）的 AMOLED 顯示器。他們以低溫多晶硅（ LTPS ） -TFT 為 AMOLED HDTVs 的基板，介紹了不同的 LTPS 晶化方法，包括激態(tài)分子激光猝滅（ ELA ）、連續(xù)側(cè)向固化（ SLS ）、固相晶化（ SPC ）、金屬導(dǎo)向晶化（ MIC ）、金屬導(dǎo)向側(cè)向晶化（ MILC ）、超顆粒硅（ SGS ）等，用不同的晶化方法得到的 LTPS-TFT 具有不同的特性（如表 3 ）。[!--empirenews.page--]

表3 不同的晶化方法得到的 LTPS-TFT 的特性

在KES2005上， 三星SDI公布了2.0in的QVGA AMOLED以及2.65in的VGA AMOLED，并宣稱將在2006年首先量產(chǎn)2.0in 、可用于手機(jī)主屏的AMOLED產(chǎn)品。

除LTPS-TFT外，一些非晶硅TFT（ a-Si TFT ）[6] 和有機(jī)薄膜晶體管（ OTFT ）[7] 也被用于 AMOLED 的驅(qū)動(dòng)。

4 用于照明的OLED
隨著OLED技術(shù)的不斷提高，OLED在照明光源領(lǐng)域也受到越來(lái)越多人的關(guān)注。以平面發(fā)光為特點(diǎn)的OLED與其它光源相比具有高效、環(huán)保、安全等優(yōu)點(diǎn)，可以使用在更廣泛的地方。

高效率、長(zhǎng)壽命的白光器件是 OLED 在照明光源領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。磷光材料由于具有高效特征，因此在白光照明領(lǐng)域被廣泛看好。

2005年的SID會(huì)議上，日本豐田自動(dòng)織機(jī)展示了一種采用熒光與磷光材料的 " 混合型 " 的白色OLED光源，引進(jìn)了高效率紅光和綠光磷光材料。此白色OLED光源器件在3000cd/m2 的初始亮度下，亮度半衰期為5000小時(shí)，電流效率也比全熒光材料的白光器件提高了 50% 左右。 2006年4月NATURE上報(bào)道了S.R.Forrest等人 [8] 采用三發(fā)光中心白光器件結(jié)構(gòu)，發(fā)光染料分別為藍(lán)色熒光染料、綠色磷光染料和紅色磷光染料。采用的器件結(jié)構(gòu)為 ITO/NPD/5% BCzVbi:CBP/CBP/4% PqIr:CBP/5%Irppy:CBP/CBP/5%BCzVbi:CBP/ETL/LiF/Al ，最大外量子效率達(dá)到18.7% ，流明效率達(dá)到37.6lm/W ，在500cd/m2條件下， 效率仍能維持在18.4% ，23.8lm/W ，演色指數(shù)為85 。 2006 年 7 月，柯尼卡美能達(dá)技術(shù)中心成功開(kāi)發(fā)了1000cd/m2初始亮度下，發(fā)光效率64 lm/W 、亮度半衰期約10000小時(shí)的OLED白色發(fā)光元件。該器件采用的發(fā)光材料均為磷光材料，且一直為磷光材料瓶頸的藍(lán)光材料實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命和高發(fā)光效率，在 300cd/m2初始亮度下，實(shí)現(xiàn)了16000小時(shí)的亮度半衰期。

近年來(lái)，歐美各國(guó)在OLED照明領(lǐng)域投入相對(duì)大的資金。美國(guó)的GE 、 UDC 、Osrem公司獲得了美國(guó)政府的項(xiàng)目支持，開(kāi)發(fā)OLED照明技術(shù)，美國(guó)能源部在OLED照明光源技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中指出： 2007年，用于照明的白光OLED效率將達(dá)到50lm/W 、壽命超過(guò)5000小時(shí)；2012年，其效率將達(dá)到150 lm/W 、壽命超過(guò)10000小時(shí)，制作成本也會(huì)大幅下降。歐洲20多家從事有機(jī)發(fā)光材料和器件的頂級(jí)公司和研究機(jī)構(gòu)獲得歐盟信息社會(huì)技術(shù)資助，共同參與 " 用于信息通訊技術(shù)與照明設(shè)備的高亮度有機(jī)發(fā)光二極管項(xiàng)目 " ，該項(xiàng)目宣布的目標(biāo)是2008年延長(zhǎng)OLED光源的壽命到10000小時(shí)，并達(dá)到50lm/W的效率。

5 柔性O(shè)LED顯示器FOLED
使用塑料或金屬片等柔軟基板代替硬梆梆的玻璃基板，可以制備彎曲的顯示器。與普通的硬屏顯示器相比，柔性顯示器具有諸多優(yōu)點(diǎn)：耐沖擊，抗震能力更強(qiáng)；重量輕、體積小，攜帶更加方便；采用類似于報(bào)紙印刷工藝的卷帶式工藝，成本更加低廉等等。目前，用于柔性顯示的器件有 TFT-LCD 、CSTN-LCD、電子紙、OLED等。

OLED相比其它柔性顯示器具有更多優(yōu)點(diǎn)：它是自發(fā)光顯示，相應(yīng)速度快、視角寬；由有機(jī)材料制備，彎曲能力強(qiáng)等。因此在顯示效果好的便攜產(chǎn)品和軍事等特殊領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。

由于OLED對(duì)于水、氧非常敏感，如何避免這兩種氣氛對(duì)器件的影響是FOLED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)的金屬或玻璃封裝蓋會(huì)影響器件的彎曲能力，不適合柔性器件的封裝，如何避免水、氧對(duì)器件的影響是FOLED發(fā)展的主要課題。

Vitex 公司利用聚合物無(wú)機(jī)材料交替復(fù)合薄膜（PML）阻隔水氧，具有比較好的效果，其開(kāi)發(fā)的軟屏基板產(chǎn)品具有與玻璃相媲美的阻隔效果（如表 4）。日本先鋒公司計(jì)算，利用這種技術(shù)封裝的器件，在 1000cd/m2 的起始亮度下，最長(zhǎng)壽命可超過(guò)5000小時(shí)[9] 。

表 4 Vitex 產(chǎn)品的水汽阻隔效果和表面 ITO 電阻

除了封裝技術(shù)的差別之外，軟屏點(diǎn)陣屏在壽命上同硬屏器件的壽命存在明顯差別的一個(gè)重要原因，還在于軟屏顯示器制備中涉及的絕緣層、隔離柱材料都需要 180 ℃ 左右的烘烤溫度，才能將該類光固化膠中的水分和其他雜質(zhì)有效去除。而 PET 軟屏基板則只能承受 100 ℃ 以下的加工溫度，否則在高溫狀況下容易變形。這使得軟屏需要的低溫制備工藝同絕緣層、隔離柱高溫固化工藝存在一定沖突。此外，軟屏中仍然需要柔韌性相對(duì)差出很多的金屬材料作為陰極結(jié)構(gòu)，也使得軟屏在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生新的缺陷。

UDC 公司與 Vitex 公司有著密切的合作，在軟屏 OLED 領(lǐng)域處于相對(duì)領(lǐng)先的地位。 2003 年該公司制備了單色的軟屏器件，在 600cd/m2 的起始亮度下的壽命超過(guò) 2 ， 500 小時(shí) [10] 。該公司又在 2006 SID 上展示了 6in 的彩色柔性顯示器件。

6 結(jié)束語(yǔ)

在技術(shù)發(fā)展方面，針對(duì)高性能彩屏、有源驅(qū)動(dòng)、照明光源及柔軟顯示技術(shù)在材料性能和器件性能的不斷改善下，進(jìn)一步向前發(fā)展。 OLED 壽命的不斷突破，將引導(dǎo) OLED 產(chǎn)品逐步進(jìn)入更加寬闊的市場(chǎng)，根據(jù) DisplaySearch 統(tǒng)計(jì)， 2006 年全球 OLED 市場(chǎng)總產(chǎn)值將達(dá) 5.8 億美元，較 2005 年增加 10% 。 2007 年在 AMOLED 產(chǎn)品快速增長(zhǎng)下， OLED 產(chǎn)值將增至 12 億美元， 較 2006 年增長(zhǎng)一倍。特別是在 AMOLED 技術(shù)方面，三星 SDI 、三星電子、精工 - 愛(ài)普生、日立 (Hitachi Display) ，以及臺(tái)灣的錸寶、友達(dá)、統(tǒng)寶、奇美電子等公司量產(chǎn)技術(shù)日漸成熟，預(yù)期 2007 年將會(huì)是 AMOLED 市場(chǎng)快速成長(zhǎng)的一年。