OLED發(fā)光原理、結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)深度圖文解析

深度解析OLED結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理關(guān)鍵技術(shù)。OLED的原文是Organic Light Emitting Diode，中文意思就是“有機發(fā)光顯示技術(shù)”。其原理是在兩電極之間夾上有機發(fā)光層，當正負極電子在此有機材料中相遇時就會發(fā)光，其組件結(jié)構(gòu)比目前流行的TFT LCD簡單，生產(chǎn)成本只有TFT LCD的三到四成左右。除了生產(chǎn)成本便宜之外，OLED還有許多優(yōu)勢，比如自身發(fā)光的特性，目前LCD都需要背光模塊(在液晶后面加燈管)，但OLED通電之后就會自己發(fā)光，可以省掉燈管的重量體積及耗電量(燈管耗電量幾乎占整個液晶屏幕的一半)，不僅讓產(chǎn)品厚度只剩兩厘米左右，操作電壓更低到2至10伏特，加上OLED的反應(yīng)時間(小于10ms)及色彩都比TFT LCD出色，更有可彎曲的特性，讓它的應(yīng)用范圍極廣。

OLED結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理

OLED的基本結(jié)構(gòu)是在銦錫氧化物(ITO)玻璃上制作一層幾十納米厚的有機發(fā)光材料作發(fā)光層，發(fā)光層上方有一層低功函數(shù)的金屬電極，構(gòu)成如三明治的結(jié)構(gòu)。

OLED的基本結(jié)構(gòu)主要包括：

基板(透明塑料、玻璃、金屬箔)——基層用來支撐整個OLED。

陽極(透明)——陽極在電流流過設(shè)備時消除電子(增加電子“空穴”)。

空穴傳輸層——該層由有機材料分子構(gòu)成，這些分子傳輸由陽極而來的“空穴”。

發(fā)光層——該層由有機材料分子(不同于導(dǎo)電層)構(gòu)成，發(fā)光過程在這一層進行。

電子傳輸層——該層由有機材料分子構(gòu)成，這些分子傳輸由陰極而來的“電子”。

陰極(可以是透明的，也可以不透明，視OLED類型而定)——當設(shè)備內(nèi)有電流流通時，陰極會將電子注入電路。

OLED是雙注入型發(fā)光器件，在外界電壓的驅(qū)動下，由電極注入的電子和空穴在發(fā)光層中復(fù)合形成處于束縛能級的電子空穴對即激子，激子輻射退激發(fā)發(fā)出光子，產(chǎn)生可見光。為增強電子和空穴的注入和傳輸能力，通常在ITO與發(fā)光層之間增加一層空穴傳輸層，在發(fā)光層與金屬電極之間增加一層電子傳輸層，從而提高發(fā)光性能。其中，空穴由陽極注入，電子由陰極注入?？昭ㄔ谟袡C材料的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)上跳躍傳輸，電子在有機材料的最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)上跳躍傳輸。

OLED的發(fā)光過程通常有以下5個基本階段：

載流子注入：在外加電場作用下，電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機功能層注入。

載流子傳輸：注入的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移。

載流子復(fù)合：電子和空穴注入到發(fā)光層后，由于庫倫力的作用束縛在一起形成電子空穴對，即激子。

激子遷移：由于電子和空穴傳輸?shù)牟黄胶猓ぷ拥闹饕纬蓞^(qū)域通常不會覆蓋整個發(fā)光層，因而會由于濃度梯度產(chǎn)生擴散遷移。

激子輻射退激發(fā)出光子：激子輻射躍遷，發(fā)出光子，釋放能量。

OLED發(fā)光的顏色取決于發(fā)光層有機分子的類型，在同一片OLED上放置幾種有機薄膜，就構(gòu)成彩色顯示器。光的亮度或強度取決于發(fā)光材料的性能以及施加電流的大小，對同一OLED，電流越大，光的亮度就越高。

OLED的制造原理

OLED組件系由n型有機材料、p型有機材料、陰極金屬及陽極金屬所構(gòu)成。電子(空穴)由陰極(陽極)注入，經(jīng)過n型(p型)有機材料傳導(dǎo)至發(fā)光層(一般為n型材料)，經(jīng)由再結(jié)合而放光。一般而言，OLED元件制作的玻璃基板上先濺鍍ITO作為陽極，再以真空熱蒸鍍之方式，依序鍍上p型和n型有機材料，及低功函數(shù)之金屬陰極。由于有機材料易與水氣或氧氣作用，產(chǎn)生暗點(Dark spot)而使元件不發(fā)亮。因此此元件于真空鍍膜完畢后，必須于無水氣及氧氣之環(huán)境下進行封裝工藝。

在陰極金屬與陽極ITO之間，目前廣為應(yīng)用的元件結(jié)構(gòu)一般而言可分為5層。如圖所示，從靠近ITO側(cè)依序為：空穴注入層、空穴傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層、電子注入層。

而至于電子傳輸層，系為n型之有機材料，其特性為具有較高之電子遷移率，當電子由電子傳輸層至空穴電子傳輸層介面時，由于電子傳輸層之最低非占據(jù)分子軌域較空穴傳輸層之LUMO高出甚多，電子不易跨越此一能障進入空穴傳輸層，遂被阻擋于此介面。此時空穴由空穴傳輸層傳至介面附近與電子再結(jié)合而產(chǎn)生激子(Exciton)，而Exciton會以放光及非放光之形式進行能量釋放。以一般螢光材料系統(tǒng)而言，由選擇率之計算僅得25%之電子空穴對系以放光之形式做再結(jié)合，其余75%之能量則以放熱之形式散逸。近年來，正積極被開發(fā)磷光材料成為新一代的OLED材料，此類材料可打破選擇率之限制，以提高內(nèi)部量子效率至接近100%。

在兩層元件中，n型有機材料-即電子傳輸層-亦同時被當作發(fā)光層，其發(fā)光波長系由HOMO及LUMO之能量差所決定。然而，好的電子傳輸層-即電子遷移率高之材料-并不一定為放光效率佳之材料，因此目前一般之做法，系將高螢光度的有機色料，摻雜(Doped)于電子傳輸層中靠近空穴傳輸層之部分，又稱為發(fā)光層，其體積比約為1%至3%。摻雜技術(shù)開發(fā)系用于增強原材料之螢光量子吸收率的重點技術(shù)，一般所選擇的材料為螢光量子吸收率高的染料。

陰極之金屬材料，傳統(tǒng)上系使用低功函數(shù)之金屬材料(或合金)，如鎂合金，以利電子由陰極注入至電子傳輸層，此外一種普遍之做法，系導(dǎo)入一層電子注入層，其構(gòu)成為一極薄之低功函數(shù)金屬鹵化物或氧化物，如LiF或Li2O，此可大幅降低陰極與電子傳輸層之能障，降低驅(qū)動電壓。

由于空穴傳輸層材料之HOMO值與ITO仍有差距，此外ITO陽極在長時間操作后，有可能釋放出氧氣，并破壞有機層產(chǎn)生暗點。故在ITO及空穴傳輸層之間，插入一空穴注入層，其HOMO值恰介于ITO及空穴傳輸層之間，有利于空穴注入OLED元件，且其薄膜之特性可阻隔ITO中之氧氣進入OLED元件，以延長元件壽命。

OLED的制備工藝

OLED因其構(gòu)造簡單，所以生產(chǎn)流程不像LCD制造程序那樣繁復(fù)。但由于現(xiàn)今OLED制程設(shè)備還在不斷改良階段，并沒有統(tǒng)一標準的量產(chǎn)技術(shù)，而主動與被動驅(qū)動以及全彩化方法的不同都會影響OLED的制程和機組的設(shè)計。但是，整個生產(chǎn)過程需要潔凈的環(huán)境和配套的工藝和設(shè)備。改善器件的性能不僅要從構(gòu)成器件的基礎(chǔ)，即材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)入手，提高材料性能和豐富材料的種類;還要深入了解器件的物理過程和內(nèi)部的物理機制，有針對性地改進器件的結(jié)構(gòu)以提高器件的性能。兩者相輔相成，不斷推進OLED技術(shù)的發(fā)展。

ITO基板預(yù)處理工藝

首先需要準備導(dǎo)電性能好和透射率高的導(dǎo)電玻璃，通常使用ITO玻璃。高性能的ITO玻璃加工工藝比較復(fù)雜，市面上可以直接買到。ITO作為電極，需要特定的形狀、尺寸和圖案來滿足器件設(shè)計的要求，可委托廠家按要求進行切割和通過光刻形成圖案，也可在實驗室自己進行ITO玻璃的刻蝕，得到所需的基片和電極圖形。基片表面的平整度、清潔度都會影響有機薄膜材料的生長情況和OLED性能，必須對ITO表面進行嚴格清洗。

常用的ITO薄膜表面預(yù)處理方法為：化學(xué)方法(酸堿處理)和物理方法(O2等離子體處理、惰性氣體濺射)。

酸堿處理

固體表面的結(jié)構(gòu)和組成都與內(nèi)部不同，處于表面的原子或離子表現(xiàn)為配位上的不飽和性，這是由于形成固體表面時被切斷的化學(xué)鍵造成的。

正是由于這一原因，固體表面極易吸附外來原子，使表面產(chǎn)生污染。因環(huán)境空氣中存在大量水份，所以水是固體表面最常見的污染物。

由于金屬氧化物表面被切斷的化學(xué)鍵為離子鍵或強極性鍵，易與極性很強的水分子結(jié)合，因此，絕大多數(shù)金屬氧化物的清潔表面，都是被水吸附污染了的。

在多數(shù)情況下，水在金屬氧化物表面最終解離吸附生成OH-及H+，其吸附中心分別為表面金屬離子以及氧離子。

根據(jù)酸堿理論，M+是酸中心，O-是堿中心，此時水解離吸附是在一對酸堿中心進行的。

在對ITO表面的水進行解離之后，再使用酸堿處理ITO金屬氧化物表面時，酸中的H+、堿中的OH-分別被堿中心和酸中心吸附，形成一層偶極層，因而改變了ITO表面的功函數(shù)。

等離子體處理

等離子體的作用通常是改變表面粗糙度和提高功函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，等離子作用對表面粗糙度的影響不大，只能使ITO的均方根粗糙度從1.8nm降到1.6nm，但對功函數(shù)的影響卻較大。用等離子體處理提高功函數(shù)的方法也不盡相同。

氧等離子處理是通過補充ITO表面的氧空位來提高表面氧含量的。

操作方法為：將ITO基片依次在清洗液、去離子水、乙醇和丙酮的混合液、去離子水超聲清洗以除去基片表面物理吸附和化學(xué)吸附的污染物，然后將清洗干凈的基片放到潔凈工作臺內(nèi)，烘烤或者用高速噴出的氮氣吹干ITO表面，最后對ITO表面進行氧等離子體轟擊或者紫外臭氧處理。ITO玻璃的預(yù)處理有利于除去ITO表面可能的污染物，提高ITO表面的功函數(shù)，減小ITO電極到有機功能材料的空穴注入勢壘。

成膜技術(shù)

制備OLED材料包括有機小分子、高分子聚合物、金屬及合金等。大部分有機小分子薄膜通過真空熱蒸鍍來制備，可溶性有機小分子和聚合物薄膜可通過更為簡單、快速和低成本的溶液法制備，先后開發(fā)出了旋涂法、噴涂法、絲網(wǎng)印刷、激光轉(zhuǎn)印等技術(shù)。金屬及合金薄膜通常采用真空熱蒸鍍來制備，為了實現(xiàn)全溶液法制備OLED，也開發(fā)了基于液態(tài)金屬如導(dǎo)電銀漿刷涂的溶液制備方法。