OLED顯示產(chǎn)業(yè)化亟需解決的幾個問題

 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息顯示技術(shù)也在不斷地更新?lián)Q代。從傳統(tǒng)的陰極射線管(CRT)發(fā)展到了先進的液晶屏(LCD)。現(xiàn)正在向第3代顯示技術(shù)過渡。作為第3代顯示技術(shù)候選的有等離子體放電顯示屏(PDP)、有機電致發(fā)光屏(OLED)、發(fā)光二極管(LED)、電場激發(fā)發(fā)光(FED)等?，F(xiàn)在在研究開發(fā)方面競爭得最激烈的是PDP、OLED、LCD。它們各有所長，但追求的最終目標都是一樣的，即要求達到質(zhì)輕、體薄、高亮度、快速響應(yīng)、高清析度、低電壓、高效率、長壽命、低成本。本文就當前公認為最理想的顯示技術(shù)，即OLED做簡單介紹。

OLED的基本原理及器件結(jié)構(gòu)

當在由某些特殊的強螢光性有機物質(zhì)構(gòu)成的薄膜兩表面上鍍上適當?shù)?strong>電極并加上電壓時，該薄膜就會發(fā)出光來。此過程被稱為有機電致發(fā)光(Organic Electroluminescence，簡稱EL)，由于其發(fā)光原理又十分接近無機發(fā)光二極管，所以又稱為OLED(Organic Light Emitting Diode)，是一個電變光的過程。

早在上一世紀三十年代科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象。但由于后來在材料和器件技術(shù)方面的進步較慢，沒有受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界太大的重視。OLED器件包括基板、透明電極(陽極)、有機層、金屬電極(陰極)4大部分。其中有機層根據(jù)不同情況下的需要，可以是單層，也可以是多層，但總層數(shù)一般不會超過5層，總厚度也不會超過幾百納米，一般是2-3層，100納米左右。

OLED發(fā)光大致包括以下5個基本物理過程：1.正負電荷分別從陽極和陰極注入有機層。2.在電場的作用下正負電荷在有機層內(nèi)分別朝著對方電極方向移動。3.正負電荷在有機層內(nèi)特定位置再結(jié)合并釋放出能量。4.特定的有機分子獲得該能量后自己受激發(fā)或?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)移給其它分子，使其受激發(fā)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。5.處于激發(fā)態(tài)的分子回到基態(tài)，釋放出光能。從此可以看出，在OLED器件的簡單的結(jié)構(gòu)里發(fā)生著極其復(fù)雜的光電子物理過程。

通過改變所使用的薄膜有機材料的種類，可以調(diào)控器件發(fā)出的光的顏色。通過控制從兩端電極注入的電流的大小可以調(diào)節(jié)發(fā)光的強弱。從以上的器件結(jié)構(gòu)和發(fā)光所包括的基本物理過程還可以看出，為了保證高效率地實現(xiàn)這些基本過程，材料結(jié)構(gòu)、純度、聚集態(tài)及界面狀態(tài)的嚴格控制是至關(guān)重要的。這也是為什么OLED器件的結(jié)構(gòu)雖然簡單，材料也不特殊，但要實現(xiàn)高性能的發(fā)光卻并不那么容易的原因之所在。

近年來關(guān)于有機材料的電致發(fā)光方面的研究和產(chǎn)品開發(fā)非常熱門，是國際上競爭得最激烈的前沿科學(xué)領(lǐng)域之一。

OLED特點

現(xiàn)在，巳經(jīng)實際應(yīng)用的電子顯示技術(shù)主要有以下幾種：即陰極射線管(CRT)、液晶顯示屏(LCD)、發(fā)光二極管(LED)、無機電致發(fā)光器件(無機EL)、等離子體放電顯示屏(PDP)、真空螢光管(VFD)、電場激發(fā)發(fā)光(FED);各種顯示方式的性能比較如表1所示。OLED的主要特點有：

1.與CRT相比較，OLED具有驅(qū)動電壓低、體積小、重量輕;特別是其厚度薄于其它任何一種顯示器件，可以薄如一張紙貼在壁上使用。是實現(xiàn)壁掛式、可卷可折式電視的最理想的技術(shù)。

2.液晶顯示屏驅(qū)動電壓低、品種多、而且它巳具有大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，特別是日趨成熟的TFT技術(shù)等優(yōu)勢和已形成的市場優(yōu)勢。但是其顯示方式是一種被動式的，必需要有光源。此外、LCD仍然存在響應(yīng)速度慢(出現(xiàn)殘像)，難以實現(xiàn)高亮度等難題。OLED恰好可以克服這些缺點。其響應(yīng)速度是液晶的1000倍以上，其亮度也遠遠優(yōu)于液晶。

3.OLED器件不像LED，要在基板上長單晶，所以LED難以實現(xiàn)大面積化。而OLED電極間的有機層是非晶薄膜，很容易實現(xiàn)大面積，超薄型顯示。其發(fā)光的最小單元可以小至數(shù)十納米。此外，OLED的色彩也更為豐富。

4.無機電致發(fā)光存在一些難以克服的困難和缺點，比如種類少、顏色可調(diào)性小、發(fā)光強度有限、驅(qū)動電壓高等，這些都可以用OLED來克服。

5.與PDP相比、OLED有驅(qū)動電壓低、發(fā)光效率高、薄、色彩清晰、制作工藝簡單、成本低等優(yōu)點。

此外、有機化合物種類繁多，結(jié)構(gòu)多種多樣?？梢酝ㄟ^有機合成手段設(shè)計和合成出滿足各種色彩和工藝要求的材料。

從器件結(jié)構(gòu)、制作工藝、材料開發(fā)等多方面來考慮，與現(xiàn)在實際應(yīng)用及正在開發(fā)的各種顯示器件相比可以說OLED是最理想的一種顯示技術(shù)。但也不能忘記現(xiàn)階段OLED在使用壽命方面有待改善，生產(chǎn)技術(shù)也還遠遠沒有成熟。

OLED技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

陰極顯像管被稱為第一代顯示技術(shù)，液晶屏被稱為第二代顯示技術(shù)，而OLED則是第三代顯示技術(shù)的重要候選者之一。

OLED技術(shù)的最典型的應(yīng)用就是作為顯示器。就其顯示功能來講，它完全可以代替CRT、LCD、LED的作用，實現(xiàn)顯示器件的輕量化、薄型化、高亮度、快速響應(yīng)(與液晶相比)、高清析度、低電壓化、高效率化和低成本化。可以大幅度地節(jié)省空間，極方便攜帶。如應(yīng)用于航空、航天器的顯示器，軍事移動器的夜間及野外顯示器，就更能顯示其顯示功能的優(yōu)越性。比如在航空航天器上，體積小，重量輕是任何零部件永遠的追求，顯示器也不例外。在夜間或野外使用時，由于OLED是自己主動發(fā)光，可以大大提高對比度，獲得更好的顯示質(zhì)量，這是液晶屏很難解決的難題。此外，OLED顯示屏還可以做成柔性的，可以很容易地設(shè)計成曲面，甚至可卷曲，折疊，這些都是其他顯示技術(shù)很難實現(xiàn)的功能。也正因為OLED有以上功能，可完全取代CRT、LCD、LED的顯示作用，所以它面向的市場是直接的和非常巨大的。這也是目前國外眾多的研究部門以及各大企業(yè)投入巨大資金和人力進行OLED技術(shù)研發(fā)的最重要原因。

除作為顯示器使用以外，OLED也可以作為光源使用，特別是可以用它制造出大面積，高亮度的平面或曲面光源，高色純度的單色光源。將來甚至可以用它制造出大平面激光光源，高效率偏振光光源。通過改變發(fā)光材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)或器件結(jié)構(gòu)，發(fā)射波長可以在紫外區(qū)到紅外區(qū)的很寬的波長范圍內(nèi)調(diào)控。

相信隨著OLED材料及器件技術(shù)的日趨成熟，今后還將開發(fā)出許多我們現(xiàn)在想象不到的新用途。

OLED技術(shù)現(xiàn)狀

關(guān)于OLED器件的研究起源于上一世紀的60年代，但大規(guī)模的開發(fā)研究起源于1986年美國的Easten　Kodak(EK)的基本專利發(fā)表之后。現(xiàn)在世界上關(guān)于OLED器件的開發(fā)主要分布在日本、美國和歐州。歐美主要以高分子材料為主，可望有比較長的壽命。日本則以低分子材料為主，已獲得很好的發(fā)光亮度，發(fā)光效率壽命。就目前的情況來看，在實際應(yīng)用技術(shù)開發(fā)方面，日本遙遙領(lǐng)先，己經(jīng)進入商業(yè)應(yīng)用階段。歐州居第二位，但在應(yīng)用技術(shù)方面與日本的距離越來越近。美國主要擁有基本專利。

現(xiàn)在有關(guān)OLED技術(shù)，主要有三大基本專利，它們是：

1. 基于柯達的主要以小分子為對象的器件基本結(jié)構(gòu)專利。

2. 針對高分子材料的材料專利。

3. 實現(xiàn)高效率發(fā)光的三線態(tài)發(fā)光材料專利。

其中第1項和第3項由美國企業(yè)控制。第2項由英國控制。而與OLED應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)技術(shù)相關(guān)的絕大多數(shù)專利則由日本企業(yè)所控制。

現(xiàn)在世界上進行OLED相關(guān)技術(shù)開發(fā)的主要企業(yè)有：在日本有SONY、東芝、SHARP、松下、三洋電機、NEC、三菱化學(xué)、三菱電機、卡西歐、出光、凸版印刷、先峰音響、出光興產(chǎn)、住友化學(xué)、TDK等。在美國有柯達、Dupont、UDC(Universal Display Corporation)、Dow Chemical Company等。歐洲有Cambridge Display Technology(CDT)、Phillips、Covion等。日本以外的亞洲地區(qū)有以RitDisplay為首的臺灣省的近10家企業(yè)，韓國的三星顯示器等。技術(shù)上最領(lǐng)先的為先峰音響、出光興產(chǎn)(材料)、三洋電機、TDK等。特別是先峰音響公司己經(jīng)開發(fā)出三代產(chǎn)品推向市場。

現(xiàn)在國際上小分子OLED器件的最高壽命可以達到：紅色和綠色超過萬4小時，藍色達到1萬小時，白光達到2萬小時。最高發(fā)光效率可以達60lm/W。最低電壓可以實現(xiàn)只需加上3-4V電壓就能接近一般電視的亮度。最大面積400×400 mm2。

我國在OLED方面以大學(xué)為中心也開展了一些研究。也有一些企業(yè)已經(jīng)投資或?qū)⒁顿YOLED技術(shù)。但從總體技術(shù)水平來看至少要比國際先進水平落后5-8年。特別是在要實現(xiàn)商業(yè)化所必須的關(guān)鍵技術(shù)和重要技術(shù)方面幾乎是空白，發(fā)展趨勢與當年的液晶產(chǎn)業(yè)極為相似。要想將OLED產(chǎn)業(yè)真正培養(yǎng)成為我國的民族產(chǎn)業(yè)，道路還十分艱難。

與OLED產(chǎn)業(yè)化相關(guān)的現(xiàn)存問題

雖然OLED技術(shù)可稱之為最理想的顯示技術(shù)。但對它的研究開發(fā)歷史并不長，要想真正實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化，必須克服以下一些具體的難題;即因大面積化帶來的問題，從單色顯示到多色顯示帶來的問題，封裝技術(shù)與使用壽命的問題，陰極電極微細化的問題，驅(qū)動技術(shù)問題等。

從實驗室到工業(yè)化，器件的大面積化將帶來工藝、設(shè)備技術(shù)和驅(qū)動技術(shù)等方面的問題。比如大面積基板的鍍膜均勻性問題。有機膜的不均勻性將導(dǎo)致發(fā)光亮度和色彩的不均勻性，影響顯示效果。顯示面積增大，意味著器件必須有很高的瞬間亮度和高的發(fā)光效率，并在高亮度下有良好的穩(wěn)定性。也就是說，在100cd/m2得到的所謂壽命數(shù)據(jù)并不能確保實際應(yīng)用的壽命。透明電極ITO的面阻抗問題也將顯得越來越突出。透明度高，阻抗小的ITO基板的開發(fā)將是有機電致發(fā)光技術(shù)工業(yè)化過程中的一個重大課題。

從單色顯示到多色顯示和彩色過渡時，將三種不同的發(fā)光材料分別鍍在同一象素的非常臨近的三個小區(qū)域上將是又一大難題。而且，對于用高分子發(fā)光材料的器件來說問題更為突出。另外，長期使用過程中的三基色的相對穩(wěn)定性問題也會顯現(xiàn)出來。這些問題必須通過材料、制造工藝和驅(qū)動電路技術(shù)來綜合解決。

要實現(xiàn)商業(yè)化，使用壽命問題必須解決，從材料和器件結(jié)構(gòu)著手是途徑之一。但是封裝技術(shù)也不能忽視，甚至更為重要。

驅(qū)動技術(shù)在實驗室研究階段或器件面積不大時不顯得重要。因為不采用復(fù)雜的驅(qū)動電路也能實現(xiàn)良好的顯示效果。但一旦考慮到產(chǎn)業(yè)化和大面積化。此問題就會變得非常突出。這是因為有機電致發(fā)光是一個電流支配過程，不同于在諸如液晶顯示類的電壓支配過程。而至今為止，還沒有一套成熟地高度集成地大電流驅(qū)動IC。

陰極電極(多為活性大的金屬)微細化問題也是在有機電致發(fā)光技術(shù)工業(yè)化過程中要遇到且必須解決地一個重要難題。其難就難在由于一旦鍍上有機膜后，器件就絕對不能與有機溶劑及活性氣體接觸，也就是說不能采用二次加工的方式來形成微細陰極電極。

在有機電致發(fā)光技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化過程中，雖然會遇到以上諸多難題，但由于OLED是一個劃時代的高新技術(shù)。在所有的顯示技術(shù)中，只有它才能真正地把顯示屏帶到野外，帶進嚴寒地區(qū)，帶到宇宙，真正地實現(xiàn)顯示屏亮、輕、薄、快、低功耗、全方位等理想特性。相信隨著研究開發(fā)的深入和完善，以上問題是可以得到解決的。

OLED技術(shù)將來發(fā)展趨勢

為薄膜電視的上市可能需3-8年時間(小型的需3年、大型的需5-10年)。從這一點來看，它不如LCD現(xiàn)實，但不管現(xiàn)實是怎樣的，從其基本結(jié)構(gòu)和顯示效果來判斷，它是最理想的顯示技術(shù)，有非常光明的前途。人們上街去買電視機時，不說買一臺，而是說買一張或買一塊的時代將不會很遙遠。