OLED(有机电激发光体)

一、绪论

OLED 的发现是在1979年的一天晚上，由Kodak 柯达公司Rochester 实验室的邓青云博士（Dr. ChingWTang），在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室，回到实验室后，他竟发现在黑暗中的一块做实验用的有机蓄电池在闪闪发光！为OLED的诞生拉开序幕。1987 年，柯达公司成功地使用类似半导体PN结的双层有机结构第一次作出了低电压、高效率的光发射器。1990年，英国康桥的实验室也成功研制出高分子有机发光原件，然后成立了CDT 显示技术公司。这两家公司研发出OLED 的材料后，为生产OLED 显示器奠定了重要的基础。

二、什么是OLED（有机电激发光体）？

OLED 全名叫做有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）是属于电激发光组件（Electroluminescence，EL）领域，为自发光性质显示技术之一环，运作原理为透过电气方式，将载子注入具发光特性之半导体组件，使其激发而产生发光的显示器，它是电转换成光的光电转换组件。而EL 可依采用之半导体组件性质为无机或有机材料，而简单区分为无机EL（Inorganic EL）与有机EL（Organic EL, OEL），其中，有机EL 又可称为OLED（Organic Light EmittingDiode，有机发光二极管）。

三、制作OLED 的材料

一般而言，有机电激发光显示器依发光材料种类分为小分子系发光材料（Organic Light Emitting Diode，OLED）和高分子系发光材料（Ploymer Light Emitting Diode，PLED），而这两种系列材料只是材料特性和成膜方法不同，本质上却无异，两者比较如表一。目前世界上针对OLED 研究以及集中到其使用的有机发色薄膜材料选择上，大体上来说可分为两个阵营，一是以美国Kodak 公司为首选择了染料或颜料为主的小分子材料作为OLED 的发色材，另一则是以共轭高分子为主的英国Cambridge Display Technology 公司。Kodak 为首的小分子OLED 制造技术，主要是藉由真空热蒸镀的方式，再搭配金属屏蔽技术将材料涂布于画素之中，主要诉求中小型尺寸显示器之应用；而高分子材料则是使用离心力均匀涂布或喷墨印刷(Ink Jet Printing)技术将其分散于画素之中，以大尺寸显示器之应用为目标。

表1 小分子与高分子材料比较表

有机材料 小分子（OLED） 高分子（PLED） 分子数量约数万至数百万个，分子数量约数百万个，其染料以共轭性高分子为材料的高分及颜料为小分子组件。 子组件。 采真空蒸镀技术，真空蒸镀及采Ink-Jet(喷墨)印刷，涂布有机制程设备、技术 封装为关键技术。 材料物质。 应用范畴 高单价小尺寸面板。 低单价的大尺寸面板。 易彩色化、简单驱动电路即可不需薄膜制程、真空装置，组发光，制程简单、可制成可挠件构成只有二层，投资成本低，式面板、符合OA 轻薄短小原色彩表现不如OLED 佳，需对则。 色彩偏差做补偿。 1、容易彩色化。 优点 2、蒸镀制程自动化技术较 成熟。 3、材料的合成及纯化度、 精制容易。 1、制程设备(采溶液旋转涂布)成本较低。 2、可利于喷墨技术，易大尺寸化。 3、组件特性简单，并可容忍较高的电流密度与温度环境(耐热性)。 特色 1、使用真空设备，成本偏高。 2、对水份、氧的耐受性不佳。 1、喷墨技术之墨滴均一化及3、大尺寸基本均一化技术未成RGB三画素定位精度不易控熟，发展大型面板受限。 制，影响全彩化产品进程。 4、热稳定性较高分子为差，须2、制程设备尚在实验阶段。 要较高驱动电压。 缺点

四、OLED 的原理与结构

OLED 的发光原理与传统的发光二极管LED 很像，LED 是利用三、五族材料(如Ga、In、P 等)的电子及电洞结合过程之能阶转换产生光子（photon）发光，使不同材料会释放不同的能阶而产生不同颜色的光。而OLED 发光的原理为在施加偏压作用下，载体的电子和电动分别地由阴极和阳极注入且在电场的作用下相反方向的移动，当电子和电洞进行再结合时将产生发光现象。OLED 发光的色彩取决于组件内具有荧光特性的有机材料，若添加少量的客发光体（Guest Emitter）于多量的主发光体（Host Emitter）中将可提升其发光效率，并使发光的色彩涵盖整个可见光区域。OLED材料改用有机物质，其优点是被有机材料吸收的光子，其频率大部分落在可见光频谱外，故OLED 显示器在动作时可以产生高效率的光。

OLED 的基本结构(如图1) 正极为一层薄而透明具导电性质的铟锡氧化物（ITO），阴极为金属组合物，将有机材料层如同三明治般包夹其中，有机材料层包括电洞传输层（HTL）、发光层（EL）、与电子传输层（ETL）。当通入适当的电流，注入正极的电洞与阴极来的电荷在发光层结合时，释放的能量激发有机材料产生光线，而不同的有机材料会发出不同颜色的光。

图1 OLED 的基本结构图

五、OLED 的驱动方式

有机发光显示器依驱动方式可分为被动式(Passive Matrix, PMOLED)与主动式(ActiveMatrix,AMOLED)两种方式。

被动矩阵OLED（简称PM-OLED）中，ITO 和金属电极都是平行的电极条，二者相互正交，在交叉处形成LED。LED 逐行点亮形成一帧可视图象。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。这就需要很高的电流和电压，从而引起功耗增加，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。被动矩阵的特色、优点、缺点为；1 特色：循序扫瞄驱动，瞬间注入较大电流，显示能力以单色、多彩为主。2、优点：构造简单、材料生产成本低、易清洗、易变更设计。3、缺点：耗电力高、寿命短、显示组件易劣化、不适合大尺寸发展。

主动矩阵OLED（AM-OLED）采用的是薄膜晶体管数组（TFT）。利用类似于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。驱动电路完成两个功能，一是提供受控电流以驱动OLED，其次，在寻址期之后继续提供电流以保证各象素连续发光。和PM-OLED 不同的是，AM-OLED 的各个象素是同时发光的。这样单个象素的发光亮度的要求就降低了，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，适合于大面积显示。主动矩阵的特色、优点、缺点为；1、特色：面板每一画素皆可独

立运作并连续驱动，可搭配TFT 驱动电路，可连续发光，全彩显示。2、优点：驱动电压、耗电力皆低、适合大尺寸发展、发光寿命长及亮度提高容易。3、缺点：需配合LTPS 或a-Si TFT LCD 驱动技术，技术障碍较高；材料及生产成本高。被动式与主动式矩阵驱动显示器特性之比较如 表二所示：

表2 被动式与主动式矩阵驱动OLED 特性之比较

被动式 瞬间高亮度发光(动态驱动/有选择性) 面板外附加IC芯片 线逐步式扫描 阶调控制容易 低成本/高电压驱动 主动式 连续发光(稳态驱动) TFT 驱动电路设计/内藏薄膜型驱动IC 线逐步式抹写数据 在TFT 基板上形成有机EL 画像素 低电压驱动/低耗电能/高成本 设计变更容易、交货期短(制程简单)简单发光组件寿命长(制程复杂) LTPS TFT+OLED 式矩阵驱动+OLED

六、OLED 的特色

显示器的发展从早期主要以阴极射线管（CRT）为显示单元。随着科技不断进步，促成各种新技术的不断成熟，新型的显示技术如雨后春笋般诞生。目前巳

经实际应用的电子显示技术主要有以下几种：即阴极射线管（CRT）、液晶显示屏（TFT-LCD）、有机发光显示器（OLED）、等离子体放电显示屏（PDP）、电场激发发光(FED)；各种显示方式的性能比较如表三。OLED 的主要特色有：1、自发光，不需背光源（Backlight）模块及彩色滤光片（Color Filter）；2、重量轻，厚度薄（1 ~ 2mm）；3、构造简单，耐用性高，低成本；4、低驱动电压（3 ~ 9V）并省电；5、广视角（160 度以上），无视角限制；6、高亮度（100 cd/m2）；7、辉度佳（16 lm/W）；8、对比高（100:1）；9、暗视与亮视画质皆优良；10、反应速度快（10μs）；11、可全彩化；12、可大尺寸化；13、可桡性(采用塑料底材)； 14、使用温度范围广: -30℃ ~ 80℃。

表3 各种显示方式的性能比较

种类 薄型化 大型化 视野角 响应速度 亮度 高分辨率 低耗电 CRT ╳ △ ○ ○ ◎ ○ △ PDP △ ◎ ○ ○ ○ △ △ TFT-LCD ○ △ △~○ △ ○ ◎ ○ OLED ◎ △ ◎ ◎ △ ○~◎ △ FED △ △ ○ △ ○ △ ╳ 寿命 低成本 对比 色阶调性 ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ╳ ○ ○~◎ ○ ○ △~○ △~○ △ ○ △ △ △ △ △ △ 优点 成熟技术，多项选择性最发射光的，明 发射光的，大 色彩鲜明，寿 发射光技术，小画素尺寸：亮，轻薄，可 视野角，温度 命长，低成本 之15μm 简单构 桡曲式基版，区间大，影像 生产，对比及 造，大型化， （反射式）、影像清晰，最清晰最小画 色阶调优 50μm（穿透小画像素尺像素尺寸 影像清晰 ~10μm 式），可桡曲寸~μm 式基版 复杂驱动程 序，重量，耗 非发射的，大寿命与色彩瓶颈 不易薄型占 高电压，真空 能，价格高 投资金额，大有关，额外的空间，耗能且 ，寿命，低良 ，对比及最小 面积，低良封包制程，电有辐射线 率，色彩范围 画像素尺寸 率，温度区间 流驱动 300μm 计算机监器、桌上监视器、手机、汽车用 电视机、计算数字电视、集 汽车、航空器 全彩汽车导面版、微型显 机 会用信息系 用途、耐用型 航系统、笔记示器、全彩视监视器 统 显示器 型计算机、讯、背光版 PDA 应用 ◎：优、○：佳、△：可、╳：差

七、OLED 与LCD 的比较

液晶显示器（LCD）目前可说已经取代了阴极射线管（CRT）成为显示器中的主流产品，所以新产品必须有取代LCD 的能力，才能成为下一世代的主流。所以我们针对OLED 和LCD 两种产品来做比较如图二，看看OLED 是否有撼动LCD 的条件，与液晶相比，OLED 具有以下突出优势：

1、OLED 器件的核心层厚度很薄，厚度可以小于1 毫米，厚度为液晶的1/3； 2、OLED 器件为全固态机构，无真空、液体物质，抗震性好，可以适应巨大的加速度、振动等恶劣环境；

3、OLED 主要是自体发光的让其几乎没有视角问题与LCD 相比，即使在大 的角度观看，显示画面依然清晰可见；

4、OLED 的原件主要是依靠电压来调整，响应速度是液晶组件的1000 倍，比较

适合当作高画质电视使用；

5、低温特性好，在零下40 度能正常显示，而液晶在低温下显示效果不好； 6、对材料和制程设备的要求比LCD 减少约1/3，成本将会更低； 7、发光转化效率高，能耗比液晶略低一些；

8、OLED 能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔软显示器； 9、自发光，不需背光源（Backlight）模块及彩色滤光片（Color Filter）。

OLED 比较LCD 在优势上占尽十足，不过其仍有几个的缺点：

1、包括使用寿命仍不及LCD，如果要应用在电视上必须要能达到10000 小时以上的寿命，而现在的OLED 技术大约刚好跨过这个门坎；

2、是OLED 的各个色彩不均的问题，原因是红绿蓝这三个画素都需要不同的驱动电压，导致色彩平衡性较差，精细度有待加强。

八、OLED 的应用领域和现况

相较于其它薄型显示器技术如LCD、PDP 相比，OLED 是个不折不扣的后来者，材料和制程技术都还不是非常成熟。但随着越来越多的厂商投入相关技术的研发，OLED技术可以说正处于蓬勃发展期，目前已经有一些产品量产问世了，最常见的就是手机市场，现在有许多手机厂商，都标榜拥有OLED 的屏幕为宣传如BenQ、LG、Motorola、G-PLUS……等，在2002 年度全球总共售出370 万台以上的被动矩阵式OLED次屏幕手机，预估2003 年度将攀升到1000 万台以上，主屏幕OLED 机种将达到300 万台。数字相机和PDA产品也已陆续出现OLED 的显示屏幕。目前OLED 显示器最大尺寸，是由奇美电子开发出全功能、全彩之20 吋全球最大OLED 显示器。OLED 的应用领域如图3。

图3 OLED 的应用领域

九、心得

近年来LCD显示器随着价格下降，民众接受度越来越高，已打破CRT 独大的局面，已跃升为显示器的主流。值得一提的是OLED 可与塑料基板相结合，利用可导电的塑料、薄膜，就能够生产可以卷起来的OLED 显示器，这些都是LCD无法超越的优点。

OLED的应用及前景

学院：物理与信息工程学院 专业：物理学 学号：130302002 姓名：汤淑珍

指导老师：杨惠山 职称：教授