OEL显示机理及技术特点

　　有机聚合物材料的电致发光，从材料及器件结构角度看尽管有众多不同之处，但其基本发光机理是相同的。OEL显示器件（OELD）的显示机理是借助电子、空穴载流子的注入与复合而发光的。其工作机理类似于半导体发光二极管（LED）和激光器。显示器件的结构可分为单层和多层两种。所采用的功能材料则分为低分子材料和高分子材料两类。OEL发光现象之研究始于20世纪30年代中期，1987年美国 Kodak公司的C.W.Tang等人以8-羟基喹啉铝（Alq）为发光材料，将载流子传输层引入OEL显示器件，并采用超薄薄膜技术及新型空穴传输介质制成了低电压、高效率的OEL显示器件，当用低逸出功碱金属作电极时，得到直流驱动电压低(<10V)、发光亮度高(>1000cd/m2)及发光效率高(1.5lm/w)的OEL显示器件后，才重新引起了人们对OEL显示的极大兴趣。1990年英国剑桥大学的J.H.Burroughes等人用共轭高分子材料制成了有机聚合物OEL显示器件，以高分子聚合物聚对笨撑亚乙烯（PPV）为发光层材料，制成了聚合物OEL显示器件，将其研究开发扩展至高分子聚合物领域。随后国际上便掀起了一股用有机电致发光器件（OELD）制作平板显示器的研制热潮。
　　有机电致发光是指在电场驱动下，有机荧光化合物被激发而导致发光之现象。图1示出一个简单的彩色OEL显示器件的结构示意图。
　　氧化铟锡（ITO）透明电极和金属电极分别用作彩色OEL显示器件的阳极和阴极。在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入至电子和空穴传输层，电子和空穴相遇后形成激子而使发光分子激发，后者经弛豫而发出可见光。辐射光可从氧化铟锡一侧观测到，金属电极膜同样亦起着反射层的作用。电子与空穴传输层及发光层皆由有机材料（包括低分子和高分子两类材料）制成。彩色OEL显示器件的技术特点如下：
* 全固态器件。在目前所有的平板显示器中，唯有ELD属于全固态器件，有着其他显示器件所无法比拟的独特优点，如重量轻、耐冲击与振动及温度适应范围宽等;
　　* 自发光、直流驱动电压低于10V。OELD的工作电压通常在十几伏，借助特殊工艺处理后制成的OELD，其工作电压更低。如对高分子聚合物聚对笨撑亚乙烯进行化学处理后，将其用作OELD的发光层，在2～3V电压驱动下，便可得到绿色和橙黄色光;
　　* 发光效率高、亮度高及功耗低。与无机发光材料相比，有机材料通常都具有高效的荧光化合物。迄今已报道发射红、绿及蓝三基色的OELD，其亮度皆高于100cd/m2。最近日本显示专家利用金属螯化物制成的OELD，在8 V电压驱动下，其亮度高达10190 cd/m2，而普通的视频电视亮度约为100 cd/m2;
　　* 发光颜色丰富并易于实现彩色显示。由于有机材料选取范围宽，故可利用不同发光材料的本征发光来获得不同的颜色。同时还可借助分子工程学设计、掺杂及辐照等处理来获得诸种发光颜色，这样某些从无机材料中较难获得的颜色（如蓝色）用有机材料便颇易得到。迄今已证实有众多有机材料皆可发出红、绿、蓝三基色光，正是由于OELD具有这一特点，使得用其制作彩色平板显示器成为其最主要的应用领域;
　　* 工艺简单、成本低廉。制作OELD可借助简便的真空蒸镀及甩膜技术来实现。前者较适合于低分子有机材料OELD的制备，真空度10-2～10-3Pa;而后者则主要用于高分子聚合物，方法是将其溶于有机溶剂内，尔后将其滴在衬底上进行甩膜处理。此外，由于OELD采用低温真空沉积工艺，故可降低成本。还由于有机分子间受到较弱的范德瓦尔斯力的作用，使有机分子晶格对外界环境并不敏感，导致对生产周围环境要求相对较低，从而简化了生产过程，使成本下降;
　　* 温度特性优异、发光性能不受温度影响;
　　* 可制成具有适度弯曲的柔性屏，实现软屏显示。
　　OELD在特性、结构及制造工艺上的优异特性，为用其制成平板显示器（FPD）奠定了坚实的基础。彩色OEL显示器件可实现软屏显示这一特性尤为引人注目。软屏意味着具有重量轻、易携带及可卷曲等特点。常规的OEL显示器件是在玻璃基板上制成的，为此必需寻找对可见光透明、柔软性佳的材料作为器件的基片。由于有机膜在基片上沉积时不存在晶格匹配之问题，因而对基片材料的选用余地颇大。各种透明性能良好的塑料膜皆可用作软屏的基片材料。1992年研制成首个有机电致发光显示器件。恒定电流驱动器及必需的扫描电路直接制于显示器的基片上，从而无需高密度互连及外部驱动器。显示器的视角大于160度，这比常规LCD要宽得多，可将其用于数据显示或将其作为便携式可卷曲监视器。目前OEL显示器件的研究重点是，研制高稳定性的彩色及白色OEL显示器件以向实用化推进，并在此基础上，提高其使用寿命及工作可靠性，进一步研制用于动态显示的矩阵显示屏和实现优质动态显示的驱动电路。

　　表1 彩色ＯＥＬ显示器技术性能之比较

彩色OEL显示技术发展状况

　　从1987年至今，彩色OEL显示技术发展迅速。随着新材料不断涌现及显示器件结构日趋完善，彩色OEL显示器件的发光效率及半衰期寿命已达到了实用的水平。蓝光、绿光、黄光及红光低分子彩色OEL显示器件的最大发光效率分别达到4.5lm/W、15lm/W、13lm/W及22lm/W。最大发光亮度亦已达到106cd/m2。
　　1999年6月美国普林思顿大学(Princeton University)和南方加州大学(The University of Southern California)合作开发出迄今发光效率最高的彩色OEL显示器件。该显示器件的发光波长为510nm，外部量子效率达8%(28cd/A)，最高发光效率达31lm/W。工作稳定性差曾一直是彩色OEL显示器件的重要问题。但近年来该问题已基本上获得了解决。目前绿光、黄光及蓝光的发光寿命已分别超过8万小时、3万小时及8千小时。日本大阪大学（Osaka University）的一名研究人员在松下电气公司的帮助下，已研制出一种有机电致发光显示器样机。该显示装置可从10μm的金刚石薄膜中释放出电子。由于这种薄膜甚至能从表面辐射出电子，故该样机能起到有机电致发光显示器电子作用的特殊部件。制造这种特殊部件所需工艺技术精度颇高，以致批量生产的成本较高。今后致力于研制新型装置可降低其生产成本。美国Kodak公司与日本TDK公司合作以其全彩色2.5英寸有源矩阵彩色OEL显示器而处于世界领先地位。拥有190000个像素的彩色OEL显示器的重量还不到同等屏幕大小LCD之一半。在OEL显示材料方面，现已研制出并投入实用的有类似于蒽的单晶材料、多晶及胺类化合物等。新型功能有机超薄薄膜的开发对未来彩色OEL显示器件是一项必不可少的研究课题。薄膜中新型功能分子的研制及其单独功能之集成，对于探求有机显示材料对彩色OEL显示器件的实际应用至关重要。在美国召开的2000年度信息显示协会（SID-2000）国际会议上展示出各种彩色OEL显示器的样机及诸种有机超薄薄膜与发光材料。
　　有机EL显示器与无机EL显示器相比，具有彩色化、易制造、可加工成不同的形状、机械性能佳及成本低廉等优点，而且有机EL显示器由于不存在无机EL显示器的蓝色发光问题，可实现全彩色显示。研制OELD彩色平板显示器的关键技术问题之一是如何实现优质的彩色像元。纵观当前国际上研制OELD彩色平板显示器之趋势，在实现彩色显示方面皆取得了颇大的进展。目前OELD实现彩色显示的方法可归纳为如下数种：
　　（1）采用红、绿和蓝三种发光颜色像素点平面分布的方式。在将OELD三基色置于同一平面内呈三点分布的彩色像元实现方案中，由每三个小OELD（红色、绿色和蓝色）构成一个彩色像元，该方案如同彩色CRT显像管一样。但由于制作像元的工序需重复3次，在制作像元的过程中，后面的工序会引起前面工序已制成的OELD性能退化，这是一个颇为棘手的问题。最近美国普林斯顿大学和南加利福尼亚大学的显示专家，借助在OELD显示器的ITO透明电极上淀积出氮化硅绝缘层，尔后再光刻出OELD窗口的办法一举解决了这一技术难题。用该法制成的彩色像元，在10～13V的电压驱动下，可发出高于视频显示所需的100cd/ m2的亮度。
　　（2）采用白光加滤色膜的方式，利用类似于LCD所用的彩色滤光片来达到全彩色效果。在白色OELD上加三基色滤色膜得到彩色像元的首要条件，是研制出具有标准白色的OELD，尔后再在其上覆盖呈三角形排列的三基色滤色膜。由于白色OELD在制作有机彩色显示器上具有至关重要的作用，故发达国家大型公司皆纷纷投入了大量的人力、物力和财力进行研制。迄今获得白色OELD的方法主要有如下三种：即本征有机发光、多层聚合物发光及混合聚合物发光。从试验的结果来看，目前由混合聚合物得到的白色OELD最为理想。
　　（3）采用蓝色光加能量转化膜的方式，即将蓝色显示作为色变换层，使其一部分转变成红色和绿色，从而形成彩色。
　　（4）采用共振微腔方式。
　　（5）采用多层发光层方式等。将三基色的OELD沿厚度方向垂直堆叠，每个OELD分别由各自的电极控制，属于一种新型实现彩色像元的方法。从理论上讲，由该像元制成的平板显示器可获得优于上述几种方法的分辨率。在有机发光显示器件中，之所以能采用该法制作像元是由于大部分有机薄膜对可见光谱皆是透明的。迄今在试验室已制成了由红和蓝两种OELD构成的彩色像元，其结构如图2所示。对其像元的测试表明，除顶层Ag外，所有各层有机物对光皆是透明的。中间电极MgAg/ITO对光的透明度为81%。这表明可继续再堆叠制作OELD，使之成为三个OELD或多个OELD。当改变VR/VB驱动电压比时，便得到了由655nm的红光和470nm的蓝光叠加后的输出光谱。
　　上述5种方式中，后两种方案制造工艺难度太大，而前三种方案皆可实现，其中第一种方案的发光效率最高，因不存在能量损耗的过程。从研究的角度来看，作为一种新型的显示技术，彩色OEL显示器件的进一步发展仍取决于人们在如下诸方面的努力：
　　* 开发出性能更佳的新型发光材料。多年来，缺少高效蓝色电致发光荧光粉一直成为发展全彩色OELD之障碍。已有的两种蓝色荧光粉（SrCa）Ga2S4:Ce或SrS:Ce都存有缺陷。最近国外研制成一种新型高效蓝色荧光粉SrS:Cu,Ag。只需改变荧光粉中的Cu和Ag的浓度比，便可得到光谱颇宽的蓝光。可以预料，一旦将SrS:Cu,A荧光粉投入生产，新一代OELD的彩色和亮度性能将大为改善;
　　* 优化显示器件的结构，寻找到新的简化制造工艺途径;
　　* 研究出相关的显示机理，建立相应的显示理论模型。

OELD应用领域及其产业化进展

　　彩色显示技术的迅速发展，使人们足不出户便能借助视频电视屏幕或计算机终端显示器将丰富多彩的图文信息尽收眼底。故信息显示技术的长足进步对现代信息社会的发展具有颇为重要的意义。当前，由于常规阴极射线管（CRT）显示器存在体积庞大、功耗高、抗振性差及发光闪烁等缺陷，正日趋受到来自平板显示器(FPD)的严峻挑战，用FPD 替代CRT 已成为未来高新显示技术发展之必然趋势。在平板显示器的市场上，尽管液晶显示器(LCD)在与等离子体显示器及薄膜电致发光显示器的竞争中已独占鳌头，但由于其自身并不发光，属于被动式显示，亮度低、视角窄、响应速度慢及工艺复杂等，故人们一直希望能找到一种更为理想的平板显示方式，彩色OELD就是在这种背景下应运而生。彩色OELD的应用领域将是颇为宽阔的，如：
　　* 作为平面显示的光源，用作液晶显示器背光源、钟表背光源等。液晶显示器是当今发展最快的现代电子基础元器件之一，故与液晶显示器相结合将会使OELD得到迅速的发展。
　　* 除用作背光源外，交通安全发光标志、金融证券显示、汽车发光牌号、建筑发光装饰、军用发光地图及发光工艺品等皆可成为OELD的用武之地。
　　* 替代液晶用于制造小屏幕的显示器件，包括BP机、移动电话上的显示器、车载显示器、头盔显示器、峰值分布分析仪（PDA）、音视频设备、游戏机及玩具等产品。
　　* 开发出屏幕较大的显示器，如室外广告牌、笔记本电脑、微机显示终端、平板型彩电及彩色显示器等。迄今，OELD的发展速度颇为惊人，无论是数十平方米的大屏幕显示，还是像素小于0.2mm高分辨率的电脑屏，都有了OELD的踪影。
　　彩色OEL显示器件的产品发展将遵循一条从小屏幕到大屏幕、从单色、多色至全彩色的途径，近期内，彩色OEL显示器件的产品将在背光源领域首先获得广泛的应用，并在发光二极管显示（LED）、真空荧光显示器件（VFD）及小屏幕LCD的应用领域内将倍受人们的关注。在宽阔的应用领域前景推动下，彩色OEL显示器件技术取得了迅猛的发展。
　　迄今世界上有70余家公司正在从事彩色OEL显示器件的研究开发工作，并有近10家厂家专门从事生产。其中包括日本先锋（Pioneer）、日本Idemitsu、松下、东芝、三洋、日本NEC、日本TDK、英国剑桥显示技术（CDT）、韩国三星、荷兰飞利浦、美国IBM及惠普(HP)等公司。彩色OEL显示器件被视为平板型显示器中研究最为热门的领域。
　　人们对彩色OEL显示器件的发展寄以厚望，认为彩色OEL显示器件的图像质量可超过薄膜晶体管(TFT)液晶屏的图像质量，而价格仅相当于超扭曲向列相(STN)液晶屏的水平。OEL显示器件的响应时间及视角特性皆优于TFT-LCD。TFT-LCD的响应时间约为数十毫秒，而彩色OEL显示器件的响应时间约1μs，更快的响应时间确保了显示动态图像的质量。此外，对于主动发光的彩色OEL显示器件而言并不存在视角的问题。
　　OELD 在日本倍受重视，单色OELD 已用于车载信息显示终端等。日本先锋公司已研制出具有640×480像素便携式电脑用的OELD 。1997年日本Idemitsu公司研制成10英寸、640×480像素的VGA全彩色OELD，该显示器的响应时间为1μs，而且无需TFT-LCD那样的驱动电路，制造成本较TFT-LCD低30%～40%。该公司的长远目标是利用彩色OEL显示器技术开发出真正的壁挂式彩电。彩色OEL显示器目前急待解决的问题之一是其使用寿命短。有机像素的预期寿命目前仅在3000～10000小时之间，低于无机像素的使用寿命。近年来，彩色OEL显示器技术有了新的发展。人们发现，在彩色OEL显示屏上施加交流脉冲电压可增长工作寿命并提高其亮度。为解决这一问题，加拿大卢森尔技术（Luxell Technologies）公司一直在研究用于彩色OEL显示器的光学干扰滤波器。该项技术采用相移来消除通常会造成显示图像消失的杂散光的影响。采用该项新技术具有如下两个主要的好处：一是能以较低的功率提供更高的对比度;二是由于此种技术属于反射性而并非吸收性，故它降低了杂散光的吸收量。此外，采用该项新技术的彩色OEL显示器无需附加的极化滤波器。采用光学干扰滤波器，一种被称为荧光（Firefly）的无源矩阵彩色OEL显示器业已问世，其亮度高达100fL，而且在照度500勒克斯时，其对比度为660:1。
　　日本先锋公司于1998年秋建成了彩色OEL显示器的生产线，月产10～15万片，2000年3月前将月产量增至30万片，投资总额为2800～3600万美元。1999年5月日本先锋公司又推出了同样适用于车载信息终端接收装置的彩色OEL显示器产品。
　　彩色OEL显示器的驱动包括简单矩阵和有源矩阵两种。目前采用简单矩阵驱动方式已研制出5英寸和10英寸的全彩色OEL显示屏。OELD以其全固态、薄型及面发光等独特优势业已进入产业化阶段。深信还将不断地发展，获得更为广泛的应用。除驱动方式外，完善彩色方案、进一步提高清晰度并扩大显示屏面亦是彩色OEL显示器技术在产业化进程中需重点解决的研究课题。
　　彩色OEL显示器虽然目前仍面临着众多的问题（如发光老化）急待解决，但可预料，彩色OEL显示技术的产业化将会逐步加快，将会在FPD市场上占有重要的份额，并对彩色显示技术的发展起着积极推动的作用。在未来的1～2年内预计将会问世的产品如下：LCD背光源、车载与机载显示器、手机显示屏及便携式信息终端机等。在不久的将来，基于彩色OEL显示屏的笔记本式电脑亦完全有可能制成的。作为20英寸以下的中小屏幕的显示器，尤其是作为诸种便携式的信息产品终端装置，OEL显示器的应用前景颇为诱人。