OLED顯示產業化亟需解決的幾個問題

    隨著科學技術的發展，信息顯示技術也在不斷地更新換代。從傳統的陰極射線管(CRT)發展到了先進的液晶屏(LCD)。現正在向第3代顯示技術過渡。作為第3代顯示技術候選的有等離子體放電顯示屏(PDP)、有機電致發光屏(OLED)、發光二極管(LED)、電場激發發光(FED)等。現在在研究開發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，即要求達到質輕、體薄、高亮度、快速響應、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，即OLED做簡單介紹。

　　OLED的基本原理及器件結構

　　當在由某些特殊的強螢光性有機物質構成的薄膜兩表面上鍍上適當的電極并加上電壓時，該薄膜就會發出光來。此過程被稱為有機電致發光(Organic Electroluminescence，簡稱EL)，由于其發光原理又十分接近無機發光二極管，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家就已經發現了此現象。但由于后來在材料和器件技術方面的進步較慢，沒有受到學術界和產業界太大的重視。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。其中有機層根據不同情況下的需要，可以是單層，也可以是多層，但總層數一般不會超過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分別朝著對方電極方向移動。3．正負電荷在有機層內特定位置再結合并釋放出能量。4．特定的有機分子獲得該能量后自己受激發或將能量轉移給其它分子，使其受激發從基態躍遷到激發態。5．處于激發態的分子回到基態，釋放出光能。從此可以看出，在OLED器件的簡單的結構里發生著極其復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，可以調控器件發出的光的顏色。通過控制從兩端電極注入的電流的大小可以調節發光的強弱。從以上的器件結構和發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這些基本過程，材料結構、純度、聚集態及界面狀態的嚴格控制是至關重要的。這也是為什么OLED器件的結構雖然簡單，材料也不特殊，但要實現高性能的發光卻并不那么容易的原因之所在。

　　近年來關于有機材料的電致發光方面的研究和產品開發非常熱門，是國際上競爭得最激烈的前沿科學領域之一。

　　OLED特點

　　現在，巳經實際應用的電子顯示技術主要有以下幾種：即陰極射線管(CRT)、液晶顯示屏(LCD)、發光二極管(LED)、無機電致發光器件(無機EL)、等離子體放電顯示屏(PDP)、真空螢光管(VFD)、電場激發發光(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。是實現壁掛式、可卷可折式電視的最理想的技術。

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

　　3．OLED器件不像LED，要在基板上長單晶，所以LED難以實現大面積化。而OLED電極間的有機層是非晶薄膜，很容易實現大面積，超薄型顯示。其發光的最小單元可以小至數十納米。此外，OLED的色彩也更為豐富。

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

　　5．與PDP相比、OLED有驅動電壓低、發光效率高、薄、色彩清晰、制作工藝簡單、成本低等優點。

　　此外、有機化合物種類繁多，結構多種多樣。可以通過有機合成手段設計和合成出滿足各種色彩和工藝要求的材料。

　　從器件結構、制作工藝、材料開發等多方面來考慮，與現在實際應用及正在開發的各種顯示器件相比可以說OLED是最理想的一種顯示技術。但也不能忘記現階段OLED在使用壽命方面有待改善，生產技術也還遠遠沒有成熟。

　　OLED技術的應用領域

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

　　OLED技術的最典型的應用就是作為顯示器。就其顯示功能來講，它完全可以代替CRT、LCD、LED的作用，實現顯示器件的輕量化、薄型化、高亮度、快速響應(與液晶相比)、高清析度、低電壓化、高效率化和低成本化。可以大幅度地節省空間，極方便攜帶。如應用于航空、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是自己主動發光，可以大大提高對比度，獲得更好的顯示質量，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，可以很容易地設計成曲面，甚至可卷曲，折疊，這些都是其他顯示技術很難實現的功能。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投入巨大資金和人力進行OLED技術研發的最重要原因。

　　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。通過改變發光材料的化學結構或器件結構，發射波長可以在紫外區到紅外區的很寬的波長范圍內調控。

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

　　OLED技術現狀

　　關于OLED器件的研究起源于上一世紀的60年代，但大規模的開發研究起源于1986年美國的Easten　Kodak(EK)的基本專利發表之后。現在世界上關于OLED器件的開發主要分布在日本、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，已獲得很好的發光亮度，發光效率壽命。就目前的情況來看，在實際應用技術開發方面，日本遙遙領先，己經進入商業應用階段。歐州居第二位，但在應用技術方面與日本的距離越來越近。美國主要擁有基本專利。

　　現在有關OLED技術，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構專利。

　　2． 針對高分子材料的材料專利。

　　3． 實現高效率發光的三線態發光材料專利。

　　其中第1項和第3項由美國企業控制。第2項由英國控制。而與OLED應用及產業技術相關的絕大多數專利則由日本企業所控制。

　　現在世界上進行OLED相關技術開發的主要企業有：在日本有SONY、東芝、SHARP、松下、三洋電機、NEC、三菱化學、三菱電機、卡西歐、出光、凸版印刷、先峰音響、出光興產、住友化學、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有以RitDisplay為首的臺灣省的近10家企業，韓國的三星顯示器等。技術上最領先的為先峰音響、出光興產(材料)、三洋電機、TDK等。特別是先峰音響公司己經開發出三代產品推向市場。

　　現在國際上小分子OLED器件的*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。*高發光效率可以達60lm/W。最低電壓可以實現只需加上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方面以大學為中心也開展了一些研究。也有一些企業已經投資或將要投資OLED技術。但從總體技術水平來看至少要比國際先進水平落后5－8年。特別是在要實現商業化所必須的關鍵技術和重要技術方面幾乎是空白，發展趨勢與當年的液晶產業極為相似。要想將OLED產業真正培養成為我國的民族產業，道路還十分艱難。

　　與OLED產業化相關的現存問題

　　雖然OLED技術可稱之為最理想的顯示技術。但對它的研究開發歷史并不長，要想真正實現其產業化，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，封裝技術與使用壽命的問題，陰極電極微細化的問題，驅動技術問題等。

　　從實驗室到工業化，器件的大面積化將帶來工藝、設備技術和驅動技術等方面的問題。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致發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光效率，并在高亮度下有良好的穩定性。也就是說，在100cd/m2得到的所謂壽命數據并不能確保實際應用的壽命。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基板的開發將是有機電致發光技術工業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，將三種不同的發光材料分別鍍在同一象素的非常臨近的三個小區域上將是又一大難題。而且，對于用高分子發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定性問題也會顯現出來。這些問題必須通過材料、制造工藝和驅動電路技術來綜合解決。

　　要實現商業化，使用壽命問題必須解決，從材料和器件結構著手是途徑之一。但是封裝技術也不能忽視，甚至更為重要。

　　驅動技術在實驗室研究階段或器件面積不大時不顯得重要。因為不采用復雜的驅動電路也能實現良好的顯示效果。但一旦考慮到產業化和大面積化。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光技術工業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。

　　在有機電致發光技術的產業化過程中，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。在所有的顯示技術中，只有它才能真正地把顯示屏帶到野外，帶進嚴寒地區，帶到宇宙，真正地實現顯示屏亮、輕、薄、快、低功耗、全方位等理想特性。相信隨著研究開發的深入和完善，以上問題是可以得到解決的。

　　OLED技術將來發展趨勢

　　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現實，但不管現實是怎樣的，從其基本結構和顯示效果來判斷，它是最理想的顯示技術，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。