有机电致发光技术及其在显示与照明中的应用

 在异彩纷呈的数码世界里，显示器件作为人机交互必不可少的部件，扮演着极为重要的角色。目前*为大家所熟悉的，无疑是发展迅猛的LCD液晶显示技术。但随着有机发光技术的不断发展，平面显示新技术OLED受到了业界的极大关注。早在1963年，美国纽约大学的Pope首次实现了蒽单晶的电致发光m，但由于单晶厚度达102（Vm，驱动电压高达400V才能观察到微弱的蓝光，未能引起广泛研究兴趣。随后许多科学家分别采用不同的分子晶体及不同阴极材料和掺杂等手段，在100~ 800V驱动电压下获得了量子效率高达5%的分子晶体电致发光21.由于驱动电压太高，因此由有机晶体材料制作的器件没有任何实用价值，致使有机晶体电致发光研究一直处于停滞状态。 有机电致发光研究的根本性转变来自美国柯达公司的实质性突破。1987年，Tang等131人采用超薄膜技术，用导电玻璃（IT0）作正极，8-羟基喹啉铝（Alq3）做发光层，三芳胺做空穴传输层，Mg/Ag合金作负极，制成了工作电压低（10V）、亮度高（1000cd/m）、效率高（。5lm/W）的双层有机电致发光器件，是有机电致发光的划时代进展。 1990年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Bur-roughes等141人首次在Nature杂志上报道了聚苯乙烯撑（PPV）的电致发光c 1991年，美国加州大学圣巴巴拉分校的Hegger小组151用甲氧基异辛氧基取代的聚对苯乙烯撑（MEH-PPV）在丨TO上旋涂成膜，制成了量子效率为1%的橘红色LED.从此揭开了高分子LED研究的序幕。 （Pioneer）公司推出**个有机EL产品：一种车载文字信息接收装置，该装置用来接收可视广播、交通信息等c利用有机EL亮度高及视角宽阔的特点，在车内也可清晰地观看文字，其价格是每台42000日元。先锋公司又于1998年秋开始，建成了有机EL显示器的批量生产线，月产为10万至15万片，投资额为30亿至40亿日元。 1998年2月23日德国明镜周刊报道：英国剑桥显示技术公司（CDT）和日本精工爱普生公司（Epson）联合推出了-r个厚仅为2mm的有机EL电视机样品。与传统的液晶屏相比，该显示屏具有更高的分辨率，而且在价格上有很强的竞争力。 1999年5月先锋又推出了同样用于车载信息接收装置的彩色有机电致发光产品。 OLED当前普遍的基本结构，是利用一个薄而透明具导电性质的铟锡氧化物（ITO）为正极，与另一金属阴极以如同三明治般的架构7-n，将有机材料层包夹在其中，有机材料层包括空穴传输层（HTL）、发光层（EL）、以及电子传输层（ETL）。当通人适当的电流，此时注人正极的空穴与阴极来的电荷在发光层结合时，即可发光，而不同成分的有机材料会发出不同颜色的光，因此选择不同的发光材料就可以实现全色的显示c有机电致发光可概括为以下四个过程12：（1）载流子的注人（电子和空穴分别从阴极和阳极注人）；（2）载流子的传输（注人的电子和空穴在有机层内传输）；（3）载流子复合形成激子；（4）激子衰减而发出光子（在发光层中实现h 2有机电致发光的特点目前，主流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（LCD）、发光二极管（LED）、无机电致发光器件（无机EL）、等离子体放电显示屏（PDP）。与这几种显示技术相比，LED的主要特点有：与CRT相比较，OLED具有驱动电压低、体积小、重量轻、可折叠的优点，是实现可折叠式电视的*理想的技术；LCD是一种被动发光技术，且存在视角小、响应速度慢等问题。而OLED恰好可以克眼这些缺点。OLED是一种主动发光技术，并且其响应速度是液晶的1000倍以上；OLED器件不像LED，要在基板上长单晶，所以LED难以实现大面积化。而OLED电极间的有机层是非晶薄膜，很容易实现大面积，超薄型显示。 其发光的*小单元可以小釜数十纳米；无机电致发光存在一些难以克服的困难和缺点，比如种类少、颜色可调性小、发光强度有限、驱动电压高等，这些都可以用OLED来克服；与PDP相比、OLED有驱动电压低、发光效率高、薄、色彩清晰、制作工艺简单、成本低等优点。 此外，有机化合物种类繁多，结构多种多样，可以通过有机合成手段设计和合成出满足各种色彩和工艺要求的材料。 从器件结构、制作工艺、材料开发等多方面来考虑，与现在实际应用及正在开发的各种显示器件相比可以说OLED是*理想的一种显示技术。然而，就目前发展来看，有机电致发光距离大批量产业化还存在两个问题：（1）选择合适的材料，改进蓝光及红光的效率和亮度；（2）器件的寿命还有待于进一步的提高；（3）生产技术还远远没有成熟。 3国内外研究现状OLED广阔的应用前景使该技术吸引了全球众多研究机构和企业的参与，目前有机电致发光技术正在加速发展。1997年日本先锋电子推出了世界**个商品化的有机电致发光产品汽车音响显示屏，极大地鼓舞了业界对有机电致发光技术的信心。2000年以来业界更是掀起了对有机电致发光投资与开发的热潮。目前全世界范围内，已有90多家厂商从事有机电致发光的商业性开发，他们分成了有机小分子电致发光和有机聚合物电致发光两大集团。目前在国外OLED产品中，投人小分子OLED产品的多为日商及中国台湾厂商；而投人高分子OLED（PLED）产品的则以欧美厂商居多。据统计全球已有约85家厂商投人研发，其中60家以上厂商皆采用小分子OLED材料系统为主，只有25家左右厂商采用高分子OLED材料系统。 小分子OLED商品化进程较高分子OLED快，但以无源驱动为主。1996年Pioneer率先推出256x64单色产品，1997年IdemitsuKosan也发表**个全彩320x240产品，之后Pioneer等厂商更相继发表多种单色、多彩产品。长期以来无源驱动小分子的领导厂商以Pioneer为首。而在有源驱动小分子方面，则是以EastmanKodak目前掌握大部分小分子材料专利，同时通过与Sanyo的合作，应用TFT技术发表有源驱动小分子OLED产品。 高分子OLED目前以研发有源驱动技术著称的CDT为首，其它投人厂商如Seiko都得到了CDT技术移让；而无源驱动高分子OLED则以Philips为主。早期的高分子OLED制造工艺都采用旋转涂敷技术，为达到更加全彩化效果，现在多采用喷墨技术制作。高分子OLED在材料的选择、发光组件寿命的控制以及有机膜凹凸不平、喷墨不易等方面，仍存在许多问题。 下面是近年来国际上几个大公司在OLED产品研究、开发及产业化上取得的进展和它们的代表产品：手机显水的OLED显7K屏cMotorola公司开始销售采用OLED显示屏的手机P8767.美国杜邦公司投资丨500万美元给美国UNIAX公司组建高分子彩色发光6英寸试验线。Philips公司投资5000万美元建立了14英寸试验线；西门子公司也在马来西亚建立了具有一定规模的试验线。 200丨年Sony公司推出了电视使用的OLED显示器，屏幕为13英寸，像素数为800x600，显示色彩为1670万，每个像素由4个TFT驱动。eMagin推出**个全彩色小分子OLED微型显示器，分辨率达600x3x852，有16M种色彩。东芝美国电子公司宣布**个实现以聚合物为发光物的全彩色OLED原型，2. 85英寸，26，000种色彩，64级灰度，采用LTPSTFT驱动。 记本电脑样品，东芝松下显示科技公司研发出17英寸LTPSTFT驱动的0LED面板，分辨率可达XGA（1280x768），先锋也宣称20英寸的全彩0LED面板已经就绪。*近，柯达公司在中国市场推出了世界我国政府、科研人员及企业界人士对OLED的研究与开发也给予了极大的十分重视。国家在九五期间先后资助了多项自然科学基金重大项目和863高科技项目等，十。五期间OLED仍是国家863重点资助专项之一。在国家政策与资金的支持下，我国在OLED的研究与开发方面也取得了很大进步。企业界对此也给予了极大的关注，彩虹集团已投人资金与清华大学联合攻关，进行OLED显示器的研制。上海大学13」4清华大学151、浙江大学"61、东南大学等在LED的材料和器件等方面做了大量研究工作，并已具备了一定的水平。日前，清华大学有机光电子研究室近日研制成功2.8英寸点阵有机电致发光显屏（http：20021127/3073011.shtml），并在有机电致发光的材料制备、生产工艺和电路驱动等方面取得重要成果，申报了多项专利。 4有机电致发光的应用1有机电致发光在显示领域的应用在显示领域，OLED的研究和应用已成为热点。使用电致平板显示技术（OLEDS）的有机全色彩显示将逐渐取代液晶显示（LCDS）在膝上型计算机和桌面计算机上的使用：OLED是继TFr-LCD的新一代平面1示器技术。日本先锋公司的车载立体声系统多色彩显示屏已经面市，柯达公司也已在市场上推出了一款OLED显示的数码相机（littp：/10303/137052.丨伽丨丨，应用OLED显示屏的手机也进人了实用阶段。很有可能在不久以后会出现可挂在墙壁上的轻便的、可折叠的OLED显示屏，取代已被电视使用了50年之久的笨重的阴极射线管。 OLED要得到更广泛的应用，一个关键环节是要实现稳定而持久的白光电致发光。这也一直是有机电致发光研究领域的一个重要课题，一旦能够在白光的效率、亮度、色纯度及稳定性上取得突破，会使有机全色显示器件工艺大大简化。目前报道较好白光结果1191在17V下的亮度为3000cd/m2，流明效率为0.3lm/W.制备有机白光器件的方法主要有以下两种方法：一是用三基色发射混合成白光该方法虽然可以获得白光，但是往往器件结构和材料体系非常复杂，存在器件工艺重复性差、器件色纯度随驱动电压改变大、效率普遍偏低等缺点。另一种方法是利用有机层界面区域的激基复合物发射获得白光211.通过材料分子的自身发射及激基复合物发射可以获得覆盖整个可见光区的宽发射谱带。 4.2有机电致发光在照明领域的应用在照明领域，OLED也有望得到大规模应用。众所周知，1879年0月21日，美国科学家爱迪生发明的白炽灯使人类告别了夜晚的黑暗，进入照明时代。但是，白炽灯只能通过把钨丝烧红、发光，供人照明。钨丝烧红时，有3000高温。钨丝在高温下不断发光的同时，也在不断地被气化。当它气化到很细、*后断开时，这只灯泡的寿命也就结束。曾有人统计，一只白炽灯只把自己消耗电能的12%18%转化为光能，其余均以热能的形式散失了。这种发光方式使白炽灯在所有用电照明灯具中电能利用率*低。而且，白炽灯是在高温下工作，它的使用寿命通常不会超过小时。而对发光二极管（LED）来说，发光效率能够达到白炽灯的50至100倍，使用寿命可达5万至10万小时，也就是5年至10年的时间。目前，LED照明技术已逐步得到实用。 OLED则将LED的制造技术向前大大推进了一步。新型的0LED用塑料聚合物代替结晶结构材料，同时具有运行速度快、重量轻、亮度高、用电少等优点，而且非常坚固，具有非凡的抗冲击性。OLED在应用上灵活多变，形状因具体照明而定，作艺术方面的设计，可以像居室的壁纸一样，成为一种智能型的光源cOLED技术适于滚筒式生产，系统简单，类似目前，台湾的光磊公司成功研发出白光照明OLED用新产品，其发光效率（大于20lm/W）超越现有白光无机LEDC由于OLED属于面光源，相对于LED的点光源，更适合室内照明使用，有机会成为白光照明及背光源的主角。光磊未来市场策略，户外将以无机LED为主，而室内将以更低成本的有机LED为主c 5产业化前景目前各家厂商对OLED的应用开发以单色及多色的显示器为主，主要的目标在手机、掌上型电玩、音响面板与PDA等市场。未来将朝向两个方向发展：一为以文字与数字显示为主，包括手机与音响面板市场等；另一方向为小型全彩显示器，主要应用市场为数码相机、摄影机与可视电话等应用产品，然后尝试进入大尺寸全彩显示器市场，主攻笔记本电脑、监视器与TV等产品。目前各厂商推出的OLED显示器绝大多数仍是雏形机，未来实现商品化仍有很大的改善空间。 将达到7000万美元，而到2007年时将达到7亿美元，若技术能有更重大突破，未来的成长将更为可观Display Search预计，OLED在2003年无源驱动显示器市场量将达4，000万片，其主要应用产品以移动电话为主，其次为游戏机；2005年市场需求量将达1.2亿片，主要应用范围仍为移动电话。而有源驱动显示器在2005年可望增长至5，000万片，每年呈倍数增长。有机电致发光显示技术会成为显示领域的主流。 6结语短短的十几年内，有机电致发光技术取得巨大的发展，其独特的优点已经引起人们越来越多的重视，各国政府和企业已纷纷投入这一技术的研究当中，它的研究及开发将会开拓新型平板信息显示的广阔市场，其研究成果将广泛用于各种仪表的显示器、手机显示屏、手提电脑、壁挂式电视等，并将带来高亮度、高寿命的白光照明新产品。