有機電致發(fā)光器件OLED技術介紹

有機電致發(fā)光器件OLED技術介紹摘要：有機電致發(fā)光器件（OLED）具有效率高、亮度高、驅動電壓低、響應速度快以及能實現(xiàn)大面積光電顯示等優(yōu)點，因其在平板顯示和高效照明領域具有極大的應用前景而引起廣泛關注，也是21世紀首選的綠色照明光源之一。雖然目前平板顯示市場主流產(chǎn)品仍為LCD，OLED仍存在問題，但技術的發(fā)展與突破將必將會使OLED在未來大放異彩。關鍵詞：有機電致發(fā)光，OLED技術，OLED材料—、OLED簡介OLED（OrganicLightEmittingDisplay，有機電致發(fā)光顯示，又稱“有機EL顯示”）是指有機半導體材料和發(fā)光材料在電場驅動下，通過載流子注入和復合導致發(fā)光的現(xiàn)象。其原理是用ITO透明電極和金屬電極分別作為器件的陽極和陰極，在一定電壓驅動下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電子和空穴傳輸層，電子和空穴分別經(jīng)過電子和空穴傳輸層遷移到發(fā)光層，并在發(fā)光層中相遇，形成激子并使發(fā)光分子激發(fā)，后者經(jīng)過輻射弛豫而發(fā)出可見光。輻射光可從ITO一側觀察到，金屬電極膜同時也起了反射層的作用。根據(jù)這種發(fā)光原理而制成顯示器被稱為有機發(fā)光顯示器，也叫OLED顯示器。二、OLED發(fā)光原理有機電致發(fā)光屬于載流子雙注入型發(fā)光器件，所以又稱為有機發(fā)光二級管。其發(fā)光的機理一般認為如下：在外加電壓的作用下，電子從陰極注入到有機物的最低空軌道（LUMO），而空穴則由陽極注入到有機物的最高占據(jù)軌道（HOMO）。載流子在有機分子薄膜中的遷移被認為是跳躍運動和隧穿運動，并認為這兩種運動是在能帶中進行。當電子和空穴在某一復合區(qū)復合后，形成分子激子，激子在有機固體薄膜中不斷做自由擴散運動，并以輻射或無輻射的方式失活。當激子由激發(fā)態(tài)以輻射躍遷的方式回到

基態(tài)時，我們就觀測到電致發(fā)光現(xiàn)象。而發(fā)射光的顏色則是由激發(fā)態(tài)到基態(tài)的能級差所決定的。有機電致發(fā)光過程通常由以下幾個階段完成：1） 載流子的注入。在外加電場的條件下，電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機功能薄膜層注入；2） 載流子的遷移。注入的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移；3） 載流子復合。電子和空穴結合產(chǎn)生激子；4） 激子的遷移。激子在電場作用下遷移，將能量傳遞給發(fā)光分子，并激發(fā)電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；5） 電致發(fā)光。激發(fā)態(tài)能量通過輻射躍遷失活，產(chǎn)生光子釋放光能。三、OLED器件的結構三、OLED器件的結構有機電致發(fā)光器件基本結構是由陽極、金屬陰極和它們之間圖10LED圖10LED多層結構示意圖夾著的有幾層組成。常見的OLED結構主要有四種：單層器件結構、雙層器件結構、三層器件是結構和多層器件結構。最簡單的電致發(fā)光器件是由上、下點擊和發(fā)光層組成的單層結構，這種結構在聚合物器件中較為常見。Kodak公司首先提出了雙層有機膜結構，這種結構的主要特點是發(fā)光層材料具有電子傳輸性，需要加如一層空穴傳輸材料去調(diào)節(jié)空穴和電子注入到發(fā)光層的速率，這層空穴傳輸材料還起著阻擋電子的作用，使注入的電子和空穴在發(fā)光層中復合。由空穴傳輸層（HTL），有機發(fā)光層（EML）和電子傳輸層（ETL）組成的三層結構（圖1）是Adachi首次提出的。這種器件結構的優(yōu)點是三個功能各司其職，是目前有機電致發(fā)光器件中最長采用的器件結構。為提高OLED的發(fā)光亮度和發(fā)光效率，出現(xiàn)了多層結構的電致發(fā)光器件，在多層器件中對于載流子傳輸層來講，它不僅起到了傳輸相應載流子的作用，同時還應該有阻擋另外一種載流子的作用，使電子和空穴在發(fā)光層中形成激子的幾率增加，從而提高器件的發(fā)光效率?？紤]在有機/聚合物此案料中，電子和空穴的遷移率都很小，因此為了減少載流子在傳輸過程中的損耗，各功能層的厚度及厚度匹配問題也應當考慮。另外，量子陷/超晶格結構也經(jīng)常采用，使用該結構的器件在設計時不受到載流子傳輸層和發(fā)光材料能帶匹配等要求的限制，還可以提高器件的發(fā)光效率。OLED器件的材料高分子電致發(fā)光材料1990年Friend等人首次使用聚苯撐乙烯作發(fā)光材料制成了聚合物電致發(fā)光器件，開創(chuàng)了高分子電致發(fā)光材料研究的新局面。與有機小分子發(fā)光材料相比，高分子發(fā)光材料工作時不會有晶體析出，來源廣泛，同時可根據(jù)其用途的不同進行分子設計。材料的電子結構、發(fā)光顏色可以通過化學修飾的方法進行調(diào)整。此外高分子電致發(fā)光材料具有良好的機械加工性能，成膜性和穩(wěn)定性好，可以制作成可折疊卷曲的柔性器件，器件的啟動電壓較低、亮度與發(fā)光效率普遍較高，這些優(yōu)點使聚合物成為具有良好商業(yè)前景的電致發(fā)光材料。相關材料：聚苯撐乙烯類（PPV）電致發(fā)光材料：PPV是第一個被報道用作發(fā)光材料制備電致發(fā)光器件的高分子，是目前研究得最多、最廣泛、最深入，也被認為是最有應用前途的異類高分子電致發(fā)光材料。經(jīng)典的PPV材料具有不溶與不熔的特點，不能滿足發(fā)光器件的制作要求。因此許多科學家都致力于通過化學改性和物理改性來設計合成出結構、性能各異的PPV及其衍生物，以滿足使用要求。聚芴類（PF）電致發(fā)光材料：在各種有機電致發(fā)光材料中，PF材料具有較高的光和熱穩(wěn)定性，并且芴單元是剛性共平面的聯(lián)苯結構，C-9位置可以方便地引入各種取代基團以改善溶解性能及超分子結構，而不會引起顯著的空間位阻而影響主鏈的共軛，因而是一種具有應用前景的有機藍光發(fā)光共軛聚合物材料。聚噻吩類（PT）電致發(fā)光材料：PT聚合物也是被廣泛研究的一類共軛聚合物，聚噻吩類電致發(fā)光材料的優(yōu)點在于聚噻吩及其衍生物的合成比較容易，穩(wěn)定性非常好，在室溫甚至較高的溫度下可以穩(wěn)定數(shù)年，而且其導電率幾乎不變。小分子有機電致發(fā)光材料小分子有機材料具有較高的發(fā)光率，并且可以通過真空沉積法成膜，但是沉默后容易結晶，有時候甚至與其它的材料有機材料形成激基復合物，因此這類材料單獨應用比較少。相關材料：染料摻雜綠光材料香豆素染料Coumarin6:是一種激光染料，Kodak公司第一次將這種染料摻雜在主體材料中用于OLED研究。Coumarin6的熒光發(fā)射峰值在500nm處（藍綠色），熒光量子效率幾乎可達100%,在高濃度時存在嚴重的自淬滅現(xiàn)象。2卜［&12:『mr控ciCc:uf⑶了］BC5約Tax'C-金屬配合物綠光材料：有機金屬配合物Alq3（圖3）具有熒光量子效率高、穩(wěn)定性良好、易于成膜等優(yōu)點，是最早應用于OLED的金屬配合物。金屬配合物綠光材料：有機金屬配合物Alq3（圖3）具有熒光量子效率高、穩(wěn)定性良好、易于成膜等優(yōu)點，是最早應用于OLED的金屬配合物。OLED中的Alq3既作發(fā)光層，又作電子傳輸層，發(fā)光峰位于530nm處，是良好的綠光材料。藍光小分子發(fā)光材料：藍色有機電致發(fā)光是全彩色顯示的重要組成部分，但與綠光器件相比，藍光器件的性能與實際應用還有一定的差距，其研究一直處于相對落后的狀態(tài)，一定程度上制約著全彩色OLED顯示的發(fā)展。有機小分子藍光材料多數(shù)集中在有機小分子的自身電致發(fā)光、金屬配合物、藍光有機小分子電致發(fā)光材料的衍生物等方面。金屬配合物藍光材料：相對紅光、綠光的稀土金屬配合物的磷光器件來說，藍光的稀土金屬配合物磷光材料的研究相對落后，制約了彩色顯示的磷光器件的實現(xiàn)。目前商業(yè)上最好的藍光重金屬配合物為銥的配合物FIrpic，其結構式如圖3所示。載流子傳輸材料載流子傳輸材料又可分為空穴傳輸材料（HTM）和電子運輸材料（ETM）。OLED用的絕大多數(shù)HTM屬于一類芳香胺熒光化合物。為了保證長期的穩(wěn)定性，這些材料應具有很高的玻璃化轉變溫度（Tg）和優(yōu)良的表面穩(wěn)定性，有較高的玻璃化溫度Tg,能與陽極形成小的壁壘，具有較強的會合電子特性，能真空蒸鍍形成無針孔薄膜。因為HTM在工作或儲存時通常都容易發(fā)生熱聚作用，所以，對于制作可靠的OLED來說，選擇熱穩(wěn)定性好的HTM就成了一個關鍵問題。早期，HTM就成了一個關鍵問題。早期，HTM常用的就是TPD，TPD的空穴遷移率達10A-3cm2/V?S，但TPD的玻璃化溫度（Tg）比較低（63°C）熱穩(wěn)定性也比較差。NPB是目前最為廣泛的空穴傳輸材料，NPB的成膜性好，且具有較高的玻璃化溫度（Tg=95C）和良好的電化學穩(wěn)定性。五、OLED與LCD對比與LCD技術相比，OLED的優(yōu)點是：1） OLED可以自身發(fā)光，而LCD則不能。因此，OLED比LCD要亮得多；另外OLED對比度更高，色彩效果更加豐富；2） LCD需要背景燈光點亮，而OLED在需要點亮的單元才加電，并且電壓很低，因此更加節(jié)能；3） OLED所需材料很少，制造工藝簡單，量產(chǎn)時的成本要比LCD節(jié)省20%;OLED沒有視角范圍的限制，可視角度一般可達到160°,重量也比LCD輕得多。同時，OLED還可彎曲，應用范圍極廣。主＜OLED與LCD性能對比性能OLEDLCDOLED產(chǎn)品與技術優(yōu)勢視角寬度不受限制受限制視角寬.側視畫面色彩不失真響應時間10^s10」8更適合播放動態(tài)圖像，無拖尾現(xiàn)象發(fā)光方式主動發(fā)光被動發(fā)光無需背光源.器件更薄.對比度更高.色彩更鮮艷溫度范圍-40-80r-20-60r高低溫性能優(yōu)越.適應嚴寒等特殊環(huán)境工藝過程簡單復雜制作成本更低，性價比更高六、OLED的技術瓶頸和突破面對主流市場的LCD顯示技術，OLED要躋身成為主流顯示技術，仍面臨諸多瓶頸。目前有三大挑戰(zhàn)正左右OLED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第一， OLED產(chǎn)品價格昂貴，原因在于經(jīng)濟規(guī)模校，似的材料成本和制程成本無法降低；第二，在技術層面上，OLED壽命仍還有待提高，目前OLED產(chǎn)品壽命只有兩萬小時，要達到商業(yè)化的要求，至少需要5萬小時；第三，OLED目前仍主要應用在小尺寸行動裝置面板領域，在大尺寸顯示市場仍還有待突破。技術突破：2008年，精工愛普生公司發(fā)布了其研究成果一一“終極之黑"OLED顯示系統(tǒng)，解決了長期困擾OLED的使用壽命難題，成功將產(chǎn)品使用壽命延長至5萬多個小時，突破業(yè)界2~3萬小時的技術瓶頸，極大拓展了OLED顯示系統(tǒng)的應用前景。2006年，整體矩陣尋址(TotalMatrixAddressing,TMA)OLED技術由劍橋顯示器科技推出，據(jù)稱結合了TMA解決方案的小型被動式數(shù)組顯示器，可降低至少50%的功率消耗，或者在相同的功率消耗下，得到二倍的顯示亮度。技術進展為OLED的未來鋪平了道路。2007年全球OLED產(chǎn)值接近8億美元，相較于2006年成長率超過50%，是所有平板顯示設備中成長最快的領域。隨著產(chǎn)品化的開始，未來幾年OLED營收將會大幅成長。在尺寸方面，2008年仍以11英寸產(chǎn)品為主，到了2011年OLED將擴大到30英寸產(chǎn)品以上，主流產(chǎn)品仍是以11英寸，預估其銷量可望達到100萬臺以上、20英寸銷售量為89萬臺、32英寸TV則是5萬臺左右。將MgF2嵌入到空穴傳輸層NPB中，制作了MgF2厚度分別為0。.0、0.5、1.0和1.5nm的一組器件，研究了MgF2厚度對器件光電性能的影響，相關數(shù)據(jù)測試發(fā)現(xiàn):MgF2為0.5nm的器件啟亮電壓較普通器件有明顯降低，為2.3V，隨著MgF2厚度的增加，器件啟亮電壓逐漸提高，1.5nm時低于普通器件。MgF2的嵌入提高了器件電流效率，相同電壓下，MgF2厚度為1.0nm的器件最大效率為3。.93cd/A，是普通器件的1.95倍;光功率效率是用來衡量人眼對器件發(fā)光亮度感知程度的，嵌入MgF2的器件光功率效率性能也得到顯著改善，MgF2厚度1.0nm的器件最大光功率效率達到1。58lm/W，是普通器件的2.1倍。結語：OLED本身具備諸多優(yōu)點，應用前景極廣，其技術瓶頸也將會在電化學等科學技術的不斷進步下被解決，可以想見未來的顯示市場，OLED必將是絕對主流產(chǎn)品。參考文獻：［1］ 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