有機發(fā)光二極管(OLED)自從問世之初，由于其眾多優(yōu)點而被廣泛認為是最有希望的下一代顯示技術(shù)，在液晶的背光源和固態(tài)照明光源領(lǐng)域也顯示出了潛在的應(yīng)用前景。有機發(fā)光二極管的低成本、低能耗優(yōu)勢以及柔性彎曲的特點，使這種發(fā)光二極管在下一代顯示、液晶的背光源和固態(tài)照明三個核心領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的市場，吸引了眾多廠商參于其中，極大的推動了OLED產(chǎn)業(yè)的進步。在過去的十年中，OLED的效率平均每年都要提高一倍，符合LED的Haitz定律。從總體上看，OLED產(chǎn)業(yè)主要有三大領(lǐng)域，一是以O(shè)LED材料和器件為中心;二是以O(shè)LED面板、制造方法的概念為中心;三是以顯示裝置驅(qū)動方法等為中心的領(lǐng)域。本文主要從有機器件結(jié)構(gòu)和材料的方面做主要評述。
目前有眾多國內(nèi)外廠商和實驗室從事OLED的材料與顯示屏|顯示器件的研究開發(fā)工作，從材料的角度看，主要有3類：一是以英國劍橋顯示技術(shù)公司、皇家飛利浦和日本住友化學(xué)等為代表的高分子材料陣營;二是以伊斯曼柯達、環(huán)宇顯示和日本出光興產(chǎn)等為代表的小分子陣營;最后一類是樹枝狀發(fā)光材料，由于其發(fā)光特性可以方便地由中心核調(diào)換不同的熒光染料來實現(xiàn)，另外大量的表面功能團和不同的代數(shù)可供選擇來得到一些有趣的性質(zhì)，如載流子傳輸功能、區(qū)域隔離效應(yīng)、溶解性和天線效應(yīng)等，最重要的是，該類材料兼有高分子材料的可溶液加工性和小分子材料的高性能性，已經(jīng)被認為是最具發(fā)展的第三類材料體系。對于任何材料體系而言，目前都面臨兩個主要問題：一是如何獲得高的效率;二是壽命與穩(wěn)定性，如長時間靜止畫面的保持等;還有個后續(xù)問題就是如何得到高的遷移率，低的操作電壓，從而降低功耗，為將來低功耗面板打下堅實的基礎(chǔ)。這其中藍光材料的效率與壽命一直都是瓶頸，出光興產(chǎn)與索尼于08年5月19日宣布，共同開發(fā)出藍色發(fā)光OLED元件，并已證實內(nèi)部量子效率為28.5%，且發(fā)光壽命為3萬小時以上，就熒光型發(fā)光材料而言，這一發(fā)光效率為全球最高水平。英國劍橋顯示器技術(shù)公司和日本Sumation公司宣布藍色高分子OLED材料取得新的提高，與07年3月發(fā)布的材料相比，壽命提高了40%，其藍光材料在初始亮度為1000cd每平方米時的半衰壽命已經(jīng)達到1萬小時，按400cd每平方米亮度換算則為6萬2000小時。為了使器件壽命能實現(xiàn)大幅提高，不僅要得到高效率的發(fā)光材料，還需要改進空穴注入材料和電子傳輸材料，從而提高載流子的注入和傳輸平衡，同時也要考慮將載流子有效地限制在發(fā)光層內(nèi)來進一步提高器件效率，例如出光興產(chǎn)采用新的電子傳輸材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的8羥基喹啉鋁(Alq3)，有效地降低了啟亮電壓，提高的器件的效率和穩(wěn)定性。
在不斷提高單色有機發(fā)光材料與器件的同時，人們也在考慮將紅、綠、藍三基色光復(fù)合實現(xiàn)白光，用于顯示、液晶背光和照明。一般來說，有兩大類技術(shù)得到白光OLED：第一類被稱之為下轉(zhuǎn)換(down conversion)，通過藍光或紫外光激發(fā)光子，每個受激發(fā)的單元發(fā)出不同的光混合之后得到白光;第二類被稱為色彩混合，這類技術(shù)是指通過混合兩種互補顏色的光(橘黃+藍光)或者三原色(紅+綠+藍)來得到白光。在有機發(fā)光器件實施方面，目前主要有多發(fā)射層白光器件、激基復(fù)合物/激基締合物復(fù)合發(fā)光白光器件，微腔結(jié)構(gòu)白光器件、水平或垂直層疊結(jié)構(gòu)白光器件、多重摻雜/共混單發(fā)射層白光器件。對于多發(fā)射層白光器件，該方法將每種發(fā)光材料摻雜在不同層的主體材料構(gòu)成多種客體的多層發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，通過控制各有機層的復(fù)合電流，達到紅、綠、藍發(fā)射層同時發(fā)光實現(xiàn)白光的目的。例如，美國科學(xué)家利用三層光發(fā)光層(3-EML)結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了性能非常優(yōu)越的白光 OLED，在亮度(luminance)為1000 cd每平方米時的最大發(fā)光效率達64±3 lm/W，顯色指數(shù)(CRI)達81;中科院長春應(yīng)化所結(jié)合界面修飾技術(shù)，利用紅、綠、藍三發(fā)光層結(jié)構(gòu)開發(fā)出了高效率的全熒光型白光OLEDs，最大亮度超過了40000 cd每平方米，最大效率達到了20.8 cd/A和16.8 lm/W，壽命在500 cd每平方米的亮度下超過了3500小時。三色白光OLED結(jié)構(gòu)由于采用真空蒸鍍的方法，各層厚度都可以得到很好的控制從而得到了具有理想色純度的白光發(fā)射，并且目前性能比較好的白光OLED都采用這種結(jié)構(gòu)。對于多重摻雜的單發(fā)射層白光器件，為了保證所有的發(fā)射來自于同一個發(fā)射層，必須使得產(chǎn)生白光的幾個摻雜劑在同一個主體材料中混合。在這個器件結(jié)構(gòu)中，由于藍色摻雜劑是唯一形成激子的位置，一旦激子形成，向綠光和紅光摻雜劑發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生綠光和紅光發(fā)射，在器件的發(fā)光過程中，白光的色坐標基本不會變化，目前這種多重摻雜白光器件也得到較好的性能。盡管這兩種結(jié)構(gòu)白光器件都得到很好的效果，但是從器件制備的繁簡性角度考慮，設(shè)計簡單的單層單發(fā)射白光器件應(yīng)該是最好的選擇。
美國環(huán)宇顯示技術(shù)公司(UDC)在SID 2007上以標題為“有效率的白色磷光OLED器件”向人們展示了其白光OLED白色磷光OLED技術(shù)新成果。擁有新型結(jié)構(gòu)的白光OLED外量子效率為 20%，發(fā)光效率相當于33 cd/A，其色坐標為 (0.38, 0.39)，在1000 cd每平方米亮度下的工作壽命超過4000小時，這是目前報道的外量子效率最高的單層白光OLED。UDC在2008年5月舉辦的“Society for Information Display 2008”展會上，發(fā)布發(fā)光效率為72 lm/W的白光OLED，最近又發(fā)布了亮度為1000 cd每平方米時的發(fā)光效率可達102 lm/W的有機白光OLED，其顯色指數(shù)(CRI)為70，色溫為3900 K。德國Novaled公司宣稱他們已經(jīng)開發(fā)出了照明用白光OLED，其發(fā)光效率目前為50 lm/W，達到了白熾燈20 lm/W的2倍以上，其試制的白光OLED照明產(chǎn)品在1000 cd每平方米亮度下具有1萬小時以上的壽命，發(fā)光效率為40～60 lm/W，具有非常薄的特點，這些高性能白光OLED的取得極大推進了OLED在照明領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用步伐。歐司朗光電半導(dǎo)體預(yù)測，OLED照明的市場規(guī)模將在2015年達到數(shù)十億歐元。不過，要想實現(xiàn)OLED在普通照明領(lǐng)域的應(yīng)用，就需要開發(fā)低成本量產(chǎn)技術(shù)。
OLED的商用化在1997年以后得到了切實的發(fā)展，迄今1-3英寸的小尺寸單色和彩色無源驅(qū)動面板已經(jīng)在手機副屏和主屏、小型音樂播放器等方面得到了應(yīng)用，年產(chǎn)量超過7000 W片，但我們不能指望今后的無源驅(qū)動OLED在顯示領(lǐng)域會有大規(guī)模的發(fā)展，因為其在大尺寸化與高清晰化方面存在技術(shù)性局限，使應(yīng)用領(lǐng)域大大受限。今后的主流應(yīng)該是有源驅(qū)動型OLED，韓國Displaybank公布了08年第一季度有源矩陣型OLED面板的供貨業(yè)績調(diào)查結(jié)果，供貨量為272萬3000塊，增至上年同期的28倍左右，足以見其發(fā)展迅速。有源驅(qū)動型OLED另一個顯著優(yōu)勢是高開口率，同時降低電耗提高壽命。針對有源驅(qū)動型OLED，人們往往采用頂發(fā)射、反轉(zhuǎn)型和微腔型器件結(jié)構(gòu)和高對比度器件以及它們的組合，目前的產(chǎn)品大多采用頂發(fā)射或者頂發(fā)射+微腔結(jié)構(gòu)的器件。2007年12月份上市的 Sony公司的11英寸OLED “XEL-1”電視即采用頂發(fā)射+彩色濾光片+微腔結(jié)構(gòu)。這款產(chǎn)品的上市也開啟了OLED電視的新紀元，成為有機半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的強大推動力，邁出了在提出概念20年之后走向產(chǎn)業(yè)化的堅實的第一步。
對于OLED在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用，從性能角度來看，熒光型有機分子材料體系已足夠滿足要求，熒光型有機分子材料具有高穩(wěn)定性的優(yōu)點，通過器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計和相關(guān)輔助材料的匹配，紅、綠、藍熒光型有機分子材料的器件效率分別達到了12 cd/A、36.3 cd/A和11.4 cd/A，在1000 cd每平方米的初始亮度下，壽命分別達到了15萬、6.2萬和2萬小時，即使是熒光型白光OLED，其效率也達到了16 cd/A，壽命超過了7萬小時。今后，除了進一步改善材料器件性能，特別是藍光材料的器件性能，開發(fā)新的材料體系外，在顯示面板上主要解決局部不均勻與面板整體不均勻問題、面板的解析度問題、面板的超薄膜化問題，這里主要是薄膜封裝問題和低成本化工藝技術(shù)問題等。實際上，要與液晶顯示在顯示領(lǐng)域一決天下，最終要解決的就是成本問題，目前各公司均使用第3.5代或第4.5代的half cut(半截)式玻璃基板，要降低有機顯示面板的成本，就必須采用全尺寸的玻璃基板，同時還需要進一步提高生產(chǎn)節(jié)拍，提高產(chǎn)量。為了擴大量產(chǎn)規(guī)模和擴大基板尺寸，制造設(shè)備的廠家就需要向有機顯示產(chǎn)業(yè)界提供更大的設(shè)備。還有，提高材料的利用率也是面臨的降低成本的一個問題，因為目前的材料利用率還不到5%，要至少提高到20%以上才能滿足要求，顯然這些都是與液晶顯示開展競爭必須面臨的艱巨的挑戰(zhàn)。
對于OLED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，要達到照明對高功率效率(至少大于50 lm/W)的要求，熒光型有機分子材料體系已經(jīng)無法滿足要求，必須使用效率更高的電磷光有機分子材料體系，但與穩(wěn)定性更好的熒光型有機分子材料體系相比，電磷光有機分子材料還存在穩(wěn)定性和高電流密度下效率降低的問題，這也是白光OLED在照明領(lǐng)域應(yīng)用首先必須解決的最重要的問題。同樣地，照明白光OLED 也存在大面積化和加工成本的問題，必須從制造工藝上給予解決。
總之，任何一項新技術(shù)從實驗室走向產(chǎn)業(yè)界都不是一帆風(fēng)順的，眾所周知，無機LED照明技術(shù)在最近兩三年取得了突破性進展，這是因為使用GaN的藍光LED投入了實用，比紅光LED晚了10年以上。而液晶在20世紀60年代第一款計算器屏幕到現(xiàn)在已經(jīng)走了 40年的歷程才取得今天的市場地位。所以，盡管今天OLED在產(chǎn)業(yè)化道路上還有很多道路要走，但是前途是無限光明的。
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