有机电致发光显示器件

有机电致发光显示器件基本原理与进展

姚华文1 汪光裕

(上海华嘉光电技术有限公司，上海市嘉定区招贤路928号，201821)

摘要

本文对有机电致发光显示器件的发展历史，器件结构、工作特征、获得彩色显示的方法以及所具有的优缺点、发展现状和趋势等都做了简要的概括。详细比较了小分子OLED与高分子PLED、OLED与LCD性质上的比较，对OLED显示的发光机理进行了详细的综述。此外，对获得彩色显示的无源驱动电路和有源驱动电路的结构进行了总结，认为有源驱动将是最终发展趋势。最后总结了国内外OLED技术的发展状况。

关键词：小分子有机电致发光，高分子有机电致发光，无源驱动，有源驱动

有机电致发光显示（organic electroluminesence Display）技术被誉为具有梦幻般显示特征的平面显示技术，因其发光机理与发光二极管（LED）相似，所以又称之为OLED（organic light emitting diode）。2000年以来，OLED受到了业界的极大关注，开始步入产业化阶段。

1．发展历史

1936年，Destriau将有机荧光化合物分散在聚合物中制成薄膜，得到最早的电致发光器件。20 世纪50年代人们就开始用有机材料制作电致发光器件的探索，A. Bernanose等人在蒽单晶片的两侧加上400V的直流电压观测到发光现象，单晶厚10?m～20?m，所以驱动电压较高。1963年M. Pope等人也获得了蒽单晶的电致发光。70年代宾夕法尼亚大学的Heeger探索了合成金属[1]。1987年Kodak公司的邓青云首次研制出具有实用价值的低驱动电压（<10V，>1000cd/m2）有机EL器件（Alq

[2]作为发光层）。1990年，Burroughes及其合作者研究成功第一个高分子EL（PLED）

(PPV作为发光层)，更为有机电致发光显示器件实用化进一步奠定了基础。1997年单色有机电致发光显示器件首先在日本产品化，1999年月，日本先锋公司率先推出了为汽车音视通信设备而设计的多彩有机电致发光显示器面板，并开始量产，同年

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联系人，Email: hw.yao@hpet-tft.com

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9月，使用了先锋公司多色有机电致发光显示器件的摩托罗拉手机大批量上市[3]。这一切都表明，OLED技术正在逐步实用化，显示技术又将面临新的革命[4]。

2．器件分类

按照组件所使用的载流子传输层和发光层有机薄膜材料的不同，OLED可区分为两种不同的技术类型。

一是以有机染料和颜料等为发光材料的小分子基OLED，典型的小分子发光材料为Alq；另一种是以共轭高分子为发光材料的高分子基OLED，简称为PLED，典型的高分子发光材料为PPV及其衍生物[5]。

下表为小分子OLED与PLED的比较。

表 1小分子基OLED和PLED的比较

小分子基OLED PLED PPV及其衍生物、Fluorene Homopolymers、MEH－PPV、 PPP、Copolymers、Polythiophenes、 Polyquinoxalines 制膜工艺 发光效率 优势 劣势 真空热蒸镀 可高于15lm/W 材料合成与纯化较为容易 旋转涂布法或喷墨打印 可高于20lm/W 耐热性较佳 主要发光Alq、Beq2、DPVBi、Amine、 材料 Balq、PVK、TAZ、Zn(ODZ)2 容易彩色化、工艺控制较容易且稳定、设备成本较低、组件构造相对简单、设备成本较高、对于水分的耐受性不材料合成、纯化以及彩色化较困难，佳、蒸镀效率低易造成材料浪费、热稳研发和产业化步伐相对较慢。 定性与机械性质较差、驱动电压较高 适用领域 高单价、高附加值产品 低单价、量大的产品

3．基本结构和发光机理

OLED是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件。其典型结构是在ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层，发光层上方有一层低功函数的金属电极。当电极上加有电压时，发光层就产生光辐射。和无机薄膜电致发光器件（TFEL）不同，有机材料的电致发光属于注入式的复合发光，其发光机理是由正极和负极产生的空穴和电子在发光材料中复合成激子,激子的能量转移到发光分子,使发光分子中的电子被激发到激发态,而激发态是一个不稳定的状态，去激过程产生可

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见光。为增强电子和空穴的注入和传输能力，通常又在ITO和发光层间增加一层有机空穴传输材料或/和在发光层与金属电极之间增加一层电子传输层，以提高发光效率。发光过程的Jablonski能级图如图 1所示：

S2InternalconversionS1IntersystemcrossingT1AbsorptionFluorescencePhosphorescence2S010 图 1 发光过程度能级图

其能量可以通过以下的几种方式释放:1通过振动驰豫、热效应等耗散途径使体系能量衰减;2通过非辐射的跃迁,耗散能量,比如内部转换、系间窜跃等形式,如S1→T1;3通过辐射跃迁的荧光发光(S1→S0,S2→S0)和磷光发光(T1→S0).在能量释放时,这些不同形式的能量耗散过程是一个相互竞争的过程.由于在常温下,有机分子的磷光非常弱,所以只有其中空穴和电子复合成单重态激子的部分才能通过辐射跃迁发射荧光,从而成为有效的有机电致发光.其中本身能发生辐射跃迁发光的那部分只是所吸收的总体能量中很小的一部分,即总体吸收的能量中能够转化为电致发光部分的能量很少.而且,在器件的制备过程中,材料的缺陷、电极的纯度以及不同材料界面对发光强度和整体性能都有很大的影响.

有机小分子电致发光的原理是:从阴极注入电子,从阳极注入空穴,被注入的电子和空穴在有机层内传输。第一层的作用是传输空穴和阻挡电子,使得没有与空穴复合的电子不能进入正电极,第二层是电致发光层,被注入的电子和空穴在有机层内传输,并在发光层内复合,从而激发发光层分子产生单态激子,单态激子辐射衰减而发光。对于聚合物电致发光过程则解释为:在电场的作用下,将空穴和电子分别注入到共轭高分子的最高占有轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO),于是就会产生正、负极子,极子

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在聚合物链段上转移,最后复合形成单态激子,单态激子辐射衰减而发光。

也有人认为,电致发光机理属于注入式发光,在正向偏压的作用下,ITO电极向电荷传输层注入空穴,在电场的作用下向传输层界面移动,而由铝电极注入的电子也由电子传输层向界面移动,由于势垒的作用,电子不易进入电荷传输层,而在界面附近的发光层(Alq)一侧积累。由于激子产生的几率与电子和空穴浓度的乘积成正比,在空穴进入Alq层后与电子界面处结合而产生激子的几率很大,因而几乎所有的激子都是在界面处与Alq层一侧很狭窄的区域(约36nm)内产生。因而发光不仅仅是在Alq层,而且主要在电子/空穴传输层的界面[6]。

小型单色有机电致发光器件基本上都是三层结构。全色有机EL显示器为多层结构，一般超过三层。

Cathode Electron transporting layer Emitting layer Anode Light

图 2 单色有机电致发光显示板基本结构

图 3全色有机电致发光器件结构图

4．OLED工作过程及材料

（1） 注入层

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理想阴极是以低功函数金属作为注入层，以具有较高功函数的稳定金属（Mg/Ag,Li/Al）作为钝化层。

阳极是由透明或半透明导体制成的。ITO玻璃表面电阻很容易在80?/?以下。理想的OLED需要表面粗糙度小的高质量玻璃基片。 （2） 输运层

图中所示的器件中可以看出,有机电致发光薄膜器件的特点是均有电子传输层与空穴传输层,而发光层却不一定单独存在,可以是电子或空穴传输层既为传输层又为发光层。一般情况下这些薄膜器件都表现出单向极化特性,以便使空穴于电子的复合在发光层中进行,因此在ITO侧加正向电压为阳极,金属电极为阴极。从器件的电场能带图上看,要使器件具有更好的电光性能,则各薄膜之间的能带匹配是十分重要的。如金属电极薄膜就应该尽可能低的功函数,以便电子更易注入电子传输层,一般为金属镁,银合金薄膜或铝电极薄膜;从电子与空穴传输的角度,如果有机空穴传输(HTL)薄膜的LUMO(分子最低空轨道)比电子传输(ETL)薄膜分子的LUMO高很多,将阻隘电子注入HTL,同样如果ETL的HOMO(分子最高占据轨道)比HTL的低很多,也将限制空穴进入ETL。有机电致发光由于是一种注入式发光,因此在器件的薄膜设计上除了考虑电子空穴传输特性之外,还要考虑ETL与HTL之间的能带之间的匹配,特别是当发光层在HTL侧或ETL侧时,应充分考虑两层薄膜能级上差异,以尽可能地将电子空穴的复合区放在发光媒介区,以获得最大的发光效率。

电子输运材料（ETM）：荧光染料化合物。必须热稳定和表面稳定，有机金属络合物具有足够的热稳定性。为了保证有效的电子注入，ETM的LUMO能级（分子最低空轨道）应与阴极的功函数相匹配。Alq被广泛用于绿光EL，Balq和DPVBi则被广泛应用于蓝光EL。

空穴输运材料（HTM）属于一类芳香胺化合物。必须热稳定性要好。绝大多数HTM用的是TPD（Tg＝60?C），最稳定的器件采用NPB（Tg＝100?C）。 （3） 发光层

由在荧光基质材料中掺杂百分之几的荧光掺杂剂来制备。基质材料通常与ETM或HTM采用的材料相同，荧光掺杂剂是热和光化学稳定的激光染料。荧光染料必须具有较高的量子效率和足够的热稳定性，升华而不会分解。

芘作为蓝光发射层的掺杂剂[7]； MQA作为绿光发射层的掺杂剂； 红荧烯为黄光发射层的掺杂剂；

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竞争对手。但OLED自身还存在一些缺点，因此如何克服这些缺点是研究的焦点。另外将低温多晶硅技术与OLED结合起来的有源矩阵驱动有机电致发光显示技术是未来发展的方向，日本与台湾厂家纷纷将非晶硅生产线改造成为多晶硅生产线与OLED配套并已经实现小尺寸显示面板的量产。为了能够与在OLED的产业化过程中占据一席之地，在研发OLED新型材料的同时，积极开发低温多晶硅技术是重中之重。 参考文献

[1] 初国强，王子君，刘星元等，光机电信息，2001，8: 14 [2] Tang C W, Appl. Phys. Lett., 1987, 51: 913 [3]滕鹤松，固体电子学研究与进展，2002， 22(3): 265 [4]吴忠帜，林于庭，张兴华等，光训，2002，98: 13 [5]杨素华，林钰璇，戴惠雯等，光训，2992，98: 29 [6]陈寿安，彭刚勇，光训，2002, 95: 25

[7]郑新友，吴有智，朱文清等，发光学报，2002, 23(4): 357 [8]陈光荣，林彦仲， 光训， 2002, 98: 23 [9]陈金鑫，徐士峰，李世男等，光训，2002，98: 7

The Fundamental Principle and Progress in Organic Light Emitting Diode (OLED)

Yao Huawen Wang Guangyu

Abstract: In this paper, the development history, structure, working characters, methods of getting color display of OLED and its advantages/disadvantages, developing situation and trend have been reviewed. The performance of low molecular OLED and high molecular PLED, and OLED and LCD have been compared in detail. Particularly the display principle of OLED was instructed clearly. Moreover, the structure of passive driving circuit and active driving circuit were generalized, and considered that active driving OLED would be the terminal trends. And in the end of this paper, we generalized the developing status of OLED in domestic and foreign countries.

Key Words: Low Molecular OLED; High Molecular PLED; Passive Driving; Active Driving.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/v6f7.html