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OLED产业研发现状解析

导读: 有机发光二极管(OLED)自从问世之初,由于其众多优点而被广泛认为是最有希望的下一代显示技术,在液晶的背光源和固态照明光源领域也显示出了潜在的应用前景。有机发光二极管的低成本、低能耗优势以及柔性弯曲的特点,使这种发光二极管在下一代显示、液晶的背光源和固态照明三个核心领域呈现出巨大的市场,吸引了众多厂

    有机发光二极管(OLED)自从问世之初,由于其众多优点而被广泛认为是最有希望的下一代显示技术,在液晶的背光源和固态照明光源领域也显示出了潜在的应用前景。有机发光二极管的低成本、低能耗优势以及柔性弯曲的特点,使这种发光二极管在下一代显示、液晶的背光源和固态照明三个核心领域呈现出巨大的市场,吸引了众多厂商参于其中,极大的推动了OLED产业的进步。在过去的十年中,OLED的效率平均每年都要提高一倍,符合LED的Haitz定律。从总体上看,OLED产业主要有三大领域,一是以OLED材料和器件为中心;二是以OLED面板、制造方法的概念为中心;三是以显示装置驱动方法等为中心的领域。本文主要从有机器件结构和材料的方面做主要评述。

 

    目前有众多国内外厂商和实验室从事OLED的材料与显示器件的研究开发工作,从材料的角度看,主要有3类:一是以英国剑桥显示技术公司、皇家飞利浦和日本住友化学等为代表的高分子材料阵营;二是以伊斯曼柯达、环宇显示和日本出光兴产等为代表的小分子阵营;最后一类是树枝状发光材料,由于其发光特性可以方便地由中心核调换不同的荧光染料来实现,另外大量的表面功能团和不同的代数可供选择来得到一些有趣的性质,如载流子传输功能、区域隔离效应、溶解性和天线效应等,最重要的是,该类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,已经被认为是最具发展的第三类材料体系。对于任何材料体系而言,目前都面临两个主要问题:一是如何获得高的效率;二是寿命与稳定性,如长时间静止画面的保持等;还有个后续问题就是如何得到高的迁移率,低的操作电压,从而降低功耗,为将来低功耗面板打下坚实的基础。这其中蓝光材料的效率与寿命一直都是瓶颈,出光兴产与索尼于08年5月19日宣布,共同开发出蓝色发光OLED元件,并已证实内部量子效率为28.5%,且发光寿命为3万小时以上,就荧光型发光材料而言,这一发光效率为全球最高水平。英国剑桥显示器技术公司和日本 Sumation公司宣布蓝色高分子OLED材料取得新的提高,与07年3月发布的材料相比,寿命提高了40%,其蓝光材料在初始亮度为1000cd每平方米时的半衰寿命已经达到1万小时,按400cd每平方米亮度换算则为6万2000小时。为了使器件寿命能实现大幅提高,不仅要得到高效率的发光材料,还需要改进空穴注入材料和电子传输材料,从而提高载流子的注入和传输平衡,同时也要考虑将载流子有效地限制在发光层内来进一步提高器件效率,例如出光兴产采用新的电子传输材料来代替传统的8羟基喹啉铝(Alq3),有效地降低了启亮电压,提高的器件的效率和稳定性。

 

     在不断提高单色有机发光材料与器件的同时,人们也在考虑将红、绿、蓝三基色光复合实现白光,用于显示、液晶背光和照明。一般来说,有两大类技术得到白光 OLED:第一类被称之为下转换(downconversion),通过蓝光或紫外光激发光子,每个受激发的单元发出不同的光混合之后得到白光;第二类被称为色彩混合,这类技术是指通过混合两种互补颜色的光(橘黄+蓝光)或者三原色(红+绿+蓝)来得到白光。在有机发光器件实施方面,目前主要有多发射层白光器件、激基复合物/激基缔合物复合发光白光器件,微腔结构白光器件、水平或垂直层叠结构白光器件、多重掺杂/共混单发射层白光器件。对于多发射层白光器件,该方法将每种发光材料掺杂在不同层的主体材料构成多种客体的多层发光器件结构,通过控制各有机层的复合电流,达到红、绿、蓝发射层同时发光实现白光的目的。

 

    例如,美国科学家利用三层光发光层(3-EML)结构,开发出了性能非常优越的白光OLED,在亮度(luminance)为1000cd每平方米时的最大发光效率达64±3lm/W,显色指数(CRI)达81;中科院长春应化所结合界面修饰技术,利用红、绿、蓝三发光层结构开发出了高效率的全荧光型白光 OLEDs,最大亮度超过了40000cd每平方米,最大效率达到了20.8cd/A和16.8lm/W,寿命在500cd每平方米的亮度下超过了 3500小时。三色白光OLED结构由于采用真空蒸镀的方法,各层厚度都可以得到很好的控制从而得到了具有理想色纯度的白光发射,并且目前性能比较好的白光OLED都采用这种结构。对于多重掺杂的单发射层白光器件,为了保证所有的发射来自于同一个发射层,必须使得产生白光的几个掺杂剂在同一个主体材料中混合。在这个器件结构中,由于蓝色掺杂剂是唯一形成激子的位置,一旦激子形成,向绿光和红光掺杂剂发生能量转移,从而产生绿光和红光发射,在器件的发光过程中,白光的色坐标基本不会变化,目前这种多重掺杂白光器件也得到较好的性能。尽管这两种结构白光器件都得到很好的效果,但是从器件制备的繁简性角度考虑,设计简单的单层单发射白光器件应该是最好的选择。

 

    美国环宇显示技术公司(UDC)在SID2007 上以标题为"有效率的白色磷光OLED器件"向人们展示了其白光OLED白色磷光OLED技术新成果。拥有新型结构的白光OLED外量子效率为20%,发光效率相当于33cd/A,其色坐标为(0.38,0.39),在1000cd每平方米亮度下的工作寿命超过4000小时,这是目前报道的外量子效率最高的单层白光OLED。UDC在2008年5月举办的"SocietyforInformationDisplay2008"展会上,发布发光效率为 72lm/W的白光OLED,最近又发布了亮度为1000cd每平方米时的发光效率可达102lm/W的有机白光OLED,其显色指数(CRI)为70,色温为3900K。德国Novaled公司宣称他们已经开发出了照明用白光OLED,其发光效率目前为50lm/W,达到了白炽灯20lm/W的2倍以上,其试制的白光OLED照明产品在1000cd每平方米亮度下具有1万小时以上的寿命,发光效率为40~60lm/W,具有非常薄的特点,这些高性能白光OLED的取得极大推进了OLED在照明领域的发展和应用步伐。欧司朗光电半导体预测,OLED照明的市场规模将在2015年达到数十亿欧元。不过,要想实现OLED在普通照明领域的应用,就需要开发低成本量产技术。

 

    OLED的商用化在1997年以后得到了切实的发展,迄今1-3英寸的小尺寸单色和彩色无源驱动面板已经在手机副屏和主屏、小型音乐播放器等方面得到了应用,年产量超过7000W片,但我们不能指望今后的无源驱动OLED在显示领域会有大规模的发展,因为其在大尺寸化与高清晰化方面存在技术性局限,使应用领域大大受限。今后的主流应该是有源驱动型OLED,韩国Displaybank公布了08年第一季度有源矩阵型OLED面板的供货业绩调查结果,供货量为272万3000块,增至上年同期的28倍左右,足以见其发展迅速。有源驱动型OLED另一个显著优势是高开口率,同时降低电耗提高寿命。针对有源驱动型OLED,人们往往采用顶发射、反转型和微腔型器件结构和高对比度器件以及它们的组合,目前的产品大多采用顶发射或者顶发射+微腔结构的器件。2007 年12月份上市的Sony公司的11英寸OLED"XEL-1"电视即采用顶发射+彩色滤光片+微腔结构。这款产品的上市也开启了OLED电视的新纪元,成为有机半导体工业发展的强大推动力,迈出了在提出概念20年之后走向产业化的坚实的第一步。

 

    对于OLED在显示领域的应用,从性能角度来看,荧光型有机分子材料体系已足够满足要求,荧光型有机分子材料具有高稳定性的优点,通过器件结构的设计和相关辅助材料的匹配,红、绿、蓝荧光型有机分子材料的器件效率分别达到了12cd/A、36.3cd/A和11.4cd/A,在1000cd每平方米的初始亮度下,寿命分别达到了15万、6.2万和2万小时,即使是荧光型白光OLED,其效率也达到了16cd/A,寿命超过了7万小时。今后,除了进一步改善材料器件性能,特别是蓝光材料的器件性能,开发新的材料体系外,在显示面板上主要解决局部不均匀与面板整体不均匀问题、面板的解析度问题、面板的超薄膜化问题,这里主要是薄膜封装问题和低成本化工艺技术问题等。实际上,要与液晶显示在显示领域一决天下,最终要解决的就是成本问题,目前各公司均使用第3.5 代或第4.5代的halfcut(半截)式玻璃基板,要降低有机显示面板的成本,就必须采用全尺寸的玻璃基板,同时还需要进一步提高生产节拍,提高产量。为了扩大量产规模和扩大基板尺寸,制造设备的厂家就需要向有机显示产业界提供更大的设备。还有,提高材料的利用率也是面临的降低成本的一个问题,因为目前的材料利用率还不到5%,要至少提高到20%以上才能满足要求,显然这些都是与液晶显示开展竞争必须面临的艰巨的挑战。

 

    对于OLED在照明领域的应用,要达到照明对高功率效率(至少大于50lm/W)的要求,荧光型有机分子材料体系已经无法满足要求,必须使用效率更高的电磷光有机分子材料体系,但与稳定性更好的荧光型有机分子材料体系相比,电磷光有机分子材料还存在稳定性和高电流密度下效率降低的问题,这也是白光OLED 在照明领域应用首先必须解决的最重要的问题。同样地,照明白光OLED也存在大面积化和加工成本的问题,必须从制造工艺上给予解决。

 

    总之,任何一项新技术从实验室走向产业界都不是一帆风顺的,众所周知,无机LED照明技术在最近两三年取得了突破性进展,这是因为使用GaN的蓝光LED 投入了实用,比红光LED晚了10年以上。而液晶在20世纪60年代第一款计算器屏幕到现在已经走了40年的历程才取得今天的市场地位。所以,尽管今天 OLED在产业化道路上还有很多道路要走,但是前途是无限光明的。

 

(编辑:小曾)

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