OLED的結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)缺點(diǎn)

第一節(jié)、概述

OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管(OrganicLight-EmittingDiode)，又稱為有機(jī)電激光顯示(OrganicElectroluminesenceDisplay,OELD)。因?yàn)榫邆漭p薄、省電等特性，因此從2003年開(kāi)始，這種顯示設(shè)備在MP3播放器上得到了廣泛應(yīng)用，而對(duì)于同屬數(shù)碼類產(chǎn)品的DC與手機(jī)，此前只是在一些展會(huì)上展示過(guò)采用OLED屏幕的工程樣品，還并未走入實(shí)際應(yīng)用的階段。但OLED屏幕卻具備了許多LCD不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此它也一直被業(yè)內(nèi)人士所看好。

OLED顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無(wú)需背光燈，采用非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，這些有機(jī)材料就會(huì)發(fā)光。而且OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄，可視角度更大，并且能夠顯著節(jié)省電能。

目前在OLED的二大技術(shù)體系中，低分子OLED技術(shù)為日本掌握，而高分子的PLEDLG手機(jī)的所謂OEL就是這個(gè)體系，技術(shù)及專利則由英國(guó)的科技公司CDT掌握，兩者相比PLED產(chǎn)品的彩色化上仍有困難。而低分子OLED則較易彩色化，不久前三星就發(fā)布了65530色的手機(jī)用OLED。

不過(guò)，雖然將來(lái)技術(shù)更優(yōu)秀的OLED會(huì)取代TFT等LCD，但有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)還存在使用壽命短、屏幕大型化難等缺陷。目前采用OLED的主要是三星如新上市的SCH-X339就采用了256色的OLED，至于OEL則主要被LG采用在其CU81808280上我們都有見(jiàn)到。

為了形像說(shuō)明OLED構(gòu)造，可以將每個(gè)OLED單元比做一塊漢堡包，發(fā)光材料就是夾在中間的蔬菜。每個(gè)OLED的顯示單元都能受控制地產(chǎn)生三種不同顏色的光。OLED與LCD一樣，也有主動(dòng)式和被動(dòng)式之分。被動(dòng)方式下由行列地址選中的單元被點(diǎn)亮。主動(dòng)方式下，OLED單元后有一個(gè)薄膜晶體管(TFT)，發(fā)光單元在TFT驅(qū)動(dòng)下點(diǎn)亮。主動(dòng)式的OLED比較省電，但被動(dòng)式的OLED顯示性能更佳。

第二節(jié)、OLED的結(jié)構(gòu)、原理

OLED的基本結(jié)構(gòu)是由一薄而透明具半導(dǎo)體特性之銦錫氧化物(ITO)，與電力之正極相連，再加上另一個(gè)金屬陰極，包成如三明治的結(jié)構(gòu)。整個(gè)結(jié)構(gòu)層中包括了：電洞傳輸層(HTL)、發(fā)光層(EL)與電子傳輸層(ETL)。當(dāng)電力供應(yīng)至適當(dāng)電壓時(shí)，正極電洞與陰極電荷就會(huì)在發(fā)光層中結(jié)合，產(chǎn)生光亮，依其配方不同產(chǎn)生紅、綠和藍(lán)RGB三原色，構(gòu)成基本色彩。OLED的特性是自己發(fā)光，不像TFTLCD需要背光，因此可視度和亮度均高，其次是電壓需求低且省電效率高，加上反應(yīng)快、重量輕、厚度薄，構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低等，被視為21世紀(jì)最具前途的產(chǎn)品之一。

有機(jī)發(fā)光二極體的發(fā)光原理和無(wú)機(jī)發(fā)光二極體相似。當(dāng)元件受到直流電(DirectCurrent;DC)所衍生的順向偏壓時(shí)，外加之電壓能量將驅(qū)動(dòng)電子(Electron)與電洞(Hole)分別由陰極與陽(yáng)極注入元件，當(dāng)兩者在傳導(dǎo)中相遇、結(jié)合，即形成所謂的電子-電洞復(fù)合(Electron-HoleCapture)。而當(dāng)化學(xué)分子受到外來(lái)能量激發(fā)後，若電子自旋(ElectronSpin)和基態(tài)電子成對(duì)，則為單重態(tài)(Singlet)，其所釋放的光為所謂的螢光(Fluorescence);反之，若激發(fā)態(tài)電子和基態(tài)電子自旋不成對(duì)且平行，則稱為三重態(tài)(Triplet)，其所釋放的光為所謂的磷光(Phosphorescence)。

當(dāng)電子的狀態(tài)位置由激態(tài)高能階回到穩(wěn)態(tài)低能階時(shí)，其能量將分別以光子(LightEmission)或熱能(HeatDissipation)的方式放出，其中光子的部分可被利用當(dāng)作顯示功能;然有機(jī)螢光材料在室溫下并無(wú)法觀測(cè)到三重態(tài)的磷光，故PM-OLED元件發(fā)光效率之理論極限值僅25%。

PM-OLED發(fā)光原理是利用材料能階差，將釋放出來(lái)的能量轉(zhuǎn)換成光子，所以我們可以選擇適當(dāng)?shù)牟牧袭?dāng)作發(fā)光層或是在發(fā)光層中摻雜染料以得到我們所需要的發(fā)光顏色。此外，一般電子與電洞的結(jié)合反應(yīng)均在數(shù)十奈秒(ns)內(nèi)，故PM-OLED的應(yīng)答速度非常快。

P.S.：PM-OLEM的典型結(jié)構(gòu)。典型的PM-OLED由玻璃基板、ITO(indiumtinoxide;銦錫氧化物)陽(yáng)極(Anode)、有機(jī)發(fā)光層(EmittingMaterialLayer)與陰極(Cathode)等所組成，其中，薄而透明的ITO陽(yáng)極與金屬陰極如同三明治般地將有機(jī)發(fā)光層包夾其中，當(dāng)電壓注入陽(yáng)極的電洞(Hole)與陰極來(lái)的電子(Electron)在有機(jī)發(fā)光層結(jié)合時(shí)，激發(fā)有機(jī)材料而發(fā)光。

而目前發(fā)光效率較佳、普遍被使用的多層PM-OLED結(jié)構(gòu)，除玻璃基板、陰陽(yáng)電極與有機(jī)發(fā)光層外，尚需制作電洞注入層(HoleInjectLayer;HIL)、電洞傳輸層(HoleTransportLayer;HTL)、電子傳輸層(ElectronTransportLayer;ETL)與電子注入層(ElectronInjectLayer;EIL)等結(jié)構(gòu)，且各傳輸層與電極之間需設(shè)置絕緣層，因此熱蒸鍍(Evaporate)加工難度相對(duì)提高，制作過(guò)程亦變得復(fù)雜。

由于有機(jī)材料及金屬對(duì)氧氣及水氣相當(dāng)敏感，制作完成後，需經(jīng)過(guò)封裝保護(hù)處理。PM-OLED雖需由數(shù)層有機(jī)薄膜組成，然有機(jī)薄膜層厚度約僅1,000～1,500A°(0.10～0.15um)，整個(gè)顯示板(Panel)在封裝加乾燥劑(Desiccant)後總厚度不及200um(2mm)，具輕薄之優(yōu)勢(shì)。

第三節(jié)、有機(jī)發(fā)光材料的選用

有機(jī)材料的特性深深地影響元件之光電特性表現(xiàn)。在陽(yáng)極材料的選擇上，材料本身必需是具高功函數(shù)(Highworkfunction)與可透光性，所以具有4.5eV-5.3eV的高功函數(shù)、性質(zhì)穩(wěn)定且透光的ITO透明導(dǎo)電膜，便被廣泛應(yīng)用于陽(yáng)極。在陰極部分，為了增加元件的發(fā)光效率，電子與電洞的注入通常需要低功函數(shù)(Lowworkfunction)的Ag、Al、Ca、In、Li與Mg等金屬，或低功函數(shù)的復(fù)合金屬來(lái)制作陰極(例如：Mg-Ag鎂銀)。

適合傳遞電子的有機(jī)材料不一定適合傳遞電洞，所以有機(jī)發(fā)光二極體的電子傳輸層和電洞傳輸層必須選用不同的有機(jī)材料。目前最常被用來(lái)制作電子傳輸層的材料必須制膜安定性高、熱穩(wěn)定且電子傳輸性佳，一般通常采用螢光染料化合物。如Alq、Znq、Gaq、Bebq、Balq、DPVBi、ZnSPB、PBD、OXD、BBOT等。而電洞傳輸層的材料屬于一種芳香胺螢光化合物，如TPD、TDATA等有機(jī)材料。

有機(jī)發(fā)光層的材料須具備固態(tài)下有較強(qiáng)螢光、載子傳輸性能好、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性佳、量子效率高且能夠真空蒸鍍的特性，一般有機(jī)發(fā)光層的材料使用通常與電子傳輸層或電洞傳輸層所采用的材料相同，例如Alq被廣泛用于綠光，Balq和DPVBi則被廣泛應(yīng)用于藍(lán)光。

一般而言，OLED可按發(fā)光材料分為兩種：小分子OLED和高分子OLED(也可稱為PLED)。小分子OLED和高分子OLED的差異主要表現(xiàn)在器件的制備工藝不同：小分子器件主要采用真空熱蒸發(fā)工藝，高分子器件則采用旋轉(zhuǎn)涂覆或噴涂印刷工藝。小分子材料廠商主要有：Eastman、Kodak、出光興產(chǎn)、東洋INK制造、三菱化學(xué)等;高分子材料廠商主要有：CDT、Covin、DowChemical、住友化學(xué)等。目前國(guó)際上與OLED有關(guān)的專利已經(jīng)超過(guò)1400份，其中最基本的專利有三項(xiàng)。小分子OLED的基本專利由美國(guó)Kodak公司擁有，高分子OLED的專利由英國(guó)的CDT(CambridgeDisPlayTechnology)和美國(guó)的Uniax公司擁有。

第四節(jié)、OLED關(guān)鍵工藝

一、氧化銦錫(ITO)基板前處理

(1)ITO表面平整度：ITO目前已廣泛應(yīng)用在商業(yè)化的顯示器面板制造，其具有高透射率、低電阻率及高功函數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。一般而言，利用射頻濺鍍法(RFsputtering)所制造的ITO，易受工藝控制因素不良而導(dǎo)致表面不平整，進(jìn)而產(chǎn)生表面的尖端物質(zhì)或突起物。另外高溫鍛燒及再結(jié)晶的過(guò)程亦會(huì)產(chǎn)生表面約10~30nm的突起層。這些不平整層的細(xì)粒之間所形成的路徑會(huì)提供空穴直接射向陰極的機(jī)會(huì)，而這些錯(cuò)綜復(fù)雜的路徑會(huì)使漏電流增加。一般有三個(gè)方法可以解決這表面層的影響?U一是增加空穴注入層及空穴傳輸層的厚度以降低漏電流，此方法多用于PLED及空穴層較厚的OLED(~200nm)。二是將ITO玻璃再處理，使表面光滑。三是使用其它鍍膜方法使表面平整度更好。

(2)ITO功函數(shù)的增加：當(dāng)空穴由ITO注入HIL時(shí)，過(guò)大的位能差會(huì)產(chǎn)生蕭基能障，使得空穴不易注入，因此如何降低ITO/HIL接口的位能差則成為ITO前處理的重點(diǎn)。一般我們使用O2-Plasma方式增加ITO中氧原子的飽和度，以達(dá)到增加功函數(shù)之目的。ITO經(jīng)O2-Plasma處理后功函數(shù)可由原先之4.8eV提升至5.2eV，與HIL的功函數(shù)已非常接近。

加入輔助電極，由于OLED為電流驅(qū)動(dòng)組件，當(dāng)外部線路過(guò)長(zhǎng)或過(guò)細(xì)時(shí)，于外部電路將會(huì)造成嚴(yán)重之電壓梯度，使真正落于OLED組件之電壓下降，導(dǎo)致面板發(fā)光強(qiáng)度減少。由于ITO電阻過(guò)大(10ohm/square)，易造成不必要之外部功率消耗，增加一輔助電極以降低電壓梯度成了增加發(fā)光效率、減少驅(qū)動(dòng)電壓的快捷方式。鉻(Cr：Chromium)金屬是最常被用作輔助電極的材料，它具有對(duì)環(huán)境因子穩(wěn)定性佳及對(duì)蝕刻液有較大的選擇性等優(yōu)點(diǎn)。然而它的電阻值在膜層為100nm時(shí)為2ohm/square，在某些應(yīng)用時(shí)仍屬過(guò)大，因此在相同厚度時(shí)擁有較低電阻值的鋁(Al：Aluminum)金屬(0.2ohm/square)則成為輔助電極另一較佳選擇。但是，鋁金屬的高活性也使其有信賴性方面之問(wèn)題因此，多疊層之輔助金屬則被提出，如：Cr/Al/Cr或Mo/Al/Mo，然而此類工藝增加復(fù)雜度及成本，故輔助電極材料的選擇成為OLED工藝中的重點(diǎn)之一。

二、陰極工藝

在高解析的OLED面板中，將細(xì)微的陰極與陰極之間隔離，一般所用的方法為蘑菇構(gòu)型法(Mushroomstructureapproach)，此工藝類似印刷技術(shù)的負(fù)光阻顯影技術(shù)。在負(fù)光阻顯影過(guò)程中，許多工藝上的變異因子會(huì)影響陰極的品質(zhì)及良率。例如，體電阻、介電常數(shù)、高分辨率、高Tg、低臨界維度(CD)的損失以及與ITO或其它有機(jī)層適當(dāng)?shù)酿ぶ涌诘取?/p>

三、封裝

⑴吸水材料：一般OLED的生命周期易受周圍水氣與氧氣所影響而降低。水氣來(lái)源主要分為兩種：一是經(jīng)由外在環(huán)境滲透進(jìn)入組件內(nèi)，另一種是在OLED工藝中被每一層物質(zhì)所吸收的水氣。為了減少水氣進(jìn)入組件或排除由工藝中所吸附的水氣，一般最常使用的物質(zhì)為吸水材(Desiccant)。Desiccant可以利用化學(xué)吸附或物理吸附的方式捕捉自由移動(dòng)的水分子，以達(dá)到去除組件內(nèi)水氣的目的。

⑵工藝及設(shè)備開(kāi)發(fā)：封裝工藝之流程如圖四所示，為了將Desiccant置于蓋板及順利將蓋板與基板黏合，需在真空環(huán)境或?qū)⑶惑w充入不活潑氣體下進(jìn)行，例如氮?dú)?。值得注意的是，如何讓蓋板與基板這兩部分工藝銜接更有效率、減少封裝工藝成本以及減少封裝時(shí)間以達(dá)最佳量產(chǎn)速率，已儼然成為封裝工藝及設(shè)備技術(shù)發(fā)展的3大主要目標(biāo)。

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