毕业设计（论文）-OLED显示器的现状与展望.doc

毕业论文OLED显示器的现状与展望Present situation and prospect of OLED displays摘 要 OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。其根据驱动方式的不同分为主动式OLED（AMOLED）和被动式OLED（PMOLED）。近年来，OLED因其优势在各领域有了突破性发展，并广泛应用于MP3显示，在照明领域也有可观的前景。许多公司也于展览会、期刊等展示了OLED的各种先进产品。关键词：OLED显示器、发光原理、AMOLED、OLED发展ABSTRACTOLED, the Organic Light Emitting Diode (Organic Light - Emitting Diode), due to have a combination of self-illumination, needs no back Light, high contrast, thin thickness, wide Angle, fast response speed, can be used in the flexural properties panel, using temperature range, structure and process is relatively simple, unique features, is considered to be the next generation of emerging application of flat panel display technology. According to the different driving mode can be divided into active OLED (AMOLED) and passive OLED (PMOLED). OLED due to its advantages in various fields in recent years, with the breakthrough development, and is widely used in MP3 display, also has considerable prospects in the field of lighting. Many companies in the exhibition, such as journal shows the various advanced OLED products. Key words: development of OLED display, luminous principle, AMOLED, OLED . 目 录 第一章 绪论.51.1 OLED显示器的意义.51.2 OLED 显示器的主要问题. . . 5第二章OLED显示屏的现状.82.1OLED显示器的特点. 82.2OLED显示器的应用领域.92.3OLED显示器的技术现状. . . .10第三章OLED显示器的结构及显示原理.123.1OLED显示器的结构 . . . . . 123.2OLED显示器的原理. .13第四章 OLED显示器的优缺点. .164.1OLED显示器的优点.164.2OLED显示器的缺点. . 17第五章OLED显示器的展望. . . . .185.1OLED显示器的发展领域.185.2OLED显示器的发展现况.195.3OLED显示器的发展空间.19结论.26参考文献.27致谢.28第一章 绪论1.1OLED显示器的意义随着科学技术的发展，信息显示技术也在不断地更新换代。从传统的阴极射线管(CRT)发展到了先进的液晶屏(LCD)。现正在向第3代显示技术过渡。作为第3代显示技术候选的有等离子体放电显示屏(PDP)、有机电致发光屏(OLED)、发光二极管(LED)、电场激发发光(FED)等。现在在研究开发方面竞争得最激烈的是PDP、OLED、LCD。它们各有所长，但追求的最终目标都是一样的，即要求达到质轻、体薄、高亮度、快速响应、高清析度、低电压、高效率、长寿命、低成本。本文就当前公认为最理想的显示技术，即OLED做简单介绍当今世界，电子技术迅猛发展，点阵式显示器件作为信息显示的重要媒体，在金融证券、体育、邮电电信等许多领域中得到了广泛应用。因此点阵式显示器件的研制、生产也得到了迅速的发展，并逐步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。由于LED电子显示屏具有所显内容信息量大，外形美观大方，操作使用方便灵活，适用于火车、汽车站、码头、金融证券市场、文化中心、信息中心体育设施等公共场所。该设计广泛涉及了计算机及电子技术中的电源技术，单片机技术，数据通信技术，显示技术，存储技术，系统软件技术，接口及驱动等技术。我国经济发展迅猛，对信息传播有越来越高的要求，可以相信，OLED电子显示屏以其大的显示信息量，寿命长，耗电量小，重量轻，空间尺寸小，稳定性高，易于操作，安装和维护等特点，将在社会经济发展中扮演越来越重要的角色。本设计利用单片机对整个系统进行总体控制，进行显示所要显示的汉字和字符。其中显示字模数据有单片机输入显存，点阵的点亮过程有程序控制，由驱动电路完成。点阵采用单色显示，该显示器电路的特点是：点阵的动态显示过程占用时间比较短，亮度均匀。 1.2 OLED显示器的主要问题 虽然OLED技术可称之为最理想的显示技术。但对它的研究开发历史并不长，要想真正实现其产业化，必须克服以下一些具体的难题；即因大面积化带来的问题，从单色显示到多色显示带来的问题，封装技术与使用寿命的问题，阴极电极微细化的问题，驱动技术问题等。 从实验室到工业化，器件的大面积化将带来工艺、设备技术和驱动技术等方面的问题。比如大面积基板的镀膜均匀性问题。有机膜的不均匀性将导致发光亮度和色彩的不均匀性，影响显示效果。显示面积增大，意味着器件必须有很高的瞬间亮度和高的发光效率，并在高亮度下有良好的稳定性。也就是说，在100cd/m2得到的所谓寿命数据并不能确保实际应用的寿命。透明电极ITO的面阻抗问题也将显得越来越突出。透明度高，阻抗小的ITO基板的开发将是有机电致发光技术工业化过程中的一个重大课题。 从单色显示到多色显示和彩色过渡时，将三种不同的发光材料分别镀在同一象素的非常临近的三个小区域上将是又一大难题。而且，对于用高分子发光材料的器件来说问题更为突出。另外，长期使用过程中的三基色的相对稳定性问题也会显现出来。这些问题必须通过材料、制造工艺和驱动电路技术来综合解决。要实现商业化，使用寿命问题必须解决，从材料和器件结构着手是途径之一。但是封装技术也不能忽视，甚至更为重要。 驱动技术在实验室研究阶段或器件面积不大时不显得重要。因为不采用复杂的驱动电路也能实现良好的显示效果。但一旦考虑到产业化和大面积化。此问题就会变得非常突出。这是因为有机电致发光是一个电流支配过程，不同于在诸如液晶显示类的电压支配过程。而至今为止，还没有一套成熟地高度集成地大电流驱动IC。 阴极电极(多为活性大的金属)微细化问题也是在有机电致发光技术工业化过程中要遇到且必须解决地一个重要难题。其难就难在由于一旦镀上有机膜后，器件就绝对不能与有机溶剂及活性气体接触，也就是说不能采用二次加工的方式来形成微细阴极电极。 在有机电致发光技术的产业化过程中，虽然会遇到以上诸多难题，但由于OLED是一个划时代的高新技术。在所有的显示技术中，只有它才能真正地把显示屏带到野外，带进严寒地区，带到宇宙，真正地实现显示屏亮、轻、薄、快、低功耗、全方位等理想特性。相信随着研究开发的深入和完善，以上问题是可以得到解决的。第二章 OLED显示器的现状2.1 OLED显示器的特点现在，巳经实际应用的电子显示技术主要有以下几种：即阴极射线管(CRT)、液晶显示屏(LCD)、发光二极管(LED)、无机电致发光器件(无机 EL)、等离子体放电显示屏(PDP)、真空萤光管(VFD)、电场激发发光(FED)；图2是几种显示器的基本结构变迁的比较。各种显示方式的性能比较如表1所示。OLED的主要特点有：1与CRT相比较，OLED具有驱动电压低、体积小、重量轻；特别是其厚度薄于其它任何一种显示器件，可以薄如一张纸贴在壁上使用。是实现壁挂式、可卷可折式电视的最理想的技术。2液晶显示屏驱动电压低、品种多、而且它巳具有大规模生产技术，特别是日趋成熟的TFT技术等优势和已形成的市场优势。但是其显示方式是一种被动式的，必需要有光源。此外、LCD仍然存在响应速度慢(出现残像)，难以实现高亮度等难题。OLED恰好可以克服这些缺点。其响应速度是液晶的1000倍以上，其亮度也远远优于液晶。3OLED器件不像LED，要在基板上长单晶，所以LED难以实现大面积化。而OLED电极间的有机层是非晶薄膜，很容易实现大面积，超薄型显示。其发光的最小单元可以小至数十纳米。此外，OLED的色彩也更为丰富。4无机电致发光存在一些难以克服的困难和缺点，比如种类少、颜色可调性小、发光强度有限、驱动电压高等，这些都可以用OLED来克服。5与PDP相比、OLED有驱动电压低、发光效率高、薄、色彩清晰、制作工艺简单、成本低等优点。此外、有机化合物种类繁多，结构多种多样。可以通过有机合成手段设计和合成出满足各种色彩和工艺要求的材料。 从器件结构、制作工艺、材料开发等多方面来考虑，与现在实际应用及正在开发的各种显示器件相比可以说OLED是最理想的一种显示技术。但也不能忘记现阶段OLED在使用寿命方面有待改善，生产技术也还远远没有成熟。2.2 OLED显示器的应用领域阴极显像管被称为第一代显示技术，液晶屏被称为第二代显示技术，而OLED则是第三代显示技术的重要候选者之一。 OLED技术的最典型的应用就是作为显示器。就其显示功能来讲，它完全可以代替CRT、LCD、LED的作用，实现显示器件的轻量化、薄型化、高亮度、快速响应(与液晶相比)、高清析度、低电压化、高效率化和低成本化。可以大幅度地节省空间，极方便携带。如应用于航空、航天器的显示器，军事移动器的夜间及野外显示器，就更能显示其显示功能的优越性。比如在航空航天器上，体积小，重量轻是任何零部件永远的追求，显示器也不例外。在夜间或野外使用时，由于 OLED是自己主动发光，可以大大提高对比度，获得更好的显示质量，这是液晶屏很难解决的难题。此外，OLED显示屏还可以做成柔性的，可以很容易地设计成曲面，甚至可卷曲，折叠，这些都是其他显示技术很难实现的功能。也正因为OLED有以上功能，可完全取代CRT、LCD、LED的显示作用，所以它面向的市场是直接的和非常巨大的。这也是目前国外众多的研究部门以及各大企业投入巨大资金和人力进行OLED技术研发的最重要原因。 除作为显示器使用以外，OLED也可以作为光源使用，特别是可以用它制造出大面积，高亮度的平面或曲面光源，高色纯度的单色光源。将来甚至可以用它制造出大平面激光光源，高效率偏振光光源。通过改变发光材料的化学结构或器件结构，发射波长可以在紫外区到红外区的很宽的波长范围内调控。 相信随着OLED材料及器件技术的日趋成熟，今后还将开发出许多我们现在想象不到的新用途。2.3 OLED显示器的技术现状关于OLED器件的研究起源于上一世纪的60年代，但大规模的开发研究起源于1986年美国的EastenKodak(EK)的基本专利发表之后。现在世界上关于OLED器件的开发主要分布在日本、美国和欧州。欧美主要以高分子材料为主，可望有比较长的寿命。日本则以低分子材料为主，已获得很好的发光亮度，发光效率寿命。就目前的情况来看，在实际应用技术开发方面，日本遥遥领先，己经进入商业应用阶段。欧州居第二位，但在应用技术方面与日本的距离越来越近。美国主要拥有基本专利。 现在有关OLED技术，主要有三大基本专利，它们是:1 基于柯达的主要以小分子为对象的器件基本结构专利。2 针对高分子材料的材料专利。3 实现高效率发光的三线态发光材料专利。 其中第1项和第3项由美国企业控制。第2项由英国控制。而与OLED应用及产业技术相关的绝大多数专利则由日本企业所控制。 现在世界上进行OLED相关技术开发的主要企业有：在日本有SONY、东芝、SHARP、松下、三洋电机、NEC、三菱化学、三菱电机、卡西欧、出光、凸版印刷、先峰音响、出光兴产、住友化学、TDK等。在美国有柯达、Dupont、UDC(Universal Display Corporation)、Dow Chemical Company等。欧洲有Cambridge Display Technology(CDT)、Phillips、Covion等。日本以外的亚洲地区有以RitDisplay为首的台湾省的近10家企业，韩国的三星显示器等。技术上最领先的为先峰音响、出光兴产(材料)、三洋电机、TDK等。特别是先峰音响公司己经开发出三代产品推向市场。 现在国际上小分子OLED器件的最高寿命可以达到：红色和绿色超过万4小时，蓝色达到1万小时，白光达到2万小时。最高发光效率可以达60lm/W。最低电压可以实现只需加上3-4电压就能接近一般电视的亮度。最大面积400400 mm2。 我国在OLED方面以大学为中心也开展了一些研究。也有一些企业已经投资或将要投资OLED技术。但从总体技术水平来看至少要比国际先进水平落后58 年。特别是在要实现商业化所必须的关键技术和重要技术方面几乎是空白，发展趋势与当年的液晶产业极为相似。要想将OLED产业真正培养成为我国的民族产业，道路还十分艰难。图3为北京大学开发出的非动态图象演示器，其尺寸为80800.7毫米,驱动电压为5V(本显示屏是在国家自然科学基金 ，杰出青年科学基金，863计划，973计划)。第三章 OLED显示器的结构及显示原理3.1 OLED显示器的结构基层(透明塑料，玻璃，金属箔)基层用来支撑整个OLED。阳极(透明)阳极在电流流过设备时消除电子(增加电子“空穴”)。有机层有机层由有机物分子或有机聚合物构成。导电层该层由有机塑料分子构成，这些分子传输由阳极而来的“空穴”。可采用聚苯胺作为OLED的导电聚合物。发射层该层由有机塑料分子(不同于导电层)构成，这些分子传输从阴极而来的电子;发光过程在这一层进行。可采用聚芴作为发射层聚合物。阴极(可以是透明的，也可以不透明，视OLED类型而定)当设备内有电流流通时，阴极会将电子注入电路。3.2 OLED显示器的显示原理OLED是有机半导体材料和有机发光材料在电场的驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的技术。其原理是用ITO玻璃透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子传输层和空穴传输层，然后分别迁移到发光层，相遇后形成激子使发光分子激发，后者经过辐射后发出可见光。辐射光可从ITO一侧观察到，金属电极膜同时也起了反射层的作用。图2是一个简单的OLED器件结构示意图。OLED不像LED那样使用，以单个像素为主，而是要实现平面显示技术。因此需要大量像素的组合，形成OLED阵列。要点亮这些像素就需要相应的驱动电路，一般通过两种方式来实现：一种是以动态扫描的方式，也叫无源驱动方式或被动驱动方式(PM OLED)。这种方式都采用共阴极结构，即把各像素的阴极与行电极相连，而阳极与列电极相接，行列交叉点组成像素矩阵。当需要某一行发光时，与之交叉的相应列都加上正电压，无关列上不加电压，此时该行若接地就可以点亮该行，以此类推形成逐行扫描。随着屏幕尺寸的加大，其引线也越来越复杂，而且大尺寸其扫描时间就非常短，影响到发光亮度。要想得到高亮度就得加大扫描电压和电流，势必引起功耗的大大增加。因此无源驱动方式仅适合于中小尺寸的OLED。另一种是静态的驱动方式，也叫有源驱动方式或主动驱动方式(AM OLED)。这种方式是制作薄膜晶体管(TFvI)阵列，每一个晶体管对应一个OLED像素，需要像素点亮时，打开相应的晶体管驱动OLED，并使之连续发光。个厂家所采用的TFT阵列有所不同，图3是AuO公司的像素驱动电路示意图。打开多个晶体管就会使多个OLED同时点亮，无须扫描，供电电流是恒定的，不需要很高的峰值电流，因此功耗比无源驱动方式低得多，很适合大尺寸OLED。第四章 OLED显示器的优缺点4.1 OLED显示器的优点有机发光显示器件之所以受到人们的青睐，是因为其与LCD为代表的第二代显示器相比有突出优点。1、低成本其工艺简单，使用原材料少。使人们相信OLED将成为LCD替代性技术的最重要原因是其在降低加工成本方面的潜力。除了对材料和工艺方面的要求比LCD低近1/3外，OLED的加工工艺也比LCD简单得多。据相关资料显示，OLED显示屏需要86道加工工序，而LCD屏则需要200多道工序。在成本决定生命力的未来大屏幕显示领域，这无疑增加了OLED竞争的砝码。2、自发光不需要背光源。3、低压驱动和低功耗直流驱动电压在10伏以下，易用于便携式移动显示终端上。4、全固态无真空腔，无液态成份，机械性能好，抗震动性强，可实现软屏显示。使用塑料、聚酯薄膜或胶片作为基板，OLED屏可以做到更薄，甚至可以折叠或卷起来。目前由于在软基板上的涂镀等加工工艺还未成熟，可折叠或卷曲的显示器产品还没有商品化，但这一切都会在不远的将来实现。5、快速响应响应时间为微秒级，是普通液晶显示器响应时间的1/1000，适于播放动态图像，具有宽视角特性，上下、左右的视角宽度超过170度。6、高效发光可作为新型环保光源。7、宽温度范围在-4080范围内都可正常工作。8、高亮度显示效果鲜艳、细腻4.2 OLED显示器的缺点1、寿命通常只有5000小时，要低于LCD至少1万小时的寿命；2、不能实现大尺寸屏幕的量产，因此目前只适用于便携类的数码类产品；3、存在色彩纯度不够的问题，不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩。对二的修改：现在的OLED的寿命已经远远超过5000小时了，而且已经生产出了较大尺寸的OLED面板，色彩十分鲜艳。截止07年7月前后，荧光材料方面，性能最高的是日本出光兴产(Idemitsu Kosan)的材料。红光效率达到了11cd/A，寿命高达16万小时；绿光效率达到30cd/A，寿命为6万小时；正在开发中的高效率、长寿命蓝光材料BD-2 (0.13, 0.22)，效率为 8.7cd/A，寿命2.3万小时。 磷光材料方面，UDC公司开发的红光材料色度坐标为(0.67，0.33)，效率达到15cd/A，500 cd/m2下工作寿命超过15万小时；绿光材料色坐标为(0.34，0.61)，效率达到65cd/A，初始亮度为1000 cd/m2时，寿命超过4万小时；最难得到的蓝色 磷光材料效率达到了30cd/A，在200 cd/m2的初始亮度下，寿命达到了10万小时。 总体上讲，OLED红、绿、蓝三色材料的发光效率和发光寿命均基本满足实用化需求。 从以上数据看来，现在的OLED 在500cd/m2下至少有20000小时的工作时间。第五章 OLED显示器的展望5.1 OLED显示器的发展领域 5.1.1在头戴显示器领域的应用OLED在头戴显示器的应用有非常大的优势：清晰鲜亮的全彩显示、超低的功耗等，是头戴式显示器发展的一大推动力。率先把OLED应用在视频眼镜上的是美国的eMagin. 无论是对于民用消费领域还是工业应用乃至军事用途都提供了一个极佳的近眼应用解决途径。随之，采用欧洲的超微OLED显示屏的视频眼镜被推上市场。在国内，iTheater（爱视代）凭雄厚的研发实力率先推出世界首款高分子超微OLED显示屏的视频眼镜；凭借其全知识产权的背景顺利打入国内军事领域，为中国数字士兵的建设出一份力。5.1.2 OLED照明技术及产业在半导体照明领域，OLED与LED相比，除了两者共有的高效节能、绿色环保等特点，还具有一些独特的优势：平面光源、发光柔和。与LED点光源不同，白光O L E D器件是一种发光柔和的平面光源，尤其适用于室内照明。可实现柔性化。可制备在柔性的基板上，实现大面积、可弯曲光源。制备工艺相对简单。制备过程无需高温处理，甚至可以采用卷对卷工艺制备。材料来源广泛。O L E D材料可以通过改变分子结构来优化性能，发光颜色在可见光区域内可任意调节（包括红、绿、蓝和白光）。因此，白光O L E D在未来照明领域中具有诱人的应用前景，有机会成为新一代室内固态照明的主角。15.1.3在MP3领域的应用在MP3 屏幕的应用领域属于新崛起的种类，被誉为“梦幻显示屏”。它无需背光灯，而是“主动发光”。以BenQ Joybee180的OLED液晶屏为例，它摒弃了传统LCD的缺点，每个像素都可自行发光，不管在什么角度什么光线下都可以比传统LCD显示更加清晰的画面，而且环境越黑屏幕越亮，犹如夜间的莹彩精灵。可以使MP3做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著节省电能。OLED应用于MP3产品上不仅增加了产品绚丽的美感，而且也为图文资讯的表达锦上添花，无疑将成为MP3显示面板的主流。5.2 OLED显示器的发展现况5.2.1未来的软性显示技术AMOLED2继TFT_LCD之后，AMOLED被视为下一世代面板的最佳技术，其中OLED为固态自发光显示器，具有结构简单、自发光、广视角、影像色泽美丽、省电等优势，在中小面板市场可望得到广泛应用。5.2.2软性AM0LED发展现况目前大多数显示器都是采用TFTLCD，若想做到轻薄短小、方便随身携带，屏幕显示的信息量就不够；若想一次显示足够信息量，体积又会太大而不易携带，而且可能耗电太大。对于未来的显示器，消费者希望其能够具有信息量大、收藏方便、耗电低、摔不破、可弯曲折迭或收卷容易等特性。除了优异的画质表现，由晶体管驱动的AMOLED具备了以上消费者所希望的所有特质，完全符合未来信息社会对于移动装置显示器的需求。若与TFT-LCD技术比较AMOLED结构简单，不需背光、散板、配向膜、间隙子等繁复零组件，同时有机发光层的机械特性较接近软性基板，因此更适合用于制作可弯可卷的软性示器。 5.3 OLED显示器的发展空间全球软性OLED市场发展预测市场研究公司iSuppli最新报告显示2013年全球OLED电视机出货量将从2007年的3000台增长到280万台年复合增长率为2123。从全球销售收入看，2013年全球OLED电视机的销售收入将从2007年的200万美元增长到l4亿美元年复合增长率为2068。5.3.1我国全线打通AMOLED制造工艺技术3日前，从有关方面获悉昆山丁研院新型平板显示技术中心（简称昆山平板显示中心）和维信诺公司在国内率先全线打通了LTPSTFT背板和OLED显示屏制造工艺技术并于2010年12月24日开发成功28英寸彩色AMOLED显示屏实现了RGB三基色显示。这是继维信诺依靠自主技术实现PMOLED技术产业化后，我国OLED产业的又一重大技术进展 标志着我国通过自主开发已初步掌握了AMOLED核心关键技术，在AMOLED产业化的道路上迈出了坚实的一步。我国的OI ED产业起步于本世纪初2002年清华大学与维信诺公司建成了我国第一条PMOLED中试线2003年成了中试丁艺技术开发并在国内率先实现了PMOLED产品的小批量生产和销售 2008年清华大学与维信诺公司义在昆山建成了国内第条PMOLED大规模生产线实现了PMOLED的规模化生产。在实现PMOLED快速发展的同时。2009年9月，在昆山市政府的大力支持下昆山工研院、维信诺公司、昆山经济技术开发区共同投资成立了昆山平板显示中心。 2010年6月，昆山平板显示中心建成了国内首条AMOLED中试生产线经过历时半年的努力，成功进行了AMOLED关键工艺技术和产品开发，为加速我国AMOLED的产业化进程打下了良好的基础。此在中试线上全面打通LTPSTFT背板和OLED显示屏制造工艺技术为发展中大尺寸AMOLED技术和产品打下了坚实的基础。5.3.2世博会索尼和默克展示最新OLED显示技术索尼设计的OLED笔记本电脑，这种电脑可以卷成一个卷轴，使用时拉开就形成巨大屏幕，一半空间可虚拟为键盘，也可全部形成平板触控电脑“有了可弯曲的透明液晶屏幕，许多以往在科幻电影中才可以看到的产品都将成为现实。”在演示视频中，由OLED屏幕制造的柔软的手腕MP4，可弯曲佩戴于手腕或颈部的手机等等。5.3.3韩国NeoViewKolon展示透明0LED显示器Neo View Kolon的透明屏针对于车载前置显示。新展出的显示屏为24寸，采用点阵式显示模式， 最大透明度62，亮度100流明，可显1600万色， 厚度12mm，分辨率24032