有机发光二极管超薄平板显示技术

1、化学系化学系 有机光电子与分子工程教育重点实验室有机光电子与分子工程教育重点实验室负责教师负责教师: 董桂芳董桂芳 有机发光二极管简介有机发光二极管简介 项目研究定位项目研究定位 技术创新技术创新 技术集成技术集成 专利和标准专利和标准 总结总结Anode HIL HTL EL ETL EIL Cathode hv hv 原理原理有机材料具有的优越性：有机材料具有的优越性：（1 1）可以按照功能要求对有机分子进行设计。）可以按照功能要求对有机分子进行设计。 （2 2）有机薄膜技术工艺简单，能在大面积基底上沉积以制）有机薄膜技术工艺简单，能在大面积基底上沉积以制 备器件，可有效地降低器件的成本。

2、备器件，可有效地降低器件的成本。（3 3）有机薄膜具有好的柔韧性，且工艺条件温和，可以制）有机薄膜具有好的柔韧性，且工艺条件温和，可以制 备柔性半导体器件。备柔性半导体器件。（4 4）以有机材料为主体的分子器件将使器件的尺寸或分辨）以有机材料为主体的分子器件将使器件的尺寸或分辨 率能够更小，集成度更高。率能够更小，集成度更高。OLED特点特点v 超薄，显示屏可薄于超薄，显示屏可薄于2mm；v 自发光，直流低电压驱动（自发光，直流低电压驱动（10V左右）；左右）；v 可实现软屏显示；可实现软屏显示；v是全固化器件，无真空腔，无液态成份；是全固化器件，无真空腔，无液态成份；v具有快响应特性，响应速

3、度为微秒级，是液晶显示器响具有快响应特性，响应速度为微秒级，是液晶显示器响 应速度的应速度的1000倍；倍；v宽视角，上下、左右的视角宽度超过宽视角，上下、左右的视角宽度超过170度；度；v宽温度特性，在宽温度特性，在4070范围内都可正常工作；范围内都可正常工作；v大生产工艺简单，成本低。大生产工艺简单，成本低。Phys. Rev. Lett. 14, 229 (1965)AnthraceneLow efficiencyPoor stabilityOLED 发展历史发展历史 1965年年加拿大加拿大的W. Helfrich and W.G. Schneider发表发表 论文，发现有机蒽晶体的

4、电致发光现象。论文，发现有机蒽晶体的电致发光现象。 19871987年，美国柯达公司的年，美国柯达公司的C. W. TangC. W. Tang等人将等人将8-8-羟基喹啉羟基喹啉铝铝(Alq(Alq3 3) )引入引入OLEDOLED作发光层、并以芳香二胺作空穴传输层，作发光层、并以芳香二胺作空穴传输层，首次采用双层结构，得到了直流低电压驱动的高亮度有机首次采用双层结构，得到了直流低电压驱动的高亮度有机电致发光器件。电致发光器件。Appl.Phys.Lett., 51(12),913-915(1987)启亮电压启亮电压2.5 V2.5 V，低于，低于10 V10 V亮度就能达到亮度就能达到1

5、000 1000 cd/mcd/m2 2，在，在5.5 V5.5 V驱动的驱动的时候，流明效率时候，流明效率1.5 1.5 lm/Wlm/W，达到商业化的，达到商业化的ZnSZnS发光器件的水平。发光器件的水平。 1990年年 英国剑桥大学的英国剑桥大学的R.H. Friend等成功制备共轭高等成功制备共轭高 分子有机电致发光器件分子有机电致发光器件 ；Nature 347，539-541(1990)Metal CathodeLight Emitting Layer (PPV or its derivatives)PEDOTSubstrateTypical PLED Structure 199

6、8年年美国美国Princeton University的的S. R. Forrest等人开发出等人开发出高效率的有机磷光器件。高效率的有机磷光器件。NATURE ，VOL 395 ，151154 （10 SEPTEMBER 1998）US 6,458,475 Organic light emitting diode having a blue phosphorescent molecule as an emitter “Highly efficient phosphorescent emission from organicelectroluminescent devices”the phos

7、phorescent dye 2,3,7,8,12,13,17,18-octaethyl-21H,23H-porphine platinum(II) (PtOEP). 1998年先锋推出第一款年先锋推出第一款OLED产品产品采用采用OLED显示屏的车载音响显示屏的车载音响 20002000年摩托罗拉推出第一款年摩托罗拉推出第一款OLEDOLED手机手机-P8767-P8767 20012001年年Samsung SDI Samsung SDI 开发出了开发出了15.115.1英寸有源驱动英寸有源驱动彩色彩色OLEDOLED样品样品 20032003年年索尼展示了索尼展示了24英寸彩色英寸彩色O

8、LED显示器显示器 TOSHIBA mobileTOSHIBA mobileVideo playerVideo player三星三星4040英寸英寸OLEDOLED面板面板(2005)(2005)柯达柯达OLEDOLED数码相机数码相机MP3MP3播放器播放器Sony PDASony PDAOLEDOLED主屏手机主屏手机OLED结构、材料、工艺及设备简介结构、材料、工艺及设备简介 根据结构的不同，根据结构的不同，OLED可以分为单层器件、双可以分为单层器件、双层器件和多层器件。层器件和多层器件。 根据材料的不同，根据材料的不同，OLED可以分为可以分为 小分子小分子OLED和聚合物和聚合物O

9、LED（也称（也称PLED）。）。 根据驱动方式的不同，根据驱动方式的不同，OLED显示器可以分为不显示器可以分为不使用使用TFT的无源驱动的无源驱动OLED（Passive)和使用和使用TFT的有源驱动的有源驱动OLED(Active)。OELD的分类的分类ITO阳极阳极单层单层金属阴极金属阴极空穴传输层空穴传输层ITO阳极阳极发光层发光层金属阴极金属阴极（b）双层结构双层结构（a）单层结构）单层结构OLED结构结构空穴传输层空穴传输层ITO阳极阳极电子传输电子传输发光层发光层金属阴极金属阴极空穴传输层空穴传输层ITO阳极阳极发光层发光层金属阴极金属阴极空穴阻挡层空穴阻挡层空穴传输层空穴传输

10、层ITO阳极阳极发光层发光层金属阴极金属阴极介电层介电层混合层混合层ITO阳极阳极发光层发光层金属阴极金属阴极（c）多层结构多层结构小分子小分子（low molecular weight） 器件工艺较为成熟，已经开始产业化器件工艺较为成熟，已经开始产业化 （后面的介绍将针对小分子（后面的介绍将针对小分子OLEDOLED）聚合物聚合物 (polymer) 印刷技术、软屏显示印刷技术、软屏显示低聚物低聚物 (Conjugated oligomers and Dendrimers) 逐渐受到关注逐渐受到关注 OLED材料材料q 小分子发光材料小分子发光材料q 小分子空穴传输材料小分子空穴传输材料 q

11、 小分子电子传输材料小分子电子传输材料q 其他功能材料其他功能材料q 用作电致发光材料的有机材料应具备以下特性：用作电致发光材料的有机材料应具备以下特性： （1） 在可见光区域内具有较高的荧光量子效率；在可见光区域内具有较高的荧光量子效率； （2） 具有较高的电导率具有较高的电导率, 即能有效地传导电子或空穴；即能有效地传导电子或空穴； （3） 有良好的成膜特性；有良好的成膜特性； （4） 具有良好的稳定性和机械加工性能。具有良好的稳定性和机械加工性能。 NOAlNONOOH3CNH3CCH3NCCNRubreneDCM-1AlQ 好的有机空穴传输材料应具备如下特性：好的有机空穴传输材料应具备

12、如下特性： （1）较高的空穴迁移率，利于空穴传输；）较高的空穴迁移率，利于空穴传输； （2）相对较小的电子亲和能，有利于空穴注入；）相对较小的电子亲和能，有利于空穴注入； （3）良好的成膜性和热稳定性。）良好的成膜性和热稳定性。NNNPBNNTPDq 好的有机电子传输材料应具备如下特性：好的有机电子传输材料应具备如下特性： （1）较高的电子迁移率，利于电子传输；）较高的电子迁移率，利于电子传输； （2）相对较高的电子亲和能，有利于电子注入；）相对较高的电子亲和能，有利于电子注入； （3）良好的成膜性和热稳定性）良好的成膜性和热稳定性。NOAlNONOAlQ 基片清洗基片清洗 ITO阳极光刻阳极

13、光刻 对阳极预处理对阳极预处理 隔离柱制备隔离柱制备 空穴传输层、发光层和电子传输层的空穴传输层、发光层和电子传输层的 有机功能材料在真空中蒸镀有机功能材料在真空中蒸镀阴极金属蒸镀阴极金属蒸镀封装封装OLED显示屏制备工艺显示屏制备工艺 阴极阴极 玻璃基片玻璃基片 ITO阳极阳极空穴传输层空穴传输层发光层发光层电子传输层电子传输层寿命寿命:效率效率:成本成本:有机薄膜蒸镀设备有机薄膜蒸镀设备机机械械泵泵分分子子泵泵真真空空腔腔室室真空腔室内结构示意图真空腔室内结构示意图挡板挡板加热舟加热舟膜厚监测膜厚监测仪探头仪探头基片载物台基片载物台原理图原理图原子力显微镜原子力显微镜精度：精度：5nm厚度

14、控制的重要性厚度控制的重要性同步电流检测原子力显微镜原理示意图同步电流检测原子力显微镜原理示意图 并五苯并五苯薄膜薄膜AFM形形貌貌Keithly 4200 半导体特性测试仪半导体特性测试仪OLED器件器件IVB特征曲线特征曲线测量电流精度测量电流精度: 10-12APR705光谱分析仪光谱分析仪本实验室本实验室OLED技术研究技术研究国外于国外于1987年开始发展，国内年开始发展，国内1990年开始研究，参与研年开始研究，参与研究的高校、研究所有几十家，涉及领域有化学、材料、究的高校、研究所有几十家，涉及领域有化学、材料、物理、电子等。物理、电子等。缺乏重大创新成果缺乏重大创新成果缺乏技术集

15、成缺乏技术集成清华清华OLED1996年邱勇教授开始研究年邱勇教授开始研究液晶显示器液晶显示器目前应用最广泛的平板显示器件目前应用最广泛的平板显示器件 研究工作始于五十年代。研究工作始于五十年代。 发展历史发展历史：TNSTN TFT，形成，形成 几百亿美元的几百亿美元的市场。市场。国内外差距：研究初期与国际同步；没有国内外差距：研究初期与国际同步；没有 TFT方面的方面的基础，基础， 器件产业方面，全面引进。器件产业方面，全面引进。“以铜为鉴，可正衣冠；以古为鉴，可知兴替；以人为鉴，可明得失以铜为鉴，可正衣冠；以古为鉴，可知兴替；以人为鉴，可明得失 。”彩色显象管彩色显象管最主要的最主要的C

16、RT之一。之一。 1950年美国年美国RCA公司首先研制成功荫罩式彩管。公司首先研制成功荫罩式彩管。 60年代我国就开始了彩管的研究工作。年代我国就开始了彩管的研究工作。 1978年我国首次引进年我国首次引进CRT生产线（从日本），从此引进多条。生产线（从日本），从此引进多条。 学科交叉团队的建立学科交叉团队的建立 新材料开发新材料开发 器件新结构开发器件新结构开发 综合器件性能、提高稳定性综合器件性能、提高稳定性 完成技术集成、向产业化发展完成技术集成、向产业化发展 积极参与国际竞争积极参与国际竞争获得自主获得自主知识产权知识产权 目标定位目标定位成果要最终体现在成果要最终体现在应用应用上上

17、! 邱邱 勇勇 教授教授 化学系物理化学化学系物理化学专业博士专业博士 王立铎教授王立铎教授 材料系材料科学材料系材料科学专业博士专业博士 董桂芳副教授董桂芳副教授 电子系物理电子电子系物理电子专业博士专业博士 张德强讲师张德强讲师 化学系物理化学化学系物理化学专业博士专业博士 乔乔 娟讲师娟讲师 化学系物理化学化学系物理化学专业博士专业博士U S 6 4 1 0 7 6 6 B 2 CN1278548ACN1376758ACN1388205AAppl:10/352,493 特特2003XNNXArArR1R2R3R4设计合成设计合成2020多种新型红光

18、主体和红光染料分子，多种新型红光主体和红光染料分子，不仅改善了红光器件的色纯度，而且制备获得的不仅改善了红光器件的色纯度，而且制备获得的双核主体材料具备优良的小分子甩膜性能。双核主体材料具备优良的小分子甩膜性能。NONNOOOGaGaOONM aterials (2% D C JTB ) Turn-on voltage/V Lm ax at 20V /cd/m2 ( c, p) at 20m A /cm2 EL em ission Peak /nm C IE (x,y) color G a(saph)q 2.2 7260 (2.04,0.82) 640 (0.67,0.33) A lq3 3.

19、2 4340 (1.03, 0.42) 620 (0.62,0.37) 1.红光色坐标红光色坐标: (0.67,0.33)，达到，达到NTSC红光标准；红光标准；2.更高的发光亮度更高的发光亮度: 7260 cd/m2 at 20V；3.更高的发光效率更高的发光效率 2.04 cd/A (Alq3器件的两倍器件的两倍)；4.更低的驱动电压更低的驱动电压: 2.2V (3.2V for Alq3)。发表文章：发表文章：Appl. Phys. Lett. 2002, 81(26):4913 （SCI / IF4.3）0510152025300400080001200016000 Luminance

20、 (cd/m2)Voltage (V) 4nm 6nm 8nm 10nm 12nm不同厚度聚四氟乙烯单层器件不同厚度聚四氟乙烯单层器件发光亮度电压性能曲线图发光亮度电压性能曲线图 传统单层传统单层Alq3: 20000cd/m2发表论文：发表论文：Appl. Phys. Lett., 2003, 82(2):155157 （SCI / IF4.3）已经授权发明专利：已经授权发明专利：ZL 01115563.9Ca/AgAlq3TeflonITOGlass1、塑料基片（、塑料基片（PET基片）基片）的平整性不好的平整性不好;2、ITO薄膜薄膜与与PET基片之基片之间附着力不好间附着力不好;3、低

21、温沉积的、低温沉积的ITO电阻率电阻率高高;4、PET基片的水、氧透过基片的水、氧透过率高。率高。ITO表面形貌比较表面形貌比较左：左：PET上的上的ITO，Rrms=1.346nm；右：右：20nm缓冲层上的缓冲层上的ITO，Rrms=0.982nmPIPI层改善层改善ITOITO形貌及其附着力形貌及其附着力超声法测试超声法测试PI缓冲层对缓冲层对ITO导电层附着力的改善情况导电层附着力的改善情况 2min 4min 6min 8min 无 PI 层 ITO 开始少许脱落 脱落点增多 大面积脱落 120nm PI 层 无明显脱落 无明显脱落 ITO 开始少许脱落 少许脱落 发表论文：发表论文

22、：Chin.Phys.Lett, 2004, 21(4), 744-746 （SCI）塑料基片水氧透过率高，器件衰老快塑料基片水氧透过率高，器件衰老快现有水氧阻隔基片：聚合物现有水氧阻隔基片：聚合物/ /陶瓷交替封装层陶瓷交替封装层(PML)(PML)1.1. 改善表面平整度的有机材料层改善表面平整度的有机材料层2.2. 起水氧阻隔作用的无机材料层起水氧阻隔作用的无机材料层3.3. 多层交替减小缺陷，提高水氧多层交替减小缺陷，提高水氧 阻隔性能阻隔性能有机无机薄厚膜复合封装有机无机薄厚膜复合封装1.1. 薄膜层采用薄膜层采用UVUV胶胶/TiN/TiN2.2. 有机厚膜层用于改善器件机有机厚膜

23、层用于改善器件机 械性能，进一步改善膜层的械性能，进一步改善膜层的 水氧阻隔性能水氧阻隔性能PET基片基片UV固化树脂固化树脂聚合物聚合物/陶瓷交替层陶瓷交替层已授权发明专利已授权发明专利 ZL 02149122.4ZL 02149122.4已申请美国发明专利：已申请美国发明专利：10/720,42010/720,420S0S0DCJTBFIrpicDCBS0Orange FluorescenceBlue PhosphorescenceISCS1T1S1T1S1蓝色磷光染料既是发光体，又是红色荧光染料的敏化体蓝色磷光染料既是发光体，又是红色荧光染料的敏化体已申请发明专利：已申请发明专利： CN

24、1514677A；CN1585580白色白色OLED未来真正的平面型、柔性、大面积光源。未来真正的平面型、柔性、大面积光源。从一次失误中从一次失误中得到的启示得到的启示发表论文：发表论文：Appl. Phys. Lett. 2006(88),103508-1-3 (SCI / IF4.3)“磷光荧光磷光荧光”实实现白光的方案现白光的方案黑白显示器黑白显示器彩色实现方式：白光滤色膜彩色实现方式：白光滤色膜(2003.10.23)该显示屏有效显示面积为该显示屏有效显示面积为2.1英寸，像素数为英寸，像素数为1603128，带数，带数字视频接口（字视频接口（DVI）。南开大学、香港科技大学负责多晶硅薄。南开大学、香港科技大学负责多晶硅薄膜晶体管（膜晶体管（P-Si TFT）矩阵基板制备，华中科技大学负责全数）矩阵基板制备，华中科技大学