第7章新型光电显示技术

1、v7.1 电致变色显示技术电致变色显示技术v7.2 场致发射显示技术场致发射显示技术v7.3 电致发光显示技术电致发光显示技术v7.4 电泳显示技术和铁电陶瓷显示技术电泳显示技术和铁电陶瓷显示技术v习题七习题七 第第7章章 新型光电显示技术新型光电显示技术7.1 电致变色显示技术电致变色显示技术 7.1.1 电致变色（电致变色（electro chromism，EC）现象）现象v 有许多物质在受到外界各种刺激，例如受热、光照、流有许多物质在受到外界各种刺激，例如受热、光照、流过电流的时侯，其颜色会发生变化，即产生过电流的时侯，其颜色会发生变化，即产生着色现象着色现象。所谓。所谓电致变色现象，是

2、指电致着色和发光现象，从电致变色现象，是指电致着色和发光现象，从显示的角度看显示的角度看则是专门指施加电压后物质发生氧化还原反应使颜色发生可则是专门指施加电压后物质发生氧化还原反应使颜色发生可逆性的电致变色现象。逆性的电致变色现象。 电致变色显示器件（电致变色显示器件（Electro Chromism Device，ECD）在诸多领域的巨大应用潜力吸引了世界上许多国家不）在诸多领域的巨大应用潜力吸引了世界上许多国家不仅在应用基础研究，而且更在实用器件的研究上投入了大量仅在应用基础研究，而且更在实用器件的研究上投入了大量的人员和资金，以求在这方面取得突破。的人员和资金，以求在这方面取得突破。 电

3、致变色材料v 电致变色材料能在外加较低的驱动电压或电流作用下，电致变色材料能在外加较低的驱动电压或电流作用下，发生可逆的颜色变化发生可逆的颜色变化，是材料的价态和组分发生可逆的变化，是材料的价态和组分发生可逆的变化，使材料的光学性能发生改变或者保持改变，同时电致变色材使材料的光学性能发生改变或者保持改变，同时电致变色材料还需要有很好的离子导电性，较高的对比度、变色效率和料还需要有很好的离子导电性，较高的对比度、变色效率和循环周期等电色性能。电致变色材料分为无机电致变色材料循环周期等电色性能。电致变色材料分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。和有机电致变色材料。无机电致变色材料无机电致变色材料

4、的典型代表是三氧的典型代表是三氧化钨，目前，以化钨，目前，以WO3为功能材料的电致变色器件已经产业为功能材料的电致变色器件已经产业化。而化。而有机电致变色材料有机电致变色材料主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。以紫罗精类为功精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。以紫罗精类为功能材料的电致变色材料已经得到实际应用。能材料的电致变色材料已经得到实际应用。v在实际应用当中，尤其是制备电致变色器件，电致变色材料在实际应用当中，尤其是制备电致变色器件，电致变色材料一般来说应满足以下要求：一般来说应满足以下要求：v(1)具有良好的电化学氧化还原

5、可逆性；具有良好的电化学氧化还原可逆性；v(2)快速的变色响应；快速的变色响应；v(3)颜色的可逆变化；颜色的可逆变化；v(4)颜色变化的高度灵敏；颜色变化的高度灵敏；v(5)有较高的循环寿命；有较高的循环寿命；v(6)有一定的存贮记忆功能；有一定的存贮记忆功能；v(7)稳定的化学特性。稳定的化学特性。v电致变色主要有电致变色主要有3种形式：种形式：（1）离子通过电解液进入材料引起变色。）离子通过电解液进入材料引起变色。（2）金属薄膜电沉积在观察电极上。）金属薄膜电沉积在观察电极上。（3）彩色不溶性有机物析出在观察电极上。）彩色不溶性有机物析出在观察电极上。v电致变色显示有以下电致变色显示有以

6、下突出的优点突出的优点：（1）显示鲜明、清晰，优于液晶显示板。）显示鲜明、清晰，优于液晶显示板。（2）视角大，无论从什么角度看都有较好的对比度。）视角大，无论从什么角度看都有较好的对比度。（3）具有存储性能，如写电压去掉且电路断开后，显示信）具有存储性能，如写电压去掉且电路断开后，显示信号仍可保持几小时到几天，甚至一个月以上，存储功能不影号仍可保持几小时到几天，甚至一个月以上，存储功能不影响寿命。响寿命。（4）在存储状态下不消耗功率。）在存储状态下不消耗功率。（5）工作电压低，仅为）工作电压低，仅为0.520 V，可与集成电路匹配。，可与集成电路匹配。（6）器件可做成全固体化。）器件可做成全固

7、体化。 电致变色显示也有一些不容忽视的缺点，电致变色显示也有一些不容忽视的缺点，如响应慢，响如响应慢，响应速度（约应速度（约500 ms）接近秒的数量级，对频繁改变的显示，）接近秒的数量级，对频繁改变的显示，功耗大致是液晶功耗的数百倍；往复显示的寿命不高（只有功耗大致是液晶功耗的数百倍；往复显示的寿命不高（只有106107次）。次）。7.1.2 电致变色显示器件（电致变色显示器件（ECD） 电致变色器件是一种典型的光学薄膜和电子学薄膜相结电致变色器件是一种典型的光学薄膜和电子学薄膜相结合的合的光电子薄膜器件光电子薄膜器件，能够在外加低压驱动的作用下实现，能够在外加低压驱动的作用下实现可可逆的色

8、彩变化逆的色彩变化，可以应用在被动显示、灵巧变色窗等领域。，可以应用在被动显示、灵巧变色窗等领域。v 目前，已经产业化的电致变色器件有一下几类：电致变目前，已经产业化的电致变色器件有一下几类：电致变色智能调光玻璃、电致变色显示器、汽车自动防眩目后视镜。色智能调光玻璃、电致变色显示器、汽车自动防眩目后视镜。v 电致变色智能玻璃电致变色智能玻璃在电场作用下具有光吸收透过的可调在电场作用下具有光吸收透过的可调节性，可选择性地吸收或反射外界的热辐射和内部的热的扩节性，可选择性地吸收或反射外界的热辐射和内部的热的扩散，减少办公大楼和民用住宅在夏季保持凉爽和冬季保持温散，减少办公大楼和民用住宅在夏季保持凉

9、爽和冬季保持温暖而必须消耗的大量能源。同时起到改善自然光照程度、防暖而必须消耗的大量能源。同时起到改善自然光照程度、防图图1调光玻璃调光玻璃(电致变色玻璃电致变色玻璃)图图2自动防眩目后视镜自动防眩目后视镜 用电致变色材料制备的自动防眩目后视镜，可以通过电用电致变色材料制备的自动防眩目后视镜，可以通过电子感应系统，根据外来光的强度调节反射光的强度，达到防子感应系统，根据外来光的强度调节反射光的强度，达到防眩目的作用，使驾驶更加安全。眩目的作用，使驾驶更加安全。窥的目的。解决现代不断恶化的城市光污染问题，是节能窥的目的。解决现代不断恶化的城市光污染问题，是节能建筑材料的一个发展方向。建筑材料的一

10、个发展方向。 电致变色材料具有双稳态的性能，用电电致变色材料具有双稳态的性能，用电致变色材料做成的电致变色显示器件不仅不致变色材料做成的电致变色显示器件不仅不需要背光灯，而且显示静态图象后，只要显需要背光灯，而且显示静态图象后，只要显示内容不变化，就不会耗电，达到节能的目示内容不变化，就不会耗电，达到节能的目的。电致变色显示器与其它显示器相比具有的。电致变色显示器与其它显示器相比具有无视盲角、对比度高等优点。无视盲角、对比度高等优点。 图图7.1 ECD结构及显示原理结构及显示原理u电致变色显示器件结构：电致变色器件一般由电致变色显示器件结构：电致变色器件一般由5层结构组层结构组成，包括两层透

11、明导电层、电致变色层、离子导电层、离成，包括两层透明导电层、电致变色层、离子导电层、离子存储层的夹层结构如图子存储层的夹层结构如图7.1（a）所示，其显示原理如图）所示，其显示原理如图7.2（b）所示。）所示。u 根据电致变色层材料的不同，根据电致变色层材料的不同，ECD又可分为以又可分为以下下2种类型。种类型。1. 全固态塑料电致变色器件全固态塑料电致变色器件 全固态塑料电致变色器件采用低压反应离子全固态塑料电致变色器件采用低压反应离子镀工艺，在镀工艺，在ITO塑料衬底上制备塑料衬底上制备WO3和和NiO 电致变电致变色薄膜，采用色薄膜，采用MPEO-LiClO4高分子聚合物作电解高分子聚合

12、物作电解质，制备透射型全固态塑料电致变色器件，变色质，制备透射型全固态塑料电致变色器件，变色调制范围达到调制范围达到30%左右。左右。2. 混合氧化物电致变色器件混合氧化物电致变色器件 混合氧化物可以改善单一氧化物电致变色的性混合氧化物可以改善单一氧化物电致变色的性能能, 引起人们的关注。引起人们的关注。TiO2具有适宜的离子输运的具有适宜的离子输运的微观结构、高的力学性能和化学稳定性，它与微观结构、高的力学性能和化学稳定性，它与WO3混合制作电致变色器件，加快了响应时间及延长了混合制作电致变色器件，加快了响应时间及延长了器件的寿命。器件的寿命。7.2 场致发射显示技术场致发射显示技术7.2.

13、1 场致发射显示器件的构成及工作原理场致发射显示器件的构成及工作原理 1. 场致发射显示技术场致发射显示技术 场致发射显示（场致发射显示（Field Emission Display，FED）与）与真空荧光显示（真空荧光显示（VFD）和）和CRT有许多相似之处，它们都以有许多相似之处，它们都以高能电子轰击荧光粉。与高能电子轰击荧光粉。与VFD 不同的是，它用冷阴极微尖不同的是，它用冷阴极微尖阵列场发射代替了热阴极的电子源，用光刻的栅极代替了阵列场发射代替了热阴极的电子源，用光刻的栅极代替了金属栅网，这种新型的自发光型平板显示器件实际是金属栅网，这种新型的自发光型平板显示器件实际是CRT的平板化

14、，兼有的平板化，兼有CRT和固体平板显示器件的优点，不需要和固体平板显示器件的优点，不需要传统偏转系统，可平板化，无传统偏转系统，可平板化，无X射线，工作电压低，比射线，工作电压低，比TFT-LCD更节能，可靠性高。更节能，可靠性高。 FED（Field Emission Display)与与CRT的相同点：的相同点： 利用阴极电子经电场加速而轰击荧光材料发光的主动发利用阴极电子经电场加速而轰击荧光材料发光的主动发型显示器件。型显示器件。因此，因此，FED具有与具有与CRT相似的显示品质，如相似的显示品质，如高亮度、高对比度、全彩色、高显示容量及低功耗等性能。高亮度、高对比度、全彩色、高显示容

15、量及低功耗等性能。典型场典型场发射发射显示结构原理显示结构原理CRT发射发射显示结构原理显示结构原理FED与与CRT的区别点：的区别点：(1) CRT采用热阴极采用热阴极，通过加热阴极材料使其表面电子，通过加热阴极材料使其表面电子获得克服表面势垒的能量从而发射出来；而获得克服表面势垒的能量从而发射出来；而FED采采用冷阴极用冷阴极，采用表面功函数较低、电子势很小甚至，采用表面功函数较低、电子势很小甚至为负值的材料，使之在外加电场作用下逸出。因此，为负值的材料，使之在外加电场作用下逸出。因此，FED不但降低了功耗，而且可以瞬时发射电子。不但降低了功耗，而且可以瞬时发射电子。（2）CRT的热阴极为

16、点发射源或线发射源的热阴极为点发射源或线发射源，需要通过，需要通过偏转磁场的作用，才能在显示屏幕上进行扫描而产偏转磁场的作用，才能在显示屏幕上进行扫描而产生显示。因此，生显示。因此，CRT难以实现平板化；而难以实现平板化；而FED的冷的冷阴极为面发射源阴极为面发射源，可以十分方便地实现平板化和矩，可以十分方便地实现平板化和矩阵驱动，无论重量还是体积都大大降低。阵驱动，无论重量还是体积都大大降低。（3）CRT的加速电场电压通常在的加速电场电压通常在13 30kV之间；而采之间；而采用平板结构的用平板结构的FED一般加速电压一般加速电压小于小于10kV。另一方面，。另一方面，CRT的的消耗电流很小

17、消耗电流很小，因此其功耗控制在可接受的范，因此其功耗控制在可接受的范围内；而围内；而FED的加速电压较低，要达到与的加速电压较低，要达到与CRT相当地相当地亮度，必然需要亮度，必然需要较高的消耗电流较高的消耗电流。（4）阴阳极距离阴阳极距离也是两者的主要区别之一。也是两者的主要区别之一。CRT的阴的阴阳极距离至少在阳极距离至少在1cm以上，大尺寸以上，大尺寸CRT甚至达到几十甚至达到几十厘米；而厘米；而FED的阴阳极距离小于的阴阳极距离小于3mm。FED的优点：的优点： （1）冷阴极发射；）冷阴极发射； （2）低的工作电压；）低的工作电压； （3）自发光和高亮度；）自发光和高亮度； （4）宽视

18、角；）宽视角； （5）高速响应；）高速响应； （6）很宽的环境温度变化范围。）很宽的环境温度变化范围。 1968年斯坦福国际研究所的年斯坦福国际研究所的C. A. Spindt研制成功微尖研制成功微尖阴极发射结构的阴极发射结构的FED ，后法国政府实验室，后法国政府实验室LETI对对Spindt的的方法作了改进并于方法作了改进并于1990年研制出第一个年研制出第一个15cm单色显示器。单色显示器。 在温度在温度T0K时，为了使金属中具有最大能量的时，为了使金属中具有最大能量的电子能够克服表面势垒而逸出，必须提供的最小能电子能够克服表面势垒而逸出，必须提供的最小能量叫做逸出功。量叫做逸出功。电子

19、发射方式：电子发射方式： （1）热电子发射；）热电子发射； （2）光电子发射；）光电子发射； （3）二次电子发射；）二次电子发射； （4）场致发射。）场致发射。场发射理论场发射理论 2. 场致发射显示器件的构成场致发射显示器件的构成 场致发射显示器件，即场致发射阵列平板显示器，场致发射显示器件，即场致发射阵列平板显示器，或称为真空微尖平板显示器（或称为真空微尖平板显示器（Mini Flat Panel，MFP），），是一种新型的自发光平板显示器件，它实际上是一种很是一种新型的自发光平板显示器件，它实际上是一种很薄的薄的CRT显示器，其显示器，其单元结构是一个微型真空三极管单元结构是一个微型真空

20、三极管（图（图7.2），包括一个作为阴极的），包括一个作为阴极的金属发射尖锥金属发射尖锥，孔状的，孔状的金属金属栅极栅极以及有透明导电层形成的以及有透明导电层形成的阳极阳极，阳极表面涂有，阳极表面涂有荧光粉荧光粉。由于栅极和阳极间距离很小，但在栅极和阴极。由于栅极和阳极间距离很小，但在栅极和阴极间加上不高的电压（小于间加上不高的电压（小于100 V）时，）时， 在阴极的尖端会在阴极的尖端会产生很强的电场，当电场强度大于产生很强的电场，当电场强度大于5107 V/cm时，电时，电子由于隧道效应从金属内部穿出进入真空中，并受阳极子由于隧道效应从金属内部穿出进入真空中，并受阳极正电压加速，轰击荧光粉

21、层实现发光显示。正电压加速，轰击荧光粉层实现发光显示。 图图7.1 微型真空三极管结构微型真空三极管结构 真空器件真空器件. 列阴极，行栅极列阴极，行栅极. 行列电极交叉点行列电极交叉点有多于有多于4500个微尖个微尖, 微尖直径微尖直径150 nm. 电流电流0.1 1 A/microtip.微尖阵列场发射阴极微尖阵列场发射阴极微尖阵列场发射阴极（微尖阵列场发射阴极（FEA） 场致发射是在金属尖端上进行的。如果尖端曲率半径场致发射是在金属尖端上进行的。如果尖端曲率半径为为1 m，尖端与阳极距离为，尖端与阳极距离为1 m左右，则当极间加上几左右，则当极间加上几十伏的电压，就会在尖端表面上产生十

22、伏的电压，就会在尖端表面上产生109V/cm数量级的强数量级的强电场。电场。 在忽略极间空间电荷的情况下，阴极发面尖端处场强在忽略极间空间电荷的情况下，阴极发面尖端处场强 与阳极电压与阳极电压Ua成正比。即成正比。即 aU几种典型的尖端形状几种典型的尖端形状微尖电子发射微尖电子发射 场发射阴极阵列面积场发射阴极阵列面积240mm 240mm，包含，包含1.4x106个微尖。个微尖。金属微尖的伏安特性金属微尖的伏安特性 FED的制造过程与的制造过程与LCD很类似，采用的玻璃平板相同，很类似，采用的玻璃平板相同，薄膜沉积和光刻技术也很相似。制作阵列状的微尖锥结构时，薄膜沉积和光刻技术也很相似。制作

23、阵列状的微尖锥结构时，采用两步光刻工艺，首先对微孔阵列光刻，这一步有很高的采用两步光刻工艺，首先对微孔阵列光刻，这一步有很高的光刻精度（小于光刻精度（小于1.5 m），可用紫外光步进曝光来实现，然），可用紫外光步进曝光来实现，然后用蒸发和刻蚀制造微尖。用上述方法制造的阴极必须满足后用蒸发和刻蚀制造微尖。用上述方法制造的阴极必须满足3点要求：点要求：（1）在整个表面上具有均匀的电子发射。）在整个表面上具有均匀的电子发射。（2）提供充分的电流，以便在低电压下获得高亮度。）提供充分的电流，以便在低电压下获得高亮度。（3）在微尖和栅极之间没有短路。）在微尖和栅极之间没有短路。 为了满足以上要求，采用了

24、下面两项技术：为了满足以上要求，采用了下面两项技术：（1）在导通的阴极和选通的微尖之间利用一个电阻层来控制）在导通的阴极和选通的微尖之间利用一个电阻层来控制电流，使每一选通的像素含有大量的微尖，可保证发射的均电流，使每一选通的像素含有大量的微尖，可保证发射的均匀性。匀性。（2）高发射密度（）高发射密度（104微尖微尖mm2）和小尺寸（直径小于）和小尺寸（直径小于1.5 m），使得在），使得在100 V激励电压下获得激励电压下获得l mA/mm2的电流密度，的电流密度，从而实现高亮度。从而实现高亮度。采用上述方法制造的一种采用上述方法制造的一种15cm FED单色显示器的性能如下：单色显示器的性

25、能如下：v激励面积（激励面积（mm2） 11090v行列数行列数 256256v光点尺寸（光点尺寸（mm2） 0.12v微尖密度（微尖密度（/mm2） 104v阳极阳极-阴极空间（阴极空间（m） 200v阴极阴极-栅极电压（栅极电压（V） 80v阴极阴极-阳极电压（阳极电压（V） 400v辉度（辉度（cd/m2） 150300v对比度对比度 1001v响应时间（响应时间（s） 5000v平均功率耗散（屏）（平均功率耗散（屏）（W/cm2） 1 2. FED工作原理工作原理 FED工作原理如图所示，两块平板玻璃之间有工作原理如图所示，两块平板玻璃之间有200m的间隙，的间隙，底板上有一个排气管可

26、抽气，显示器件的阴极由交叉金属电极网底板上有一个排气管可抽气，显示器件的阴极由交叉金属电极网组成，一层金属带连接阴极，另一层正交的金属带连接栅极，两组成，一层金属带连接阴极，另一层正交的金属带连接栅极，两层金属带之间由层金属带之间由l m厚的绝缘层分开，每一个像素由相交的金属厚的绝缘层分开，每一个像素由相交的金属带行列交叉点所选通，涂有荧光粉的屏对应于像素安放。每个像带行列交叉点所选通，涂有荧光粉的屏对应于像素安放。每个像素有数千个微电子管，即使有一些发射尖锥失效也不会影响像素素有数千个微电子管，即使有一些发射尖锥失效也不会影响像素显示，这一特点非常有利于提高成品率。如果在这些微尖锥发射显示，

27、这一特点非常有利于提高成品率。如果在这些微尖锥发射阵列上加上矩阵选址电路，就构成了阵列上加上矩阵选址电路，就构成了FED。FED基本结构和原理基本结构和原理结构：结构：由阳极基板和阴极基板构成，阳极基板为红绿蓝三色荧光粉粉条由阳极基板和阴极基板构成，阳极基板为红绿蓝三色荧光粉粉条为了保证色纯度，之间用黑矩阵隔开，为了保证色纯度，之间用黑矩阵隔开，阴极基板由可以行列寻址的发射阵列和栅极组成。阴极基板由可以行列寻址的发射阵列和栅极组成。两基板之间有支撑以抵抗大气压力，基板之间用低熔点玻璃封接两基板之间有支撑以抵抗大气压力，基板之间用低熔点玻璃封接原理原理：在栅极和阴极之间有一个电压差形成电场，使得

28、微尖释在栅极和阴极之间有一个电压差形成电场，使得微尖释出电子，再经过阳极和阴极之间的高压电场加速电子使之轰击出电子，再经过阳极和阴极之间的高压电场加速电子使之轰击荧光粉而发光荧光粉而发光。7.2.2 FED发展状况发展状况vFED本质上是由许多微型本质上是由许多微型CRT组成的平板显示器，组成的平板显示器，其具备下列优点：其具备下列优点：（1）冷阴极发射。）冷阴极发射。（2）低工作电压。）低工作电压。（3）自发光和高亮度。）自发光和高亮度。（4）宽视角和高速响应。）宽视角和高速响应。（5）很宽的环境温度变化范围。）很宽的环境温度变化范围。v FED是是20世纪世纪80年代末问世的真空微电子学的

29、产物，兼年代末问世的真空微电子学的产物，兼有有源矩阵液晶显示器（有有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）和传统）和传统CRT的主要优点，的主要优点，显示出强大的市场潜力。其工作方式与显示出强大的市场潜力。其工作方式与CRT类似，但厚度仅类似，但厚度仅为几毫米，亮度、灰度、色彩、分辨率和响应速度可与为几毫米，亮度、灰度、色彩、分辨率和响应速度可与CRT相媲美；且工作电压低、功耗小、无相媲美；且工作电压低、功耗小、无X射线辐射，成为射线辐射，成为CRT的理想替代品。另外，的理想替代品。另外，FED不需背光、视角大、工作温度范不需背光、视角大、工作温度范围宽等优点也对目前平板显示器的主流产品围宽等优点也

30、对目前平板显示器的主流产品AM-LCD提出了提出了严峻的挑战。严峻的挑战。v FED已经被认为是未来起重要作用的一种平板显示器件已经被认为是未来起重要作用的一种平板显示器件和技术，甚至有可能在办公设备和家用显示器件方面取代和技术，甚至有可能在办公设备和家用显示器件方面取代CRT显示器，当然，从商品化角度考虑，显示器，当然，从商品化角度考虑，FED还需要一定的还需要一定的时间对工艺和制造技术进一步完善。时间对工艺和制造技术进一步完善。 FED的用途的用途v仪器仪表的监视器仪器仪表的监视器v手提式计算机显示屏手提式计算机显示屏v壁挂电视壁挂电视v摄像机的取景器摄像机的取景器v电子照相机的显示屏等娱

31、乐用途电子照相机的显示屏等娱乐用途v炮瞄定位显示等军事用途炮瞄定位显示等军事用途v汽车工业及航空工作中的导向系统监视器等汽车工业及航空工作中的导向系统监视器等FED的研究概况及发展前景的研究概况及发展前景1999 年年PixTech公司制公司制造的造的12英寸英寸FED用于美用于美军装备军装备FED目前面临的问题目前面临的问题寿命不长，这是一个关键因素寿命不长，这是一个关键因素由于玻壳和工艺问题由于玻壳和工艺问题, FED难于实现大屏幕化难于实现大屏幕化 阴极大面积发射的一致性不好阴极大面积发射的一致性不好阴极发射的稳定性需要继续研究阴极发射的稳定性需要继续研究结构复杂，支撑结构布局困难，真空

32、封接还不完善结构复杂，支撑结构布局困难，真空封接还不完善 7.3电致发光显示技术电致发光显示技术（ELD）发展历程发展历程1最早的发现最早的发现1963年，法国的年，法国的Destriau （德（德斯特里奥）发现，将斯特里奥）发现，将ZnS荧光粉末浸入油性溶荧光粉末浸入油性溶液中，使其封于两块电极之间，施加交流电压液中，使其封于两块电极之间，施加交流电压就会产生发光现象，这就是就会产生发光现象，这就是EL。第一代第一代ELD1950年，发明了以年，发明了以SnO2为主为主要成分的透明导电膜，要成分的透明导电膜，Sylvania公司利用这种公司利用这种电极，成功开发了电极，成功开发了分散型分散型

33、EL元件，作为平面型元件，作为平面型发光源发光源.发展历程发展历程2第二代第二代ELDVecth等人发表了一篇文章，阐明等人发表了一篇文章，阐明分散型分散型EL元件荧光体表面通过元件荧光体表面通过Cu的处理可以实现的处理可以实现直流驱动；直流驱动；Kahng等人发表了另一篇文章，阐明等人发表了另一篇文章，阐明在薄膜型在薄膜型EL中导入作为发光中心的稀土氟化物，中导入作为发光中心的稀土氟化物，可实现高辉度。可实现高辉度。成为研究课题之一成为研究课题之一Inoguchi等人于等人于1974年发年发表了关于高辉度、长寿命的二层绝缘膜结构的薄表了关于高辉度、长寿命的二层绝缘膜结构的薄膜型膜型EL元件的

34、文章，并通过实验验证了元件的文章，并通过实验验证了EL用于电用于电视面显示的可能性。视面显示的可能性。发展历程发展历程3批量生产批量生产1983年，日本开始了薄膜年，日本开始了薄膜ELD的批的批量生产。目前橙红色的量生产。目前橙红色的ELD可由可由Sharp等公司供等公司供应。应。引起广泛注意引起广泛注意近年来，对近年来，对ELD的研究更集中的研究更集中于全彩色显示和更大容量的显示方面。实现全彩于全彩色显示和更大容量的显示方面。实现全彩色显示，高质量的红、绿、蓝三基色荧光体必不色显示，高质量的红、绿、蓝三基色荧光体必不可少。最近，采用由发光层及电子输送层，空穴可少。最近，采用由发光层及电子输送

35、层，空穴输送层构成有机薄膜型电致发光（输送层构成有机薄膜型电致发光（OLED）器件）器件研制成功，它成功在低电压下获得高辉度发光，研制成功，它成功在低电压下获得高辉度发光，并有可能实现蓝色发光。并有可能实现蓝色发光。ELD的分类的分类按结构上又可分：按结构上又可分：按发光层材料分：按发光层材料分：从驱动方式上：从驱动方式上：无机和有机电致发光组合出的无机和有机电致发光组合出的3种种EL显示器件显示器件有薄膜型交流有薄膜型交流EL分散型交流分散型交流EL薄膜型交流驱动薄膜型交流驱动EL实用性达到实用化达到实用化达到实用化达到实用化未达到实用化未达到实用化特性高辉度高辉度高可靠性高可靠性价格低价格

36、低易实现多彩色易实现多彩色性能可靠性能可靠寿命长寿命长用作发橙黄色光的平板发橙黄色光的平板显示器显示器平面光源，如液晶显平面光源，如液晶显示器的背光源示器的背光源平板显示领域平板显示领域 母体材料硫化锌为主体硫化锌为主体硫化锌为主体硫化锌为主体聚对苯撑乙烯聚对苯撑乙烯v电致发光显示器与其它电子显示器件相比电致发光显示器与其它电子显示器件相比突出的特点突出的特点:（1）图像显示质量高。）图像显示质量高。自发光型，具有显示精度高，精细柔和，对眼睛的刺激小等优点。特别由于是自发光型，视角大，对于显示精细度要求高的汉字显示十分有利。 （2）受温度变化的影响小。）受温度变化的影响小。EL的发光阈值决定于

37、隧道效应，因此对温度变化不敏感。这在温度变化剧烈的车辆等中的应用有明显优势。（3）EL是目前所知唯一的全固体显示元件，耐振动冲击的特性极是目前所知唯一的全固体显示元件，耐振动冲击的特性极好，适合坦克、装甲车等军事应用。好，适合坦克、装甲车等军事应用。（4）具有小功耗、薄型、质量轻等特征。）具有小功耗、薄型、质量轻等特征。一般厚25mm,重约500g。（5）快速显示响应时间小于）快速显示响应时间小于1 ms （6）低电磁泄漏（）低电磁泄漏（Electro Magnetic Interference，EMI）。）。 起源于起源于SylvaniaSylvania公司，是第一代公司，是第一代ELEL代

38、表结构形式，目前代表结构形式，目前广泛用于液晶显示的背景光源。广泛用于液晶显示的背景光源。 7.3.2 ELD的基本结构及工作原理的基本结构及工作原理 荧光体粉末的母体材料荧光体粉末的母体材料是是ZnS，其中添加了作为发光中心的活化其中添加了作为发光中心的活化剂和剂和Cu、Cl、I及及Mn原子等，由原子等，由此可得到不同的发光颜色。黏接此可得到不同的发光颜色。黏接剂中采用介电常数较高的有机物，剂中采用介电常数较高的有机物，如氰乙基纤维素等。发光层与背如氰乙基纤维素等。发光层与背电极间设有介电体层以防止绝缘电极间设有介电体层以防止绝缘层被破坏，背电极用层被破坏，背电极用Al膜做成。膜做成。分散型

39、交流分散型交流EL元件的基本结构元件的基本结构 基板为玻璃或柔性塑料板。透明电极采用基板为玻璃或柔性塑料板。透明电极采用ITO膜，发光膜，发光层由荧光体粉末分散在有机黏接剂中做成。层由荧光体粉末分散在有机黏接剂中做成。机理：在机理：在ZnS颗粒内沿线缺陷会有颗粒内沿线缺陷会有Cu析出，形成电导率较大的析出，形成电导率较大的CuxS，CuxS与与ZnS形成异质结。由此可以形成异质结。由此可以认为其形成电导率极高的认为其形成电导率极高的P型或金属型或金属电导态。图电导态。图(b)表示这种状态的能带表示这种状态的能带图。当施加电压时，在上述图。当施加电压时，在上述CuxS/ZnS界面上会产生高于平均

40、场界面上会产生高于平均场强的电场强度。在这种高场强的作强的电场强度。在这种高场强的作用下，位于界面能级的电子会通过用下，位于界面能级的电子会通过隧道效应向隧道效应向ZnS内注入，与发光中内注入，与发光中心捕获的孔穴发生复合，产生发光。心捕获的孔穴发生复合，产生发光。当发光中心为当发光中心为Mn时，如上所述发生时，如上所述发生的电子与这些发光中心碰撞使其激的电子与这些发光中心碰撞使其激发，引起发，引起EL发光。发光。 发光机制可用右图的发光机制可用右图的Fischer模型来解释。因为模型来解释。因为ZnS荧光体粒径为荧光体粒径为530m，通常，通常在一个在一个 ZnS颗粒中会存在点缺颗粒中会存在

41、点缺陷及线缺陷。电场在陷及线缺陷。电场在ZnS内非内非均匀分布，所以发光状态也不均匀分布，所以发光状态也不相同。相同。 当观察一个当观察一个ZnS颗粒时，如颗粒时，如图（图（a）所示，发光先从若干孤）所示，发光先从若干孤立点开始，随着电场增加，两立点开始，随着电场增加，两点的发光逐渐延伸，相互靠近，点的发光逐渐延伸，相互靠近，汇成彗星状的发光。汇成彗星状的发光。分散型交流电致发光 发光发光色通过活化剂和共活化剂的组合可以在蓝色到黄色色通过活化剂和共活化剂的组合可以在蓝色到黄色之间的范围内变化。之间的范围内变化。 在在ZnS：Cu，Cl系中，通过调节系中，通过调节Cl的含量，可以获得的含量，可以

42、获得从蓝色从蓝色(460nm)到绿色到绿色(510nm)的发光。这种发光是由于的发光。这种发光是由于以以Cu为受主，为受主，Cl为施主的为施主的I)D-A对之间的复合迁移而产生对之间的复合迁移而产生的。此外，由的。此外，由ZnS：Cu，Al系可得到绿色，由系可得到绿色，由ZnS：Cu，Cl，Mn系可得到黄色发光等。系可得到黄色发光等。图图7.5 分散型交流分散型交流EL元件辉度元件辉度-电压（电压（L-V）和发光效率）和发光效率-电压电压（-V）特性）特性由此图可以看出：由此图可以看出：在工作电压为在工作电压为300 V、频率为、频率为400 Hz时，可获得约时，可获得约100 cd/m2的辉

43、度。的辉度。辉度与频率有关，在低于辉度与频率有关，在低于100 kHz的范围内，辉度与频率成正比的范围内，辉度与频率成正比变化。变化。发光效率随电压的增加，先是增发光效率随电压的增加，先是增加后是减小，其最大值一般可以从加后是减小，其最大值一般可以从辉度出现饱和趋势的电压区域得到。辉度出现饱和趋势的电压区域得到。发光效率正在不断地得到改善，发光效率正在不断地得到改善，目前可以达到目前可以达到15 lm/W。 上述上述分散型交流分散型交流ELEL元件的最大问题是稳定性差元件的最大问题是稳定性差( (寿命短寿命短) )。 当然当然，稳定性与使用环境和驱动条件相关。，稳定性与使用环境和驱动条件相关。

44、 对于对于环境来说，此元件的耐湿度性很弱，需要钝化保护。环境来说，此元件的耐湿度性很弱，需要钝化保护。 对于对于驱动条件来说，当电压一定时，随工作时间加长，驱动条件来说，当电压一定时，随工作时间加长，其发光亮度下降，尤其是驱动周波数高时，在高辉度下工作其发光亮度下降，尤其是驱动周波数高时，在高辉度下工作会更快地劣化。会更快地劣化。 可可定义亮度降到初期值一半的时间为寿命，又称为定义亮度降到初期值一半的时间为寿命，又称为半半衰期衰期 第第一代一代ELEL的开发初期，其寿命最长为的开发初期，其寿命最长为100h100h。最近，随。最近，随着荧光体粉末材料处理条件的改善，为防湿，采用了树脂着荧光体粉

45、末材料处理条件的改善，为防湿，采用了树脂模注入以及改良驱动条件等措施，在驱动参数为模注入以及改良驱动条件等措施，在驱动参数为200V200V，400Hz400Hz条件下，其寿命已能达到条件下，其寿命已能达到2500h2500h。 2. 分散型直流电致发光结构原理分散型直流电致发光结构原理 分散型直流分散型直流EL元件的基本结构元件的基本结构如如7.6所示。在玻璃基板上形成透明所示。在玻璃基板上形成透明电极，将电极，将ZnSCu、Mn荧光体粉末荧光体粉末与少量黏接剂的混合物均匀涂布于与少量黏接剂的混合物均匀涂布于上，厚度为上，厚度为3050 m。由于是。由于是直流直流驱动驱动，应选择具有导电性的

46、荧光体，应选择具有导电性的荧光体层，为此选用粒径为层，为此选用粒径为0.51 m的较的较细的荧光粉末。将细的荧光粉末。将ZnS荧光体浸在荧光体浸在Cu2SO4溶液中进行热处理，使其表溶液中进行热处理，使其表面产生具有导电性的面产生具有导电性的CuxS层，这种层，这种工艺叫做工艺叫做包铜处理包铜处理。最后再蒸镀。最后再蒸镀Al，形成背电极，从而得到形成背电极，从而得到EL元件。元件。图图7.6 分散型直流分散型直流EL元件的基本结构元件的基本结构分散型直流分散型直流EL元件制成之后，先不使其马上发光，而是在透元件制成之后，先不使其马上发光，而是在透明电极一侧接电源正极，明电极一侧接电源正极，Al

47、背面电极一侧接负极，在一定的背面电极一侧接负极，在一定的电压作用下，经长时间放置后，再让其正式发光。在这一定电压作用下，经长时间放置后，再让其正式发光。在这一定形化形化(forming)处理过程中，处理过程中，Cu2+离子会从透明电极附近的离子会从透明电极附近的荧光体粒子向荧光体粒子向Al电极一侧迁移。电极一侧迁移。结果，如图结果，如图 (a)所示，在透明电极一侧会出现没有所示，在透明电极一侧会出现没有CuxS包覆包覆的、电阻率高的的、电阻率高的ZnS层层(脱铜层脱铜层)。这样，外加电压的大部分。这样，外加电压的大部分会作用在脱铜层上，在该层中形成会作用在脱铜层上，在该层中形成106Vcm的强

48、电场。如的强电场。如图图(b)所示，在此强电场作用下，会使电子注入到所示，在此强电场作用下，会使电子注入到ZnS层中，层中，经加速，成为发光中心。例如，直接碰撞经加速，成为发光中心。例如，直接碰撞Mn2+会引起其激发，会引起其激发，引发引发EL发光。发光。关于发光色，在关于发光色，在ZnS：Mn，Cu系中，由锰离子可获得橙黄系中，由锰离子可获得橙黄色光。色光。SrS：Ce，Cl系发蓝光，系发蓝光，CaS：Ce，Cl系发绿光，系发绿光，CaS：Eu，Cl系发红光。但发光效率都不高。系发红光。但发光效率都不高。 图图 分散型直流分散型直流EL的发光机制的发光机制图图7.7 分散型直流分散型直流EL

49、元件辉度元件辉度-电压（电压（L-V）和发光效率和发光效率-电压（电压（-V）特性）特性 在在100 V左右的电压下可左右的电压下可获得大获得大500 cd/m2的辉度。的辉度。即使采用占空比为即使采用占空比为l%左右左右的脉冲波形来驱动，也能得的脉冲波形来驱动，也能得到与交流驱动相同程度的辉到与交流驱动相同程度的辉度。此时元件发光效率一般度。此时元件发光效率一般在在0.51 lm/W的范围内，的范围内，且经严格防湿处理后可延长且经严格防湿处理后可延长其寿命。直流驱动的寿命大其寿命。直流驱动的寿命大约为约为1000 h，脉冲驱动可达，脉冲驱动可达5000 h。 3. 薄膜型交流电致发光薄膜型交

50、流电致发光 薄膜型交流薄膜型交流EL元件是将发光层薄膜夹于两层元件是将发光层薄膜夹于两层绝缘膜之间组成三明治结构形式，其基本结构如图绝缘膜之间组成三明治结构形式，其基本结构如图7.8所示。在玻璃基板上依次沉积透明电极、第一绝所示。在玻璃基板上依次沉积透明电极、第一绝缘层、发光层、第二绝缘层、背电极（缘层、发光层、第二绝缘层、背电极（A1）等。发）等。发光层厚为光层厚为0.5l m，绝缘层厚，绝缘层厚0.30.5 m，全膜厚，全膜厚只有只有2 m左右。在左右。在EL元件电极间施加元件电极间施加200 V左右的左右的电压，即可使电压，即可使EL发光。发光。 1974年高辉度、长寿命的薄膜交流型年高

51、辉度、长寿命的薄膜交流型EL元件被制成，该元元件被制成，该元件是将发光层薄膜夹于两层绝缘膜之间组成三明治结构。此件是将发光层薄膜夹于两层绝缘膜之间组成三明治结构。此后，人们又对这种形式的后，人们又对这种形式的EL元件进行了广泛的研究开发。目元件进行了广泛的研究开发。目前已将其投入商品市场。前已将其投入商品市场。其基本结构如图所其基本结构如图所示，在玻璃基板上依次积层透明电极示，在玻璃基板上依次积层透明电极(ITO)、第一绝缘层、发光层、第二绝缘层、背面电极、第一绝缘层、发光层、第二绝缘层、背面电极(A1)等。发光层厚等。发光层厚0.51 m，绝缘层厚，绝缘层厚0.30.5 m。全膜厚只。全膜厚

52、只有有2 m左右，是非常薄的。左右，是非常薄的。在在EL元件电极间施加元件电极间施加200V左右的电压，可获得左右的电压，可获得EL发光。由发光。由于发光层夹在两绝缘层之间，可防止元件的绝缘被破坏，于发光层夹在两绝缘层之间，可防止元件的绝缘被破坏，故在发光层中可以形成稳定的故在发光层中可以形成稳定的106Vcm以上的强电场。而以上的强电场。而且，由于致密的绝缘膜保护，可防止杂质及湿气对发光层且，由于致密的绝缘膜保护，可防止杂质及湿气对发光层的损害。的损害。图图7.8 二层绝缘膜结构薄膜型交流二层绝缘膜结构薄膜型交流EL元件元件薄膜型交流电致发光 ZnS：Mn系的发光机制，系的发光机制，可按图示

53、的碰撞激发来解可按图示的碰撞激发来解释。即，当施加的电压大释。即，当施加的电压大于阈值电压于阈值电压Vth时，由于隧时，由于隧道效应，从绝缘层与发光道效应，从绝缘层与发光层间的层间的界面能级飞出的电界面能级飞出的电子，被子，被106Vcm的强电场的强电场加速，使其热电子化，并加速，使其热电子化，并碰撞激发碰撞激发Mn等发光中心。等发光中心。被激发的内壳层电子从被激发的内壳层电子从激发能级向原始能级返激发能级向原始能级返回时，产生回时，产生EL发光。激发光。激发发光中心的热电子，发发光中心的热电子，在发光层与绝缘层的界在发光层与绝缘层的界面停止移动，产生极化面停止移动，产生极化作用。这种极化电场

54、与作用。这种极化电场与外加电场相重叠，在交外加电场相重叠，在交流驱动施加反极性脉冲流驱动施加反极性脉冲电压时，会使发光层中电压时，会使发光层中的电场强度增强。的电场强度增强。图图7.9 ZnSMn薄膜型交流薄膜型交流EL元件辉度元件辉度-电电压（压（L-V）和发光效率）和发光效率-电压（电压（-V）特性）特性 辉度辉度在在Vth处急速上升，此处急速上升，此后出现饱和倾向，后出现饱和倾向，发光效率发光效率在在辉度急速上升的电压范围内达辉度急速上升的电压范围内达到最大值。到最大值。EL发光的上升沿约发光的上升沿约数微秒，下降沿约数毫秒量级，数微秒，下降沿约数毫秒量级，辉度辉度在千赫兹范围内与电压频

55、在千赫兹范围内与电压频率成正比增加。率成正比增加。薄膜型交流电致发光 关于两层绝缘膜结构的关于两层绝缘膜结构的ZnS：Mn的稳定性，制成之的稳定性，制成之后在开始工作的一段时间内，辉度后在开始工作的一段时间内，辉度-电压特性会发生变电压特性会发生变化，此后便会渐渐达到稳定状态。这化，此后便会渐渐达到稳定状态。这并非性能的劣化，并非性能的劣化，而是制作过程中导入的各种变形、不稳定因素及电荷分而是制作过程中导入的各种变形、不稳定因素及电荷分布的不均匀性等逐渐趋向稳定的过程，该过程又称作布的不均匀性等逐渐趋向稳定的过程，该过程又称作老老化化。 老化老化充分的元件，其性能极为稳定，工作充分的元件，其性

56、能极为稳定，工作20000h以上，未发现辉度明显降低。以上，未发现辉度明显降低。 元件的结构很简单，元件的结构很简单，在薄膜发光层的两侧直接形成电极在薄膜发光层的两侧直接形成电极即可即可。迄今为止，已试做过各种各样的元件，但由于其稳。迄今为止，已试做过各种各样的元件，但由于其稳定性不能解决，所以至今未达到实用化，元件的发光机制定性不能解决，所以至今未达到实用化，元件的发光机制为碰撞激发型，需要为碰撞激发型，需要105106V/cm的强电场来驱动。由于的强电场来驱动。由于没有绝缘膜保护，很难保证不发生绝缘破坏，因此难以稳没有绝缘膜保护，很难保证不发生绝缘破坏，因此难以稳定地维持电场。从而需要导入

57、限制电流层。定地维持电场。从而需要导入限制电流层。 最近，通过将最近，通过将MnO2粉末电阻体夹在发光层与背面电极粉末电阻体夹在发光层与背面电极之间，制成了稳定的之间，制成了稳定的ZnS：Mn系系EL元件，这称为元件，这称为直流薄直流薄膜膜-粉末混成型粉末混成型EL元件元件，其发光效率可达，其发光效率可达0.8lmW，寿命，寿命可达可达20000h以上。以上。 4.薄膜型直流电致发光5、有机薄膜电致发光 以上讨论的以上讨论的EL元件的发光层等都是由无机材料做成的，元件的发光层等都是由无机材料做成的，最近已经制成以有机薄膜为发光层及空穴输送层的注入型薄最近已经制成以有机薄膜为发光层及空穴输送层的

58、注入型薄膜膜EL元件。下图表示元件。下图表示这种元件的结构及所使用材料的分子结这种元件的结构及所使用材料的分子结构。构。发光层由铝喹啉络合物发光层由铝喹啉络合物(Alq3)形成，空穴输送层由二胺系化合形成，空穴输送层由二胺系化合物真空蒸镀形成，将二者夹在物真空蒸镀形成，将二者夹在ITO电极与电极与MgAg电极之间便构电极之间便构成成EL元件。发光色为绿色。若施加元件。发光色为绿色。若施加10V左右的直流脉冲电压，左右的直流脉冲电压，其辉度可达其辉度可达1000cd/m2以上，发光效率可达以上，发光效率可达1.5 lm/w。图图7.10 OEL元件的结构元件的结构 此后此后，又发现了发光层与，又

59、发现了发光层与电子输送层相分离从而具有三电子输送层相分离从而具有三层结构的有机薄膜层结构的有机薄膜EL元件。元件。电子输送层采用而萘嵌苯，空电子输送层采用而萘嵌苯，空穴输送采用二胺系化合物，从穴输送采用二胺系化合物，从而提高了载流子的输送功能以而提高了载流子的输送功能以及从电极向载流子的注入效应，及从电极向载流子的注入效应，这种元件的有机材料的荧光本这种元件的有机材料的荧光本身即是其发光色。身即是其发光色。 因此可通过材料化学结因此可通过材料化学结构的变化很方便地选择发光色，构的变化很方便地选择发光色，如图所示，从而获得从蓝色到如图所示，从而获得从蓝色到红色的红色的EL发光。发光。有机薄膜电致

60、发光 有机薄膜发光层及空穴输送层的注入型薄膜有机薄膜发光层及空穴输送层的注入型薄膜EL元件，称为元件，称为OLED。 目前有机目前有机EL的研究重点是：研制高稳定性的的研究重点是：研制高稳定性的R、G、B3基色和白色器件已向实用化迈进，并在此基基色和白色器件已向实用化迈进，并在此基础上研究用于动态显示的矩阵屏及实现高质量动态础上研究用于动态显示的矩阵屏及实现高质量动态显示的驱动电路。显示的驱动电路。v 表表7.1 有机有机EL和无机和无机EL比较比较OLED能提供真正像能提供真正像纸一样薄的显示器，纸一样薄的显示器，它又薄（总厚度不到它又薄（总厚度不到1m）又轻，具有低）又轻，具有低功耗（驱动