第7章 新型光电显示技术课件

7.1电致变色显示技术7.2场致发射显示技术7.3电致发光显示技术7.4电泳显示技术和铁电陶瓷显示技术习题七

第7章新型光电显示技术7.1电致变色显示技术7.1.1电致变色（electrochromism，EC）现象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，即产生着色现象。所谓电致变色现象，是指电致着色和发光现象，从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逆性的电致变色现象。电致变色显示器件（ElectroChromismDevice，ECD）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的人员和资金，以求在这方面取得突破。电致变色材料

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，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和有机电致变色材料。无机电致变色材料的典型代表是三氧化钨，目前，以WO3为功能材料的电致变色器件已经产业化。而有机电致变色材料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。以紫罗精类为功能材料的电致变色材料已经得到实际应用。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：(1)具有良好的电化学氧化还原可逆性；(2)快速的变色响应；(3)颜色的可逆变化；(4)颜色变化的高度灵敏；(5)有较高的循环寿命；(6)有一定的存贮记忆功能；(7)稳定的化学特性。电致变色主要有3种形式：（1）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。（3）彩色不溶性有机物析出在观察电极上。电致变色显示有以下突出的优点：（1）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。（3）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，存储功能不影响寿命。（4）在存储状态下不消耗功率。（5）工作电压低，仅为0.5～20V，可与集成电路匹配。（6）器件可做成全固体化。

电致变色显示也有一些不容忽视的缺点，如响应慢，响应速度（约500ms）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106～107次）。7.1.2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合的光电子薄膜器件，能够在外加低压驱动的作用下实现可逆的色彩变化，可以应用在被动显示、灵巧变色窗等领域。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。

电致变色智能玻璃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1调光玻璃(电致变色玻璃)图2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。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。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。

图7.1ECD结构及显示原理电致变色显示器件结构：电致变色器件一般由5层结构组成，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7.1（a）所示，其显示原理如图7.2（b）所示。根据电致变色层材料的不同，ECD又可分为以下2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采用低压反应离子镀工艺，在ITO塑料衬底上制备WO3和NiO

电致变色薄膜，采用MPEO-LiClO4高分子聚合物作电解质，制备透射型全固态塑料电致变色器件，变色调制范围达到30%左右。2.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能,引起人们的关注。TiO2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WO3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。7.2场致发射显示技术7.2.1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（FieldEmissionDisplay，FED）与真空荧光显示（VFD）和CRT有许多相似之处，它们都以高能电子轰击荧光粉。与VFD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，兼有CRT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X射线，工作电压低，比TFT-LCD更节能，可靠性高。FED（FieldEmissionDisplay)与CRT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型显示器件。因此，FED具有与CRT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。典型场发射显示结构原理CRT发射显示结构原理FED与CRT的区别点：CRT采用热阴极，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FED采用冷阴极，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，FED不但降低了功耗，而且可以瞬时发射电子。（2）CRT的热阴极为点发射源或线发射源，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生显示。因此，CRT难以实现平板化；而FED的冷阴极为面发射源，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。（3）CRT的加速电场电压通常在1330kV之间；而采用平板结构的FED一般加速电压小于10kV。另一方面，CRT的消耗电流很小，因此其功耗控制在可接受的范围内；而FED的加速电压较低，要达到与CRT相当地亮度，必然需要较高的消耗电流。（4）阴阳极距离也是两者的主要区别之一。CRT的阴阳极距离至少在1cm以上，大尺寸CRT甚至达到几十厘米；而FED的阴阳极距离小于3mm。FED的优点：（1）冷阴极发射；（2）低的工作电压；（3）自发光和高亮度；（4）宽视角；（5）高速响应；（6）很宽的环境温度变化范围。

1968年斯坦福国际研究所的C.A.Spindt研制成功微尖阴极发射结构的FED，后法国政府实验室LETI对Spindt的方法作了改进并于1990年研制出第一个15cm单色显示器。在温度T＝0K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，必须提供的最小能量叫做逸出功。电子发射方式：（1）热电子发射；（2）光电子发射；（3）二次电子发射；（4）场致发射。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，即场致发射阵列平板显示器，或称为真空微尖平板显示器（MiniFlatPanel，MFP），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CRT显示器，其单元结构是一个微型真空三极管（图7.2），包括一个作为阴极的金属发射尖锥，孔状的金属栅极以及有透明导电层形成的阳极，阳极表面涂有荧光粉。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100V）时，在阴极的尖端会产生很强的电场，当电场强度大于5×107V/cm时，电子由于隧道效应从金属内部穿出进入真空中，并受阳极正电压加速，轰击荧光粉层实现发光显示。

图7.1微型真空三极管结构—真空器件.—列阴极，行栅极.—行列电极交叉点有多于4500个微尖,微尖直径150nm.—电流0.11A/microtip.阴极阵列

微尖阵列场发射阴极微尖形貌

微尖阵列场发射阴极（FEA）场致发射是在金属尖端上进行的。如果尖端曲率半径为1m，尖端与阳极距离为1m左右，则当极间加上几十伏的电压，就会在尖端表面上产生109V/cm数量级的强电场。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Ua成正比。即几种典型的尖端形状微尖电子发射

场发射阴极阵列面积240mm240mm，包含1.4x106个微尖。金属微尖的伏安特性FED的制造过程与LCD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，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1.5μm），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3点要求：（1）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。（3）在微尖和栅极之间没有短路。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。（2）高发射密度（104微尖／mm2）和小尺寸（直径小于1.5μm），使得在100V激励电压下获得lmA/mm2的电流密度，从而实现高亮度。采用上述方法制造的一种15cmFED单色显示器的性能如下：激励面积（mm2）110×90行列数256×256光点尺寸（mm2）0.12微尖密度（/mm2）104阳极-阴极空间（μm）200阴极-栅极电压（V）80阴极-阳极电压（V）400辉度（cd/m2）150～300对比度>100︰1响应时间（μs）<2寿命（h）>5000平均功率耗散（屏）（W/cm2）12.FED工作原理FED工作原理如图所示，两块平板玻璃之间有200μm的间隙，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，两层金属带之间由lμm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阵列上加上矩阵选址电路，就构成了FED。FED基本结构和原理结构：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。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：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荧光粉而发光。7.2.2FED发展状况FED本质上是由许多微型CRT组成的平板显示器，其具备下列优点：（1）冷阴极发射。（2）低工作电压。（3）自发光和高亮度。（4）宽视角和高速响应。（5）很宽的环境温度变化范围。FED是20世纪80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（AM-LCD）和传统CRT的主要优点，显示出强大的市场潜力。其工作方式与CRT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CRT相媲美；且工作电压低、功耗小、无X射线辐射，成为CRT的理想替代品。另外，FED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AM-LCD提出了严峻的挑战。FED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CRT显示器，当然，从商品化角度考虑，FED还需要一定的时间对工艺和制造技术进一步完善。

FED的用途仪器仪表的监视器手提式计算机显示屏壁挂电视摄像机的取景器电子照相机的显示屏等娱乐用途炮瞄定位显示等军事用途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1999年PixTech公司制造的12英寸FED用于美军装备台湾工业研究院电子研究所研制的碳纳米管产发射显示器韩国三星公司9英寸印刷型CNTFED（1999）韩国三星公司32英寸印刷型CNTFED（2002）法国LETI和美国Motorola公司6英寸QVGACNTFED（2004）FED目前面临的问题寿命不长，这是一个关键因素由于玻壳和工艺问题,FED难于实现大屏幕化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（ELD）发展历程1最早的发现——1963年，法国的Destriau

（德斯特里奥）发现，将ZnS荧光粉末浸入油性溶液中，使其封于两块电极之间，施加交流电压就会产生发光现象，这就是EL。第一代ELD——1950年，发明了以SnO2为主要成分的透明导电膜，Sylvania公司利用这种电极，成功开发了分散型EL元件，作为平面型发光源.发展历程2第二代ELD——Vecth等人发表了一篇文章，阐明分散型EL元件荧光体表面通过Cu的处理可以实现直流驱动；Kahng等人发表了另一篇文章，阐明在薄膜型EL中导入作为发光中心的稀土氟化物，可实现高辉度。成为研究课题之一——Inoguchi等人于1974年发表了关于高辉度、长寿命的二层绝缘膜结构的薄膜型EL元件的文章，并通过实验验证了EL用于电视面显示的可能性。发展历程3批量生产——1983年，日本开始了薄膜ELD的批量生产。目前橙红色的ELD可由Sharp等公司供应。引起广泛注意——近年来，对ELD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，空穴输送层构成有机薄膜型电致发光（OLED）器件研制成功，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。ELD的分类按结构上又可分：按发光层材料分：从驱动方式上：无机电致发光有机电致发光薄膜型分散型交流驱动型EL直流驱动型EL无机和有机电致发光组合出的3种EL显示器件有薄膜型交流EL分散型交流EL薄膜型交流驱动EL实用性达到实用化达到实用化未达到实用化特性高辉度高可靠性价格低易实现多彩色性能可靠寿命长用作发橙黄色光的平板显示器平面光源，如液晶显示器的背光源平板显示领域

母体材料硫化锌为主体硫化锌为主体聚对苯撑乙烯电致发光显示器与其它电子显示器件相比突出的特点:（1）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。EL的发光阈值决定于隧道效应，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。一般厚≤25mm,重约500g。（5）快速显示响应时间小于1ms（6）低电磁泄漏（ElectroMagneticInterference，EMI）。起源于Sylvania公司，是第一代EL代表结构形式，目前广泛用于液晶显示的背景光源。7.3.2ELD的基本结构及工作原理

荧光体粉末的母体材料是ZnS，其中添加了作为发光中心的活化剂和Cu、Cl、I及Mn原子等，由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，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层被破坏，背电极用Al膜做成。分散型交流EL元件的基本结构基板为玻璃或柔性塑料板。透明电极采用ITO膜，发光层由荧光体粉末分散在有机黏接剂中做成。机理：在ZnS颗粒内沿线缺陷会有Cu析出，形成电导率较大的CuxS，CuxS与ZnS形成异质结。由此可以认为其形成电导率极高的P型或金属电导态。图(b)表示这种状态的能带图。当施加电压时，在上述CuxS/ZnS界面上会产生高于平均场强的电场强度。在这种高场强的作用下，位于界面能级的电子会通过隧道效应向ZnS内注入，与发光中心捕获的孔穴发生复合，产生发光。当发光中心为Mn时，如上所述发生的电子与这些发光中心碰撞使其激发，引起EL发光。发光机制可用右图的Fischer模型来解释。因为ZnS荧光体粒径为5～30μm，通常在一个ZnS颗粒中会存在点缺陷及线缺陷。电场在ZnS内非均匀分布，所以发光状态也不相同。当观察一个ZnS颗粒时，如图（a）所示，发光先从若干孤立点开始，随着电场增加，两点的发光逐渐延伸，相互靠近，汇成彗星状的发光。分散型交流电致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之间的范围内变化。在ZnS：Cu，Cl系中，通过调节Cl的含量，可以获得从蓝色(～460nm)到绿色(510nm)的发光。这种发光是由于以Cu为受主，Cl为施主的I)D-A对之间的复合迁移而产生的。此外，由ZnS：Cu，Al系可得到绿色，由ZnS：Cu，Cl，Mn系可得到黄色发光等。图7.5分散型交流EL元件辉度-电压（L-V）和发光效率-电压（η-V）特性由此图可以看出：在工作电压为300V、频率为400Hz时，可获得约100cd/m2的辉度。辉度与频率有关，在低于100kHz的范围内，辉度与频率成正比变化。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，目前可以达到1～5lm/W。上述分散型交流EL元件的最大问题是稳定性差(寿命短)。当然，稳定性与使用环境和驱动条件相关。

对于环境来说，此元件的耐湿度性很弱，需要钝化保护。

对于驱动条件来说，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，在高辉度下工作会更快地劣化。可定义亮度降到初期值一半的时间为寿命，又称为半衰期第一代EL的开发初期，其寿命最长为100h。最近，随着荧光体粉末材料处理条件的改善，为防湿，采用了树脂模注入以及改良驱动条件等措施，在驱动参数为200V，400Hz条件下，其寿命已能达到2500h。2.分散型直流电致发光结构原理

分散型直流EL元件的基本结构如7.6所示。在玻璃基板上形成透明电极，将ZnS︰Cu、Mn荧光体粉末与少量黏接剂的混合物均匀涂布于上，厚度为30～50μm。由于是直流驱动，应选择具有导电性的荧光体层，为此选用粒径为0.5～1μm的较细的荧光粉末。将ZnS荧光体浸在Cu2SO4溶液中进行热处理，使其表面产生具有导电性的CuxS层，这种工艺叫做包铜处理。最后再蒸镀Al，形成背电极，从而得到EL元件。图7.6分散型直流EL元件的基本结构分散型直流EL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，Al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。在这一定形化(forming)处理过程中，Cu2+离子会从透明电极附近的荧光体粒子向Al电极一侧迁移。结果，如图(a)所示，在透明电极一侧会出现没有CuxS包覆的、电阻率高的ZnS层(脱铜层)。这样，外加电压的大部分会作用在脱铜层上，在该层中形成106V／cm的强电场。如图(b)所示，在此强电场作用下，会使电子注入到ZnS层中，经加速，成为发光中心。例如，直接碰撞Mn2+会引起其激发，引发EL发光。关于发光色，在ZnS：Mn，Cu系中，由锰离子可获得橙黄色光。SrS：Ce，Cl系发蓝光，CaS：Ce，Cl系发绿光，CaS：Eu，Cl系发红光。但发光效率都不高。图分散型直流EL的发光机制 图7.7分散型直流EL元件辉度-电压（L-V）和发光效率-电压（η-V）特性在100V左右的电压下可获得大500cd/m2的辉度。即使采用占空比为l%左右的脉冲波形来驱动，也能得到与交流驱动相同程度的辉度。此时元件发光效率一般在0.5～1lm/W的范围内，且经严格防湿处理后可延长其寿命。直流驱动的寿命大约为1000h，脉冲驱动可达5000h。3.薄膜型交流电致发光

薄膜型交流EL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7.8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（A1）等。发光层厚为0.5～lμm，绝缘层厚0.3～0.5μm，全膜厚只有2μm左右。在EL元件电极间施加200V左右的电压，即可使EL发光。1974年高辉度、长寿命的薄膜交流型EL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。此后，人们又对这种形式的EL元件进行了广泛的研究开发。目前已将其投入商品市场。其基本结构如图所示，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(A1)等。发光层厚0.5～1m，绝缘层厚0.3～0.5m。全膜厚只有2m左右，是非常薄的。在EL元件电极间施加200V左右的电压，可获得EL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，故在发光层中可以形成稳定的106V／cm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的损害。图7.8二层绝缘膜结构薄膜型交流EL元件薄膜型交流电致发光ZnS：Mn系的发光机制，可按图示的碰撞激发来解释。即，当施加的电压大于阈值电压Vth时，由于隧道效应，从绝缘层与发光层间的界面能级飞出的电子，被106V／cm的强电场加速，使其热电子化，并碰撞激发Mn等发光中心。被激发的内壳层电子从激发能级向原始能级返回时，产生EL发光。激发发光中心的热电子，在发光层与绝缘层的界面停止移动，产生极化作用。这种极化电场与外加电场相重叠，在交流驱动施加反极性脉冲电压时，会使发光层中的电场强度增强。图7.9ZnS︰Mn薄膜型交流EL元件辉度-电压（L-V）和发光效率-电压（η-V）特性辉度在Vth处急速上升，此后出现饱和倾向，发光效率在辉度急速上升的电压范围内达到最大值。EL发光的上升沿约数微秒，下降沿约数毫秒量级，辉度在千赫兹范围内与电压频率成正比增加。薄膜型交流电致发光关于两层绝缘膜结构的ZnS：Mn的稳定性，制成之后在开始工作的一段时间内，辉度-电压特性会发生变化，此后便会渐渐达到稳定状态。这并非性能的劣化，而是制作过程中导入的各种变形、不稳定因素及电荷分布的不均匀性等逐渐趋向稳定的过程，该过程又称作老化。老化充分的元件，其性能极为稳定，工作20000h以上，未发现辉度明显降低。元件的结构很简单，在薄膜发光层的两侧直接形成电极即可。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，元件的发光机制为碰撞激发型，需要105~106V/cm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，因此难以稳定地维持电场。从而需要导入限制电流层。最近，通过将MnO2粉末电阻体夹在发光层与背面电极之间，制成了稳定的ZnS：Mn系EL元件，这称为直流薄膜-粉末混成型EL元件，其发光效率可达0.8lm／W，寿命可达20000h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EL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膜EL元件。下图表示这种元件的结构及所使用材料的分子结构。发光层由铝喹啉络合物(Alq3)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ITO电极与MgAg电极之间便构成EL元件。发光色为绿色。若施加10V左右的直流脉冲电压，其辉度可达1000cd/m2以上，发光效率可达1.5lm/w。图7.10OEL元件的结构此后，又发现了发光层与电子输送层相分离从而具有三层结构的有机薄膜EL元件。电子输送层采用而萘嵌苯，空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身即是其发光色。因此可通过材料化学结构的变化很方便地选择发光色，如图所示，从而获得从蓝色到红色的EL发光。有机薄膜电致发光有机薄膜发光层及空穴输送层的注入型薄膜EL元件，称为OLED。目前有机EL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。表7.1有机EL和无机EL比较OLED能提供真正像纸一样薄的显示器，它又薄（总厚度不到1μm）又轻，具有低功耗（驱动电压5～10V），广视角，响应速度快（亚微秒级），工作稳定范围宽，成本低，易实现全彩色大面积显示等一系列优点。有机EL比无机EL易于彩色化，主要是有机EL比较容易解决蓝色发光问题，从而更容易实现全彩色显示。实现全彩色显示的方式主要有以下几种：（1）红、绿、蓝3色各点分别采用3色发光材料独立发光。（2）将蓝色显示作为色变换层，使其一部分转变为红色和绿色，从而形成红、绿、蓝3基色。（3）使用白色有机EL为背光，采用类似LCD所用的彩色滤光片来达到全彩色的效果。（4）使用特殊材料，在不同的驱动电压下显示不同的颜色。（5）激光共振方式。（6）将红、绿、蓝3色发光膜重叠起来构成彩色像素。1、有机ELD的优点及发展概况有机薄膜电致发光(OEL)材料能提供真正的像纸一样薄的显示器，OEL显示器又轻又薄，低功耗，广视角，响应速度快(亚微秒)，易实现全彩色大面积显示。OEL显示器结构简单，总厚度不到1m，特别是可采用与集成电路相匹配的直流低电压驱动，只要在两个电极之间加上5～10V的电压就可以产生电场效应而发光。OEL器件与无机EL器件相比，还具有多色彩性，易处理，可加工成不同的形状，机械性能良好及成本低廉等优点。7.3.3有机电致发光显示器目前OEL已成为国际上的一个研究热点。顺便指出，OELD是一种低场电致发光器件，器件中具有P-N结结构，其工作模式与无机LED相似，属于电流器件，为注入型EL，故国外最近改称其为OLED。本书仍按OEL讨论。有机OELD与无机ELD都具有视角大、响应速度快等优点，当二者用于大信息量的彩色显示时，各有优缺点，表4-3是二者的比较。有机OELD和无机ELD的比较由表可以看出：有机电致发光显示器件采用的是低温沉积工艺，从理论上讲，可以降低成本；对无机交流ELD而言，驱动电路需要很高的电压，而电致发光本身需要的却是低电流，这是其主要缺点。而OELD使用的是恒流驱动，因此电极中电阻损失较小；无机电致发光和有机电致发光都需要用广谱发光材料，无机电致发光需要用滤色器，有机电致发光需要用变色介质层(CCM)，这样才能保证良好的色纯度；OELD的半衰期寿命长达10000h，为避免其在高信息容量显示中产生潜像，对稳定性的要求相当严格。

有机EL的起源可以追溯至1963年，Pope等人以蒽单晶外加直流电压而使其发光，但因当时驱动电压高(100V)且发光亮度和效率都比较低，并没有引起太多的重视。直到1987年，美国Kodak公司的Tang等人以8-羟基喹啉铝为发光材料，把载流子传输层引入有机EL器件，并采用超薄膜技术和低功函数碱金属作注入电极，得到直流驱动电压低(<10V)、发光亮度高(>1000cd/m2)和效率高(1.5lm/W)的器件以后，才重新引起了人们对有机EL的极大兴趣。

1990年，英国Burroughes等人以聚对苯撑乙烯(PPV)为发光层材料，制成了聚合物EL器件，将有机EL的研究开发推广到大分子聚合物领域。在过去十几年里，有机EL作为一种新的显示技术已得到长足的发展。日本先锋公司于1997年已将用于汽车的低信息容量的有机ELD投放市场。

最近几年，进入这个领域的学术界及工业界研究小组日益增多。努力开发和研究物理性能优良的有机材料，探索新的制膜工艺，改进器件结构，发展有机EL显示技术，研究相关的发光机理等将是这一研究工作的主要目标。

实验室的有机发光材料的研究成果令人振奋，例如小分子有机发光二极管的红、绿、蓝三种颜色的发光亮度已经达到31lm/W，英国SouthBank大学的ELAM-T公司甚至宣称他们研制的稀土有机发光材料的效率已经超过70lm/W。

目前有机EL的研究重点是，研制高稳定性的RGB三色和白色器件以向实用化前进，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显示的驱动电路。

2、有机ELD的结构及工作原理高效有机ELD器件通常有一个基本的两层结构，如图(a)所示。空穴传输层与电子传输层之间能级不匹配，在其界面处产生势垒。空穴和电子集中在界面处，并在此处复合的几率最大。如果在空穴传输层和电子传输层之间的界面处引入起荧光中心作用的物质，可以对发光中心进行有序的优化，如此，可在电子传输层和空穴传输层之间形成一层很薄的发光层，见图(b)。这种结构在调整电致发光的颜色方面特别有效。有机ELD器件的典型结构如图(c)所示，在透明电极(ITO膜，阳极)上，由有机空穴传输层HTL、有机发光层EMI、有机电子传输层ETL及金属背电极(阴极)等组成。当在器件的两端加上正向直流电压时(ITO为正，背电极接负)，即可发光。通过选择不同的发光材料或掺杂的方法，就可以得到不同颜色的光。

有机薄膜EL器件的发光过程由以下四个步骤完成：载流子的注入：电子和空穴分别从阴极和阳极注入夹在电极间的有机功能薄膜层；载流子的迁移：载流子分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移；激子的形成和扩散：电子和空穴在发光层中相遇、形成激子，激子复合并将能量传递给发光材料，使其从基态能级跃迁为激发态；发光：激发态能量通过辐射弛豫过程而产生光子，释放出光能。

GlassorPETsubstrateITOETLHTL+_+_++++++_______+CathodeAnode电子传输层阴极阳极空穴传输层有机薄膜EL器件的驱动方式：1、直流驱动：在正向直流驱动时，空穴和电子的传输方向是固定不变的，其中未参与复合的多余空穴(或电子)，或者积累在HTL／EML(或EML／ETL)界面，或者越过势垒流人电极。2、交流驱动：在交流驱动时，正半周的发光机制与正向直流驱动完全一样，但是交流驱动的负半周却起着十分重要的作用。即在正半周电压过后，HTL／EML(或EML／ETL)界面处积累了未复合的多余空穴(或电子)。当负半周电压来到时，这些多余的空穴和电子改变运动方向，朝着相反的方向运动，相对地消耗了这些多余的电子和空穴，从而削弱了由正半周的多余载流子在器件内部形成的内建电场。另外，负半周的反向偏压处理可以“烧断”某些局部导通的微观小通道“细丝”，这种细丝实际上是由某种“针孔”引起的。针孔的消除对于延长器件的使用寿命是相当重要的。由此可见，交流驱动更适合于有机EL器件的发光机制。4、RGB多色有机ELD有机EL与无机EL相比，比较容易解决蓝色发光问题，从而更容易实现全彩色显示。实现全彩色显示的方式主要有三种：RGB三色各点分别采用三色发光材料独立发光；将蓝色显示作为色变换层，使其一部分转变成红色和绿色，从而形成RGB三色；使用白色有机EL为背光，采用类似LCD所用的彩色滤光片，来达到全彩色的效果。一般情况下，RGB多色有机电致发光显示含有红、绿、蓝三种次级像素。其制作工艺过程如下：首先，在玻璃基板上印刷有机荧光介质层，形成红、绿两种次级像素，为改善蓝色次级像素的纯度，在蓝色像素前加一蓝色滤光器。然后在基板上制作保护层，再在保护层上制作用作阳极的ITO膜，最后再进行光刻。按上述步骤，在ITO膜上制作蓝色电致发光器件。Mg：Ag阴极由掩模工艺制作。5、有机ELD器件的新进展先锋公司的研究人员在8-羟基喹啉铝溶液中掺入喹吖啶，得到了最大光效高达12lm/W的绿色电致发光。以此制成的电致发光显示器件初始亮度为300cd/m2,半衰期寿命达10000h。在此基础上，先锋公司成功地制造了显示面积为9.5cm×2.1cm、无源寻址256×65的点阵显示屏，该屏的功耗(不包括驱动电路的功耗)为0.5W,亮度为100cd/m2。为提高对比度，使用了滤光器，显示屏的光效为1.3lm/W。目前先锋公司已有256×65单色产品在市场销售，并展示了320×240彩色样机。

IdemitsuKosan公司用DPVBi作为发蓝光的有机电致发光材料，其光效高达2lm/W，利用变色介质产生红、黄、蓝三基色，并制成25.4cm640×480彩色的样机。

1990年以来，人们一直研究一种新的共轭聚合物PPV有机电致发光材料。这种电致发光材料原理简单，沉积成本低，实用性强。即使采用简单的涂敷工艺也能生产出性能良好的器件。简单的真空热处理或紫外处理都能生产共轭聚合物。通过对PPV材料的化学组成进行调整，就可以调整发光颜色。最近的研究表明，PPV电致发光的量子效率为3％。但有关PPV电致发光稳定性数据却很少。在多层结构的基础上，有机ELD器件已取得长足进展。虽然有机ELD器件要实现全色显示还须克服许多困难，但作为一种新型的全固态主动发光型显示器，还具有驱动电压低、发光效率高、亮度高、寿命长、制作工艺简单等优点，因此，有机ELD器件具有广阔的应用前景。下面主要针对已达制品化的二层绝缘膜结构的薄膜交流EL元件的驱动方法加以介绍。作为线顺次驱动法，有帧更新(fieldrefresh)驱动法、对称驱动法。今后，随着ELD的大容量化、高精细化，人们将寄希望于有源矩阵驱动法。1、帧更新驱动法帧更新驱动法如图所示，是将一个画面(1个半帧或1帧)的线顺次写入进行驱动，在每次驱动终了时，输入帧更新脉冲，该脉冲的极性与整个显示板中写入脉冲的极性相反。这种驱动方式有效地利用了前面谈到的极化效应。即因写入脉冲而选择发光的像素，在发光层内产生极化，并且此极化一直保持。而非选择发光的像素不会产生这种极化作用。当施加与整个显示板中的脉冲电压相同的帧更新脉冲时，由于极化电场的叠加，仅被选择像素发光。7.3.4ELD的各种驱动方式优点：这种方法的优点是，每一帧中可以两次发光，而且，尽管是交流型元件，用单极性的线顺次写入即能驱动，反极性的帧更新脉冲在EL元件中一次施加即可，因此驱动电路比较简单。缺点：缺点是，相对于更新脉冲，写入脉冲的位相与每个扫描电极不同，而且，驱动为正、负振幅非对称的交流方式。正因为如此，随使用时间增长，辉度变化很大，在画面消除时，残像时间变长，图像显示质量变差，因此，有必要施加对称交流驱动波形，并提出下述对称驱动方案。2、对称驱动法

对称驱动法如图4-25所示，使每帧中写入的脉冲反转，无论对哪个像素，正，负写入脉冲波形的位相关系相同，振幅相等。这是理想的驱动方式。一个交流循环由两个半帧构成，每个半帧发光一次。由于是对称驱动，能够比帧更新法施加更高的电压，因此可以在辉度饱和区域中使用。并且可得到显示板的辉度分布一致的显示结果，随使用时间的加长其变化也很小。而且正、负极性写入时可以进行变频驱动，以获得良好的对比度。但在这种驱动方法中，作为扫描侧的驱动IC，需要耐高压(约250V)的两极性(N-MOSFET及P-MOSFET)等。3、灰度调节显示驱动法考虑到ELD要应用于微机等领域，就要求其必须能进行灰度调节。实现灰度调节显示有两种方法：1、通过调节周波数，来调节显示一个像素的时间间隔变化来达到调节灰度的目的。但由于这种方法是利用单位时间内发光次数变化来调节，发光次数减少太多会发生闪动现象，因此灰度调节的阶数受到限制。2、依据EL元件的辉度-电压特性，调节脉冲宽度或脉冲幅度来达到调节灰度的目的。其中，在不降低显示质量的同时，能进行多灰度调节的方式当数脉冲幅度调节法，但是这需要专门的IC。最近人们又提出采用锯齿波的脉冲宽度调节法，并使16阶灰度的640×400，640×480像素的ELD达到实用化。4、有源矩阵驱动法这种驱动方式不受扫描电极数的限制，可以对各像素进行选择性调节。采用这种方法，可以对低辉度的红色和蓝色像素独立进行高周波驱动。有源矩阵驱动方式使全色EL器件的实用化迈出了关键的一步。像LCD一样，ELD也可以采用有源矩阵式驱动，如在每个像素位置设置非晶硅薄膜三极管(thinfilmtransistor，TFT)等驱动元件进行驱动。如图4-27所示，每个像素位置设置两个TFT(T1用于选址，T2用于EL驱动)和电容(Cs用于数据存储，Cdv用于EL驱动)。由于ELD具有存储效应，可进行100％负载驱动。1、ELD的用途及应用展望1）数字及符号显示据Lohja(荷)公司报道，ZnS:Mn薄膜型交流ELD产品已正式用于空港航班显示板。图即为赫尔辛基空港内设置的ELD航班显示板。每个数字或符号由8×11点构成，尺寸为40mm×35mm，亮度为115cd／m2，在50001x照度的周围光之下，其对比度为10:1。整个显示板的尺寸为3m×2.2m，厚度为20cm。每一行由45个符号组成，共16行。7.3.5ELD的用途及应用展望2）图形显示由ZnS：Mn制作的双层绝缘膜结构的橙黄色发光薄膜交流ELD显示器，应用范围不断扩大，正从原来的FA领域向OA相关联的领域扩展，并逐步推广到笔记本电脑、微处理器等领域。

目前市售的大型薄膜EL显示器的特性如表所示，从表可以看出，EL显示器的视角都在120°以上，非常宽；工作温度在0～50℃，也相当宽。3）彩色显示以ZnS，CaS，SrS等作为发光层母体，可获得不同颜色的发光。据此，人们采用下述四种方式，研究开发多色薄膜EL显示器。①EL积层型，将多色发光层简单地积层；②EL平面布置型，利用光刻工艺将三原色发光层在平面上布置；③白色EL与彩色滤光器积层型，使发光波长广布于可见光范围内的白色发光层与彩色滤光器相积层；④二层基板型，是上述积层型与平面布置型相组合的方法。从将来彩色化的角度看，哪种方式最好，尚难以断言。但目前看来，EL平面布置型在制作、结构、驱动电路构成等方面最容易实现，只是需要开发高辉度蓝色发光的荧光体。从最近的动向看，对白色发光EL与彩色滤光器积层型的研制更多些。下面，在给出原型实例的同时，简单地介绍各种方式的现状。EL积层型EL积层型，可通过不同发光色的EL元件的积层，实现多色发光。与平面布置型相比较，EL积层型的特点是，不影响显示的精细度，不需要对EL发光层进行特殊加工；缺点是，由于多层EL积层，薄膜形成难度大，驱动电路复杂等。PlanerSystem公司在单片上积层绿色、红色EL层，已试制出由320×240点构成的三色显示EL显示器。EL平面布置型与积层型相比，EL平面布置型的优点是制作工艺简单，向外电路引出端子的方法及驱动电路的构成基本上与单色EL显示器相同，不必采取特殊措施；缺点是显示精度低，需要对发光层进行加工。白色EL与彩色滤光器积层型

下图是由这种方式制作的全色ELD的实例。在2块重叠布置的玻璃基板内侧，分别设置发光层。在里侧基板上形成蓝绿色的SrS：Ce发光层，利用彩色滤光器将蓝色和绿色分开。外侧玻璃基板上形成红色发光的CaS：Eu层。利用上述结构可获得与CRT接近的发光色。但是，考虑到透射彩色滤光器的衰减效应，需要10倍以上的发光辉度。

是将具有与三原色谱线相当的白色发光EL与彩色滤光器相组合，以进行多色显示，目前多采用SrS，CaS发光层作为白色EL。这种方式的优点是制作工艺简单，但为了减少视差，需要EL发光层与滤光器一体化，而且与彩色液晶显示元件存在差别等。二层基板型据PlanerSystem公司报道，他们采用高辉度蓝色发光CaGa2S4c：Ce，已研制成二层基板型全色EL平板显示器。其断面结构如图所示。上层基板由平面布置的红色(ZnS；Mn／滤光器)和绿色(ZnS：Tb)发光层构成。为使由下部基板的发光能够透射，上下电极都由ITO膜制作，下部ITO电极上设有金属辅助电极。另一方面，下层基板采用CaGa2S4：Ce发光层构成单色蓝色发光EL元件。4）LCD背照光源上述全色EL显示屏的色再现性已达到与彩色CRT相接近的水平。这种显示屏具有640×480个像素，分辨率为VGA级，显示色为16色，今后的发展方向是实现全色显示。LCD背照光源作为LCD的背照光源，分散型交流EL的需求量正逐渐增加。从绿色发光的EL到最近白色发光的EL都有产品面市，并正向大型化方向发展。随着元件特性的提高，驱动电路的改进，电源周波数的增加，正逐步克服其辉度较低的缺点。与荧光灯相比，EL背照光源功耗小、温升低，但用于全色LCD还需进一步提高辉度。2、ELD的课题与发展前景与其他显示器相比，电致发光显示器(ELD)的研究开发起步很早，但未能捷足先登占领市场，至今仅有部分产品达到商品化，有些姗姗来迟。主要原因是其彩色化进展缓慢，还有价格问题等。关于彩色化，绿色和红色发光已达到实用化水平，蓝色发光达实用化尚需一段时间。关于价格，由于高耐压驱动IC占总价的1／3，因此降低高耐压驱动IC的价格是当务之急。当然，这方面已取得了相当大的进展。高性能化的课题主要是提高效率、降低驱动电压、扩大显示容量。关于降低电压，若能使目前200V的驱动电压下降到30V左右，就可以采用CMOSIC驱动器进行驱动。有机ELD的驱动电压可降低到10V，因此在这方面具有很大优势。为了降低驱动电压、提高发光效率，需要进一步搞清楚发光机制。目前，由EL元件的光取出效率大致在5％~20％。为进一步提高效率，既需要提高内部元件的发光效率，更需要提高光的取出效率。关于扩大显示容量，如果驱动扫描线数达到500～1000条以上，则需要采用具有存储效应的EL元件、有源矩阵驱动等技术。以上概括了ELD技术的现状。展望今后的发展，大致分下述三个发展阶段：第一阶段：ZnS：Mn(橙黄色)单色显示器的商品化；第二阶段：二色(红色、绿色)、三色(红色、绿色、蓝色)、多色显示器的商品化；第三阶段：全色显示器的商品化。

目前正从第一阶段向第二阶段进展。单色ELD在国内外的销售情况，远不如LCD好，主要原因是价格太高。因此降低价格是最优先的课题。近年来OEL的研究取得突破性进展，并引起产业界的高度重视。由于OELD主动发光，发光效率高，色彩丰富，工作电压低，特别是可采用与集成电路相匹配的直流低电压驱动，是极具发展前途的显示技术。估计OELD将首先在小尺寸的显示领域获得应用，例如家电显示、手机屏、PDA等。然后再与TFT技术结合，应用到较大屏幕的显示。预计OELD将会在许多应用领域挤占LCD的市场。

目前，OELD在工作状态和保存期的性能还不够稳定。随着有机材料老化机理的研究取得突破性进展，OELD将成为一种重要的平板显示器。7.4电泳显示技术和铁电陶瓷显示技术

1.电泳显示技术和电泳显示器件电泳（electrophoretic）是指悬浮于液体中的电荷粒子在外电场作用下定向移动并附着在电极上的现象。1972年发现应用可逆的电泳现象可作被动显示。电泳显示（ElectroPhoreticDisplay，EPD）的工作原理是靠浸在透明或彩色液体之中的电离子移动，即通过翻转或流动的微粒子来使像素变亮或变暗，并可以被制作在玻璃、金属或塑料衬底上。电泳显示器主要有:扭转球型电泳显示(TwistingBallDisplay,TBD)技术、微胶囊化电泳显示(MicroencapsulatedElectrophoreticDisplay,MED)技术、微杯型(Microcup)电泳显示技术，逆乳胶电泳显示(ReverseEmulsionElectrophoreticDisplay,REED)技术等.电泳显示的主要优点如下:（1）在大视角和环境光强变化大时仍有较高的对比度。（2）具有较高的响应速度，且显示电流低（约1μA/cm2）。（3）具有存储能力，撤出外电压后仍能使图像保持几个月以上。（4）工作寿命长，在电源被关闭之后，仍能在显示器上将图像保留几天或几个月。（5）采用控制技术可实现矩阵选址，可与集成电路配合。（6）价格低，工艺简单。电泳显示的基本原理在两块玻璃间夹一层厚约50μm的胶质悬浮体，两块玻璃上都涂有透明导电层，胶质悬浮体由悬浮液、悬浮色素微粒及稳定剂或电荷控制剂组成。其中色素微粒由于吸附液体中杂质离子而带同号电荷，当加上外电场，微粒便移向一个电极，该电极就呈色素粒子颜色；一旦电场反向，微粒也反向移动，该电极又变成悬浮液的颜色。悬浮颜色相当于背景颜色，微粒颜色就是欲显示的字符颜色，两者之间应有较大的反差，将透明电极制成需要的电极形状就可以显示出较复杂的图形。电泳显示技术由于结合了普通纸张和电子显示器的优点，因而是最有可能实现电子纸张产业化的技术，成为极具发展潜力的柔性电子显示技术之一。扭转球型电泳显示是在透明塑料的密封腔体中，充满油性液体，液体中分敞着黑白双色球微粒，白色半球反射光，黑色半球则吸收入射光。通过氧化锢锡电极和驱动电路控制加载电场，在脉冲电压的作用下，由于偶极子的扭矩力，小球就在液体中发生转动实现显示，并通过驱动电压调整球体的旋转角度和排列的有序度，控制图像灰度。通过改进制造设备和工艺，可以改变球的构成，使得黑白两色球微粒成为有色透明的多色球微粒。也可以制造全透明球微粒，并在半球体切面上植入一个半透明的滤色片。这样，当滤色片处于与显示屏平面垂直状态时，球是看不到的，在滤色片与显示屏平面平行时，就会出现滤色片颜色，就可能获得彩色显示。微胶囊型电泳显示是先将电泳粒子和绝缘悬浮液包封于微胶囊内，再将微胶囊置于电极间。一个微胶囊内分散有许多带正电的白色粒子和带负电的黑色粒子，正、负电微粒子都分布在微胶囊内透明的液体也就是分散介质当中.当从非显示而加正电场时，微胶囊内带正电的白色粒子移动并聚集在显示面，这时显示为灰色:反之，当从非显示面加负电场时，带负电的黑色粒子移动并聚集在显示面，这时看起来就是黑色。如下图所示。这些粒子由电场定位控制，即该在什么位置显示颜色是由一个电场控制的，控制电场由带有高分辨力显示阵列的底板产生。通过加铺彩色滤光膜、控制电泳速度和增加子像素等方法，来实现彩色电泳显示。电泳技术作为柔性显示的优点电泳显示器具有易读性、柔软性、双稳态特性和低功耗等优点，成为人们广泛关注的焦点.与平板显示器相比，具有以下特点: