有机电致发光器件OLED技术介绍

有机电致发光器件OLED技术介绍摘要：有机电致发光器件（OLED）具有效率高、亮度高、驱动电压低、响应速度快以及能实现大面积光电显示等优点，因其在平板显示和高效照明领域具有极大的应用前景而引起广泛关注，也是21世纪首选的绿色照明光源之一。虽然目前平板显示市场主流产品仍为LCD，OLED仍存在问题，但技术的发展与突破将必将会使OLED在未来大放异彩。关键词：有机电致发光，OLED技术，OLED材料—、OLED简介OLED（OrganicLightEmittingDisplay，有机电致发光显示，又称“有机EL显示”）是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。其原理是用ITO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和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。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。根据这种发光原理而制成显示器被称为有机发光显示器，也叫OLED显示器。二、OLED发光原理有机电致发光属于载流子双注入型发光器件，所以又称为有机发光二级管。其发光的机理一般认为如下：在外加电压的作用下，电子从阴极注入到有机物的最低空轨道（LUMO），而空穴则由阳极注入到有机物的最高占据轨道（HOMO）。载流子在有机分子薄膜中的迁移被认为是跳跃运动和隧穿运动，并认为这两种运动是在能带中进行。当电子和空穴在某一复合区复合后，形成分子激子，激子在有机固体薄膜中不断做自由扩散运动，并以辐射或无辐射的方式失活。当激子由激发态以辐射跃迁的方式回到

基态时，我们就观测到电致发光现象。而发射光的颜色则是由激发态到基态的能级差所决定的。有机电致发光过程通常由以下几个阶段完成：1） 载流子的注入。在外加电场的条件下，电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜层注入；2） 载流子的迁移。注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移；3） 载流子复合。电子和空穴结合产生激子；4） 激子的迁移。激子在电场作用下迁移，将能量传递给发光分子，并激发电子从基态跃迁到激发态；5） 电致发光。激发态能量通过辐射跃迁失活，产生光子释放光能。三、OLED器件的结构三、OLED器件的结构有机电致发光器件基本结构是由阳极、金属阴极和它们之间图10LED图10LED多层结构示意图夹着的有几层组成。常见的OLED结构主要有四种：单层器件结构、双层器件结构、三层器件是结构和多层器件结构。最简单的电致发光器件是由上、下点击和发光层组成的单层结构，这种结构在聚合物器件中较为常见。Kodak公司首先提出了双层有机膜结构，这种结构的主要特点是发光层材料具有电子传输性，需要加如一层空穴传输材料去调节空穴和电子注入到发光层的速率，这层空穴传输材料还起着阻挡电子的作用，使注入的电子和空穴在发光层中复合。由空穴传输层（HTL），有机发光层（EML）和电子传输层（ETL）组成的三层结构（图1）是Adachi首次提出的。这种器件结构的优点是三个功能各司其职，是目前有机电致发光器件中最长采用的器件结构。为提高OLED的发光亮度和发光效率，出现了多层结构的电致发光器件，在多层器件中对于载流子传输层来讲，它不仅起到了传输相应载流子的作用，同时还应该有阻挡另外一种载流子的作用，使电子和空穴在发光层中形成激子的几率增加，从而提高器件的发光效率。考虑在有机/聚合物此案料中，电子和空穴的迁移率都很小，因此为了减少载流子在传输过程中的损耗，各功能层的厚度及厚度匹配问题也应当考虑。另外，量子陷/超晶格结构也经常采用，使用该结构的器件在设计时不受到载流子传输层和发光材料能带匹配等要求的限制，还可以提高器件的发光效率。OLED器件的材料高分子电致发光材料1990年Friend等人首次使用聚苯撑乙烯作发光材料制成了聚合物电致发光器件，开创了高分子电致发光材料研究的新局面。与有机小分子发光材料相比，高分子发光材料工作时不会有晶体析出，来源广泛，同时可根据其用途的不同进行分子设计。材料的电子结构、发光颜色可以通过化学修饰的方法进行调整。此外高分子电致发光材料具有良好的机械加工性能，成膜性和稳定性好，可以制作成可折叠卷曲的柔性器件，器件的启动电压较低、亮度与发光效率普遍较高，这些优点使聚合物成为具有良好商业前景的电致发光材料。相关材料：聚苯撑乙烯类（PPV）电致发光材料：PPV是第一个被报道用作发光材料制备电致发光器件的高分子，是目前研究得最多、最广泛、最深入，也被认为是最有应用前途的异类高分子电致发光材料。经典的PPV材料具有不溶与不熔的特点，不能满足发光器件的制作要求。因此许多科学家都致力于通过化学改性和物理改性来设计合成出结构、性能各异的PPV及其衍生物，以满足使用要求。聚芴类（PF）电致发光材料：在各种有机电致发光材料中，PF材料具有较高的光和热稳定性，并且芴单元是刚性共平面的联苯结构，C-9位置可以方便地引入各种取代基团以改善溶解性能及超分子结构，而不会引起显著的空间位阻而影响主链的共轭，因而是一种具有应用前景的有机蓝光发光共轭聚合物材料。聚噻吩类（PT）电致发光材料：PT聚合物也是被广泛研究的一类共轭聚合物，聚噻吩类电致发光材料的优点在于聚噻吩及其衍生物的合成比较容易，稳定性非常好，在室温甚至较高的温度下可以稳定数年，而且其导电率几乎不变。小分子有机电致发光材料小分子有机材料具有较高的发光率，并且可以通过真空沉积法成膜，但是沉默后容易结晶，有时候甚至与其它的材料有机材料形成激基复合物，因此这类材料单独应用比较少。相关材料：染料掺杂绿光材料香豆素染料Coumarin6:是一种激光染料，Kodak公司第一次将这种染料掺杂在主体材料中用于OLED研究。Coumarin6的荧光发射峰值在500nm处（蓝绿色），荧光量子效率几乎可达100%,在高浓度时存在严重的自淬灭现象。2卜［&12:『mr控ciCc:uf⑶了］BC5约Tax'C-金属配合物绿光材料：有机金属配合物Alq3（图3）具有荧光量子效率高、稳定性良好、易于成膜等优点，是最早应用于OLED的金属配合物。金属配合物绿光材料：有机金属配合物Alq3（图3）具有荧光量子效率高、稳定性良好、易于成膜等优点，是最早应用于OLED的金属配合物。OLED中的Alq3既作发光层，又作电子传输层，发光峰位于530nm处，是良好的绿光材料。蓝光小分子发光材料：蓝色有机电致发光是全彩色显示的重要组成部分，但与绿光器件相比，蓝光器件的性能与实际应用还有一定的差距，其研究一直处于相对落后的状态，一定程度上制约着全彩色OLED显示的发展。有机小分子蓝光材料多数集中在有机小分子的自身电致发光、金属配合物、蓝光有机小分子电致发光材料的衍生物等方面。金属配合物蓝光材料：相对红光、绿光的稀土金属配合物的磷光器件来说，蓝光的稀土金属配合物磷光材料的研究相对落后，制约了彩色显示的磷光器件的实现。目前商业上最好的蓝光重金属配合物为铱的配合物FIrpic，其结构式如图3所示。载流子传输材料载流子传输材料又可分为空穴传输材料（HTM）和电子运输材料（ETM）。OLED用的绝大多数HTM属于一类芳香胺荧光化合物。为了保证长期的稳定性，这些材料应具有很高的玻璃化转变温度（Tg）和优良的表面稳定性，有较高的玻璃化温度Tg,能与阳极形成小的壁垒，具有较强的会合电子特性，能真空蒸镀形成无针孔薄膜。因为HTM在工作或储存时通常都容易发生热聚作用，所以，对于制作可靠的OLED来说，选择热稳定性好的HTM就成了一个关键问题。早期，HTM就成了一个关键问题。早期，HTM常用的就是TPD，TPD的空穴迁移率达10A-3cm2/V•S，但TPD的玻璃化温度（Tg）比较低（63°C）热稳定性也比较差。NPB是目前最为广泛的空穴传输材料，NPB的成膜性好，且具有较高的玻璃化温度（Tg=95C）和良好的电化学稳定性。五、OLED与LCD对比与LCD技术相比，OLED的优点是：1） OLED可以自身发光，而LCD则不能。因此，OLED比LCD要亮得多；另外OLED对比度更高，色彩效果更加丰富；2） LCD需要背景灯光点亮，而OLED在需要点亮的单元才加电，并且电压很低，因此更加节能；3） OLED所需材料很少，制造工艺简单，量产时的成本要比LCD节省20%;OLED没有视角范围的限制，可视角度一般可达到160°,重量也比LCD轻得多。同时，OLED还可弯曲，应用范围极广。主＜OLED与LCD性能对比性能OLEDLCDOLED产品与技术优势视角宽度不受限制受限制视角宽.侧视画面色彩不失真响应时间10^s10」8更适合播放动态图像，无拖尾现象发光方式主动发光被动发光无需背光源.器件更薄.对比度更高.色彩更鲜艳温度范围-40-80r-20-60r高低温性能优越.适应严寒等特殊环境工艺过程简单复杂制作成本更低，性价比更高六、OLED的技术瓶颈和突破面对主流市场的LCD显示技术，OLED要跻身成为主流显示技术，仍面临诸多瓶颈。目前有三大挑战正左右OLED产业的发展。第一， OLED产品价格昂贵，原因在于经济规模校，似的材料成本和制程成本无法降低；第二，在技术层面上，OLED寿命仍还有待提高，目前OLED产品寿命只有两万小时，要达到商业化的要求，至少需要5万小时；第三，OLED目前仍主要应用在小尺寸行动装置面板领域，在大尺寸显示市场仍还有待突破。技术突破：2008年，精工爱普生公司发布了其研究成果一一“终极之黑"OLED显示系统，解决了长期困扰OLED的使用寿命难题，成功将产品使用寿命延长至5万多个小时，突破业界2~3万小时的技术瓶颈，极大拓展了OLED显示系统的应用前景。2006年，整体矩阵寻址(TotalMatrixAddressing,TMA)OLED技术由剑桥显示器科技推出，据称结合了TMA解决方案的小型被动式数组显示器，可降低至少50%的功率消耗，或者在相同的功率消耗下，得到二倍的显示亮度。技术进展为OLED的未来铺平了道路。2007年全球OLED产值接近8亿美元，相较于2006年成长率超过50%，是所有平板显示设备中成长最快的领域。随着产品化的开始，未来几年OLED营收将会大幅成长。在尺寸方面，2008年仍以11英寸产品为主，到了2011年OLED将扩大到30英寸产品以上，主流产品仍是以11英寸，预估其销量可望达到100万台以上、20英寸销售量为89万台、32英寸TV则是5万台左右。将MgF2嵌入到空穴传输层NPB中，制作了MgF2厚度分别为0。.0、0.5、1.0和1.5nm的一组器件，研究了MgF2厚度对器件光电性能的影响，相关数据测试发现:MgF2为0.5nm的器件启亮电压较普通器件有明显降低，为2.3V，随着MgF2厚度的增加，器件启亮电压逐渐提高，1.5nm时低于普通器件。MgF2的嵌入提高了器件电流效率，相同电压下，MgF2厚度为1.0nm的器件最大效率为3。.93cd/A，是普通器件的1.95倍;光功率效率是用来衡量人眼对器件发光亮度感知程度的，嵌入MgF2的器件光功率效率性能也得到显著改善，MgF2厚度1.0nm的器件最大光功率效率达到1。58lm/W，是普通器件的2.1倍。结语：OLED本身具备诸多优点，应用前景极广，其技术瓶颈也将会在电化学等科学技术的不断进步下被解决，可以想见未来的显示市场，OLED必将是绝对主流产品。参考文献：［1］ 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