第四章：+光显示材料

光电显示材料主要内容显示技术发展史电激发发光材料分类2.1阴极射线管显示器2.2场发射显示器2.3真空荧光显示器2.4电致发光材料(LED,OLED)2.5等离子显示器3.液晶显示器4.3D显示技术1.显示技术发展史黑白显示彩色显示数字显示？激光显示OLED3D显示电子纸技术FEDOLED2005~??CRT1940~2025LCD1980~2050~??1940 2000 2025 2050显示器的時代变迁电子显示器件主动发光型（发光型）非主动发光型（受光型）阴极射线管显示器（CathodeRayTube，CRT）等离子体显示器（PlasmaDisplayPanel，PDP）电致发光显示器（ElectroluminescentDisplay,ELD）真空荧光显示器（VacuumFluorescentDisplay，VFD）发光二极管显示器（LightEmittingDiodeDisplay，LEDDisplay）场致发射显示器（FieldEmissionDisplay，FED）有机发光二极管显示器（OrganicLightEmittingDiodeDisplay，OLEDDisplay）液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）电致变色显示器（ElectrochromismDisplay，ECD）按发光类型分类利用信息来调制个像素的发光亮度和颜色，进行直接显示本身不发光，而是利用信息调制外光源而使其达到显示的目的2.发光显示材料正投式背投式直观式投影式图像直接显示在显示器件的屏幕上把显示器件生成的较小图像源，通过透镜等光学系统放大投影于屏幕上DigitalLightProcessor数字光处理器LiquidCrystalonSilicon硅基液晶按观看位置分类2.1CRT(CathodeRayTube)显示的特点组成：电子枪(ElectronGun)，偏转线圈(Deflectioncoils)，荫罩(Shadowmask)，荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳电子枪聚焦系统加速电极偏转系统荧光屏工作原理：在电子枪中，阴极被灯丝间接加热至约2000℃时，阴极发射大量的电子，经加速、聚焦、偏转后轰击荧光屏上的荧光粉，发出可见光。灰度:控制每个像素的电子束强度☞

1场信号:扫描过程中每个图像的扫描周期CRT显像管图像显示原理PrincipleofimagedisplayschemeforCRTelectrongun电子枪电子束electronbeamPixel像素scanline扫描线1TV-field1场信号2023/5/49CRT荧光粉CRT荧光粉一般具有高的发光效率和各种各样的发射光谱。制备CRT发光材料的原材料要求具有较高的纯度。例如，Fe、Co、Ni、Mn质量分数不超过1×10-7，Cu的质量分数不超过5×10-8。荧光粉由基质、激活剂和助熔剂组成。荧光粉基质可分为：氧化物：ZnO：Zn

硫化物：ZnS：Cu，Al；CdS

硅酸盐：Zn2SiO4：Mn2+

钨酸盐：CaWO4

稀土化合物：Y2O3；YGdO2S：Tb为降低基质结晶温度，促进晶体形成和长大，并使激活剂易于进入晶格中而加入的物质。往往不含在最终产品中。杂质类型

激活剂：对某种特定的化合物起激活作用，使原来不发光或发光很微弱的材料发光，如ZnS:Ag共激活剂：与激活剂协同激活基质的杂质，掺入后有利于发光中心的形成，称为共激活剂，如ZnS：Cu，Al敏化剂：能够将所吸收的能量传给发光中心，有助于激活剂引起的发光，使发光亮度增加，称为敏化剂，如YF3：Yb，Er猝灭剂：损害发光性能，使发光强度降低的杂质。如Fe、Co、Ni等惰性杂质：对发光性能影响较小，对发光亮度和颜色不起直接作用的杂质，如碱金属、碱土金属等。2023/5/411荧光粉的制备配料(Y2O3:Eu)（Y0.96Eu0.04）2O3助熔剂（NH4Cl，Li2SiO3）球磨选粉中性烧结1340℃下灼烧1~2h石英坩埚氧化铝坩埚253.7nm紫外光去离子水洗CRT典型发光粉特性荧光粉的发光特性表征阴极射线管显示器阴极射线管显示器的优缺点优点：视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短缺点：体积大，重量大，耗电量大，辐射较强，容易磁化等2023/5/4142.2FED(FieldEmissionDisplay)发光材料发光机理：属于电子射线激发发光（阴极发光）。将强电场集中在阴极上面的圆锥形发射极上，通过电场使电子发射到真空中（冷阴极）。特点：图像质量好，耗能低，体积薄，亮度高。FED基本结构2023/5/416FED发光材料FED采用矩阵式逐行扫描方式，寻址时间较长（几十微秒），使发光粉库仑负载较大，容易发光饱和并老化。满足FED使用条件的荧光粉：ZnO:Zn、ZnCa2O4（蓝光）、ZnCa2O4:Mn（绿粉）、Gd2O2S:Tb（绿粉）、Y2O2S:Eu（红粉）。缺点：亮度偏低，开发新型FED发光粉成为当务之急。2023/5/417项目CRTFED阴极类型热阴极冷阴极加速电压15～30kV300～8000V扫描方式逐点扫描矩阵式逐行扫描寻址时间ns量级几十μsCRT与FED2023/5/4182.3真空荧光显示器（VFD）VFD(vacuumfluorescencedisplay)是1967年由伊势电子工业公司开发的光电显示器件，它利用电子撞击荧光粉，使荧光粉发光，是一种自身发光显示器件。用途：它可以做多色彩显示，亮度高，又可以用低电压来驱动，易与集成电路配套，用于家电产品、AV产品、车载设备和测试设备等方面。2023/5/419VFD基本结构基本原理：当对涂有氧化材料的阴极加热时，它在近650度时发射热电子。热电子被金属网栅加速后，再轰击阳极的荧光物质发光。结构：玻璃面板阴极栅极阳极（涂荧光物质）玻璃衬底2023/5/420灯丝：直径为10～20μm的钨丝用热电子发射率高的氧化物涂覆栅极：开孔度大的筛网状极薄不锈钢板荧光材料：ZnO：Zn（蓝绿色）多种荧光粉发光频谱2023/5/4222.4电致发光材料EL无机电致发光材料有机电致发光材料粉末发光材料薄膜发光材料发光二极管单晶发光材料在直流或者交流电场作用下，依靠电流和电场的激发使材料发光的现象，又称场致发光。相应的材料称为电致发光（场致发光）材料。无机电致发光材料分类2023/5/424电致发光材料电致发光（EL）按激发过程的不同分为两大类：本征型电致发光：荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发或离化，电子在恢复到基态时辐射发光。注入式电致发光：直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合时，以光的形式释放出多余的能量。注入式电致发光的基本结构是结型二极管（LED）；电致发光薄膜为使器件能够耐受高电压，因此绝缘层应具有高的介电强度；绝缘层要有高的介电系数，使电压能尽可能多地分配到发光膜绝缘膜通常采用Y2O3或Si3N4器件的制作采用电子束真空蒸发或射频溅射的方法，将各层膜按次序蒸发碰撞离化过程示意图薄膜EL机理：碰撞离化（激发）而次级电子又将被加速，这就是电子的倍增过程。过程1.电子可以穿过势垒进入导带产生隧道效应过程2.电子在导带中被电场加速3.发光中心4.晶格(interfacestate)IS在绝缘层和发光层的交界处由于物质的差异和晶格不匹配产生了许多界面态，它们会俘获一些电子。当器件加电压后，ZnS能带倾斜，在边界出现一个三角形势垒。界面态和ZnS导带之间的距离缩小了达到一定速度后即可离化发光中心或晶格,产生更多的电子，即次级电子（Secondaryelectrons）带中的一部分电子可能直接激发发光中心一部分则可能从导带落入发光中心的激发能级。这些结果都可以产生发光。2023/5/427ACTFEL结构示意图交流粉末电致发光2023/5/428交流粉末电致发光交流粉末电致发光结构图目前的交流粉末电致发光多采用ZnS:Cu粉末，器件由三层组成。发光层作用：消除漏电流与避免击穿2023/5/429优点：寿命长（大于2万小时），亮度高，工作温度宽（-55℃～+125℃）缺点：掺不同杂质则发不同的光，只有掺Mn的发光效率高，且为橙黄色。对全色显示要求的三基色，研制高效的发光材料是当今研究的课题。应用：EL器件目前已被应用在背光源照明上，在汽车、飞机及其他设备仪器仪表、手机、手表、电子钟、LCD模块、笔记本电脑显示器等方面获得应用。也作为交通安全标志，公司标志，出口通道等发光指示牌上的发光显示器件。交流粉末电致发光优缺点2023/5/430几种电致发光粉特性2023/5/431发光二极管（Light-EmittingDiode，LED）是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过的载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，发出某种颜色的光或者白光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。发光二极管LED形成空间电荷区

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。PN结及其单向导电性

扩散的结果使空间电荷区变宽。

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体空间电荷区也称PN结－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－PN结的单向导电性PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN结变宽PN结加反向电压（反向偏置）外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2023/5/435LED发光原理二极管特性：正向导通、反向截止、击穿特性。

发光二极管一般由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷镓）等半导体制成的，其核心是PN结。发光机理：在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光，如右图所示。LED结构及发光原理基本结构：一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。在PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。LED光参数介绍发光效率和光通量:发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性。发光强度和光强分布：

LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。波长：对于LED的光谱特性，主要看它的单色性是否优良，而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。参量：发光效率和光通量，发光强度及光强分布，波长2023/5/438LED优点高节能：直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。寿命长：LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等所以亦是数字信息化产品是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。多变幻：LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。2023/5/439发光二极管用发光材料发光二极管用材料要求具有如下特性：发光在可见光区，禁带宽度3.26eV≥Eg≥1.63eV；材料必须容易做成n型及p型；具有高效率的发光中心或复合发光；效率降至初始值一半的时间大于105h；材料要能生长成单晶，能规模化生产。二元化合物：GaP（红绿）、GaN（红绿蓝黄白）、GaAs和SiC等；三元化合物：控制混晶的成分比可以改变禁带宽度，实现多色化，AlxGa1-xAs、GaAs1-xPx、In1-xGaxP和In1-xAlxP等；四元化合物：可以在相当宽的范围内控制禁带宽度与晶格常数，如InGaAsP在室温下能实现0.55～3.40μm波长的发光。2023/5/440有机发光显示器（OLED）又称有机发光二极管，是以有机薄膜作为发光体的自发光显示器件。OLED：有机电致发光可以卷起来的显示器41OLED分类Categories:主动式小分子OLED被动式高分子OLED主动式高分子OLED被动式小分子OLED依发光材料分子大小依驱动方式OLED与LCD相比较，优势明显：薄膜化的全固态器件，更轻、更薄；高亮度，高分辨率；宽视角，上下左右视角宽度大于170度；微秒级响应速度，是LCD的1000倍；无需背光源，低能耗；工艺较LCD简单，成本低；在-20℃~70℃都能正常工作。OLED优点43Structure:玻璃基板ITO阳极隔离层(空穴)N2发射层阴极保护层Theory:OLED基本结构为在两电极间置放有机发光层，其中之一电极必须为透明电极(e.g.ITO透明电极)，以方便有机层所产生的光线穿透。当电流通过有机层时，电流使空穴与电子分别由正、负极出发，有效率地在有机材料层相遇而产生发光。OLED结构图2023/5/444OLED的发光机理：在外加电场驱动下，由电极注入的电子和空穴在有机物中复合而释放出能量，这些能量传递给有机发光物质的分子，使其从基态跃迁到激发态，当受激分子由激发态回到基态时，辐射跃迁产生发光现象。这些释放出来的能量中，通常由于发光材料的选择及电子自旋的特性，只有25%（单重态到基态）的能量可以用来当作OLED的发光，其余75%（三重态到基态）的能量以磷光或热的形式回归到基态。OLED发光机制

有机电致发光材料

按功能分：组装阴极ETLEmitterHTLITO玻璃TriplelayerstructureforOELdevices电子传输材料空穴传输材料发光材料有机电致发光过程载流子注入：在外加电场作