有機(jī)電致發(fā)光器件OLED技術(shù)介紹

有機(jī)電致發(fā)光器件OLED技術(shù)介紹摘要：有機(jī)電致發(fā)光器件（OLED）具有效率高、亮度高、驅(qū)動(dòng)電壓低、響應(yīng)速度快以及能實(shí)現(xiàn)大面積光電顯示等優(yōu)點(diǎn)，因其在平板顯示和高效照明領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景而引起廣泛關(guān)注，也是21世紀(jì)首選的綠色照明光源之一。雖然目前平板顯示市場主流產(chǎn)品仍為LCD，OLED仍存在問題，但技術(shù)的發(fā)展與突破將必將會(huì)使OLED在未來大放異彩。關(guān)鍵詞：有機(jī)電致發(fā)光，OLED技術(shù)，OLED材料—、OLED簡介OLED（OrganicLightEmittingDisplay，有機(jī)電致發(fā)光顯示，又稱“有機(jī)EL顯示”）是指有機(jī)半導(dǎo)體材料和發(fā)光材料在電場驅(qū)動(dòng)下，通過載流子注入和復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象。其原理是用ITO透明電極和金屬電極分別作為器件的陽極和陰極，在一定電壓驅(qū)動(dòng)下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電子和空穴傳輸層，電子和空穴分別經(jīng)過電子和空穴傳輸層遷移到發(fā)光層，并在發(fā)光層中相遇，形成激子并使發(fā)光分子激發(fā)，后者經(jīng)過輻射弛豫而發(fā)出可見光。輻射光可從ITO一側(cè)觀察到，金屬電極膜同時(shí)也起了反射層的作用。根據(jù)這種發(fā)光原理而制成顯示器被稱為有機(jī)發(fā)光顯示器，也叫OLED顯示器。二、OLED發(fā)光原理有機(jī)電致發(fā)光屬于載流子雙注入型發(fā)光器件，所以又稱為有機(jī)發(fā)光二級(jí)管。其發(fā)光的機(jī)理一般認(rèn)為如下：在外加電壓的作用下，電子從陰極注入到有機(jī)物的最低空軌道（LUMO），而空穴則由陽極注入到有機(jī)物的最高占據(jù)軌道（HOMO）。載流子在有機(jī)分子薄膜中的遷移被認(rèn)為是跳躍運(yùn)動(dòng)和隧穿運(yùn)動(dòng)，并認(rèn)為這兩種運(yùn)動(dòng)是在能帶中進(jìn)行。當(dāng)電子和空穴在某一復(fù)合區(qū)復(fù)合后，形成分子激子，激子在有機(jī)固體薄膜中不斷做自由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，并以輻射或無輻射的方式失活。當(dāng)激子由激發(fā)態(tài)以輻射躍遷的方式回到

基態(tài)時(shí)，我們就觀測(cè)到電致發(fā)光現(xiàn)象。而發(fā)射光的顏色則是由激發(fā)態(tài)到基態(tài)的能級(jí)差所決定的。有機(jī)電致發(fā)光過程通常由以下幾個(gè)階段完成：1） 載流子的注入。在外加電場的條件下，電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機(jī)功能薄膜層注入；2） 載流子的遷移。注入的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移；3） 載流子復(fù)合。電子和空穴結(jié)合產(chǎn)生激子；4） 激子的遷移。激子在電場作用下遷移，將能量傳遞給發(fā)光分子，并激發(fā)電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；5） 電致發(fā)光。激發(fā)態(tài)能量通過輻射躍遷失活，產(chǎn)生光子釋放光能。三、OLED器件的結(jié)構(gòu)三、OLED器件的結(jié)構(gòu)有機(jī)電致發(fā)光器件基本結(jié)構(gòu)是由陽極、金屬陰極和它們之間圖10LED圖10LED多層結(jié)構(gòu)示意圖夾著的有幾層組成。常見的OLED結(jié)構(gòu)主要有四種：單層器件結(jié)構(gòu)、雙層器件結(jié)構(gòu)、三層器件是結(jié)構(gòu)和多層器件結(jié)構(gòu)。最簡單的電致發(fā)光器件是由上、下點(diǎn)擊和發(fā)光層組成的單層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在聚合物器件中較為常見。Kodak公司首先提出了雙層有機(jī)膜結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是發(fā)光層材料具有電子傳輸性，需要加如一層空穴傳輸材料去調(diào)節(jié)空穴和電子注入到發(fā)光層的速率，這層空穴傳輸材料還起著阻擋電子的作用，使注入的電子和空穴在發(fā)光層中復(fù)合。由空穴傳輸層（HTL），有機(jī)發(fā)光層（EML）和電子傳輸層（ETL）組成的三層結(jié)構(gòu)（圖1）是Adachi首次提出的。這種器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是三個(gè)功能各司其職，是目前有機(jī)電致發(fā)光器件中最長采用的器件結(jié)構(gòu)。為提高OLED的發(fā)光亮度和發(fā)光效率，出現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光器件，在多層器件中對(duì)于載流子傳輸層來講，它不僅起到了傳輸相應(yīng)載流子的作用，同時(shí)還應(yīng)該有阻擋另外一種載流子的作用，使電子和空穴在發(fā)光層中形成激子的幾率增加，從而提高器件的發(fā)光效率?？紤]在有機(jī)/聚合物此案料中，電子和空穴的遷移率都很小，因此為了減少載流子在傳輸過程中的損耗，各功能層的厚度及厚度匹配問題也應(yīng)當(dāng)考慮。另外，量子陷/超晶格結(jié)構(gòu)也經(jīng)常采用，使用該結(jié)構(gòu)的器件在設(shè)計(jì)時(shí)不受到載流子傳輸層和發(fā)光材料能帶匹配等要求的限制，還可以提高器件的發(fā)光效率。OLED器件的材料高分子電致發(fā)光材料1990年Friend等人首次使用聚苯撐乙烯作發(fā)光材料制成了聚合物電致發(fā)光器件，開創(chuàng)了高分子電致發(fā)光材料研究的新局面。與有機(jī)小分子發(fā)光材料相比，高分子發(fā)光材料工作時(shí)不會(huì)有晶體析出，來源廣泛，同時(shí)可根據(jù)其用途的不同進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。材料的電子結(jié)構(gòu)、發(fā)光顏色可以通過化學(xué)修飾的方法進(jìn)行調(diào)整。此外高分子電致發(fā)光材料具有良好的機(jī)械加工性能，成膜性和穩(wěn)定性好，可以制作成可折疊卷曲的柔性器件，器件的啟動(dòng)電壓較低、亮度與發(fā)光效率普遍較高，這些優(yōu)點(diǎn)使聚合物成為具有良好商業(yè)前景的電致發(fā)光材料。相關(guān)材料：聚苯撐乙烯類（PPV）電致發(fā)光材料：PPV是第一個(gè)被報(bào)道用作發(fā)光材料制備電致發(fā)光器件的高分子，是目前研究得最多、最廣泛、最深入，也被認(rèn)為是最有應(yīng)用前途的異類高分子電致發(fā)光材料。經(jīng)典的PPV材料具有不溶與不熔的特點(diǎn)，不能滿足發(fā)光器件的制作要求。因此許多科學(xué)家都致力于通過化學(xué)改性和物理改性來設(shè)計(jì)合成出結(jié)構(gòu)、性能各異的PPV及其衍生物，以滿足使用要求。聚芴類（PF）電致發(fā)光材料：在各種有機(jī)電致發(fā)光材料中，PF材料具有較高的光和熱穩(wěn)定性，并且芴單元是剛性共平面的聯(lián)苯結(jié)構(gòu)，C-9位置可以方便地引入各種取代基團(tuán)以改善溶解性能及超分子結(jié)構(gòu)，而不會(huì)引起顯著的空間位阻而影響主鏈的共軛，因而是一種具有應(yīng)用前景的有機(jī)藍(lán)光發(fā)光共軛聚合物材料。聚噻吩類（PT）電致發(fā)光材料：PT聚合物也是被廣泛研究的一類共軛聚合物，聚噻吩類電致發(fā)光材料的優(yōu)點(diǎn)在于聚噻吩及其衍生物的合成比較容易，穩(wěn)定性非常好，在室溫甚至較高的溫度下可以穩(wěn)定數(shù)年，而且其導(dǎo)電率幾乎不變。小分子有機(jī)電致發(fā)光材料小分子有機(jī)材料具有較高的發(fā)光率，并且可以通過真空沉積法成膜，但是沉默后容易結(jié)晶，有時(shí)候甚至與其它的材料有機(jī)材料形成激基復(fù)合物，因此這類材料單獨(dú)應(yīng)用比較少。相關(guān)材料：染料摻雜綠光材料香豆素染料Coumarin6:是一種激光染料，Kodak公司第一次將這種染料摻雜在主體材料中用于OLED研究。Coumarin6的熒光發(fā)射峰值在500nm處（藍(lán)綠色），熒光量子效率幾乎可達(dá)100%,在高濃度時(shí)存在嚴(yán)重的自淬滅現(xiàn)象。2卜［&12:『mr控ciCc:uf⑶了］BC5約Tax'C-金屬配合物綠光材料：有機(jī)金屬配合物Alq3（圖3）具有熒光量子效率高、穩(wěn)定性良好、易于成膜等優(yōu)點(diǎn)，是最早應(yīng)用于OLED的金屬配合物。金屬配合物綠光材料：有機(jī)金屬配合物Alq3（圖3）具有熒光量子效率高、穩(wěn)定性良好、易于成膜等優(yōu)點(diǎn)，是最早應(yīng)用于OLED的金屬配合物。OLED中的Alq3既作發(fā)光層，又作電子傳輸層，發(fā)光峰位于530nm處，是良好的綠光材料。藍(lán)光小分子發(fā)光材料：藍(lán)色有機(jī)電致發(fā)光是全彩色顯示的重要組成部分，但與綠光器件相比，藍(lán)光器件的性能與實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距，其研究一直處于相對(duì)落后的狀態(tài)，一定程度上制約著全彩色OLED顯示的發(fā)展。有機(jī)小分子藍(lán)光材料多數(shù)集中在有機(jī)小分子的自身電致發(fā)光、金屬配合物、藍(lán)光有機(jī)小分子電致發(fā)光材料的衍生物等方面。金屬配合物藍(lán)光材料：相對(duì)紅光、綠光的稀土金屬配合物的磷光器件來說，藍(lán)光的稀土金屬配合物磷光材料的研究相對(duì)落后，制約了彩色顯示的磷光器件的實(shí)現(xiàn)。目前商業(yè)上最好的藍(lán)光重金屬配合物為銥的配合物FIrpic，其結(jié)構(gòu)式如圖3所示。載流子傳輸材料載流子傳輸材料又可分為空穴傳輸材料（HTM）和電子運(yùn)輸材料（ETM）。OLED用的絕大多數(shù)HTM屬于一類芳香胺熒光化合物。為了保證長期的穩(wěn)定性，這些材料應(yīng)具有很高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和優(yōu)良的表面穩(wěn)定性，有較高的玻璃化溫度Tg,能與陽極形成小的壁壘，具有較強(qiáng)的會(huì)合電子特性，能真空蒸鍍形成無針孔薄膜。因?yàn)镠TM在工作或儲(chǔ)存時(shí)通常都容易發(fā)生熱聚作用，所以，對(duì)于制作可靠的OLED來說，選擇熱穩(wěn)定性好的HTM就成了一個(gè)關(guān)鍵問題。早期，HTM就成了一個(gè)關(guān)鍵問題。早期，HTM常用的就是TPD，TPD的空穴遷移率達(dá)10A-3cm2/V?S，但TPD的玻璃化溫度（Tg）比較低（63°C）熱穩(wěn)定性也比較差。NPB是目前最為廣泛的空穴傳輸材料，NPB的成膜性好，且具有較高的玻璃化溫度（Tg=95C）和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。五、OLED與LCD對(duì)比與LCD技術(shù)相比，OLED的優(yōu)點(diǎn)是：1） OLED可以自身發(fā)光，而LCD則不能。因此，OLED比LCD要亮得多；另外OLED對(duì)比度更高，色彩效果更加豐富；2） LCD需要背景燈光點(diǎn)亮，而OLED在需要點(diǎn)亮的單元才加電，并且電壓很低，因此更加節(jié)能；3） OLED所需材料很少，制造工藝簡單，量產(chǎn)時(shí)的成本要比LCD節(jié)省20%;OLED沒有視角范圍的限制，可視角度一般可達(dá)到160°,重量也比LCD輕得多。同時(shí)，OLED還可彎曲，應(yīng)用范圍極廣。主＜OLED與LCD性能對(duì)比性能OLEDLCDOLED產(chǎn)品與技術(shù)優(yōu)勢(shì)視角寬度不受限制受限制視角寬.側(cè)視畫面色彩不失真響應(yīng)時(shí)間10^s10」8更適合播放動(dòng)態(tài)圖像，無拖尾現(xiàn)象發(fā)光方式主動(dòng)發(fā)光被動(dòng)發(fā)光無需背光源.器件更薄.對(duì)比度更高.色彩更鮮艷溫度范圍-40-80r-20-60r高低溫性能優(yōu)越.適應(yīng)嚴(yán)寒等特殊環(huán)境工藝過程簡單復(fù)雜制作成本更低，性價(jià)比更高六、OLED的技術(shù)瓶頸和突破面對(duì)主流市場的LCD顯示技術(shù)，OLED要躋身成為主流顯示技術(shù)，仍面臨諸多瓶頸。目前有三大挑戰(zhàn)正左右OLED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第一， OLED產(chǎn)品價(jià)格昂貴，原因在于經(jīng)濟(jì)規(guī)模校，似的材料成本和制程成本無法降低；第二，在技術(shù)層面上，OLED壽命仍還有待提高，目前OLED產(chǎn)品壽命只有兩萬小時(shí)，要達(dá)到商業(yè)化的要求，至少需要5萬小時(shí)；第三，OLED目前仍主要應(yīng)用在小尺寸行動(dòng)裝置面板領(lǐng)域，在大尺寸顯示市場仍還有待突破。技術(shù)突破：2008年，精工愛普生公司發(fā)布了其研究成果一一“終極之黑"OLED顯示系統(tǒng)，解決了長期困擾OLED的使用壽命難題，成功將產(chǎn)品使用壽命延長至5萬多個(gè)小時(shí)，突破業(yè)界2~3萬小時(shí)的技術(shù)瓶頸，極大拓展了OLED顯示系統(tǒng)的應(yīng)用前景。2006年，整體矩陣尋址(TotalMatrixAddressing,TMA)OLED技術(shù)由劍橋顯示器科技推出，據(jù)稱結(jié)合了TMA解決方案的小型被動(dòng)式數(shù)組顯示器，可降低至少50%的功率消耗，或者在相同的功率消耗下，得到二倍的顯示亮度。技術(shù)進(jìn)展為OLED的未來鋪平了道路。2007年全球OLED產(chǎn)值接近8億美元，相較于2006年成長率超過50%，是所有平板顯示設(shè)備中成長最快的領(lǐng)域。隨著產(chǎn)品化的開始，未來幾年OLED營收將會(huì)大幅成長。在尺寸方面，2008年仍以11英寸產(chǎn)品為主，到了2011年OLED將擴(kuò)大到30英寸產(chǎn)品以上，主流產(chǎn)品仍是以11英寸，預(yù)估其銷量可望達(dá)到100萬臺(tái)以上、20英寸銷售量為89萬臺(tái)、32英寸TV則是5萬臺(tái)左右。將MgF2嵌入到空穴傳輸層NPB中，制作了MgF2厚度分別為0。.0、0.5、1.0和1.5nm的一組器件，研究了MgF2厚度對(duì)器件光電性能的影響，相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)試發(fā)現(xiàn):MgF2為0.5nm的器件啟亮電壓較普通器件有明顯降低，為2.3V，隨著MgF2厚度的增加，器件啟亮電壓逐漸提高，1.5nm時(shí)低于普通器件。MgF2的嵌入提高了器件電流效率，相同電壓下，MgF2厚度為1.0nm的器件最大效率為3。.93cd/A，是普通器件的1.95倍;光功率效率是用來衡量人眼對(duì)器件發(fā)光亮度感知程度的，嵌入MgF2的器件光功率效率性能也得到顯著改善，MgF2厚度1.0nm的器件最大光功率效率達(dá)到1。58lm/W，是普通器件的2.1倍。結(jié)語：OLED本身具備諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景極廣，其技術(shù)瓶頸也將會(huì)在電化學(xué)等科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步下被解決，可以想見未來的顯示市場，OLED必將是絕對(duì)主流產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)：［1］ 崔志勇，汪海澎，孫長亮。導(dǎo)電高分子材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］。中國科技縱橫，2010，14:146。［2］ 劉平，胡建華，趙其中等。低聚噻吩衍生物的合成及液晶性能［J］。華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003,31(5):11-15。［3］ 李傳南，肖步文，侯晶瑩，等.利用LiF/Al作為電極的有機(jī)電致發(fā)光器件［J］?光子學(xué)報(bào)，2001，30(1):86-89.［4］ 于文革.中國科學(xué)院長春物理所博士論文集［Z］.2004:31.［5］ 于文革，徐征，曲崇.有機(jī)-無機(jī)異質(zhì)節(jié)電致發(fā)光器件發(fā)光機(jī)理的研究［J］.液晶與顯示，2004，19(3):186-190.［6］ 李海玲，王永生.MEH-PPV/ZnO納米晶無機(jī)有機(jī)復(fù)合電致發(fā)光器件的研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2004,24(10):1172-1175.［7］于文革，徐征，滕楓，等.基于有機(jī)-無機(jī)異質(zhì)結(jié)的白電致發(fā)光器件［J］?光電子?激光，2004,15(11):1279-1282.［8］黃春輝，李富友，黃維.有機(jī)電致發(fā)光材料與器件導(dǎo)論［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2005:236.［9］ 楊興，胡建明，戴特力.光纖光柵傳感器的原理及應(yīng)用研究口］.重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009,26(4):101-105.［10］ 于文革.中國科學(xué)院長春物理所博士論文集［Z］.2004.［11］ 滕楓，侯延冰，印壽根，等.有機(jī)電致發(fā)光材料及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.［12］ 黃春輝，李富友，黃維。有機(jī)電致發(fā)光材料與器件導(dǎo)論［M］。上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2005:190。［13］ 李曉常，孫景志，馬於光，等。聚合物半導(dǎo)體電致發(fā)光顯示器件［J］。高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，1999(2):309-314。［14］ 李盛彪，張曄，牛巧莉，等。新型含氟聚苯撐乙烯的合成及電致發(fā)光性能［J］?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2006，64:2509-2514。［15］張華西，陳浩，李瑛，等。新型烷基芴共聚物的合成及電致發(fā)光性質(zhì)［J］。高分子材料與工程，2006，22:71-74。［16］ 張華西，陳浩，李瑛，等。新型含苯并噻唑及吡唑啉環(huán)的聚烷基芴電致發(fā)光材料的合成及性能研究［J］。功能材料，2006，7:1027-1029。［17］ 夏養(yǎng)君，鄧先宇，王藜，等。一類近紅外電致發(fā)光芴基共聚物的合成和性能研究［J］。高分子學(xué)報(bào)，2006，5:697-702。［18］魏彩紅，鄒建華，陳啟良，等。芴回苯并噻二唑回苯胺類共聚物的合成與發(fā)光性能［J］。高分子學(xué)報(bào)，2009，10:1070-1076。［19］羅潔，陽仁強(qiáng)，楊偉，等。芴回呋喃苯并噻二唑共聚物的光電性能［J］。中國科學(xué):化學(xué)，2010，40:161-166。［20］佟拉嘎，榮華，林世靜，等。烷基、烷氧基取代聚噻吩發(fā)光材料的合成與性能［J］。液晶與顯示，2006,21:593-598。Organicelectroluminescentdevices(OLED)technologyisintroducedWangZhiWei

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