華中科技電子顯示技術08-電致發(fā)光顯示器ELD

4.1全固態(tài)型的電致發(fā)光顯示器〔ELD〕4.2各種電致發(fā)光元件的構造、工作原理及特性4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料4.4電致發(fā)光元件各功能層的形成方法4.5有機電致發(fā)光顯示器〔有機ELD〕4.6ELD的各種驅動方式4.7ELD的用途及應用展望4.8ELD的課題與進展前景第四章電致發(fā)光顯示器1第四章

電致發(fā)光顯示器電致發(fā)光顯示器〔electroluminescentdisplay,ELD)平面自發(fā)光型顯示器，通過對涂布于玻璃基板外表或有機膜上的熒光體施電場發(fā)光薄膜型(橙黃色發(fā)光在信息顯示器有用化)電致發(fā)光分兩類:

分散型(作大型LCD白色背照光源)目前在進展多顏色色化研發(fā)同時，降低ELD工作電壓和價格.24.1.1什么是電致發(fā)光電致發(fā)光〔electroluminescent，EL〕是指半導體，主要是熒光體，在外加電場作用下的自發(fā)光現(xiàn)象。注入型EL(外場下產生少數(shù)載流子注入而發(fā)光)〔LED〕電致發(fā)光本征型EL(不伴隨少數(shù)載流子注入而發(fā)光)(后簡稱EL為本征發(fā)光)第四章電致發(fā)光顯示器34.1.2電致發(fā)光與顯示器歷史第四章電致發(fā)光顯示器1936年，法國的Destriau覺察，將ZnS粉末浸入油性溶液中，使其封入2塊電極之間，施加溝通電壓，會產生發(fā)光現(xiàn)象。這應當說是EL的最早覺察。惋惜的是，當時并未制造透亮電極，因此在相當長的一段時間內，在有用上并無進展。1950年，Sylvania公司利用SnO2透亮導電膜開發(fā)成功分散型EL元件。一般稱為第一代EL。4第四章電致發(fā)光顯示器1968年，Vecht等和Kahng等人發(fā)表兩篇論文使EL的爭論更進一步。是其次代EL開頭標志。并通過試驗證明白EL用于電視畫面顯示的可能性。在此期間，彩電及計算機快速普及，人們希望在CRT的根底上，開發(fā)薄型、輕量、高畫面質量、大顯示容量的平板型電子顯示器。正是在這種背景下，ELD成為熱門題目之一，并與LCD，PDP及LED等一起被列入爭論開發(fā)的重點。5第四章電致發(fā)光顯示器1983年，日本開頭薄膜ELD批量生產。目前橙紅色發(fā)光的ELD可由夏普〔日〕、PlanerSystem〔美〕及Lohja〔芬蘭〕〔1991年與PlanerSystem合并，組成PlanerInternational〕等公司供給。近年來ELD的爭論更集中于全彩色顯示及更大容量的顯示等方面。正從材料的角度進展爭論ELD，所涉及的范圍越來越廣。6EL的分類EL從構造上分分散型和薄膜型，從驅動方式上分溝通驅動型和直流驅動型。因此可以組合出四種EL元件類型。其中已經到達有用化的有薄膜型溝通EL和分散型溝通EL。如以下圖。第四章電致發(fā)光顯示器7EL元件的分類及特征第四章電致發(fā)光顯示器84.1.3ELD的特征與其他電子顯示元件比，有下述優(yōu)點：圖像顯示質量高。自發(fā)光型，具有顯示精度高，精細嚴峻，對眼睛的刺激小等優(yōu)點。特殊由于是自發(fā)光型，視角大，對于顯示精細度要求高的漢字顯示特別有利。受溫度變化的影響小。EL的發(fā)光閾值打算于隧道效應，因此對溫度變化不敏感。這在溫度變化猛烈的車輛等中的應用有明顯優(yōu)勢。第四章電致發(fā)光顯示器是目前唯一的全固體顯示元件。耐沖擊振動好，適合坦克、裝甲車等軍事應用。小功耗，薄型，質輕。一般厚≤25mm,重約500g。由于上述特點，可在很多領域應用。9分散型溝通電致發(fā)光熒光體粉末母體材料為ZnS,添加作為發(fā)光中心的活化劑和共活化劑的Cu，CI，I及Mn原子等，因此可得到不同的發(fā)光色。4.2.1分散型溝通電致發(fā)光起源于Sylvania公司，是第一代EL代表構造形式，目前廣泛用于液晶顯示的背景光源。10機理：在ZnS顆粒內沿線缺陷會有Cu析出，形成電導率較大的CuxS，CuxS與ZnS形成異質結。由此可以認為其形成電導率極高的P型或金屬電導態(tài)。圖(b)表示這種狀態(tài)的能帶圖。當施加電壓時，在上述CuxS/ZnS界面上會產生高于平均場強的電場強度。在這種高場強的作用下，位于界面能級的電子會通過隧道效應向ZnS內注入，與發(fā)光中心捕獲的孔穴發(fā)生復合，產生發(fā)光。當發(fā)光中心為Mn時，如上所述發(fā)生的電子與這些發(fā)光中心碰撞使其激發(fā)，引起EL發(fā)光。分散型溝通電致發(fā)光發(fā)光機制可用右圖的Fischer模型來解釋。由于ZnS熒光體粒徑為5～30μm，通常在一個ZnS顆粒中會存在點缺陷及線缺陷。電場在ZnS內非均勻分布，所以發(fā)光狀態(tài)也不一樣。當觀看一個ZnS顆粒時，如圖〔a〕所示，發(fā)光先從假設干孤立點開頭，隨著電場增加，兩點的發(fā)光漸漸延長，相互靠近，匯成彗星狀的發(fā)光。11分散型溝通電致發(fā)光發(fā)光色通過活化劑和共活化劑的組合可以在藍色到黃色之間的范圍內變化。在ZnS：Cu，Cl系中，通過調整Cl的含量，可以獲得從藍色(～460nm)到綠色(510nm)的發(fā)光。這種發(fā)光是由于以Cu為受主，Cl為施主的I)D-A對之間的復合遷移而產生的。此外，由ZnS：Cu，Al系可得到綠色，由ZnS：Cu，Cl，Mn系可得到黃色發(fā)光等。12分散型溝通電致發(fā)光上述分散型溝通EL元件的最大問題是穩(wěn)定性差(壽命短)。固然，穩(wěn)定性與使用環(huán)境和驅動條件相關。對于環(huán)境來說，此元件的耐濕度性很弱，需要鈍化愛護。對于驅動條件來說，當電壓肯定時，隨工作時間加長，其發(fā)光亮度下降，尤其是驅動周波數(shù)高時，在高輝度下工作會更快地劣化?？啥x亮度降到初期值一半的時間為壽命，又稱為半衰期第一代EL的開發(fā)初期，其壽命最長為100h。最近，隨著熒光體粉末材料處理條件的改善，為防濕，承受了樹脂模注入以及改進驅動條件等措施，在驅動參數(shù)為200V，400Hz條件下，其壽命已能到達2500h。13分散型直流電致發(fā)光在玻璃基板上形成透亮電極，將ZnS：Cu，Mn熒光體粉末與少量粘結劑的混合物在其上均勻涂布，厚度為30～50m。由于是直流驅動，應中選擇具有導電性的熒光體層，為此選用粒徑為0.5~1m的比較細的熒光體粉末。將ZnS熒光體浸在Cu2SO4溶液中進展熱處理，使其外表產生具有電導性的CuxS層。這種工藝稱為包銅處理。最終再蒸鍍Al，形成反面電極，從而得到EL元件。14分散型直流EL元件制成之后，先不使其立刻發(fā)光，而是在透亮電極一側接電源正極，Al反面電極一側接負極，在肯定的電壓作用下，經長時間放置后，再讓其正式發(fā)光。在這肯定形化(forming)處理過程中，Cu2+離子會從透亮電極四周的熒光體粒子向Al電極一側遷移。結果，如圖4-6(a)所示，在透亮電極一側會消失沒有CuxS包覆的、電阻率高的ZnS層(脫銅層)。這樣，外加電壓的大局部會作用在脫銅層上，在該層中形成106V／cm的強電場。如圖4-6(b)所示，在此強電場作用下，會使電子注入到ZnS層中，經加速，成為發(fā)光中心。例如，直接碰撞Mn2+會引起其激發(fā)，引發(fā)EL發(fā)光。關于發(fā)光色，在ZnS：Mn，Cu系中，由錳離子可獲得橙黃色光。SrS：Ce，Cl系發(fā)藍光，CaS：Ce，Cl系發(fā)綠光，CaS：Eu，Cl系發(fā)紅光。但發(fā)光效率都不高。15薄膜型溝通電致發(fā)光1974年高輝度、長壽命的薄膜溝通型EL元件被制成，該元件是將發(fā)光層薄膜夾于兩層絕緣膜之間組成三明治構造。此后，人們又對這種形式的EL元件進展了廣泛的爭論開發(fā)。目前已將其投入商品市場。其根本構造如圖4-8所示，在玻璃基板上依次積層透亮電極(ITO)、第一絕緣層、發(fā)光層、其次絕緣層、反面電極(A1)等。發(fā)光層厚0.5～1m，絕緣層厚0.3～0.5m。全膜厚只有2m左右，是特別薄的。在EL元件電極間施加200V左右的電壓，可獲得EL發(fā)光。由于發(fā)光層夾在兩絕緣層之間，可防止元件的絕緣被破壞，故在發(fā)光層中可以形成穩(wěn)定的106V／cm以上的強電場。而且，由于致密的絕緣膜愛護，可防止雜質及濕氣對發(fā)光層的損害。16薄膜型溝通電致發(fā)光

ZnS：Mn系的發(fā)光機制，可按圖4-9所示的碰撞激發(fā)來解釋。即，當施加的電壓大于閾值電壓Vth時，由于隧道效應，從絕緣層與發(fā)光層問的界面能級飛出的電子，被106V／cm的強電場加速，使其熱電子化，并碰撞激發(fā)Mn等發(fā)光中心。被激發(fā)的內殼層電子從激發(fā)能級向原始能級返回時，產生EL發(fā)光。激發(fā)發(fā)光中心的熱電子，在發(fā)光層與絕緣層的界面停頓移動，產生極化作用。這種極化電場與外加電場相重疊，在溝通驅動施加反極性脈沖電壓時，會使發(fā)光層中的電場強度增加。17薄膜型溝通電致發(fā)光關于兩層絕緣膜構造的ZnS：Mn的穩(wěn)定性，制成之后在開頭工作的一段時間內，輝度-電壓特性會發(fā)生變化，此后便會漸漸到達穩(wěn)定狀態(tài)。這并非性能的劣化，而是制作過程中導入的各種變形、不穩(wěn)定因素及電荷分布的不均勻性等漸漸趨向穩(wěn)定的過程，該過程又稱作老化。老化充分的元件，其性能極為穩(wěn)定，工作20230h以上，未覺察輝度明顯降低。18元件的構造很簡潔，在薄膜發(fā)光層的兩側直接形成電極即可。迄今為止，已試做過各種各樣的元件，但由于其穩(wěn)定性不能解決，所以至今未到達有用化，元件的發(fā)光機制為碰撞激發(fā)型，需要105~106V/cm的強電場來驅動。由于沒有絕緣膜愛護，很難保證不發(fā)生絕緣破壞，因此難以穩(wěn)定地維持電場。從而需要導入限制電流層。最近，通過將MnO2粉末電阻體夾在發(fā)光層與反面電極之間，制成了穩(wěn)定的ZnS：Mn系EL元件，這稱為直流薄膜-粉末混成型EL元件，其發(fā)光效率可達0.8lm／W，壽命可達20000h以上。薄膜型直流電致發(fā)光19有機薄膜電致發(fā)光以上爭論的EL元件的發(fā)光層等都是由無機材料做成的，最近已經制成以有機薄膜為發(fā)光層及空穴輸送層的注入型薄膜EL元件。圖4-12表示這種元件的構造及所使用材料的分子構造。發(fā)光層由鋁喹啉絡合物(Alq3)形成，空穴輸送層由二胺系化合物真空蒸鍍形成，將二者夾在IT0電極與MgAg電極之間便構成EL元件。發(fā)光色為綠色。假設施加10V左右的直流脈沖電壓，其輝度可達1000cd／m2以上，發(fā)光效率可達1.5lm／w。20此后，又覺察了發(fā)光層與電子輸送層相分別從而具有三層構造的有機薄膜EL元件。電子輸送層承受而萘嵌苯，空穴輸送承受二胺系化合物，從而提高了載流子的輸送功能以及從電極向載流子的注入效應，這種元件的有機材料的熒光本身即是其發(fā)光色。因此可通過材料化學構造的變化很便利地選擇發(fā)光色，如下圖，從而獲得從藍色到紅色的EL發(fā)光。關于有機電致發(fā)光顯示器，4.5節(jié)還要特地爭論。有機薄膜電致發(fā)光214.3電致發(fā)光元件的各種構成材料4.3.1發(fā)光層材料對于薄膜型EL元件發(fā)光層材料所要求的條件主要有：1.添加適宜的發(fā)光中心以獲得可見光波長范圍內的發(fā)光；2.能承受激發(fā)所需的106V/cm左右的強電場。因此，EL母體材料，一般承受添加有適宜的發(fā)光中心的能隙比較寬的半導體材料。目前已經有用化的有ZnS。一些母體材料的物性常數(shù)如表4－1所示。224.3電致發(fā)光元件的各種構成材料23另外，發(fā)光中心主要承受屬于定域能級型的元素，除Mn外，還有Tb，Sm，Tm，Eu，Ce等稀土元素。通過這些元素4f殼層內的躍遷或4f－5d間的躍遷，可獲得各種不同的發(fā)光色。不過，稀土離子與Mn2+不同，前者的價數(shù)及離子半徑都與Zn2+有較大差異，假設將其以單體的形式添加在Zn膜中，置換Zn的位置，很難做到使其均勻分布。此時需要同時添加電荷補償離子，或者以中性分子中心的形式來摻雜。在發(fā)光中心材料中，多承受氟化物及硫化物作為電荷補償離子.4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料24以ZnS作為母體的彩色EL元件的發(fā)光譜如下圖。圖(a)為ZnS：Mn的發(fā)光譜，由于Mn2+離子的3d5內殼層電子的d-d制止躍遷，從而顯示出具有寬峰的橙黃色〔585nm〕譜。這種元件的輝度及發(fā)光效率，在目前所得到的EL元件中是最好的。其寬峰的長波長一側含有紅色成份，假設承受紅顏色色濾光片，可獲得高輝度的紅色發(fā)光。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料25另一方面，幾乎全部稀土離子在ZnS中都會顯示出EL發(fā)光。稀土元素的發(fā)光中心通常為3價的，為了電荷補償，需要將其以稀土氟化物〔ReF3，Re為稀土離子〕的形式在ZnS母體中添加。但最近的爭論說明，氟不是以F3的形式，而是以F的形式存在，輝度和發(fā)光效率都更高，因此應將發(fā)光中心記做Re，F(xiàn)。此元件的發(fā)光是基于稀土離子固有的4f內殼層電子的躍遷。為了得到三原色EL發(fā)光，如上圖〔b〕所示，可選用ZnS：Sm，F(xiàn)〔發(fā)紅色光〕，ZnS：Tb，F(xiàn)〔發(fā)綠色光〕，ZnS：Tm，F(xiàn)〔發(fā)藍色光〕。這些EL元件得到的輝度和發(fā)光效率如下表所示。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料264.3電致發(fā)光元件的各種構成材料27隨著近年來薄膜技術的進步，堿土金屬硫化物〔CaS，SrS〕作為高輝度藍色、紅色發(fā)光的薄膜EL的母體材料正受到廣泛的關注。在CaS，SrS中添加稀土離子發(fā)光中心，可以獲得顯示三原色的EL材料，其發(fā)光的譜線如下圖，輝度見上表。特殊是SrS：Ce，顯示藍綠發(fā)光，通過附加藍色濾光器可獲得高輝度藍色發(fā)光。EL發(fā)光，如下圖，是基于Eu2+，Ce3+的f－d容許躍遷，因此受到母體材料的猛烈影響。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料28最近證明，CRT用熒光體三元系硫鎵化物可以實現(xiàn)薄膜化，再摻入Ce的薄膜EL元件可獲得高輝度的藍色發(fā)光。且不要濾光器。綜上所述，實現(xiàn)薄膜EL元件的彩色顯示，必需考慮輝度和色調。對于紅色宜承受CaS：Eu，ZnS：Sm，F(xiàn)，附加彩色濾光器的ZnS：Mn；對于綠色宜承受ZnS：Tb，F(xiàn)；對于藍色宜承受CaGa2S：Ce或附加彩色濾光器的SrS：Ce等。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料29分散型溝通EL的發(fā)光層材料，主要承受與薄膜型一樣的ZnS。通過選擇適宜的發(fā)光中心，可獲得可見光區(qū)域的各種發(fā)光。圖4.17所示。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料30分散型直流EL的發(fā)光如圖4.18所示。ZnS:Mn,Cu于薄膜EL的狀況一樣，由于Mn2+而顯示黃橙色發(fā)光。添加3價稀土離子的狀況也與薄膜EL一樣，顯示稀土離子所特有的顏色光。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料314.3.2絕緣層材料EL元件中絕緣膜的主要作用是愛護其電氣絕緣免受破壞。要求的條件主要包括：絕緣耐壓〔使絕緣破壞的電場強度〕高，針孔等缺陷少，Tanδ小，與發(fā)光層等的附著堅固。假設為非晶態(tài)時，構造要致密，而且介電常數(shù)要大等?？捎糜贓L的絕緣膜材料分兩大類：非晶態(tài)氧化物或氮化物〔Y2O3，Al2O3，Ta2O5，SiO2,Si3N4等〕另一類為鐵電體〔BaTiO3，PbTiO3等〕第一類絕緣破壞的場強高但介電常數(shù)低，其次類相反。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料32EL元件必要的特性之一，是絕緣破壞的場強〔EBD〕與介電常數(shù)〔0r〕的乘積，并以此作為選擇絕緣膜的指標。稱為絕緣層薄膜的性能指數(shù)〔figureofmerit〕。如下圖。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料33絕緣膜性質的一個重要方面是EL元件的絕緣破壞后絕緣膜的形態(tài)。其中一種形態(tài)是當一次破壞后，由破壞點的四周開頭連續(xù)產生新的破壞，稱為傳播型模式。另一種形態(tài)是一點的破壞并不擴展，僅局限在原來的范圍內，稱為開放模式或自修模式。前者不宜做EL元件的絕緣膜。使兩種絕緣膜復合，可獲得綜合性能優(yōu)良的絕緣膜。其理由是，成份及晶體構造不同的膜層相重疊，可以阻擋針孔及其他局部缺陷的生長。二者相互補充，從而形成更為致密的絕緣膜。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料344.3.3電極材料EL元件夾在上下兩塊電極之間，其中必需有一塊透亮的。透亮電極目前根本上都承受ITO〔indiumtinoxide〕。但隨著EL元件的大型化，透亮電極的布線電阻不能無視，而且從發(fā)熱、維持驅動波形穩(wěn)定的角度考慮，都希望降低電阻。除ITO外，，ZnO等也引起人們的注目。反面電極使用Al。選擇電極材料及形成方法時，還要考慮元件的破壞模式以及與水的反響性等。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料354.3.4基板材料基板材料一般承受玻璃〔Corning公司的7059，7740，0211；HOYA公司的NA40；旭硝子公司的AN等〕。其最重要的特性是：在可見光區(qū)域要透亮，熱膨脹系數(shù)應當與積層材料盡量全都。而且，除具有優(yōu)良的外表平滑性之外，由于EL的退火溫度一般在500℃~600℃，因此玻璃基板要能承受這一高溫。另外，為確保元件的長期牢靠性，要求其中的堿金屬離子含量要盡量低。Corning公司的7059，HOYA公司制的NA40，旭硝子公司制的AN等的鋁硅酸鹽系玻璃均已在有用的EL元件中使用。4.3電致發(fā)光元件的各種構成材料364.4.1發(fā)光層的形成方法主要針對應用最多的ZnS:Mn薄膜EL元件發(fā)光層的形成技術加以介紹。其形成技術主要分為：電子束蒸發(fā)〔EB〕物理氣相沉積〔PVD〕多源蒸發(fā)〔MSD〕濺射鍍膜

原子層外延〔ALE〕化學氣相沉積〔CVD〕有機金屬化學氣相沉積〔MOCVD〕氫化物輸送減壓CVD〔HT-CVD〕目前制品化的EL中，多用EB蒸鍍和ALE制作4.4電致發(fā)光元件各功能層的形成方法37EB蒸鍍這種方法掌握性、重復性均優(yōu)良?？墒瑰兞系木植课恢玫竭_高溫，能使顆粒中預先摻入的發(fā)光中心同時蒸發(fā)，而且可以對發(fā)光中心的濃度進展掌握。濺射濺射，特殊是磁控濺射鍍膜沉積速率大，便于連續(xù)化生產。而且，承受這種方法，發(fā)光中心在膜層中的分布均勻，因此在以稀土元素為發(fā)光中心的彩色EL的制作中多為承受。發(fā)綠光的ZnS:Tb，F(xiàn)，用濺射鍍膜法來制作的發(fā)光層，其發(fā)光可到達最高灰度。但是由于難以解決濺射氣體及真空室中殘留的氣體混入膜層中等問題，時至今日，這種方法仍未到達有用化。4.4.1發(fā)光層的形成方法38MSD分別設置Zn，S，Mn蒸發(fā)源，通過加熱溫度及擋板等的調整和掌握，在嚴格掌握膜層中成份比率的條件下，使膜層晶體生長。由這種方法形成的ZnS：Mn薄膜質量很好，其中根本上不存在不發(fā)光的所謂死層(deadlayer).4.4.1發(fā)光層的形成方法39ALE由芬蘭的Lohja公司開發(fā)，是在超高真空中，使原子在基板外表一層一層挨次生長的單原子生長法。由于其具有自掌握功能，可外延生長，因此可得到高質量的ZnS：Mn薄膜。但其生長速度很慢。如下圖。＋ZnS＋2HCl承受此法，從生長初期就可獲得大晶粒度的發(fā)光層4.4.1發(fā)光層的形成方法40MOCVD可在非平衡系中形成薄膜。因此，在特殊重視化學計量比的III－V族化合物半導體中廣泛承受，從理論上說對II－IV族化合物半導體也是很有效的。對于生長ZnS：Mn薄膜來說，Zn的來源是二甲基鋅〔DMZ〕，S的來源是或二甲基硫〔DES〕,Mn的來源是三羧酸甲基環(huán)戊烷錳〔TCM〕。得到的ZnS薄膜具有柱狀多晶構造，問題是不簡潔得到各種有機金屬原料，且產生有毒氣體。4.4.1發(fā)光層的形成方法41HT-CVD通過鹵族氣體的流量調整很簡潔掌握高濃度Mn的摻雜，從而進展ZnS：Mn膜的外延生長。而且，由于實行使整個反響爐加熱的熱壁方式，在減壓下，原理上講比較簡潔獲得大面積膜層。此法適合于大批量生產的較為抱負的薄膜形成方法。4.4.1發(fā)光層的形成方法42絕緣膜的制作方法隨時代不斷變化，過去多承受EB蒸發(fā)、濺射鍍膜等。EB蒸發(fā)：承受點源蒸發(fā)材料及蒸發(fā)源的制作都不難，是制作絕緣膜的主要方法之一。但此法往往造成缺氧，有損于膜層的絕緣特性。濺射鍍膜：承受大面積源，簡潔大面積成膜。對高熔點鍍料也能成膜，特殊是能進展反響濺射。這樣不僅對氧化物，對氮化物也能成膜。便于連續(xù)化生產，是主要成膜方式。CVD法目前正受到注目。絕緣膜的形成方法43用做透亮電極的ITO膜的形成方法很多，如EB蒸發(fā)、電阻加熱蒸發(fā)、濺射鍍膜等物理方法，涂噴法、CVD等化學方法等。目前，濺射鍍膜法，特殊是磁控濺射用得最多。承受這種方法時，為了穩(wěn)定地制取優(yōu)良的ITO膜，要竭力削減殘留氣體〔特殊時水蒸汽〕，與此同時，準確掌握氧的流量也特別重要。

4.4.3電極的形成方法444.5.1有機ELD的優(yōu)點及進展概況有機薄膜電致發(fā)光(OEL)材料能供給真正的像紙一樣薄的顯示器，OEL顯示器又輕又薄，低功耗，廣視角，響應速度快(亞微秒)，易實現(xiàn)全彩色大面積顯示。OEL顯示器構造簡潔，總厚度不到1m，特殊是可承受與集成電路相匹配的直流低電壓驅動，只要在兩個電極之間加上5～10V的電壓就可以產生電場效應而發(fā)光。OEL器件與無機EL器件相比，還具有多顏色性，易處理，可加工成不同的外形，機械性能良好及本錢低廉等優(yōu)點。4.5有機電致發(fā)光顯示器45目前OEL已成為國際上的一個爭論熱點。順便指出，OELD是一種低場電致發(fā)光器件，器件中具有P-N結構造，其工作模式與無機LED相像，屬于電流器件，為注入型EL，故國外最近改稱其為OLED。本書仍按OEL爭論。有機OELD與無機ELD都具有視角大、響應速度快等優(yōu)點，當二者用于大信息量的彩色顯示時，各有優(yōu)缺點，表4-3是二者的比較。4.5有機電致發(fā)光顯示器46有機OELD和無機ELD的比較4.5有機電致發(fā)光顯示器47由表4-3可以看出：有機電致發(fā)光顯示器件承受的是低溫沉積工藝，從理論上講，可以降低本錢；對無機溝通ELD而言，驅動電路需要很高的電壓，而電致發(fā)光本身需要的卻是低電流，這是其主要缺點。而OELD使用的是恒流驅動，因此電極中電阻損失較??；無機電致發(fā)光和有機電致發(fā)光都需要用廣譜發(fā)光材料，無機電致發(fā)光需要用濾色器，有機電致發(fā)光需要用變色介質層(CCM)，這樣才能保證良好的色純度；OELD的半衰期壽命長達10000h，為避開其在高信息容量顯示中產生潛像，對穩(wěn)定性的要求相當嚴格。4.5有機電致發(fā)光顯示器48有機EL的起源可以追溯至1963年，Pope等人以蒽單晶外加直流電壓而使其發(fā)光，但因當時驅動電壓高(100V)且發(fā)光亮度和效率都比較低，并沒有引起太多的重視。直到1987年，美國Kodak公司的Tang等人以8-羥基喹啉鋁()為發(fā)光材料，把載流子傳輸層引入有機EL器件，并承受超薄膜技術和低功函數(shù)堿金屬作注入電極，得到直流驅動電壓低(<10V)、發(fā)光亮度高(>1000cd／m2)和效率高(1.5lm／W)的器件以后，才重新引起了人們對有機EL的極大興趣。1990年，英國Burroughes等人以聚對苯撐乙烯(PPV)為發(fā)光層材料，制成了聚合物EL器件，將有機EL的爭論開發(fā)推廣到大分子聚合物領域。在過去十幾年里，有機EL作為一種新的顯示技術已得到長足的進展。日本先鋒公司于1997年已將用于汽車的低信息容量的有機ELD投放市場。4.5有機電致發(fā)光顯示器49

最近幾年，進入這個領域的學術界及工業(yè)界爭論小組日益增多。努力開發(fā)和爭論物理性能優(yōu)良的有機材料，探究新的制膜工藝，改進器件構造，進展有機EL顯示技術，爭論相關的發(fā)光機理等將是這一爭論工作的主要目標。試驗室的有機發(fā)光材料的爭論成果令人興奮，例如小分子有機發(fā)光二極管的紅、綠、藍三種顏色的發(fā)光亮度已經到達31lm／W，英國SouthBank大學的ELAM-T公司甚至宣稱他們研制的稀土有機發(fā)光材料的效率已經超過70lm／W。目前有機EL的爭論重點是，研制高穩(wěn)定性的RGB三色和白色器件以向有用化前進，并在此根底上，爭論用于動態(tài)顯示的矩陣屏及實現(xiàn)高質量動態(tài)顯示的驅動電路。4.5有機電致發(fā)光顯示器504.5.2有機ELD的構造及工作原理高效有機ELD器件通常有一個根本的兩層構造，如圖4-21(a)所示?？昭▊鬏攲优c電子傳輸層之間能級不匹配，在其界面處產生勢壘?？昭ê碗娮蛹性诮缑嫣?，并在此處復合的幾率最大。假設在空穴傳輸層和電子傳輸層之間的界面處引入起熒光中心作用的物質，可以對發(fā)光中心進展有序的優(yōu)化，如此，可在電子傳輸層和空穴傳輸層之間形成一層很薄的發(fā)光層，見圖4-21(b)。這種構造在調整電致發(fā)光的顏色方面特殊有效。4.5有機電致發(fā)光顯示器51有機ELD器件的典型構造如圖4-21(c)所示，在透亮電極(ITO膜，陽極)上，由有機空穴傳輸層HTL、有機發(fā)光層EMI、有機電子傳輸層ETL及金屬背電極(陰極)等組成。當在器件的兩端加上正向直流電壓時(ITO為正，背電極接負)，即可發(fā)光。通過選擇不同的發(fā)光材料或摻雜的方法，就可以得到不同顏色的光。4.5有機電致發(fā)光顯示器524.5有機電致發(fā)光顯示器53有機薄膜EL器件的發(fā)光過程由以下四個步驟完成：載流子的注入：電子和空穴分別從陰極和陽極注入夾在電極間的有機功能薄膜層；載流子的遷移：載流子分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移；激子的形成和集中：電子和空穴在發(fā)光層中相遇、形成激子，激子復合并將能量傳遞給發(fā)光材料，使其從基態(tài)能級躍遷為激發(fā)態(tài)；發(fā)光：激發(fā)態(tài)能量通過輻射弛豫過程而產生光子，釋放出光能。4.5有機電致發(fā)光顯示器544.5有機電致發(fā)光顯示器GlassorPETsubstrateITOETLHTL+_+_++++++_______+CathodeAnode55有機薄膜EL器件的驅動方式：直流驅動：在正向直流驅動時，空穴和電子的傳輸方向是固定不變的，其中未參與復合的多余空穴(或電子)，或者積存在HTL／EML(或EML／ETL)界面，或者越過勢壘流人電極。溝通驅動：在溝通驅動時，正半周的發(fā)光機制與正向直流驅動完全一樣，但是溝通驅動的負半周卻起著特別重要的作用。即在正半周電壓過后，HTL／EML(或EML／ETL)界面處積存了未復合的多余空穴(或電子)。4.5有機電致發(fā)光顯示器56當負半周電壓來到時，這些多余的空穴和電子轉變運動方向，朝著相反的方向運動，相對地消耗了這些多余的電子和空穴，從而減弱了由正半周的多余載流子在器件內部形成的內建電場。另外，負半周的反向偏壓處理可以“燒斷”某些局部導通的微觀小通道“細絲”，這種細絲實際上是由某種“針孔”引起的。針孔的消退對于延長器件的使用壽命是相當重要的。由此可見，溝通驅動更適合于有機EL器件的發(fā)光機制。4.5有機電致發(fā)光顯示器57表4-4給出有機ELD器件中所用有機材料的分子構造。其中，CuPc層為提高亮度效率和器件穩(wěn)定性的緩沖層，TPD、NPB為空穴注入層，為電子傳輸層或兼發(fā)光層，DCJTB、DPVBi、Perylene和QA(Quinacridone)為使器件產生不同顏色光的摻雜劑。4.5有機電致發(fā)光顯示器58矩陣顯示屏承受以下工藝制成：在ITO導電玻璃上，光刻成X方向的條狀電極，其線寬0.4mm、線間距0.1mm；在ITO電極上，蒸發(fā)上CuPc、TPD，然后用雙源蒸發(fā)Alq及摻雜劑；最終制備Y方向的金屬條狀電極，其線寬與線間距與X方向一樣；器件經封裝后得到。4.5有機電致發(fā)光顯示器59國外已經報道了用亞芳基連苯乙烯的衍生物作為發(fā)光材料的有機電致發(fā)光顯示器。這種器件在藍光區(qū)域的光效可提高到2lm／W左右，其緣由就是在發(fā)光層中摻人了熒光性雜質。該器件的外部量子效率很高，達2.4％。后來改進了摻雜劑后，在恒流驅動下，有機電致發(fā)光顯示器件的光效可高達6lm／W，壽命達10000h，起始亮度達l00cd／。優(yōu)化選擇DSA胺、空穴注入層和陰極材料后，陰極效率大為提高；在脈沖電壓驅動下，改進后的藍色有機電致發(fā)光器件的亮度也明顯提高。例如，在19V的脈沖電壓作用下，每脈沖相對亮度L，的值大約為5×cd／，高于以前報道的值。這歸因于所注入的載流子的優(yōu)良性能。4.5有機電致發(fā)光顯示器604.5.4RGB多色有機ELD有機EL與無機EL相比，比較簡潔解決藍色發(fā)光問題，從而更簡潔實現(xiàn)全彩色顯示。實現(xiàn)全彩色顯示的方式主要有三種：RGB三色各點分別承受三色發(fā)光材料獨立發(fā)光；將藍色顯示作為色變換層，使其一局部轉變成紅色和綠色，從而形成RGB三色；使用白色有機EL為背光，承受類似LCD所用的彩色濾光片，來到達全彩色的效果。4.5有機電致發(fā)光顯示器614.5有機電致發(fā)光顯示器62一般狀況下，RGB多色有機電致發(fā)光顯示含有紅、綠、藍三種次級像素。其制作工藝過程如下：首先，在玻璃基板上印刷有機熒光介質層，形成紅、綠兩種次級像素，為改善藍色次級像素的純度，在藍色像素前加一藍色濾光器。然后在基板上制作愛護層，再在愛護層上制作用作陽極的ITO膜，最終再進展光刻。按上述步驟，在ITO膜上制作藍色電致發(fā)光器件。Mg：Ag陰極由掩模工藝制作。4.5有機電致發(fā)光顯示器63有機ELD的像素是毫米級的。為了使像素小于幾百納米，需要改進工藝以制取更精細的顏色變換層及陰極等。利用最新的微圖案成形工藝，可以制造出尺寸微細的顏色變換層，其大小僅為80m×250m。對于綠色像素，可利用感光性高分子聚合物(含綠光放射材料)和光刻工藝制成圖案。對于紅色顏色變換點陣，可通過感光樹脂掩模，對含有紅色發(fā)光染料的透亮樹脂層進展光刻。利用上述方法制作的顏色變換層條帶的相互間距為300nm，次級像素的尺寸為300m×800m。4.5有機電致發(fā)光顯示器64條狀電極隔離層的寬度為30m，陰極節(jié)距為330m。試驗證明，條狀電極隔離層對陰極確實起電氣絕緣的作用。這一工藝與高聚物發(fā)光二極管陰極的浮脫工藝相像。圖4-23為制作陰極的工藝流程。首先在玻璃基板上的ITO膜上用旋涂法涂布光刻膠(圖(a))，然后通過光刻工藝形成與ITO膜垂直的條狀電極隔離層(圖(b))，最終在基板上制作有機層和陰極(圖(c))。4.5有機電致發(fā)光顯示器654.5.5有機ELD器件的新進展先鋒公司的爭論人員在8-羥基喹啉鋁溶液中摻入喹吖啶，得到了最大光效高達12lm／W的綠色電致發(fā)光。以此制成的電致發(fā)光顯示器件初始亮度為300cd／，半衰期壽命達10000h。在此根底上，先鋒公司成功地制造了顯示面積為9.5cm×2.1cm、無源尋址256×65的點陣顯示屏，該屏的功耗，不包括驅動電路的功耗，為0.5W。亮度為100cd／m2。為提高比照度，使用了濾光器，顯示屏的光效為1.3lm／W。目前先鋒公司已有256×65單色產品在市場銷售，并展現(xiàn)了320×240彩色樣機。IdemitsuKosan公司用DPVBi作為發(fā)藍光的有機電致發(fā)光材料，其光效高達2lm／W，利用變色介質產生紅、黃、藍三基色，并制成25.4cm640×480彩色的樣機。4.5有機電致發(fā)光顯示器661990年以來，人們始終爭論一種新的共軛聚合物PPV有機電致發(fā)光材料。這種電致發(fā)光材料原理簡潔，沉積本錢低，有用性強。即使承受簡潔的涂敷工藝也能生產出性能良好的器件。簡潔的真空熱處理或紫外處理都能生產共軛聚合物。通過對PPV材料的化學組成進展調整，就可以調整發(fā)光顏色。最近的爭論說明，PPV電致發(fā)光的量子效率為3％。但有關PPV電致發(fā)光穩(wěn)定性數(shù)據(jù)卻很少。在多層構造的根底上，有機ELD器件已取得長足進展。雖然有機ELD器件要實現(xiàn)全色顯示還須抑制很多困難，但作為一種新型的全固態(tài)主動發(fā)光型顯示器，除具備節(jié)所述的優(yōu)點之外，還具有驅動電壓低、發(fā)光效率高、亮度高、壽命長、制作工藝簡潔等優(yōu)點，因此，有機ELD器件具有寬闊的應用前景。4.5有機電致發(fā)光顯示器674.6ELD的各種驅動方式下面主要針對已達制品化的二層絕緣膜構造的薄膜溝通EL元件的驅動方法加以介紹。作為線順次驅動法，有幀更新(fieldrefresh)驅動法、對稱驅動法。今后，隨著ELD的大容量化、高精細化，人們將寄希望于有源矩陣驅動法。4.6.1幀更新驅動法幀更新驅動法如圖4-24所示，是將一個畫面(1個半幀或1幀)的線順次寫入進展驅動，在每次驅動終了時，輸入幀更新脈沖，該脈沖的極性與整個顯示板中寫入脈沖的極性相反。這種驅動方式有效地利用了前面談到的極化效應。即因寫入脈沖而選擇發(fā)光的像素，在發(fā)光層內產生極化，并且此極化始終保持。而非選擇發(fā)光的像素不會產生這種極化作用。當施加與整個顯示板中的脈沖電壓一樣的幀更新脈沖時，由于極化電場的疊加，僅被選擇像素發(fā)光。4.6ELD的各種驅動方式68優(yōu)點：這種方法的優(yōu)點是，每一幀中可以兩次發(fā)光，而且，盡管是溝通型元件，用單極性的線順次寫入即能驅動，反極性的幀更新脈沖在EL元件中一次施加即可，因此驅動電路比較簡潔。缺點：缺點是，相對于更新脈沖，寫入脈沖的位相與每個掃描電極不同，而且，驅動為正、負振幅非對稱的溝通方式。正由于如此，隨使用時間增長，輝度變化很大，在畫面消退時，殘像時間變長，圖像顯示質量變差，因此，有必要施加對稱溝通驅動波形，并提出下述對稱驅動方案。4.6ELD的各種驅動方式694.6.2對稱驅動法對稱驅動法如圖4-25所示，使每幀中寫入的脈沖反轉，無論對哪個像素，正，負寫入脈沖波形的位相關系一樣，振幅相等。這是抱負的驅動方式。一個溝通循環(huán)由兩個半幀構成，每個半幀發(fā)光一次。由于是對稱驅動，能夠比幀更新法施加更高的電壓，因此可以在輝度飽和區(qū)域中使用。并且可得到顯示板的輝度分布全都的顯示結果，隨使用時間的加長其變化也很小。而且正、負極性寫入時可以進展變頻驅動，以獲得良好的比照度。但在這種驅動方法中，作為掃描側的驅動IC，需要耐高壓(約250V)的兩極性(N-MOSFET及P-MOSFET)等。4.6ELD的各種驅動方式704.6.3灰度調整顯示驅動法考慮到ELD要應用于微機等領域，就要求其必需能進展灰度調整。實現(xiàn)灰度調整顯示有兩種方法：通過調整周波數(shù)，來調整顯示一個像素的時間間隔變化來到達調整灰度的目的。但由于這種方法是利用單位時間內發(fā)光次數(shù)變化來調整，發(fā)光次數(shù)削減太多會發(fā)生閃動現(xiàn)象，因此灰度調整的階數(shù)受到限制。依據(jù)EL元件的輝度-電壓特性，調整脈沖寬度或脈沖幅度來到達調節(jié)灰度的目的。其中，在不降低顯示質量的同時，能進展多灰度調整的方式當數(shù)脈沖幅度調整法，但是這需要特地的IC。最近人們又提出承受鋸齒波的脈沖寬度調整法，并使16階灰度的640×400，640×480像素的ELD到達有用化。4.6ELD的各種驅動方式714.6.4有源矩陣驅動法這種驅動方式不受掃描電極數(shù)的限制，可以對各像素進展選擇性調整。承受這種方法，可以對低輝度的紅色和藍色像素獨立進展高周波驅動。有源矩陣驅動方式使全色EL器件的有用化邁出了關鍵的一步。像LCD一樣，ELD也可以承受有源矩陣式驅動，如在每個像素位置設置非晶硅薄膜三極管(thinfilmtransistor，TFT)等驅動元件進展驅動。如圖4-27所示，每個像素位置設置兩個TFT(T1用于選址，T2用于EL驅動)和電容(Cs用于數(shù)據(jù)存儲，Cdv用于EL驅動)。由于ELD具有存儲效應，可進展100％負載驅動。4.6ELD的各種驅動方式724.7ELD的用途及應用展望4.7.1數(shù)字及符號顯示據(jù)Lohja(荷)公司報道，ZnS：Mn薄膜型溝通ELD產品已正式用于空港航班顯示板。圖4-28即為赫爾辛基空港內設置的ELD航班顯示板。每個數(shù)字或符號由8×11點構成，尺寸為40mm×35mm，亮度為115cd／，在50001x照度的四周光之下，其比照度為10：1。整個顯示板的尺寸為3m×2.2m，厚度為20cm。每一行由45個符號組成，共16行。4.7ELD的用途及應用展望734.7.2圖形顯示由ZnS：Mn制作的雙層絕緣膜構造的橙黃色發(fā)光薄膜溝通ELD顯示器，應用范圍不斷擴大，正從原來的FA領域向OA相關聯(lián)的領域擴展，并逐步推廣到筆記本電腦、微處理器等領域。目前市售的大型薄膜EL顯示器的特性如表4-5所示(圖4-30為工作站用18英寸大型EL監(jiān)視器)，從表4-5可以看出，EL顯示器的視角都在120°以上，特別寬；工作溫度在0～50℃，也相當寬。4.7ELD的用途及應用展望744.7ELD的用途及應用展望754.7.3彩色顯示如4.3節(jié)所述，以ZnS，CaS，SrS等作為發(fā)光層母體，可獲得不同顏色的發(fā)光。據(jù)此，人們承受下述四種方式，爭論開發(fā)多色薄膜EL顯示器。EL積層型，將多色發(fā)光層簡潔地積層；EL平面布置型，利用光刻工藝將三原色發(fā)光層在平面上布置；白色EL與彩色濾光器積層型，使發(fā)光波長廣布于可見光范圍內的白色發(fā)光層與彩色濾光器相積層；二層基板型，是上述積層型與平面布置型相組合的方法。從將來彩色化的角度看，哪種方式最好，尚難以斷言。但目前看來，EL平面布置型在制作、構造、驅動電路構成等方面最簡潔實現(xiàn)，只是需要開發(fā)高輝度藍色發(fā)光的熒光體。從最近的動向看，對白色發(fā)光EL與彩色濾光器積層型的研制更多些。下面，在給出原型實例的同時，簡潔地介紹各種方式的現(xiàn)狀。4.7ELD的用途及應用展望76EL積層型EL積層型，可通過不同發(fā)光色的EL元件的積層，實現(xiàn)多色發(fā)光。與平面布置型相比較，EL積層型的特點是，不影響顯示的精細度，不需要對EL發(fā)光層進展特殊加工；缺點是，由于多層EL積層，薄膜形成難度大，驅動電路簡單等。PlanerSystem公司在單片上積層綠色、紅色EL層，已試制出由320×240點構成的三色顯示EL顯示器。EL平面布置型與積層型相比，EL平面布置型的優(yōu)點是制作工藝簡潔，向外電路引出端子的方法及驅動電路的構成根本上與單色EL顯示器一樣，不必實行特殊措施；缺點是顯示精度低，需要對發(fā)光層進展加工。4.7ELD的用途及應用展望77白色EL與彩色濾光器積層型

圖4-32是由這種方式制作的全色ELD的實例。在2塊重疊布置的玻璃基板內側，分別設置發(fā)光層。在里側基板上形成藍綠色的SrS：Ce發(fā)光層，利用彩色濾光器將藍色和綠色分開。外側玻璃基板上形成紅色發(fā)光的CaS：Eu層。利用上述構造可獲得與CRT接近的發(fā)光色。但是，考慮到透射彩色濾光器的衰減效應，需要10倍以上的發(fā)光芒度。是將具有與三原色譜線相當?shù)陌咨l(fā)光EL與彩色濾光器相組合，以進展多色顯示，目前多承受SrS，CaS發(fā)光層作為白色EL。這種方式的優(yōu)點是制作工藝簡潔，但為了削減視差，需要EL發(fā)光層與濾光器一體化，而且與彩色液晶顯示元件存在差異等。4.7ELD的用途及應用展望78二層基板型據(jù)PlanerSystem公司報道，他們承受高輝度藍色發(fā)光CaGa2S4c：Ce，已研制成二層基板型全色EL平板顯示器。其斷面構造如圖4-33所示。上層基板由平面布置的紅色(ZnS；Mn／濾光器)和綠色(ZnS：Tb)發(fā)光層構成。為使由下部基板的發(fā)光能夠透射，上下電極都由ITO膜制作，下部ITO電極上設有金屬幫助電極。另一方面，下層基板承受CaGa2S4：Ce發(fā)光層構成單色藍色發(fā)光EL元件。4.7ELD的用途及應用展望794.7.4LCD背照光源上述全色EL顯示屏的色再現(xiàn)性已到達與彩色CRT相接近的水平。這種顯示屏具有640×480個像素，區(qū)分率為VGA級，顯示色為16色，今后的進展方向是實現(xiàn)全色顯示。LCD背照光源作為LCD的背照光源，分散型溝通EL的需求量正漸漸增加。從綠色發(fā)光的EL到最近白色發(fā)光的EL都有產品面市，并正向大型化方向進展。隨著元件特性的提高，驅動電路的改進，電源周波數(shù)的增加，正逐步抑制其輝度較低的缺點。與熒光燈相比，EL背照光源功耗小、溫升低，但用于全色LCD還需進一步提高輝度。4.7ELD的用途及應用展望804.8ELD的課題與進展前景與其他顯示器相比，電致發(fā)光顯示器(ELD)的爭論開發(fā)起步很早，但未能捷足先登占據(jù)市場，至今僅有局部產品到達商品化，有些姍姍來遲。主要緣由是其彩色化進展緩慢，還有價格問題等。關于彩色化，如和節(jié)所述，綠色和紅色發(fā)光已到達有用化水平，藍色發(fā)光達有用化尚需一段時間。關于價格，由于高耐壓驅動IC占總價的1／3，因此降低高耐壓驅動IC的價格是當務之急。固然，這方面已取得了相當大的進展。高性能化的課題主要是提高效率、降低驅動電壓、擴大顯示