有机电致发光显示器的研究进展*

摘要： 有机电致发光显示器具有功耗小、驱动电压低、视角宽、响应速度快等优点，是近年来平板显示技术领域的研究热点。本文在简要介绍有机电致发光器件工作原理的基础上，对有机电致发光材料、有机电致发光显示器(OLED)面板及其驱动技术的相关进展进行了阐述。最后，论文简单分析OLED的应用前景，展望了OLED在未来的产业化进程中所面临的机遇和挑战。

关键词： 有机电致发光器件；发光材料；显示面板；驱动；应用

引言

有机电致发光研究最早可追溯到1936年[1]，但早期的发光器件驱动电压高，发光效率低[2, 3]，没有引起人们的重视。1987年，C.W.Tang等制备成功低压驱动(<10V)的小分子发光器件[4]，使有机发光现象再次引起广泛关注。1990年，J.H. Borroughes等又报道了低压下高分子器件的发光现象[5]，开辟了高分子材料研究的新领域。

有机电致发光器件又称为有机发光二极管(OLED)，由透明阳极ITO、金属阴极和有机薄膜层构成，如图1所示。在直流电压驱动下，阴极注入的电子和阳极注入的空穴向有机发光层运动，最终在发光层中相遇并复合发光。根据有机发光层制备材料的不同，有机发光器件有小分子和高分子两种类型。小分子器件的有机薄膜一般为多层结构，高分子器件多为单层结构。目前，小分子器件在性能上占优，基本实现产业化，但成本较高，制作较大尺寸显示面板有困难；高分子器件发光性能稍差，但稳定性好，成本低，容易制作大面积显示器，且具备柔软显示特性。

与液晶显示器相比，有机电致发光显示器具有高亮度、高对比度、宽视角以及快捷的响应速度等优点，被视为下一代最理想的显示技术，现已开始应用于MP3、手机、PDA、音响显示面板等小尺寸领域，近期的研发目标是实现较大尺寸的有机显示，应用于计算机显示器、大屏幕电视机等方面。

有机电致发光材料

有机电致发光器件的发光颜色和效率基本上取决于有机发光材料，有小分子和高分子两大类。小分子材料荧光量子效率高，提纯容易，在亮度、色纯度及颜色表现等方面优于高分子材料；高分子发光材料则在加工性、机械性能、稳定性及成本上占优，通过分子设计还可实现能带调控，得到全色发光器件。此外，高分子器件质量轻薄且具有柔韧性，更易于制作大尺寸的显示面板。

图1 有机发光器件的结构示意图

由于小分子发光材料容易发生浓度淬灭，所以常常是作为客体材料掺杂进主体材料中，并通过能量转移得到激发而产生发光[6]。红光材料较好的是DCM系列的DCJTB、DCJTI等[7, 8]；绿光材料则是香豆素系列的C－545TB、C－545MT[9, 10]；蓝光材料有DPVBi、AND、MADN等[11]。其中，绿光材料的性能最好，已达实用化的要求；蓝光材料在色彩饱和度和发光稳定性方面有待改善；红光则需改进其较低的发光效率和亮度。

图2 小分子发光材料的分子结构

高分子发光材料主要有聚苯撑乙烯(PPV)和聚噻吩(PAT)两大类。PPV最早被用来做PLED的发光层，对其的研究也最为充分，其重要的衍生物有MEH-PPV，PPE等；PAT则是继聚对苯撑乙烯类之后人们研究较多的一类杂环高分子发光材料，它具有较高的热稳定性。其他的一些重要高分子还有PPP、PF等，两者都是重要的蓝光材料。

图3 高分子发光材料的分子结构

OLED显示面板及驱动技术

OLED面板

1997年，日本Pioneer公司推出多彩汽车音响面板，被认为是有机显示产业化进程的开始。2001年，Pioneer正式批量生产车载电视机所用的5.2 英寸全彩OLED显示器。同年，Sony展示了13 英寸的全彩OLED显示器样机；2004年5月，Epson发布了全球最大的40 英寸OLED显示器样机，引起了业界的震惊。它采用主动矩阵驱动方式，分辨率为1280×768，支持256K色，面板厚度仅为2.1 cm。Epson宣称在2007年前后将让该产品达到实用水平。2005年，Samsung也宣布完成40英寸AM-OLED面板原型的开发，面板厚度为2.2 cm。Sony则发布了厚度仅为3 mm的11 英寸和厚度小于10 mm的27 英寸 OLED电视机，两款电视的对比度都达到了令人震撼的1000000:1，亮度最高也达到了600 cd/m2。在色彩表现上，这两款产品已经完全超出NTSC的色域范围，并且在色彩层次上也相当出色。2005年低，Samsung引进第四代高分子PLED生产线，并试产40 英寸的PLED显示面板。2006年10月，三星发布了目前世界上最薄的OLED显示屏，厚度仅为0.78 mm，可显示26万色彩，面板为2.2英寸。

可以预见，OLED面板尺寸将由小尺寸发展到中等尺寸，再到大尺寸，显示颜色则是单色、多色到全彩色。然而，目前众多厂商选择使用TFT-LCD面板的LTPS-TFT作为OLED基板，成品率不足40％。此外，目前只有第1～3.5代的蒸镀机台供应，大尺寸OLED制造所需的4代以上机台还无供应，严重制约了有机显示技术的发展。

OLED的驱动技术

有机电致发光显示器的驱动分为有源驱动(Acitive Matrix，即AM)和无源驱动(Passive Matrix，即PM)两种方式。在PM驱动中，面板上的ITO和金属电极通过光刻形成相互正交的平行电极，二者交叉处形成一个发光单元，通过扫描信号逐行点亮形成一帧图象。由于每一行的显示时间都非常短，要达到正常的图象亮度，每一行的亮度都要足够高。例如，一个100行的器件，每一行的亮度必须比平均亮度高100倍。这需要很高的电流和电压进行驱动，从而引起功耗增加和显示效率的急剧下降，还使器件的寿命大幅度缩短。目前，PM-OELD在大面积显示中的应用受到限制，产品多为2~5英寸的小尺寸面板。

与PM方式不同，AM采用的是薄膜晶体管(TFT)阵列来单独对每一个像素进行驱动，是实现大面积显示的理想驱动技术。驱动电路主要完成两个功能：一是提供受控电流以驱动OELD，其次，在寻址期之后继续提供电流以保证各象素连续发光。此外，AM-OELD的各个象素是同时发光的，对单个象素发光亮度的要求相对降低，驱动电压也相应下降，有利于降低功耗和延长器件寿命。

驱动IC芯片是有机电致发光显示器驱动技术中的重要组成部分，负责产生驱动信号。目前，单色、多色驱动IC已经比较成熟，彩色驱动特别是大尺寸平板显示器的专用驱动IC技术难度较大，而且大尺寸面板成品率低，仍处于研发阶段。

应用及展望

超轻薄、低能耗、宽视角和快响应速度等特点使OLED在笔记本电脑、手机、数码相机等便携设备的显示屏上具有广泛的应用前景，同时其高质量的显示画质也被业界锁定为下一代的电视技术。在即将到来的3G通信中，手机视频将会日益普及，而OLED的高速响应和低能耗特点非常适合于播放快速手机视频，预计OLED将首先在这个小尺寸面板市场对液晶构成强有力的挑战，有望成为主流的手机显示屏。市场调查机构DisplaySearch预测，手机用OLED显示屏的产量将从2006年的239万个增加到2007年的2484.1万个，2008达9588.5万个，到2010年将会突破2亿个。

OLED巨大的市场应用前景已引起全世界超过85家公司介入这一领域，其中不乏如三星电子、索尼、东芝、三洋及飞利浦这样的显示巨人；我国也有部分小型企业参与OLED的研发，如北京维信诺公司、上海航天上大欧德科技有限公司等。目前，我国的PC及移动通信等消费类电子产品正处于历史上高速发展的时期，它们对显示屏有着巨大的需求。而且，OLED与LCD不同，在技术上尚处于起步阶段，技术及资金门槛相对较低，比较容易进入。因此，OLED显示技术在我国有着巨大的发展潜力和市场空间，我们面临着前所未有的发展机遇，应尽快加大有机显示技术的研发和产业化进程，避免重蹈等离子和液晶显示的老路，受制于人。

值得指出的是，有机电致发光显示在巨大的发展机遇面前，也同时面临着不小的挑战。比如，OLED要取代液晶显示成为市场的主流，仍需突破大尺寸面板及TFT电路的设计与制造技术，延长使用寿命，降低制造成本。大尺寸显示需要保证大面积基板的镀膜均匀性，避免发光亮度和色彩的不均匀。显示面积增大，意味着器件必须有很高的瞬间亮度和高的发光效率，并在高亮度下有良好的稳定性。此外，虽然目前OLED面板一万小时左右的使用寿命对于手机和MP3等便携应用产品而言已基本够用，但对于OLED在桌面显示器、电视等大尺寸面板上的应用，仍有较大差距。最后，目前业界寄予厚望的低温多晶硅TFT制作工艺复杂，技术门槛高，且大尺寸有机显示面板产量较少，成品率低，使得成本居高不下。

总之，有机电致发光显示虽被视为下一代最理想的显示技术，但其未来的发展空间仍有赖于业界加大研发力度，克服有机显示在技术上的致命缺陷，如显示色彩的丰富性、工作稳定性及寿命等问题，这是其取代目前液晶显示市场主流地位的必然要求。

参考文献：
1. G. Destriau, Recherches sur les scintillation de zinc aux rayons[J].J Chim. Phys., 1936, 33:587-594.
2. M. Pope, H. P. Kallmann, P. Magnante, Electroluminescence in organic crystals [J]. J. Chem. Phys., 1963, 38:2042-2043.
3. P. S. Vincett, W. A. Barlow, R. A. Hanm, et al., Electrical conduction and low voltage blue electroluminescence in vacuum deposited organic films [J]. Thin Solid Films, 1982, 94:171-174.
4. C. W. Tang, S. A. VanSlyke. Organic electroluminescent diodes [J]. Appl. Phys. Lett., 1987, 51(12):913-915.
5. J. H. Borroughes, D.D.C. Brandley, A. R. Brown, et al., Light-emitting by conjugated polymer [J]. Nature ,1990 ,(347) :539-541.
6. M. BALDO, M. SEGAL, Phosphorescence as a probe of exciton formation and energy transfer in organic light emitting diodes[J]. Phys. Stat. Sol. (a), 2004, 201( 6):1205_1214.
7. C.H. Chen, C.W. Tang, J. Shi, et al., Recent developments in the synthesis of red dopants for Alq3 hosted electroluminescence[J]. Thin Solid Films, 2000, 363(1-2): 327-331.
8. J. S. Chen, D. Ma, Improved color purity ADN efficiency by a coguest emitter system in doped red light-emitting devices[J]. Journal of Luminescence, 2007, 122-123: 636-638.
9. C. H. Chen, C. W. Tang, J. Shi, et al., Green organic electroluminescent devices[P]. U.S. Patent No. 6020078, 2000.
10. C.H. Chen, C. H. Chien, T. H. Liu, in: Proceedings of the International Conference on Mater. Adv. Tech., (ICMAT2001), Singapore, 2001, p221.
11. S. W. Wen, M. T. Lee, C. H. Chen, Recent Development of Blue Fluorescent OLED Materials and Devices[J].Journal of display technology, 2005, 1(1): 90-99.