OLED顯示技術(shù)近期進(jìn)展及趕超機(jī)遇
作者: 北京維信諾科技有限公司 萬(wàn)博泉 謝靜
摘要: 新型有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)擁有諸多優(yōu)勢(shì),而成為平板顯示領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前,大尺寸、彩色化、白光光源和柔性顯示等已成為有機(jī)發(fā)光顯示器技術(shù)發(fā)展的主流方向。
關(guān)鍵詞: OLED;有機(jī)材料;平板顯示器;柔性顯示
引言
伴隨著有機(jī)發(fā)光材料和器件技術(shù)的不斷成熟,有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示器逐步進(jìn)入各個(gè)顯示領(lǐng)域。1997年,Pioneer公司首次推出了單色OLED車載音響,使得有機(jī)顯示屏首次進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域。時(shí)至今日,韓國(guó)Samsung和LG、日本Pioneer和SONY、臺(tái)灣錸寶和悠景等十多家公司建設(shè)了OLED量產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)和銷售。今年在美國(guó)舉辦的2007SID(信息顯示協(xié)會(huì))展會(huì)上,許多公司紛紛展出了各種應(yīng)用領(lǐng)域的OLED顯示屏,涉及電視、MP3、手機(jī)、車載、白光光源、可彎曲標(biāo)價(jià)牌等,展品的顏色豐富細(xì)膩,亮度、對(duì)比度、解析度等都達(dá)到了歷史新高,表明OLED在大尺寸、全彩色化、照明、柔性顯示等技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面的長(zhǎng)足進(jìn)步。
近期OLED顯示技術(shù)的進(jìn)展
OLED是雙載流子注入型顯示器。對(duì)OLED的研究工作始于1960年代,1963年P(guān)ope報(bào)道了蒽單晶片在400V電壓的作用下的發(fā)光現(xiàn)象。直到1987年C. W. Tang[2]等人首次采用雙層器件結(jié)構(gòu)得到了高性能的OLED后,OLED技術(shù)才引起各國(guó)專家的極大關(guān)注。特別是最近10年里,OLED技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展,從2英寸的產(chǎn)品到40英寸的樣品均在陸續(xù)推出。
與液晶顯示器(LCD)相比,OLED具有全固態(tài)、自發(fā)光、寬視角、高清晰、高亮度、高對(duì)比度、高響應(yīng)速度、超薄、低成本、低功耗、耐低溫、抗震、可實(shí)現(xiàn)柔性顯示和雙面顯示等特點(diǎn),被認(rèn)為是理想和有潛力的下一代平板顯示技術(shù)。
OLED按照所采用有機(jī)發(fā)光材料的不同,可分為:小分子OLED(基于小分子有機(jī)發(fā)光材料)和高分子OLED(基于共軛高分子有機(jī)發(fā)光材料,簡(jiǎn)稱PLED)。美國(guó)柯達(dá)與英國(guó)劍橋顯示技術(shù)公司分別為小分子OLED和PLED的先行者,擁有80%以上的專利。
OLED按照驅(qū)動(dòng)方式的不同,還分為有源矩陣驅(qū)動(dòng)(AMOLED)和無(wú)源矩陣驅(qū)動(dòng)(PMOLED)。PMOLED技術(shù)比較成熟,已在小尺寸OLED產(chǎn)品中大量采用,但是該技術(shù)受到掃描行數(shù)的限制,不可能用于大尺寸顯示。目前,大尺寸AMOLED驅(qū)動(dòng)技術(shù)還不成熟,成品率低,仍處于研發(fā)階段。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,OLED未來(lái)的發(fā)展必將沿著小尺寸-超大尺寸、單色-彩色、無(wú)源-有源、硬屏-軟屏的方向發(fā)展,最理想的OLED顯示器應(yīng)該是OTFT AMOLED?,F(xiàn)階段OLED技術(shù)研究的熱點(diǎn)主要有:
有機(jī)發(fā)光材料
有機(jī)化合物的豐富多彩為材料的設(shè)計(jì)和選擇提供了廣闊的天地。可以說(shuō),有機(jī)材料的不斷進(jìn)步是推動(dòng)OLED技術(shù)進(jìn)步的重要原因之一。
OLED發(fā)光材料按照發(fā)光激子的種類可分為熒光材料和磷光材料兩種。目前,熒光材料方面,性能最高的是日本出光興產(chǎn)的材料。紅光效率達(dá)到了11cd/A,壽命高達(dá)16萬(wàn)小時(shí);綠光效率達(dá)到30cd/A,壽命為6萬(wàn)小時(shí);正在開(kāi)發(fā)中的高效率、長(zhǎng)壽命藍(lán)光材料BD-2 (0.13, 0.22),效率為8.7 cd/A,壽命2.3萬(wàn)小時(shí)。磷光材料方面,UDC公司開(kāi)發(fā)的紅光材料色坐標(biāo)為(0.67,0.33),效率達(dá)到15cd/A,500 cd/m2下工作壽命超過(guò)15萬(wàn)小時(shí);綠光材料色坐標(biāo)為(0.34,0.61),效率達(dá)到65cd/A,初始亮度為1000 cd/m2時(shí),壽命超過(guò)4萬(wàn)小時(shí);最難得到的藍(lán)色磷光材料效率達(dá)到了30cd/A,在200 cd/m2的初始亮度下,壽命達(dá)到了10萬(wàn)小時(shí)。
總體上講,OLED紅、綠、藍(lán)三色材料的發(fā)光效率和發(fā)光壽命均基本滿足實(shí)用化需求。紅色磷光材料在色純度上優(yōu)于紅色熒光材料,但綠光和藍(lán)光在色純度上還有待進(jìn)一步提高。獲得高色純度、長(zhǎng)壽命的藍(lán)色磷光材料,仍然是富有挑戰(zhàn)性的難題。而且對(duì)發(fā)光材料的研究而言,新三色發(fā)光材料的開(kāi)發(fā)和器件色純度、發(fā)光效率、壽命的進(jìn)一步提高依然是今后一段時(shí)間內(nèi)的重要工作。
彩色化技術(shù)
目前提高彩色化產(chǎn)品的成品率和壽命是彩色化研究的重點(diǎn)。OLED彩色化實(shí)現(xiàn)的方法主要有三基色發(fā)光法、彩色濾光片法和色轉(zhuǎn)換法。三基色發(fā)光法直接用三基色材料蒸鍍形成RGB三像素,發(fā)光亮度最高,技術(shù)比較成熟,是目前彩色化常用的工藝方法,但蒸鍍對(duì)位困難,需要三次蒸鍍發(fā)光材料,導(dǎo)致效率降低,且三基色材料的壽命不一致,會(huì)影響顯示屏的整體壽命。彩色濾光片法是將白光透過(guò)類似LCD的彩色濾光片來(lái)達(dá)到全彩效果,這種全彩方法的最大優(yōu)點(diǎn)是可應(yīng)用LCD的彩色濾光片技術(shù),且蒸鍍簡(jiǎn)單效率高,采用該技術(shù)關(guān)鍵在于白光有機(jī)材料的色域穩(wěn)定性、發(fā)光效率、壽命以及彩色濾光膜的制造成本。色轉(zhuǎn)換法是以藍(lán)光材料為發(fā)光源,通過(guò)色轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)變成紅光和綠光,目前色轉(zhuǎn)換層的制備技術(shù)還沒(méi)有完全解決。OLED三種彩色化方式的比較如表1所示。
表1 OLED三種彩色化方式的比較
大尺寸技術(shù)的研究
大尺寸顯示最能發(fā)揮OLED高亮度、高對(duì)比度、寬視角、高響應(yīng)速度等技術(shù)性能方面的優(yōu)勢(shì),開(kāi)發(fā)大尺寸技術(shù)已成為OLED今后發(fā)展的方向。自2003年以來(lái),SONY、Samsung、Sanyo、Epson、Philips、奇美、LPL等公司相繼開(kāi)發(fā)了13~ 40英寸的OLED樣品,Samsung開(kāi)發(fā)的17英寸LTPS-AMOLED顯示屏達(dá)到UXGA(1600×1200)分辨率、亮度400 cd/m2。三星投資4.5億美元建設(shè)了一條4代AMOLED生產(chǎn)線,預(yù)計(jì)年內(nèi)量產(chǎn)、銷售中小尺寸AMOLED產(chǎn)品。
最近大尺寸AMOLED技術(shù)又有了新的突破,最引人注目的是SONY公司在2007 CES(國(guó)際消費(fèi)電子展)上展出的兩款OLED高清電視產(chǎn)品,其中一款的尺寸為27英寸、分辨率1920×1080、10億色、厚度僅10 mm。另一款尺寸為11英寸、分辨率1024×600、1670萬(wàn)色、厚度僅為3 mm。兩款電視的對(duì)比度都達(dá)到了100萬(wàn):1,亮度最高達(dá)到了600cd/m2,色域都超出了NTSC規(guī)范。SONY表示今年年內(nèi)將量產(chǎn)和銷售11英寸產(chǎn)品。這兩款OLED采用的彩色化技術(shù)是RGB三基色發(fā)光方案,使用小分子發(fā)光材料。為實(shí)現(xiàn)1920×1080分辨率,SONY采用了LIPS激光轉(zhuǎn)印法來(lái)制備紅、綠、藍(lán)發(fā)光材料薄膜。由于不再使用蔭罩,LIPS能夠防止此前一直妨礙大型面板制造的蔭罩變形所導(dǎo)致的圖案精度降低。SONY表示,激光工藝是一種趨于成熟的、可靠性高的方法。另外,通過(guò)采用并排多束激光槍結(jié)構(gòu),還可加快薄膜制備的速度,提高生產(chǎn)效率。此次SONY新工藝的意義在于從制造方法方面為大尺寸定下了目標(biāo)。另外,還著眼于生產(chǎn)效率的提高,確定了開(kāi)發(fā)的重心。[!--empirenews.page--]
大尺寸OLED的研究涉及基板技術(shù)、薄膜制備工藝和封裝技術(shù)等各方面,而最為關(guān)鍵的技術(shù)則是有源矩陣(AMOLED)技術(shù)。無(wú)源矩陣OLED(PMOLED)和有源矩陣OLED (AMOLED)所用的OLED結(jié)構(gòu)相同,但每個(gè)單元的尋址方式不同。PMOLED的像素只在控制器尋址到其所在的行時(shí)才被點(diǎn)亮,所以電流占空比反比于行數(shù),峰值電流正比于行數(shù),被觀察到的亮度正比于每幀間隔內(nèi)電流的時(shí)間積分。由于占空比隨著行數(shù)的增加而減少,PMOLED存在發(fā)光區(qū)域面積的限制,不適于制備大尺寸的顯示器件。AMOLED顯示器利用每個(gè)像素的薄膜晶體管(TFT)在幀間隔持續(xù)時(shí)間內(nèi)獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在一幀之內(nèi),峰值電流和平均電流一致,不會(huì)受到顯示器行數(shù)的限制,可以制備大面積的顯示器,并且能耗更低。
AMOLED的發(fā)展主要取決于TFT在OLED中的應(yīng)用。AMOLED驅(qū)動(dòng)技術(shù)有三個(gè)研發(fā)方向:一是改進(jìn)傳統(tǒng)的非晶硅技術(shù)(a-Si TFT),二是開(kāi)發(fā)載流子遷移率高的低溫多晶硅技術(shù)(LTPS TFT),三是開(kāi)發(fā)有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)。
LTPS TFT擁有較高的載流子遷移率,這對(duì)電流驅(qū)動(dòng)型的OLED器件來(lái)說(shuō)是非常有利的,然而制備技術(shù)還不成熟,成品率還很低。傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光晶化法非常昂貴,而且目前最大的LTPS基板只能做到第4代,器件性能上亮度還不均勻。日前,柯達(dá)開(kāi)發(fā)了一種GMC的補(bǔ)償技術(shù),將其應(yīng)用到LTPS TFT驅(qū)動(dòng)的3英寸OLED面板上,宣稱這一技術(shù)使得AMOLED多年以來(lái)的難題—TFT開(kāi)態(tài)電流誤差引起的亮度不均得到了徹底解決。
a-Si TFT可以延續(xù)液晶的技術(shù),工藝簡(jiǎn)單、成熟、成本低廉,且可以利用現(xiàn)有的液晶生產(chǎn)設(shè)備,基板尺寸可以做到5代線以上,但用于驅(qū)動(dòng)OLED則存在遷移率低、器件性能穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。從發(fā)展趨勢(shì)看,a-Si可能適合大尺寸顯示,LTPS則可能適合中小尺寸顯示。
另外OTFT技術(shù)采用有機(jī)材料代替硅,適合于軟屏制備,相對(duì)于硅薄膜晶體管,OTFT的工藝要簡(jiǎn)單得多。但是OTFT技術(shù)還處于基礎(chǔ)研究階段。
OLED照明技術(shù)
與其它照明光源相比,以平面發(fā)光為特點(diǎn)的OLED具有更容易實(shí)現(xiàn)白光、超薄光源和任意形狀光源的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具有高效、環(huán)保、安全等優(yōu)勢(shì)。因此,白光OLED作為一種新型的固態(tài)光源,在照明和平板顯示背光源等方面展示了良好的應(yīng)用前景。市場(chǎng)調(diào)研公司NanoMarkets預(yù)測(cè),使用OLED的照明市場(chǎng)的產(chǎn)值規(guī)模在2014年將擴(kuò)大至10億美元。目前,高效率、長(zhǎng)壽命的白光器件的研究是OLED在照明領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。磷光材料由于具有高效特征,因此在白光照明領(lǐng)域被廣泛看好。
2006年7月,Konica Minolta技術(shù)中心成功開(kāi)發(fā)了在1000 cd/m2初始亮度下,發(fā)光效率64 lm/W,亮度半衰期約1萬(wàn)小時(shí)的白光OLED器件。該器件采用的發(fā)光材料均是磷光材料,且一直為磷光材料瓶頸的藍(lán)光材料實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命和高發(fā)光效率,在300 cd/m2初始亮度下,實(shí)現(xiàn)了1.6萬(wàn)小時(shí)的亮度半衰期。2007 SID展會(huì)上,日本出光興業(yè)報(bào)道的白光器件效率達(dá)到約16.8 lm/W,壽命超過(guò)了4萬(wàn)小時(shí)。
該白光器件采用的發(fā)光材料為熒光材料,是目前效率最高的熒光白光OLED。
白光OLED的發(fā)展目標(biāo),是成為真正的低成本、高效率、長(zhǎng)壽命的平板白光光源。在過(guò)去十多年的研究工作中,白光OLED在效率和壽命方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但距實(shí)用化和商品化還有一定的距離。白光OLED面臨的挑戰(zhàn)是提高器件在高電流工作狀態(tài)下的效率和壽命。新材料和新結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)和使用有望解決這兩方面的困難。近年來(lái),歐美各國(guó)在OLED照明領(lǐng)域投入相對(duì)大的資金。GE、UDC、Osram公司獲得了美國(guó)政府的項(xiàng)目支持,開(kāi)發(fā)OLED照明技術(shù)。美國(guó)能源部在OLED照明光源技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中指出:2007年,用于照明的白光OLED效率將達(dá)到50 lm/W、壽命超過(guò)5000小時(shí);2012年,其效率將達(dá)到150 lm/W、壽命超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)、制作成本也會(huì)大幅下降。
柔性顯示
柔性OLED顯示是顯示技術(shù)領(lǐng)域的最熱門(mén)的研究課題之一。OLED相比其它柔性顯示器具有更多優(yōu)點(diǎn):它是自發(fā)光顯示、響應(yīng)速度快、視角寬,由有機(jī)材料制備,彎曲能力強(qiáng)等。因此對(duì)顯示效果要求高的便攜產(chǎn)品和軍事等特殊領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。
柔性顯示需要解決的主要問(wèn)題是電極層以及有機(jī)層的附著性能、基板的氣密性、封裝和驅(qū)動(dòng)技術(shù)。目前,已有CDT、UDC、Samsung、Pioneer、SONY和我國(guó)清華大學(xué)等試制了高分子和小分子OLED軟屏樣品,有源驅(qū)動(dòng)技術(shù)和薄膜封裝技術(shù)的應(yīng)用也極大地豐富了柔性顯示的色彩和延長(zhǎng)了OLED的壽命。在2007 SID展會(huì)上,SONY公司首次推出了TFT驅(qū)動(dòng)的2.5英寸柔性O(shè)LED樣品,實(shí)現(xiàn)了約1670萬(wàn)色的全彩顯示,像素尺寸為318 μm見(jiàn)方,精細(xì)度為80 ppi,實(shí)現(xiàn)了最高的精細(xì)度。
由于OLED對(duì)于水、氧非常敏感,如何避免這兩種氣氛對(duì)器件的影響是柔性O(shè)LED發(fā)展的首要因素。研究表明,OLED要求水汽的滲透能力在10-5g/m2/day以下,但傳統(tǒng)的金屬或玻璃封裝不適合柔性器件的封裝,如何避免水、氧對(duì)器件的影響是柔性O(shè)LED發(fā)展的主要課題。Vitex公司利用聚合物無(wú)機(jī)材料交替復(fù)合薄膜(PML)阻隔水氧,其開(kāi)發(fā)的軟屏基板產(chǎn)品具有與玻璃相媲美的阻隔效果(見(jiàn)表2)。日本先鋒公司計(jì)算,利用這種技術(shù)封裝的器件,在1000 cd/m2的起始亮度下,最長(zhǎng)壽命可超過(guò)5000小時(shí)。不過(guò)現(xiàn)階段由于OLED軟屏的封裝技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟,因此柔性O(shè)LED顯示技術(shù)還處于基礎(chǔ)研究階段。
我國(guó)內(nèi)地的研發(fā)單位和企業(yè)敏銳地捕捉到了這次機(jī)會(huì),投入了大量的人力、物力和財(cái)力,取得了很好的研究成果。目前我國(guó)大陸在OLED研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面所取得的成就主要有:
清華大學(xué)開(kāi)發(fā)出非摻雜體系的紅色熒光主體材料,色坐標(biāo)為(0.65, 0.35),初始亮度1000 cd/m2下壽命超過(guò)1.5萬(wàn)小時(shí);吉林大學(xué)率先開(kāi)展了三線態(tài)磷光材料的性能研究;中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所設(shè)計(jì)合成的綠光、紅光和藍(lán)光銥配合物的磷光材料,發(fā)光效率分別達(dá)到了57.9 cd/A(57.4 lm/W)、50.0 cd/A(45.2 lm/W)和16.2 cd/A(14.0 lm/W),達(dá)到先進(jìn)水平;華南理工大學(xué)率先采用噴墨和旋涂新工藝研制出全彩色高分子發(fā)光示屏,像素96×(3)×64;長(zhǎng)春光機(jī)物理所與維信諾公司合作開(kāi)發(fā)了a-Si OLED的320×240點(diǎn)陣彩屏;南開(kāi)大學(xué)采用金屬誘導(dǎo)技術(shù)、吉林彩晶采用激光退火技術(shù)研發(fā)了2英寸p-Si 160×128點(diǎn)陣彩屏;南開(kāi)大學(xué)與香港科技大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了金屬誘導(dǎo)的5英寸p-Si 320×234點(diǎn)陣彩屏;北京京東方公司進(jìn)行了2英寸a-Si 176×220點(diǎn)陣AMOLED的開(kāi)發(fā)。[!--empirenews.page--]
產(chǎn)業(yè)方面,目前維信諾公司正在昆山建設(shè)國(guó)內(nèi)第一條PMOLED生產(chǎn)線,基板尺寸為370mm×470mm;信利半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出可在短時(shí)間內(nèi)測(cè)試OLED壽命、判斷生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性的OLED 壽命測(cè)試方法;上海廣電電子公司目前基本完成了OLED關(guān)鍵技術(shù)的研究和生產(chǎn)技術(shù)的集成,實(shí)現(xiàn)了OLED屏及模塊的小量生產(chǎn)和銷售,開(kāi)發(fā)了3.5英寸的全彩LTPS TFT-OLED,亮度達(dá)到250 cd/m2;吉林環(huán)宇公司與荷蘭OTB公司簽定了兩條PLED生產(chǎn)線設(shè)備的購(gòu)買合同,計(jì)劃生產(chǎn)1.1英寸(PM)和2.6英寸(AM)兩款全彩色PLED顯示屏,生產(chǎn)能力600萬(wàn)片/年。
結(jié)語(yǔ)
OLED技術(shù)正處于一個(gè)發(fā)展與調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期,目前面臨的狀況類似于90年代上半期的TFT-LCD。TFT-LCD技術(shù)70年代末開(kāi)始研制,但是由于TFT基板制造及彩色化生產(chǎn)技術(shù)沒(méi)能完全突破,產(chǎn)品遲遲進(jìn)入不了市場(chǎng)。日本參與TFT的企業(yè)處于全面虧損狀態(tài),當(dāng)時(shí)只有夏普等極少數(shù)公司堅(jiān)持將TFT-LCD搞下去,并最終取得了成功,90年代末,日本的TFT-LCD企業(yè)開(kāi)始大幅度獲利,進(jìn)而推動(dòng)了全球TFT-LCD產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)90年代中期才開(kāi)始進(jìn)入TFT-LCD產(chǎn)業(yè),但他們摒棄了日本廠商的保守觀念,在引進(jìn)日本技術(shù)的基礎(chǔ)上抓住機(jī)遇,大膽創(chuàng)新、大膽投入,最終超過(guò)了日本對(duì)手。
OLED目前正處于產(chǎn)業(yè)化技術(shù)完全突破的前期,在LCD的打壓下,市場(chǎng)進(jìn)入速度減緩,大部分企業(yè)處于虧損狀態(tài),許多企業(yè)退出競(jìng)爭(zhēng)。但是以Samsung、SONY為首的一批有遠(yuǎn)見(jiàn)的企業(yè)卻正在抓住機(jī)遇,加大研發(fā)和投入的力度,使OLED市場(chǎng)出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)機(jī)。我們應(yīng)該學(xué)習(xí)韓國(guó)及臺(tái)灣的經(jīng)驗(yàn),我國(guó)OLED技術(shù)與國(guó)外差距不大,并擁有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán),產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)起步,這是我們?cè)谄桨屣@示領(lǐng)域趕超世界先進(jìn)水平的一個(gè)很好的機(jī)會(huì),如果我們能抓住這個(gè)機(jī)遇、快速發(fā)展,就能在不久的將來(lái)成為OLED強(qiáng)國(guó)。
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