《光電子顯示技術(shù)》PPT課件.ppt

6.5 電致發(fā)光及場(chǎng)致發(fā)光器件（OLED）,6.5 電致發(fā)光及場(chǎng)致發(fā)光器件（OLED）,1920年德國(guó)學(xué)者古登和波爾發(fā)現(xiàn)，某些物質(zhì)加上電壓后會(huì)發(fā)光，人們把這種現(xiàn)像稱(chēng)為電致發(fā)光或場(chǎng)至發(fā)光（EL）。 1936年，德斯垂將ZnS熒光粉浸入蓖麻油中，并加上電場(chǎng)，熒光粉便能發(fā)出明亮的光。 1947年美國(guó)學(xué)者麥克馬斯發(fā)明了導(dǎo)電玻璃，多人利用這種玻璃做電極制成了平面光源，但由于當(dāng)時(shí)發(fā)光效率很低，還不適合作照明光源，只能勉強(qiáng)作顯示器件。 70年代后，由于薄膜技術(shù)帶來(lái)的革命，薄膜晶體管（TFT）技術(shù)的發(fā)展場(chǎng)致發(fā)光（EL）在壽命、效率、亮度、存儲(chǔ)上的技術(shù)有了相當(dāng)?shù)奶岣?。使得?chǎng)致發(fā)光（EL）成為三在顯示技術(shù)中最有前途的發(fā)展方向之一。,場(chǎng)致發(fā)光（EL）按激光發(fā)過(guò)程的不同分為二大類(lèi)： （1）注入式電致發(fā)光：直接由裝在晶體上的電極注入電子和空穴，當(dāng)電子與空穴在晶體內(nèi)再?gòu)?fù)合時(shí)，以光的形式釋放出多余的能量。注入式電致發(fā)光的基本結(jié)構(gòu)是結(jié)型二極管（LED）； （2）本征型電致發(fā)光：又分為高場(chǎng)電致發(fā)光與低能電致發(fā)光。其中高場(chǎng)電致發(fā)光是熒光粉中的電子或由電極注入的電子在外加強(qiáng)電場(chǎng)的作用下在晶體內(nèi)部加速，碰接發(fā)光中心并使其激發(fā)或離化，電子在回復(fù)到基態(tài)時(shí)輻射發(fā)光。,第（二）種器件程類(lèi)繁多，大致分成： 交流粉末電致發(fā)光（ACEL）; 直流粉末電致發(fā)光（DCEL）; 交流薄膜電致發(fā)光（ACTFEL）; 直流薄膜電致發(fā)光（DCTFEL）。 低能電致發(fā)光是指某些高電導(dǎo)熒光粉在低能電子注入時(shí)的激勵(lì)發(fā)光現(xiàn)象。,6.5.1、高場(chǎng)交流電致發(fā)光顯示,圖6.5.1 ACEL結(jié)構(gòu)圖,交流電致發(fā)光顯示是目前高場(chǎng)電致發(fā)光顯示的主流。ACEL結(jié)構(gòu)如圖6.5.1所示。 它是將電致發(fā)光粉ZnS:CuCl或（ZnCd）S:CuBr混合在環(huán)氧樹(shù)脂和氰乙基醣的混合物的有機(jī)介質(zhì)中，兩端夾有電極，其中一個(gè)為透明電極。另一個(gè)是真空蒸鍍鋁或銀電極，構(gòu)成一個(gè)EL。 實(shí)質(zhì)上，ACEL是大量幾微米到幾十微米的發(fā)光粉狀晶體懸浮在絕緣介質(zhì)中的發(fā)光現(xiàn)象，也稱(chēng)德斯垂效應(yīng)。ACEL所加的電壓通常為數(shù)百伏。ACEL是晶體內(nèi)的發(fā)光線(xiàn)發(fā)光，不是體發(fā)光。線(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度可達(dá)3.4105cd/m2，總體發(fā)光亮度約40cd/m2功率轉(zhuǎn)換效率為1/%，壽命約1000小時(shí)。,高場(chǎng)電致發(fā)光的機(jī)制存在許多有趣的物理問(wèn)題，最近仍在不斷的探討，它與EL材料中的電子在高電場(chǎng)下作用下的加速產(chǎn)生熱電子，熱電子碰撞ZnS格使之離化產(chǎn)生電子空穴對(duì)，當(dāng)電子重新被這些離化的施主和受主俘獲時(shí)，產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光，也可以通過(guò)熱電子直接碰撞發(fā)光中心發(fā)光（如ZnS基質(zhì)發(fā)光材料中的施主-受主對(duì)，或摻雜的Mn2+，或一些三價(jià)稀土離子），電子空穴對(duì)的復(fù)合能量也可以直接傳遞給發(fā)光中心而發(fā)光。,6.5.2、高場(chǎng)薄膜電致發(fā)光（TFEL）,目前的ACTFEL多采用雙絕緣層ZnS:Mn薄膜結(jié)構(gòu)。器件由三層組成，如圖6.5.2所示。 器件由三層組成，發(fā)光層夾在兩絕緣層間，起消除漏電流與避免擊穿的作用。 摻不同雜質(zhì)則發(fā)不同的光，其中摻Mn的發(fā)光效率最高，加200V，5000Hz電壓時(shí)，亮度高達(dá)5000cd/m2。 ACTFEL具有記憶效應(yīng)，通常室內(nèi)光照度下，記憶可維持幾分鐘，在黑暗中可保持十幾個(gè)小時(shí)。,記憶效應(yīng)可以解釋為：脈沖電壓產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，使發(fā)光層中電子加速。在這些電子穿過(guò)發(fā)光層時(shí)，激發(fā)錳發(fā)光中心。已穿過(guò)發(fā)光層的電子便在發(fā)光層與絕緣層的界面上積累起來(lái)，這些電子在電場(chǎng)移去后仍將留在界面處，于是在發(fā)光層兩邊形成極化電荷。如果下一個(gè)脈沖與上一個(gè)脈沖同方向，則極化電場(chǎng)將抵消脈沖電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)的大部分，所以發(fā)光亮度變小。反過(guò)來(lái)，如果下一脈沖方向反轉(zhuǎn)，則極化電場(chǎng)與脈沖電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)疊加，總電場(chǎng)變大，所以發(fā)光亮度增加。利用記憶效效可以制成具有灰度級(jí)的記憶板，作為視頻顯示板用的記憶板能夠具有幀儲(chǔ)存的能力。,圖6.5.2 ACTFEL結(jié)構(gòu)示意圖 1金屬電極；2絕緣層；3發(fā)光層；4絕緣層；5透明電極；玻璃襯底,ACTFEL優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)（大于2萬(wàn)小時(shí)），亮度高，工作溫度寬（-55+125），缺點(diǎn)是只有摻Mn的發(fā)光效率高，且為橙黃色，對(duì)全色顯示要求三基色研制高效的發(fā)光材料是當(dāng)今研究的課題。EL器件目前已被應(yīng)用在背光源照明上，在汽車(chē)、飛機(jī)及其他設(shè)備儀器儀表、手機(jī)、手表、電子鐘、LCD模塊、筆記本電腦顯示器等方面獲得應(yīng)用。也作為交通安全標(biāo)志，公司標(biāo)志，出口通道等發(fā)光指示牌上的發(fā)光顯示器件。,6.5.3、OLED,圖6.5.3 柯達(dá)L633數(shù)碼相機(jī)顯示屏,有機(jī)發(fā)光顯示器（OLED）又稱(chēng)有機(jī)EL，是以有機(jī)薄膜作為發(fā)光體的自發(fā)光顯示器件。 它是固體自發(fā)光器件，可適應(yīng)惡劣工作環(huán)境；它響應(yīng)時(shí)間短、發(fā)光效率高、視角寬、對(duì)比度高；它可在5V10V的低電壓下工作，功耗低，工藝簡(jiǎn)單；制造成本低、有機(jī)發(fā)光材料眾多、覆蓋發(fā)光光譜從紅外到紫外，適合全彩色顯示；價(jià)廉、易于大規(guī)模生產(chǎn)；OLED的生產(chǎn)更近似于精細(xì)化工產(chǎn)品，可在塑料、樹(shù)脂等不同的材質(zhì)上生產(chǎn)，產(chǎn)品的機(jī)械性能好，不僅可以制造出筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)適用的顯示器，還有可能創(chuàng)造出墻壁大小的屏幕、可以彎曲折疊的屏幕。人們預(yù)言，隨著規(guī)模量產(chǎn)的到來(lái)，OLED可以比LCD成本低20%。,圖6.5.4 可以卷起來(lái)的顯示器,圖6.5.5 典型雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),OLED已成為當(dāng)今超薄、大面積平板顯示器件研究的熱門(mén)。 1963年P(guān)ope發(fā)表了世界上第一篇有關(guān)OLED的文獻(xiàn)，當(dāng)時(shí)使用數(shù)百伏電壓，加在有機(jī)芳香族Anthracene（葸）晶體上時(shí)，觀(guān)察到發(fā)光現(xiàn)象。但由于電壓過(guò)高，發(fā)光效率低，未得到重視。 直到1987年伊士曼柯達(dá)公司的C.W. Tang及Steve Van Slyke等人發(fā)明以真空蒸鍍法制成多層式結(jié)構(gòu)的的OLED器件后，研究開(kāi)發(fā)才活越起來(lái)。同年，英國(guó)劍橋大學(xué)開(kāi)文迪施實(shí)驗(yàn)室的Jeremy Burroughes證明高分子有機(jī)聚合物也有電致發(fā)光效應(yīng)。 1990年英國(guó)劍橋大學(xué)的Friend等人成功的開(kāi)發(fā)出以涂布方式將多分子應(yīng)用在OLED上，即Polymer（多聚物，聚和物） LED，亦稱(chēng)PLED。不但再次引發(fā)第二次研究熱潮，更確立了OLED在二十一世紀(jì)產(chǎn)業(yè)中所占的重要地位。,目前正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。OLED在材料與技術(shù)專(zhuān)利部分主要有兩大陣營(yíng)，分別為小分子及高分子材料。目前OLED量產(chǎn)的產(chǎn)品有90%以上為被動(dòng)式單色或多彩小尺寸顯示器，應(yīng)用市場(chǎng)主要為手機(jī)、PDA、手持游戲機(jī)和數(shù)字相機(jī)等。若從技術(shù)及市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，OLED將會(huì)往主動(dòng)式、全彩和大尺寸發(fā)展，進(jìn)而直接威脅TFT-LCD和PDP等平面顯示器的市場(chǎng)。,一、OLED器件的發(fā)光機(jī)制,OLED的基本原理為：加入一外加偏壓，使電子空穴分別經(jīng)過(guò)空穴傳輸層與電子傳輸層后，進(jìn)入一具有發(fā)光特性的有機(jī)物質(zhì)，在其內(nèi)部發(fā)生復(fù)合，激勵(lì)出一個(gè)激子，再將能量釋放出來(lái)回到基態(tài)，而這些釋放出來(lái)的能量中，通常由于發(fā)光材料的選擇及電子自旋的特性，只有25%（單重態(tài)到基態(tài)）的能量可以用來(lái)當(dāng)作OLED的發(fā)光，其余75%（三重態(tài)到基態(tài)）的能量以磷光或熱的形式回歸到基態(tài)。選擇不同的發(fā)光材料（帶隙不同）可得到不同顏色的發(fā)光。,圖6.5.5所示的典型多層OLED結(jié)構(gòu)，發(fā)光過(guò)程為：載流子注入是通過(guò)陰極和陽(yáng)極注入到電極內(nèi)側(cè)有機(jī)功能薄膜層，載流子分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移，電子和空穴在發(fā)光層中相，相互束縛而形成激子（Exciton），激發(fā)態(tài)能量通過(guò)輻射躍遷到基態(tài)。,由于OLED屬有機(jī)分子為主的非晶半導(dǎo)體器件，而無(wú)機(jī)發(fā)光器件（EL）則是以原子為主。 OELD的特性主要來(lái)自其分子之作用力而EL是來(lái)自其原子之作用力。 有機(jī)分子是共價(jià)鍵化合物，因其電子被局域化，故通導(dǎo)性不佳。然而有一類(lèi)有機(jī)分子因其具有電子，而在適當(dāng)組合下，這些電子不會(huì)被局域化，而其鍵結(jié)是以單、雙鍵方式交互形成，故此類(lèi)分子稱(chēng)為共軛分子，而其特性因電子能夠在其共軛軌道上移動(dòng)，故具有導(dǎo)通性。,利用此類(lèi)單體分子便能聚合產(chǎn)生“共軛聚合物”。最早的共軛聚合物即為聚乙烯，其具有高導(dǎo)度。有機(jī)半導(dǎo)體因其導(dǎo)電程度介于導(dǎo)體與半導(dǎo)體之間，故其應(yīng)用范圍也非常廣，多用于電磁波遮蔽體、抗靜電涂布等。而應(yīng)用其摻雜及去摻雜之行為，發(fā)展了充電式電池、智能電變色窗、太陽(yáng)電池、光存儲(chǔ)、非線(xiàn)性光學(xué)器件等。當(dāng)前最熱門(mén)的應(yīng)用則是OLED。,二、OLED器件的分類(lèi),一般說(shuō)來(lái)，OLED顯示器依驅(qū)動(dòng)方式分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩類(lèi)。 其電路原理如圖6.5.6所示。,被動(dòng)式無(wú)源矩陣 主動(dòng)式有源矩陣 圖6.5.6 主、被動(dòng)式OLED電原理圖,被動(dòng)式適合用在小尺寸的面板，因?yàn)槠渌查g亮度與陰極掃瞄列數(shù)成正比，所以需要在高脈沖電流下操作，會(huì)使像素的壽命縮短。且因?yàn)閽呙璧年P(guān)系也使其