OLED 技术简介

OLED 技术简介 2007-11-5 11:12:09 一．OLED的市场情况 　　近年来，OLED（Organic Light Emitting Diode）发展极为迅速，大有在5寸以下显示屏取代LCD的趋势。其市场情况如下图所示： 图1. OLED的年出货量（万片）和产值（亿美元） 　　据Stanford Resource调查，1999年全球OLED的产量只有数十万台，产值约为400万美元；2001年全球OLED的销售了320万台，销售额为8400万美元，而到2002年就猛增至2.1亿美元，增长了2.5倍。2004年的全球出货量为3120万片，和2003年同比增长98％，销售收入为4.461亿美元，同比增长为77％。2004年全球OLED显示屏生产厂家从2003年的6家增长到21家。2005年全年出货量已经超过6300万片,比上一年增长96％；产值超过5.3亿美元比上一年增长31％。实际上，它的发展还远远超过这些估计。这是因为这两年在中国MP3、MP4的市场高速发展的结果。据CCID预测，2005年仅中国市场，OLED的销售量就达到5903.2万片，其中MP3就采用了近2900万片，比上一年增长4倍。产值也从2004年的4300万美元增长到2005年的1.7亿美元，增长3倍。预计到2009年将增加至25167.5万片。据Display Search 预计，2006年全球OLED的出货量将达8300万片，产值5.8亿美元，增长15％。而据iSpply的最新估计，2006年的全年出货量将达到8,800万片，比2005年增长66.8%。更新的估计是2007年全球将生产2.95亿片，产值达30亿美元，年平均增长率高达200％以上。到2008年OLED的市场规模将达到50亿美元。 　　2005年产量最大的公司为韩国的三星公司，按OLED单位出货量计算，三星SDI去年的市场份额为27.3%，取代日本先锋(Pioneer)成为最大的OLED供应商。其次为日本的先锋公司。但是台湾的铼宝公司在2004年第四季度出货量就已经超过三星公司。铼宝在2004年的市场份额为22％。当它在苏州昆山的新的生产线在2005年第四季度投产以后，它的单月出货量就超过300万片。而它在2005年的全球市场份额达到了26.9%，占全球第二位。这也就是因为受到快速增长的中国MP3、MP4市场的刺激。目前中国已经有35种品牌的MP3、MP4采用了OLED作为显示屏。2005年OLED在MP3和MP4中的市场份额将达到40％到50％。 　　台湾的OLED生产厂商主要有华映、奇美、友达、铼宝和元太。前面三个厂商都集中在生产主动式OLED面板。 　　中国清华大学的维信诺科技公司于2005年11月6日在苏州昆山的大规模生产线奠基，投资金额高达7.5亿人民币。重庆环显的OLED项目也在2005年6月29日举行开工奠基。预计2006年建成投产以后，可以年产OLED面板30万片。 　　OLED的快速发展主要是它在各个应用领域的扩展。2005年它在各个应用领域中的份额如下 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 所示： 应用领域 产量比例 产值比例 手机主面板 2.6% 6% 手机次面板 47％ 47％ 汽车音响 3％ 11％ MP3 45％ 32％ 其它及工业仪器应用 2.4% 4% 　　虽然目前OLED的销售主要要无源PMOLED为主，然而有源OLED正以极快的势头抢占小尺寸LCD的市场。可以预计在一两年以后，小尺寸屏幕的市场，例如手机主屏，数码相机彩屏，PMP的彩屏都会采用有源OLED的市场，因为OLED在室外阳光下的亮度要比LCD亮很多，而这正是这类产品所要求的重要性能。不仅如此，OLED在其它方面的性能也都超过LCD，所以包括中、大屏幕的市场也将会被OLED所逐步蚕食。而且因为其制造工艺和LCD比较类似，而玻璃基板只要一块，所以，从LCD工艺转成OLED的过程会很快完成。这个过程将会出乎意料的快。 二．OLED 的主要优点 　　为什么OLED会发展得这么快呢？这是因为它相比起LCD来，几乎在所有方面都具有很多无法比拟的优点： OLED LCD 发光机制 自行发光，不需要背光 需要背光 显示亮度 亮度高，>200CD/m2，可在阳光下显示 亮度低，很难在阳光下使用 反应时间 极快，以微秒计，比LCD快1000倍 很慢，以毫秒计，会产生“拖影”现象 对比度 很高，>5000:1 一般只有500:1 显示失真 很小 较大，有水平和垂直视角失真 视角 所有方向都可超过160度 有限制，尤其垂直方向 厚度 可以小于2毫米 至少1厘米以上 柔软性 用塑料基板可以做成能够弯曲的柔软显示面板 不能做成可弯曲显示面板 耗电 极省，40寸彩色耗电80－100瓦。2.4寸有源矩阵耗电440mW 采用CCFL背光的40寸彩电耗电290瓦，而采用彩色LED作背光的彩电，耗电470瓦。2.4寸耗电605mW 制造工序 简单，只需86道工序。对材料和工艺的要求要比LCD减少1/3。还可采用喷墨印刷技术制造 复杂，需要200道工序。 成本 低，只要一块玻璃基板，批量生产后的成本可比LCD低20％以上 高，需要两块玻璃基板 使用温度范围 -40～＋85度，低温特性极好，可在－40度的低温下工作 工作温度范围窄，尤其是低温特性差 抗冲击 由于为全固体材料，适用于巨大加速度，振动等恶劣环境 有液体，有真空封装，有玻璃底板，不能耐振动和冲击 寿命 低，目前约为5000小时(最高可达25000小时)，适用于变化快的手机，数码相机，MP3，MP4等时尚产品 寿命长，约为10000－50000小时，适用于电视机等耐用家电和电脑等长时间开机的设备 　　从这个表可以看出几乎所有方面OLED都比LCD有着无可比拟的优点。这也就是为什么OLED的增长率是如此地高。目前OLED唯一的缺点是寿命不高，主要是蓝色的寿命偏低,过去,蓝色的额定半衰期仅为1000小时。最近Cambridge Display Technology 实现了8万小时蓝色OLED的使用寿命。另外该公司去年开发出起始亮度为100cd/m2,使用寿命为10万小时的用于OLED的蓝色聚合体。Novaled 通过使用PIN专利技术，开发出一种红色顶级发射OLED，它可以实现亮度级别为500cd/m2的10 lm/W的发光效率。它的发射寿命为10万小时。OLED制造商的目标为彩色OLED的生产使用寿命100,000小时，但是还需要一定的时间。这个缺点限制了它应用到大屏幕电视机和电脑显示器。所以可以认为，它将在小屏幕的应用领域大量取代LCD。例如OSRAM公司最近推出一个2.7寸128x64点阵的OLED显示器，其使用寿命已经高达55,000小时，其视角高达180度，对比度达2000:1，视频响应速度极快，图象和文本的显示性能极好。而在睡眠模式下的功耗只有0.05W，而且它的工作温度范围在－30度至＋70度之间。最重要的是其售价和LCD屏相当。因此再也没有理由不采用OLED了。 三．有机发光材料 　　OLED的发光原理是由柯达公司的华裔科学家邓青云（C.W.Tang）博士（还有一说为汪根样博士）于1979年发现的。以后在1987年获得了OLED器件设计的第一个专利。它的原理是当电荷通过某种有机材料以后就会发光，这种电致发光有机材料可以分成两种：一种是小分子的有机材料，另一种是高分子的有机材料。小分子的分子量大约在几百左右，而高分子的分子量大约在几万到几百瓦左右。现在常用的小分子有机材料是金属鳌合物和稀土配合物，像Alq3，Almqs，Zn(5Fa)2，BeBq2等。而高分子有机发光材料主要是聚乙炔，聚噻吩及其衍生物的有机共轭聚合物。电致发光薄膜材料有PBD，PBP，PRL，PMMA，PPV，P VCZ等。 小分子和高分子电致发光材料的性能比较如下表： 小分子电致发光材料SMOLED 高分子电致发光材料POLED 发光效率 >15 lm/W > 20 lm/w 加工方式 真空热蒸发 旋涂或喷涂（或喷墨印刷） 优点 容易彩色化，制作过程简单且稳定，材料合成及提纯较为容易 设备成本低，器件构造简单，耐热性较好 缺点 设备成本较高，对湿气的抵抗性较差，蒸发效率低造成材料浪费，热稳定性与机械性能较差，驱动电压较高 彩色化比较困难，科研开发进展缓慢 　　目前大多数采用小分子发光材料作为彩色小屏幕OLED显示屏。全球大约有85家公司投入研发，其中60家采用小分子发光材料，以日本、韩国、台湾厂商为主。只有25家研发高分子发光材料，而且以欧美厂商为主。但是最近因为高分子发光材料的研究有了很大的进展，所以不少中、日、韩的厂商也都开始高分子发光材料的研究。预计到2008年，高分子有机发光材料的市场份额将会达到40％。 四．OLED的基本结构 　　柯达公司公布的典型OLED结构：玻璃基板上面是一层透明的ITO（氧化铟锡）阳极，上面镀一薄层铜酞菁染料，它能使ITO的表面钝化，以增加其稳定性，再向上就是P型和N型有机半导体材料，最顶上是镁银合金阴极，这一层金属阴极也起到反光的作用。这些涂层都是蒸镀到玻璃基板上的，因此厚度非常薄。在电极两端加上5V～10V的电压，有机发光材料就可以发出相当明亮的光，光是从玻璃基板、也就是向下发出的。这块玻璃基板也可以用可弯曲的柔性塑料基板代替。 OLED的结构如下图所示： 　　实际的结构比这种基本结构复杂一些，例如还可以在有机发光层ELL和阳极之间再加一层空穴传输层HTL，以调节空穴的注入速度和注入量。空穴传输层通常采用含氮的烯丙基胺化合物。电子转移层ETL则用来调节电子的注入速度和注入量，ETL通常采用Alq3。注入的电子和空穴在ELL中因库仑相互作用、并结合，然后在束缚状态中形成激子（exciton），激子衰变辐射出光子，从而发光。 　　更为复杂的结构主要是为了提高发光亮度和发光效率。例如在阴极和ETL之间和阳极和ETL之间再加一层阴极和阳极缓冲层，以增加电子和空穴的注入量。还有在ELL和ETL之间再加一层HBL，以阻止空穴过快越过ELL而进入ETL瘁灭（因为空穴的迁移率高于电子的迁移率）。这种方法可以提高发光效率。同时，为使三态激子参与发光，发光层可以由数层有机磷光掺杂层与荧光掺杂层交叠而成，利用磷光材料轨道角动量大，使三态激子发磷光，再通过有机荧光层转换为荧光，从而提高了发光效率。这种器件的多层结构如下图所示： 图3. 具有掺杂磷光ELL和掺杂荧光ELL的OLED 　　OLED因为只有一层玻璃底板，所有的薄膜都可以蒸发或是喷涂上去，而LCD则需要两层玻璃板，因为在中间需要填充液晶进去。所以OLED的工艺过程要比LCD简单很多。OLED的结构和LCD结构的比较如下图所示。 图四. OLED和LCD结构的比较 　　为了实现彩色OLED，可以在几个方面着手。最初采用的Alq3发出的是绿光。而采用不同的有机发光聚合物可以发出不同颜色的光。还有一种方法是采用掺杂荧光材料以得到各种不同的颜色。而荧光材料还可以改善器件的发光效率，使谱线变窄。有了不同颜色的发光二极管以后，下一个问题就是怎么组成一个红绿蓝的像素。最近美国普林斯顿大学的研究小组开发出一种图形控制扩散法，可以将红绿蓝三色的OLED集成在同一基底上。概括来说，材料和工艺的多样性让OLED有多种途径可以实现彩色显示。最典型的有如下六种方式： ①不同材料发出红、绿、蓝三色，像CRT显示一样，由三色像素拼接成一个彩色像素（如图五所示）,因为可以和LCD的某些制造工艺兼容，这是目前最常用的方法。 ②采用发出白光的材料，像LCD显示一样，通过三色滤色片形成彩色像素；这种方法可以在发光器上涂上多层染料，这样它就会发出白光。用在LCD上类似的彩色滤光片能够制造出红、绿、蓝三像素，这些滤光片能放置在单独的平板上，利用影印成像法，覆盖在白色发射器阵列上。这是最简单的生产彩色OLED显示器的办法，但是因为只有三分之一的白光能通过彩色滤光器，因此这种方法会浪费一些光能。 ③采用特殊的材料，能够在不同的驱动电压下显示不同的色彩； ④使用发出蓝色光线的材料，再激发荧光物质发出各种色彩的光线。利用荧光和变色装置，或者用传播介质来代替滤光片来获得彩色的办法更好一些。这时，蓝光发射器就派上了用场，蓝光通过变色介质（CCM）后变成绿光或者红光。如果这种变色介质的转换能力强的话，这种办法对光线的利用率比使用滤光片更高。 ⑤激光共振方式； ⑥将红、绿、蓝三色发光膜重叠起来，构成彩色像素。 图五. RGB三色的OLED结构 五．OLED的馈电 　　OLED还可以分成有源和无源两种，所谓无源阵列或者被动阵列（PMOLED）就是直接把各个像素的驱动电压加到各个像素点上。而有源阵列或者主动阵列（AMOLED）就是和TFT－LCD一样，在每个像素后面还有一个薄膜晶体管（TFT）来驱动。在小屏幕的应用中，无源阵列就已经可以满足要求。主动式的OLED比较省电，但在显示性能上，被动式的OLED的显示效果会更佳。 图六、被动式矩阵与主动式矩阵的电路原理 　　通常先选定某一列，然后在行的方向进行扫描。行和列都被选定的OLED就会发光。而主动式矩阵则多加了两个薄膜晶体管。第一个晶体管的栅极由列信号选择，而其源极则由行信号选择。两个都被选中时晶体管导通，使得第二个晶体管也导通，电流就流经OLED，而使其发光。在有源矩阵中，所有的OLED的阴极可以是连在一起的。称为连续式阴极。 OLED可以等效为一个二极管和一个电容并联。 图七. OLED的等效电路 在点亮OLED时，先要对电容充电，而电容上的电压直线上升，一直要充到二极管的开启电压时，二极管才会导通。这样OLED的点亮就会有延时。为了解决这个问题，需要对电容进行预充电。将其充到二极管开启之前一点。这样，其开启的速度就会很快（见图八）。 图八. 有预充电和没有预充电的比较 　　无源矩阵的整体结构如图九所示。 图九. 单色无源矩阵结构图 　　其中“行”是由公共驱动器依次选通，“列”则是由列选择器根据图形要求来开通。例如，图中假如第一行只有第一个OLED导通就只有大约0.3mA，而假如第二行是所有OLLED都选通，而每一行一共有100个OLED，则其总电流大约为33mA。也就是说，其总电流是由每一行中的OLED数，就是其象素数决定。因为OLED的亮度是由其电流决定的，所以保持电流的稳定是很重要的。列驱动通常采用P沟道器件作为电流源。为保证其工作于饱和区，至少需要有2伏电压，这样其输出电流随VDS的变化将会小于1％每伏。当某一行有很多OLED导通时，它的总电流就比较大。这时在连接电极上就会有较大压降，从而使VDS降低。而这种压降又取决于显示的图形，而且是不可避免的。所以必须将电流受VDS的变化而变化的灵敏度降至最低。同时输出电流的不均匀性也受到驱动器件的不一致性的影响，这种不均匀性可以靠提高VGS工作电压和版图匹配技术来减小。 　　驱动IC通常和其它更多的器件集成在一起而进一步降低成本。包括显示存储器、定时控制器、CPU接口界面、振荡器、亮度控制电路、行和列驱动器、甚至直流变换器（见图十）。因为通常便携式设备是由锂电池供电，其电压为3－4.2伏，而点亮OLED需要10伏以上的电压，所以直流升压变换器是必需的。 图十. 集成的单色无源矩阵OLED控制驱动芯片 　　无源矩阵PMOLED需要更大的电流来驱动，因而具有更高的压降。因此PMOLED要求高达20V的电压，其电流则是由像素数决定。而有源矩阵AMOLED则由于电流低得多只需要低于10V的电压。PMOLED显示器的驱动电流范围为每列几十到几百微安，而AMOLED显示器则为每列几微安到几十微安。超过10英寸的OLED，无源矩阵OLED的耗电就将会和LCD相当。所以大于10英寸的OLED通常都采用有源矩阵。 　　有源OLED矩阵通常采用和LCD类似的薄膜晶体管（TFT）作为驱动。而薄膜晶体管有两种制程，一种是非结晶硅，另一种是低温多晶硅。其性能比较如下表： 非结晶硅 低温多晶硅 成本 7寸以上有优势 7寸以下有优势 亮度均匀性 较好，为93％ 较差，为60％ 开口率 35％（160x128,1.93”） 45％(160x128,1.93”) 寿命 较差 较好 　　彩色OLED为了能够控制每一个像素的色彩，也必需采用有源矩阵。这时为了控制面板的亮度和色彩，通常TFT用作模拟元件而不是开关元件，以将这一像素点的相应的R、G、B值传送到每一个像素的R、G、B发光点上去。但此时TFT的特性不稳定会引起画面亮度的变化。例如阈值电压的变化以及电子迁移率的不稳定都会对显示造成影响。因此现在有一种新方法就是用控制导通的时间来改变其亮度。这样TFT就工作于开关状态，而其不稳定的影响就可以降低。过去采用每个像素4个TFT晶体管的电路，现在新的方法是采用3个晶体管，T1、T2和PMOS管。其改进如下图所示： 图十一. 有源OLED的控制电路 　　在彩色OLED矩阵中，这个控制电路只代表了对R或G或B一个颜色的控制。所以一个像素就需要三个这样的电路。行和列的控制就和LCD屏非常类似。 结束语 　　早期的OLED显示屏主要为绿色单色显示屏。它主要应用于手机的副屏，低端MP3显示屏和汽车音响显示屏。现在彩色OLED显示屏已经日益成熟，开始用于高端的MP3、MP4和手机的主屏中。估计明年开始，手机主屏、数码相机和摄录机的显示屏也将大量采用OLED屏，因为它在阳光下的显示性能远远比LCD屏为好。日本Canon公司就准备明年自己生产OLED显示屏用于它的数码相机和摄录机中。 　　到目前为止，OLED仍在高速发展之中。一方面要不断提高其性能，另一方面还要使其批量生产设备能够标准化，以进一步降低成本。在性能方面，主要要提高其寿命和提高亮度。而这两个方面也已经取得了可喜的成果。例如CDT的兰光材料寿命已经达到10万小时。Philips 公司联手德国Novaled公司研制出亮度为1000cd/m2、功效达25 lm/W的白光材料，而美国的UDC公司所开发的电致磷光OLED，其发光效率更高达30 lm/W，另一家是成立于1999年的ELAM-T公司，主要开发镧系金属有机化合物材料，功率效率已经超过70lm/W。这加快了OLED应用于照明的步伐。大屏幕OLED显示屏的很多生产难点也都逐步解决。三星公司在2005年一月和五月相继推出了21寸和40寸的彩电就是一个例子（见下图）。日本的EPSON公司也将推出大屏幕OLED彩电。 　　三星公司的40英寸OLED彩电，分辨率1280x800，最大屏幕亮度为600流明，最大黑白对比度为5000:1。耗电量只有100瓦。而面板厚度只有2.2厘米，可嵌入到3厘米厚的电视机中。这种电视机真的可以做到像油画一样地挂在墙上。 　　OLED的另一个最吸引人的特点就是可以做成可弯曲甚至折叠的显示屏(见下图)。 　　虽然这种卷在笔里的电脑显示器到目前为止还只是一种设想，但是估计过不了几年就会实现。所以OLED显示屏取代LCD已经是指日可待的事了。而中国在这方面还非常落后，必需要加大投入，集中科研人员，迎头赶上才行。相信在各有关方面认识到这个问题以后，中国一定能够做到后来居上，站到这一行业的最前列！