Transcript 第5章 电致发光及场致发光器件（OLED）

第5章
电致发光及场致发光器件（OLED）
§5 电致发光及场致发光器件（OLED）
1920年德国学者古登和波尔发现，某些物质加上
电压后会发光，人们把这种现像称为电致发光或
场至发光（EL）。
1936年，德斯垂将ZnS荧光粉浸入蓖麻油中，并
加上电场，荧光粉便能发出明亮的光。
1947年美国学者麦克马斯发明了导电玻璃，多人
利用这种玻璃做电极制成了平面光源，但由于当
时发光效率很低，还不适合作照明光源，只能勉
强作显示器件。
70年代后，由于薄膜技术带来的革命，薄膜晶体
管（TFT）技术的发展场致发光（EL）在寿命、
效率、亮度、存储上的技术有了相当的提高。使
得场致发光（EL）成为三在显示技术中最有前途
的发展方向之一。
场致发光（EL）按激光发过程的不同分为
二大类：
 （1）注入式电致发光：直接由装在晶体上的
电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内
再复合时，以光的形式释放出多余的能量。注
入式电致发光的基本结构是结型二极管
（LED）；
 （2）本征型电致发光：又分为高场电致发光
与低能电致发光。其中高场电致发光是荧光粉
中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的
作用下在晶体内部加速，碰接发光中心并使其
激发或离化，电子在回复到基态时辐射发光。
第（二）种器件程类繁多，大致分成：





交流粉末电致发光（ACEL）;
直流粉末电致发光（DCEL）;
交流薄膜电致发光（ACTFEL）;
直流薄膜电致发光（DCTFEL）。
低能电致发光是指某些高电导荧光粉在低能电
子注入时的激励发光现象。
5.1、高场交流电致发光显示
图5.1 ACEL结构图
交流电致发光显示是目前高场电致发光显示的主
流。ACEL结构如图5.1所示。
它是将电致发光粉ZnS:CuCl或（ZnCd）S:CuBr
混合在环氧树脂和氰乙基醣的混合物的有机介质
中，两端夹有电极，其中一个为透明电极。另一
个是真空蒸镀铝或银电极，构成一个EL。
实质上，ACEL是大量几微米到几十微米的发光粉
状晶体悬浮在绝缘介质中的发光现象，也称德斯
垂效应。ACEL所加的电压通常为数百伏。ACEL
是晶体内的发光线发光，不是体发光。线发光强
度可达3.4×105cd/m2，总体发光亮度约40cd/m2
功率转换效率为1/%，寿命约1000小时。
高场电致发光的机制存在许多有趣的物理
问题，最近仍在不断的探讨，它与EL材料
中的电子在高电场下作用下的加速产生热
电子，热电子碰撞ZnS格使之离化产生电子
空穴对，当电子重新被这些离化的施主和
受主俘获时，产生复合发光，也可以通过
热电子直接碰撞发光中心发光（如ZnS基质
发光材料中的施主-受主对，或掺杂的Mn2+，
或一些三价稀土离子），电子空穴对的复
合能量也可以直接传递给发光中心而发光。
5.2、高场薄膜电致发光（TFEL）
目前的ACTFEL多采用双绝缘层ZnS:Mn薄
膜结构。器件由三层组成，如图5.2所示。
器件由三层组成，发光层夹在两绝缘层间，
起消除漏电流与避免击穿的作用。
掺不同杂质则发不同的光，其中掺Mn的发
光效率最高，加200V，5000Hz电压时，亮
度高达5000cd/m2。
ACTFEL具有记忆效应，通常室内光照度下，
记忆可维持几分钟，在黑暗中可保持十几
个小时。
记忆效应可以解释为：脉冲电压产生强电场，使
发光层中电子加速。在这些电子穿过发光层时，
激发锰发光中心。已穿过发光层的电子便在发光
层与绝缘层的界面上积累起来，这些电子在电场
移去后仍将留在界面处，于是在发光层两边形成
极化电荷。如果下一个脉冲与上一个脉冲同方向，
则极化电场将抵消脉冲电压产生的电场的大部分，
所以发光亮度变小。反过来，如果下一脉冲方向
反转，则极化电场与脉冲电压产生的电场叠加，
总电场变大，所以发光亮度增加。利用记忆效效
可以制成具有灰度级的记忆板，作为视频显示板
用的记忆板能够具有帧储存的能力。
图5.2 ACTFEL结构示意图
1金属电极；2绝缘层；3发光层；4绝缘层；5透明电极；玻璃衬底
ACTFEL优点是寿命长（大于2万小时），
亮度高，工作温度宽（-55℃~+125℃），
缺点是只有掺Mn的发光效率高，且为橙黄
色，对全色显示要求三基色研制高效的发
光材料是当今研究的课题。EL器件目前已
被应用在背光源照明上，在汽车、飞机及
其他设备仪器仪表、手机、手表、电子钟、
LCD模块、笔记本电脑显示器等方面获得
应用。也作为交通安全标志，公司标志，
出口通道等发光指示牌上的发光显示器件。
5.3、OLED
图5.3 柯达L633数码相机显示屏
有机发光显示器（OLED）又称有机EL，是以有
机薄膜作为发光体的自发光显示器件。
它是固体自发光器件，可适应恶劣工作环境；它
响应时间短、发光效率高、视角宽、对比度高；
它可在5V~10V的低电压下工作，功耗低，工艺简
单；制造成本低、有机发光材料众多、覆盖发光
光谱从红外到紫外，适合全彩色显示；价廉、易
于大规模生产；OLED的生产更近似于精细化工
产品，可在塑料、树脂等不同的材质上生产，产
品的机械性能好，不仅可以制造出笔记本电脑、
台式机适用的显示器，还有可能创造出墙壁大小
的屏幕、可以弯曲折叠的屏幕。人们预言，随着
规模量产的到来，OLED可以比LCD成本低20%。
图5.4 可以卷起来的显示器
图5.5 典型双异质结结构
 OLED已成为当今超薄、大面积平板显示器件研究的热门。
 1963年Pope发表了世界上第一篇有关OLED的文献，当时
使用数百伏电压，加在有机芳香族Anthracene（葸）晶体
上时，观察到发光现象。但由于电压过高，发光效率低，
未得到重视。
 直到1987年伊士曼柯达公司的C.W. Tang及Steve Van
Slyke等人发明以真空蒸镀法制成多层式结构的的OLED器
件后，研究开发才活越起来。同年，英国剑桥大学开文迪
施实验室的Jeremy Burroughes证明高分子有机聚合物也
有电致发光效应。
 1990年英国剑桥大学的Friend等人成功的开发出以涂布方
式将多分子应用在OLED上，即Polymer（多聚物，聚和物）
LED，亦称PLED。不但再次引发第二次研究热潮，更确立
了OLED在二十一世纪产业中所占的重要地位。
目前正进入产业化阶段。OLED在材料与技
术专利部分主要有两大阵营，分别为小分
子及高分子材料。目前OLED量产的产品有
90%以上为被动式单色或多彩小尺寸显示
器，应用市场主要为手机、PDA、手持游
戏机和数字相机等。若从技术及市场发展
趋势来看，OLED将会往主动式、全彩和大
尺寸发展，进而直接威胁TFT-LCD和PDP
等平面显示器的市场。
一、OLED器件的发光机制
OLED的基本原理为：加入一外加偏压，使
电子空穴分别经过空穴传输层与电子传输
层后，进入一具有发光特性的有机物质，
在其内部发生复合，激励出一个激子，再
将能量释放出来回到基态，而这些释放出
来的能量中，通常由于发光材料的选择及
电子自旋的特性，只有25%（单重态到基
态）的能量可以用来当作OLED的发光，其
余75%（三重态到基态）的能量以磷光或
热的形式回归到基态。选择不同的发光材
料（带隙不同）可得到不同颜色的发光。
图5.5所示的典型多层OLED结构，发光过
程为：载流子注入是通过阴极和阳极注入
到电极内侧有机功能薄膜层，载流子分别
从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移，
电子和空穴在发光层中相，相互束缚而形
成激子（Exciton），激发态能量通过辐射
跃迁到基态。
由于OLED属有机分子为主的非晶半导体器件，
而无机发光器件（EL）则是以原子为主。
OELD的特性主要来自其分子之作用力而EL是来
自其原子之作用力。
有机分子是共价键化合物，因其电子被局域化，
故通导性不佳。然而有一类有机分子因其具有
π—电子，而在适当组合下，这些π—电子不会被
局域化，而其键结是以单、双键方式交互形成，
故此类分子称为共轭分子，而其特性因π—电子
能够在其共轭π—轨道上移动，故具有导通性。
利用此类单体分子便能聚合产生“共轭聚
合物”。最早的共轭聚合物即为聚乙烯，
其具有高导度。有机半导体因其导电程度
介于导体与半导体之间，故其应用范围也
非常广，多用于电磁波遮蔽体、抗静电涂
布等。而应用其掺杂及去掺杂之行为，发
展了充电式电池、智能电变色窗、太阳电
池、光存储、非线性光学器件等。当前最
热门的应用则是OLED。
二、OLED器件的分类
一般说来，OLED显示器依驱动方式分为被
动式和主动式两类。
其电路原理如图5.6所示。
被动式无源矩阵
主动式有源矩阵
图5.6 主、被动式OLED电原理图
被动式适合用在小尺寸的面板，因为其瞬
间亮度与阴极扫瞄列数成正比，所以需要
在高脉冲电流下操作，会使像素的寿命缩
短。且因为扫描的关系也使其分辨率受限
制，因其成本低廉、工艺简单，适用于低
信息量的显示，如字符显示。
主动式与被动式特性相反，成本较昂贵、
制造较复杂，它在面板上增加了一层电子
底板，每个像素通过在电子底板上相应的
薄膜晶体管和电容器来进行独立的寻址。
即每个像素可连续与独立驱动，并可记忆
驱动信号，不需在高脉冲电流下操作，效
率较高，寿命也可延长，适用于大尺寸、
高分辨率之高信息容量的全彩化OLED显示
产品。