- OLED技術(shù)原理
- OLED技術(shù)主要特點(diǎn)
- 技術(shù)發(fā)展瓶頸
- OLED產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
- 低成本其工藝簡(jiǎn)單
- 自發(fā)光不需要背光源
- 全固態(tài)無(wú)真空腔，無(wú)液態(tài)成份
- 快速響應響應時(shí)間為微秒級
OLED技術(shù)原理
OLED是指有機半導體材料和有機發(fā)光材料在電場(chǎng)的驅動(dòng)下，通過(guò)載流子注入和復合導致發(fā)光的技術(shù)。其原理是用ITO玻璃透明電極和金屬電極分別作為器件的陽(yáng)極和陰極，在一定電壓驅動(dòng)下，電子和空穴分別從陰極和陽(yáng)極注入到電子傳輸層和空穴傳輸層，然后分別遷移到發(fā)光層，相遇后形成激子使發(fā)光分子激發(fā)，后者經(jīng)過(guò)輻射后發(fā)出可見(jiàn)光。輻射光可從ITO一側觀(guān)察到，金屬電極膜同時(shí)也起了反射層的作用。下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的OLED器件結構示意圖。
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根據使用有機功能材料的不同，OLED器件可以分為兩大類(lèi)：小分子器件和高分子器件。小分子OLED技術(shù)發(fā)展較早（1987年），而且技術(shù)已經(jīng)達到商業(yè)化生產(chǎn)水平；高分子OLED又被稱(chēng)為PLED（PolymerLED），其發(fā)展始于1990年，目前該技術(shù)尚未成熟。
根據驅動(dòng)方式的不同，OLED器件可以分為無(wú)源驅動(dòng)型（又稱(chēng)被動(dòng)驅動(dòng)PM，PassiveMatrix）和有源驅動(dòng)型（又稱(chēng)主動(dòng)驅動(dòng)AM，ActiveMatrix）兩種。無(wú)源驅動(dòng)型不采用薄膜晶體管（TFT）基板，一般適用于中小尺寸顯示；有源驅動(dòng)型則采用TFT基板，適用于中大尺寸顯示，特別是大尺寸全彩色動(dòng)態(tài)圖像的顯示。目前，無(wú)源驅動(dòng)型OLED技術(shù)已經(jīng)比較成熟，商業(yè)化的產(chǎn)品都是無(wú)源驅動(dòng)型；有源驅動(dòng)型OLED技術(shù)發(fā)展很快，但還需要幾年的時(shí)間才能推出商用產(chǎn)品。
OLED顯示屏的制備工藝流程主要包括四個(gè)步驟，如上圖所示。
OLED技術(shù)主要特點(diǎn)
有機發(fā)光顯示器件之所以受到人們的青睞，是因為其與LCD為代表的第二代顯示器相比，有著(zhù)突出的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)表1):
●低成本其工藝簡(jiǎn)單，使用原材料少。使人們相信OLED將成為L(cháng)CD替代性技術(shù)的最重要原因是其在降低加工成本方面的潛力。除了對材料和工藝方面的要求比LCD低近1/3外，OLED的加工工藝也比LCD簡(jiǎn)單得多。據相關(guān)資料顯示，OLED顯示屏需要86道加工工序，而LCD屏則需要200多道工序。在成本決定生命力的未來(lái)大屏幕顯示領(lǐng)域，這無(wú)疑增加了OLED競爭的砝碼。
●自發(fā)光不需要背光源。
●低壓驅動(dòng)和低功耗直流驅動(dòng)電壓在10伏以下，易用于便攜式移動(dòng)顯示終端上。
●全固態(tài)無(wú)真空腔，無(wú)液態(tài)成份，機械性能好，抗震動(dòng)性強，可實(shí)現軟屏顯示。使用塑料、聚酯薄膜或膠片作為基板，OLED屏可以做到更薄，甚至可以折疊或卷起來(lái)。目前由于在軟基板上的涂鍍等加工工藝還未成熟，可折疊或卷曲的顯示器產(chǎn)品還沒(méi)有商品化，但這一切都會(huì )在不遠的將來(lái)實(shí)現。
●快速響應響應時(shí)間為微秒級，是普通液晶顯示器響應時(shí)間的1/1000，適于播放動(dòng)態(tài)圖像，具有寬視角特性，上下、左右的視角寬度超過(guò)170度。
●高效發(fā)光可作為新型環(huán)保光源。
●寬溫度范圍在-40℃～80℃范圍內都可正常工作。
●高亮度顯示效果鮮艷、細膩。
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技術(shù)瓶頸
影響OLED技術(shù)發(fā)展的最大障礙是器件壽命和材料穩定性問(wèn)題。目前，彩色OLED的壽命還只能達到5000小時(shí)，這使應用受到了限制。不過(guò)，由于其發(fā)展前景被看好，目前全球從事OLED研究的機構和廠(chǎng)商多達90多家。由于各家技術(shù)之間存在著(zhù)很大差異，材料有小分子和高分子OLED兩種，驅動(dòng)方式分為主動(dòng)和被動(dòng)，而彩色顯示的實(shí)現原理又有采用三色不同材料、采用三色濾色膜、采用色變換等多達6種方式，再加上涂鍍、噴繪等多種加工工藝，OLED技術(shù)的實(shí)現可謂是真正意義上的百花齊放。對于一種萌芽期的技術(shù)，盡管這有利于技術(shù)的健康發(fā)展，但研發(fā)力量的分散和技術(shù)的爭議在一定程度上會(huì )延緩技術(shù)發(fā)展的步伐。
根據全球權威平板顯示器(FPD)市場(chǎng)調研和咨詢(xún)機構DisplaySearch在2004年12月的最新統計（見(jiàn)表2），OLED行業(yè)2004年全年總收入為3.28億美元，比2003年增長(cháng)了41％。上圖為DisplaySearch2004年2月對全球OLED市場(chǎng)的預測。
OLED已進(jìn)入的產(chǎn)品領(lǐng)域包括手機主屏和副屏、汽車(chē)音響、MP3、工業(yè)儀表、PDA、車(chē)載儀表、數碼相機和微顯示器（MicrodisplayforNearEyeApplication）等領(lǐng)域。其中，手機副屏約為2.2億美元，占67％，汽車(chē)音響約為0.38億美元，占11.6％，MP3屏為0.37億美元，占11.3％，這三者共占了約90％。
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OLED產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
1．全球發(fā)展概況
OLED的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)起步，今后的3～5年是發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。雖然OLED技術(shù)起源于歐美，但因為成本和產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)系，最終實(shí)現大規模產(chǎn)業(yè)化的國家和地區卻集中在東亞，主要是日本、韓國、中國大陸和臺灣。
目前，日本Pioneer有3條生產(chǎn)線(xiàn)，其中2條PM-OLED線(xiàn)、1條AM-OLED線(xiàn)，月產(chǎn)能120萬(wàn)片。三星SDI的OLED月產(chǎn)量為150萬(wàn)片，并計劃建成AM-OLED（370×470）專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)。中國臺灣的錸寶現有7條生產(chǎn)線(xiàn)，今年計劃再引進(jìn)2條線(xiàn)，月產(chǎn)能130萬(wàn)片，錸寶OLED今年出貨目標為1200萬(wàn)～1500萬(wàn)片。除了以上3家外，LG電子、韓國大宇、CPT和聯(lián)宗光電等公司都在積極投資建設OLED生產(chǎn)線(xiàn)，希望早日進(jìn)入OLED市場(chǎng)。
2．我國發(fā)展概況
(1)成果顯著(zhù)
在過(guò)去的幾年里，我國在OLED機理研究和器件結構設計等方面做了大量工作，目前從事OLED研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的機構及企業(yè)主要有：清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、吉林大學(xué)、上海大學(xué)、東南大學(xué)、香港城市大學(xué)、香港科技大學(xué)、長(cháng)春光機所、中科院化學(xué)所、北京維信諾科技有限公司、信利半導體、上海航天上大歐德公司、上海廣電電子集團、深圳先科集團、TCL、五糧液集團、中國普天集團等。
清華大學(xué)于1996年成立了OLED項目組，設計安裝了中國大陸第一臺OLED蒸鍍設備，建成了中國大陸第一個(gè)OLED超凈實(shí)驗室（見(jiàn)圖5）。2001年，由于獲得原國家計委的支持，清華大學(xué)及其他單位合資成立了北京維信諾科技有限公司，建成了中國大陸第一條OLED中試生產(chǎn)線(xiàn)(見(jiàn)圖6)，2003年開(kāi)始有小批量單色產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的儀器儀表領(lǐng)域，成為中國大陸第一家能夠生產(chǎn)和銷(xiāo)售自產(chǎn)OLED產(chǎn)品的公司，產(chǎn)品獲得多家客戶(hù)的認可。2002年，維信諾與清華大學(xué)成立了聯(lián)合實(shí)驗室，共同開(kāi)發(fā)有機發(fā)光顯示技術(shù)。截至2005年3月，維信諾科技聯(lián)合清華大學(xué)有機光電聯(lián)合實(shí)驗室共同申請了46項專(zhuān)利，其中有8項國際專(zhuān)利，內容覆蓋材料、器件結構、器件工藝和驅動(dòng)電路等技術(shù)領(lǐng)域，至今，已有20項專(zhuān)利獲得授權，擁有十多項核心專(zhuān)利技術(shù)。此外，在中試生產(chǎn)線(xiàn)上，維信諾科技突破并掌握了批量生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，豐富和積累了大量OLED量產(chǎn)工藝及技術(shù)Know-how，完善了技術(shù)成果向產(chǎn)業(yè)化的充分轉化。
圖1北京維信諾科技有限公司研制出的OLED軟屏
清華大學(xué)和維信諾公司先后承擔了國家計委、國家發(fā)改委、科技部“863”計劃、信息產(chǎn)業(yè)部和北京市科委等多個(gè)重大重點(diǎn)創(chuàng )新項目，開(kāi)發(fā)出高清晰度26萬(wàn)色96×64、128×160全彩OLED和單色128×64柔軟點(diǎn)陣OLED顯示屏樣品，研究成果達到國際先進(jìn)水平。目前，維信諾公司正在進(jìn)行OLED大規模生產(chǎn)線(xiàn)的籌備，預計2006年建成投產(chǎn)第一條PMOLED生產(chǎn)線(xiàn)。
上海大學(xué)于1990年開(kāi)始OLED的研究工作，已研制出白色發(fā)光器件和綠色矩陣顯示器件。綠色器件的半亮度壽命已達到14000小時(shí)，紅色器件半亮度壽命為7500小時(shí)，藍色器件半亮度壽命為1016小時(shí)，白色器件半亮度壽命大于2000小時(shí)。上海大學(xué)與中國航天科工集團公司于2001年9月聯(lián)合組建了“上海航天上大歐德科技有限公司”，以進(jìn)行OLED的中試研究和批量生產(chǎn)。
吉林大學(xué)從1994年開(kāi)始在新型OLED材料開(kāi)發(fā)及性能研究方面開(kāi)展了深入系統的研究工作，在新型電致發(fā)光配合物材料方面取得了一些有創(chuàng )新性的成果，尤其在藍光配合物材料方面取得了一些突破,還研制出96×64像素、分辨率為3條線(xiàn)/毫米的有機發(fā)光顯示屏。
圖2柯達推出的全球第一款OLED屏數碼相機
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在TFT技術(shù)方面，吉林省彩晶數碼高科顯示器有限公司目前已具備制作供大面積平板顯示器使用的非晶硅TFT技術(shù)和設備，其成品率可以達到80%以上，為我國開(kāi)展低溫多晶硅TFT-OLED的研究打下了良好基礎。
中科院長(cháng)春光機與物理所在稀土發(fā)光材料的研究方面取得重大進(jìn)展，1996年開(kāi)展非晶硅TFT器件研究工作，1999年開(kāi)始進(jìn)行多晶硅TFT驅動(dòng)技術(shù)的研究工作并取得初步結果。
圖3SonyMZ-RH10MD，這是MD中第一次采用5行OLED屏幕
華中科技大學(xué)從20世紀80年代末開(kāi)始開(kāi)展非晶硅TFT有源矩陣液晶顯示器的研究，在非晶硅、多晶硅薄膜和TFT的研究與制備、AMLCD和多晶硅TFT集成一體化技術(shù)方面，具備了良好基礎。
成都電子科技大學(xué)通過(guò)多年來(lái)的科研工作，在材料、器件和低溫多晶硅TFT等方面取得了一定進(jìn)展。
南開(kāi)大學(xué)與香港科技大學(xué)合作，于去年獲得了一項國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合探索研究多晶硅TFT-OLED的項目，現已就TFT驅動(dòng)單元的新型結構和矩陣特性進(jìn)行從多晶硅TFT物理模型的建立到模擬計算和仿真的研究工作。
圖42005年1月三星推出了21英寸OLED面板
北方交通大學(xué)在多年研究無(wú)機電致發(fā)光的基礎上，在有機/無(wú)機復合發(fā)光器件的研究方面取得了一些創(chuàng )新性成果。華南理工大學(xué)在高分子材料制備方面取得了顯著(zhù)進(jìn)展，合成出了紅綠藍三基色高分子熒光材料，紅光材料的點(diǎn)致發(fā)光（EL）效率達到2.5%。另外，中科院化學(xué)所、長(cháng)春應化所、華東理工大學(xué)在新型小分子發(fā)光材料和高分子發(fā)光材料方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些重要的研究成果。
圖5中國大陸第一個(gè)OLED超凈實(shí)驗室
在產(chǎn)業(yè)化方面，信利半導體2003年引進(jìn)了一條小批量OLED生產(chǎn)線(xiàn)，目前正在進(jìn)行產(chǎn)品及市場(chǎng)方面的開(kāi)發(fā)，信利計劃今年年底開(kāi)始引進(jìn)大規模生產(chǎn)線(xiàn)，明年10月份投產(chǎn)。
（2）技術(shù)差距及原因分析
目前我國OLED的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化整體水平與國外仍有兩年左右的差距，但是在部分核心技術(shù)上已經(jīng)具有國際先進(jìn)水平，取得了一定的研究成果。
例如，在器件結構方面，我國開(kāi)發(fā)的單層結構器件突破了傳統的雙層和多層結構專(zhuān)利技術(shù)，減少材料、設備和工藝過(guò)程，大大降低了成本；在材料方面，吉林大學(xué)在世界范圍內率先開(kāi)展了三線(xiàn)態(tài)磷光材料的性能研究，維信諾和清華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的紅光材料在啟動(dòng)電壓為2.4V時(shí)，最高亮度達到7280cd/m2，而國外的紅光材料在啟動(dòng)電壓為3.5V時(shí)，最高亮度只能達到4300cd/m2；在OLED的彩色化方面，我國也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出高清晰度26萬(wàn)色全彩OLED樣品，追上了世界水平；在大尺寸顯示屏開(kāi)發(fā)方面，國外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出24.2英寸的小分子OLED樣品和40英寸的高分子OLED樣品，但是大尺寸技術(shù)還不成熟，壽命和成品率問(wèn)題估計還需5～10年的時(shí)間才能解決。
但同國際前沿有機發(fā)光顯示技術(shù)比較，我國還存在一些明顯的技術(shù)差距，其突出表現為：有機發(fā)光紅綠藍三色材料解決方案不完善，無(wú)法提供具備實(shí)用性的藍光發(fā)光材料，磷光材料的紅綠藍三色實(shí)用化材料還沒(méi)有開(kāi)發(fā)成功。我國有機發(fā)光顯示材料的研發(fā)和生產(chǎn)脫節，研發(fā)機構有很多，但是OLED材料的生產(chǎn)廠(chǎng)商卻極少，更缺少有機發(fā)光顯示材料的下游廠(chǎng)商，材料評估和產(chǎn)業(yè)化有障礙。與國外相比，我國有機發(fā)光顯示材料方面擁有的知識產(chǎn)權較少，需要加快研發(fā)進(jìn)度。在驅動(dòng)IC方面，全球已經(jīng)有多家公司在從事OLED驅動(dòng)IC的設計和生產(chǎn)，而我國只能從國外引進(jìn)驅動(dòng)IC；在大尺寸和彩屏技術(shù)上，由于設備條件相對落后，資金投入相對缺乏，目前還同國外發(fā)展有很大差距。這些環(huán)節上存在的不足，都一定程度地制約了我國有機發(fā)光技術(shù)的發(fā)展。
圖6中國大陸第一個(gè)OLED中試線(xiàn)
（3）產(chǎn)業(yè)差距及原因分析
目前，我國只有兩條OLED中試線(xiàn)，推出了單色OLED產(chǎn)品。而國外已經(jīng)有OLED生產(chǎn)線(xiàn)十幾條，推出了64K色、多色和單色OLED產(chǎn)品。有機發(fā)光顯示ITO玻璃國產(chǎn)化方面，目前國內還沒(méi)有一家能夠生產(chǎn)符合用于OLED生產(chǎn)的ITO玻璃。北京維信諾公司正在與國內一些廠(chǎng)家聯(lián)合攻關(guān)，力爭盡快實(shí)現ITO玻璃的國產(chǎn)化。除此之外，光刻膠等原材料也都存在類(lèi)似的問(wèn)題。
在生產(chǎn)設備方面，我國雖然有OLED生產(chǎn)設備的制造廠(chǎng)商，但是OLED的關(guān)鍵生產(chǎn)設備技術(shù)掌握在日本、韓國手中，我國只有通過(guò)進(jìn)口才能得到。
在生產(chǎn)方面，由于我國TFT發(fā)展滯后，面板的制備技術(shù)薄弱，生產(chǎn)管理經(jīng)驗積累不足，因此在A(yíng)MOLED的生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)方面難度較大，同時(shí)也缺乏OLED生產(chǎn)管理人才，這是我國OLED產(chǎn)業(yè)化建設的弱點(diǎn)。
總之，我國OLED上下游產(chǎn)業(yè)鏈尚不完備，OLED技術(shù)本身還沒(méi)有完全成熟，與國外的差距沒(méi)有TFT-LCD和PDP大。國內正在研發(fā)OLED的單位較多，有多條完整的試驗線(xiàn)，但研發(fā)內容重復較多，差異性小，還沒(méi)有形成特色；已有小尺寸彩色無(wú)源樣品開(kāi)發(fā)技術(shù)，正在開(kāi)發(fā)單色小尺寸產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)，有源技術(shù)難度較大；原材料的開(kāi)發(fā)較活躍，但還沒(méi)有篩選出綜合性能較好的材料；OLED高素質(zhì)的技術(shù)和管理人才緊缺，存在政府和企業(yè)對OLED的資金投入不夠等,這些都制約了我國OLED產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展。
