OLED技术及其市场发展

在日本东京BigSight举行的显示器相关展览会“EDEX2002显示器展”上，各厂商纷纷亮出了自己的最新OLED产品，再次引起了OLED产品的热潮。在这次展会上，新近成立的东芝松下显示技术公司（总部位于东京港区）在全球首次展出了其17英寸OLED样品，规格为：亮度300cd/m2,对比度200:1，显示颜色为26万真彩，分辨率为XGA（1280×768）。该展品引起了参展者的极大兴趣。

OLED是有机电致发光显示器件的缩写，它是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件。其典型结构是在ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层，发光层上方有一层低功函数的金属电极。当电极上加有电压时，发光层就产生光辐射。和无机薄膜电致发光器件（TFEL）不同，OLED主要依赖于发光层中形成的激子。激子是受束缚的电子空穴对，分别从ITO和金属电极注入的空穴和电子相遇而成。当激子去激复合时，就会产生可见光。为增强电子和空穴的注入和传输能力，通常又在ITO和发光层间增加一层有机空穴传输材料或/和在发光层与金属电极之间增加一层电子传输层，以提高发光效率。图1给出的是OLED的结构简图。

根据发光材料的不同，OLED又可以分成三类，即小分子OLED，聚合物OLED（也被称之为PLED）和镧系有机金属OLED（也叫稀土OLED）。在小分子OLED中，发光体是离散的分子。八羟基喹啉铝（Alq3）是常用的发光材料，Alq3可发出波长范围从450nm至700nm的宽带绿光辐射，峰值波长位于550nm。如果在Alq3中加入掺杂剂或用其它原子（如铍）取代铝，就可得到不同颜色的光辐射。Kodak公司的C.W.Tang于1987年发表的划时代结果采用的就是Alq3。现在Kodak公司拥有小分子OLED的基本专利。先锋公司的子公司东北先锋最早向Kodak公司注册，生产64×256象素的多色OLED，用于汽车音响。三洋电子也于1999年向Kodak注册，二者联合研制出了世界上第一块主动矩阵全色OLED（1999年9月）。该显示器的对角尺寸为2.4英寸，象素数为852×222，大小是57×165μm2，驱动电压12V。这块样品凝聚了Kodak公司的材料和成膜技术以及三洋电子的低温多晶硅TFT技术。向Kodak注册的公司除了先锋和三洋电子之外，还有TDK，TED等公司。这些公司都从事小分子OLED的研发工作，并且都有自己的专利技术。这里值得一提的还有美国新泽西的UDC（Universal Display Corporation）公司，该公司的技术后盾是普林斯顿大学和南加利弗尼亚大学。他们主要开发电致磷光OLED器件，其功率效率居世界领先水平（大于30lm/W）。

第二类有机发光材料是共轭聚合物。与小分子不同，聚合物发光材料的成膜可用溶液方法进行处理。通常采用的方法是旋涂法和喷黑打印方法，其中喷墨法是剑桥显示技术公司（CDT）和精工爱普生（SEIKO-EPSON）的专利技术。PLED是剑桥大学卡文迪许实验室Friend小组于1990年首次发布的，使用的发光材料是PPV。PPV本身是难溶性的，不易加工处理，但PPV的前驱物可溶于某些溶剂，象氯仿、甲醇等。可以利用这一特性制作PLED。目前广泛使用的材料除了PPV之外，主要还有MEH-PPV和聚芴类材料。剑桥显示技术公司（CDT）成立于1992年，该公司拥有PLED的基本专利。除了CDT之外，还有位于加利弗尼亚Santa Barbara的Uniax公司、Philips公司、Covion公司等。这些公司都向CDT进行了注册。最早将PLED推向市场的可能要算Philips公司了。该公司位于荷兰Heerlen的中试线每年的生产能力为一千万平方厘米，主要用于背光源，此外还生产87×80象素、8位灰度等级的单色器件。Uniax是2000年度诺贝尔化学奖得主Alan Heeger教授于1990年创办的，后被杜邦收购。它的生产能力是4000平方英寸/月，典型产品是64×96象素的黄绿光单色器件以及主要用于PDA的160×160单显器件。Cavion公司位于德国法兰克福，成立于1999年，主要向PLED厂商提供聚合物发光材料。

介于小分子和聚合物发光材料之间的另一类重要材料是镧系金属有机化合物，它属于稀土类发光材料。由这类材料构成的器件不妨称之为稀土OLED。在稀土OLED中，发光分子由一个金属核心和外围的有机壳层组成，如图2所示。其发光机制与前两类OLED不同，加电之后，首先在外围有机壳层中形成激发态，然后将其能量传递给金属核心，金属核心去激时辐射出颜色比较纯正的光。稀土OLED重要特点之一是单重态和三重态都产生光辐射，图3是其能级图，量子效率在理论上可达100%。因此，它的PL和EL效率都很高，EL功率效率的理论值为120lm/W。由于是金属核心发光，与小分子和聚合物OLED相比，稀土OLED的光谱非常窄，半峰宽（FWHW）的典型值只有100nm。目前英国的两家公司正在从事稀土OLED产品的开发工作。一家是Opsys公司，成立于1997年，牛津大学是其技术支持。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。

OLED显示方式分为被动（Passive Matrix）和主动（Acitive Matrix）矩阵显示两种方式。在被动矩阵OLED（简称PM-OLED）中，ITO和金属电极都是平行的电极条，二者相互正交，在交叉处形成LED。LED逐行点亮形成一帧可视图象。由于每一行的显示时间都非常短，要达到正常的图象亮度，每一行的LED的亮度都要足够高。例如，一个100行的器件，每一行的亮度必须比平均亮度高100倍。这就需要很高的电流和电压，从而引起功耗增加，显示效率急剧下降。这就使得提高10倍。这就需要很高的电流和电压，从而引起功耗增加，显示效率急剧下降。这就使得PM-OLED在大面积显示中的应用受到限制。模拟结果表明，当显示面积提高4倍时，功率要提高10倍。对于2英寸的小面积显示器件，PM-OLED的节能效果比同样尺寸的背光源LCD要明显得多；但对于10英寸的大面积PM-OLED来说和相同尺寸的LCD相比，节能效果就不复存在了。因此，对于大面积显示OLED，采用主动矩阵是一种比较理想的选择。

主动矩阵OLED（AM-OLED）采用的是薄膜晶体管阵列（TFT）。利用类似于AMLCD的制造技术，在玻璃衬底上制作CMOS多晶硅TFT，发光层制作在TFT之上。驱动电路完成两个功能，一是提供受控电流以驱动OLED，其次，在寻址期之后继续提供电流以保证各象素连续发光。和PM-OLED不同的是，AM-OLED的各个象素是同时发光的。这样单个象素的发光亮度的要求就降低了，电压也得到了相应的下降。这就意味着AM-OLED的功耗比PM-OLED要低得多，适合于大面积显示。Kodak公司采用双晶体管电路完成上述功能，缺点是无法克服水平象素之间的串扰问题。现在，CDT、精工爱普生、三洋电机等公司展出的17英寸OLED采用的就是主动矩阵方式。可以预见，主动矩阵驱动技术将是今后OLED发展普遍采用的方式。

目前一些公司推出的OLED产品大多数都是PM-OLED，显示面积集中在2-3英寸，主要用于手机和PDA。东北先锋于4月初宣布将向健伍每月提供10000张PM-OLED面板，用于汽车收录机。分辨率为176×32象素，显示区域大小为83.9×15.2mm2，亮度为50cd/m2。健伍将成为东北先锋的第三家顾客。目前在手机显示屏上采用OLED面板投入最大的是三洋电机，该公司准备在2002年12月底前推出配备OLED显示屏的手机。但其它公司在产品应用方面都比较慎重，精工爱普生的目标是2004年，东芝松下显示技术公司到目前尚未确定具体日期。主要原因可能是OLED直至目前仍未完全解决稳定性、寿命等问题。作为手机显示屏，OLED的寿命最少在1万小时以上。其次，成品率太低也是限制OLED产业化的一处重要因素，成品率问题实际上是成膜技术问题，技术上的突破将进一步加快OLED的市场发展。

在大面积显示方面，日本的出光兴产、索尼一直走在前面。此次汇展上东芝松下的17英寸显示屏再次引发OLED电视接收机和电脑显示终端的热潮。韩国三星SDI公司与美国UDC公司联合开发出了使用磷光材料的8.4英寸彩色AM-OLED面板，该产品将CIE色度图上（0.31，0.33）的白色显示到面板上时，发光效率高达13cd/A（对发光区域施加的电压为+6V），面板峰值亮度为400cm/m2，开口率为40%，像素为800×600，并定于2002年5月份在美国举行的“SID2002”学术会议上进行发表。此外，UDC还于2001年4月与索尼达成了联合开发使用磷光材料电视接收机的协议。日本新能源工业技术综合开发机构（NEDO）于今年3月8日启动60英寸OLED和薄膜式显示器研究计划，预算规模为10亿2400万日元。该计划将对研究以单位注入电子可以产生多个光子的机制、开发高效率发光元件材料、以及研究适用于有机膜等的大面积安装技术等进行课题筛选，并确立技术开发方向。在薄膜式显示器及其驱动电路的开发项目中，将对于拥有10ms左右发光保持时间的有机活动式发光元件的研究、高速的有机晶体管、可以印刷的有机薄膜晶体管以及弹性封装技术进行课题筛选，并对技术开发方向等进行可行性研究。此项计划将进一步推动大面积OLED显示技术的快速发展。目前大面积平板显示器主要有PDP、LCD、投影仪和OLED，显示面积分别达到了63英寸、40英寸、50英寸和17英寸，面积增长十分迅速，但“物美价廉”的消费原则将导致消费者最终选择低成本产品。