有机电致发光显示，即有机发光二极管（OLED）显示是通过电流驱动有机半导体薄膜来达到发光和显示的目的。
中文名有机电致发光显示
特 点宽视角、快速响应、能耗低
类 型一种平板显示器技术
用 途用作全固体的显示器件
简要概述
OLED具有既薄又轻、主动发光、宽视角、快速响应、能耗低、低温和抗震性能优异以及潜在的柔性设计等优点。OLED为全固态器件，无真空腔，无液态成分，所以不怕震动，使用方便，加上高分辨力、视角宽和工作温度范围宽等特点，在武器装备和恶劣环境领域将会得到广泛应用。此外，OLED还可作为显示领域的平面背光源和照明光源应用。因此，OLED具有良好的发展前景，目前在寿命和生产成本方面还需要进一步改善。
按照使用有机发光材料的不同，OLED可分为两种不同的类型：一种是以有机染料和颜料等为发光材料的小分子基OLED；另一种是以共轭高分子为发光材料的聚合物OLED（PLED）。OLED技术研究最早始于20世纪60年代，但是直到1987年柯达公司的C.W.Tang等人首次宣布小分子OLED器件的双层结构，OLED技术的前景才明朗起来。1990年，英国剑桥大学Friend和Jeromy Borrough等人发表了基于有机高分子发光材料的PLED新技术，并随后创办了CDT公司，专注于PLED显示技术的开发和推广。
经过10多年的研发努力，OLED已经步入产业化阶段，PLED已开发出显示样品。1997年日本先锋电子公司退出了世界第一个商品化的汽车音响OLED显示屏产品，目前在北美、欧洲、日本、韩国、中国有许多家公司正在投资开发OLED产品。有机电致发光显示发展至今，仍然是一种并不完全成熟的新技术，无论是技术发展还是产品开发方面均存在很大的发展空间，今后要开发新型OLED/PLED有机材料、完善生产工艺、改进驱动电路，以期进一步提高器件性能和市场竞争力。
OLED的基本知识
OLED/PLED是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件，器件的发光效率和寿命受到器件结构的直接制约，合理地设计器件结构，对于提高器件性能、优化制备工艺是十分重要的。经过多次改进，同时考虑制作成本，目前典型的OLED器件结构如图1-1所示。它由前玻璃基板、ITO透明显示电极（阳极）、空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层、金属电极（阴极）组成。对PLED来讲，聚合物的长分子链结构保证了聚合物薄膜的平整、均匀性，而且可以同时引入空穴基元、发光基元和电子基元，因此单层聚合物器件也可以有较好的性能，同时尽量减少制作成本，聚合物器件往往采用较简单结构。典型结构只有前玻璃基板、ITO透明显示电极（阳极）、空穴传输层、发光层、金属电极（阴极）。当电极上加上适当的电压时，发光层就产生光辐射。辐射光可从ITO基板一侧观察到，金属电极同时起反射层的作用。在实现彩色显示方面，有机电致发光显示与无机电致发光显示类似，可以采用三基色光的空间混合，或宽谱“白色”光通过三基色滤色器、或蓝光转换法。
通过材料设计，有机电致发光材料的发光可以覆盖整个可见光区。对于具体器件，还可以通过利用能量传递的机理，在有机基质材料中掺杂荧光或磷光染料来获得高效率、长寿命和所希望的发光颜色的器件。
三基色红、蓝、绿独立发光是目前采用最多的彩色模式，技术重点在于提高发光材料光色纯度与效率，小分子器件所面临最大的瓶颈在于红色材料纯度、效率与寿命等，而聚合物器件在蓝光材料方面的效率和寿命都有待提高；白光滤色和蓝光转换法在光效率方面，相对于红、蓝、绿三色独立发光要差。
OLED器件工作原理
OLED发光的工作原理可简单地分为以下几个过程：
1、 在外加电场的作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机薄膜层注入。
2、 注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移。
3、 电子和空穴在发光层中相遇产生激子。
4、 激子在有机固体薄膜中不断地作自由扩散运动，并以辐射或无辐射的方式失活。
5、 当激子由激发态以辐射跃迁的方式回到基态，就可以观察到电致发光现象，发射光的颜色由激发态到基态的能级差所决定。能量的能级示意图如图1-2所示。激发态的能量可以通过以下的几种方式释放：（1）通过振动弛豫、热效应等耗散途径使体系能量衰减；（2）通过非辐射跃迁耗散能量，比如内部转换、系间串扰等形式，如S1->T1。（3）通过辐射跃迁的荧光发光（S1->S0，S2->S0）和磷光发光（T1->S0）。
对于聚合物电致发光过程则解释为：在电场的作用下，将空穴和电子分别注入到共轭高分子的最高占有轨道和最低空轨道，于是就会产生正、负极子，极子在聚合物链段上转移，最后复合形成单重态激子，单重态激子辐射跃迁而发光。
有源矩阵OLED
与液晶显示一样，有机电致发光显示的驱动方式有无源驱动和有源驱动两大类。无源驱动方式为多路动态驱动，亮度受扫描电极数的限制。有源矩阵的驱动方式属于静态驱动方式，有源矩阵OLED具有存储效应，应进行100%负载驱动，不受扫描电极数的限制，从而实现大容量显示。OLED/PLED有源驱动是在器件基板上制作TFT阵列。
无源驱动矩阵的像素由阴极和阳极单纯基板构成，阳极和阴极的交叉部分可以发光，驱动用IC需要由TCP或COG等连接方式进行外装。有源驱动的每个像素配备具有开关功能的TFT，而且每个像素配备一个电荷存储电容，外围驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一基板上。需要指出的是与LCD相同的TFT结构，无法用于OLED，这是因为LCD采用电压驱动，而OLED却依赖电流驱动，其亮度与电流量成正比，因此除了进行像素控制之外，还需要能让足够电流同的导通阻抗较低的TFT。OLED属于电流驱动，要求较大的载流子迁移率，因此迁移率较低的非晶硅TFT应用于OLED难度较大。单晶硅TFT虽然载流子迁移率高，但制备大面积单晶硅TFT目前还有许多困难，单晶硅TFT一般应用在硅基OLED微显示上。多晶硅TFT根据制备温度的不同，又可分为低温多晶硅TFT和高温多晶硅TFT。低温多晶硅TFT具有较高的迁移率，在较低温度下制备，因此它易于把外围驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一玻璃基板上，比较适合在大型玻璃基板上制作TFT-OLED。通常OLED器件发光层的光从驱动该面板的TFT基板上的开口部射出，由于开口率的问题，有部分光被当掉了。为了提高器件的亮度，可将器件设计成让光从盖板方向射出，则能提高光的射出效率。
TFT-OLED具有一些独特的优势，主要是可以实现高亮度和高分辨力、低功耗，易于实现彩色化，易于提高器件的集成度和小型化，易于实现大面积显示。但是工艺复杂、设备投资大，因此成本比较高。目前，对于大尺寸的TFT-OLED，已经有了很大的发展，14.1英寸的TFT-OLED已经可以批量生产，韩国三星公司展出了40英寸HDTV的样机，为今后大尺寸OLED电视的发展铺平了道路。
小分子OLED
有机小分子器件所用的材料主要包括空穴传输层材料、电子传输层材料、发光层材料以及电极材料等。由于在器件中的功能不同，对这些材料的物理化学性能有不同的要求。
空穴传输层材料：主要是芳香胺类、吡唑咻类和咔唑类化合物。具有良好的空穴传输特性；具有较低的离化势，易于由阳极注入空穴；其激发能量高于发光层；具有良好的成膜性和较高的玻璃化温度，热稳定性好，可以用真空蒸发法形成致密的薄膜。
电子传输层材料：具有良好的电子传输特性；具有较低的电子亲和势，易于由阴极注入电子；其激发能量高于发光层；成膜性和化学稳定性良好。
发光层材料：要具有高效率的固态荧光，无明显的浓度淬灭现象；具有良好的化学稳定性好热稳定性，不与电极和载流子传输材料发生反应；材料易形成致密的非晶态薄膜且不易结晶；具有适当的发光波长；具有良好的电导特性及一定的载流子传输能力。小分子发光材料有8-羟基喹啉铝（Alq3）等。
电极材料：阴极主要采用以下几种形式，单层低功函数金属，如Mg、Ga、Li、Ag、Al、In等，其中最常用的是Al，原因是其稳定性和价格是首要的考虑因素；合金阴极，由于低功函数的金属化学性质活泼，容易氧化，常和稳定的金属一起共蒸形成合金，如Mg：Ag、Li：Al等；层状阴极，由一层绝缘材料和外面一层较厚的金属Al组成，如LiF/Al双层阴极，其电子注入效率和发光效率都有较大的提高。阳极绝大多数采用ITO玻璃，在可见光区有高透射率，高的红外反射率和良好的导电性能。
OLED显示屏的制备工艺，除TFT阵列之外，主要涉及薄膜工艺和表面处理技术。制备过程中的关键技术包括ITO基片的预处理、有机小分子功能薄膜的制备和预封装技术等。
ITO玻璃的选择、阳极界面漏电流和器件串扰等现象与ITO薄膜的质量密切相关，直接影响器件的寿命和稳定性，必须严格控制ITO薄膜的质量。其中有ITO薄膜的平整度、结晶性、择优取向特性、晶粒大小、晶界特性、表层碳和氧含量以及能级大小等。对ITO薄膜进行预处理是为了改变ITO的表面状态，使得ITO的表面能级与空穴传输层的能级相匹配。现在常用的ITO表面处理方法有紫外线—臭氧处理和等离子体处理两种。
有机功能薄膜的制备通常采用真空蒸镀沉积成膜，在真空中加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面逸出形成蒸汽流，淀积到衬底或基片的表面，凝结形成固态薄膜。在工艺过程中，材料的稳定性非常关键。
在OLED制备过程中的另一个关键技术就是封装。一般采用多层膜预封装，例如，用SiO2、MgF2和InO3膜等对器件进行预封装，然后再用环氧树脂和平板玻璃进行最终封装。预封装的目的是保护有机材料和金属电极不受水、氧的破坏，并使渗入封装内部的水、氧被再次隔离，延长器件寿命和提高稳定性。封装干燥剂，使渗入封装内部的水、氧和干燥剂反应吸收，一般在封装玻璃上蒸镀CaO和BaO干燥剂薄膜或者在封装玻璃上粘贴CaO和BaO干燥剂，对提高器件的寿命和稳定性是非常有效的。封装胶、紫外封装能量和温度以及加温时间直接影响器件的寿命和稳定性；氮气、氩气等不同封装气氛对器件的寿命和稳定性也有较大的影响，必须加以优化。
高分子OLED
高分子有机电致发光显示的聚合物材料一般要满足：在可见光区具有较高的荧光量子效率；具有良好的成膜性；具有良好的载流子传输特性；具有良好的热和化学稳定性。聚合物材料具有制备简单、成本低的特点，而且通过调节聚合物的分子链结构可以改善有机功能薄膜的性质，但是其纯度不易提高，在寿命、发光效率等显示性能方面仍有待改善。
PLED有机功能薄膜的制备采用湿法工艺，常常采用旋转涂覆和喷墨打印技术。旋转涂覆的优点是能实现大面积均匀成膜，缺点是无法控制成膜区域，因此只能制备单色器件，另外旋涂对聚合物容易的利用率也很低。采用喷墨打印技术，不仅可以制备彩色器件，也可以制作图形与文字，适合制作大面积显示屏。适合塑料与玻璃软硬两种基板，以及无需去除边缘膜层，可直接进行封装与电路连接等。表1-3是旋转涂覆与喷墨打印技术的比较。
表1-3 旋转涂覆与喷墨打印技术的比较
| 特性 | 旋转涂覆 | 喷墨打印 |
| 图案化能力 | 无 | 可达毫米分辨力 |
| 材料使用效率 | 浪费较大 | 几乎没有浪费 |
| 多彩化能力 | 无 | 适合 |
| 基板要求 | 硬质玻璃基板 | 玻璃与塑料基板皆可 |
| 封装与电路连接 | 需先去除边缘的高分子膜层 | 直接作业 |
喷墨打印技术被认为是最适于制备大面积PLED显示面板的技术。喷墨打印工艺技术需要整合喷墨精密定位机构、聚合物墨点材料及工艺控制等方面，其技术门坎相对较高。一般的发光高分子材料并不适用于喷墨工艺，需再针对喷墨工艺做调整，如分子量、使用溶剂、浓度与黏度等。在PLED器件工艺中，大面积的连续膜层采用旋转涂覆法或其他工艺制作，以减少针孔等缺陷的影响，提高制备的良品率。
应用和前景
OLED/PLED为全固态器件，具有不怕震动、重量轻、分辨力高、视角宽、工作温度范围宽等特点，将在军事装备领域得到广泛应用。随着技术的不断成熟，OLED/PLED首先在小尺寸领域向LCD展开竞争，然后逐步向中尺寸和大尺寸屏幕发展，争夺具有巨大市场空间的HDTV显示终端。同时利用自身的特点开拓新的应用领域，其中柔性显示屏具有潜在的应用空间。
对于柔软屏器件而言，基片是影响其效率和寿命的主要因素。柔软屏采用的塑料基片与玻璃基片相比，有以下缺点：平整性差，容易引起器件损坏；塑料基片的水、氧透过率远远高于玻璃基片，造成器件迅速老化；塑料基片的软化点较低，限制了高温工艺的实施。为此，人们对塑料基片进行了改进，改善塑料基片的表面平整度，增加其水，氧阻隔性能，聚合物交替多层膜技术被认为是改善塑料基片性能行之有效的一项技术。此外要实现在低温下制备高电导率的透明导电膜和低温制作TFT技术等。
OLED/PLED作为全固体的显示器件，最大优越性之一在于能够实现柔软屏，例如，在金属箔、塑料基片等柔性基板上，制成电子报刊、墙纸电视、可穿戴的显示其等产品。“便携式柔性通信显示设备”可佩戴在士兵的手腕上，可以与附近的计算机进行无线通信，从而使士兵能够实时看到关键的视频及图表信息，提高战斗力。
此外，典型的OLED器件都采用透明导电的ITO作阳极，不透明的金属层作阴极。而OLED中采用的发光材料在可见光区都有很高的透射率，因此只要采用透明的阴极就可以实现透明的OLED器件。透明OLED还可以用在镜片、车窗上以及机载、车载座舱等地方，平时不加电时透明，在通电时提供所需要的信息，而不影响前方视野。
可见，OLED/PLED在军民两用市场都有很大的发展潜力。
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