[ＯＬＥＤ技术及柔性ＯＬＥＤ性能、缺陷的研究] 柔性玻璃介绍及应用

　　摘要：OLED凭借其在厚度、视角以及在发光效率等方面的优势成为目前平板显示技术开发的重点。首先简单介绍了OLED的结构、发光原理、驱动电路、发光材料等基本概念。重点针对柔性OLED，阐述了它的优点、缺陷，并进一步对其性能的改善做了相关研究。
　　关键词：有机电致发光显示器；柔性OLED；性能; 改善
　　中图分类号：TN304 文献标识码：A
　　
　　The OLED Technology，The Performance and Deficiency of Flexible OLED
　　CAO Yan1,2,WANG Hui1
　　（1.School of Electronics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；
　　2.Suzhou industrial park institute of vocational technology，Suzhou 215021，China）
　　Abstract:OLED depends on the superiority of thickness, angle of view, luminous efficiency becomes the key of panel display technology development. This paper introduce the structure, luminescence principle, drive circuit, luminescent materials of OLED simply. The main point is the performance and deficiency of flexible OLED, and the improvement of performance.
　　Keywords: OLED; flexible OLED; performance；improvement
　　
　　引言
　　
　　21世纪是"3C"，即通讯（communication）、计算机（computer）与消费性电子器材（consumer electronics）的时代，处于这样的时代，人们对平面显示器的要求也越来越高。平面显示器，从几十英寸的广告牌到一英寸以下的手机显示屏都有，包括了STN-LCD（超扭转向列式液晶）、TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）以及PDP（等离子平板显示）等各种显示器。OLED（有机电致发光显示器）是开发最晚的，但目前它已成为最具发展潜力以及最有可能取代LCD的显示器。相对LCD，OLED存在许多优势：驱动电压低（10V以下）；自发光、无需背光板、耗电量大大减少；视角广，达170°以上；反应时间快，约为10～100ns；不存在LCD的残影现象；可采用全彩制作，包括RGB三原色制作和白光制作；亮度可高达10，000cd/m2；高发光效率约16lm/w；厚度薄、体积小、重量轻；可制作大尺寸与可挠曲性面板；可使用温度范围大；制程简单，具有低成本优势等。
　　具有以上众多优势的OLED显示器，不存在从侧面看不清楚的问题；也不会有LCD影像残留及画面跳动的情况；不但便宜，而且省电；相对于LCD，颜色更鲜艳，对比更鲜明，而厚度小于2 mm的全彩面板更是只有OLED才能做到。
　　
　　1OLED的基本结构及发光原理
　　
　　 OLED的典型结构如图1所示，用ITO（氧化铟锡）导电薄膜作阳极（正极板），金属作阴极（负极板），中间淀积一层有机发光材料作为发光层。其中的空穴、电子传输层是为了提高发光效率而增加的。OLED利用外加电场使空穴和电子分别从正、负极板注入到空穴和电子传输层，再由传输层迁移至发光层，在发光层相遇形成激子，激发发光分子，发光分子经过辐射弛豫而发出可见光[1]，如图1所示。其发光的颜色取决于有机发光层材料，所以可以通过改变发光层的材料而得到所需要的颜色。
　　
　　
　　
　　
　　
　　2OLED的驱动技术
　　
　　OLED的驱动方式有主动式（即AM-OLED有源驱动）和被动式（即PM-OLED无源驱动）两种。驱动的电路设计原理如图2所示。无源式驱动电路主要用于小尺寸面板的驱动，这种驱动方式工作在高脉冲电流下，这会使得像素的寿命缩短，而且其分辨率较低，但它的制作成本较低、而且工艺简单。与无源式相反，有源式驱动电路成本比较昂贵、制作工艺也相对比较复杂，但因不需在高脉冲电流下工作，所以效率较高，寿命也较长，主要用于大尺寸、高分辨率、高信息容量的全彩化OLED显示产品[2]。
　　
　　3OLED的发光材料
　　
　　OLED的发光材料既有分子量介于500～2，000之间的小分子化合物，也有分子量约为10，000～100，000的高分子聚合物。
　　八羟基喹啉铝（Alq3）是常用的小分子发光材料，它可辐射出波长在450nm～700nm之间的绿光，峰值为550nm，其分子结构如图3所示。如果在Alq3中掺入其它杂质或用其它元素（Mg、Zn等）取代铝，就可得到不同颜色、不同亮度的辐射光。
　　
　　有机小分子的结晶现象降低了OLED器件的使用寿命，而且为了提高发光效率，小分子OLED大多采用多层结构，器件装配比较困难，大面积显示的成本则更高。而高分子聚合物具有强的挠曲性、易加工成型、不易结晶、同时链状共轭聚合物的能带隙数值与可见光能量相当、可溶性聚合物优良的机械性能和良好的成膜性，这些都使得高分子聚合物更加适合大面积显示。聚对苯乙烯、聚噻吩和聚烷基芴是常用的高分子聚合物发光材料。
　　无论高分子材料还是低分子材料用于OLED都要满足以下条件：高量子效率的荧光特性，荧光光谱主要分布可见光区域；有高的导电率，能传导电子或空穴；成膜性好，在几十纳米的薄层中不产生针孔；良好的热稳定性。
　　OLED的发光颜色取决于有机发光层材料，所以可通过改变发光层的材料而得到所需要的颜色，通常是向发光层主体材料中掺入有机染料来改变辐射光的颜色。掺入的有机染料需满足：高量子效率、染料的吸收光谱与主体材料的发射光谱重叠较好、红绿兰三原色的发射峰尽可能窄、稳定性好。掺入DCM、DCJTB和TPBD可得到红色辐射光，掺入Coumarin6、quinacridone和Coronene等可得到绿色辐射光，掺入OXD-（P-NMe2）和Distyrylary－lene等可得到蓝色辐射光。
　　
　　4柔性OLED及其存在的问题
　　
　　2003年，台湾交通大学OLED试验室的陈金鑫教授研究开发出可卷曲OLED（也叫柔性OLED，即FOLED）。传统的OLED器件采用玻璃作基板，在其上镀一层ITO导电薄膜作为有机电致发光显示器的阳极，而柔性OLED则用塑料衬底代替了玻璃衬底。
　　
　　4.1FOLED的优势
　　（1）柔韧性：FOLED的阳极基板可以是具有良好的柔韧性和透光性的塑料基片(典型的是PET基片)、反光的金属箔以及非常薄的玻璃基片(如50μm厚的Schott D263 borosilicate glass硼硅玻璃)等。这些材料使得OLED能够弯曲，并且可以卷成任意的形状；
　　（2）重量轻、外形薄、耐用性好：FOLED最常用的衬底是聚酯类塑料衬底，其柔韧性很强，既轻又薄(FOLED重量约为同等面积玻璃衬底OLED的十分之一，厚度约为125～175μm左右)[3]。由于衬底的柔韧性很好，因而FOLED器件一般不易破损，更耐冲击，与普通玻璃衬底的器件相比更加耐用；
　　（3）成本更低，性能更好：随着可实现连续化滚筒式生产的有机气相淀积工艺的出现，FOLED的生产成本更低，而且可实现大规模量产。目前制作的FOLED器件的亮度高于5×104cd/m2，发光效率可超过400lm/W，与制作在玻璃衬底上的OLED相比FOLED的性能显得更好。
　　
　　4.2FOLED存在的问题
　　选择柔性衬底作为OLED的基板时，由于衬底本身的性质，给器件和制作过程带来了很多问题。
　　（1）平整性较差：通常柔性衬底的平整性要比玻璃衬底差，这不符合表面要求。大部分淀积技术是共形的，制备的薄膜会复制衬底的表面形态，使得衬底以上的各层都凹凸不平。这会造成器件的短路，引起器件损坏；
　　（2）熔点低：柔性衬底的熔点很低，而OLED基板的工艺温度却很高，所以，在制作过程中柔性衬底会变形甚至熔化[4]。即使温度较低的环境中，柔性衬底尺寸也不稳定，这给多层结构的OLED制作在精确地整齐排列上带来了很大的困难；
　　（3）寿命短：OLED对水蒸汽和氧气都比较敏感，而大部分柔性衬底的水、氧透过率均比较高（表1[5]为几种常见的柔性衬底材料每天对水、氧的渗透速率）。当水汽和氧气进入到器件内部时，会影响阴极与发光层之间的粘附性、使有机膜层内发生化学反应。这些都会导致器件的光电特性急剧衰退，造成器件迅速老化、失效。与玻璃衬底相比，塑料衬底对水汽和氧气的隔离及对器件防老化的保护作用都不够理想，无法满足显示器连续工作超过10，000小时的寿命要求；
　　（4）ITO薄膜易脱落：为了配合熔点低的柔性衬底，只能在低温下淀积ITO导电薄膜，制成的ITO导电薄膜电阻率高、透明度差，与柔性衬底之间的粘附性不好，在弯曲时易折裂，造成器件失效[6]。由于常用的柔性衬底PET与ITO的热膨胀系数相反，在温度变化时，一个收缩，另一个则膨胀，因此ITO薄膜比较容易脱落重。另外，在工作过程中，也会因为器件发热而导致ITO导电薄膜脱落。
　　
　　4.3提高FOLED器件的使用寿命
　　影响FOLED使用寿命的主要原因是衬底的水、氧透过率太高。因此，重点在于如何解决水、氧的渗透：
　　（1）在柔性衬底上淀积一层防止气体向塑料衬底内扩散的致密的介电材料，此介电层要无针孔、无晶粒边界缺陷；
　　（2）为器件加上一个柔性聚合物盖板，在基板和盖板上制作阻挡层用以阻挡水、氧的渗透；
　　（3）采用金属箔作为FOLED的衬底，箔的水汽透过率低，而且可承受高温制作工艺，这种FOLED通常为上发光型OLED；
　　（4）将显示器密封在干燥的惰性气体氛围中，也可以将氧化钙、氧化钡等吸附剂加入到显示器的密封壳中除去残留在内部的水和氧气；
　　（5）对柔性衬底和制备好的FOLED器件进行多层膜包覆密封，这也是目前的发展、研究重点，典型代表技术是Barix技术。Barix技术是由环球显示公司、Vitex系统公司以及Battelle公司合作开发的。
　　Barix技术是利用真空镀膜工艺制备有机高密度介电层与无机聚合物交替而成的多层结构，有效地避免了层与层之间的相互影响。聚合物在真空中淀积、交联，形成一种聚丙烯酸酯膜，将有机薄膜沉积在聚合物膜层上，成为阻挡水、氧渗透的屏障。Barix结构的最后一层是ITO层，这一层就可以作为OLED的阳极。此外，这种结构中的聚合物层还能使衬底表面光滑，阻挡层还可根据具体要求将衬底裁剪成任意形状，以满足各种显示器的需要。
　　M．S．Weaver等人描述了一种用于柔性OLED的多层膜阻挡结构。采用175μm厚的PET作为衬底的OLED，其结构为：ITO（160nm）/CuPc（10nm）/α-NPD（30nm）/CPB（30nm）/BAlq（10nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm），在Al上交替淀积有机和金属薄膜。这样一种FOLED，采用4～5层交替的聚乙烯薄膜和无机氧化物薄膜对其进行封装。而测量结果表明这种器件每天的水汽透过率小于 、初始发光亮度为425cd/m2，符合柔性OLED的实用要求[7]。
　　
　　4.省略。