OLED背光源技术研究进展

2012-04-21来源: 光电显示网关键字:白光  有机发光  固态照明  平板显示

  引言

  液晶显示器(LCD)以其平板化、低功耗、无电磁辐射、高分辨率、高对比度、数字式接口、易集成和轻巧便携等优点,大量应用于电脑显示器、电视机等显示领域,在平板显示器中处于主流地位。液晶显示器作为一种被动显示器件,由于液晶本身并不发光,LCD需要通过外部光源实现透射或反射来显示。背光源是TFT-LCD(薄膜液晶体显示器)光源的提供者,背光源的表现便决定了液晶显示器表现在外的视觉感,因而背光源是液晶显示器件不可或缺的重要组件。

  目前,液晶TV的背光源主要是冷阴极管(CCFL)光源,由于CCFL光效低、寿命时间短、色域表现差、亮度调整范围小、能耗大、响应时间长、安全系数低、含汞有害气体不环保等缺陷,2006年欧盟的环保法规将导致目前的LCD主流光源CCFL逐渐遭到停用。背光源占液晶显示器所有材料成本的20%~30%,液晶显示器为保持在未来市场的竞争力,开发设计新型的背光源新技术成为一个重要的课题。

  高亮度白光LED光源不仅使电视厚度和重量均实现大幅度减少,同时还拥有更高的可靠性和稳定性;节能方面,LED的亮度可以随着画面的亮度进行主动调节,相比液晶电视有效节能可以达到30%以上;环保方面,LED背光源其优势在于完全不含铅和汞等有毒有害物质,是真正的绿色环保光源。LCD产业即将进入由LED取代CCFL的革命时期。

  有机白光OLED除了具有无机LED上述优点以外,相较于无机LED,有机蓝光可以轻易的获得,并且只要在有机发光主体层中掺杂红、黄色的染料(dopant)后,就可以轻易得到白光,或是利用多层发光层来组成白光。另外,由于OLED是利用真空热蒸镀法及印刷、旋转涂布法来沉积薄膜,因此,大面积制程较简单且制造成本较低,较易达到降低成品以与日光灯竞争之目标。由于OLED属于面光源,相较于LED的点光源,更适合液晶显示器的背光源,因此OLED有机会成为新时代液晶显示器背光源的主角。

  1 背光源技术概况

  液晶显示器件(LCD)是一种被动式的平板显示器件,由于液晶材料本身不具发光特性,因此,必须在LCD面板后加上一个发光源才能达到显示效果,背光模块即是提供LCD显示器背面光源的关键组件。一个好的LCD器件背光源,一般应具有亮度高、发光均匀、成本低、可调、功耗低、轻薄且不易损坏等性能且最好是面光源。

  采用CCFL做液晶显示屏的背光源时,其显示品质有很多不足,例如:(1)显示清晰度不高:CCFL总在带电状态照亮屏幕,即使所显示图像的部分内容应该是黑色时CCFL还是处于点亮状态。缺少深黑效果影响了图像的视觉清晰度。(2)色彩饱和度有限:由于荧光物体现的颜色有限,因而显示器色彩饱和度也有限。而采用LED作为液晶显示屏的背光源时,驱动电路复杂,背光整体结构复杂和制备成本高等不足。

  2 OLED背光源关键技术及其进展

  OLED和LED一样都是一种半导体电-光转换型器件,上述开发出的LED背光源技术同样适合于OLED背光源。二者也有区别:OLED是有机面光源,采用低成本的真空蒸镀、旋转涂布以及喷墨打印等技术制备;而LED是无机点光源,采用昂贵的MOCVD技术制备。

  由OLED背光源是一种具有高亮度、广色域、耐冲压、低电压、轻薄和功耗低等特性的反射式二维面光源,其阴极金属层是高反射率的镜面反射层,因此OLED背光源不需要导光板、散光板等导光、匀光辅助光学配件,就可以将光发射层发出的光直接反射到LCD,很好地符合了LCD对背光源的要求。

  OLED背光源发展虽然不足10年,但是已经取得了长足的进步。经过最近几年的发展,OLED背光源已克服了初期的寿命与光效方面的问题,进入了试验性使用阶段,世界上许多相关厂家已在制定生产LCD用的OLED背光源计划。

  2.1 白光OLED发光效率的提高白光OLED经过10多年的研究,发光效率一直在不断提升,尤其近两年,器件的发光效率更是突飞猛进。

  2004年,GE公司展示了16块小面板拼成的白光OLED光源,每块小面板尺寸为50 mm*50mm,色温为4 000 K,显色指数(CRI)为88;功率效率为15 lm/W。

  2006年,Philips-Nova led联合开发出了在1000 cd/m2亮度下效率为32 lm/W、显色指数为88、寿命为20000 h的白光OLED;Konica M inolta公司展示了亮度1000 cd/m2、功率效率为64 lm/W、寿命达20000 h的白光OLED。

  2007年,美国环宇UDC制造出在1000 cd/m2亮度下效率为45 lm/W的磷光白光OLED;Novaled取得了在1000 cd/m2亮度下效率为35 lm/W、显色指数为90、寿命100000 h的白光OLED。

  2008年, Philips-Nova led联合开发出了在1000 cd/m2亮度下效率为50 lm/W、寿命10000 h的白光OLED;美国环宇UDC开发出了在 1000 cd/m2亮度下发光效率可达100 lm/W、显色指数为70、色温3900 K、寿命为8000 h的磷光白光OLED。这是目前白光技术方面的最高效率,超过了传统荧光灯的效率,昭示了白光OLED进入照明市场的迅猛势头。

  2.2 白光OLED寿命及稳定性提高

  由于OLED中的有机功能层对水、氧气非常敏感,易与渗入的水汽或氧气反应形成不发光的黑点。另外,有机层别是空穴传输材料在室温下也会发生结晶化,并随着环境温度的升高而加快,导致在较高温度下有机发光器件的寿命大大缩短。所以,寿命是白色OLED光源实用化的一个重要指标。白炽灯的平均寿命为750~2500 h,而荧光灯的平均寿命约20000 h。寿命短一直是OLED光源发展的一大瓶颈,但近两年来白光OLED光源的寿命还是得到比较大的提升。

  2008年,UDC公布了一款初始亮度1000 cd/m2下寿命为20000 h的全磷光白光OLED 器件。该白光器件寿命很长,说明其中所用的蓝色磷光材料较稳定。Idem itsu公布了一款初始亮度1000 cd/m2下寿命达到70000 h的全荧光白光OLED器件。清华大学与北京维信诺开发出了初始亮度1000 cd/m2下寿命超过100000 h的全荧光白光OLED器件。Nova led公司利用蓝色荧光和绿色、红色磷光材料开发出了初始亮度1000 cd/m2下寿命超过100000 h的叠层白光OLED 器件。

  2.3  点阵式与面板式大面积OLED的制备

  一般利用真空热蒸镀法或喷墨印刷、旋转涂布法来沉积有机薄膜,但OLED膜厚通常只有100 nm左右,这样制成的有机膜容易出现不致密不连续,难以实现较大面积OLED均匀发光,如何实现发光均匀的较大面积面光源将是制备LCD用OLED背光源首先要解决的问题。目前,制备较大面积OLED器件通常有两种方法:一种是点阵式发光,一种是整面式发光。

  现有LCD用OLED背光源大多采用整面式发光方式。由于OLED器件的阳极一般采用的是电阻比较大的透明电极ITO,而且OLED本身为电流注入型器件,致使较大面积光源屏体的电流分布不均匀,从而导致整个屏体发光均匀性比较差,影响LCD显示效果以及OLED背光源本身的发光稳定性。而且,由于整面式发光OLED背光源在LCD显示过程中始终处于亮的状态,这势必导致OLED背光源耗电量也比较大。

  点阵式发光,就是制备很多相互间隙很小的小发光点,这些小发光点同时发光来达到整面发光的效果。这些小发光点可以全部并联在一起也可以全部串联在一起。小发光点全部并联在一起的优点是容易制备,即采用常用的光刻以及阴极隔离柱制备方法就能达到,缺点就是所有的小发光点中只要有一个小发光点短路将会导致整个器件失效。小发光点全部串联在一起的优点是所有的小发光点中某一个或者几个小发光点短路不会影响整个器件发光,缺点就是要实现这种制备方法工艺上存在很大困难。具有相同有效发光面积的点阵式发光器件发光总体性能高于整面式发光器件。

  清华大学邱勇团队申请的专利液晶显示器及其背光源,就是采用点阵式OLED背光源。其像素设置为与液晶面板中的像素相匹配。减少背光源功耗,提高背光源发光均匀性和发光稳定性,亦有利于提高LCD器件的显示效果。

  2.4 喷墨印刷制备大面积OLED

  旋转涂布(spin-coating)是制备PLED溶液涂膜最常用的技术,其制作程序虽然快速、简易,但存在着很大的局限性:膜厚的均匀性不够以及无法达到面板上RGB精准定位。

  美国Arizona大学的Jabbour教授发展Screenprinting 技术,目前已经成功开发全彩PLED显示器的喷墨打印( ink-jet printing,IJP) 薄膜制备技术。目前开展此项技术开发的PLED研究群还有CDT与Seiko-Epson、Philips、Covion 与Litrex、Toshiba和中国台湾工研院等。

  利用PLED喷墨打印制造设备,采用发光材料共混技术,通过实时控温技术,调整打印溶液的挥发速率,进而调节打印薄膜的均匀性,实现打印溶液的高速、平稳输出,可以实现在大面积基板上连续、稳定的打印高分子溶液,制备大面积均匀的OLED背光源面板。华南理工大学曹镛团队通过导电银胶替代金属阴极,在国际上率先实现了全印刷制备OLED 面板。

  2.5 偏极化的OLED技术

  OLED具有自发光、轻、薄、省电等优势,若开发具有偏极化的OLED材料与制程技术,可替代现有LCD用背光源并省去下偏光板的使用。高分子OLED(PLED)具有制程容易、易量产及易大面积化等优点,偏光O/PLED 器件在LCD的背光应用上能取代背光源及一片偏光板,因此能得到更小的功耗及更高的亮度,能够减少偏振片的数目简化制造程序及降低成本,在LCD背光源照明领域的应用前景更值得期待。在目前OLED市场上,还是以小分子材料OLED居多、高分子OLED居少,但在偏光研究方面,以小分子为偏振发光薄膜的研究却很少。

  聚合物分子在PLEDs发光层中是无规则排列的,但如果通过一定方法使聚合物分子链在特定方向上有序排列,使发光层具备二向色性,就可以得到在这个取向方向上的线偏振光发射。实现偏振发光的方法很多,比如机械拉伸法,摩擦转移法和分子自组装法。国际上对偏振PLED的研究也不是很深入。产生偏振OLED的方法需要将发光分子沿一个方向形成非均向性排列。目前在有机发光偏振OLED元件的发展上,是以高分子或聚合物材料的非均向成膜为主。

  1995年Dyreklev首先以伸展分子排列的方法将poly ( 3- ( 4-octy lphenyl ) -2, 2-bithiophene )( PTOPT ) 长在polyethy lene ( PE )薄膜上, 拉伸成原來长度两倍长,然后将拉伸的PTOPT 转移到EL元件上,做成发出偏振光的电激发光EL元件,偏振比(平行分子排列方向的光强除以垂直分子排列方向之光强)为2-4, 但此方法有许多缺点,如复杂的薄膜转移方式、机械拉伸的控制等。此后聚合物偏振发光的研究开始在一些科研结构开展。

  另一方法为液晶配向膜技术之应用,M-H amaguch i等人首先将此摩擦配向的方法用在共轭高分子材料alkoxy-substituted PPV 上, 并做成包括电洞注入层的PrecPPV、摩擦配向的发光层alkoxy-substituted PPV 及电子传输材料( 2- ( 4-biphenyly l) -5- ( 4-tert-buty lpheny l) -1, 3,4-oxadiazo le, PBD) 的偏振光OLED 元件, 偏振比为4, 而此方法为目前制作偏振光OLED元件的较理想的方法。

  对于聚合物电致发光材料, 将发光层制备在预先经过摩擦的定向层上, 再经过退火过程使发光分子沿着定向层的方向有序排列, 是实现偏振发光更为简便的途径。D-Sa inova和M-M isaki等人分别通过光定向层和磨擦转移法实现PFO蓝光偏振电致发光。与不导电的聚酰亚胺相比, 导电聚合物对苯撑乙炔( PPV )和3, 4-乙撑二氧噻吩: 聚苯乙烯磺酸( PEDOT: PSS)由于本身具有空穴传输能力, 成为应用最普遍的定向层材料。K-S-W hitehead和P-Strohr iegl以摩擦后的PPV做定向层分别实现了蓝光和绿光的高偏振度发光。由于水溶性特性不易受发光层溶剂坏,PEDOT: PSS在PLED 器件的应用更加广泛。

  S-H- Chen通过分子设计合成不同波长的芴基齐聚物, 并实现偏振发光, 但分子量较低的齐聚物在实际应用中必然具有较低的稳定性。D-X-Zhu等首次实现了单一白光聚合物的偏振电致发光,并利用F-B色散模型研究了取向薄膜不同偏振方向的光学常数。

  目前为止, 国外针对聚合物偏振发光的研究,多集中于摩擦定向法,这样在一定程度上会对定向层带来机械损伤;白光聚合物偏振器件是通过不同发光波长聚合物共混实现的,而作为由于共混物在使用过程中不可避免的相分离。

  2.6  OLED与LCD匹配技术

  由于OLED背光源器件是电流驱动的自发光体,一般小尺寸的OLED需要一组正电压(Vdd )和一组负电压(Vss)供电,而手机电源规格是:Vdd电压大约为2-5V,Vss电压范围为-10~ -7 V。而这两种产品的输入电源通常为一节锂电池,电压范围约为3~ 4.2 V。所以如果要将所制备的OLED背光源器件与LCD屏很好地匹配,必须设计背光源供电解决方案。

  奥地利微电子发布DC/DC升压转换器AS1343,可由低压输入产生LCD或OLED显示器的偏压, 进而优化单节电池供电应用的整体性能。AS1343由2节或1节AA 电池供电时, 分别可提供24V和40mA或12V和30 mA驱动能力, 并可提供5.5 ~ 42 V的可调输出电压。AS1343工作于0.9~ 3.6 V单输入电源, 1MHz的固定开关频率允许使用微型、超薄电感和电容,可最大限度地减少PCB占位面积。

  3  OLED背光源产业现状分析

  2003年, 美国能源部以460万美元资助Osram公司开发OLED照明技术。欧盟在2005年二月宣布斥资2000万欧元支持45个月的欧盟有机白光计划。欧盟成员国的14个大学研究机构及电子公司参与了这个计划。该计划称为OLLA计划, 由飞利浦公司的Peter Visser担任OLLA的计划主管, 这是至今所见到的最大的一项支持有机白光照明计划。

  在国外白光OLED相关专利前十位申请人中,日本有八家公司,其他两家分别是韩国和美国企业。日本企业在白光OLED领域的强大优势,申请量最多的企业是三星SDI株式会社。前十位申请人其专利技术专题集中于电致发光光源、有机光电器件以及发光材料等方面。在OLED照明应用上, Osram、飞利浦( Philips)、GE等照明厂商,大多处于产品的研发阶段,尚未正式推出白光OLED的照明产品。

  近年来,随着OLED发光效率及使用寿命的逐年提高, 在AMOLED显示面板新时代来临之前,借助成熟的面板制备工艺技术, OLED正在成为LCD面板另一最佳的平面式背光源技术。在OLED背光市场, 日本、德国及中国台湾地区占据了领先地位, 但现阶段OLED背光源尚处于新技术与其新市场开发阶段。

  在开发LCD用的OLE背光源方面, 英国牛津大学A-M ostery等人进行了卓有成效的工作。他们先后开发出了一种绿光、两种蓝光的LCD用的OLED背光源。美国通用公司开发出了较大面积的面光源形式的白色背光源。Universal Display最近开发出高亮度高效率的白色磷光背光源。最近有人已经在研究制作柔性衬底的OLED背光源。

  日本Tohoku Device已于2006年底, 开始正式量产橙色、蓝色两层发光材料来发出白光的1.5英寸( 37.5mm ) OLED 背光源, 亮度为1000 cd/m2, 发光寿命超过10000 h, 厚度为1.5英寸( 37.5mm )。应用于STN-LCD 面板用背光源的手机, 同时将开始向BRICs (巴西、俄罗斯、印度、中国) 供货。因OLED背光源则不需要使用导光板和扩散膜, 其价格能与LED 背光模块接近。

  日本Rohm公司于CEATEC JAPAN 2007上展示了一款可发出蓝色、绿色与红色三波长型白光OLED面板的背光源, 其亮度5000 cd /m2, 平均演色性Ra为80, 厚度1 mm。将20片面积40 mm2的白光OLED面板, 如拼图般配置于显示面板内侧构成背光源。除了应用在广告、公共布告栏等用途之外, 亦可应用于LCD面板。

  日本Tohoku Device已于2008年7月发布一款厚度仅0.5 mm的超薄型OLED背光源新产品, 并量产出货。传统OLED需要两片封装玻璃基板, 最薄处厚度亦有1.13mm。新产品则仅仅附着于下面的一片玻璃基板、上方以薄膜进行封装。玻璃基板用量减半、生产成本减半、面板重量减少三分之二, 2.8英寸OLED背光源产品重量从6g减少至2g。原来以橙、蓝两色产生白光的方式, 亦升级变更为以红、蓝、绿三色混色方式。

  德国Siemens (西门子) 旗下的子公司Osram,已于2007年宣布停止生产OLED显示面板, 将专注于采用OLED技术的照明解决方案。Osram 在OLED照明应用方面, 已能做到55% 的透光率、90m2的白光OLED 在3.4的发射比率下、最高发光效率为20 lm/W。同时亦宣布在2008年春季推出限量版的OLED模块桌灯。中国台湾OLED厂商如奇晶光电( CMEL )、铼宝( RiTdisplay) 与悠景( Univision ) 等, 至今仍专注于OLED显示面板市场上, 在OLED 背光照明方面则尚无建树。

  由于OLED背光源在结构上, 可以省略良率偏低的导光板、集光板与扩散板等零组件, 再加上OLED背光模块不需昂贵的LTPS TFT背板, 或者复杂电路的制程, 仅需透明导电膜基板, 因此可大幅减少其生产成本。OLED技术期能够在技术上有所突破, 并分食未来背光源市场, 甚至成为未来背光源市场上的主流技术。低成本的分子墨水印刷术的采用有望推动OLED大规模进入背光源市场。预计OLED背光市场在2015将达到11亿美元的规模。

  4 OLED背光源技术展望

  固态光源LED和OLED背光是不含汞的绿色环保产品, 可以提高色彩饱和度, 消除拖尾现象,提高对比度。动态背光技术的引入, 更是极大改善了液晶显示画面的质量, 完全迎合了现代社会对低功耗和高品质追求的需求。

  近年来, OELD背光源技术取得了许多突破性的进展, 其发光效率及使用寿命等性能指标获得稳步提升, 目前也有部分OLED厂商开始出货OLED背光模块给小尺寸STN-LCD 面板的手机厂商, 但距离大规模应用仍存在一些问题: 1 大面积、膜厚均匀、发光均匀、高品质背光源的制备; 2 OLED发光效率还需提高; 3 OLED器件的使用寿命稳定性还需提高; 4 柔性衬底的OLED背光源性能还需提高; 5 白色OLED背光源电压变化下色纯度的稳定性还需提高; 6 OLED背光源与LCD一体化技术还需提升; 7 进一步降低OLED的生产成本与市场价格。

  当前, 在LCD的背光模组及固态照明应用上,OLED光源技术正在追赶LED光源技术。相较于LED的点光源, OLED还有白光材料的多样性、制程的简单性和成本低廉性, 特别是其面光源的属性。可以预见, 在液晶显示器的背光源模组应用领域, OLED背光源将会有一个更加光明的产业前景。

  5 结语

  OLED背光源因其具平面面光源、易于大面积制备、制备成本低等优势,成为近年来的研究热点。而OLED技术历经20年发展,已由最初单一颜色发展至高效白光,已经具备作为白光背光源的条件,并且已经应用于小尺寸背光源。但从长远发展来看, OLED背光源仍需不断提高其发光效率、稳定性和均匀性。

关键字:白光  有机发光  固态照明  平板显示

编辑:探路者 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/LED/2012/0421/article_6850.html
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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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