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2. 有机发光材料的选用
有机材料的特性深深地影响元件之光电特性表现。在阳极材料的选择上,材料本身必需是具高功函数(High work function )与可透光性 ,所以具有4.5eV-5.3eV 的高功函数、性质稳定且透光的 ITO 透明导电膜,便被广泛应用于 阳极。在阴极部分,为了增加元件的发光效率,电子与电洞的注入通常需要低功 函数(Low work function)的 Ag、Al、Ca、In、Li 与 Mg 等金属,或低功函数 的复合金属来制作阴极(例如:Mg-Ag 镁银)。
适合传递电子的有机材料不一定适合传递电洞,所以有机发光二极体的电子传输层和电洞传输层必须选用不同的有机材料。目前最常被用来制作电子传输层的材料必须制膜安定性高、热稳定且电子传输性佳,一般通常采用萤光染料化合物。如 Alq、Znq、Gaq、Bebq、Balq、DPVBi、ZnSPB、PBD、OXD、BBOT 等。而电洞传输层的材料属于一种芳香胺萤光化合物,如 TPD、TDATA 等有机材料.
有机发光层的材料须具备固态下有较强萤光、载子传输性能好、热稳定性和 化学稳定性佳、量子效率高且能够真空蒸镀的特性,一般有机发光层的材料使用 通常与电子传输层或电洞传输层所采用的材料相同,例如 Alq 被广泛用于绿光, Balq 和 DPVBi 则被广泛应用于蓝光。
一般而言,OLED 可按发光材料分为两种:小分子 OLED 和高分子 OLED(也可称为 PLED)。小分子 OLED 和高分子 OLED 的差异主要表现在器件的制备工艺不同:小分子器件主要采用真空热蒸发工艺,高分子器件则采用旋转涂覆或喷涂印刷工艺。小分子材料厂商主要有:Eastman、Kodak、出光兴产、东洋 INK 制造、三菱化学等;高分子材料厂商主要有:CDT、Covin、Dow Chemical、住友化学等。目 前国际上与 OLED 有关的专利已经超过 1400 份,其中最基本的专利有三项。小分 子 OLED 的基本专利由美国 Kodak 公司拥有,高分子 OLED 的专利由英国的 CDT (Cambridge DisPlay Technology)和美国的 Uniax 公司拥有。
3. OLED 关键工艺
一、氧化铟锡(ITO)基板前处理
(1) ITO 表面平整度:ITO 目前已广泛应用在商业化的显示器面板制造,其具有高透射率、低电阻率及高功函数等优点。一般而言,利用射频溅镀法(RF sputtering)所制造的 ITO,易受工艺控制因素不良而导致表面不平整,进而产生表面的尖端物质或突起物。另外高温锻烧及再结晶的过程亦会产生表面约 10~30nm 的突起层。这些不平整层的细粒之间所形成的路径会提供空穴直接射向阴极的机会,而这些错综复杂的路径会使漏电流增加。一般有三个方法可以解决这表面层的影响:一是增加空穴注入层及空穴传输层的厚度以降低漏电流,此方法多用于 PLED 及空穴层较厚的OLED(~200nm)。二是将 ITO 玻璃再处理,使表面光滑。三是使用其它镀膜 方法使表面平整度更好。
(2) ITO 功函数的增加:当空穴由 ITO 注入 HIL 时,过大的位能差会产 生萧基能障,使得空穴不易注入,因此如何降低 ITO / HIL 接口的位能差 则成为 ITO 前处理的重点 。一般我们使用 O2-Plasma 方式增加 ITO 中氧原子 的饱和度,以达到增加功函数之目的。ITO 经 O2-Plasma 处理后功函数可由 原先之 4.8eV 提升至 5.2eV,与 HIL 的功函数已非常接近。
加入辅助电极 ,由于 OLED 为电流驱动组件,当外部线路过长或过细时,于外部电路将会造成严重之电压梯度,使真正落于 OLED 组件之电压下降 ,导致面板发光强度减少。由于 ITO 电阻过大(10 ohm / square),易造成不必要之外部功率消耗,增加一辅助电极以降低电压梯度成了增加发光效率、减少驱动电压的快捷方式。铬(Cr:Chromium)金属是最常被用作辅助电极的材料,它具有对环境因子稳定性佳及对蚀刻液有较大的选择性等优点。然而它的电阻值在膜层为 100nm 时为 2 ohm / square,在某些应用时仍属过大,因此在相同厚度时拥有较低电阻值的铝(Al:Aluminum)金属(0.2 ohm / square)则成为辅助电极另一较佳选择。但是,铝金属的高活性也使其有 信赖性方面之问题因此,多叠层之辅助金属则被提出 ,如:Cr / Al / Cr 或 Mo / Al / Mo,然而此类工艺增加复杂度及成本,故辅助电极材料的选 择成为 OLED 工艺中的重点之一 。
二、阴极工艺
在高解析的 OLED 面板中,将细微的阴极与阴极之间隔离,一般所用的 方法为蘑菇构型法 (Mushroom structure approach),此工艺类似印刷技术 的负光阻显影技术 。在负光阻显影过程中,许多工艺上的变异因子会影响 阴极的品质及良率 。例如,体电阻、介电常数、高分辨率、高 Tg、低临界 维度(CD)的损失以及与 ITO 或其它有机层适当的黏着接口等。
三、封装
⑴ 吸水材料:一般 OLED 的生命周期易受周围水气与氧气所影响而降 低。水气来源主要分为两种:一是经由外在环境渗透进入组件内,另一种 是在 OLED 工艺中被每一层物质所吸收的水气。为了减少水气进入组件或排 除由工艺中所吸附的水气,一般最常使用的物质为吸水材(Desiccant)。 Desiccant 可以利用化学吸附或物理吸附的方式捕捉自由移动的水分子,以 达到去除组件内水气的目的。
⑵ 工艺及设备开发 :为了将 Desiccant 置于盖板及顺利将盖板与基板 黏合,需在真空环境或将腔体充入不活泼气体下进行 ,例如氮气。值得注 意的是,如何让盖板与基板这两部分工艺衔接更有效率、减少封装工艺成 本以及减少封装时间以达最佳量产速率,已俨然成为封装工艺及设备技术 发展的 3 大主要目标。
4. OLED 的彩色化技术
显示器全彩色是检验显示器是否在市场上具有竞争力的重要标志,因此许多全彩色化技术也应用到了 OLED 显示器上,按面板的类型通常有下面三种:RGB 像素独立发光,光色转换(Color Conversion)和彩色滤光膜 (Color Filter)。
一、RGB 象素独立发光
利用发光材料独立发光是目前采用最多的彩色模式。它是利用精密的 金属荫罩与 CCD 象素对位技术,首先制备红、绿、蓝三基色发光中心 ,然 后调节三种颜色组合的混色比,产生真彩色 ,使三色 OLED 元件独立发光构 成一个象素。该项技术的关键在于提高发光材料的色纯度和发光效率,同 时金属荫罩刻蚀技术也至关重要。
目前,有机小分子发光材料 AlQ3 是很好的绿光发光小分子材料,它的 绿光色纯度,发光效率和稳定性都很好。但 OLED 最好的红光发光小分子材 料的发光效率只有 31mW,寿命 1 万小时,蓝色发光小分子材料的发展也是 很慢和很困难的。有机小分子发光材料面临的最大瓶颈在于红色和蓝色材 料的纯度、效率与寿命。但人们通过给主体发光材料掺杂,已得到了色纯 度、发光效率和稳定性都比较好的蓝光和红光。
高分子发光材料的优点是可以通过化学修饰调节其发光波长,现已得 到了从蓝到绿到红的覆盖整个可见光范围的各种颜色 ,但其寿命只有小分 子发光材料的十分之一,所以对高分子聚合物,发光材料的发光效率和寿 命都有待提高。不断地开发出性能优良的发光材料应该是材料开发工作者 的一项艰巨而长期的课题。
随着 OLED 显示器的彩色化、高分辨率和大面积化,金属荫罩刻蚀技术 直接影响着显示板画面的质量,所以对金属荫罩图形尺寸精度及定位精度 提出了更加苛刻的要求。
二、光色转换
光色转换是以蓝光 OLED 结合光色转换膜阵列,首先制备发蓝光 OLED的器件,然后利用其蓝光激发光色转换材料得到红光和绿光,从而获得全彩色。该项技术的关键在于提高光色转换材料的色纯度及效率。这种技术不需要金属荫罩对位技术,只需蒸镀蓝光 OLED 元件 ,是未来大尺寸全彩色OLED 显示器极具潜力的全彩色化技术之一。但它的缺点是光色转换材料容易吸收环境中的蓝光,造成图像对比度下降,同时光导也会造成画面质量降低的问题。目前掌握此技术的日本出光兴产公司已生产出 10 英寸的 OLED显示器。
三、彩色滤光膜
此种技术是利用白光 OLED 结合彩色滤光膜,首先制备发白光 OLED 的 器件,然后通过彩色滤光膜得到三基色,再组合三基色实现彩色显示。该 项技术的关键在于获得高效率和高纯度的白光。它的制作过程不需要金属 荫罩对位技术,可采用成熟的液晶显示器 LCD 的彩色滤光膜制作技术。所 以是未来大尺寸全彩色 OLED 显示器具有潜力的全彩色化技术之一,但采用 此技术使透过彩色滤光膜所造成光损失高达三分之二 。目前日本 TDK 公司 和美国 Kodak 公司采用这种方法制作 OLED 显示器。
RGB 像素独立发光,光色转换和彩色滤光膜三种制造 OLED 显示器全彩 色化技术,各有优缺点。可根据工艺结构及有机材料决定。
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( 发表人:胡哥 )