OLED的制造原理

OLED组件系由n型有机材料、p型有机材料、阴极金属及阳极金属所构成。电子(空穴)由阴极(阳极)注入，经过n型(p型)有机材料传导至发光层(一般为n型材料)，经由再结合而放光。一般而言，OLED元件制作的玻璃基板上先溅镀ITO作为阳极，再以真空热蒸镀之方式，依序镀上p型和n型有机材料，及低功函数之金属阴极。由于有机材料易与水气或氧气作用，产生暗点(Dark spot)而使元件不发亮。因此此元件于真空镀膜完毕后，必须于无水气及氧气之环境下进行封装工艺。

在阴极金属与阳极ITO之间，目前广为应用的元件结构一般而言可分为5层。如图所示，从靠近ITO侧依序为：空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层。

而至于电子传输层，系为n型之有机材料，其特性为具有较高之电子迁移率，当电子由电子传输层至空穴电子传输层介面时，由于电子传输层之最低非占据分子轨域较空穴传输层之LUMO高出甚多，电子不易跨越此一能障进入空穴传输层，遂被阻挡于此介面。此时空穴由空穴传输层传至介面附近与电子再结合而产生激子(Exciton)，而Exciton会以放光及非放光之形式进行能量释放。以一般萤光材料系统而言，由选择率之计算仅得25%之电子空穴对系以放光之形式做再结合，其余75%之能量则以放热之形式散逸。近年来，正积极被开发磷光材料成为新一代的OLED材料，此类材料可打破选择率之限制，以提高内部量子效率至接近100%。

在两层元件中，n型有机材料－即电子传输层－亦同时被当作发光层，其发光波长系由HOMO及LUMO之能量差所决定。然而，好的电子传输层－即电子迁移率高之材料－并不一定为放光效率佳之材料，因此目前一般之做法，系将高萤光度的有机色料，掺杂(Doped)于电子传输层中靠近空穴传输层之部分，又称为发光层，其体积比约为1%至3%。掺杂技术开发系用于增强原材料之萤光量子吸收率的重点技术，一般所选择的材料为萤光量子吸收率高的染料。

阴极之金属材料，传统上系使用低功函数之金属材料(或合金)，如镁合金，以利电子由阴极注入至电子传输层，此外一种普遍之做法，系导入一层电子注入层，其构成为一极薄之低功函数金属卤化物或氧化物，如LiF或Li2O，此可大幅降低阴极与电子传输层之能障，降低驱动电压。

由于空穴传输层材料之HOMO值与ITO仍有差距，此外ITO阳极在长时间操作后，有可能释放出氧气，并破坏有机层产生暗点。故在ITO及空穴传输层之间，插入一空穴注入层，其HOMO值恰介于ITO及空穴传输层之间，有利于空穴注入OLED元件，且其薄膜之特性可阻隔ITO中之氧气进入OLED元件，以延长元件寿命。

OLED的制备工艺

OLED因其构造简单，所以生产流程不像LCD制造程序那样繁复。但由于现今OLED制程设备还在不断改良阶段，并没有统一标准的量产技术，而主动与被动驱动以及全彩化方法的不同都会影响OLED的制程和机组的设计。但是，整个生产过程需要洁净的环境和配套的工艺和设备。改善器件的性能不仅要从构成器件的基础，即材料的化学结构入手，提高材料性能和丰富材料的种类；还要深入了解器件的物理过程和内部的物理机制，有针对性地改进器件的结构以提高器件的性能。两者相辅相成，不断推进OLED技术的发展。

ITO基板预处理工艺

首先需要准备导电性能好和透射率高的导电玻璃，通常使用ITO玻璃。高性能的ITO玻璃加工工艺比较复杂，市面上可以直接买到。ITO作为电极，需要特定的形状、尺寸和图案来满足器件设计的要求，可委托厂家按要求进行切割和通过光刻形成图案，也可在实验室自己进行ITO玻璃的刻蚀，得到所需的基片和电极图形。基片表面的平整度、清洁度都会影响有机薄膜材料的生长情况和OLED性能，必须对ITO表面进行严格清洗。

常用的ITO薄膜表面预处理方法为：化学方法（酸碱处理）和物理方法（O2等离子体处理、惰性气体溅射）。

酸碱处理

固体表面的结构和组成都与内部不同，处于表面的原子或离子表现为配位上的不饱和性，这是由于形成固体表面时被切断的化学键造成的。

正是由于这一原因，固体表面极易吸附外来原子，使表面产生污染。因环境空气中存在大量水份，所以水是固体表面最常见的污染物。

由于金属氧化物表面被切断的化学键为离子键或强极性键，易与极性很强的水分子结合，因此，绝大多数金属氧化物的清洁表面，都是被水吸附污染了的。

在多数情况下，水在金属氧化物表面最终解离吸附生成OH-及H+，其吸附中心分别为表面金属离子以及氧离子。

根据酸碱理论，M+是酸中心，O-是碱中心，此时水解离吸附是在一对酸碱中心进行的。

在对ITO表面的水进行解离之后，再使用酸碱处理ITO金属氧化物表面时，酸中的H+、碱中的OH-分别被碱中心和酸中心吸附，形成一层偶极层，因而改变了ITO表面的功函数。

等离子体处理

等离子体的作用通常是改变表面粗糙度和提高功函数。研究发现，等离子作用对表面粗糙度的影响不大，只能使ITO的均方根粗糙度从1.8nm降到1.6nm，但对功函数的影响却较大。用等离子体处理提高功函数的方法也不尽相同。

氧等离子处理是通过补充ITO表面的氧空位来提高表面氧含量的。

操作方法为：将ITO基片依次在清洗液、去离子水、乙醇和丙酮的混合液、去离子水超声清洗以除去基片表面物理吸附和化学吸附的污染物，然后将清洗干净的基片放到洁净工作台内，烘烤或者用高速喷出的氮气吹干ITO表面，最后对ITO表面进行氧等离子体轰击或者紫外臭氧处理。ITO玻璃的预处理有利于除去ITO表面可能的污染物，提高ITO表面的功函数，减小ITO电极到有机功能材料的空穴注入势垒。

成膜技术

制备OLED材料包括有机小分子、高分子聚合物、金属及合金等。大部分有机小分子薄膜通过真空热蒸镀来制备，可溶性有机小分子和聚合物薄膜可通过更为简单、快速和低成本的溶液法制备，先后开发出了旋涂法、喷涂法、丝网印刷、激光转印等技术。金属及合金薄膜通常采用真空热蒸镀来制备，为了实现全溶液法制备OLED，也开发了基于液态金属如导电银浆刷涂的溶液制备方法。

真空热蒸镀

传统热蒸镀的真空度大致在10-4 Pa以上，真空度越高，形成薄膜的缺陷越少，膜中材料纯度越高。有机材料在真空下加热，依材料特性不同，有些材料会先液化再气化，有些则直接升华，然后以一定的初始速度脱离材料表面向外飞散，运动到ITO表面，冷却沉积下来形成一层薄膜。如果真空度低于10-4 Pa，真空腔内充斥着水分子、氧分子和其他杂质气体在蒸发过程中与有机小分子材料相互碰撞，将严重降低成膜质量，甚至使器件性能降低乃至失效。在OLED研究初期，一般使用机械泵、分子泵联动的两级抽真空系统保证高真空度。近年来，在分子泵之后用溅射离子泵可抽到超高真空来制备高性能OLED。检测腔体真空度的设备有两种：用于测量0.1 Pa以下低真空的热传导真空规，即热偶规和电阻规，用于测量0.1 Pa以上高真空的电离规。功能层的厚度用振荡晶片检测，有机材料的蒸镀速率一般为0.5~2 Å/s；金属的蒸镀速率一般为2~5 Å/s，厚度为80~100 nm。

旋转涂覆

制备有机小分子OLED，蒸镀小分子和金属需要采用真空热蒸镀技术，设备的成本高、维护复杂。有机聚合物的分子量较大且加热时容易分解，因而须采用溶液法制备聚合物薄膜，成本相对较低，且成膜过程简单、快速、薄膜均匀、致密。旋转涂覆法是预先将基片吸附在旋涂仪的旋转台上，然后将预先配制好的溶液滴在基片中央局部或覆盖整个基片，通过基片高速旋转产生的离心力将大部分溶液甩出基片，由于溶液与基片的摩擦力以及溶液本身的黏度，在基片上留下一层薄膜。旋转成膜的厚度主要取决于溶液的浓度、黏度，溶剂的挥发速度，以及旋转速度、旋转时间。溶剂的性质，如沸点、极性等，对聚合物薄膜的形貌有很大影响。旋涂法具备溶液法成膜的优势，但大量的溶液在旋涂的过程中被甩出基片外浪费了，不太适合大面积器件，无法实现全彩显示，因而该技术在大规模量产中并不适用。

喷墨打印

与旋涂相比，喷墨打印技术大大减少了材料的浪费，并能实现图案化、全彩打印，适用于制备大面积器件。例如卷对卷（roll-to-roll, R2R）喷墨印刷设备可以不受基片尺寸的限制，实现大面积器件的制备。喷墨打印是一种非接触、无压力、无印版的印刷技术，预先将各种不同的功能材料制成墨水灌装到墨盒，通过计算机将图文信息转化为数字脉冲信号，然后控制喷嘴移动和墨滴形成，并利用外力将墨滴挤出，墨滴喷射沉积到相应位置形成所需图案，实现精确、定量、定位沉积，完成最终的印制品。喷墨打印技术的关键有墨水的研制、打印头与打印系统的设计、溶剂挥发控制等。其中，高分子聚合物墨水的研制最为重要，因为喷出液滴的均匀性主要取决于墨水的物理特性，如适当的黏性和表面张力。通过喷墨打印技术，可将PLED平板显示器带入大尺寸领域。

激光热转印

激光热转印是一种全彩色AMOLED像素图形制备技术，具有精度高、分辨率高、可靠性好、转印的薄膜厚度均匀、可实现多层薄膜转移、适用于大尺寸基板的优势，是制备高分辨率、大尺寸、全彩色AMOLED的理想方法。激光热转印技术制备AMOLED，是通过一套供体胶片、一组高精度激光成像系统和一副衬底完成。具体过程包括：首先将热转印的供体压在衬底上，供体与衬底受体表面必须紧密接触；然后用激光对供体的成像模板曝光，使成像图案从供体与受体接触的表面向受体传输层释放，最终附着在受体的表面传输层上；最后将供体剥离，完成曝光区域内的高分辨率条纹的印制。大环境下进行的激光热转印技术制备的OLED的效率和色纯度可与真空热蒸镀的小分子OLED相媲美。

阴极工艺

传统的阴极制备方法是将固体块状、条状或丝状银、镁、铝等金属通过真空热蒸镀搭配金属掩膜板得到所需薄膜图形。近年来，由于制备工艺简单、设备成本低，快速发展的湿法制备技术正不断向产业化方向的大规模生产迈进。要实现全湿法制备OLED，阴极的湿法制备工艺需要紧跟有机功能层湿法制备的发展步伐。经过配置墨水、成膜和后处理得到的阴极导电率正逐步逼近真空蒸镀阴极的水平。其中，银纳米颗粒是湿法制备电极的研究热点。

封装技术

提高OLED的寿命达到商业化水平是实现OLED产业化发展的关键问题之一，而水氧和灰尘接触电极甚至有机层会导致OLED的电极出现气泡，工作状态下发光区域出现黑斑，加速器件老化，降低OLED的稳定性。通过器件封装隔绝水氧和灰尘是提高OLED寿命的有效途径。目前常用的封装技术有玻璃或金属盖板封装、薄膜封装、铟封接、熔块熔接密封等。传统的盖板封装是在充满惰性气体的手套箱内，用环氧树脂紫外固化胶将玻璃基板和玻璃或金属盖板粘接，从而将夹在盖板、基板间的有机层和电极密封，隔绝外界大气中的氧气、水汽和灰尘。为了防止密封环境中仍残留少量水氧，可提前加入干燥剂。薄膜封装是采用一定的薄膜沉积技术制备保护层来替代盖板加密封胶的组合。目前薄膜封装包括无机薄膜封装、有机薄膜封装以及有机/无机交替的复合薄膜封装等。铟封接是电真空器件工业中常用的一种软金属真空封接方法，主要用于连接玻璃、陶瓷等材料来完成对器件的密封。铟具有熔点低、塑性好等特点，使铟封接具有许多优势，如封接温度低、兼容性好、封接应力小、精度高等。目前铟封接应用于OLED的封接还处于探索阶段。熔块熔接密封在OLED的封接中得到越来越广泛的应用，是在底层基板上制作OLED像素阵列，在顶层基板上制作面积相当的不透明的熔块层，随后将顶层基板和底层基板面对面放置，中间留有空隙，最后用激光或红外射线通过掩膜板定点照射熔块密封部件，使其熔融连接熔块层和底层基板，同时环状包围电致发光阵列。熔块密封部件再固化后与熔块层以及底层基板形成密封区域，将其中的发光阵列保护。

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象素独立发光，光色转换(Color Conversion)和彩色滤光膜(Color Filter)。

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一于材料，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31m/W，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。

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。

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。

RGB象素独立发光，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。

OLED蒸镀技术

究竟什么是蒸镀？这得从OLED的结构讲起。典型结构是在ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的发光材料——也就是人们通常所说OLED屏幕像素自发光材料，发光层上方有一层金属电极，电极加电压，发光层产生光辐射；从阴阳两级分别注入电子和空穴，被注入的电子和空穴在有机层传输，并在发光层复合，激发发光层分子产生单态激子，单态激子辐射衰减发光。

这解释得有些复杂了，不过大致上就是你看到的红绿蓝三个次像素会自己发光就对了。当然了，具体到整块面板，结构也就复杂很多，包括次像素间需要隔离柱、绝缘层之类。AMOLED则还有TFT backplane这种控制每个像素开关的东西。

这种复杂的结构，靠人手用小刀去微雕是不可能的。如果将这些结构付诸实现，就是制造工艺的问题了。OLED的制造工艺涉及到ITO玻璃洗净、光刻处理之类的东西，都需要很高科技、我们一般人没见过的技术去搞定，总之就是通过光刻就能在基板上形成电极图案、ITO图案、隔离柱图案等等。

随后的工艺部分，在OLED面板的制造上才显得至关重要，即蒸镀。真空腔室内，把ITO玻璃基板放置在可加热的旋转样品托架上，然后放把火在下面烧坩埚（当然不是真的放把火），你看到的发光材料就这么蒸上去了。是的，红绿蓝三色灯泡（当然不是真的灯泡）就这么蒸上去了。

说得高大上一点，蒸镀就是真空中通过电流加热，电子束轰击加热和激光加热等方法，使被蒸材料蒸发成原子或分子，它们随即以较大的自由程作直线运动，碰撞基片表面而凝结，形成薄膜。

可以说，蒸镀是OLED制造工艺的精华部分，而且不仅是发光材料，金属电极等等之类也是这么蒸上去的。虽然我们把蒸镀说得跟蒸馒头一样，但实际操作还是非常复杂的，比如如何控制像素区域，像素要怎么对齐，还有控制蒸上去的薄膜厚度，什么前处理、蒸镀室的真空度等，都不是我们一般人可以参透的。除了蒸镀之外，随后还有点胶、封装、老化、切割、测试等等过程。

实际上，蒸镀也的确是OLED屏幕成本高的一个重要原因， LG就是因为买不到太多蒸镀机，所以才没有搞定iPhone 8订单的。

OLED驱动技术

除了在制程工艺、设备、原材料及器件结构设计上进行优化改进以外，最重要的措施是需要在驱动方式及驱动电路设计上进行改善。

PMOLED驱动技术

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。显示基板上的显示区域仅仅是发光象素（电极，各功能层），所有的驱动和控制功能由集成IC完成（IC 可以置于在基板外或者基板上非显示区域），PMOLED面板电路如图所示。无源驱动分为静态驱动电路和动态驱动电路。

静态驱动

各有机电致发光像素的相同电极（比如，阴极）是连在一起引出的，各像素的另一电极（比如，阳极）是分立引出的；分立电极上施加的电压决定对应像素是否发光。在一幅图象的显示周期中，像素发光与否的状态是不变的。若要一个像素发光只要让恒流源的电压与阴极的电压之差大于像素发光值的前提下，像素将在恒流源的驱动下发光，若要一个像素不发光就将它的阳极接在一个负电压上，就可将它反向截止。但是在图像变化比较多时可能出现交叉效应，为了避免这一现象，必须采用交流驱动的形式。静态驱动电路一般用于段式显示屏的驱动上。

动态驱动

显示屏上象素的两个电极做成了矩阵型结构，即水平一组显示像素的同一性质的电极是共用的，纵向一组显示像素的相同性质的另一电极是共用的。如果象素可分为N行和M列，就可有N个行电极和M个列电极，我们分别把它们称为行电极和列电极。 为了点亮整屏象素，将采取逐行点亮或者逐列点亮、点亮整屏象素时间小于人眼视觉暂留极限20 ms的方法，该方法对应的驱动方式就叫做动态驱动法。在实际电路驱动的过程中，要逐行点亮或者要逐列点亮像素，通常采用逐行扫描的方式，行扫描，列电极为数据电极。实现方式是：循环地给每行电极施加脉冲，同时所有列电极给出该行像素的驱动电流脉冲，从而实现一行所有像素的显示。该行不再同一行或同一列的像素就加上反向电压使其不显示，以避免“交叉效应”，这种扫描是逐行顺序进行的，扫描所有行所需时间叫做帧周期。

在一帧中每一行的选择时间是均等的。假设一帧的扫描行数为N，扫描一帧的时间为1，那么一行所占有的选择时间为一帧时间的1/N该值被称为占空比系数。在同等电流下，扫描行数增多将使占空比下降，从而引起有机电致发光像素上的电流注入在一帧中的有效下降，降低了显示质量。因此随着显示像素的增多，为了保证显示质量，就需要适度地提高驱动电流或采用双屏电极机构以提高占空比系数。

除了由于电极的共用形成交叉效应外，OLED显示屏中像素发光的机理是正负电荷载流子复合形成发光，只要组成它们结构的任何一种功能膜是直接连接在一起的，那两个发光像素之间就可能有相互串扰的现象，即一个像素发光，另一个像素也可能发出微弱的光。这种现象主要是因为有机功能薄膜厚度均匀性差，薄膜的横向绝缘性差造成的。从驱动的角度，为了减缓这种不利的串扰，采取反向截止法也是一行之有效的方法。

带灰度控制的显示：显示器的灰度等级是指黑白图像由黑色到白色之间的亮度层次。灰度等级越多，图像从黑到白的层次就越丰富，细节也就越清晰。灰度对于图像显示和彩色化都是一个非常重要的指标。一般用于有灰度显示的屏多为点阵显示屏，其驱动也多为动态驱动，实现灰度控制的几种方法有：控制法、空间灰度调制、时间灰度调制。

AMOLED驱动技术

与PMOLED不同，AMOLED是在每一个像素单元布置了2个晶体管及1个电容（即2T1C），这是AMOLED最基本的像素驱动电路方式，考虑到亮度均匀性等性能补偿，也可以设计更多的晶体管和电容。有源驱动的每个像素配备具有开关功能的薄膜晶体管，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玻璃基板上。有源矩阵的驱动电路藏于显示屏内，更易于实现集成度和小型化。另外由于解决了外围驱动电路与屏的连接问题，这在一定程度上提高了成品率和可靠性。有源驱动突出的特点是恒流驱动电路集成在显示屏上，而且每一个发光像素对应其矩阵寻址用薄膜晶体管，驱动发光包含薄膜晶体管、电荷存储电容等。

有源驱动属于静态驱动方式，具有存储效应，可进行100%负载驱动，这种驱动不受扫描电极数的限制，可以对各像素独立进行选择性调节，无占空比问题，易于实现高亮度和高分辨率。有源驱动由于可以对低亮度的红色和蓝色像素独立进行灰度调节驱动，这更有利于OLED彩色化实现。OLED显示器件具有二极管特性，因此原则上为单向直流驱动。但是由于有机发光薄膜的厚度在纳米量级，发光面积尺寸一般大于100微米，器件具有很明显的电容特性，为了提高显示器件的刷新频率，对不发光的像素对应的电容进行快速放电。目前很多驱动电路采用正向恒流反向恒压的驱动模式。

在实际产品中，各种影响AMOLED图像质量的因素更复杂，有的是某一种因素起主导作用，有的可能是多种因素共同作用的结果，针对导致AMOLED图像质量劣化的因素，业界研究了各种驱动补偿技术及相应的补偿电路，可大致分为电压补偿法、电流补偿法、数字驱动补偿法、外部补偿法等。相对于工艺技术和设备技术改进AMOLED图像质量劣化，采用电路改进的手段更为快捷。驱动补偿技术是AMOLED驱动的关键和难点，也是AMOLED驱动相比TFT LCD驱动的特别之处。