1 引 言
主要是由于有机EL的发现,近10年来对TFEL又再度引起了人们的兴趣和关注。1987年Tang等人首次报道了以三8-羟基喹啉铝(Alg)材料为基础的有机发光二极管(O-LED),获得了高的亮度,自此以后,为满足用于高信息量彩色显示器的要求,人们作了许多的工作,并研究出了新的材料和工艺,譬如显示器电极的制备、封装工艺和驱动电路。用O-LED来制造平板显示器,跟其它类型的显示器相比,具有厚度更薄,视角更宽、发光效率高以及可视度高的优点。将来,O-LED最适宜于应用的场合很可能是便携式显示器和全色平板显示器,使显示器从室内应用走向户外应用。
尽管有机和无机EL属于同一类发光器件,但其发光机理却是截然不同的。就有机EL而言,这种多层二极管结构的发光机理则是注入电子和空穴的复合引起的发光。无机ACEL则基于允许所谓的高场传输的一些材料,将它们制成一种电容结构,其电容结构中的绝缘膜就可限制电流。在加上电压时电子受到高电场加速,发光中心(即所谓的激合剂)受高能电子碰撞而发光。这两种基本物理机理意味着:有机EL驱动电压低(只有几伏)且电流高;而无机ACEL驱动电压却高达250V,而电流却相当低。但从能量转换角度看,有机和无机EL均属于将电能转换成发光能量的非热能转换过程。它们均为发光型显示器,具有视角宽和响应快的特点。
本文综述了有机EL的进展,讨论了有机和无机EL的优缺点。有机EL走向商品化尚需解决其稳定性问题。
2 高性能O-LED显示板
2.1 掺有辅助剂的有机发光材料
1987年Tang等人首次报道的掺有辅助剂的有机发光材料,掺入的辅助剂为强荧光染料,通过掺杂即可改变发光颜色,提高发光亮度。
经T.Wakimoto等人的改进,掺杂剂采用了强荧光染料喹吖啶衍生物,这些染料溶液可发射绿色荧光。图1示出了O-LED显示板的结构,以及所用材料的分子结构。三8-羟基喹啉铝(Alg)发光层是用喹吖啶(Qd)分子均匀掺杂的。空穴输送层材料为N,N′二苯-N,N′-双(3-甲苯)-1,1′联苯-4,4′-二胺,空穴输送层(TPD)和没有掺杂或掺杂Alq层厚度均为50nm。掺杂O-LED板的量子效率(光子数/电子数)比未掺杂O-LED板高2～2.5倍。
2.2 低逸出功阴极
通常,为了保证能比较容易地将电子注入有机材料中,都采用低逸出功金属来作阴极。O-LED板所用的低逸出功阴极还可降低驱动电压并提高量子效率。Al和Li合金(即掺Li的Al)常常被选用为阴极材料。由于Li在大气中是不稳定的,不能单用Li来作阴极材料。
O-LED板的结构为 ITO/TPD(50nm)/Alq(50nm)/Al∶Li(100nm)。
典型亮度值所要求电流密度和偏压表明,Li浓度的最小值约为0.1%Wt(重量百分比)。因此,为获得高的效率,最佳Li浓度可定为0.1%Wt左右。若阴极中Li浓度加大,在制成O-LED板之后阴极就会立刻氧化。
图2示出了用Al,Mg∶Ag和Al∶Li作阴极时,O-LED板的亮度-电流密度特性。图3示出了这几种O-LED板的亮度-驱动电压特性。
用Qd作掺杂剂并用Al∶Li作阴极O-LED显示板,其结构为
ITO/TPD(50nm)/Alq(55nm)+Qd/Al∶Li(100nm)。
在亮度为300cd/m2时,发光效率达7.4lm/w。图4示出了显示板的亮度-电流密度和发光效率-电流密度特性,其Qd2掺杂量为1%mol。
3 点矩阵显示器
日本先锋电子公司研制的有机EL点矩阵显示器是发光颜色为绿色的单色显示器,有256×64个点象素,在显示面积中无有源器件。显示系统由显示板、驱动电路和一块互联板组成。在电流密度为1mA/cm2时,亮度达160cd/m2,发光效率为12lm/w,如图5所示。表1给出了点矩阵显示器的具有代表性的技术条件。显示板基片为玻璃,用蒸发工艺在玻璃片上制成ITO透明电极。先采用光刻ITO的方法制成阳极条纹电极,条纹电极宽度为340μm,间距为30μm。然后在玻璃基片上依序制成空穴注入层,空穴输送层和阴极。同样,阴极也制成条纹电极(宽300μm,间距30μm)。制成以上各层之后,在显示面积四周涂上封装胶,并跟起支撑作用的玻璃板封装起来。在封装过程中,需在显示板和支撑板之间充入N2气。分布在显示板末端的电极需用各向异性导电膜(ACF)跟柔性印制电路板(FPC)联结起来,FPC经由联接器再跟驱动电路相联。
显示器驱动电路原理图如图6所示。各个象素均用一个O-LED来代表,其电流密度驱动电压特性如图7所示。一分离的恒流源则分配给各条阳极线,开关器件设置在每条阴极线中。每100μs左右阴极转换一次,每6.7ms显示一帧图象。被选址象素的阴极线则跟地线相联,而阳极线则跟恒流源相联。发光象素的亮度按选址预置电流值而定。现已研制成专用的IC恒流源,采用脉宽调制,可显示三级灰度(o,1/2,1)。
4 O-LED显示板的稳定性
4.1 O-LED的寿命
O-LED的寿命是一个关键指标,现已能达到的寿命值是:在dc恒流源驱动下其半亮度寿命可超过10000h,可以认为达到了实用水平。半宽度寿命是指:在O-LED工作电流为恒定的dc电流时,其初始亮度300cd/m2降低到一半时的工作时间。
T.Wakimoto等人认为:以汽车用O-LED显示板为例,对寿命指标的要求最低应为4000h,这跟用户驾驶的汽车在行驶大约10万km后就需更换新车的时间相应。O-LED的寿命示于图8。
若点矩阵显示器所用材料跟O-LED显示板相同,其亮度初始值由200cd/m2降至一半时的寿命也已延长到了7000h以上。点矩阵显示器在实际使用时,为增强其对比度常需加一偏振片,但亮度也被降低了一半。尽管点矩阵显示器比O-LED显示器差,但其性能却较好。
4.2 热稳定性
显示器现已通过了高温存放试验,其存放温度为85℃,存放时间为500h。图9示出了O-LED显示器的高温存放亮度-驱动电压特性,图10示出了其高温存放亮度-电流密度特性。O-LED显示器的用材料与点矩阵显示器相同。
5 有机EL的现状
日本先锋研制的O-LED显示器和点矩阵显示器是当今有机EL水平的代表。日本Idemitsu等人的研究也很有趣,他们现已制出了蓝色有机EL显示器,所用材料是1,4-双(2,2二苯乙烯基)联苯(DPVBi),效率在2ln/w以上,并用所谓的变色介质(CCM)来获得R、G、B三种基色。
由于有机EL发射光谱宽,为了获得不同的颜色都必须用滤色片,掺杂Alq也不例外。还有,制造二极管阵列问题也不可低估。Idemitsu等人的研究方法之所以重要在于它有可能不用发光二极管阵就可获得令人满意的饱和颜色。遗憾的是,关于DPVBi二极管的稳定性数据并未给出。为了改进显示器的总效率,还需提高蓝基色的初始发光效率。
自1990年以来,人们一直在开发一种新型有机EL材料,即其轭聚合物聚乙烯撑丙烯(PPV)。这种类型的有机EL,从原理上讲其优点在于:在EL结构试验中可采用极其简单的沉积工艺,甚至采用刮装工艺也可制成比较好的有机EL显示器。在用刮浆工艺制成有机EL层后,为了形成共轭聚合物,只需在真空中进行简单的热处理或者进行UV照射处理即可。试验结果可跟以Alg为基础的有机EL相媲美。
通过对PPV材料的化学改性加工就可获得各种不同的发光颜色。根据1996年10月的一份报导,PPVEL的量子效率已达到了3%。据Uniax公司称,PPVEL显示器寿命已能作到10000h以上。现已有好几家公司在开发PPVEL显示器,领先的公司有Uniax、CDT和飞利浦公司。Uniax和CDT均已制成了无源寻址点矩阵显示器,也已在6cm×2cm面积上制成了16×60个象素的显示器。CDT称,现已完成封装加工的PPVEL显示器,其寿命指标达到了3000h。
尽管近期成果令人欣喜,但是在制成可走向商品化的全色有机EL显示器之前,有机EL技术仍需克服的障碍还有很多。然而从近期情况看,在显示器领域里,用有机EL板来作背光源用则是很有可能的。
6 有机和无机EL的比较
就高信息量彩色显示器的结构而言,有机和无机EL显示器的优缺点,概括于表2中。在表2中,为便于比较,仅以Alq材料为基础的有机EL显示器作为一个例子。
通过对表2的分析,需要强调指出的是:(1)从原理上讲,就有机EL而言,其沉积温度低因而可选用塑料基片。(2)无机aCEL的缺点,驱动电压高而电流低,要求采用特制的高压驱动IC块。有机EL显示器为恒流驱动器。因而可导致电极的严重欧姆损耗(∞I2)。如果是无源矩阵驱动结构,由于欧姆损耗严重总显示面积较小。因此更大尺寸的有机EL显示器则需采用有源矩阵结构。(3)由于所用的材料是广谱发光材料,为获得较好的色纯,无论无机和有机EL均要求采用滤色片或变色介质。加之,纵使有机EL的本亮度寿命数据业已超过10000h时,但就稳定性而言其定额值仍比较差;在高信息量显示器中为了防止潜象的产生,对稳定性的要求则要严格得多,譬如要求寿命值大于50000h。
7 结束语
用喹吖啶衍生物作掺杂剂并用Al∶Li作阴极的Alq有机EL显示器现已作到了高发光效率水平。显示面积94.7mm×21.1mm、象素256×64、象素尺寸0.34mm×0.30mm的Alq点矩阵显示器,其亮度为100cd/m2,对比度为100∶1,半亮度寿命超过5000h。日本先锋公司研制的这种有机EL显示器代表了目前的水平。
有机EL的主要问题在于其稳定性,现已发现由于各个象素的老化即可导致产生潜象。
采用半亮度寿命值作为寿命考核指标尚欠严格。另外,有机EL显示器的恒流驱动方式,如果是无源驱动结构,其显示面积则局限于对角线尺寸小的显示器。看来,在近期内用有机EL显示板来作背光源是有可能的。不过,近几年来又陆续发现了几种很有价值的有机EL新材料,开发有机EL显示器厂家也在增加,正在酝酿着一场使机EL显示器走向商品化的突破,前景是可喜的。
