OLED的基本结构和性能参数

Dipsplay之家 2023-03-06 13:33 3781浏览 0评论 2点赞

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1. OLED的结构

OLED效率和寿命与器件结构密切相关，目前广泛使用的结构属于“三明治夹层”结构，即发光层被阴极和阳极像三明治一样夹在中间（一侧为透明电极以便获得面发光效果）的结构。

由于OLED制膜温度低，所以一般多使用氧化铟锡玻璃电极（Indium Tin Oxide，ITO）作为阳极。在ITO电极上用真空蒸镀法或旋涂法制备单层或多层有机半导体薄膜，最后将金属阴极制备于有机薄膜之上。

根据有机半导体薄膜的功能，器件结构大致可以分为以下几大类：

1.1 单层器件结构

在器件的ITO阳极和金属阴极之间，制备一层有机半导体薄膜作为发光层，这就是最简单的单层OLED，其器件结构如图1所示，它仅由阳极、发光层和阴极组成，结构非常简单，制备方便。这种结构在聚合物有机电致发光器件中较为常用。

图1：单层OLED的器件结构

1.2 双层器件结构

由于大多数有机电致发光器件的材料是单极性的，同时具有相同的空穴和电子传输特性的双极性（Bipolar）有机半导体材料很少，因此只能单一地传输电子或空穴中的一种。如果利用这种单极性的有机材料作为单层器件的发光材料，则会出现电子和空穴注入与传输的不平衡，且易使发光区域靠近迁移率较小的载流子注入一侧的电极，若为金属电极，则很容易导致发光猝灭，而这种猝灭会降低激子利用率，从而导致器件发光效率的降低。

由于单层结构存在较难克服的缺点，目前OLED器件大多采用多层结构。这一里程碑式的工作于1987年由Kodak公司首先提出，该结构能有效达到调整电子和空穴的复合区域远离电极和平衡载流子注入速率的目的，在很大程度上提高了器件的发光效率，使OLED的研发进入到一个崭新的阶段。这种结构的主要特点是发光层材料具有电子（空穴）传输性，需要加入一层空穴（电子）传输材料以调节空穴和电子注入发光层的速率和数量，这层空穴（电子）传输材料还起着阻挡电子（空穴）层的作用，使注入的电子和空穴的复合发生在发光层附近。双层OLED器件如图2所示。

图2：双层OLED器件

1.3 三层及多层器件结构

由电子传输层（Electron Transport Layer，ETL）、空穴传输层（Hole Transport Layer，HTL）和发光层组成的三层OLED器件，如图3所示。结构是由日本的Adachi课题组首次提出的。这种器件结构的优点是使三个功能层各司其职，对于选择功能材料和优化器件结构性能都十分方便，是目前OLED中常采用的器件结构。

图3：三层OLED器件

在实际OLED器件结构设计时，为了使OLED器件各项性能最优，并且充分发挥各个功能层的作用，进一步提高OLED的发光亮度和发光效率，人们在三层结构基础上采用多层器件结构，对过量载流子进行限制、调配。这是目前OLED最常用的器件结构。这种器件结构不但保证了有机电致发光器件的功能层与基板（衬底）之间具有良好的附着性，还使得来自阳极和金属阴极的载流子更容易注入有机半导体功能薄膜中。

为提高器件的性能，各种更复杂的器件结构不断出现。但由于大多数有机材料具有绝缘的特性，只有在很高的电场强度（约10 V/cm）下才能使载流子从一个分子传输到另一个分子，所以有机半导体薄膜的总厚度不能超过百纳米级，否则器件的驱动电压将会更高。

1.4 叠层串式器件结构

基于全彩色显示的需要，Forrest等人提出了将三基色器件沿厚度方向垂直堆叠，且保证每个器件都由各自的电极控制，这样就构成了彩色显示装置，如图4所示。用这种方法制成的显示器件可获得优于传统技术的分辨率，人们利用这种思想，将多个发光单元垂直堆叠，并在中间加一个电极连接层，同时只用两端电极进行驱动，即叠层串式结构器件（Tandem OLED）。这种结构能够极其有效地提高器件的电流效率，使器件能在较小的电流下达到非常高的亮度，这为实现高效率、长寿命的有机电致发光器件提供了一个便捷的途径。

图4：叠层OLED器件

1.5 柔性OLED

柔性OLED（Flexible OLED，FOLED）是指在塑料、金属薄片、玻璃薄片等柔性衬底上制备的显示器件。它不仅具备普通OLED视角宽、耐高低温、响应快等优点，而且由于FOLED衬底需要的材料必须具有良好的柔韧性，因此它比玻璃衬底的OLED显示屏更加轻薄也更耐冲击，其具有的可弯曲、低功耗的特性深深影响了可穿戴式设备的应用。柔性屏幕将伴随个人智能终端的不断发展而得到广泛应用。

柔性OLED（FOLED）的基本器件结构与刚性AMOLED一样，也是三明治式的结构，由夹在金属阴极、透明阳极和它们之间两层或更多层的有机层构成。当给器件上加正向电压时，在外加电场作用下，电子和空穴分别从负极和正极注入有机分子层中，随后载流子在有机分子层中进行迁移，之后其在发光层中相遇复合形成激子，激子再把能量传递给发光分子，从而激发电子从基态变为激发态，最后激发态能量通过退激发，产生出光子，形成发光现象。而将ITO等导电玻璃衬底换为金属薄板或导电塑料薄片等可弯曲柔性衬底时，可制备出可卷曲、轻、薄的柔性AMOLED。

在FOLED中，衬底选材是研发基础，它能够决定OLED显示屏生产的成本、显示的质量、产品可靠性及工艺路线。从目前国内外FOLED显示衬底的研究进展来看，FOLED的显示衬底可分为五类：金属箔、塑料、超薄玻璃和引起广泛关注的聚合物衬底、纸质衬底。

金属衬底比聚合物衬底更耐高温，且与玻璃的热膨胀系数更为接近；阻水、阻氧的性能更好，不需要制备水氧阻隔层；获取方便且成本低廉，应用时实际成本有望低于聚合物衬底。
塑料衬底表面粗糙度大，沉积在衬底上的薄膜易产生缺陷。并且，其耐高温性差，当温度升高时，这类衬底会收缩，ITO膜易脱落，低温沉积时，器件性能又会大大降低。因此，改善塑料衬底的粗糙度及提高其热稳定性是提高相关OLED器件性能的关键。当玻璃的厚度在50～200 μm时就能够弯曲，但超薄玻璃在应用中容易发生破裂，由此增加了其制备难度。
当玻璃的厚度在50～200 μm时就能够弯曲，但超薄玻璃在应用中容易发生破裂，由此增加了其制备难度。
聚合物拥有良好的柔韧性，更加符合柔性OLED显示器件的性能需求。但聚合物衬底的热稳定性和对水、氧的阻隔能力都很差，因此，提高聚合物衬底的热稳定性和其对水、氧的阻隔能力是制备聚合物衬底OLED的关键问题。
纸质衬底具有纤维素结构，表面粗糙，机械阻隔性和化学性都较差，一些小分子物质易被吸附进多孔结构中，故改善纸质衬底接触面的光滑性对制备纸质衬底OLED是非常重要的。

1.6 透明OLED

透明OLED（Transparent OLED，TOLED）在OLED研究领域是一个热门。TOLED器件的最外部采用具有低电阻率和高透过率的ITO透明导电薄膜，而不再仅仅只是金属层，这是TOLED和普通OLED的最大区别之处。

随着可移动智能终端设备的发展，具有特殊功能的电子产品对人们生活的影响越来越大，其中TOLED具有的透明性质在照明领域中具有独特的应用，如可以应用在房屋窗玻璃、汽车车窗玻璃显示、车载显示、头盔显示、透明手机、眼镜及手表等。

由于TOLED的特殊性，所选用的电极材料必须有着较低的表面电阻和较高的透过率，而电极材料的选取、发光层材料的选取及电荷传输层材料的选取，会直接影响载流子的注入与传输，进而影响发光器件的效率。对AMOLED来说，面板的稳定性与透明度是实现TOLED显示要解决的两个关键问题。传统OLED使用的阴极一般为金属、合金、金属化合物及有机聚合物，但金属及其化合物材料的透光性都极差，因此通过使用合适的方法改善电极的透明度是实现TOLED的关键步骤。

目前，增加面板透明度的主要方法有两种，一是通过使用透明材料制备电极及改变电极结构来增加面板透明度；二是改变电极的排布方式，通过增加透射窗口的面积来提高面板的透明度。

一种基于底发射型结构的透明OLED显示技术。这种TOLED显示屏会在底部显示图像，其图像通过背面的透射窗口来观察，其面板的像素排布如图5所示。在面板的像素布局中，发射区域和透射区域需分开排布，并且在设计面板像素布局时，加大透射窗口的面积，以提高面板的透明度。双面OLED显示面板相较于传统OLED面板，其发射区域面积小而透射区域面积变得更大。

图5：底发射型TOLED显示屏像素排布的示意图

1.7 颜色可调OLED

颜色可调OLED（Color-Tunable OLED，CT-OLED）作为一种新型OLED类型，与传统的OLED相比，它不仅可以作为光源来照明还可以作为装饰品，这种双重角色表明其具有更大的商业价值。

一种典型的多发光层颜色可调OLED照明装置为例，如图6所示是一种多发光层的颜色可调OLED照明装置，该装置包括OLED面板及与面板电极相连接的电压调节装置，其中，OLED面板包括基板以及基板上的有机功能薄膜层，而有机功能层包括若干层发光有机膜，且每层发光有机膜的发光颜色不同，例如，将发光层的第一层设置为红色混合磷光发光有机层，第二层设置为黄色与红色的混合磷光发光有机层，第三层设置为黄色混合磷光发光有机层等。在外接电源电压调节变换时，此装置中的电子与空穴就会在不同的发光有机膜上复合发光，从而达到使OLED照明装置发出不同颜色光的目的。

图6：一种多发光层的颜色可调OLED照明装置

2 OLED的性能参数

2.1 发光光谱与色坐标

有机EL材料价电子结构决定了材料的吸收光谱和荧光光谱，也决定了器件的EL光谱。

发光光谱是发光能量按波长、频率或波数的动态分布，通常用光能的相对值按波长的分布Φ（λ）来表示。

在有机EL研究中，有机材料和OLED器件的发光光谱通常有两种：光致发光（PL）光谱和电致发光（EL）光谱。PL光谱靠激发波长和强度保持不变的外界单色光源来激发，用于表征材料的能量传递过程或其他特性；EL光谱主要通过电能来激发，可以获得不同电流密度下器件的EL光谱。通过比较器件的EL光谱和PL光谱，可以得到有机发光器件的复合区域位置和实际发光物质的相关信息。

EL光谱可以用来表征器件的发光颜色（色度），不同的发光光谱对应于不同的发光颜色。色度用CIE1931色坐标（Color Coordinates）进行定量表示。

2.2 发光亮度

亮度（Luminance）是一个生理物理量，它不仅与器件发光时的辐射能量有关，还与人的视觉有关。

发光亮度是垂直于光束传播方向上单位面积的发光强度。亮度的单位是尼特（nit，1nit=1 cd/m²）。

OLED的发光分布遵循余弦分布，即亮度是一个与方向无关的常数。因此，对OLED发光亮度的测量，只需要测量其法向分量方向的亮度即可。

2.3 阈值电压

阈值电压（Threshold Voltage）定义为，发光亮度为1 cd/m²时器件所施加的驱动电压，故又称为启亮电压（Turn-On Voltage）。

2.4 器件寿命

OLED的稳定性和器件寿命是制约商业实用化的关键指标。

OLED器件寿命（Life Time）包含工作寿命和存储寿命两部分。对于投入市场的OLED器件，要求在连续使用条件下工作寿命达到10 000 h以上（不间断使用一年以上），存储寿命要大于5年。

OLED器件的工作寿命是指在恒定电流密度下，器件的发光亮度下降到其初始亮度一半时器件连续工作的时间。实际寿命的测量通常采用加速老化的办法。测量工作寿命的公认起始亮度为100 cd/m²，通常使被测器件的起始亮度几倍于此亮度值，测出其降为半亮度时的寿命值，然后乘以相应倍数，即为该器件的工作寿命。

2.5 发光效率

发光效率反映OLED器件电能转换为光能的能力，是衡量OLED器件性能优劣的重要指标。

2.5.1 量子效率（Quantum Efficiency）

量子效率能够准确描述OLED器件发光机制的优劣程度。

量子效率分为内量子效率（Internal Quantum Efficiency，η_int）和外量子效率（External Quantum Efficiency，η_ext）。内量子效率定义为产生光子与注入电子数目之比，而外量子效率是观测方向上射出器件表面的光子与注入电子数之比。

一般，内量子效率是外量子效率的4～8倍。由此可见，器件本身所发出的光绝大部分未能发射至器件外。由于OLED是多层结构，发光层发出的光能量经由波导效应或再吸收而损失，这是由于制备OLED器件发光材料、ITO阳极、基底与周围介质的折射率具有较大差异。光出射时，大部分光能被全反射回去并被器件材料吸收，只有部分光经过器件边缘透出。因此，设法提高光学耦合效应对提高器件的发光效率具有重要意义。

2.5.2 流明效率（Luminous Efficiency）

流明效率也称为电流效率，定义为发光亮度与电流密度之比，单位为cd/A。

流明效率最大的优点是计算方便、易得，与量子效率成正比，是衡量OLED器件性能最重要的指标。

2.5.3 功率效率（Power Efficiency）

衡量电能的能量转化效率时，可用功率效率来描述，单位为lm/W。

功率效率是器件向外部发射的光功率与器件工作时所消耗的电功率之比。

在显示领域，电流效率和功率效率是最常用的，前者注重考察发光材料特性，为科研工作者所常用，后者注重考察面板耗电和能量系统设计，为工程技术人员所常用。

OLED的发光效率不仅取决于发光材料本身的发光效率，也与载流子在传输层和发光层的运输有关。影响发光效率的主要因素有：①量子力学原理的限制；②单线态激子的非辐射衰减；③电子和空穴在注入过程中的不平衡。

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