PM-OLED技术

PM-OLED技术

PM-OLED（Passive Matrix Organic Light-Emitting Diodes），拥有自发光、轻薄、高应答速度、广视角、低驱动电压、宽广的操作温度范围等特性，适合车用显示器与强调体积、影音功能的消费性电子产品。然而，发光效率不足、产品寿命无法与主流的LCD相比以及量产技术不成熟等，都是PM-OLED厂商亟需克服的难题。本文将针对PM-OLED技术发展现况加以讨论。

　　前言
　　有机发光二极体（Organic Light Emitting Diode；OLED），或称为有机电激发光显示器（Organic Electroluminescent Display；OELD）属于自发光性显示器。
　　依所使用的有机薄膜材料的不同，有机发光二极体又可分为小分子（Small Molecular；分子量小于1,000）及高分子（Polymer；分子量大于10,000）二大类。
　　另就驱动方式分类，可分为被动式矩阵（Passive Matrix）与主动式矩阵（Active Matrix）两种。本文之研究范畴为小分子系被动式有机发光二极体（Passive Matrix Organic Light Emitting Diode；PM-OLED）之发展现况。
　　商品化过程
　　1997年Pioneer发表了配备解析度为256x64的单色PM-OLED面板的车用音响；1999年Tohoku Pioneer成功开发出5.2吋、解析度为320x240 pixels、256色的全彩（Full color）PM-OLED面板；2000年Motorola行动电话「Timeport」采用Tohoku Pioneer之1.8吋多彩（Area color）PM-OLED面板；2001年Samsung推出搭载全彩PM-OLED面板之行动电话；2002年Fujitsu行动电话F505i次萤幕搭配Tohoku Pioneer之1.0吋全彩PM-OLED面板，自此PM-OLED在行动电话次萤幕的应用随之大量兴起。
　　以下我们将针对PM-OLED的基本结构、运作原理、有机发光材料与全彩显示技术等方面，简要探讨PM-OLED的技术发展现况。

　PM-OLED技术发展现况：
　　基本结构
　　典型的PM-OLED由玻璃基板、ITO（indium tin oxide；铟锡氧化物）阳极（Anode）、有机发光层（Emitting Material Layer）与阴极（Cathode）等所组成，其中，薄而透明的ITO阳极与金属阴极如同三明治般地将有机发光层包夹其中，当电压注入阳极的电洞（Hole）与阴极来的电子（Electron）在有机发光层结合时，激发有机材料而发光。
　　而目前发光效率较佳、普遍被使用的多层PM-OLED结构，除玻璃基板、阴阳电极与有机发光层外，尚需制作电洞注入层（Hole Inject Layer；HIL）、电洞传输层（Hole Transport Layer；HTL）、电子传输层（Electron Transport Layer；ETL）与电子注入层（Electron Inject Layer；EIL）等结构，且各传输层与电极之间需设置绝缘层，因此热蒸镀（Evaporate）加工难度相对提高，制作过程亦变得复杂。
　　由于有机材料及金属对氧气及水气相当敏感，制作完成後，需经过封装保护处理。PM-OLED虽需由数层有机薄膜组成，然有机薄膜层厚度约仅1,000～1,500A°（0.10～0.15 um），整个显示板（Panel）在封装加乾燥剂（Desiccant）後总厚度不及200um（2mm），具轻薄之优势。
　　运作原理
　　有机发光二极体的发光原理和无机发光二极体相似。当元件受到直流电（Direct Current；DC）所衍生的顺向偏压时，外加之电压能量将驱动电子（Electron）与电洞（Hole）分别由阴极与阳极注入元件，当两者在传导中相遇、结合，即形成所谓的电子-电洞复合（Electron-Hole Capture）。而当化学分子受到外来能量激发後，若电子自旋（Electron Spin）和基态电子成对，则为单重态（Singlet），其所释放的光为所谓的萤光（Fluorescence）；反之，若激发态电子和基态电子自旋不成对且平行，则称为三重态（Triplet），其所释放的光为所谓的磷光（Phosphorescence）。
　　当电子的状态位置由激态高能阶回到稳态低能阶时，其能量将分别以光子（Light Emission）或热能（Heat Dissipation）的方式放出，其中光子的部分可被利用当作显示功能；然有机萤光材料在室温下并无法观测到三重态的磷光，故PM-OLED元件发光效率之理论极限值仅25%。
　　PM-OLED发光原理是利用材料能阶差，将释放出来的能量转换成光子，所以我们可以选择适当的材料当作发光层或是在发光层中掺杂染料以得到我们所需要的发光颜色。此外，一般电子与电洞的结合反应均在数十奈秒（ns）内，故PM-OLED的应答速度非常快。

　有机发光材料
　　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。
　　P-OLED微显示器即将投入商用
　　研发暨生产金氏记录最小P-OLED屏幕的Micr oEmissive Displays（MED）公司，将于今年中由日本数位相机厂NHJ推出首宗消费电子产品，结合录音拨放MP3和高解析度数位相机，MED的ME3203 为低耗电1/4 VGA解析度（3 20 x RGB x 240）P-OLED微显示器（Microdis play），将用在新产品的电子观景窗和目镜上。据了解，这种全球新产品是由台湾某数位相机厂设计研发出来。
　　MED策略长安德伍（Ian Underwood）表示，针对微显示器的技术商业化，MED已投入五年的时间，目前已臻成熟，且做到世界级的独特技术层级。

　　PM-OLED发展前景
　　OLED是一种极具发展前景的平板显示技术，它具有十分优异的显示性能，特别是自发光、结构简单、超轻薄、响应速度快、宽视角、低功耗及可实现柔性显示等特性，被誉为“梦幻显示器”，再加上其生产设备投资远小于TFT-LCD，得到了各大显示器厂家的青睐，已成为显示技术领域中第三代显示器件的主力军。
　　目前OLED已处于大规模量产的前夜，可以相信，随着研究的进一步深入，新技术的不断涌现，OLED显示器件必将有一个突破性的发展。