OLED发光原理、结构及关键技术深度图文解析

深度解析OLED结构及发光原理关键技术。OLED的原文是Organic Light Emitting Diode，中文意思就是“有机发光显示技术”。其原理是在两电极之间夹上有机发光层，当正负极电子在此有机材料中相遇时就会发光，其组件结构比目前流行的TFT LCD简单，生产成本只有TFT LCD的三到四成左右。除了生产成本便宜之外，OLED还有许多优势，比如自身发光的特性，目前LCD都需要背光模块(在液晶后面加灯管)，但OLED通电之后就会自己发光，可以省掉灯管的重量体积及耗电量(灯管耗电量几乎占整个液晶屏幕的一半)，不仅让产品厚度只剩两厘米左右，操作电压更低到2至10伏特，加上OLED的反应时间(小于10ms)及色彩都比TFT LCD出色，更有可弯曲的特性，让它的应用范围极广。

OLED结构及发光原理

OLED的基本结构是在铟锡氧化物(ITO)玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层，发光层上方有一层低功函数的金属电极，构成如三明治的结构。

OLED的基本结构主要包括：

基板(透明塑料、玻璃、金属箔)——基层用来支撑整个OLED。

阳极(透明)——阳极在电流流过设备时消除电子(增加电子“空穴”)。

空穴传输层——该层由有机材料分子构成，这些分子传输由阳极而来的“空穴”。

发光层——该层由有机材料分子(不同于导电层)构成，发光过程在这一层进行。

电子传输层——该层由有机材料分子构成，这些分子传输由阴极而来的“电子”。

阴极(可以是透明的，也可以不透明，视OLED类型而定)——当设备内有电流流通时，阴极会将电子注入电路。

OLED是双注入型发光器件，在外界电压的驱动下，由电极注入的电子和空穴在发光层中复合形成处于束缚能级的电子空穴对即激子，激子辐射退激发发出光子，产生可见光。为增强电子和空穴的注入和传输能力，通常在ITO与发光层之间增加一层空穴传输层，在发光层与金属电极之间增加一层电子传输层，从而提高发光性能。其中，空穴由阳极注入，电子由阴极注入。空穴在有机材料的最高占据分子轨道(HOMO)上跳跃传输，电子在有机材料的最低未占据分子轨道(LUMO)上跳跃传输。

OLED的发光过程通常有以下5个基本阶段：

载流子注入：在外加电场作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能层注入。

载流子传输：注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移。

载流子复合：电子和空穴注入到发光层后，由于库伦力的作用束缚在一起形成电子空穴对，即激子。

激子迁移：由于电子和空穴传输的不平衡，激子的主要形成区域通常不会覆盖整个发光层，因而会由于浓度梯度产生扩散迁移。

激子辐射退激发出光子：激子辐射跃迁，发出光子，释放能量。

OLED发光的颜色取决于发光层有机分子的类型，在同一片OLED上放置几种有机薄膜，就构成彩色显示器。光的亮度或强度取决于发光材料的性能以及施加电流的大小，对同一OLED，电流越大，光的亮度就越高。

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。