【技术讲座】耐氧耐水的有机EL元件“iOLED”（上）
时间：2014-04-30 15:53:00
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[导读]NHK与日本触媒为实现可弯曲显示器，开发出了元件构造与正常元件相反的有机EL元件“iOLED（Inverted Organic Light-Emitting Diode）”。iOLED的电子注入层（EIL）材料通过采用自主开发的材料，比普通构造的有机EL元件
NHK与日本触媒为实现可弯曲显示器，开发出了元件构造与正常元件相反的有机EL元件“iOLED（Inverted Organic Light-Emitting Diode）”。iOLED的电子注入层（EIL）材料通过采用自主开发的材料，比普通构造的有机EL元件提高了发光效率。而且还确认了iOLED对氧气和水分的耐受性远远高于普通构造的有机EL元件的特性。
我们正在研发薄型、轻量、可弯曲的柔性显示器（图1）。如果能推进这类显示器的技术开发，就可以实现随时随地观看高画质影像信息的移动电视，而且，将来家中有望导入可获得身临其境般的高临场感的超大屏幕电视。因为产品轻量可弯曲，容易搬进房间内。实现柔性显示器的关键技术是耐氧耐水的有机EL元件，我们在全球率先展开了研究开发。
图1：计划实现柔性显示器
如果能实现柔性显示器，影像内容的视听方式将发生变化。小型显示器将可以自由搬运，100英寸级的大屏幕显示器也有望导入家庭。通过提高耐氧、耐水的有机EL元件“iOLED”的性能，采用塑料基板的柔性显示器有望延长寿命。
劣化的主因是碱金属
有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode：OLED）或有机EL元件是层积了非常薄的有机膜的自发光型元件，有望实现超薄型显示器，可以说是最适合柔性显示器的显示技术。近年来，采用有机EL元件的柔性显示器研究取得了一些显著进展，2013年5月举行的国际会议“2013 SID International Symposium, Seminar & Exhibition”（SID 2013）上， 也报告了326ppi（pixel per inch）等精细度非常高的显示器，以及最大尺寸为14.7英寸左右的显示器。
以往的普通有机EL元件（普通OLED）先在基板上形成透明阳极——ITO膜（Indium Tin Oxide：氧化铟锡），然后在其上成膜空穴运输层（HTL）、发光层、电子运输层（ETL）等多种有机层，最后形成电子注入层（EIL）和阴极（图2（a））。通过从外部为元件加载电压，从阴极注入电子，从阳极注入空穴，在发光层复合。通过复合激发有机分子，从而发光。
图2：普通OLED与iOLED的积层构造差异
普通OLED是把在基板上成膜的ITO用作阳极（a），而iOLED将其用作阴极（b）。
普通OLED采用的EIL和阴极材料是碱金属（锂、铯、钡）以及铝等功函数低、空气活性高的材料，因此在大气中受到氧气和水分的影响后，阴极部会发生氧化等，从而导致劣化。所以，采用普通OLED的产品，需要用玻璃和粘合剂进行密封。
这是造成有机EL显示器和有机EL照明器具成本高的因素之一，也是实现柔性显示器和照明器具的一大障碍。
高品位阻挡层课题多多
NHK放送技术研究所以前利用普通OLED试制了柔性有机EL显示器（图3）。如截面构造所示，各像素由像素选择用晶体管（Sw TFT）、像素驱动用晶体管（Dr TFT）以及普通OLED构成。基板和封装膜采用Poly-Ethylene Naphthalate（PEN）薄膜，为保护显示器内的普通OLED电子注入层和阴极不受大气中的水分和氧气影响，还形成了阻挡层。
图3：柔性有机EL显示器容易劣化
NHK技研试制的5英寸柔性有机EL显示器及其截面构造。采用柔性塑料基板时，很难完全阻挡住大气中的氧气和水分浸入。受氧气和水分的影响，柔性有机EL显示器会发生劣化。
普通OLED需要实施水蒸气透过率和氧气透过率都差不多为10-6g/m2/day级别的密封。此次虽未评价阻挡层的阻隔性能，但经过较长时间后，在大气中存放的显示器出现不发光的部分，观测到了大幅劣化的现象（图3）。估计这是因为试制的显示器缺乏足够的阻隔性的缘故。
还有报告显示，有的阻挡层具备水蒸气透过率高达10-6g/m2/day左右的高阻隔性，不过大多是采用窒化硅（SiN）等硬材料时，而在薄膜上形成阻挡层时，弯曲耐性则不明确。能否在大面积基板上形成均匀且高品位的阻挡层等也不得而知。因此，采用PEN等柔性基板的柔性显示器的长寿命化是实用化面临的最重要课题。
ITO从阳极改到阴极
作为解决该课题的对策之一，近年来不使用任何碱金属等高活性材料的“逆构造OLED（inverted OLED：iOLED）”受到了较大的关注。iOLED的电极积层构造与普通OLED相反（图2（b））。例如，从基板方向提取光的底部发光型iOLED是把在基板上成膜的ITO作为阴极使用，在ITO上形成EIL膜。然后在上面依次层积发光层等有机层。
采用这种构造的有机EL元件有望延长显示器显示部的寿命。原因在于，底部发光型iOLED通过把ITO用作阴极，与阴极采用铝等的普通OLED相比，大幅提高了阴极的大气稳定性。
另外，如果其上层积的EIL能使用惰性材料，就可以实现耐氧和耐水的有机EL元件。这个优点在柔性有机EL显示器中尤其大。因为可以减少使用高阻隔性硬封装材料的必要性。
与n型TFT组合使用，动作稳定
采用iOLED还有一个很大的优点。那就是提高了采用n型TFT的有源矩阵（AM）型显示器的驱动稳定性。最近，TFT采用InGaZnO TFT的情况越来越多。InGaZnO TFT为n型，与iOLED非常匹配。
在普通的“双晶体管＋单电容器（2T＋1C）构造”以及采用底部发光型有机EL元件的AM型显示器中，连接有机EL元件的电极在普通OLED和iOLED之间是不同的（图4（a））。比如，普通OLED在阳极，而iOLED在阴极连接Dr TFT。
图4：普通OLED和iOLED在驱动电路中的连接位置发生变化
（a）为显示器的截面构造，（b）为显示部采用普通OLED的驱动电路模式图，（c）为显示部采用iOLED的驱动电路模式图。
因此，TFT采用InGaZnO等n型TFT的话，驱动电路中的有机EL元件的位置在普通OLED和iOLED间也各不相同（图4（b～c））6）。普通OLED配置在n型TFT的接地侧，iOLED配置在栅极线侧。
流经有机EL元件的电流以Dr TFT源极电极和栅极电极间加载的电压（VGS）为基准。首先来看InGaZnO TFT＋普通OLED的情况（图4（b））。接地与Dr TFT源极电极间的有机EL元件的驱动电压在驱动的同时缓慢上升，因此Dr TFT的电位基准——源极电极的电位也受其影响发生变化，Dr TFT的VGS下降，流经有机EL元件的电流减少。结果有报告显示，从有机EL元件获得的亮度降低，造成烧毁等现象。 [!--empirenews.page--]
而InGaZnO TFT＋iOLED因源极电极充分接地，驱动有机EL元件后VGS也不会发生变化（图4（c））。因此，流经有机EL元件的电流能保持稳定，不会发生烧毁现象。（特约撰稿人：深川 弘彦，NHK放送技术研究所研究员；清水 贵央，NHK放送技术研究所专职研究员；有元 洋一，日本触媒研究员；森井 克行，日本触媒首席研究员）
我们正在研发薄型、轻量、可弯曲的柔性显示器（图1）。如果能推进这类显示器的技术开发，就可以实现随时随地观看高画质影像信息的移动电视，而且，将来家中有望导入可获得身临其境般的高临场感的超大屏幕电视。因为产品轻量可弯曲，容易搬进房间内。实现柔性显示器的关键技术是耐氧耐水的有机EL元件，我们在全球率先展开了研究开发。
图1：计划实现柔性显示器
如果能实现柔性显示器，影像内容的视听方式将发生变化。小型显示器将可以自由搬运，100英寸级的大屏幕显示器也有望导入家庭。通过提高耐氧、耐水的有机EL元件“iOLED”的性能，采用塑料基板的柔性显示器有望延长寿命。
劣化的主因是碱金属
有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode：OLED）或有机EL元件是层积了非常薄的有机膜的自发光型元件，有望实现超薄型显示器，可以说是最适合柔性显示器的显示技术。近年来，采用有机EL元件的柔性显示器研究取得了一些显著进展，2013年5月举行的国际会议“2013 SID International Symposium, Seminar & Exhibition”（SID 2013）上， 也报告了326ppi（pixel per inch）等精细度非常高的显示器，以及最大尺寸为14.7英寸左右的显示器。
以往的普通有机EL元件（普通OLED）先在基板上形成透明阳极——ITO膜（Indium Tin Oxide：氧化铟锡），然后在其上成膜空穴运输层（HTL）、发光层、电子运输层（ETL）等多种有机层，最后形成电子注入层（EIL）和阴极（图2（a））。通过从外部为元件加载电压，从阴极注入电子，从阳极注入空穴，在发光层复合。通过复合激发有机分子，从而发光。
图2：普通OLED与iOLED的积层构造差异
普通OLED是把在基板上成膜的ITO用作阳极（a），而iOLED将其用作阴极（b）。
普通OLED采用的EIL和阴极材料是碱金属（锂、铯、钡）以及铝等功函数低、空气活性高的材料，因此在大气中受到氧气和水分的影响后，阴极部会发生氧化等，从而导致劣化。所以，采用普通OLED的产品，需要用玻璃和粘合剂进行密封。
这是造成有机EL显示器和有机EL照明器具成本高的因素之一，也是实现柔性显示器和照明器具的一大障碍。
高品位阻挡层课题多多
NHK放送技术研究所以前利用普通OLED试制了柔性有机EL显示器（图3）。如截面构造所示，各像素由像素选择用晶体管（Sw TFT）、像素驱动用晶体管（Dr TFT）以及普通OLED构成。基板和封装膜采用Poly-Ethylene Naphthalate（PEN）薄膜，为保护显示器内的普通OLED电子注入层和阴极不受大气中的水分和氧气影响，还形成了阻挡层。
图3：柔性有机EL显示器容易劣化
NHK技研试制的5英寸柔性有机EL显示器及其截面构造。采用柔性塑料基板时，很难完全阻挡住大气中的氧气和水分浸入。受氧气和水分的影响，柔性有机EL显示器会发生劣化。
普通OLED需要实施水蒸气透过率和氧气透过率都差不多为10-6g/m2/day级别的密封。此次虽未评价阻挡层的阻隔性能，但经过较长时间后，在大气中存放的显示器出现不发光的部分，观测到了大幅劣化的现象（图3）。估计这是因为试制的显示器缺乏足够的阻隔性的缘故。
还有报告显示，有的阻挡层具备水蒸气透过率高达10-6g/m2/day左右的高阻隔性，不过大多是采用窒化硅（SiN）等硬材料时，而在薄膜上形成阻挡层时，弯曲耐性则不明确。能否在大面积基板上形成均匀且高品位的阻挡层等也不得而知。因此，采用PEN等柔性基板的柔性显示器的长寿命化是实用化面临的最重要课题。
ITO从阳极改到阴极
作为解决该课题的对策之一，近年来不使用任何碱金属等高活性材料的“逆构造OLED（inverted OLED：iOLED）”受到了较大的关注。iOLED的电极积层构造与普通OLED相反（图2（b））。例如，从基板方向提取光的底部发光型iOLED是把在基板上成膜的ITO作为阴极使用，在ITO上形成EIL膜。然后在上面依次层积发光层等有机层。
采用这种构造的有机EL元件有望延长显示器显示部的寿命。原因在于，底部发光型iOLED通过把ITO用作阴极，与阴极采用铝等的普通OLED相比，大幅提高了阴极的大气稳定性。
另外，如果其上层积的EIL能使用惰性材料，就可以实现耐氧和耐水的有机EL元件。这个优点在柔性有机EL显示器中尤其大。因为可以减少使用高阻隔性硬封装材料的必要性。
与n型TFT组合使用，动作稳定
采用iOLED还有一个很大的优点。那就是提高了采用n型TFT的有源矩阵（AM）型显示器的驱动稳定性。最近，TFT采用InGaZnO TFT的情况越来越多。InGaZnO TFT为n型，与iOLED非常匹配。
在普通的“双晶体管＋单电容器（2T＋1C）构造”以及采用底部发光型有机EL元件的AM型显示器中，连接有机EL元件的电极在普通OLED和iOLED之间是不同的（图4（a））。比如，普通OLED在阳极，而iOLED在阴极连接Dr TFT。
图4：普通OLED和iOLED在驱动电路中的连接位置发生变化
（a）为显示器的截面构造，（b）为显示部采用普通OLED的驱动电路模式图，（c）为显示部采用iOLED的驱动电路模式图。
因此，TFT采用InGaZnO等n型TFT的话，驱动电路中的有机EL元件的位置在普通OLED和iOLED间也各不相同（图4（b～c））6）。普通OLED配置在n型TFT的接地侧，iOLED配置在栅极线侧。
流经有机EL元件的电流以Dr TFT源极电极和栅极电极间加载的电压（VGS）为基准。首先来看InGaZnO TFT＋普通OLED的情况（图4（b））。接地与Dr TFT源极电极间的有机EL元件的驱动电压在驱动的同时缓慢上升，因此Dr TFT的电位基准——源极电极的电位也受其影响发生变化，Dr TFT的VGS下降，流经有机EL元件的电流减少。结果有报告显示，从有机EL元件获得的亮度降低，造成烧毁等现象。 [!--empirenews.page--]
而InGaZnO TFT＋iOLED因源极电极充分接地，驱动有机EL元件后VGS也不会发生变化（图4（c））。因此，流经有机EL元件的电流能保持稳定，不会发生烧毁现象。（特约撰稿人：深川 弘彦，NHK放送技术研究所研究员；清水 贵央，NHK放送技术研究所专职研究员；有元 洋一，日本触媒研究员；森井 克行，日本触媒首席研究员）
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