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1、4.1 全固态型的电致发光显示器（ELD）4.2 各种电致发光元件的结构、工作原理及特性4.3 电致发光元件的各种构成材料4.4 电致发光元件各功能层的形成方法4.5 有机电致发光显示器（有机ELD）4.6 ELD的各种驱动方式4.7 ELD的用途及应用展望4.8 ELD的课题与发展前景第四章 电致发光显示器1第四章 电致发光显示器电致发光显示器（electroluminescent display,ELD)平面自发光型显示器，通过对涂布于玻璃基板表面或有机膜上的荧光体施电场发光 薄膜型(橙黄色发光在信息显示器实用化)电致发光分两类:分散型(作大型LCD白色背照光源)目前在进行多色彩色化研发同
2、时，降低ELD工作电压和价格.24.1.1 什么是电致发光 电致发光（electroluminescent，EL）是指半导体，主要是荧光体，在外加电场作用下的自发光现象。注入型EL(外场下产生少数载流 子注入而发光)（LED）电致发光 本征型EL(不伴随少数载流子注 入而发光)(后简称EL为本征发光)第四章 电致发光显示器34.1.2 电致发光与显示器历史第四章 电致发光显示器1936年，法国的Destriau发现，将ZnS粉末浸入油性溶液中，使其封入2块电极之间，施加交流电压，会产生发光现象。这应该说是EL的最早发现。可惜的是，当时并未发明透明电极，因此在相当长的一段时间内，在实用上并无进展
3、。1950年，Sylvania公司利用SnO2透明导电膜开发成功分散型EL元件。一般称为第一代EL。4第四章 电致发光显示器1968年，Vecht等和Kahng等人发表两篇论文使EL的研究更进一步。是第二代EL开始标志。并通过试验证实了EL用于电视画面显示的可能性。在此期间，彩电及计算机迅速普及，人们希望在CRT的基础上，开发薄型、轻量、高画面质量、大显示容量的平板型电子显示器。正是在这种背景下，ELD成为热门题目之一，并与LCD，PDP及LED等一起被列入研究开发的重点。5第四章 电致发光显示器1983年，日本开始薄膜ELD批量生产。目前橙红色发光的ELD可由夏普（日）、Planer Sys
4、tem（美）及Lohja（芬兰）（1991年与Planer System合并，组成Planer International）等公司供应。近年来ELD的研究更集中于全彩色显示及更大容量的显示等方面。正从材料的角度进行研究ELD，所涉及的范围越来越广。6EL的分类EL从结构上分分散型和薄膜型，从驱动方式上分交流驱动型和直流驱动型。因此可以组合出四种EL元件类型。其中已经达到实用化的有薄膜型交流EL和分散型交流EL。如下图。第四章 电致发光显示器7EL元件的分类及特征第四章 电致发光显示器84.1.3 ELD的特征 与其他电子显示元件比，有下述优点：图像显示质量高。自发光型，具有显示精度高，精细柔和
5、，对眼睛的刺激小等优点。特别由于是自发光型，视角大，对于显示精细度要求高的汉字显示十分有利。受温度变化的影响小。EL的发光阈值决定于隧道效应，因此对温度变化不敏感。这在温度变化剧烈的车辆等中的应用有明显优势。第四章 电致发光显示器是目前唯一的全固体显示元件。耐冲击振动好，适合坦克、装甲车等军事应用。小功耗，薄型，质轻。一般厚25mm,重约500g。因为上述特点，可在很多领域应用。9分散型交流电致发光荧光体粉末母体材料为ZnS,添加作为发光中心的活化剂和共活化剂的Cu，CI，I及Mn原子等，因此可得到 不同的发光色。4.2.1 分散型交流电致发光起源于Sylvania公司，是第一代EL代表结构形
6、式，目前广泛用于液晶显示的背景光源。10机理：在ZnS颗粒内沿线缺陷会有Cu析出，形成电导率较大的CuxS，CuxS与ZnS形成异质结。由此可以认为其形成电导率极高的P型或金属电导态。图(b)表示这种状态的能带图。当施加电压时，在上述CuxS/ZnS界面上会产生高于平均场强的电场强度。在这种高场强的作用下，位于界面能级的电子会通过隧道效应向ZnS内注入，与发光中心捕获的孔穴发生复合，产生发光。当发光中心为Mn时，如上所述发生的电子与这些发光中心碰撞使其激发，引起EL发光。分散型交流电致发光 发光机制可用右图的Fischer模型来解释。因为ZnS荧光体粒径为530m，通常在一个 ZnS颗粒中会存
7、在点缺陷及线缺陷。电场在ZnS内非均匀分布，所以发光状态也不相同。当观察一个ZnS颗粒时，如图（a）所示，发光先从若干孤立点开始，随着电场增加，两点的发光逐渐延伸，相互靠近，汇成彗星状的发光。11分散型交流电致发光发光色通过活化剂和共活化剂的组合可以在蓝色到黄色之发光色通过活化剂和共活化剂的组合可以在蓝色到黄色之间的范围内变化。间的范围内变化。在在ZnS：Cu，Cl系中，通过调节系中，通过调节Cl的含量，可以获得从蓝的含量，可以获得从蓝色色(460nm)到绿色到绿色(510nm)的发光。这种发光是由于以的发光。这种发光是由于以Cu为受主，为受主，Cl为施主的为施主的I)D-A对之间的复合迁移而
8、产生的。此对之间的复合迁移而产生的。此外，由外，由ZnS：Cu，Al系可得到绿色，由系可得到绿色，由ZnS：Cu，Cl，Mn系可得到黄色发光等。系可得到黄色发光等。12分散型交流电致发光上述分散型交流上述分散型交流EL元件的最大问题是稳定性差元件的最大问题是稳定性差(寿命短寿命短)。当然，稳定性与使用环境和驱动条件相关。当然，稳定性与使用环境和驱动条件相关。对于环境来说，此元件的耐湿度性很弱，需要钝化保护。对于环境来说，此元件的耐湿度性很弱，需要钝化保护。对于驱动条件来说，当电压一定时，随工作时间加长，其对于驱动条件来说，当电压一定时，随工作时间加长，其发光亮度下降，尤其是驱动周波数高时，在高
9、辉度下工作会发光亮度下降，尤其是驱动周波数高时，在高辉度下工作会更快地劣化。更快地劣化。可定义亮度降到初期值一半的时间为寿命，又称为可定义亮度降到初期值一半的时间为寿命，又称为半衰期半衰期第一代第一代EL的开发初期，其寿命最长为的开发初期，其寿命最长为100h。最近，随着荧。最近，随着荧光体粉末材料处理条件的改善，为防湿，采用了树脂模注光体粉末材料处理条件的改善，为防湿，采用了树脂模注入以及改良驱动条件等措施，在驱动参数为入以及改良驱动条件等措施，在驱动参数为200V，400Hz条件下，其寿命已能达到条件下，其寿命已能达到2500h。13分散型直流电致发光在玻璃基板上形成透明电极，将在玻璃基板
10、上形成透明电极，将ZnS：Cu，Mn荧光体粉末与少荧光体粉末与少量粘结剂的混合物在其上均匀涂量粘结剂的混合物在其上均匀涂布，厚度为布，厚度为3050 m。由于是。由于是直流驱动，应该选择具有导电性直流驱动，应该选择具有导电性的荧光体层，为此选用粒径为的荧光体层，为此选用粒径为0.51 m的比较细的荧光体粉末。的比较细的荧光体粉末。将将ZnS荧光体浸在荧光体浸在Cu2SO4溶液中溶液中进行热处理，使其表面产生具有进行热处理，使其表面产生具有电导性的电导性的CuxS层。这种工艺称层。这种工艺称为为包铜处理包铜处理。最后再蒸镀。最后再蒸镀Al，形，形成背面电极，从而得到成背面电极，从而得到EL元件。
11、元件。14分散型直流EL元件制成之后，先不使其马上发光，而是在透明电极一侧接电源正极，Al背面电极一侧接负极，在一定的电压作用下，经长时间放置后，再让其正式发光。在这一定形化(forming)处理过程中，Cu2+离子会从透明电极附近的荧光体粒子向Al电极一侧迁移。结果，如图4-6(a)所示，在透明电极一侧会出现没有CuxS包覆的、电阻率高的ZnS层(脱铜层)。这样，外加电压的大部分会作用在脱铜层上，在该层中形成106Vcm的强电场。如图4-6(b)所示，在此强电场作用下，会使电子注入到ZnS层中，经加速，成为发光中心。例如，直接碰撞Mn2+会引起其激发，引发EL发光。关于发光色，在ZnS：Mn
12、，Cu系中，由锰离子可获得橙黄色光。SrS：Ce，Cl系发蓝光，CaS：Ce，Cl系发绿光，CaS：Eu，Cl系发红光。但发光效率都不高。15薄膜型交流电致发光 1974年高辉度、长寿命的薄膜交流型EL元件被制成，该元件是将发光层薄膜夹于两层绝缘膜之间组成三明治结构。此后，人们又对这种形式的EL元件进行了广泛的研究开发。目前已将其投入商品市场。其基本结构如图4-8所示，在玻璃基板上依次积层透明电极(ITO)、第一绝缘层、发光层、第二绝缘层、背面电极(A1)等。发光层厚0.51m，绝缘层厚0.30.5m。全膜厚只有2m左右，是非常薄的。在EL元件电极间施加200V左右的电压，可获得EL发光。由于
13、发光层夹在两绝缘层之间，可防止元件的绝缘被破坏，故在发光层中可以形成稳定的106Vcm以上的强电场。而且，由于致密的绝缘膜保护，可防止杂质及湿气对发光层的损害。16薄膜型交流电致发光 ZnS：Mn系的发光机制，可按图4-9所示的碰撞激发来解释。即，当施加的电压大于阈值电压Vth时，由于隧道效应，从绝缘层与发光层问的界面能级飞出的电子，被106Vcm的强电场加速，使其热电子化，并碰撞激发Mn等发光中心。被激发的内壳层电子从激发能级向原始能级返回时，产生EL发光。激发发光中心的热电子，在发光层与绝缘层的界面停止移动，产生极化作用。这种极化电场与外加电场相重叠，在交流驱动施加反极性脉冲电压时，会使发
14、光层中的电场强度增强。17薄膜型交流电致发光 关于两层绝缘膜结构的关于两层绝缘膜结构的ZnS：Mn的稳定性，制成之后的稳定性，制成之后在开始工作的一段时间内，辉度在开始工作的一段时间内，辉度-电压特性会发生变化，电压特性会发生变化，此后便会渐渐达到稳定状态。此后便会渐渐达到稳定状态。这并非性能的劣化，而是制作过程中导入的各种变形、这并非性能的劣化，而是制作过程中导入的各种变形、不稳定因素及电荷分布的不均匀性等逐渐趋向稳定的过不稳定因素及电荷分布的不均匀性等逐渐趋向稳定的过程，该过程又称作程，该过程又称作老化老化。老化充分的元件，其性能极为稳定，工作老化充分的元件，其性能极为稳定，工作20000
15、h以上，以上，未发现辉度明显降低。未发现辉度明显降低。18 元件的结构很简单，在薄膜发光层的两侧直接形成电极即可。迄今为止，已试做过各种各样的元件，但由于其稳定性不能解决，所以至今未达到实用化，元件的发光机制为碰撞激发型，需要105106V/cm的强电场来驱动。由于没有绝缘膜保护，很难保证不发生绝缘破坏，因此难以稳定地维持电场。从而需要导入限制电流层。最近，通过将MnO2粉末电阻体夹在发光层与背面电极之间，制成了稳定的ZnS：Mn系EL元件，这称为直流薄膜-粉末混成型EL元件，其发光效率可达0.8lmW，寿命可达20 000h以上。薄膜型直流电致发光19有机薄膜电致发光以上讨论的EL元件的发光
16、层等都是由无机材料做成的，最近已经制成以有机薄膜为发光层及空穴输送层的注入型薄膜EL元件。图4-12表示这种元件的结构及所使用材料的分子结构。发光层由铝喹啉络合物(Alq3)形成，空穴输送层由二胺系化合物真空蒸镀形成，将二者夹在IT0电极与MgAg电极之间便构成EL元件。发光色为绿色。若施加10V左右的直流脉冲电压，其辉度可达1 000cdm2以上，发光效率可达1.5 lmw。20 此后，又发现了发光层与电子此后，又发现了发光层与电子输送层相分离从而具有三层结输送层相分离从而具有三层结构的有机薄膜构的有机薄膜EL元件。电子元件。电子输送层采用而萘嵌苯，空穴输输送层采用而萘嵌苯，空穴输送采用二胺
17、系化合物，从而提送采用二胺系化合物，从而提高了载流子的输送功能以及从高了载流子的输送功能以及从电极向载流子的注入效应，这电极向载流子的注入效应，这种元件的有机材料的荧光本身种元件的有机材料的荧光本身即是其发光色。即是其发光色。因此可通过材料化学结构的变化因此可通过材料化学结构的变化很方便地选择发光色，如图所很方便地选择发光色，如图所示，从而获得从蓝色到红色的示，从而获得从蓝色到红色的EL发光。关于有机电致发光发光。关于有机电致发光显示器，显示器，4.5节还要专门讨论。节还要专门讨论。有机薄膜电致发光214.3 电致发光元件的各种构成材料4.3.1 发光层材料对于薄膜型EL元件发光层材料所要求的
18、条件主要有：1.添加合适的发光中心以获得可见光波长范围内的发光；2.能承受激发所需的106V/cm左右的强电场。因此，EL母体材料，一般采用添加有合适的发光中心的能隙比较宽的半导体材料。目前已经实用化的有ZnS。一些母体材料的物性常数如表41所示。224.3 电致发光元件的各种构成材料23另外，发光中心主要采用属于定域能级型的元素，除Mn外，还有Tb，Sm，Tm，Eu，Ce等稀土元素。通过这些元素4f壳层内的跃迁或4f5d间的跃迁，可获得各种不同的发光色。不过，稀土离子与Mn2+不同，前者的价数及离子半径都与Zn2+有较大差别，若将其以单体的形式添加在Zn膜中，置换Zn的位置，很难做到使其均匀
19、分布。此时需要同时添加电荷补偿离子，或者以中性分子中心的形式来掺杂。在发光中心材料中，多采用氟化物及硫化物作为电荷补偿离子.4.3 电致发光元件的各种构成材料24以以ZnS作为母体的彩色作为母体的彩色EL元件元件的发光谱如图所示。图的发光谱如图所示。图(a)为为ZnS：Mn的发光谱，由于的发光谱，由于Mn2+离子的离子的3d5内壳层电子的内壳层电子的d-d禁止跃迁，从而显示出具禁止跃迁，从而显示出具有宽峰的橙黄色（有宽峰的橙黄色（585nm）谱。）谱。这种元件的辉度及发光效率，这种元件的辉度及发光效率，在目前所得到的在目前所得到的EL元件中是最元件中是最好的。其宽峰的长波长一侧含好的。其宽峰的
20、长波长一侧含有红色成份，若采用红色彩色有红色成份，若采用红色彩色滤光片，可获得高辉度的红色滤光片，可获得高辉度的红色发光。发光。4.3 电致发光元件的各种构成材料25另一方面，几乎所有稀土离子在ZnS中都会显示出EL发光。稀土元素的发光中心通常为3价的，为了电荷补偿，需要将其以稀土氟化物（ReF3，Re为稀土离子）的形式在ZnS母体中添加。但最近的研究表明，氟不是以F3的形式，而是以F的形式存在，辉度和发光效率都更高，因此应将发光中心记做Re，F。此元件的发光是基于稀土离子固有的4f内壳层电子的跃迁。为了得到三原色EL发光，如上图（b）所示，可选用ZnS：Sm，F（发红色光），ZnS：Tb，F
21、（发绿色光），ZnS：Tm，F（发蓝色光）。这些EL元件得到的辉度和发光效率如下表所示。4.3 电致发光元件的各种构成材料264.3 电致发光元件的各种构成材料27随着近年来薄膜技术的进步，碱土金属硫化物（CaS，SrS）作为高辉度蓝色、红色发光的薄膜EL的母体材料正受到广泛的关注。在CaS，SrS中添加稀土离子发光中心，可以获得显示三原色的EL材料，其发光的谱线如图所示，辉度见上表。特别是SrS：Ce，显示蓝绿发光，通过附加蓝色滤光器可获得高辉度蓝色发光。EL发光，如图所示，是基于Eu2+，Ce3+的fd容许跃迁，因此受到母体材料的强烈影响。4.3 电致发光元件的各种构成材料28最近证实，C
22、RT用荧光体三元系硫镓化物可以实现薄膜化，再掺入Ce的薄膜EL元件可获得高辉度的蓝色发光。且不要滤光器。综上所述，实现薄膜EL元件的彩色显示，必须考虑辉度和色调。对于红色宜采用CaS：Eu，ZnS：Sm，F，附加彩色滤光器的ZnS：Mn；对于绿色宜采用ZnS：Tb，F；对于蓝色宜采用CaGa2S：Ce或附加彩色滤光器的SrS：Ce等。4.3 电致发光元件的各种构成材料29 分散型交流EL的发光层材料，主要采用与薄膜型相同的ZnS。通过选择合适的发光中心，可获得可见光区域的各种发光。图4.17所示。4.3 电致发光元件的各种构成材料30 分散型直流EL的发光如图4.18所示。ZnS:Mn,Cu于
23、薄膜EL的情况相同，由于Mn2+而显示黄橙色发光。添加3价稀土离子的情况也与薄膜EL相同，显示稀土离子所特有的颜色光。4.3 电致发光元件的各种构成材料314.3.2 绝缘层材料 EL元件中绝缘膜的主要作用是保护其电气绝缘免受破坏。要求的条件主要包括：a.绝缘耐压（使绝缘破坏的电场强度）高，b.针孔等缺陷少，c.Tan小，d.与发光层等的附着牢固。e.若为非晶态时，结构要致密，而且介电常数要大等。可用于EL的绝缘膜材料分两大类：非晶态氧化物或氮化物（Y2O3，Al2O3，Ta2O5，SiO2,Si3N4等）另一类为铁电体（BaTiO3，PbTiO3等）第一类绝缘破坏的场强高但介电常数低，第二类
24、相反。4.3 电致发光元件的各种构成材料32 EL元件必要的特性之一，是绝缘破坏的场强（EBD）与介电常数（0r）的乘积，并以此作为选择绝缘膜的指标。称为绝缘层薄膜的性能指数（figure of merit）。如图所示。4.3 电致发光元件的各种构成材料33绝缘膜性质的一个重要方面是EL元件的绝缘破坏后绝缘膜的形态。其中一种形态是当一次破坏后，由破坏点的四周开始继续产生新的破坏，称为传播型模式。另一种形态是一点的破坏并不扩展，仅局限在原来的范围内，称为开放模式或自修模式。前者不宜做EL元件的绝缘膜。使两种绝缘膜复合，可获得综合性能优良的绝缘膜。其理由是，成份及晶体结构不同的膜层相重叠，可以阻止
25、针孔及其他局部缺陷的生长。二者互相补充，从而形成更为致密的绝缘膜。4.3 电致发光元件的各种构成材料344.3.3 电极材料EL元件夹在上下两块电极之间，其中必须有一块透明的。透明电极目前基本上都采用ITO（indium tin oxide）。但随着EL元件的大型化，透明电极的布线电阻不能忽略，而且从发热、维持驱动波形稳定的角度考虑，都希望降低电阻。除ITO外，ZnO等也引起人们的注目。背面电极使用Al。选择电极材料及形成方法时，还要考虑元件的破坏模式以及与水的反应性等。4.3 电致发光元件的各种构成材料354.3.4 基板材料基板材料一般采用玻璃（Corning公司的7059，7740，02
26、11；HOYA公司的NA40；旭硝子公司的AN等）。其最重要的特性是：在可见光区域要透明，热膨胀系数应该与积层材料尽量一致。而且，除具有优良的表面平滑性之外，由于EL的退火温度一般在500600，因此玻璃基板要能承受这一高温。另外，为确保元件的长期可靠性，要求其中的碱金属离子含量要尽量低。Corning公司的7059，HOYA公司制的NA40，旭硝子公司制的AN等的铝硅酸盐系玻璃均已在实用的EL元件中使用。4.3 电致发光元件的各种构成材料364.4.1 发光层的形成方法 主要针对应用最多的ZnS:Mn薄膜EL元件发光层的形成技术加以介绍。其形成技术主要分为：电子束蒸发（EB）物理气相沉积（P
27、VD）多源蒸发（MSD）溅射镀膜 原子层外延（ALE）化学气相沉积（CVD）有机金属化学气相沉积（MOCVD）氢化物输送减压CVD（HT-CVD）目前制品化的EL中，多用EB蒸镀和ALE制作4.4 电致发光元件各功能层的形成方法37 EB蒸镀 这种方法控制性、重复性均优良。可使镀料的局部位置达到高温，能使颗粒 中预先掺入的发光中心同时蒸发，而且可以对发光中心的浓度进行控制。溅射 溅射，特别是磁控溅射镀膜沉积速率大，便于连续化生产。而且，采用这种方法，发光中心在膜层中的分布均匀，因此在以稀土元素为发光中心的彩色EL的制作中多为采用。发绿光的ZnS:Tb，F，用溅射镀膜法来制作的发光层，其发光可达
28、到最高灰度。但是由于难以解决溅射气体及真空室中残留的气体混入膜层中等问题，时至今日，这种方法仍未达到实用化。4.4.1 发光层的形成方法38MSD 分别设置Zn，S，Mn蒸发源，通过加热温度及挡板等的调节和控制，在严格控制膜层中成份比率的条件下，使膜层晶体生长。由这种方法形成的ZnS：Mn薄膜质量很好，其中基本上不存在不发光的所谓死层(dead layer).4.4.1 发光层的形成方法39ALE 由芬兰的Lohja公司开发，是在超高真空中，使原子在基板表面一层一层顺序生长的单原子生长法。由于其具有自控制功能，可外延生长，因此可得到高质量的ZnS：Mn薄膜。但其生长速度很慢。如图所示。ZnS2
29、HCl 采用此法，从生长初期就可获得大晶粒度的发光层4.4.1 发光层的形成方法40MOCVD可在非平衡系中形成薄膜。因此，在特别重视化学计量比的IIIV族化合物半导体中广泛采用，从理论上说对IIIV族化合物半导体也是很有效的。对于生长ZnS：Mn薄膜来说，Zn的来源是二甲基锌（DMZ），S的来源是 或二甲基硫（DES）,Mn的来源是三羧酸甲基环戊烷锰（TCM）。得到的ZnS薄膜具有柱状多晶结构，问题是不容易得到各种有机金属原料，且产生有毒气体。4.4.1 发光层的形成方法41HT-CVD通过卤族气体的流量调节很容易控制高浓度Mn的掺杂，从而进行ZnS：Mn膜的外延生长。而且，由于采取使整个反
30、应炉加热的热壁方式，在减压下，原理上讲比较容易获得大面积膜层。此法适合于大批量生产的较为理想的薄膜形成方法。4.4.1 发光层的形成方法42绝缘膜的制作方法随时代不断变化，过去多采用EB蒸发、溅射镀膜等。EB蒸发：采用点源 蒸发材料及蒸发源的制作都不难，是制作绝缘膜的主要方法之一。但此法往往造成缺氧，有损于膜层的绝缘特性。溅射镀膜：采用大面积源，容易大面积成膜。对高熔点镀料也能成膜，特别是能进行反应溅射。这样不仅对氧化物，对氮化物也能成膜。便于连续化生产，是主要成膜方式。CVD法目前正受到注目。绝缘膜的形成方法43用做透明电极的ITO膜的形成方法很多，如EB蒸发、电阻加热蒸发、溅射镀膜等物理方
31、法，涂喷法、CVD等化学方法等。目前，溅射镀膜法，特别是磁控溅射用得最多。采用这种方法时，为了稳定地制取优良的ITO膜，要极力减少残留气体（特别时水蒸汽），与此同时，精确控制氧的流量也非常重要。4.4.3 电极的形成方法444.5.1 有机ELD的优点及发展概况有机薄膜电致发光(OEL)材料能提供真正的像纸一样薄的显示器，OEL显示器又轻又薄，低功耗，广视角，响应速度快(亚微秒)，易实现全彩色大面积显示。OEL显示器结构简单，总厚度不到1m，特别是可采用与集成电路相匹配的直流低电压驱动，只要在两个电极之间加上510V的电压就可以产生电场效应而发光。OEL器件与无机EL器件相比，还具有多色彩性，
32、易处理，可加工成不同的形状，机械性能良好及成本低廉等优点。4.5 有机电致发光显示器45目前OEL已成为国际上的一个研究热点。顺便指出，OELD是一种低场电致发光器件，器件中具有P-N结结构，其工作模式与无机LED相似，属于电流器件，为注入型EL，故国外最近改称其为OLED。本书仍按OEL讨论。有机OELD与无机ELD都具有视角大、响应速度快等优点，当二者用于大信息量的彩色显示时，各有优缺点，表4-3是二者的比较。4.5 有机电致发光显示器46有机OELD和无机ELD的比较4.5 有机电致发光显示器47由表4-3可以看出：有机电致发光显示器件采用的是低温沉积工艺，从理论上讲，可以降低成本；对无
33、机交流ELD而言，驱动电路需要很高的电压，而电致发光本身需要的却是低电流，这是其主要缺点。而OELD使用的是恒流驱动，因此电极中电阻损失较小；无机电致发光和有机电致发光都需要用广谱发光材料，无机电致发光需要用滤色器，有机电致发光需要用变色介质层(CCM)，这样才能保证良好的色纯度；OELD的半衰期寿命长达10000h，为避免其在高信息容量显示中产生潜像，对稳定性的要求相当严格。4.5 有机电致发光显示器48有机EL的起源可以追溯至1963年，Pope等人以蒽单晶外加直流电压而使其发光，但因当时驱动电压高(100V)且发光亮度和效率都比较低，并没有引起太多的重视。直到1987年，美国Kodak公
34、司的Tang等人以8-羟基喹啉铝()为发光材料，把载流子传输层引入有机EL器件，并采用超薄膜技术和低功函数碱金属作注入电极，得到直流驱动电压低(1 000cdm2)和效率高(1.5 lmW)的器件以后，才重新引起了人们对有机EL的极大兴趣。1990年，英国Burroughes等人以聚对苯撑乙烯(PPV)为发光层材料，制成了聚合物EL器件，将有机EL的研究开发推广到大分子聚合物领域。在过去十几年里，有机EL作为一种新的显示技术已得到长足的发展。日本先锋公司于1997年已将用于汽车的低信息容量的有机ELD投放市场。4.5 有机电致发光显示器49 最近几年，进入这个领域的学术界及工业界研究小组日益增
35、多。努力开发和研究物理性能优良的有机材料，探索新的制膜工艺，改进器件结构，发展有机EL显示技术，研究相关的发光机理等将是这一研究工作的主要目标。实验室的有机发光材料的研究成果令人振奋，例如小分子有机发光二极管的红、绿、蓝三种颜色的发光亮度已经达到31 lmW，英国South Bank大学的ELAM-T公司甚至宣称他们研制的稀土有机发光材料的效率已经超过70 lmW。目前有机EL的研究重点是，研制高稳定性的RGB三色和白色器件以向实用化前进，并在此基础上，研究用于动态显示的矩阵屏及实现高质量动态显示的驱动电路。4.5 有机电致发光显示器504.5.2 有机ELD的结构及工作原理 高效有机ELD器
36、件通常有一个基本的两层结构，如图4-21(a)所示。空穴传输层与电子传输层之间能级不匹配，在其界面处产生势垒。空穴和电子集中在界面处，并在此处复合的几率最大。如果在空穴传输层和电子传输层之间的界面处引入起荧光中心作用的物质，可以对发光中心进行有序的优化，如此，可在电子传输层和空穴传输层之间形成一层很薄的发光层，见图4-21(b)。这种结构在调整电致发光的颜色方面特别有效。4.5 有机电致发光显示器51有机ELD器件的典型结构如图4-21(c)所示，在透明电极(ITO膜，阳极)上，由有机空穴传输层HTL、有机发光层EMI、有机电子传输层ETL及金属背电极(阴极)等组成。当在器件的两端加上正向直流
37、电压时(ITO为正，背电极接负)，即可发光。通过选择不同的发光材料或掺杂的方法，就可以得到不同颜色的光。4.5 有机电致发光显示器524.5 有机电致发光显示器53 有机薄膜EL器件的发光过程由以下四个步骤完成：载流子的注入：电子和空穴分别从阴极和阳极注入夹在电极间的有机功能薄膜层；载流子的迁移：载流子分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移；激子的形成和扩散：电子和空穴在发光层中相遇、形成激子，激子复合并将能量传递给发光材料，使其从基态能级跃迁为激发态；发光：激发态能量通过辐射弛豫过程而产生光子，释放出光能。4.5 有机电致发光显示器544.5 有机电致发光显示器Glass or PET s
38、ubstrateITOETLHTL+_+_+_ _+CathodeAnode55有机薄膜EL器件的驱动方式：1.直流驱动：在正向直流驱动时，空穴和电子的传输方向是固定不变的，其中未参与复合的多余空穴(或电子)，或者积累在HTLEML(或EMLETL)界面，或者越过势垒流人电极。2.交流驱动：在交流驱动时，正半周的发光机制与正向直流驱动完全一样，但是交流驱动的负半周却起着十分重要的作用。即在正半周电压过后，HTLEML(或EMLETL)界面处积累了未复合的多余空穴(或电子)。4.5 有机电致发光显示器56当负半周电压来到时，这些多余的空穴和电子改变运动方向，朝着相反的方向运动，相对地消耗了这些多
39、余的电子和空穴，从而削弱了由正半周的多余载流子在器件内部形成的内建电场。另外，负半周的反向偏压处理可以“烧断”某些局部导通的微观小通道“细丝”，这种细丝实际上是由某种“针孔”引起的。针孔的消除对于延长器件的使用寿命是相当重要的。由此可见，交流驱动更适合于有机EL器件的发光机制。4.5 有机电致发光显示器57 表4-4给出有机ELD器件中所用有机材料的分子结构。其中，CuPc层为提高亮度效率和器件稳定性的缓冲层，TPD、NPB为空穴注入层，为电子传输层或兼发光层，DCJTB、DPVBi、Perylene和QA(Quinacridone)为使器件产生不同颜色光的掺杂剂。4.5 有机电致发光显示器5
40、8矩阵显示屏采用以下工艺制成：在ITO导电玻璃上，光刻成X方向的条状电极，其线宽0.4mm、线间距0.1mm；在ITO电极上，蒸发上CuPc、TPD，然后用双源蒸发Alq及掺杂剂；最后制备Y方向的金属条状电极，其线宽与线间距与X方向相同；器件经封装后得到。4.5 有机电致发光显示器59国外已经报道了用亚芳基连苯乙烯的衍生物作为发光材料的有机电致发光显示器。这种器件在蓝光区域的光效可提高到2 lmW左右，其原因就是在发光层中掺人了荧光性杂质。该器件的外部量子效率很高，达2.4。后来改进了掺杂剂后，在恒流驱动下，有机电致发光显示器件的光效可高达6 lmW，寿命达10000h，起始亮度达l00cd
41、。优化选择DSA胺、空穴注入层和阴极材料后，阴极效率大为提高；在脉冲电压驱动下，改进后的蓝色有机电致发光器件的亮度也明显提高。例如，在19V的脉冲电压作用下，每脉冲相对亮度L，的值大约为5 cd ，高于以前报道的值。这归因于所注入的载流子的优良性能。4.5 有机电致发光显示器604.5.4 RGB多色有机ELD 有机EL与无机EL相比，比较容易解决蓝色发光问题，从而更容易实现全彩色显示。实现全彩色显示的方式主要有三种：RGB三色各点分别采用三色发光材料独立发光；将蓝色显示作为色变换层，使其一部分转变成红色和绿色，从而形成RGB三色；使用白色有机EL为背光，采用类似LCD所用的彩色滤光片，来达到
42、全彩色的效果。4.5 有机电致发光显示器614.5 有机电致发光显示器62一般情况下，RGB多色有机电致发光显示含有红、绿、蓝三种次级像素。其制作工艺过程如下：首先，在玻璃基板上印刷有机荧光介质层，形成红、绿两种次级像素，为改善蓝色次级像素的纯度，在蓝色像素前加一蓝色滤光器。然后在基板上制作保护层，再在保护层上制作用作阳极的ITO膜，最后再进行光刻。按上述步骤，在ITO膜上制作蓝色电致发光器件。Mg：Ag阴极由掩模工艺制作。4.5 有机电致发光显示器63有机ELD的像素是毫米级的。为了使像素小于几百纳米，需要改进工艺以制取更精细的颜色变换层及阴极等。利用最新的微图案成形工艺，可以制造出尺寸微细
43、的颜色变换层，其大小仅为80m 250m。对于绿色像素，可利用感光性高分子聚合物(含绿光发射材料)和光刻工艺制成图案。对于红色颜色变换点阵，可通过感光树脂掩模，对含有红色发光染料的透明树脂层进行光刻。利用上述方法制作的颜色变换层条带的相互间距为300nm，次级像素的尺寸为300m800m。4.5 有机电致发光显示器64条状电极隔离层的宽度为30m，阴极节距为330m。实验证实，条状电极隔离层对阴极确实起电气绝缘的作用。这一工艺与高聚物发光二极管阴极的浮脱工艺相似。图4-23为制作阴极的工艺流程。首先在玻璃基板上的ITO膜上用旋涂法涂布光刻胶(图(a)，然后通过光刻工艺形成与ITO膜垂直的条状电
44、极隔离层(图(b)，最后在基板上制作有机层和阴极(图(c)。4.5 有机电致发光显示器654.5.5 有机ELD器件的新进展先锋公司的研究人员在8-羟基喹啉铝溶液中掺入喹吖啶，得到了最大光效高达12 lmW的绿色电致发光。以此制成的电致发光显示器件初始亮度为300cd ，半衰期寿命达10000h。在此基础上，先锋公司成功地制造了显示面积为9.5cm2.1cm、无源寻址25665的点阵显示屏，该屏的功耗，不包括驱动电路的功耗，为0.5W。亮度为100cdm2。为提高对比度，使用了滤光器，显示屏的光效为1.3 lmW。目前先锋公司已有25665单色产品在市场销售，并展示了320240彩色样机。Id
45、emitsu Kosan公司用DPVBi作为发蓝光的有机电致发光材料，其光效高达2lmW，利用变色介质产生红、黄、蓝三基色，并制成25.4cm 640 480彩色的样机。4.5 有机电致发光显示器661990年以来，人们一直研究一种新的共轭聚合物PPV有机电致发光材料。这种电致发光材料原理简单，沉积成本低，实用性强。即使采用简单的涂敷工艺也能生产出性能良好的器件。简单的真空热处理或紫外处理都能生产共轭聚合物。通过对PPV材料的化学组成进行调整，就可以调整发光颜色。最近的研究表明，PPV电致发光的量子效率为3。但有关PPV电致发光稳定性数据却很少。在多层结构的基础上，有机ELD器件已取得长足进展
46、。虽然有机ELD器件要实现全色显示还须克服许多困难，但作为一种新型的全固态主动发光型显示器，除具备4.1.3节所述的优点之外，还具有驱动电压低、发光效率高、亮度高、寿命长、制作工艺简单等优点，因此，有机ELD器件具有广阔的应用前景。4.5 有机电致发光显示器674.6 ELD的各种驱动方式 下面主要针对已达制品化的二层绝缘膜结构的薄膜交流EL元件的驱动方法加以介绍。作为线顺次驱动法，有帧更新(field refresh)驱动法、对称驱动法。今后，随着ELD的大容量化、高精细化，人们将寄希望于有源矩阵驱动法。4.6.1 帧更新驱动法 帧更新驱动法如图4-24所示，是将一个画面(1个半帧或1帧)的
47、线顺次写入进行驱动，在每次驱动终了时，输入帧更新脉冲，该脉冲的极性与整个显示板中写入脉冲的极性相反。这种驱动方式有效地利用了前面谈到的极化效应。即因写入脉冲而选择发光的像素，在发光层内产生极化，并且此极化一直保持。而非选择发光的像素不会产生这种极化作用。当施加与整个显示板中的脉冲电压相同的帧更新脉冲时，由于极化电场的叠加，仅被选择像素发光。4.6 ELD的各种驱动方式68优点：这种方法的优点是，每一帧中可以两次发光，而且，尽管是交流型元件，用单极性的线顺次写入即能驱动，反极性的帧更新脉冲在EL元件中一次施加即可，因此驱动电路比较简单。缺点：缺点是，相对于更新脉冲，写入脉冲的位相与每个扫描电极不
48、同，而且，驱动为正、负振幅非对称的交流方式。正因为如此，随使用时间增长，辉度变化很大，在画面消除时，残像时间变长，图像显示质量变差，因此，有必要施加对称交流驱动波形，并提出下述对称驱动方案。4.6 ELD的各种驱动方式694.6.2 对称驱动法 对称驱动法如图4-25所示，使每帧中写入的脉冲反转，无论对哪个像素，正，负写入脉冲波形的位相关系相同，振幅相等。这是理想的驱动方式。一个交流循环由两个半帧构成，每个半帧发光一次。由于是对称驱动，能够比帧更新法施加更高的电压，因此可以在辉度饱和区域中使用。并且可得到显示板的辉度分布一致的显示结果，随使用时间的加长其变化也很小。而且正、负极性写入时可以进行
49、变频驱动，以获得良好的对比度。但在这种驱动方法中，作为扫描侧的驱动IC，需要耐高压(约250V)的两极性(N-MOSFET及P-MOSFET)等。4.6 ELD的各种驱动方式704.6.3 灰度调节显示驱动法 考虑到ELD要应用于微机等领域，就要求其必须能进行灰度调节。实现灰度调节显示有两种方法：1.通过调节周波数，来调节显示一个像素的时间间隔变化来达到调节灰度的目的。但由于这种方法是利用单位时间内发光次数变化来调节，发光次数减少太多会发生闪动现象，因此灰度调节的阶数受到限制。2.依据EL元件的辉度-电压特性，调节脉冲宽度或脉冲幅度来达到调 节灰度的目的。其中，在不降低显示质量的同时，能进行多
50、灰度 调节的方式当数脉冲幅度调节法，但是这需要专门的IC。最近人们又提出采用锯齿波的脉冲宽度调节法，并使16阶灰度的640400，640480像素的ELD达到实用化。4.6 ELD的各种驱动方式714.6.4 有源矩阵驱动法这种驱动方式不受扫描电极数的限制，可以对各像素进行选择性调节。采用这种方法，可以对低辉度的红色和蓝色像素独立进行高周波驱动。有源矩阵驱动方式使全色EL器件的实用化迈出了关键的一步。像LCD一样，ELD也可以采用有源矩阵式驱动，如在每个像素位置设置非晶硅薄膜三极管(thin film transistor，TFT)等驱动元件进行驱动。如图4-27所示，每个像素位置设置两个TF