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OLED照明及OLED有源显示材料与器件

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邱勇 现任清华大学有机光电子与 分子工程教育部重点实验室主任、中 国化学会副秘书长、中国信息显示学 会副理事长、清华大学常委、清 华大学副校长、国家“十五”863高清 晰度平板显示技术专项总体专家组 组长,长期从事光化学和光电材料领 域的研究工作。 O L E D照明及 O L E D有源显示材料与器件 ■文/段炼 邱 勇 清华大学 有机发光二极体(Organic Light 一.OLED照明技术及产业 在半导体照明领域,OLED与LED 无需高温处理,甚至可以采用卷对卷 Emitting Diode,简称OLED)采用有 机半导体材料作为功能材料,在电场 1.OLED照明技术的优势 工艺制备。 ④材料来源广泛。OLED材料可 驱动下,通过载流子注入复合发光。由 于其平面发光、超薄、可透明化和柔性 化等独特的优点以及高效节能、绿色 相比,除了两者共有的高效节能、绿 色环保等特点,还具有一些独特的 优势: 以通过改变分子结构来优化性能,发 光颜色在可见光区域内可任意调节 (包括红、绿、蓝和白光)。 因此,白光0LED在未来照明领 环保等优势,OLED在显示和照明两 大应用领域都具有极大的发展潜力, 获得了广泛的关注。2005年,OLED被 ①平面光源、发光柔和。与LED点 光源不同,白光0LED器件是一种发 光柔和的平面光源,尤其适用于室内 照明。 域中具有诱人的应用前景,有机会成 为新一代室内固态照明的主角。正因 为白光OLED照明技术蕴藏着的巨 大经济和社会效益,美国、欧盟、日 美国有线电视新闻网(cNN)列为近 25年对人类最具影响力的25大创新 ②可实现柔性化。可制备在柔 技术之一;2006年,OLED又被市场研 究公司Gartner列为十大战略技术的 第三名。 性的基板上,实现大面积、可弯曲 光源。 本、韩国等发达国家不断推出新的研 发计划,并加大投资力度,致力于高 性能白光OLED照明技术的研发。根 ③制备工艺相对简单。制备过程 圜Advanced Materials Industry 表1 白光OLED照明最新研究成果 分类 年份 研究单位 流明效率(1/ 电流效率/ 光取出 色坐标(m/W) (cd/A) 结构 x,y) 1000cd/m 亮 度下的寿命/h 2007[1] 出光兴产株武会社(Idemitsu) l7 无 全荧光材料 2008[21 柯达(Kodak) 31.2 有 (0.38,0.38) 200601 柯尼卡美能达(Konica Minolta) 64 有 (0.39,0.43) l0 000 2008[4] UDC l02 有 (0.41,0.46) 8000 全磷光材料 2009I51 K Leod,组 90 有 (0.4l,.0.49) 2010[61 UDC l09 有 (0.43,0.42) l5 000 2006[71 Forrestd ̄组 23.8 有 (0.38,0.40) 磷光材料 荧光加 2007[8] K Leod ̄组 37.5 有 (0.44,0.47) 2010[9] Kodak 30.1 34.8 无 (0.32,0.36) 2010[1 ̄1 LG Display 30 61.3 无 (0.34,0.33) l3O000 荧光加磷光材 2010[1料1] Kodak 33.1 67.7 无 (0.3l,0.36) 25 000 叠层结构 2010[1 1】 Kodak 23.6 48.7 无 (0.43,0.32) 125 000 据市场调研机构NanoMarkets的预 全荧光器件所用发光材料为荧 由于目前蓝光磷光材料存在稳 测,0LED固体光源的全球销售总额 光材料,成本较低,但是效率有限。 定性差的问题,蓝色荧光加红、绿磷光 将在2013年达到45亿美元。因此,研 2007年,日本出光兴产株式会社制备 的混合式白光结构的开发成为近几年 究和开发OLED照明技术,进行中试 出了效率为171m/W的全荧光白光 的研究热点。该结构的最早报道见于 应用技术及批量生产技术开发,继而 器件…;2008年,KodakSt]备出效率为 2006年Forrestd ̄组在Nature上发表的 推动这一领域的大规模产业化,对提 31.21m/W的全荧光白光器件(使用 荧光蓝/磷光红/磷光绿/荧光蓝的自 高能源利用效率,减少由于发电而产 了Kodak开发的光取出技术)l2J,这是 光器件_6J 。另外,荧光加磷光的混合结 生的温室气体排放量等都具有重要 迄今为止公开报道的全荧光器件的最 构也可以采用器件级联叠加的方式, 意义。 高效率,超过了传统白炽灯的效率(约 即蓝光荧光单元叠加红/绿磷光单元, 2.OLED照明技术的发展现状与趋势 20lm/W)。 这2个发光单元之间通过电荷生成层 白光OLED的发展目标是成为实 随着性能优异的蓝色磷光材料的 来连接。叠层器件的优点在于,器件的 用化的低成本、高效率、长寿命的大面 开发,全磷光白光器件的发光效率也 电流效率可以为2个发光单元的电流 积平板光源。目前,国际上白光OLED 是逐年提升。2006年,Konica Minolta 效率之和,寿命也会相应延长。目前 的研发已经取得了显著进展。表1列 公司制备出了效率为641ITI/W的全 Kodak、LG、Samsung和Novaled都开 举了近两年美国、日本、欧洲等国具 磷光白光器件 J;2008年,UDC制备 展了叠层白光OLED器件的研究 1o 111。 有代表性的研究机构和企业在白光 出了效率为1021m/W的全磷光白光 3.OIFD照明产业的发展现状与趋势 OLED照明技术上的最新研究成果。 器件,超过了传统荧光灯的效率(约 随着白光OLED技术的不断成 决定白光0LED实现产业化的2 901m/W),寿命在1000cd/m 亮度 熟,0LED照明产业化的雏形也逐渐 个关键指标是效率和寿命,器件效率 下可达8000h_4J;2010年,uDC借助 形成。业界涌现出多个专门为OLED 体现了将电能转化为光能的能力,寿 于其新开发的天蓝光磷光材料,制备 照明而成立的新公司,多条针对 命体现了其实用性。目前常见的白光 出更高效的全磷光白光器件,效率可 OLED照明产业化技术开发与生产的 OLED器件可以按照所使用材料大致 达1091m/Wt5J,在低亮度下更高达 中试生产线也在陆续建设中。 分为全荧光器件、荧光加磷光的混合 1361m/W,这是迄今为止报道的白光 2008年5月,日本山形大学研究 式器件以及全磷光器件。 OLED的最高效率。 所Kido教授与Mitsubishi Heavy 靳和鞘产业NO.2 2011 l疆 IndU St ri e s、ROHM、TOPP an Printing、Mitsui等公司宣布合资成立 专注于OLED照明的公司Lumiotec, 初期投入l4亿日元。 另外,日本公司松下(Panasonic) 致力于高显色性0LED照明产品的 开发,初期产品准备应用于博物馆等 对照明质量要求较高的特殊领域内, 也宣布将在2011年向市场正式推出 OLED照明产品,见图1。 韩国计划在2010年投资70亿 韩元用于研发生产0LED照明面板 的4代线(730mm×920mm)量产 设备,并宣布2013年开始正式销售 屏体。 201og 1明l8日,美国能源部(DOE)、 UDC、印度科技公司Moser Bayer以及 New York’s Smart System TechnokNy &Commerdalization Center( C)宣布共 同投资超过2000 ̄美元,在纽约州建设 北美地区首条OLED照明中试线,此 条中试线将于201 1年开始运行。 2010年,欧司朗公司(0Sram)宣 布将投资7000万美元建设一条OLED 照明中试线,2011年年中将交付使 用。另外,Osram于201O年1 1月宣布, 正式开始出售一款新设计的室内装 饰照明灯具PriOLED(图2),售价为 9800欧元,此款灯具使用了5-J ̄OLED 屏和5-f'-LED照明模块,光通量可达 3001m。 法国Astron FIAMM公司现有一条 OIED照明2代中试线(37 m×470ram), 2OlO ̄10月,此公司设计了一款适用于汽 车的概念产品,此款白光0LED屏用在汽 车的前灯、车内灯等方面,见图3。 在我国进行白光OLED技术研 发的院校和厂商有清华大学、吉林大 学、苏州大学、华南理工大学、中科院 理化所、长春应用化学研究所、北京 圃Advanced Materials Industry 图片来源:http://www.Ned info.com/panasonic—shows—Ned lighting—panels—their—shiodome—museum。 图1 Panasonic在私人博物馆安装的OLED照明灯具(左)及开发的OLED概念灯具(右) 图片来源:http://www.osram.com/osram com/LED/OLED—LIghtmg/P 0LED/fnde×.html。 图2 Osram推出的白光OLED装饰照明灯具产品 图片来.源:http://www.Ned—info.c0m/astr0n—flamm—sh0ws—new一0Ied—ljghtfng—car c0ncept。 图3 Astron FIAMM公司推出的白光OLED概念产品“Car bones” N4北京维信诺科技有限公司推出的OLED. ̄,B,JEJ灯具产品 维信诺科技有限公司等。国内OLED 照明技术与产业化推进基本与世界 4.OLED照明产业市场前景预测 随着技术发展,0LED照明离规 模产业化转化的时间节点越来越近。 根据Display Search的调查预测,在 2010-201 1年问还将有包括美国通用 电气公司(GE)和Konica Minolta等 在内的更多的投入,白光OLED照明 研究和开发OLED照明技术无疑 给中国的照明产业发展提供了难得的 机会,同时,对我国节约能源、保护环 同步,如清华大学开发的白光荧光 OLED在1000cd/m 的高亮度下寿命 超过10万h;北京维信诺科技有限公 司于2009年正式推出了OLED白光 照明产品(图4),为国内唯一一家开 境,带动传统显示与照明产业升级和 新型制造业的发展,促进国民经济的 可持续性发展具有巨大的推动作用。 正如“十二五”规划中指出的,要“通过 始销售OLED照明产品的厂商;长春 应化所开发的白光OLED最大效率达 46.71m/W。 技术与产品开发的照明企业陆续推 出各自的白光OLED照明产品,并将 逐步进入量产。OLED照明市场将在 2011年启动,未来10年内将保持着2 位数以上的高年增长率,营业额将在 2013-2014年将超越OLED显示器的 加强配套材料、核心技术和下游应用 的自主创新,推进OLED照明领域的 创新能力建设,完善本土产业链的建 设布局”,“提升我国OLED新型照明 未来OLED照明产品在外观上将 向大尺寸、透明化、柔性化、可任意造 型的方向发展,从性能上将会不断提 科技创新能力和构建0 L E D照明产业 核心竞争力”。 白光0LED照明技术的应用,将 极大地降低电能的消耗,另~方面,由 于用电量的减少,将大大降低发电排 高光效、延长寿命,从价格上也将迅速 降低,不断缩小与现有照明技术的差 距。未来3~5年是OLED照明技术、 产业、市场发展的关键时期,美国、欧 营业额,并在2018年增长到60亿美元 的规模。从OLED照明应用领域来看, OLED照明产品将首先应用在装饰和 通用照明市场上,未来将应用于广告、 出的污染物(例如温室气体的排放) 对环境造成的危害。由此可见,白光 洲、日本等国家和地区的与企业 纷纷在OLED照明上加大投资和研发 力度,力争在未来的OLED照明产业 中占据有利地位。 医疗、工业、汽车等领域。2015年之后, OLED照明预计会在背光产品上有比 较大的市场份额。图5为2008-2018年 全球OLED照明企业销售额预测图。 OLED照明技术的发展不仅能够节省 能源,缓解全球性能源危机,而且有利 于环境保护。白光OLED照明技术年 7000 6000 I 5000 捌( 溢4000 鬈3、 000 嚣 2000 0 . . .一.一.一。_. 1 2008 2009 2010 2011E 2012E 2013E 2014E 2015E 20161=2017E 2018E IN/B]/ ̄ 数据来源:DisplaySearch。 图5 2008—201 8年全球OLED照明企业销售额预测图 新衄料产业NO.2 2011 蛋 产值将数以千亿计,同时将带来数以 百万计的工作机会。 都还有很大的发展余地。从长远来看, OLED未来将沿着小尺寸一中尺寸一 大尺寸一超大尺寸、单色一多色一彩 在OLED器件方面,由于有机材料发 光所具有的宽光谱特性可能降低显 示器的色彩表现,因此,如何扩大显示 器件的色域,增强显示画面的色彩,是 二 OLED大尺寸显示技术及 产业 OLED作为全固态、主动发光的 显示器件,与液晶显示器(LCD)相比, 具有以下几方面的独特优势:①OLED 的显示画面质量更加出色,具有高 色、无源~有源、硬屏一软屏的脉络进 行发展。 0LED所要解决的主要问题之一。此 外,由于有机材料的热稳定性较差,器 三、AMOLED显示技术及产业 的发展现状与趋势 1.AMOLED显示技术的发展现状 件寿命还需要进一步提高,特别是具 有较高效率的磷光材料器件寿命仍有 很大的改善空间。为实现OLED更轻 亮度、高对比度、广色域的优点; 与趋势 根据驱动方式的不同,O【J1 D 分为被动式有机电激发光二极管 (PMOLED)和有源矩阵有机发光二 极体面板(AMOLED)2大类。其中, AMOLED使用薄膜晶体管(TFT)阵 列来驱动OLED像素发光,因此不但 更薄的特点和大面积显示,新型封装 方案也是OLED面临的主要课题。 ②OLED可以制备成超薄显示器,无 视角,工作温度范围宽,因此具有 更广阔的应用领域;③在节能方面, OLED更显示出了不同寻常的优势,40 目前,TFT背板中的沟道层半导 体材料主要有非晶硅(a—si)、微晶硅 ( —Si)、低温多晶硅(LTPS)、单晶 硅、有机物和氧化物等。由于OLED是 英寸液晶电视的功耗在2o0w左右,而 一台40英寸的OLED电视,功耗将在 100W以下;④OLED显示器可以采用 电流驱动型器件,需要稳定的电流来 控制发光特性。为了达到足够的亮度, 具有功耗更低、画质更好、寿命更长 的优点,而且也成为实现大尺寸高分 辨率OLED显示的最佳选择(图6)。 目前,许多平板显示业巨头都看好 AMOLED的未来,纷纷投入大量资 金进行产品技术的开发,期待能在 AM0LED市场占有…席之地。 AMOLED技术的开发涉及到 TFT背板和OLED发光器件2个方面。 卷对卷的制备工艺,制作成柔性显示 器 因 ̄LOLED被认为是最有发展前景 的新型显示技术之一,也是国际上高 技术领域的一个竞争热点。 OLED技术已经在小尺寸领域初 步满足实用化的要求,并在材料、彩 色化、大尺寸、柔软显示、半导体元器 AMOLED需要TFT的沟道材料具有 较高的迁移率,以提供较高的电流密 度。因此,目前普遍应用于TFT-LCD 中的非晶硅TFT由于迁移率较低很难 满足要求;另外,与LCD所不同的是, AM0LED需要TFT长时间处于开启 状态,非晶硅TFT的阈值电压漂移问 题也使其很难应用在AMOLED中。从 件产品(IC)、封装和生产工艺等方面 图6 AMOLEDN ̄器(从左至右依次为LG公司的15寸AMOLED ̄视 三星公司的超薄 AMOLED、索尼公司的可卷曲AMOLED) 口Advanced Materials Indust ̄ 技术发展现状来看,较有希望的背板 技术为LTPS—TFT和氧化物TFT等, 但也仍然存在很多难点。 在LTPS—TFT技术中,最主要 公司从事0LED的研究开发和产业 化工作,其中包括许多全球知名企 业,如日本的索尼、东北先锋,韩国 的三星、LG,美国的柯达、杜邦以及 欧洲的菲利浦等公司。目前已经具 有大批量提供PM0LED产品能力的 公司主要有日本的东北先锋,中国 形成统一标准,产业化还处于发展初 期。2007年,发达国家一些企业开始有 小尺寸的AMOLED量产,全年全球出 货260万片,实现销售额6700万美元。 的工艺难点为多晶硅沟道层的结晶 化技术。对LTPS结晶化技术而言,激 光结晶化技术尤其是准分子激光退 2008年,AMOLED开始进入高速增长 期,许多大公司坚定了发展AMOLED 的决心,各种技术也都得到了发展,中 火(ELA)技术目前在小尺寸应用方 的铼宝,中国的昆山维信 小尺寸产品已经实现量产并应用于手 面已经较为成熟,全球已经量产的 诺显示技术有限(下称“昆山维信诺 AMOLED产品基本都使用了ELA技 公司)等。 术。LTPS—TFT的难点在于TFT一致 AMOLED的发展开始于20世 性差,进而导致成品率低,因此提高 纪末。在PMOLED技术比较成熟后, ELA技术制备的TFT一致性是国内 各国开始在此基础上进行AMOLED 外各单位研发的重点。另外,由于激光 技术的研发。而中国在AMOLED用 尺寸的,ELA技术在大尺寸基板 的TFT技术方面基础薄弱且起步较 的量产方面也有很大的问题。而非激 晚,技术上落后于其它国家。日本索 光结晶化技术有望实现大尺寸基板量 尼、韩国三星、LG和我国地区 产以降低成本,并在TFT均匀性方面 的奇晶光电股份有限公司(下称“奇 有很大优势,但是目前还存在如下问 晶”)、统宝光电股份有限公司(下称 题:金属诱导晶化(MIC)技术因为金 “统宝”)、友达光电股份有限公 属污染导致的漏电流等问题,使得缺 司(下称“友达光电”)等在AMOLED 陷和寿命问题很难解决;固相结晶化 技术开发方面投入巨资研发核心 (sPc)技术在大尺寸AMOLED的制备 技术。韩国、日本等在0LED 上具有较大的综合性优势,但其载流 器件技术开发、设备开发等的发展 子迁移率与激光结晶化技术相比较 也给予很大的支持。目前国外具有 低,且在量产方面仍不成熟。 AMOLED产线的公司主要有三星(已 氧化物TFT技术目前还尚处于实 有730mm×920mm线一条,2010年又 验室阶段,很多工艺问题还没有解决, 增资建设一条5.5代线,预计2011年上 如半导体材料组分的精确控制、氧化 半年建成)、LG(2条370mm×470mm 物TFT特性的稳定性等,因此在实现 线,由PMOLED线发展而来,另有一 产业化方面还存在一定的困难。 条新建线730mm×920mm线)、奇晶 2.AMOLED显示产业的发展现状 (1条325m1TI×720mm线)、统宝(1条 与趋势 620mm×750ram线),这几家公司均 自从柯达公司的C.W.Tang等 有量产产品推出。其中,只有三星公 人于2O世纪80年代发明高效率双层 司AMOLED可以大批量出货,其出货 结构OLED器件以来,各国的企业和 量占全球AMOLED市场的90%以上, 研究单位纷纷介入该领域。OLED发 LG和奇晶光电股份有限公司等只是 展前期主要发展PMOLED,20世纪 小批量生产。 90年代以后,OLED技术的发展速度 从全球发展隋况来看,由于 )I皿 很快,全球已有一百多家科研机构、 发展时间短,量产技术还不成熟,尚未 机、移动视频播放器(Portable Media Player,PMP)等产品中,全年全球出 货达到1230万片,实现销售额4.51亿 美元。LG Display将LG电子的2条原 2代(370ram×470mm)PMOLED生 产线转变为AMOI ED生产线,后又 投资建设了4代(730mm x 920mIn) AMOLED生产线。2009年,AMOLED 全年全球出货量超过2300万片,实现 销售额近5.44L美元。2009年,LG推出 了15英寸电视用AMOLED面板,是 目前全球最大的商品化的AMOLED 电视。2008年底,三星AMOLED月产 能达到450万片(以2英寸计),2010 年初,三星公布将新建一条5.5代 AMOLED生产线。友达光电也有着 雄厚的实力,2009年友达光电重启 AM0LED的研发,计划于2011年量 产。2010年3月在上海FPD CHINA展 会上,友达光电展出了多款AMOI ED 样品,包括一款l4英寸的AMOLED 样品和多款透明显示屏幕。在大尺寸 AMOLED产品方面,索尼在2007年推 出l1英寸OLED彩色电视机引起的反 响最为轰动;LG于2009年底推出了 15英寸AMOLED彩色电视机,但因良 率上还存在问题,其市场价格还比较 昂贵,以LG的15英寸AMOLED电视 为例,其市场价为2500美元左右,远 远高于同类液晶产品。 我国OLED研究水平上升很快, 在机理研究、材料开发、器件结构设 菲初秘产业NO.2 20t1簟 羞 计、生产工艺技术等方面做了大量 工作,取得了一系列有价值的研究 成果,获得了大量的专利技术。2008 线打通了LTPS—TFT背板和0LED 显示屏制造工艺技术,并于2010年 12月24日开发成功2.8英寸彩色 AMOLED显示屏。 四川虹视显示技术有限公司也 总体来看,我国国内在AM0LED的 研发方面尚处于起步阶段,在TF个背板 技术方面基础较弱,与国外差距较大。 无论作为照明产品还是作为显示 产品,OLED均拥有优异的特性,具有 年,昆山维信诺公司建成了我国大 陆第一条PMOLED量产线,该公司 前期对PMOLED的投入和研究为 发展AMOLED打下了良好的基础。 近几年国内许多家单位开始展开 AM0LED方面的研究,清华大学、 北京维信诺科技有限公司和相关单 位合作,2009年开始建设AMOLED 中试线并于2010年建成,目前已全 与韩国的相关机构合作,研制成功了 AM0LED样品;广东中显科技有限 公司引进科技大学的技术,正在 非常广阔的市场前景。尽管面临同其 它技术的竞争,世界各国仍积极开展 OLED技术的研究,寻求新的技术突 进行AMOLED的产业化;上海天马 微电子股份有限公司于2010年初发 布了建设一条4.5代AMOLED中试线 的消息。 破。OLED作为梦幻般的照明和显示 产品必将在产业化和实用化的道路上 飞速发展。 咖 10.3969l/J.issn.1008--892X.2011.02.004 参考文献 【1】Kuma H,Jinde Y,Kawamura M,et a1.Highly Efficient White OLEDs Using RGB Fluorescent Materials[J】. 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