OLED显示屏基本结构及原理（二） 前文介绍了OLED的历史和基本结构，为了形象说明OLED构造，可...

前文介绍了OLED的历史和基本结构，为了形象说明OLED构造，可以将每个OLED单元比做一块汉堡包，发光材料就是夹在中间的蔬菜。每个OLED的显示单元都能受控制地产生三种不同颜色的光。OLED与LCD一样，也有主动式和被动式之分。被动方式下由行列地址选中的单元被点亮。主动方式下，OLED单元后有一个薄膜晶体管(TFT)，发光单元在TFT驱动下点亮。主动式的OLED比较省电，但被动式的OLED显示性能更佳。

OLED的基本结构是由一个薄而透明，而且具有半导体特性的铟锡氧化物(ITO)，与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。整个结构层中包括了：电洞传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。当电力供应至适当电压时，正极电洞与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮，依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三原色，构成基本色彩。

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后，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荧光(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)。

按照组件所使用的载流子传输层和发光层有机薄膜材料的不同，OLED可分为两种不同的技术类型：一是以有机染料和颜料等为发光材料的小分子基OLED，典型的小分子发光材料为Alq（8-羟基喹啉铝）；另一种是以共轭高分子为发光材料的高分子基OLED，简称为PLED，典型的高分子发光材料为PPV（聚对苯乙烯及其衍生物）。

有机小分子OLED的原理是：从阴极注入电子，从阳极注入空穴，被注入的电子和空穴在有机层内传输。第一层的作用是传输空穴和阻挡电子，使得没有与空穴复合的电子不能进入正电极；第二层是电致发光层，被注入的电子和空穴在有机层内传输，并在发光层内复合，从而激发发光层中的分子产生单重态激子，单重态激子辐射跃迁而发光。对于聚合物电致发光过程则解释为：在电场的作用下，将空穴和电子分别注入到共轭高分子的最高占有轨道（HOMO）和最低空轨道（LUMO），于是就会产生正、负极子，极子在聚合物链段上转移，最后复合形成单重态激子，单重态激子辐射跃迁而发光。

第二种有机发光材料为高分子聚合物，聚合物大多由小的有机分子以链状方式结合在一起，以旋涂法形成高分子有机发光二极管。最具有代表性的OLED高分子发光材料就是聚对苯乙炔PPV [poly(p—phenylene vinylene)]，有时也将高分子制作的OLED称为PLED，由英国剑桥大学的杰里米伯勒德及其同事首先发现。自从1990年剑桥大学首次在 《Nature》上报道PPV制备的电致发光器件得到了直流偏压驱动小于14V的蓝绿色光输出,到2009年该文章的引用次数已达6200次以上，开辟了高分子薄膜电致发光领域。之后的大部分研究工作集中在采用各种不同的功能团连接在PPV的主链上，以改变其发光性能；最近也有许多研究集中在有机膦类聚合物中在提高发光材料寿命方面，尤其以发蓝光材料的寿命问题难以解决。最近剑桥和CDT公司申请的专利显示，通过设计合成的材料结构可提高热稳定性，采用芴或者三芳基胺聚合物可提高OLED材料在脉冲驱动条件下的工作寿命。高分子OLED材料在使用操作性上与小分子不同，它不存在结晶堆积问题，在分子量或溶解性允许的范围内更易实现印刷、喷涂或旋涂等工艺，也更容易向柔性显示的目标迈进。高分子聚合物OLED可以使用旋转涂覆、光照蚀刻，以及最终的喷墨沉积技术来制造。一旦喷墨沉积和塑料衬底技术得以成熟，PLED显示器件将可以被任意定制来满足各种尺寸的需求。

小分子聚合物OLED器件可以使用真空蒸镀技术制造。小的有机分子被装在ITO玻璃衬底上的若干层内。与基于PLED技术的器件相比，SMOLED不仅制造工艺成本更低，可以提供全部262000种颜色的显示能力，而且有很长的工作寿命。小分子聚合物OLED器件与聚合物相比，小分子具有两方面的突出优点：一是分子结构确定，易于合成和纯化；二是小分子化合物大多采用真空蒸镀成膜，易于形成致密而纯净的薄膜。小分子材料可以通过重结晶、色谱柱分离、分区升华等传统手段来进行提纯操作，从而得到高纯的材料。

总体来说，小分子材料器件的工艺较为成熟，但是小分子材料的开发仍在继续，随着材料和工艺两方面的进步，小分子材料的器件性能会进一步提高；而聚合物作为很有前途的一个研究方向，相信在不久的将来会进入产业化的阶段，并且给有机电致发光的发展带来强有力地推进。

小分子OLED目前可以产生红光、绿光和蓝光，其中绿光的发光效率最高。小分子OLED全彩色显示技术方面，实现彩色化的方法有光色转换法、彩色滤光薄膜法、独立发光材料法等。

A.三种基色独立，成本比较高

B.制备白光OLED，使用滤色片着色，与LCD相同方式，效率低

C.利用蓝光激发绿、红二次荧光，效率优于B

D.SOLED(StackedOLED)，高分辨率，要求高级制膜技术

ＲＧＢ分别蒸镀工艺方式是通过以红绿蓝三色为独立发光材料进行发光，是目前ＯＬＥＤ彩色化常用的工艺方法。

彩色滤光薄膜法是以白色为背光源材料，透过类似ＬＣＤ彩色滤光片来达到全彩色效果，这种方法可以使用ＬＣＤ彩色滤光片技术，其关键在于白色光源和彩色滤光薄膜的成本。

光色转换法主要利用蓝光为发光光源，经光色转换薄膜将蓝光分别转换成红光或蓝绿光而实现红绿蓝三色光。

蓝光发光材料虽不需要制造对应像素的图形，但光色转换薄膜需要制作对应像素的图形。此种方法转换率是关键，发光效率优于彩色滤光薄膜法，但不如三色独立发光材料法。

旋转涂布工艺形成高分子有机发光二极管采用的原理是：在旋转的圆盘上（通常为每分钟1200转至1500转）滴上数滴液体，液体会因为旋转形成的离心力而呈薄膜状分布。在这种状态下，液体凝固后便可在膜体上形成晶体管等组件。膜体的厚度可通过调节液体粘度及旋转时间来调整。旋涂之后，要采取烘干的步骤来除去溶剂。就工艺而言，旋涂法比热蒸镀法要经济。与柯达型低分子OLED相比，PLED有功效优势，这是由于在低压工作环境下，聚合物层具有良好的导电性能。

最初PLED是由一种称之为次苯基二价乙烯基（PPV）单层活性聚合物，夹于氧化铟锡和钙之间形成。铟锡氧化物为载流子注入层，而钙为电子传递层。现在的PLED又增添了一层聚合物载流子注入层。PPV聚合物产生黄光，具有效率高寿命长的特点。这种PLED应用于计算机显示器，其寿命可长达10000小时，相当于正常使用10年。其他的聚合物及复合聚合物也在开发之中，如陶氏化学公司研究开发了一种聚氟高分子。全彩色PLED也在开发中，主要是通过改变复合聚合物片段的长度来实现显示功能，令人遗憾的是，与PPV相比，各种全彩色有机聚合物的寿命不长，而蓝光聚合物则始终不尽人意。

前面介绍过OLED的基本结构，如上图所示由基层(透明塑料，玻璃，金属箔，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”)；有机层（有机层由有机物分子或有机聚合物构成）；导电层（该层由有机塑料分子构成，这些分子传输由阳极而来的“空穴”，可采用聚苯胺作为OLED的导电聚合物）；发射层（该层由有机塑料分子构成，和导电层不同，这些分子传输从阴极而来的电子，发光过程在这一层进行，可采用聚芴作为发射层聚合物）；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)构成， 其发光过程如下：

1、OLED设备的电池或电源会在OLED两端施加一个电压。

2、电流从阴极流向阳极，并经过有机层(电流指电子的流动)。阴极向有机分子发射层输出电子。阳极吸收从有机分子传导层传来的电子。(这可以视为阳极向传导层输出空穴，两者效果相等。)

3、在发射层和传导层的交界处，电子会与空穴结合。电子遇到空穴时，会填充空穴(它会落入缺失电子的原子中的某个能级)。这一过程发生时，电子会以光子的形式释放能量。

4、OLED发光。

5、光的颜色取决于发射层有机物分子的类型。生产商会在同一片OLED上放置几种有机薄膜，这样就能构成彩色显示器。

6、光的亮度或强度取决于施加电流的大小。电流越大，光的亮度就越高。

尽管荧光OLED和PLED能耗较低，但仍有很大的改进空间。对第一代产品的最大限制因素是电子自旋，这种固有的量子特性决定着粒子对电磁场的反应。电子与空穴结合时，会产生激子。根据量子力学的规律，电子与空穴结合时，只有四分之一的激子会以光的形式释放能量，其余的激子则以热的形式释放能量。由美国普林斯顿大学的弗莱斯特及南加州大学的汤普森所领导的研究小组征服了这个难题。他们开发的OLED含有诸如铂、铱等重金属。一般而言，重金属的外层电子，由于远离原子核，旋转角动量大。这种电子与其他电子相互作用，理论认为，百分之百的激子都会以光的形式释放能量。为了与荧光OLED相区别，把用这种方式制备的OLED称为磷光OLED。低分子OLED的效率给人留下了十分深刻的印象，除了蓝光OLED外，其寿命未产生任何影响。不过，蓝色磷光OLED尚未发现，目前有许多实验室正在加紧研究，努力改变这种现状。

第二个难关是低分子OLED能否以经济的旋涂法来产生各色有机发光材料。磷光OLED在这方面已经有了重大进展。英国牛津大学的安德鲁和奥普西斯合成了一种树丛状分子(dendrimers)，有助于实现这种设想。“dendrimers”这个词来自希腊的“dendros”,意思是树和枝，树上的分枝长到一定长度后又分成两个分枝，如此重复进行，直到长成像球形一样的树丛。在树丛状分子中，分枝是内部连结的高分子聚合键，每一个键又会产生新键，全部会向一个焦点聚合或向一个核聚合。在树丛状分子上可形成大量键端球形突起物，就像毛线球上的绒毛。在合成过程中，可利用这些键端去执行特殊的化学功能，例如，键端可带电，发挥树丛状分子的高分子电解质的功能。另外，在合成过程中，也能控制树丛状分子外部尺寸和内部的结构。这有可能创造与外部不同性质的内腔和信道，并打开树丛状分子作为载体或作为受邀分子晶核的大门。

将树丛状分子应用于OLED，可以将磷光OLED作为核，形成大分子球，以适当的元素为分枝，这样OLED分子就能够溶解，就可以利用类似PLED的制备方式，通过旋转涂布和烘干来制备。树丛状分子具有非常良好的发光效率，目前可达每安培50堪德拉和每瓦40流明。

另外，尽管生产工艺不同，有机发光材料还是要获得与阴极射线管和液晶显示屏相同的画面质量，才能在市场上具有竞争力。为了获得完美画质，每英寸点数不应小于100。目前阴极射线管和液晶显示屏利用光刻技术都已达到或超过了上述要求。OLED目前主要以荫罩技术进行多彩成膜的制备，距高分辨率显示要求仍有差距，须待突破。喷墨技术为PLED发光色层精确定位提供了一个新的解决方案。它主要是将装有不同颜色高分子发光材料，依序精确定位于所设计好的位置，其技术挑战的关键在于能否精确定位、喷出的滴状材料的大小是否配合画面的尺寸、能否控制喷出液滴的一致性等。

目前在OLED的二大技术体系中，低分子OLED技术为日本掌握，而高分子的PLED技术及专利则由英国的科技公司CDT掌握。

OLED电视可实现的方案还是很多，最著名的就是有源矩阵有机光发射二极管，也简称AMOLED，它由阴极、有机有源层、TFT阵列等部分组成，有机聚合物堆中包括有发射层和导电层，沉积在有薄膜晶体管的基板上。实施有机材料的技术也可以是多种多样的，其中常用的有将像素阵列直接打印在TFT上的喷墨法，将电荷通过底部电极和显示器表面附加透明层之间的空间以激发有机层转而产生光线，也就平常我们所说的主动式OLED，主要被应用于大屏、高分辨率的显示设备。

与时下液晶电视都采用的LCD面板相比，OLED因为是自发光器件，使得它们在黑暗环境下有相当不错的视角和显示特性。由于每个像素自己都会发光，OLED面板做成的显示器，当然也就不会存在亮度不均匀、漏光等现象，显示的色彩也不受背光等干扰，更加鲜艳。因为是自发光，所以也就无须背光灯，相应的背光部件也就不需要了，这也使得OLED面板做成的液晶电视，厚度要比采用LCD面板的轻薄很多。

在其它特性方面，OLED的对比度、可视角度等都要好于TFT。OLED的典型的对比度大于1000:1，TFT LCD的典型对比度大约是500:1。LCD液晶电视在广视角下观看，多少会出现一些偏色情况出色，但对于采用OLED面板的电视机而言，则基本不存在偏色等情况发生。

OLED生产过程中最重要的一环是将有机层敷涂到基层上。完成这一工作，有三种方法：

1、真空沉积或真空热蒸发（VTE）

位于真空腔体内的有机物分子会被轻微加热（蒸发），然后这些分子以薄膜的形式凝聚在温度较低的基层上。这一方法成本很高，而且效率较低。

2、有机气相沉积（OVPD）

在一个低压热壁反应腔内，载气将蒸发的有机物分子运送到低温基层上，然后有机物分子会凝聚成薄膜状。使用载气能提高效率，并降低OLED的造价。

3、喷墨打印

利用喷墨技术可将OLED喷洒到基层上，就像打印时墨水被喷洒到纸张上那样。喷墨技术大大降低了OLED的生产成本，还能将OLED打印到表面积非常大的薄膜上，用以生产大型显示器，例如80英寸大屏幕电视或电子看板。

OLED的驱动方式分为主动式驱动(有源驱动,Active Matrix；AMOLED))和被动式驱动(无源驱动，Passive Matrix；PMOLED)。

OLED的驱动方式是属于电流驱动，无源方式的构造较于简单，驱动视电流决定灰阶。无源驱动（PM OLED）又分为静态驱动电路和动态驱动电路。

⑴　静态驱动方式：在静态驱动的有机发光显示器件上，一般各有机电致发光像素的阴极是连在一起引出的，各像素的阳极是分立引出的，这就是共阴的连接方式。若要一个像素发光只要让恒流源的电压与阴极的电压之差大于像素发光值的前提下，像素将在恒流源的驱动下发光，若要一个像素不发光就将它的阳极接在一个负电压上，就可将它反向截止。但是在图像变化比较多时可能出现交叉效应，为了避免我们必须采用交流的形式。静态驱动电路一般用于段式显示屏的驱动上。

⑵　动态驱动方式：在动态驱动的有机发光显示器件上人们把像素的两个电极做成了矩阵型结构，即水平一组显示像素的同一性质的电极是共用的，纵向一组显示像素的相同性质的另一电极是共用的。如果像素可分为N行和M列，就可有N个行电极和M个列电极。行和列分别对应发光像素的两个电极。即阴极和阳极。在实际电路驱动的过程中，要逐行点亮或者要逐列点亮像素，通常采用逐行扫描的方式，行扫描，列电极为数据电极。实现方式是：循环地给每行电极施加脉冲，同时所有列电极给出该行像素的驱动电流脉冲，从而实现一行所有像素的显示。该行不再同一行或同一列的像素就加上反向电压使其不显示，以避免“交叉效应”，这种扫描是逐行顺序进行的，扫描所有行所需时间叫做帧周期。

PMOLED具有阴极带、有机层以及阳极带。阳极带与阴极带相互垂直。阴极与阳极的交叉点形成像素，也就是发光的部位。外部电路向选取的阴极带与阳极带施加电流，从而决定哪些像素发光，哪些不发光。此外，每个像素的亮度与施加电流的大小成正比。所以无源方式的构造比较简单，驱动视电流决定灰阶，应用在小尺寸产品上时，分辨率及画质表现还算不错，但若要往大尺寸应用产品发展，恐怕会提高消耗电量，发生寿命降低的问题。最好的对应的则是采用有源驱动方式，因为有源的电流整流性较无源方式佳，不易产生漏电现象，同时使用在低温多晶硅(Poly-si)TFT技术时，电流可以产生阻抗较低的小型TFT，符合大尺寸、大画面OLED显示器的需求。

有源驱动（AM OLED）

有源驱动的每个像素配备具有开关功能的低温多晶硅薄膜晶体管（Low Temperature Poly-Si Thin Film Transistor, LTP-Si TFT），而且每个像素配备一个电荷存储电容，外围驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一玻璃基板上。与LCD相同的TFT结构，无法用于OLED。这是因为LCD采用电压驱动，而OLED却依赖电流驱动，其亮度与电流量成正比，因此除了进行ON/OFF切换动作的选址TFT之外，还需要能让足够电流通过的导通阻抗较低的小型驱动TFT。有源驱动属于静态驱动方式，具有存储效应，可进行100%负载驱动，这种驱动不受扫描电极数的限制，可以对各像素独立进行选择性调节。有源驱动无占空比问题，驱动不受扫描电极数的限制，易于实现高亮度和高分辨率。有源驱动由于可以对亮度的红色和蓝色像素独立进行灰度调节驱动，这更有利于OLED彩色化实现。

有源矩阵的驱动电路藏于显示屏内，更易于实现集成度和小型化。另外由于解决了外围驱动电路与屏的连接问题，这在一定程度上提高了成品率和可靠性。

PMOLED易于制造，但其耗电量大于其他类型的OLED。这主要是因为它需要外部电路的缘故。PMOLED用来显示文本和图标时效率最高，适于制作小屏幕（对角线2-3英寸），例如人们在移动电话、掌上型电脑以及MP3播放器上经常能见到的那种。即便存在一个外部电路，被动矩阵OLED的耗电量还是要小于这些设备当前采用的LCD。

而AMOLED在技术上的优势几乎是传统LCD难以企及的：

1、对比传统LCD，AMOLED屏幕非常薄，并且可以在屏幕中集成触摸层，做超薄机更有优势。

2、高分辨率AMOLED采用pentile排列，不像传统LCD那样一个像素点等于红绿蓝三个亚像素的合集，而是一个像素=1绿0.5（蓝 红） ，大幅强调绿色，使画面看起来更鲜艳。

3、AMOLED自发光，单个像素在显示黑色时下不工作，显示深色时低功耗。所以AMOLED在深色下省电，并且具有传统LCD几百倍的对比度，还不会漏光。

4、AMOLED具有一定的柔韧性，比起玻璃基板的LCD屏幕不宜损坏。5.AMOLED和SUPER AMOLED的色域都非常广。

PMOLED与AMOLED各性能对比：

1.特色：

PMOLED（瞬间注入强大电流而睡意高亮度发光 ；面板外接驱动IC ；扫描线逐步扫描）

AMOLED（每个像素可独立动作并连续驱动，搭配TFT驱动电路连贯发光，全彩显示；

TFT驱动电路 ；资料逐步写入扫描 ；在TFT基板上形成OLED像素）

2. 显示性能：

PMOLED（单色或多色（全彩也可）；AMOLED（全彩）

3.相对优点：

PMOLED（组成结构简单 ；不iheyTFT工艺，厚板易清洗，易更改设计； 材料和生产成本低； 技术门槛低；

灰阶容易控制）

AMOLED（适合大尺寸，高分辨率发展 ；亮度容易提高 ；发光寿命长 ；响应速度快）

4.相对缺点：

PMOLED（不适合大尺寸，高分辨率； 耗电量大； 发光效率与寿命差）

AMOLED（技术门槛高，需搭配LTPS或α-Si TFT-LCD技术； 材料生产成本高）

5.应用领域：

PMOLED（照明、8英寸以下单色、多彩及全彩显示器，目标市场为车用音响显示器、手机、PDA、游戏机等音色或多彩中小型显示器，企图抢占TN/STN既有的市场）

AMOLED（8英寸以上全彩显示器及移动显示领域（手机，平板等））

据市调Display Search的预估数字，到2020年时，OLED产业的营收规模有机会上看350亿美元，可挠式OLED面板已率先应用于手机产品，目前平板电脑也导入，韩系三星电子、LG电子( Electronics)也推出了大尺寸OLED电视。不过，现阶段OLED 电视的发展并不顺遂。由于平面电视已进入成熟期，价格竞争激烈，不管是消费者或电视品牌业者，对于产品价格都非常敏感，然而OLED有机材料寿命不长，加上制程复杂，导致生产成本相当高，良率也不容易提升。现今电视市场掀起4K(解析度3,840x2,160)风潮，TFT LCD产业链相对成熟，能够提供电视厂商具有成本竞争力与高解析表现的4K UHD电视面板。短期内，业界人士认为OLED面板仍会先以小尺寸的行动装置市场为主力，导入电视、照明等应用，还需要时间发酵。

OLED显示技术具体LCD及LED无可比拟的优势，但是依然存在相当多的问题。虽然在手机及电视等显示领域及照明领域已有大量产品销售，但OLED全色技术虽然技术尚未成熟。随着全球厂商投入研发的力度不短增加下，OLED技术将会愈来愈成熟，而目前风骚于手机及便携式产品的LCD，将逐步会给OLED让出相当部分市场。