光電子技術(2)(光電子發光與顯示技術)§5電致發光及場致發光器件（OLED）§5電致發光及場致發光器件（OLED）1920年德國學者古登和波爾發現，某些物質加上電壓后會發光，人們把這種現像稱為電致發光或場至發光（EL）。1936年，德斯垂將ZnS熒光粉浸入蓖麻油中，并加上電場，熒光粉便能發出明亮的光。1947年美國學者麥克馬斯發明了導電玻璃，多人利用這種玻璃做電極制成了平面光源，但由于當時發光效率很低，還不適合作照明光源，只能勉強作顯示器件。70年代后，由于薄膜技術帶來的革命，薄膜晶體管（TFT）技術的發展場致發光（EL）在壽命、效率、亮度、存儲上的技術有了相當的提高。使得場致發光（EL）成為三在顯示技術中最有前途的發展方向之一。光電子技術精品課程場致發光（EL）按激光發過程的不同分為二大類：（1）注入式電致發光：直接由裝在晶體上的電極注入電子和空穴，當電子與空穴在晶體內再復合時，以光的形式釋放出多余的能量。注入式電致發光的基本結構是結型二極管（LED）；（2）本征型電致發光：又分為高場電致發光與低能電致發光。其中高場電致發光是熒光粉中的電子或由電極注入的電子在外加強電場的作用下在晶體內部加速，碰接發光中心并使其激發或離化，電子在回復到基態時輻射發光。光電子技術精品課程5.1、高場交流電致發光顯示圖5.1ACEL結構圖光電子技術精品課程交流電致發光顯示是目前高場電致發光顯示的主流。ACEL結構如圖5.1所示。它是將電致發光粉ZnS:CuCl或（ZnCd）S:CuBr混合在環氧樹脂和氰乙基醣的混合物的有機介質中，兩端夾有電極，其中一個為透明電極。另一個是真空蒸鍍鋁或銀電極，構成一個EL。實質上，ACEL是大量幾微米到幾十微米的發光粉狀晶體懸浮在絕緣介質中的發光現象，也稱德斯垂效應。ACEL所加的電壓通常為數百伏。ACEL是晶體內的發光線發光，不是體發光。線發光強度可達3.4×105cd/m2，總體發光亮度約40cd/m2功率轉換效率為1/%，壽命約1000小時。光電子技術精品課程高場電致發光的機制存在許多有趣的物理問題，最近仍在不斷的探討，它與EL材料中的電子在高電場下作用下的加速產生熱電子，熱電子碰撞ZnS格使之離化產生電子空穴對，當電子重新被這些離化的施主和受主俘獲時，產生復合發光，也可以通過熱電子直接碰撞發光中心發光（如ZnS基質發光材料中的施主-受主對，或摻雜的Mn2+，或一些三價稀土離子），電子空穴對的復合能量也可以直接傳遞給發光中心而發光。光電子技術精品課程記憶效應可以解釋為：脈沖電壓產生強電場，使發光層中電子加速。在這些電子穿過發光層時，激發錳發光中心。已穿過發光層的電子便在發光層與絕緣層的界面上積累起來，這些電子在電場移去后仍將留在界面處，于是在發光層兩邊形成極化電荷。如果下一個脈沖與上一個脈沖同方向，則極化電場將抵消脈沖電壓產生的電場的大部分，所以發光亮度變小。反過來，如果下一脈沖方向反轉，則極化電場與脈沖電壓產生的電場疊加，總電場變大，所以發光亮度增加。利用記憶效效可以制成具有灰度級的記憶板，作為視頻顯示板用的記憶板能夠具有幀儲存的能力。光電子技術精品課程圖5.2ACTFEL結構示意圖1金屬電極；2絕緣層；3發光層；4絕緣層；5透明電極；玻璃襯底光電子技術精品課程ACTFEL優點是壽命長（大于2萬小時），亮度高，工作溫度寬（-55℃~+125℃），缺點是只有摻Mn的發光效率高，且為橙黃色，對全色顯示要求三基色研制高效的發光材料是當今研究的課題。EL器件目前已被應用在背光源照明上，在汽車、飛機及其他設備儀器儀表、手機、手表、電子鐘、LCD模塊、筆記本電腦顯示器等方面獲得應用。也作為交通安全標志，公司標志，出口通道等發光指示牌上的發光顯示器件。光電子技術精品課程有機發光顯示器（OLED）又稱有機EL，是以有機薄膜作為發光體的自發光顯示器件。它是固體自發光器件，可適應惡劣工作環境；它響應時間短、發光效率高、視角寬、對比度高；它可在5V~10V的低電壓下工作，功耗低，工藝簡單；制造成本低、有機發光材料眾多、覆蓋發光光譜從紅外到紫外，適合全彩色顯示；價廉、易于大規模生產；OLED的生產更近似于精細化工產品，可在塑料、樹脂等不同的材質上生產，產品的機械性能好，不僅可以制造出筆記本電腦、臺式機適用的顯示器，還有可能創造出墻壁大小的屏幕、可以彎曲折疊的屏幕。人們預言，隨著規模量產的到來，OLED可以比LCD成本低20%。光電子技術精品課程圖5.4可以卷起來的顯示器光電子技術精品課程圖5.5典型雙異質結結構光電子技術精品課程目前正進入產業化階段。OLED在材料與技術專利部分主要有兩大陣營，分別為小分子及高分子材料。目前OLED量產的產品有90%以上為被動式單色或多彩小尺寸顯示器，應用市場主要為手機、PDA、手持游戲機和數字相機等。若從技術及市場發展趨勢來看，OLED將會往主動式、全彩和大尺寸發展，進而直接威脅TFT-LCD和PDP等平面顯示器的市場。光電子技術精品課程一、OLED器件的發光機制OLED的基本原理為：加入一外加偏壓，使電子空穴分別經過空穴傳輸層與電子傳輸層后，進入一具有發光特性的有機物質，在其內部發生復合，激勵出一個激子，再將能量釋放出來回到基態，而這些釋放出來的能量中，通常由于發光材料的選擇及電子自旋的特性，只有25%（單重態到基態）的能量可以用來當作OLED的發光，其余75%（三重態到基態）的能量以磷光或熱的形式回歸到基態。選擇不同的發光材料（帶隙不同）可得到不同顏色的發光。光電子技術精品課程圖5.5所示的典型多層OLED結構，發光過程為：載流子注入是通過陰極和陽極注入到電極內側有機功能薄膜層，載流子分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發光層遷移，電子和空穴在發光層中相，相互束縛而形成激子（Exciton），激發態能量通過輻射躍遷到基態。光電子技術精品課程利用此類單體分子便能聚合產生“共軛聚合物”。最早的共軛聚合物即為聚乙烯，其具有高導度。有機半導體因其導電程度介于導體與半導體之間，故其應用范圍也非常廣，多用于電磁波遮蔽體、抗靜電涂布等。而應用其摻雜及去摻雜之行為，發展了充電式電池、智能電變色窗、太陽電池、光存儲、非線性光學器件等。當前最熱門的應用則是OLED。光電子技術精品課程二、OLED器件的分類一般說來，OLED顯示器依驅動方式分為被動式和主動式兩類。其電路原理如圖5.6所示。

被動式無源矩陣主動式有源矩陣