光电显示技术-OLED与Micro-OLED

OLED与Micro-OLED显示技术

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1、OLED简介

OLED，即Organic Emitting Light Device,有时又被称为Organic Emitting Light Device，是利用某些材料电子和空穴在复合时释放能量，从而发光的一种显示器件。其中能发光材料成为荧光体或者磷光体，其发出的电磁波一般都位于可见光区。

1.1 分子的重度

根据分子中自旋反平行的情况，可将分子的重度分为单重态及三重态，用S表征自旋转的量子数，M表征重态。
单重态：分子中处于自旋反平行状态的电子始终与一对的形式存在，在基态的电子一般都是自旋成对的，称为单重态S0，在吸收光子能量跃迁后，分子若仍然以成对电子自旋反平行，则仍为单重态，以下标表示能级高低，如S1，S2等，其中能量值S0<S1<S2;
三重态：处于S0态的电子吸收能量受激后，由一对反自旋平行电子产生了在两个轨道中自旋方向平行的电子，陈伟三重态，按能量高低分为T1，T2，其中T1<T2。

图1 单重态和三重态能级能量的比较

对于荧光体，激发分子从激发的单重态到基态之后得到的辐射能量所散发的光，即为荧光。该光线寿命极短，不再提供光子后，即无法发光。
对于磷光，激发后三重态T1到S0所发出的一定辐射能量所散发的光，由于能级跃迁时重度发生改变其激发是禁阻的（禁阻：能级跃迁时由于量子力学选择规则的现在而受到抑制或者完全禁止），因而其可激发的分子较少，但该光寿命稍长，在光照停止，不再提供光子后，依然可以持续一段时间。
S0$\rightarrow$S1,自旋允许，容易发生。S0$\rightarrow$T1,自旋禁阻，非常不容易发生，它的概率是$10^{-3}$次方及以上数量级。

1.2 额外补充的概念

振动弛豫：在同一电子能级中，处于较高振动能级的电子将能量变为平动能，或快速传递给介质，自己迅速降到能量较低的振动能级，这过程只需几次分子碰撞即可完成，称为振动弛豫，发生振动弛豫的时间10-12s。
内转换：在相同的重态中，电子从某一能级的低能态按水平方向窜到下一能级的高能态，这过程中能量未变。
外转换：激发分子与溶剂或其他分子之间产生相互作用而转移能量的非辐射跃迁；外转换使荧光或磷光减弱或“猝灭”。
系间窜跃：电子从某一重态等能地窜到另一重态，如：从S1态窜到T1态，这个过程重态改变了。

HOMO（Heighest occupied molecular orbital）：最高占有轨道.

LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital)：最低空轨道。

图2 电极、占有轨道与电子发光

如图2，从阴极向有机层最低空轨道注射电子，从阳极向有机层最高占有轨道注射空穴。当两者于分别经过电子传输层及空穴传输层后相遇复合，最终发光。此时电子将从最低空轨道能级跃迁至最高占有轨道能级，从而与空穴符合形成激子，激子则最终通过辐射发光，产生磷光或者荧光，从而从激发态跃迁至基态。

1.3 有机发光显示的分类及优缺点：

1. 按照发光层材料，小分子发光则为OLED，高分子则为PLED；
   
   • OLED优：小分子材料较高分子易获取，且成膜时间较PLED短，PLED优：可忍受较高的电流密度和高温.
     
2. 按照驱动方式，有源驱动（每个像素均有独立TFT独立驱动，优势，功耗低，寿命长，串扰小，刷新快，高亮度和高分辨，缺点：结构复杂）为AMOLED，无源矩阵驱动（像素点逐个驱动，依靠人眼的暂留效应，需极大的瞬时电流频率及电压，阻碍显示的发展）为PMOLED；

OLED与LCD对比，OLED在亮度，响应时间，动态功耗等都有很大的优异。但OLED寿命较短。

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2 OLED工作原理

OLED显示器件的示意图如下：

图3 显示器件的示意图

OLED显示器件分为5层及阴极阳极：

• Metal金属阴极，具有低的功函数
• EIL（Electron Injection Layer）电子注入层，改善电子注入性能
• ETL （Electron Transport Layer）电子传输层，提高电子传输能力，阻挡空穴
• EML（Emissive Layer）发光层，高的发光效率及长寿命
• ITO：阳极，高功函数，有利于空穴注入
• HIL（Hole Injection Layer）空穴注入层，与ITO相匹配的功函数，有利于注入，增长寿命
• HTL（Hole Transport Layer）空穴传输层，提高空穴化传输能力，阻挡电子，拥有高的玻璃化转变温度以提高热稳定性

在注入电子空穴时会形成注入势垒，阻碍载流子的注入，在外施加电压是为了让电子和空穴克服该势垒，从而顺利注入，到达一定阈值后，外部施加的电压越大，则电子和空穴注入越多，此后发光亮度将急剧扩大。阳极有高的功函数是方便空穴占据最高占用轨道，阴极低功函数也是为了使电子到达最低空轨道。

2.1 OLED的效率表征

使用量子效率来衡量OLED，涉及以下

1. 外量子效率\(\eta_{ext}\):射出器件的光子数/流经器件的载流子数
   
   量子数：总功率/单个量子的功率;载流子数：电流密度乘发光面积。
   
   \(\eta_{ext}\)=\(\eta_{in}\) \(\eta_{p}\) =\(\gamma\)\(\eta_{r}\)\(\psi_{f}\)\(\eta_{p}\) ,即外量子效率等于内量子效率乘光输出耦合效率，而内量子功率又等于载流子平衡因子、激子形成效率、内部荧光量子效率的乘积，从而有次，最终可计算的\(\eta_{ext}\)最大值约总值的5%
2. 功率效率：输出的发光功率/消耗的电功率
3. 发光效率：OLED产生的光通量闭上消耗的电功率
4. 发光性能：使用发光亮度/流过的电流表征的电流效率来评价

图4 外量子效率

光输出耦合系数\(\eta_{p}\)因为光通过高反射率电极进行反射穿透玻璃基板时将会有大量光损失，从而造成仅20%的有效输出。改善方法：加入有利于出光的半球形透镜，使用具有一定折射率及透射率的材料及光子晶体。

载流子平衡因子\(\gamma\)需要保证电子和空穴的平衡，任何一方过多过少都将会导致该参数减少。一般情况下，空穴注入势垒低于阴极，且传输层效率也高于电子，因此，为了动态平衡，应该使得注入的空穴整体上小于电子的数量，使得平衡因子增大。

激子形成效率\(\eta_{p}\)，每个自旋电子在产生激子时，一般会有，每产生3个三重态机子时就会有大约一个单重态激子产生。

内部荧光量子效率\(\psi_{f}\)指形成可产生荧光发射的单重态机子占总单重态机子的比例。在前面叙述了从返回\(S_0\)的方法，可以从\(S_1\)直接到\(S_0\)，也可以从\(S_1\)到\(T_1\)再到\(S_0\)，也可从\(T_1\)再到\(S_0\)，其间有简单也有困难实现，而\(\psi_{f}\)是从\(S_1\)直接到\(S_0\)占总的概率，一般80%-100%，三重态数量比单重态为3：1；但三重态对发光没有贡献，因而单重态发光占总最大才25%，实际上还有衰减。

以上是第一代荧光发光材料的局限性，为了克服则产生了第二代磷光及第三代热活化延迟荧光发光材料

图5 三代发光材料对比

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3 OLED的器件结构

3.1 器件的层级结构及优化

OLED发光器件之前有过描述，一般分为5层。后续人们也有对其做出相应的改进，以使得效率更高，如下

图6 改进器件结构

左侧图像设想在各传输层间针对电子和空穴各嵌入一层发光层，使得发光效率最大，为双层A型（TL-A）。右侧则希望在两传输层间增加激子的限制层ECL，人为控制是向两侧发光还是向两侧中的一侧发光，这样可以使得几个部分的光混合在一起从而发出白光(TL-B)。

3.2 器件出光方式

按出光方式分，OLED分为底发光型和顶发光型

图7-1 OLED器件出光方式

图7-2 OLED器件出光方式补充

底发光型：光线经由基板发出，存在发光面积与像素电路（也就是TFT控制电路）之间进行竞争的问题。缺陷开口率低，功耗大，使用寿命短。

顶发光型：器件不经过基板，而经过半透明阴极后从顶板发出，避免了与驱动电路的竞争。若制作在不透明基底上，图像更加清晰细腻，有利于制备高亮度高清晰平板，具备较低功耗和较长寿命。但是需要反射率较高的金属作为底部电极，顶部则需要半透明的电极。

3.3 彩色光的实现

实现彩色光的方式一般有三种：独立发光材料法，光色转换法以及彩色滤光薄膜法。

图8 OLED器件彩色光实现方式

其中：

左一，独立发光材料法以红绿蓝三色为独立发光材料进行发光，是目前OLED彩色化最常用的工艺方法；

中间光色转换法主要利用蓝光为发光源，经由光色转换薄膜将蓝光分别转换成红光或绿蓝光进而实现红绿蓝三色光。优点：容易实现高亮度，缺点则是引入了掩膜板，会存在像素缺陷，制备工业也更复杂。

右侧彩色滤光膜法有些类似LCD，采用白色光源透过类似LCD的彩色滤光片来达到全彩的效果；优点是没有掩膜板，生成效率高，色纯度好，不过显示亮度低，光损失高达2/3。

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4 OLED驱动

液晶显示驱动采用电压驱动，但OLED驱动则采用电流驱动，每个像素都需要两个TFT控制，一个是根据图像数据设置电流等级，二是为电流提供通路，OLED驱动与LED相比更加复杂。

OLED的寻找方式一般分为三种：

1. 直接寻址（段显示）：需要电量的电或段比较少，直接加电发光。
2. PM寻址（被动寻址）：逐行寻址且同时发光，每行的发光时间随着行数的增加而减少，随着显示分辨率增大，所能提供的驱动瞬时电流必须增加。被选中和未被选择的像素会形成窜扰，需要矫正。
3. AM寻址（主动寻址）：逐行寻址，寻址完后开始发光，发光时间为一帧时间减去寻址一行的时间，适合高分辨驱动

4.1 段显示

图9 段显示应用

段显示需要电量的电或段比较少，直接加电发光。像图8的数码管即可用段显示，其特点是
1. 每个像素均被直接驱动
2. 为在寿命期内得到稳定的性能，需采用电流驱动
3. 由于段显示的尺寸不同，驱动IC的电流输出应可被编程

4.2 PM寻址

PM寻址（被动寻址）：逐行寻址且同时发光，每行的发光时间随着行数的增加而减少

图10 PM显示

其特点是： 1. 透明 ITO 列电极在阳极一侧，金属行电极在阴极一侧 2. 阴阳电极交叉点处，电流由阳极到阴极发光 3. 图像显示方式类似CRT，采用行扫描而非点扫描。瞬间亮度高，并通过帧间平均得到需要的灰度 4. 不同行的显示亮度需要使用PWM波形或者模拟波形进行控制 优点：响应速度快，缺陷：行数较多时，其需要的电压要增大，甚至超过15v，电容和电阻的瞬时会随着行数增加而减小。像素之间会存在串扰，必须对PMOLED器件进行矫正，哪怕两行之间存在电压差也需要抑制串扰的形成。形成驱动电压的过程需要充电，如果时间不够，则形成的电压数值不够大，导致亮度偏低。可分组扫描去实现。

4.3 AM驱动（主动驱动）

LED与OLED在驱动上有很大的相似之处，下图是他们的像素电路

图11 LCD与OLED像素电路对比

针对OLED驱动电路，需要一个扫描电极Scanline，需要一个数据电极Dataline，需要两个TFT电路，一个提供OLED发光所需要的驱动电流，该数值可以编程，一个提供信号的开关功能，这样才能进行有源驱动。驱动阈值电压及载流子迁移率都会影响到OLED的驱动电路，因而TFT尤为关键。实际中，每个TFT都可能存在差异，从而导致子像素的TFT阈值电压及迁移率不同，长期的充放电过程及发热也会引起像素寿命及老化等存在差异。==AM OLED受到TFT的影响尤为显著==

对于以上图10中OLED图像，TFT1是开关管，T2是驱动管，Cs则为存储电容。

当Scan被选通时，T1是开启，数据电压DataLine通过T1控制T2的漏极电流。
当Scan未被选通时，T1关闭，Cs控制T2的栅极电压，T2是导通的，从而由此控制OLED处于恒流控制阶段。恒流方式的像素电路结果，受到驱动电流大小、寿命受OLED的影响，以及改善TFT的均匀性来看，都有较好的改善效果。

OLED实现灰度的方法

1. 模拟调制：通过幅度调制实现灰度

   图12 模拟调制实现灰度化

该方法实现效果为非线性，且由于TFT之间存在差异使得这种效果更加复杂，不利于控制

2. 数字驱动

图13 模拟调制实现灰度化

利用不同权值去代表不同的灰度级，但是会产生伪相。不过该方法可使得Vdata数值处于最大，可有助于消除Vth之间的差异效果。缺陷是将图像分为很多个字场，全屏将多次进行扫描，且每行寻址时间将会很久，寻址一帧将花费大量时间，影响亮度和灰度级，在高分辨率时显示效果会变差。

3. 空间调度灰度级
   区域划分，灰度值用所占有空间面积去定义。
4. 时间调度灰度级
   时间划分，以时间长短去定义显示灰度值。

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5 Micro-OLED与OLED

5.1 OLED发光形式

前文已经详细说过，再此不在多述

图14 OLED的两种发光模式

如果以上发光作为发光模式，则并不需要驱动电路TFT等模块为透明，可以使用硅来作为基板。

5.2 Micro-OLED

Micro-OLED即OLED on Silicon，是指在硅驱动面板上来驱动OLED。图中矽即硅

图15 Micro-OLED的简化图

但是在这里OLED元件并不是独立像素的三色发光元件，是白光，因为制程只有400-500ppi，要制造AR及VR相关所需的OLED，目前还需要对像素密度做一定突破（以2021年的技术来说，目前待评估），之后再用滤光片技术分开为三色光，这样像素就可以做得相对比较细。

目前Micro-OLED所面临的一些挑战

1. 滤光片需要高色彩品质和高解析度，且对下，需要和像素之间有相对比较精准的定位。
2. OLED部分还是继续发展高效率高可靠的上发光式白光器件。
3. 驱动电路解析度还需要进一步加强。

Micro-OLED的特点

它基于成熟的CMOS驱动背板，具有尺寸小、重量轻、低功耗、高亮度、高对比、高像素密度等特点