有机发光二极管（OLED）的应用和发展摘要: 有机电致发光现象最早发现于上世纪50年代。

这项技术最早存在很大的缺点，一开始并未引起广泛的研究兴趣。

直到20年前发生的突破性进展，OLED得以实现了各种功能化，并成为了最有前途的显示和发光器件。

本文先介绍了OLED的历史，然后讲解了OLED的原理，并重点介绍了OLED 的应用化技术和在各种方面的应用，最后提出了对我国OLED 技术发展的展望。

关键词电致发光；半导体；有机发光二极管；显示器；OLED 照明光电综合；显示驱动电路1Abstract:phenomenon of OLED is found in 1950s.This technology had many disadvantages at early time,at the beginning ,researchers have no interests on it.Until the breakthrough progressment of 20 years ago,OLED just could accomplish every kind of effection and became the most promising showing and optical apparatus.First of all,this article introduces the history of OLED,then explains the theory,and puts more attention on applied technologies and applies of every aspect,at last,it involves the development of OLED technologies .The key words : OLED semiconductor showplay Electroluminescent OLED illumination photoelectric synthesis show drive equipment（一）OLED的历史有机电致发光现象最早由A. Bernanose等在上世纪50年代发现。

他们将吖啶橙和二羟基喹啉并吖啶沉淀在纤维素薄层上，并通以交流电，产生了历史上第一次电致发光现象。

他们提出的解释是染料分子或其中的电子受激辐射。

1960年，美国New York大学的M. Pope小组研制了有机晶体的电子和空穴注入电极，它是当前所有OLED设备的基础。

1963年，Pope等首次观察到直流电的电致发光现象 [2]，通过在真空下对的tetracene 掺杂的单晶蒽通以400V电压的直流电。

当时所用的负极是一小块银电极，所用单晶的厚度达20微米。

由于驱动电压过高，未能引起广泛的研究兴趣。

他们提出的发光机理为电场加速电子激发使分子出现荧光现象。

1965年，他们优化了实验条件并发现在缺少外电场的情况下，单晶蒽的发光来自于电子和空穴的重新结合。

同年，W. Helfrich和W. G. Schneider改进了Pope的工作 [3]，实现了同时性的电子和空穴双注入，他们所用的发光材料为纯的或掺杂的绝缘体。

在此之前Pope的单晶蒽电致发光器件只使用了一个电子注入电极，而没有空穴注入电极。

他们的研究工作成为之后所有双注入OLED器件的先驱。

在70年代的文献中，Hideki Shirakawa等报道了一系列氧化的和掺杂的聚合物具备强导电性。

1975年英国国家物理实验R.Partridge 等首次成功制成了导电聚合物作为发光材料的电致发光材(polymer LED, PLED) [4]。

同时期报道了许多其他含共轭结构的主体与含共轭结构的活化剂所组成的有机材料的电致发光现象，但均未成功解决驱动电压高和效率低的问题。

[5] 有机电致发光设备的发展一度缺乏突破性进展。

1987年，Kodak公司的华裔科学家C. W. Tang发现了三明治结构的OLED器件(fig1)， [6] 值得注意的是，OLED这个术语直到此时才出现，用来指他的三明治结构、具有独立电子和空穴传输层，使电子和空穴在中间的有机层发生结合发光的器件。

他采用可用真空镀膜的小分子材料8-羟基喹啉铝(Alq3)作为电子传输材料、芳香族二胺作为空穴传输材料成，实现了低驱动电压、高亮度、高发光效率等特点，开创了当今OLED研究和生产的新时代。

Tang的绿光OLED结构和所用材料的分子结构1990年，剑桥大学卡文迪许实验室又成功地报道了共轭聚合物聚(对苯撑乙烯)(PPV)的电致发光现象。

这一重大发现，开辟了发光器件的又一新领域——聚合物薄膜电致发光器件的研究。

（二）电致发光的原理及其结构（1）电致发光材料是一种在电场激发下产生发光现象的物质，他是将电能转变为光能的过程有机小分子电致发光的原理是: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,从而激发发光层分子产生单态激子,单态激子辐射衰减而发光。

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,最后复合形成单态激子,单态激子辐射衰减而发光。

也有人认为,电致发光机理属于注入式发光,在正向偏压的作用下,ITO电极向电荷传输层注入空穴,在电场的作用下向传输层界面移动,而由铝电极注入的电子也由电子传输层向界面移动,由于势垒的作用,电子不易进入电荷传输层,而在界面附近的发光层(Alq3)一侧积累。

由于激子产生的几率与电子和空穴浓度的乘积成正比,在空穴进入Alq3层后与电子界面处结合而产生激子的几率很大,因而几乎所有的激子都是在界面处与Alq3层一侧很狭窄的区域(约36ｎｍ)内产生。

因而发光不仅仅是在Alq3层,而且主要在电子空穴传输层的界面。

（2）有机发光二极管的基本结构，即使用有机材料代替无机半导体，电子和空穴通过有机分子移动。

实际上，现在的有机发光器件多采用三明治结构，即将有机层夹在两侧电极之间。

空穴和电子分别从阳极和阴极注入，并在有机层中传输，相遇之后形成激子并辐射发光。

为了使光能射出，阳极采用氧化铟锡(ITO)透明电极，阴极多使用低功函数的金属，如Mg，Li等。

从原理上讲，OLED器件中的有机层主要有三种作用。

在阳极附近，有机层作为空穴传输层(HTL)；在阴极附近作为电子传输层(ETL)；在这两层之间还需要有发光层(EML)。

接下来讨论各种具体的OLED器件结构。

1．单层有机薄膜被夹在ITO阳极和金属阴极之间，形成了最简单的单层有机发光二极管。

其中的有机层，既作发光层(EML)，又兼作电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)。

但是，多数有机材料主要是单种载流子传输的，所以单层器件的载流子注入不平衡；另外，由于载流子迁移率的巨大差距，容易使发光区域靠近迁移率小的载流子的注入电极一侧，如果是金属电极，则容易导致电极对发光的淬灭，而使得器件效率降低。

2．1987年Kodak公司的C. W. Tang等引入了具有高空穴传输性能的一种芳香族二胺TPD作为HTL，用8-羟基喹啉铝(Alq3)兼作ETL和EML，用ITO作阳极，用Mg:Ag合金作阴极，制成了新一代双层OLED。

空穴传输层能在很大程度上解决了电子和空穴的不平衡注入问题，改善了电流电压特性，极大地提高了器件发光效率，使OLED的研究进入了一个新的阶段。

对于双层器件，具体发光来自HTL还是ETL，主要取决于其能带的匹配关系。

一般来说，发光多是来自带隙相对较小的材料，例如，典型的TPD/Alq3器件的发光就是来自带隙较小的Alq3。

(1)阴极(2)发光层(3)辐射发光(4)空穴传输层(5)阳极3．三层和多层OLED器件由HTL, ETL和EML组成的三层器件，是由日本的Adachi首次提出的。

这种器件的优点是使三层功能层各司其职，对于材料选择和优化器件结构性能十分有利，是目前OLED中最常用的一种。

典型的多层OLED器件多层结构示意图。

（三）OLED的应用（.1 ）OLED显示的彩色化OLED进入实用阶段以来，经历了从单一颜色发光到全光谱覆盖的演变。

最早面世的具有OLED显示设备是如下图所示的一种汽车音响显示屏，具有黄、蓝两种颜色，之后又出现了很多黄蓝两色显示的MP3显示屏。

1999年具有OLED显示屏的设备。

众所周知，目前的电子显示设备中，使用发光材料独立发光是最常用的彩色模式。

它是利用精密的金属荫罩与CCD像素对位技术，首制备红、绿、蓝三基色发光中心，然后通过调节三种发光元件的亮度改变颜色的混合比，使三个独立发光的OLED元件构成一个彩色的像素可见，这项技术的关键在于提高发光材料的色纯度和发光效率。

有机小分子发光材料Alq3是很好的绿光发光材料，其绿色纯度、发光效率稳定性都很好。

但现有的OLED的红光和蓝光发光材料性能较弱，不论是色纯度、发光效率还是稳定性。

因此，发光材料的最大瓶颈在于红光和蓝光材料。

目前人们已通过对主体发光材料掺杂得到了性能较好的红光和蓝光材料。

实现OLED显示彩色化的另一种技术是光色转换。

它是利用单一的蓝光OLED发光元件，结合光色转换阵列，利用蓝光激发光色转换材料产生红色和绿色，从而获得全彩色。

这项技术的关键在于提高光色转换材料的色纯度和效率，它不需要金属荫罩对位技术，因此在制造大尺寸全彩色OLED显示器方面具有很大潜力。

其缺点是光色转换材料容易吸收环境中的蓝光，造成图像对比度下降和画面质量降低。

红绿蓝三种发光元件的颜色。

红绿蓝三种独立发光中心显示彩色图像。

后来的Förrest等人根据有机电致发光材料特性和结构特点，提出了一种实现彩色像元的新方法。

将三基色器件沿厚度方向垂直堆叠，每个器件分别由各自的电极控制。

其中，玻璃衬底上的ITO作为蓝光器件的阳极，发射光从该侧出射；自上而下依次为红、绿、蓝色器件，这样的排列顺序主要是考虑到材料对长波光的吸收较小；中间一层Mg:Al电极同时作为蓝光和绿光器件的阴极；另外，还有一层ITO电极作为红光器件和绿光器件的阳极。

由于这种技术的每个像素使用一个发光元件代替了独立发光技术中的三个发光元件，这种平板显示器可获得优于传统技术的分辨率。

这种技术还可以制成白光OLED发光元件。

但这种方法存在巨大缺点：一是中间金属电极会减小光的透过率，同时形成较强的微腔效应，导致发光颜色的改变和空间上随观察角度的不同而变色的现象；二是制作工艺的复杂性带来器件性能的降低，尤其是在沉积中间ITO电极时容易导致对有机薄膜的损坏。