有机电致发光显示器驱动电路设计

前 言 本参考液晶显示技术和已有的OLED驱动技术设计用于显示 点阵OLED显示屏的驱动电路。用于小范围内车载显示。 人们现拥有的多种显示器中OLED显示器出现的时间并不长，但它的出现给显示其行业带来一场革命，与其它显示器相比OLED有以下优点： 1.OLED器件的核心层厚度约为十万分之一毫米，比其它的显示器件的厚度小得多； 2.OLED器件为全固态结构无真空，抗震性能好，因而可以适应巨大的加速度和剧烈振动等恶劣环境； 3.其主动的发光特性使OLED亮度大，对比度高，色彩效果更好，几乎没有视角问题，可在很大的角度范围内观看,而显示画面不失真； 4.OLED器件单个像素的响应速度非常快，可以满足实现精彩的视频重放的需要； 5.耐低温性能好，在－40℃也能正常显示； 6.OLED所需材料较少，制造较简单，因而生产成本低； 7.发光转化效率高，只是需要点亮的单元才加电，并且电压较低，所以能耗低； 8.OLED器件单个像素可以相当小，非常适合应用在微显示设备中； 9.OLED能够在不同材质的基板上，可以做成能弯曲的可折叠的便携式显示器。 比较表 STN-LCD TFT-LCD OLED PDP FED 工作温度 0-60℃ 0-60℃ -30-80℃ -30-80℃ -30-80℃ 反应速度 ﹥60ms ﹥60ms ﹥micro sec ﹥micro sec ﹥micro sec 对比度 8﹕1 100﹕1 150﹕1 150﹕1 150﹕1 视角 80° 80° 170° 140° 160° 发光效率 ﹤3 3-4 5-25 ﹥1.0 10-15 厚度 ﹤8 ﹤8 ﹤2 75-100 4 投入资金 ＄50M ＄300M ﹤＄30M ＄200M ﹥＄300M 第1章 聚合物电致发光简介 1.1 有机电致发光的历史 有机电致发光（EL）器件, 或称有机发光二极管（OLED）的一般结构是在一金属阴极和一透明阳极之间夹一层有机电致发光介质。在电极间施加一定的电压后,这层发光介质就会发光。将OLED应用于平板显示, 具有主动发光、低功耗、重量轻、高效率和生产成本低等优点。OLED分为小分子有机EL和高分子有机EL两大类。小分子有机EL的研究始于60年代, 但直到80年代早期才由Kodak公司的Tang首次研制出有实用价值的低驱动电压（<10V）有机EL器件。在1987年, Kodak公司公布其研究成果前, 这项工作并没有引起人们的注意。在论文中, Tang及其合作者第一次证实了可以用新的有机薄膜材料来制作高效率和高亮度的有机EL器件。 该器件用无定形的二氨薄膜作为空穴输运层,以8—羟基喹啉铝（Alq）作为发光层。在小于10V的电压驱动下, 得到了大于100cd/m2的发光亮度, 其量子效率（光子／电子）约为10%。在后来的文献中, Tang及其合作者又提出了一种新的设想,以提高发光效率和调节发射光的颜色。他们通过在Alq层中掺杂0.1--5%的高效荧光材料, 使EL的量子效率提高到掺杂前的2--3倍,达2.5%。EL的颜色也可以通过不同的掺杂, 平稳地从蓝-绿到橙-红之间进行调节。 自1987年, Kodak公司最早发表其研究成果以来,全世界许多企业和研究机构开始致力于小分子有机EL器件和相关课题的研究,有关的专著文献和专利的数量每年成百上千地递增。在美国（除Kodak公司外）和欧洲, 绝大多数有机EL的研究工作是从90年代早期开始的。今天,高效率（>10lm/W）和高稳定性（发光强度为100cd/m2时, 工作寿命>10000小时）的有机EL器件已经研制出来。经过十多年的实验室研究, 日本先锋公司(Pioneer of Japan)于1997年, 将用于汽车的低容量有机EL显示器投放市场。对高分子有机EL的研究工作比对小分子有机EL的研究, 起步要晚得多。直到1990年, 才由Burroughs及其合作者研究成功第一个高分子有机EL器件。在这种器件的铝电极和ITO之间,采用共轭有机高分子聚对苯乙烯(PPV)薄膜作夹层, 施加一小于14V的电压后, 发出可见光,其量子效率为0.05%。此后不久, D.Braun和A.J.Heeger采用低逸出功金属（如钙）作阴极, 以聚2-（2-乙基已氧基）-5-甲氧基苯乙炔(MEHPPV)作发光层, 研制成功量子效率为1%的聚合物EL器件。此后, 为了发展聚合物EL技术, 在美国和欧洲进行了大量的研究工作.人们一般都认为,聚合物材料比有机小分子材料要稳定,这也就成了发展聚合物EL的原动力。绝大多数早期聚合物EL器件的结构都很简单: 在阴极和阳极间夹一单层聚合物。所用的共轭聚合物绝大多数是空穴输运材料, 其电子注入效率非常低。因此,与采用多层有机小分子作夹层的EL相比, 大多数采用单夹层聚合物的EL器件效率要低得多。 OLED发展的年代表： 1963年，Pope等发现了有机电致发光现象，当时用的发光材料是以多环 共扼化合物为主体的材料，如萘、蒽、芘、苯并芘、联苯等，又以丁省、戊省 等为活化剂制成，但当时的单层结构器件需要制备单晶蒽，成本高，制造难度大，所做器件亮度太低，驱动电压太高（大于100伏），未引起重视。 1982年，美国柯达公司邓青云（C.W.Tang）博士采用酞菁铜和四苯基丁二烯作发光材料制作出发蓝光的器件，在20伏电压下亮度为1.5ft-lambert。亮度太低，也未引起重视。 1987年，邓青云博士以联苯二胺为空穴转移层，喹啉铝为电子转移层，制作出的器件在5V电压驱动下，亮度超过100 cd/m2，寿命大于100h，驱动电压和亮度达到了商用要求，立即引起人们的极大兴趣，数百家机构投入巨资开始研究。    1988年，邓青云博士对夹心结构进行改造，在ITO阳极与空穴层之间增加空穴注入层，在6-7.2V电压驱动下，光强度0.05mw/cm2-0.08mw/cm2。    1988年，日本九州大学提出规范化三层结构，指出有机电致发光显示器至少由空穴转移层，发光层，电子转移层（及阴、阳极）构成。    1990年，剑桥大学采用旋涂法制作出PPV衍生物高分子发光二极管（PLED），其量子效率为0.05%。    1992年，美国国防部投入巨资开始实施国家平板显示器计划，用OEL显示器替代笨重的、但已相当成熟的阴极射线管（CRT）。现在，美国Planar系统公司研制的Micro-Brite系列产品已应用于陆军勇士计划，航空夜视眼镜，激光的测距机指示器，探雷用和通用的头部显示器。    1995年，日本安达干波夫研制出第一台寿命达10000hrs的OEL显示器样机，    1995年秋，日本先锋公司首先报道了点阵式绿光OEL显示器，显示面积：94.7×21.1mm2,像元数256×64。    1995-1996年中国长春物理所、上海科技大学、清华大学等单位先后介入这一领域。   1996年，日本出光兴产公司开发出5吋全彩色OEL平板显示器。    1997年，第一个商品化的OEL显示器即汽车音响显示面板在日本先锋公司问世。解析度64×256， 显示尺寸1×3吋，寿命2000小时，全部点亮时电力消耗6W。该公司1998年投资40亿日元扩充生产线，1999年正式生产，2000年销售额达50-100亿日元。    1997年，日本兴光出产公司开发出10吋无源驱动OEL全彩显示器，解析度480×640。1998年该公司开发出20吋蓝色OEL显示器，用于壁挂式电视和广告。紧接着，又开发出5吋QVGA显示器，主要用于AV机器的显示板。    1998年2月，英国剑桥显示技术公司（CDT）公司开发出50×50mm2,厚度仅2mm的单色发光聚合物TV 。    1998年，荷兰Philips公司获得CDT公司低资讯容量PLED显示器的专利授权，建立了一条PLED的专利授权，1998年建立了一条PLED生产线，其产品主要用于小型LCD背光源和显示面板。    1998年后期，美国Unix公司获得CDT公司PLED专利授权，建立了第一条无尘PLED生产线，并批量生产1-2吋的小型PLED显示器，主要用于手机和掌上电脑。    2000年7月，日本先锋公司和Motorola联合推出的1.8吋Area Color多彩OEL显示面板的手机在美国上市, 被抢购一空。现在预计年产1200万部. Motorola的Time port P8767手机采用了OEL技术的新型显示屏。它的特点是提供了三种不同的色彩，大多数的信息用绿色显示，时间用蓝色显示，No. Service指示器用红色显示。 2001年2月，SONY公司率先研制成功13英寸有源OEL全彩色显示屏样品，具有高亮度和高分辨率的特点。显示器尺寸：13吋（264×198mm2），画素数800×600点，象素间距0.33×0.33mm，颜色 红（0.66，0.34）绿（0.26，0.65）蓝（0.16，0.06），颜色温度（白）9300K，发光亮度峰值 >300cd/m2，驱动方式 低温多晶硅（active matrix）。 2001年4月，清华大学有机光电子中心开发出2.8英寸点阵OEL显示屏，寿命大于1万小时，填补了国内OEL显示器的空白。    2001年5月，NEC、三星、NTT合作推出了4096色、无源点阵驱动的彩色OEL显示屏手机。    2001年5月，柯达公司与三洋电机公司合资生产推出了AM550L 的全色OEL显示器。该显示器已在美国和日本市场上销售，价格为5200美元 。显示器的对角线长度为2.16英寸。    2001年，日本精工EPSON推出的26万种颜色的高分子型OEL显示面板，细腻度为100ppi。该公司通过独立新开发喷墨图案技术、墨水状的有机EL材料技术以及面板制造技术，实现了高度细腻化。    2001年10月26日，世界上最大尺寸的有机电致发光显示器在韩国三星公司问世，显示面积为15.1英寸。该公司计划从2005年起将大批量生产大屏幕OEL显示器。    2001年10月，三洋电机公司在日本举办的"CEATEC JAPAN2001"上展示了2.2英寸有机EL面板的产品。    2002年1月，美国通信运营商Sprint公司和美国三洋电机北美三洋旗下的Sanyo Fisher公司在拉斯维加斯举行的"2002 International CES"上发表了配备2.5英寸有机EL面板的第三代（3G）手机。 随着OLED技术的不断发展，相应产品的市场将迅速扩大。从1997年至1999年，OLED显示器的唯一市场是在车载显示器上，2000年以后，产品的应用范围逐渐扩大到手机显示屏。由于OLED所具有的彩色显示、快速响应以及良好的低温特性等特点，OLED将为手机上网提供最佳的显示效果。据悉，2001年国际上将有多家公司推出OLED手机。业界认为OLED在手机上的应用将极大地推动其技术的进一步发展和应用范围的迅速扩大,对现有的LCD、LED和VFD提出强有力的挑战。到2005年，OLED显示器将主要应用在PC机等产品上   　我国参与OLED产业化的历史机遇 　　有机电致发光是近年在光电化学和材料科学领域研究的热门课题。1987年美国柯达公司的C. W. Tang等人首先发表使用有机材料来做发光二极管。1990年英国剑桥大学R. H. Friend等研究人员在低电压下有机高分子电致发光的现象。LCD的应用从初期开发到产业化用了近20年时间。而有机电致发光材料在显示上的应用开发到现在已经有13年的时间，预计今后5到10年是OLED产业化的关键时期。 　　电子显示技术是21世纪电子工业继微电子和计算机之后的又一次大发展机会。历史经验，在CRT的发展上，我国是被动的；在LCD的发展上，我国是落后的。在CRT 和LCD等技术的应用方面，我国一贯采取的是直接引进技术和产品生产线，而在核心技术和关键部件或材料等方面长期依赖国外公司。因为CRT 和LCD在生产工艺和核心技术等方面都相对比较成熟，国外公司垄断了几乎所有专利技术和知识产权。面对国外CRT和LCD等成熟的技术、我国落后的地位和庞大的研发费用，我国企业只剩下了全面引进这条路了。在确定OLED作为我国新型平板显示技术的发展战略时，以下情况是不容忽视的： 　　(1)OLED至今尚未实现大规模的产业化（只有小批量的单色显示器生产），我国尚有赶上国际先进水平的机会。 　　(2)OLED的研制费用相对较低，工艺技术和所需设备均较简单。OLED研究投入不像其他显示技术那么巨大，为我国在该研究领域降低了商业风险和进入成本。 　　(3)OLED的技术相对尚不很成熟，利用其结构设计的多样性和所用材料(有机材料)的丰富性，我国有可能争取到自主的知识产权。 　　(4)OLED器件对材料的依赖性大，而这些材料主要是各类有机小分子或高分子化合物，在材料的分子设计及材料合成制备上我国并不落后，而且还具有人工费用低的优势。 　　OLED被认为是LCD最强有力的竞争者，并将在未来的3～5年内成为一种重要的显示器，2001年至2010年将是该技术最重要、最快速的发展时期。LCD目前形成了一个200多亿美元的市场,OLED的产业化还处于起步阶段，而技术仍处于蓬勃发展阶段。我国错过了发展高档次LCD的机会，作为LCD的竞争者和可能的替代者，OLED的出现和发展，为我国发展面向移动通讯产品、车载产品、甚至计算机和电视机的平板显示器提供了一个难得的机遇。 近几年来,虽然聚合物EL的效率和稳定性得到了一些改善, 但从已报导的性能参数来看, 仍然远远落后于小分子有机EL。 1.2 电致发光的材料 从目前的研究成果来看，作为有机电致发光器件核心的发光材料可分为以下3类： (1)小分子有机染料　这类材料具有高的荧光效率，并且可以通过真空沉积法成膜，但是成膜后容易结晶，有时甚至易于其它的有机材料形成激基复合物，因此这类材料的单独应用比较少。其电致发光的原理是：从电极注入载流子，被注入的载流子在有机层内传输。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。 (2)金属络合物　其中典型的可以8-羟基喹啉络合物(Alq3)为代表，还有现在研究比较多的一些稀土元素Eu、Tb的络合物，这类材料的性质介于无机和有机之间，它们除可作为EL的发光材料外，还可作为电子传输材料。其中稀土金属络合物因具有窄带波长发射(一般只有10～20nm)、荧光寿命长、特征发射等特点而倍受关注，另外，金属络合物也和有机小分子一样，大都通过蒸镀法成膜，但由于有些因熔点过低，在热蒸发时易分解,故只能将它们掺杂到高分子基质中旋涂成膜，但掺杂常导致相分离。 (3)有机聚合物材料　典型的以聚对苯乙烯类(PPV)为代表，这类材料是目前研究最多的电致发光材料，它们具有如下特点：1具有良好的加工性能，可制成大面积薄膜；2具有良好的电、热稳定性，3其共轭聚合物电子结构、发光颜色可在合成过程中进行化学调节。构成这些聚合物的电致发光基团主要有如图1所示的5种。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。 由这些基本发光基团组合形成的各种电致发光聚合物，大致可分为主链共轭型、共轭主链被阻隔型、侧链挂接型、小分子掺杂聚合物型4大类(如图2所示)，如聚苯撑乙烯类(PPV)的MEH-PPV、BEH-PPV和BuEH-PPV，聚对苯类(Poly(p-phenylene))(PPP)。另外还有以噻吩环为代表的富电杂环类和以吡啶环为代表的缺电杂环类等。研究表明，如果在聚合物中掺入适当的杂质(发光效率非常高的有机小分子化合物)，则会使器件的性能得到很大改善。只要掺杂剂选择适当，理论上可以获得各种发光颜色。因此，掺杂是获得高效率、长寿命和各种发光色有机EL器件的重要方法。C.W.Tong研究组最早报导了染料掺杂获得不同颜色EL器件，他们在ITO TPD Alq3 Mg:Ag器件掺入百分之几的红色(DCMI)或蓝色(C54 E0)荧光染料后，得到的发射峰分别位于600ｎｍ(红光)和490ｎｍ(蓝光)区域，除了改变颜色外，人们对掺杂能够大幅度提高发光效率和延长工作寿命更感兴趣。 目前聚合物的掺杂形式主要有三种：一种是染料掺杂型聚合物作发光层，一种是共轭聚合物作发光层。还有一种是以聚合物作载流子传输层、以有机小分子EL材料作发光层。 第2章OLED(Organic Light Emitting Diode)结构和发光原理 2.1 OLED器件结构 OLED器件的典型的结构是如图3所示的“三明治”型，且最简单的是三层结构，即有机发光层被夹在上下两个电极层之间。随着研究的深入，为了改善电极注入空穴和电子的能力，以提高发光效率，往往将器件做成多层结构，即在发光层(EML)的两侧再加入空穴传输层(HTL)和电子传输层(ETL). 在OLED器件中，阴极通常由金属或合金组合而成，Ag、Al、Mg、In、Li、Ca都可以做阴极材料。理想的阴极是以低逸出功金属作为电子注入层，以具有高逸出功的稳定的金属（如Mg/AgLi/Al）作为钝化层。近来, 有文献报导了一种新型阴极，是由10-8cm量级厚的碱金属化合物，如LiF，MgF2，LiOx与Al组合而成的。这种新型阴极不采用对空气敏感的金属，大大提高了器件的性能和工作寿命，原因还有待解释。 OLED器件的阳极是由透明或半透明导体制成的。由于表面电阻在80Ω/□以下的ITO很容易获得,因而被广泛地应用于阳极的制作。ITO表面的不平度被认为是导致OLED中出现“黑点”缺陷的一个重要因素。因此，理想的OLED需要表面粗糙度小的、高质量的玻璃基片。 OLED用的绝大多数电子输运材料（ETM）是荧光染料化合物。Alq、Znq、Gaq、Be bq、Balq、DPVBi、ZnSPB、PBD、OXD、BBOT等, 都曾作为ETM用于有机EL。OLED的ETM, 不论在工作状态还是在储存状态，都必须是热稳定和表面稳定的。迄今为止，只有由有机金属络合物制备的ETM被证实具有足够的热稳定性。为了保证有效的电子注入，ETM的LUMO能级应与阴极的逸出功相匹配。在所有的ETM中，Alq被广泛用于绿光EL，Balq和DPVBi则被广泛应用于蓝光EL。据报导， 掺杂（绿光）的Alq器件的效率一般约为5～6lｍ／Ｗ。近来，Sano报导了用Bebq（一种喹啉衍生物）作为ETM和发光层制成的器件，其效率高达15lm/W, 这是迄今为止报导的最高的效率[7]。 OLED分为小分子有机OLED和高分子有机OLED两大类。小分子有机OLED的研究始于60年代，但直到80年代早期才由Kodak公司的Tang首次研制出有实用价值的低驱动电压（<10V）有机OLED器件。在1987年，Kodak公司公布其研究成果前，这项工作并没有引起人们的注意。在论文中，Tang及其合作者第一次证实了可以用新的有机薄膜材料来制作高效率和高亮度的有机OLED器件。 该器件用无定形的二氨薄膜作为空穴输运层，以8—羟基喹啉铝（Alq）作为发光层。在小于10V的电压驱动下，得到了大于100cd/m2的发光亮度，其量子效率（光子／电子）约为10%。在后来的文献中，Tang及其合作者又提出了一种新的设想，以提高发光效率和调节发射光的颜色。他们通过在Alq层中掺杂0.1～5%的高效荧光材料，使EL的量子效率提高到掺杂前的２～３倍，达2.5%。EL的颜色也可以通过不同的掺杂，平稳地从蓝-绿到橙-红之间进行调节。 OLED工作时电子从阴极注入到电子输运层，同样，空穴由阳极注入进空穴输运层，它们在发光层重新结合而发出光子。与无机半导体不同，有机半导体（小分子和聚合物）没有能带，因此电荷载流子输运没有广延态。受激分子的能态是不连续的，电荷主要通过载流子在分子间的跃迁来输运。因此，在有机半导体中，载流子的移动能力比在Si､Ga As､甚至无定型Si的无机半导体中要低几个数量级。在实际的OLED中，有机半导体典型的载流子移动能力为10-3~10-6cm2/V·S。因为它太小，OLED器件就需要较高的工作电压。如一个发光强度为1000cd/m2的OLED，其工作电压约为7--8V。因为同样的原因，OLED受空间电荷限制，其注入的电流密度较高。通过一个厚度为ｄ的薄膜的电流密度由下式定义： 式中ｅ是电荷常数，M是载流子迁移率，V为薄膜两端的电压。需指出，这是无陷阱极限公式。Burrows和Forrest制得的TPD/Alq器件的M高达9, 他们认为，M值大是因为“阱”（或称极化子）的缘故。最近，他们又证实M具有很强的温度依赖性，并且电荷是通过“阱”来输运的[6]。 在发光层中，掺杂客体荧光染料能极大地提高OLED的性能和特性。例如，只要掺杂1%的红色荧光染料DCM，Alq式OLED的最大发射峰即可从520nm迁移到600nm；掺杂少量的MQA（一种绿色染料）将使OLED的效率提高2--3倍，在同样的亮度下工作寿命可提高10倍。 自1987年，Kodak公司最早发表其研究成果以来，全世界许多企业和研究机构开始致力于小分子有机EL器件和相关课题的研究。但绝大多数OLED的研究工作是从90年代早期开始的。今天，高效率（>10lm/W）和高稳定性（发光强度为100cd/m2时，工作寿命>10000小时）的OLED器件已经研制出来。经过十多年的实验室研究，日本先锋公司(Pioneer of Japan)于1997年，将用于汽车的低容量OLED显示器投放市场。对高分子OLED的研究工作比对小分子OLED的研究，起步要晚得多。直到1990年，才由Burroughes及其合作者研究成功第一个高分子OLED器件。在这种器件的铝电极和ITO之间，采用共轭有机高分子聚对苯乙烯(PPV)薄膜作夹层，施加一小于14V的电压后，发出可见光，其量子效率为0.05%。此后不久，D.Braun和A.J.Heeger采用低逸出功金属（如钙）作阴极，以聚2-（2-乙基已氧基）-5-甲氧基苯乙炔(MEHPPV)作发光层，研制成功量子效率为1%的聚合物OLED器件。此后，为了发展聚合物OLED技术，人们进行了大量的研究工作。一般都认为，聚合物材料比有机小分子材料要稳定，这也就成了发展聚合物OLED的原动力。绝大多数早期聚合物OLED器件的结构都很简单：在阴极和阳极间夹一单层聚合物。所用的共轭聚合物绝大多数是空穴输运材料，其电子注入效率非常低。因此，与采用多层有机小分子作夹层的OLED相比，大多数采用单夹层聚合物的OLED器件效率要低得多[6]。 2.2 发光层发光机理 有机材料的电致发光属于注入式的复合发光。其发光机理是由正极和负极注入的载流子在发光材料中复合成激子。激子的能量转移到发光分子。使发光分子中的电子被激发到激发态。而激发态是一个不稳定的状态(如图2所示)[4]。 其能量可以通过以下的几种方式释放：1通过振动驰豫、热效应等耗散途径使体系能量衰减；2通过非辐射的跃迁，耗散能量，比如内部转换、系间窜跃等形式，如S1→T1；3通过辐射跃迁的荧光发光(S1→S0，S2→S0)和磷光发光(T1→S0)。在能量释放时，这些不同形式的能量耗散过程是一个相互竞争的过程。由于在常温下，有机分子的磷光非常弱，所以只有其中空穴和电子复合成单重态激子的部分才能通过辐射跃迁发射荧光，从而成为有效的有机电致发光。其中本身能发生辐射跃迁发光的那部分只是所吸收的总体能量中很小的一部分，即总体吸收的能量中能够转化为电致发光部分的能量很少。而且，在器件的制备过程中，材料的缺陷、电极的纯度以及不同材料接口对发光强度和整体性能都有很大的影响。 也有人认为，电致发光机理属于注入式发光，以Alq3（八羟基喹啉铝）发光层为例，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接口移动，而由铝电极注入的电子也由电子传输层向接口移动，由于势垒的作用，电子不易进入电荷传输层，而在接口附近的发光层(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层后与电子接口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接口处与Alq3（八羟基喹啉铝）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接口。 理论上，电致发光效率存在一个的极限，如果最低能量激发态受激子(处于单重自旋态或多重自旋态的电子-空穴对)的强烈束缚，这一理论极限为对应荧光量子效率的25%。由于自旋禁止，一个π′电子和一个π空穴复合产生三重态的几率为3/4，而产生单重态的几率只有1/4，而且只有单重激发态才能通过辐射跃 迁 而发光。电致发光效率计算可以由下式出： φel=χφplηrηe 式中，φel 是电致发光效率，φpl是有机材料的光致发光效率，ηr是能产生激子的载流子比例，ηe是在器件外部耦合发光的比例，χ是载流子复合后能产生单重态激子的比例，这个值根据统计规律约为1/4。因此研究电致三重态发光即有机电致磷光，使得三重激发态和单重激发态对电致发光都有贡献，是提高有机电致发光效率，突破对应荧光量子效率25%理论极限的途径之一。CaoYong等通过在共轭聚合物中掺杂入电子传输材料来改善电子的注入性能，以使电子空穴的结合能足够的小，从而其量子效率的比(电致发光效率:光致发光效率)达到了50%。Baldo等人也报道了一种磷光染料PtOEP的高效电致发光器件，使单重激发态和三重激发态同时参与能量的传递，从而其内部能量传输效率达到90%[7]。 2.3 OLED器件的制备 制备器件时，选用ITO透明导电玻璃作为器件的基片，一般的方块电阻约为20Ω/□.由于基片的清洁度、平整度以及有机膜层的浸润度对材料的成膜质量影响很大，即如果表面不清洁，不仅会增大器件的驱动电压和降低器件的发光效率，而且会使器件的稳定性和寿命都大大下降，从而影响器件的总体性能，因此ITO导电玻璃的清洗是非常重要的一道工艺，超声波处理以及紫外线照射的方法清洗ITO玻璃对器件的性能的影响是不一样的，有人对用等离子的方法清洗ITO玻璃做了研究，发现驱动电压从原来的大于20V，下降到10V以下,同时量子效率提高了4倍，寿命也提高了2倍。 一般采用旋涂或真空热蒸发的方法将有机发光材料成膜到ITO基片。对于有机小分子材料或者是金属络合物材料，则可采用真空热蒸发的方法来成膜.其蒸发时真空度一般不低于10-6τ，并且可通过控制材料沉积速度和沉积时间，来达到所需要的膜层厚度；而对于有机聚合物的材料，由于聚合物的分子量较大，内聚能很大，无法升华成气体，因此不能像小分子那样，用真空蒸镀法成膜，但是聚合物可以采用旋涂、浸涂、LB膜、浇铸、自组装、溶胶-凝胶法等技术制成大面积薄膜，这是无机或有机小分子所无法实现的，其中最常用的是旋涂法制备薄膜。旋涂法就是将有机材料溶于有机溶剂中，根据所要求的膜层厚度配成相应的浓度，并且控制旋涂的速度，使材料能均匀地覆盖在ITO玻璃表面。作为阴极的金属材料一般也采用真空热蒸发的方法成膜。工艺流程图如下： 2.4 OLED显示器件未来的发展 根据美国Standard Resource资料显示，2001年全球OLED销售金额仅300万美元，当时预计到2002年将可达2.1亿美元，成长近70倍。OLED显示器已被公认为是下一代可以取代目前看好的STN LCD的产品，尤其在日本Pioneer（先锋）推出其车用型单色及多彩显示器商品后，也更加证明了这项材料商品的潜力，因此在继薄膜液晶显示器(TFT-LCD)在平面显示器上崭露头角之后，不需背光源、省电、亮度更高、成本更低的有机发光技术已吸引众多业者的目光。 正因为OLED的优点及前景，目前国际产业界除日本、南韩等大公司正加紧研发外，台湾投入OLED的业者也众多。OLED的关键组件包括ITO导电玻璃、小分子有机材料、封装相关材料、高纯度金属材料、低温多晶硅TFT技术及驱动IC。以材料需求面来说，TFT- LCD需要玻璃基板、背光板、偏光板、彩色滤光片及液晶材料等，总计加起来的面板厚度约近1公分左右，但OLED的材料则仅包括1片约1.3mm的玻璃基板以及小于0.3mm的高纯度金属材料及ITO导电玻璃等，合计总厚度小于2mm，二相比较下，OLED的面板厚度仅约TFT LCD的10~20%，因此OLED不但比TFT LCD减少许多材料，也因此降低了生产成本，此外由于OLED与TFT LCD的发光源不同，因此也设有视角上的限制。日本也早就看好OLED的发展前景，目前有10多家日本厂商在发展OLED，其中以pioneer的成绩最好。 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的技术及专利则由英国的科技公司CDT的掌握，台湾瀚立光电则是首家引进CDT技术的合作企业。OLED所使用的玻璃基板厚度略大于1mm，加上驱动IC以及玻璃保护层，厚度也仅约2mm左右，比一般LCD的厚度减少许多，而且PLED的驱动电压仅3-5伏特，反应时间也几乎为实时，符合动态影像的显示需求，另外，PLED不需经过薄膜制程，故投资成本较低，量产后的平均成本不到TFT LCD的一半，但PLED的商品低制程仍有技术瓶颈存在，即PLED在产品的彩色化上仍有困难。 相对PLED，低分子OLED则较易彩色化，然而OLED因驱动电压较高，能量的使用效益也较差，产出率也较低，但是制程控制则较稳定且容易。由于低分子OLED的投资额相对比PLED高，也使得平均成本比PLED高，未来OLED将朝高单价、高附加价的产品发展，PLED则是定位在量大、单价低的产品上。在主要的关键零组件及材料上，台湾铼德在导电玻璃上已有所突破。以台湾目前投入的企业进度来看，铼德可能是脚步最快的业者，铼德于99年完成有机EL面板的实验室技术研发，并建立了玻璃基板尺寸400 400mm的生产线，是全球首家采用全自动生产线的厂商，4月起第一条OLED产线将进入量产阶段，并将于10月开始架设第二条全彩的有机EL生产线，值得一提的是，目前全球没有厂商专事生产有机EL使用的ITO导电玻璃，包括pioneer、philips等皆以自给自用， 铼德成功开发出有机EL用ITO导电玻璃后，对抢占有机EL领先地位具有关键性意义，加上铼德拥有全球第一条全自动化生产线，铼德今年有机会拿下全球第一的宝座；精碟投入OLED的研发也有2年，试产线预计在8月底完成，明年初即可量产；国硕预估明年亦可开始量产单色OLED，2年后则将生产多彩OLED；另外以国联光电为主体投资成立的联宗光电科技也已掌握到OLED完整的制程量产技术，已设立试制工厂，产品品质亦相当令人满意；另外胜华转投资的胜园科技由于自美系厂商独家移转的OLED制造技术，预计明年第二季亦可进入量产。 在国内目前已有40多个高校、研究所参与研制。清华大学投资1000多万人民币，历时五年，于2001年4月开发出2.8寸单色显示器，使用寿命达10000多小时。近日，清华大学有机光电子实验室研制成功国内第一款全彩色有机发光显示屏，这标志着我国在OLED显示技术上的水平已经进入国际先进行列，预计在2003年上半年就可以小批量地推出我国第一批有机发光显示屏的产品，直接应用到手机、仪器仪表等领域，并有望在2004年推出大规模的产品。国内的主要研究机构主要有清华大学、北方交大、复旦大学、南开大学、中国科学院长春物理所、中国科学院长春应用化学所等10多家单位。清华大学邱勇，吉林大学沉家聪，上海大学张志林，长春光机所李文连先后都有OEL器件的报道。华中大学谢洪泉，南开大学潘家杏、化学所朱道本、李永肪，高振衡等先后报道有机EL材料合成及性能研究论文。国家自然科学基金委员会已经将其作为一个专题进行了重点资助。 关于OLED驱动电路的研究也有报道但较多的是改进LCD驱动电路用于驱动OLED的尝试，目前国内尚无具体、专用的OLED驱动电路。 目前虽只能开发单彩小规格的OLED显示器，因而主要应用在车用型显示器，行动电话、游戏机、PDA、Handled- PC，但未来在高分辨率的全彩化小尺寸显示器开发成功，则更可应用在摄影机、数字相机、SMARTPHONE等。另外，据Stanford Resources估计，OLED将在2005年时产值突破7.15亿美元。OLED未来市场的成长势头相当强劲。由于OLED的迅速崛起，竞逐中小尺寸显示器的应用市场，可以预言，OLED显示屏将占据平板显示器霸主的地位。 然而事物的本身不可能十全十美的，OLED器件是一个新兴的事物，它也有自身的不足，近年来有机电致发光技术研究工作主要集中在以下几个方面： (1)进行新的有机材料的设计，提高其荧光发光效率，这是使器件实用化、应用多样化的前提条件，也是今后有机电致发光器件的主要发展方向。 (2)提高器件的寿命和稳定性。 (3)白光发光。[9] 具有高的蓝光稳定性、高效率、高亮度、低驱动电压的有机电致发光显示器仍是下一代发展的方向。世界上很多研究机构和公司都相继投入了大量的人力和物力进行有机电致发光方面的研究。剑桥显示公司(CDT)、美国UNIAX公司和目标TDK等公司都走到了研究的前列，并且都先后有成熟的产品推出.相信在不久的将来，由有机电致发光器件做成的超薄型大屏幕彩色电视将进入到人们的日常生活中，有机电致显示技术将有望代替传统的阴极射线管和液晶显示技术。 第3章 驱动方式和OLED的驱动特性 3.1 OLED的驱动方式 OLED的驱动方式有两种，一种是静态驱动方式，另一种为动态（时间分割）驱动方式。而动态（时间分割）驱动方式又分为直接矩阵驱动方式和有源矩阵驱动方式。下面将分别介绍这几种驱动方式。 3.1.1 静态驱动 静态驱动（static drive）主要用于位数很少（12位以下）的数字元显示或固定文字（图像）显示。在数字显示中常采用笔段电极结构。每位数由一个“8”子行公共电极和构成“8”字行图案的7个段形电极组成，分别设置在两块基板上，如图4所示。根据显示的数字，可在两极板上形成相应数量的电极组，每组电极可显示0-9的任意数字。这种数字元显示方式广泛应用于手表、计算器以及计测仪器等。 静态驱动就是在所显示数字的各笔段电极和公共电极之间，同时连续输入驱动电压，直到显示时间结束。由于在显示时间内驱动电压一直保持，故称为静态驱动。要实现静态驱动，各段形电极和公共电极必须设置各自的驱动电路。 图5示一个笔段电极的驱动原理。笔段电极的驱动电压由数字信号通过门电路（倒相器）进行控制（见图A）。当数字信号断开（OFF），通过门电路信号的相位没有变，公共电极上的相位是同相的，两者的电位差为零，OLED没有受到驱动。当数字信号通过时，门电路通过它的电压相位延迟π，在公共电极和笔段电极之间形成一种交变电压，于是OLED便受到驱动（见图B）。在实际应用上，所要显示的数字，经由计数器和译码器处理后形成数字信号分别触发相应电极，即可显示出来。 静态驱动有两个特点：（1）各电极的驱动互相独立，互不影响；（2）在显示期间，驱动电压一直保持，使OLED充分驱动。因而静态驱动和时间分割驱动相比，具有对比度高，亮度好，响应快的特点但静态驱动的缺点是每个段形电极需要一个控制组件，但显示数字很多，相应的驱动组件数和引线端子数太多，因而它的应用受到限制，只适合位数很少的笔段电极驱动。 3.1.2 动态（Dynamic Drive）（时间分割）驱动的概念 1.​ 直接驱动方式 我们以矩阵显示为例，显示器件上显示像素众多时，为了节省庞大的硬件驱动电路，在显示器件电极的制作与排列上作了加工，实施了矩阵型的结构，即把水平一组显示像素的背电极都连在一起引出，称之为水平电极，把纵向一组显示像素的段电极都连接起来一起引出，称之为垂直电极。在显示器上每一个显示像素都由其所在的水平与垂直的位置唯一确定（如图6所示）。在驱动方式上相应地采用了类同于CRT的光栅扫描方法。以 的时间分顺序选通电极。并与行选通同步地选通在该行的像素中应该显示的列电极。当所有扫描电极被逐行选通后，在重复上述过程。每个操作过程所需的时间叫帧周期，重复的频率叫帧频，各行选通的时间与帧周期的比值叫占空比。占空比对时间分割驱动的显示特性有很大的影响。 矩阵电极的特征是它的位图元结构，可以是任意的显示状态。在上述操做中行信号与待显的信息无关，而列信号载着像素信息的。因而可以根据显示内容与行同步选通相应的列电极，以形成各行上相应的选通像素。所有行的选通像素将在画面上构成显示状态。这样，通过选通与行扫同步的列信号就可以实现任何显示状态。 这种时间分割驱动方式只在占空比极短的时间间隔 内施加对控制显示状态有作用的电压波形，而在其余大部分时间内则施加对控制显示状态无关的电压波形[13]。 2.​ 有源矩阵驱动方式 有源矩阵驱动方式就是在像素和信号线之间加入非线性组件的驱动方式。由非线性组件的种类可把有源矩阵驱动方式分为二端子（二极管）型和三端子（晶体管）。采取这种驱动方式可以大大提高显示容量，提高对比度和响应度，达到高像质的要求。 3.2 动态驱动的数据传输方式 OLED显示驱动器按用途可分为水平驱动器和垂直驱动器。这两类驱动器的工作原理和基本结构是相同的，不同的是： (1)输入资料的性质不同。垂直驱动器的资料为列选择信号。垂直驱动器的数据输入方式有如下三种：l位元串行输入方式，2位元或4位或8位并行输入方式。并行输入方式适应大屏幕的列数据传输。垂直驱动器只有一位帧信号，用于扫描行的选择。 (2)移位元时钟的不同。垂直驱动器移位元时钟的作用是把列数据送入相应的位置上；水平驱动器的移位元时钟作用是为了实现扫描行的更换。这种行更换必须在新的扫描行上所有的列数据就位后锁存时进行，也就是说垂直驱动器的锁存脉冲正是行驱动器的移位脉冲。 无论是水平驱动器还是垂直驱动器，其驱动能力，即负载能力都是有限的。目前所见到的驱动器没有超过80路输出的，所以在大规模点阵OLED显示器件的驱动电路中需要多片驱动器的组合。这种组合的控制时序信号基本是不变的，但资料的传输方式将根据驱动器组之间数据传输方式而定。这种资料的传输主要是对列显示资料而言，常见到的有两种数据传输方式。 1.串行数据传输方式： 此方式常见于1位元串行资料接口的列驱动器的连接方式中。该方式下各驱动器的移位寄存器以串联形式连接，显示资料将通过该组串联移位寄存器在移位脉冲的作用下传输就位。这种方式的驱动电路如图7所示。 2.并行数据传输方式 并行数据传输方式有2位元并行传输、4位并行传输，也有8位并行传输，其驱动器必须具有并行接口，在此方式下各驱动器的资料口并联。每个驱动器都有两个菊花链使能信号，一个是在输入端，一个是在输出端。上一列驱动器的使能输出接至下一列驱动器的使能输入端。这两个使能信号的作用是使输入信号有效，启动本驱动器开始接收资料，当驱动器资料接收满额时，驱动器停止接收资料并向外部发出一个资料已满的信号，启动下一个列驱动器，使其接收资料。 在第一个列驱动器的使能输入信号端上将根据驱动器的要求接至高电位或低电位，自动启动或由控制电路提供。这种方式的原理类同于多I/O设备的菊花链式优先权排队电路，所以并行数据传输方式也被称为菊花链数据传输方式[11]，如图8所示。 3.3 OLED的驱动特性 就驱动电压而言，可分为直流驱动和交流驱动。在直流驱动，空穴和电子的传输方向固定不变，其中未参与复合的多余空穴（或电子），或者积累在HTL/EML（或EML/FTL）接口，或者越过势垒流入电极。在交流驱动时，正半周期的发光机制和直流驱动完全一样，而负半周期电压来时，积累在接口的多余电子和空穴朝反方向运动，相对地消耗了接口上多余的电子和空穴，由此可以减弱正半周期在器件内建立的内建电场，这样可以增强下个正半周期的载流子的加载和复合，有利于提高复合效率。另一方面，负半周期的反向偏压要以“烧断（burn out）”某些局部导通的微观小信道“细丝（filaments）”，这样可以提高器件的寿命。由此可见用交流驱动比直流驱动更具有优势。图（9）是直流驱动和交流驱动下OLED亮度的比较。 外加激励电压的频率对屏的亮度有很大影响。在低频范围内亮度随频率线性地增加，频率高到一定程度(约几千赫)时亮度与频率不成线性关系，再继续提高频率会出现饱和趋势，饱和频率(亮度出现非线性变化的切点)的大小由发光材料结构决定。如发蓝色光的材料制成发光屏的饱和频率高于绿色材料如图（10）所示。对同一种发光材料，激发电压越高饱和频率也越高，如图所示。 此频率特性可以解释为：因为一般每一个激发周期内发光两次，所以激发频率愈高发光次数也多，发光强度与外加激发频率成正比。但是，这个关系只有在外加电压为某种极性时，电子回到被电离的发光中心的时间比激发半周期时间短的频率范围内才成立。当外加电压增高时，电子返同离化中心的速度变大，激发半周期也要相应缩短，所以偏离线性时的频率(即饱和频率)随外加电压的升高向高频之间移功。另外，外加激发电压的频率对同一种材料的发光颜色也有影响。 第4章 驱动电路的设计 4.1 驱动框图 在电路设计上参考了液晶显示驱动原理，框图如下： 本设计采用INTEL公司生产MCS-51系列中的8752单片机作为显示控制部，驱动方式采用行驱动方式，由8752发出脉冲信号统一协调，使行列驱动信号同步输出。列驱动信号由8752发出输入8位三态锁存器74LS373，资料存满后经由8位总线缓存器74LS621。接通异或门74LS86引出驱动脉冲输出列电极。行驱动由8752发出计数脉冲输入二进制4位计数器74LS163，计数后选通4-16线译码器74LS154接通异或门74LS86引出驱动脉冲驱动相应的行电极从而实现显示。 4.2 驱动器件介绍 8752是EPROM型的8位微控制器，内含8位CPU，拥有广泛的布尔处理能力，32根双向且可分别寻址的I/O线；256字节的RAM；2个16位的定时器/计数器；全双工异步串行口（UART）；两个中断优先级的5个中断源；片内有时钟震荡器；8K字节的片内EPROM程序内存；可寻址64K字节外部程序存储空间，可寻址64K字节外部数据存储器。用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。 74LS373由8个3态输出锁存器组成，可用于总线式结构系统。当“锁存允许”输入端（LE）为高电平时，锁存器对资料呈透明特性（资料可异步改变）。当LE为低电平时，达到规定建立时间的资料被锁存。当输出允许端（ ）为低电平时，资料输到系统总线；当（ ）为高电平时，锁存器输出为高阻状态。 74LS373管脚 引脚符号 名称 负载参数 高电平 低电平 D0-D7 数据输入端 0.5U.L. 0.25U.L. LE “锁存允许”输入端 0.5U.L. 0.25U.L. CP 0.5U.L. 0.25U.L. 时钟信号输入端（上升沿触发） 0.5U.L. 0.25U.L. Q0-Q7 输出端 65(25)U.L. 15(7.5)U.L. 74LS373真值表 DN LE ON H H L H L H L L X X H Z 74LS163是四位同步计数器，允许并行资料同步加载，它包括4个脉冲边沿触发的D型触发器，资料经过相应的引导门进入D的输入端。触发器Q输出端的状态变化由时钟脉冲（CP）的正跳变同步触发.74LS163是二进制编码模16计数器，当计数到15（HHHH）产生一个TC输出然后恢复到0（LLLL） 74LS163参数 引脚符号 名称 负载参数 高电平 低电平 “并载输入允许”（低电平有效）输入端 10U.L. 0.5U.L. P0-P7 并行数据输入端 0.5U.L 0.25U.L. CEP “并行资料允许”输入端 0.5U.L 0.25U.L. CET “串行计数允许”输入端 1.0U.L. 0.5U.L. CP 时钟（高电平有效） 0.5U.L. 0.25UL. 主复位端 0.5U.L 0.25U.L. 同步复位端 1.0U.L. 0.5U.L. Q0-Q7 并行输出端 10U.L. 5(0.25)U.L. TC 计数端输出 10U.L. 5(0.25)U.L. 74LS154为4-16译码器反向输出，当 、 为低电平时器件开始工作，A、B、C、D为输入 端， - 为输出端。 74LS621是8总线发送器/接收器，可用于8位总线的资料双向异步通信。本芯片有甚为灵活完善的时序控制功能。“允许”信号输入端可使器件处于禁止状态，以便总线之间能有效隔离。“允许”信号输入端的电平决定资料是从总线A传送到B，或从B传送到A。 74LS621参数 “允许”输入端 传送方式 GAB L L 资料B传送给总线A H H 资料A传送给总线B L H 资料A传送给总线B，资料B传送给总线A 74LS86是四输入异或门 输入 输出 A B Y L L L L H H H L H H H L 555定时器是一种多功能用途的数字-模拟集成电路，利用它可以很方便地构成施密特触发器。555定时器能在很宽的电压范围工作，并可以承受较大的负载电流。双极型555定时器的电源电压范围为5～16V，最大的负载电流为200mA。其中Q为输出端。 LM7805K是三端固定正输出集成稳压器，输出电压5V,输出电流1.5A（带散热片）。它内部有过流、过热和安全工作区保护，以防稳压器过载而损怀。 4.3 行驱动电路 因为采用行驱动的方式因此在行驱动方面本设计采用4-16线译码器74LS154选通相应的行。首先，由单片机8752发出记数脉冲输入74LS163记数后输入74LS154选通相应的行。电路图如下（图11）： 4.4 列驱动电路 本设计采用的列驱动方式是参考液晶驱动技术的，见附图，驱动电路工作时，由8752发出计数脉冲，送到74LS163，74LS163是可同步加载的4位2进制计数器，由于只用到8片锁存器，因此计数由0～7即可，当计数到7（111）时，在下一个脉冲时同步加载0（000）。由此依次选通相应锁存器。当选通一片时，单片机输出8位资料被锁存器锁存。依次选通8片。这样列信息便被锁存器锁存。接下来单片机输出显示脉冲，同时选通相应的行列。这样就可以实现显示了。 4.5 驱动波形产生器 由OLED的驱动特性可以知道，交流驱动有利于抵消器件的内建电场，提高发光亮度。本设计用的驱动频率为50HZ的方波。波形产生器采用双极型555定时器接成谐振荡器。电路图如下： 分析可知电容C4上的电压VC将在VT+（正向阈值电压）和VT-（负向阈值电压）往复振荡。可由此求得电容C4充电时间T1和放电时间T2各为： T1=（R1+R2）C （C） T2=R2CLn =R2CLn2 因此电路的震荡周期为T=T1+T2=(R1+2R2)CLn2 震荡频率为f= 输出脉冲的占空比为q= 驱动脉冲占空比取 时，R1=R2，若取f=50时可得RC=300Ln2，取C为10uf，则可计算得R=480欧。电路如图（图12）所示：其中Q为脉冲波形输出端。 4.6 单片机RAM的扩展 由于采用汉字的点阵显示，显示的资料量很大，8752片内只有256位RAM，难以满足显示需要，因此要扩展RAM。MCS-51系列的位址总线是P0口和P2口，其中P0口发出低8位地址，P2口发出高8位地址，通过地址总线发出的地址，选择某一存储单元。如果有多片内存，要完成这种功能，必须有两种选择：一是必须选择该内存的芯片，这称为片选；二是必须选择出该芯片的存储单元，这称为字选。常用的对内存的选址方法有两种：线选法和地址译码法。在这选用线选法，采用RAM6264芯片，扩展后6264的地址为0000H-1FFFH，电路图如下（图13）： 4.7 单片机智能化的实现 本设计采用Intel8752作为显示的驱动部。8752是在8751基础上改进的，功能与8051完全相同。片内RAM增加到256位。采用EPROM，用户可自己编程写入。 4.8 单片机指令简介 指令是指挥计算机执行某种操作