OLED (diodo orgânico emissor de luz) é uma nova geração de tecnologia de display de tela plana que segue o TFT-LCD (display de cristal líquido com transistor de filme fino). Ele tem as vantagens de uma estrutura simples, sem necessidade de retroiluminação para autoluminescência, alto contraste, espessura fina, amplo ângulo de visão, velocidade de resposta rápida, pode ser usado para painéis flexíveis e uma ampla faixa de temperatura operacional. Em 1987, o Dr. CW Tang e outros da Kodak Corporation dos Estados Unidos estabeleceram componentes OLED e materiais básicos [1]. Em 1996, a Pioneer of Japan se tornou a primeira empresa a produzir em massa essa tecnologia e combinou o painel OLED com o display de áudio automotivo que produzia. Nos últimos anos, devido às suas perspectivas promissoras, equipes de P&D no Japão, Estados Unidos, Europa, Taiwan e Coréia do Sul surgiram, levando à maturidade dos materiais orgânicos emissores de luz, ao desenvolvimento vigoroso de fabricantes de equipamentos e ao desenvolvimento contínuo evolução da tecnologia de processo.
No entanto, a tecnologia OLED está relacionada às atuais indústrias maduras de semicondutores, LCD, CD-R ou mesmo LED em termos de princípios e processos, mas tem seu know-how único; portanto, ainda existem muitos gargalos na produção em massa de OLED. . A Taiwan Rebao Technology Co., Ltd. começou a desenvolver tecnologias relacionadas a OLED em 1997 e a produzir painéis OLED em massa em 2000. Ela se tornou a segunda empresa de painéis OLED produzidos em massa no mundo, depois de Tohoku Pioneer no Japão; e em 2002, continuou a produzir painéis OLED. Os painéis monocromáticos e coloridos para remessas de exportação são mostrados na Figura 1, e o rendimento e a produção aumentaram, tornando-o o maior fornecedor mundial de painéis OLED em termos de produção.
No processo OLED, a espessura da camada de filme orgânico afetará muito as características do dispositivo. De modo geral, o erro de espessura do filme deve ser inferior a 5 nanômetros, o que é uma verdadeira nanotecnologia. Por exemplo, o tamanho do substrato de terceira geração de monitores de tela plana TFT-LCD é geralmente definido como 550 mm x 650 mm. Em um substrato desse tamanho, é difícil controlar uma espessura de filme tão precisa. O processo de substrato de área e a aplicação de painel de grande área. Atualmente, os aplicativos OLED são principalmente pequenos painéis monocromáticos e coloridos de área, como telas principais de telefones celulares, telas secundárias de telefones celulares, telas de console de jogos, telas de áudio automotivo e tela de assistente digital pessoal (PDA). Como o processo de produção em massa de OLED full-color ainda não amadureceu, espera-se que produtos OLED full-color de tamanho pequeno sejam lançados em sucessão após o segundo semestre de 2002. Como o OLED é uma tela autoluminosa, seu desempenho visual é extremamente excelente em comparação com monitores LCD coloridos do mesmo nível. Ele tem a oportunidade de cortar diretamente em produtos coloridos de pequeno porte e de ponta, como câmeras digitais e leitores de VCD (ou DVD) do tamanho da palma da mão. Quanto aos grandes painéis (13 polegadas ou mais), embora haja uma equipe de pesquisa e desenvolvimento mostrando amostras, a tecnologia de produção em massa ainda está por ser desenvolvida.
Os OLEDs são geralmente divididos em pequenas moléculas (geralmente chamadas de OLED) e macromoléculas (geralmente chamadas de PLED) devido aos diferentes materiais emissores de luz. As licenças de tecnologia são Eastman Kodak (Kodak) nos Estados Unidos e CDT (Cambridge Display Technology) no Reino Unido. A Taiwan Rebao Technology Co., Ltd. é uma das poucas empresas que desenvolve OLED e PLED simultaneamente. Neste artigo, apresentaremos principalmente OLEDs de pequenas moléculas. Primeiro, apresentaremos o princípio de OLED, depois apresentaremos os principais processos relacionados e, por fim, apresentaremos a direção atual de desenvolvimento da tecnologia OLED.
1. Princípio de OLED
Os componentes OLED são compostos de materiais orgânicos do tipo n, materiais orgânicos do tipo p, metal catódico e metal anódico. Elétrons (buracos) são injetados do cátodo (ânodo), são conduzidos para a camada emissora de luz (geralmente material do tipo n) através do material orgânico do tipo n (tipo p) e emitem luz por recombinação. De modo geral, o ITO é pulverizado em um substrato de vidro feito de um dispositivo OLED como um ânodo e, em seguida, um material orgânico tipo p e tipo n e um cátodo de metal de baixa função de trabalho são depositados sequencialmente por evaporação térmica a vácuo. Como os materiais orgânicos interagem facilmente com o vapor de água ou oxigênio, manchas escuras são geradas e os componentes não brilham. Portanto, após a conclusão do revestimento a vácuo deste dispositivo, o processo de embalagem deve ser realizado em um ambiente sem umidade e oxigênio.
Entre o metal do cátodo e o ânodo ITO, a estrutura do dispositivo amplamente usada pode geralmente ser dividida em 5 camadas. Conforme mostrado na Figura 2, do lado próximo ao ITO, são eles: camada de injeção de orifício, camada de transporte de orifício, camada emissora de luz, camada de transporte de elétrons e camada de injeção de elétrons. Em relação à história da evolução dos dispositivos OLED, o dispositivo OLED publicado pela primeira vez pela Kodak em 1987 é composto de duas camadas de materiais orgânicos, uma camada de transporte de buraco e uma camada de transporte de elétrons. A camada de transporte do buraco é um material orgânico do tipo p, que é caracterizado por uma maior mobilidade do buraco, e seu orbital de molécula mais ocupada (HOMO) está mais perto de ITO, permitindo que os buracos sejam transferidos da barreira de energia de ITO injetada na camada orgânica É reduzido.
Já a camada de transporte de elétrons é um material orgânico do tipo n, caracterizado por alta mobilidade de elétrons. Quando os elétrons viajam da camada de transporte de elétrons para a interface do orifício e da camada de transporte de elétrons, o orbital molecular não ocupado mais baixo da camada de transporte de elétrons O orbital da molécula desocupada mais baixo (LUMO) é muito mais alto do que o LUMO da camada de transporte do orifício . É difícil para os elétrons cruzarem esta barreira de energia para entrar na camada de transporte do buraco e são bloqueados por esta interface. Nesse momento, os buracos são transferidos da camada de transporte de buracos para a vizinhança da interface e se recombinam com elétrons para gerar excitons (Exciton), e o Exciton libera energia na forma de emissão de luz e não-emissão de luz. Em termos de um sistema de material de fluorescência geral, apenas 25% dos pares elétron-buraco são recombinados na forma de emissão de luz com base no cálculo da seletividade (regra de seleção), e os restantes 75% da energia são o resultado de liberação de calor. Forma dissipada. Nos últimos anos, materiais de fosforescência (Fosforescência) estão sendo ativamente desenvolvidos para se tornarem uma nova geração de materiais OLED [2], tais materiais podem quebrar o limite de seletividade para aumentar a eficiência quântica interna para quase 100%.
No dispositivo de duas camadas, o material orgânico do tipo n - a camada de transporte de elétrons - também é usado como a camada emissora de luz, e o comprimento de onda emissora de luz é determinado pela diferença de energia entre HOMO e LUMO. No entanto, uma boa camada de transporte de elétrons - ou seja, um material com alta mobilidade de elétrons - não é necessariamente um material com boa eficiência de emissão de luz. Portanto, a prática geral atual é dopar (dopar) pigmentos orgânicos de alta fluorescência para o transporte de elétrons. A parte da camada próxima à camada de transporte do furo, também conhecida como camada emissora de luz [3], tem uma relação de volume de cerca de 1% a 3%. O desenvolvimento da tecnologia de dopagem é uma tecnologia-chave usada para aumentar a taxa de absorção quântica de fluorescência das matérias-primas. Geralmente, o material selecionado é um corante com alta taxa de absorção quântica de fluorescência (Corante). Desde o desenvolvimento de corantes orgânicos originados de lasers de corante nas décadas de 1970 a 1980, o sistema de materiais está completo e o comprimento de onda de emissão pode cobrir toda a região da luz visível. A banda de energia do corante orgânico dopado no dispositivo OLED é pobre, geralmente menor que a banda de energia do hospedeiro (Host), a fim de facilitar a transferência de energia do exciton do hospedeiro para o dopante (Dopante). No entanto, como o dopante tem uma pequena banda de energia e atua como uma armadilha em termos elétricos, se a camada de dopante for muito espessa, a voltagem de acionamento aumentará; mas se for muito fino, a energia será transferida do hospedeiro para o dopante. A proporção vai piorar, então a espessura desta camada deve ser otimizada.
O material metálico do cátodo tradicionalmente utiliza um material metálico (ou liga) com baixa função de trabalho, como a liga de magnésio, para facilitar a injeção de elétrons do cátodo para a camada de transporte de elétrons. Além disso, uma prática comum é introduzir uma camada de injeção de elétrons. É composto por um haleto ou óxido metálico muito fino de baixa função de trabalho, como LiF ou Li2O, que pode reduzir muito a barreira de energia entre o cátodo e a camada de transporte de elétrons [4] e reduzir a tensão de acionamento.
Uma vez que o valor HOMO do material da camada de transporte do orifício ainda é diferente daquele do ITO, além disso, após um longo tempo de operação, o ânodo ITO pode liberar oxigênio e danificar a camada orgânica para produzir manchas escuras. Portanto, uma camada de injeção do orifício é inserida entre o ITO e a camada de transporte do orifício, e seu valor HOMO está apenas entre o ITO e a camada de transporte do orifício, o que conduz à injeção do orifício no dispositivo OLED, e as características do filme podem bloquear o ITO. O oxigênio entra no elemento OLED para estender a vida útil do elemento.
2. Método de drive OLED
O método de direção do OLED é dividido em direção ativa (direção ativa) e direção passiva (direção passiva).
1) Unidade passiva (PM OLED)
É dividido em circuito de acionamento estático e circuito de acionamento dinâmico.
⑴ Método de condução estática: Em um dispositivo de exibição de emissão de luz orgânica conduzido estaticamente, geralmente os cátodos de cada pixel orgânico de eletroluminescência são conectados e desenhados juntos, e os ânodos de cada pixel são desenhados separadamente. Este é o método comum de conexão do cátodo. Se você quiser que um pixel emita luz, desde que a diferença entre a voltagem da fonte de corrente constante e a voltagem do cátodo seja maior do que o valor luminoso do pixel, o pixel emitirá luz sob o comando da fonte de corrente constante. Se um pixel não emitir luz, conecte seu ânodo a Em uma tensão negativa, ele pode ser bloqueado reversamente. No entanto, efeitos cruzados podem ocorrer quando a imagem muda muito. Para evitar isso, devemos adotar a forma de comunicação. O circuito de condução estática é geralmente usado para conduzir a exibição do segmento.
⑵ Modo de acionamento dinâmico: em dispositivos de exibição de emissão de luz orgânica acionados dinamicamente, as pessoas transformam os dois eletrodos do pixel em uma estrutura de matriz, ou seja, os eletrodos da mesma natureza do grupo horizontal de pixels de exibição são compartilhados e os verticais grupo de pixels de exibição são os mesmos. O outro eletrodo da natureza é compartilhado. Se o pixel pode ser dividido em N filas e M colunas, pode haver N eletrodos e M eletrodos de coluna. As linhas e colunas correspondem respectivamente aos dois eletrodos do pixel emissor de luz. Ou seja, o cátodo e o ânodo. No processo real de condução do circuito, para iluminar os pixels linha por linha ou para iluminar os pixels coluna por coluna, o método de varredura linha por linha é geralmente adotado, e os eletrodos de coluna são os eletrodos de dados na varredura de linha. O método de implementação é: aplicar ciclicamente pulsos a cada fileira de eletrodos e, ao mesmo tempo, todos os eletrodos da coluna darem impulsos de corrente motriz dos pixels da fileira, de modo a realizar a exibição de todos os pixels de uma fileira. Se a linha não estiver mais na mesma linha ou na mesma coluna, a voltagem reversa é aplicada aos pixels para evitar o "efeito cruzado". Essa verificação é realizada linha por linha, e o tempo necessário para verificar todas as linhas é chamado de período de quadro.
O tempo de seleção de cada linha em um quadro é igual. Assumindo que o número de linhas de varredura em um quadro é N e o tempo para varrer um quadro é 1, então o tempo de seleção ocupado por uma linha é 1 / N do tempo de um quadro. Este valor é denominado coeficiente do ciclo de trabalho. Sob a mesma corrente, um aumento no número de linhas de varredura reduzirá o ciclo de trabalho, o que causará uma diminuição efetiva na injeção de corrente no pixel de eletroluminescência orgânica em um quadro, o que reduzirá a qualidade de exibição. Portanto, com o aumento dos pixels da tela, para garantir a qualidade da tela, é necessário aumentar adequadamente a corrente de acionamento ou adotar um mecanismo de eletrodo de tela dupla para aumentar o coeficiente do ciclo de trabalho.
Além do efeito cruzado devido à formação comum de eletrodos, o mecanismo de portadores de carga positiva e negativa recombinados para formar a emissão de luz em telas eletroluminescentes orgânicas torna quaisquer dois pixels emissores de luz, desde que qualquer tipo de filme funcional que os compõe a estrutura está diretamente conectada Sim, pode haver diafonia entre os dois pixels emissores de luz, ou seja, um pixel emite luz e o outro pixel também pode emitir luz fraca. Este fenômeno é causado principalmente pela baixa uniformidade de espessura do filme orgânico funcional e o pobre isolamento lateral do filme. Do ponto de vista da direção, para aliviar esse crosstalk desfavorável, adotar o método de corte reverso também é um método eficaz em uma linha.
Display com controle de escala de cinza: A escala de cinza do monitor se refere ao nível de brilho das imagens em preto e branco do preto ao branco. Quanto mais níveis de cinza, mais rica é a imagem do preto ao branco e mais claros os detalhes. A escala de cinza é um indicador muito importante para a exibição e colorização de imagens. Geralmente, as telas usadas para exibição em tons de cinza são, em sua maioria, exibições de matriz de pontos e sua direção é mais dinâmica. Vários métodos para obter o controle da escala de cinza são: método de controle, modulação espacial da escala de cinza e modulação da escala de cinza no tempo.
2) Unidade ativa (AM OLED)
Cada pixel da unidade ativa é equipado com um transistor de película fina de poli-Si de baixa temperatura (LTP-Si TFT) com uma função de comutação, e cada pixel é equipado com um capacitor de armazenamento de carga, e o circuito de acionamento periférico e a matriz de exibição são integrados em todo o sistema No mesmo substrato de vidro. A estrutura TFT é a mesma do LCD e não pode ser usada para OLED. Isso ocorre porque o LCD usa unidade de tensão, enquanto o OLED depende da unidade de corrente, e seu brilho é proporcional à quantidade de corrente. Portanto, além do TFT de seleção de endereço que executa a comutação ON / OFF, ele também requer uma resistência relativamente baixa que permite a passagem de corrente suficiente. TFT de condução baixa e pequena.
A direção ativa é um método de direção estática com efeito de memória e pode ser conduzida com 100% de carga. Este direcionamento não é limitado pelo número de eletrodos de varredura e cada pixel pode ser ajustado seletivamente de forma independente.
O drive ativo não tem problemas de ciclo de trabalho e o drive não é limitado pelo número de eletrodos de varredura e é fácil de obter alto brilho e alta resolução.
A direção ativa pode ajustar e conduzir de forma independente o brilho dos pixels vermelhos e azuis, o que é mais propício à realização da colorização OLED.
O circuito de acionamento da matriz ativa fica oculto na tela do display, o que facilita a integração e a miniaturização. Além disso, como o problema de conexão entre o circuito da unidade periférica e a tela foi resolvido, isso melhora o rendimento e a confiabilidade até certo ponto.
3) Comparação entre ativo e passivo
passivo ativo
Emissão de luz instantânea de alta densidade (unidade dinâmica / seletiva) Emissão de luz contínua (unidade de estado estacionário)
Chip IC adicional fora do painel Design de circuito de unidade TFT / IC de unidade de filme fino integrado
Varredura passo a passo de linha Apagando dados passo a passo de linha
Controle de gradação fácil. Os pixels da imagem EL orgânica são formados no substrato TFT.
Baixo custo / unidade de alta tensão Unidade de baixa tensão / baixo consumo de energia / alto custo
Mudanças fáceis de design, tempo de entrega curto (fabricação simples), longa vida útil de componentes emissores de luz (processo de fabricação complexo)
Unidade de matriz simples + OLED LTPS TFT + OLED
2. As vantagens e desvantagens do OLED
1) Vantagens do OLED
(1) A espessura pode ser inferior a 1 mm, que é apenas 1/3 da tela LCD, e o peso é mais leve;
(2) O corpo sólido não possui material líquido, portanto, tem melhor resistência ao choque e não tem medo de cair;
(3) Quase não há problema com o ângulo de visão, mesmo quando visto em um grande ângulo de visão, a imagem ainda não está distorcida;
(4) O tempo de resposta é um milésimo do LCD e não haverá absolutamente nenhum fenômeno de mancha ao exibir filmes;
(5) Boas características de baixa temperatura, ele ainda pode exibir normalmente a menos de 40 graus, mas o LCD não pode fazer isso;
(6) O processo de fabricação é simples e o custo é menor;
(7) A eficiência luminosa é maior e o consumo de energia é menor que o do LCD;
(8) Pode ser fabricado em substratos de diferentes materiais e pode ser transformado em visores flexíveis que podem ser dobrados.
2.) Desvantagens do OLED
(1) A vida útil geralmente é de apenas 5000 horas, que é inferior à vida útil do LCD de pelo menos 10,000 horas;
(2) A produção em massa de telas grandes não pode ser alcançada, por isso, atualmente, ela é adequada apenas para produtos digitais portáteis;
(3) Existe um problema de pureza de cor insuficiente e não é fácil exibir cores ricas e brilhantes.
3. Processos-chave relacionados a OLED
Pré-tratamento de substrato de óxido de índio e estanho (ITO)
(1) Nivelamento da superfície ITO
O ITO tem sido amplamente utilizado na fabricação de painéis de exibição comerciais. Ele tem as vantagens de alta transmitância, baixa resistividade e alta função de trabalho. De modo geral, o ITO fabricado pelo método de pulverização catódica RF é suscetível a fatores de controle de processo pobres, resultando em superfície irregular, que por sua vez produz materiais pontiagudos ou protuberâncias na superfície. Além disso, o processo de calcinação e recristalização em alta temperatura também produzirá uma camada protuberante com uma superfície de cerca de 10 ~ 30 nm. Os caminhos formados entre as partículas finas dessas camadas desiguais fornecerão oportunidades para que os orifícios atinjam diretamente o cátodo, e esses caminhos intrincados aumentarão a corrente de fuga. Geralmente, existem três métodos para resolver o efeito desta camada de superfície: Um é aumentar a espessura da camada de injeção do orifício e a camada de transporte do orifício para reduzir a corrente de fuga. Este método é usado principalmente para PLEDs e OLEDs com uma camada de orifício espesso (~ 200 nm). A segunda é reprocessar o vidro ITO para tornar a superfície lisa. O terceiro é usar outros métodos de revestimento para tornar a superfície mais lisa (como mostrado na Figura 3).
(2) Aumento da função de trabalho ITO
Quando os orifícios são injetados em HIL a partir de ITO, uma diferença de energia potencial muito grande produzirá a barreira Schottky, dificultando a injeção de orifícios. Portanto, como reduzir a diferença de energia potencial da interface ITO / HIL torna-se o foco do pré-tratamento ITO. Geralmente, usamos o método O2-Plasma para aumentar a saturação de átomos de oxigênio em ITO para atingir o objetivo de aumentar a função de trabalho. A função de trabalho do ITO após o tratamento com O2-Plasma pode ser aumentada dos 4.8eV originais para 5.2eV, que está muito próximo da função de trabalho do HIL.
① Adicionar eletrodo auxiliar
Uma vez que o OLED é um dispositivo de acionamento de corrente, quando o circuito externo é muito longo ou muito fino, uma séria queda de tensão será causada no circuito externo, o que fará com que a queda de tensão no dispositivo OLED caia, resultando em uma diminuição no a intensidade luminosa do painel. Como a resistência ITO é muito grande (10 ohm / quadrado), é fácil causar consumo de energia externa desnecessário. Adicionar um eletrodo auxiliar para reduzir o gradiente de tensão torna-se uma maneira rápida de aumentar a eficiência luminosa e reduzir a tensão de acionamento. O metal de cromo (Cr: cromo) é o material mais comumente usado para eletrodos auxiliares. Tem as vantagens de boa estabilidade aos fatores ambientais e maior seletividade às soluções de corrosão. No entanto, seu valor de resistência é 2 ohm / quadrado quando o filme é 100 nm, o que ainda é muito grande em algumas aplicações. Portanto, o metal alumínio (Al: Alumínio) (0.2 ohm / quadrado) tem um valor de resistência inferior na mesma espessura. ) Torna-se outra escolha melhor para eletrodos auxiliares. No entanto, a alta atividade do metal alumínio também o torna um problema de confiabilidade; portanto, metais auxiliares multicamadas têm sido propostos, tais como: Cr / Al / Cr ou Mo / Al / Mo. No entanto, tais processos aumentam a complexidade e o custo, então a escolha do material do eletrodo auxiliar tornou-se um dos pontos-chave na o processo OLED.
② Processo de cátodo
Em um painel OLED de alta resolução, o cátodo fino é separado do cátodo. O método geral usado é a abordagem da estrutura em cogumelo, que é semelhante à tecnologia de desenvolvimento de fotoresiste de negativo da tecnologia de impressão. No processo de revelação do fotoresiste negativo, muitas variações do processo afetarão a qualidade e o rendimento do cátodo. Por exemplo, resistência de volume, constante dielétrica, alta resolução, alta Tg, perda de baixa dimensão crítica (CD) e interface de adesão adequada com ITO ou outras camadas orgânicas.
③ Pacote
(1) Material absorvente de água
Geralmente, o ciclo de vida de um OLED é facilmente afetado pelo vapor de água e oxigênio ao redor e é reduzido. Existem duas fontes principais de umidade: uma é a penetração no dispositivo através do ambiente externo e a outra é a umidade absorvida por cada camada de material no processo de OLED. Para reduzir a entrada de vapor d'água no componente ou eliminar o vapor d'água absorvido pelo processo, a substância mais utilizada é o dessecante. O dessecante pode usar adsorção química ou física para capturar moléculas de água em movimento livre para atingir o objetivo de remover o vapor de água do componente.
(2) Desenvolvimento de processos e equipamentos
O processo de embalagem é mostrado na Figura 4. Para colocar o dessecante na placa de cobertura e unir suavemente a placa de cobertura ao substrato, ele precisa ser realizado em um ambiente de vácuo ou a cavidade é preenchida com um gás inerte, tal como nitrogênio. É importante notar que como tornar o processo de conexão da placa de cobertura e o substrato mais eficiente, reduzir o custo do processo de embalagem e reduzir o tempo de embalagem para atingir a melhor taxa de produção em massa, tornou-se os três principais objetivos do desenvolvimento de processos de embalagem e tecnologia de equipamentos.
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