一文浅析显示行业OLED技术

显示屏作为为用户带来直接感官体验的产品，对卓越性能的追求从未止步 —— 高画质、超轻薄、长寿命、低功耗等均是衡量平板显示器产品的重要指标。AMOLED (Active Matrix/Organic Light Emitting Diode)，即有源矩阵有机发光二极体显示面板，以其卓越画质、轻薄外形、宽温操作、户外可视、节能省电等特性，尤其是在健康护眼方面的巨大优势，得到了业界的广泛关注，有望成为继阴极射线管显示技术（CRT），液晶显示技术（LCD）之后的第三代主流显示技术。

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发光原理

OLED器件结构为阳极、金属阴极以及夹在中间的有机功能层，呈现三明治结构。常规有机功能层包括空穴传输层，电子传输层，有机发光层。

OLED的发光过程通常有以下5个基本阶段：

载流子注入：在外加电场作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能层注入。

载流子传输：注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移。

载流子复合：电子和空穴注入到发光层后，由于库伦力的作用束缚在一起形成电子空穴对，即激子。

激子迁移：由于电子和空穴传输的不平衡，激子的主要形成区域通常不会覆盖整个发光层，因而会由于浓度梯度产生扩散迁移。

激子辐射退激发出光子：激子辐射跃迁，发出光子，释放能量。

OLED发光的颜色取决于发光层有机分子的类型，在同一片OLED上放置几种有机薄膜，就构成彩色显示器。光的亮度或强度取决于发光材料的性能以及施加电流的大小，对同一OLED，电流越大，光的亮度就越高。

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驱动模式

OLED驱动模式分为被动(PMOLED)与主动(AMOLED)两种。

PMOLED的结构简单，每个像素点由分立的阴极阳极控制，不需要额外的驱动电路，但是太多的控制线路限制其在大尺寸高分辨率屏幕上的应用。

AMOLED则是通过驱动电路来驱动发光二极管，最大程度的减少了控制线路的数量，使其具备低能耗，高分辨率，快速响应和其他优良光电特性，因此AMOLED逐渐成为OLED显示的主流技术。

无源矩阵 OLED （PMOLED）  

结构简单，成本低   时间分辨动态驱动（线路顺序驱动）需要比AMOLED更高的电压 屏幕越大，占空比（对每个像素施加电压的时间）越短，亮度越低。  

⇒中小型显示器可以以低成本制造。  

有源矩阵 OLED （AMOLED）  

在每个像素中形成半导体元件会使电路和制造工艺复杂化，并增加成本。  

开关可以防止电流泄漏（串扰）  

由于电容器存储不会立即降低电压，因此即使缩短占空比也可以保持亮度。  

⇒成本高，但适合制造大中型显示器。  

由于这种差异，PMOLED通常适用于小于4英寸的尺寸，而AMOLED适用于较大的尺寸。  

高分辨率AMLOED的驱动电路越来越小，但是相应的电学性能要求则越来精高，所以常规的非晶硅技术已经很难满足新的需求。低温多晶硅(LTPS)则可以迎合新的发展要求，其核心技术是将非晶硅经过”准分子激光晶化法”形成多晶硅。低温多晶硅相较于非晶硅有着更高的载流子迁移率，更低的缺陷密度，以及更好的电学特性。

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AMOLED结构

LTPS-AMOLED的与LCD的结构在驱动电路的结构基本相同，但由于AMOLED是自发光结构，不需要背光源，因此体积更轻薄。同时，也由于自发光的特性，使得暗画面下的功耗远低于LCD的背光恒定功耗，使AMOLED显示面板拥有节能的特性。

OLED的基本结构如图所示：

基板（可以是塑料、玻璃或金属箔）——OLED 的基础

阳极（可能是透明的，也可能不是透明的，取决于OLED的类型） - 带正电荷以将空穴（没有电子）注入构成OLED器件的有机层中

空穴注入层 （HIL） – 沉积在阳极顶部，该层接收来自阳极的孔并将它们注入更深的设备中

孔传输层 （HTL） – 该层支持孔在其上的传输，以便它们可以到达自发光层

Emissive 层 – 设备的心脏和制造光的地方，发射层由掺杂到主机中的颜色定义发射器组成。这是电能直接转化为光的层。

阻挡层 （BL） – 通常用于通过将电子（电荷载流子）限制在发射层来改进 OLED 技术

电子传输层 （ETL） – 支持电子在其上的传输，以便它们可以到达发射层。

阴极（可能是透明的，也可能不是透明的，具体取决于OLED的类型） - 带负电以将电子注入构成OLED器件的有机层中。

AMOLED也拥有底发光与顶发光两种结构。顶发光结构中，光线不会受到驱动电路的遮挡，相比底发光结构拥有更高的开口率，从而在高解析度的应用中具有更大的优势，因此逐渐成为了AMOLED的主流。

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AMOLED工艺流程

AMOLED工艺流程

LTPS-AMOLED的制作工艺囊括了显示面板行业的诸多尖端技术，其主要分为背板段，前板段以及模组段三道工艺。

背板段工艺通过成膜，曝光，蚀刻叠加不同图形不同材质的膜层以形成LTPS（低温多晶硅）驱动电路，其为发光器件提供点亮信号以及稳定的电源输入。其技术难点在于微米级的工艺精细度以及对于电性指标的极高均一度要求。

镀膜工艺是使用镀膜设备，用物理或化学的方式将所需材质沉积到玻璃基板上（2）；

曝光工艺是采用光学照射的方式，将光罩上的图案通过光阻转印到镀膜后的基板上（3、4、5）；

蚀刻工艺是使用化学或者物理的方式，将基板上未被光阻覆盖的图形下方的膜蚀刻掉，最后将覆盖膜上的光阻洗掉，留下具有所需图形的膜层（6、7）。

前板段工艺通过高精度金属掩膜板（FMM）将有机发光材料以及阴极等材料蒸镀在背板上，与驱动电路结合形成发光器件，再在无氧环境中进行封装以起到保护作用。蒸镀的对位精度与封装的气密性都是前板段工艺的挑战所在。

高精度金属掩膜板(FMM):其主要采用具有极低热变形系数的材料制作，是定义像素精密度的关键。制作完成后的FMM由张网机将其精确地定位在金属框架上并送至蒸镀段（2）；

蒸镀机在超高真空下，将有机材料透过FMM蒸镀到LTPS基板限定区域上（3）；

蒸镀完成后将LTPS基板送至封装段，在真空环境下，用高效能阻绝水汽的玻璃胶将其与保护板进行贴合。玻璃胶的选用及其在制作工艺上的应用，将直接影响OLED的寿命（5、6）。

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技术优势

超高对比

AMOLED 1,000,000:1 vs. LCD 1,000:1对比度高1,000倍，画面更清晰，展现所有细节

色彩逼真

AMOLED 色彩饱和度达到105%，而LCD仅为70%，AMOLED1.5倍更宽广色域，完美呈现大自然最真实的色彩

宽广视角

85°视角时AMOLED对比度＞1,000:1,LCD对比度＞10:1，AMOLED高出100倍的视角优势，无论在任何角度观看，画面始终如一

节能省电

AMOLED 表现全彩影像时更加节能省电，一般使用情况下，动态加权功耗仅为LCD的60%

异形显示

可以应需求切割成纯圆形或者其他不规则形状，不受传统形式束缚，适用于更多的应用领域

时尚轻薄

无需背光源，结构更加简单，厚度比LCD减少40%以上，让终端产品时尚轻薄

柔性显示

可实现固定曲面、可弯曲、可卷曲到可折叠等形式的柔性显示，在未来终端应用中拥有无限创新可能

低亮度高对比

AMOLED对比度高于LCD，因而具有更高感知亮度。在黑暗中，使用者可以在低显示亮度下获得清晰画面，使眼睛免受强光刺激

低蓝光伤害

AMOLED在435纳米以下的高能有害蓝光值（mW/sr/m²）仅为0.1，而LCD为33。AMOLED低300倍的高能蓝光强度，有效减少对于眼睛及内分泌系统伤害的风险

快速响应

AMOLED响应时间小于1ms，LTPS AMOLED小于20ms。20倍响应速度，实现高速动态响应，有效降低虚拟现实用户的眩晕感

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技术缺陷

OLED似乎是一项完美无缺的技术，适合各类的显示器，但它也存在一些问题：

1、寿命

尽管红色和绿色的OLED薄膜寿命较长（10000-40000小时），但根据目前的技术水准，蓝色有机物的寿命要短的多（仅有约1000小时）。

2、水

OLED如果遇水，很容易就会损毁。

3、烙印、色衰:

因OLED的材质限制，像素点有寿命限制，用久了屏幕容易产生颜色偏移、色衰、烙印的痕迹。但这不是OLED手机独有的问题──LCD屏幕也容易有类似问题。

4、闪屏:

因OLED的调光方式，导致可能出现闪屏的现象，闪屏指的是屏幕以低频率闪烁，虽然视觉上看不出闪烁，看久了可能会产生视觉疲劳的现象，但这部分因人而异，有些人感觉不出来。

5、成本高：

目前OLED制作难度及材料成本较LCD来得高，虽然市占率逐渐提升，但仍未完全取代LCD屏幕；

6.频闪伤眼睛

LCD屏幕通过调整背光层的电压或者电流控制屏幕的亮度（DC调光），如果OLED屏幕采用DC调光，在低电压下会出现不均匀的果冻效应，因此OLED屏幕采用了PWM调光方式。

根据IEEE文献所述，OLED屏幕的频闪会造成眼睛疲劳、偏头痛等问题。PWM调光至少要在1250Hz以上，才会对人眼无害，否则可能引起不适。目前，主流的OLED屏幕，频闪次数在250Hz左右，远远低于标准。

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OLED实现彩色化技术方法

RGB象素独立发光

利用发光材料独立发光是目前采用最多的彩色模式。它是利用精密的金属掩膜板（FMM）与CCD像素对位技术，首先制备红、绿、蓝三基色发光中心，然后调节三种颜色组合的混色比，产生真彩色，使三色OLED元件独立发光构成一个像素。该项技术的关键在于提高发光材料的色纯度和发光效率，同时金属掩膜板刻蚀技术也至关重要。

随着OLED显示器的彩色化、高分辨率和大面积化，金属掩膜板刻蚀技术直接影响着显示板画面的质量，所以对金属掩膜板图形尺寸精度及定位精度提出了更加苛刻的要求。

光色转换

光色转换是以蓝光OLED结合光色转换膜阵列，首先制备发蓝光OLED的器件，然后利用其蓝光激发光色转换材料得到红光和绿光，从而获得全彩色。该项技术的关键在于提高光色转换材料的色纯度及效率。

这种技术不需要金属掩膜板对位技术，只需蒸镀蓝光OLED元件，是未来大尺寸全彩色OLED显示器极具潜力的全彩色化技术之一。但它的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，同时光导也会造成画面质量降低的问题。

彩色滤光膜

此种技术是利用白光OLED结合彩色滤光膜，首先制备发白光OLED的器件，然后通过彩色滤光膜得到三基色，再组合三基色实现彩色显示。

该项技术的关键在于获得高效率和高纯度的白光。它的制作过程不需要金属掩膜板对位技术，可采用成熟的液晶显示器LCD的彩色滤光膜制作技术。所以是未来大尺寸全彩色OLED显示器具有潜力的全彩色化技术之一，但采用此技术使透过彩色滤光膜所造成光损失高达三分之二。

RGB象素独立发光，光色转换和彩色滤光膜三种制造OLED显示器全彩色化技术，各有优缺点。可根据工艺结构及有机材料决定。

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评价OLED性能的主要参数

通常，OLED发光材料及器件的性能可以从发光性能和电学性能两个方面来评价。发光性能主要包括发射光谱、发光亮度、发光效率、发光色度和寿命；而电学性能则包括电流与电压的关系、发光亮度与电压的关系等，这些都是衡量OLED材料和器件性能的主要参数。

发射光谱

发射光谱指的是在所发射的荧光中各种波长组分的相对强度，也称为荧光的相对强度随波长的分布。发射光谱一般用各种型号的荧光测量仪来测量，其测量方法是：荧光通过单色发射器照射于检测器上，扫描单色发射器并检测各种波长下相对应的荧光强度，然后通过记录仪记录荧光强度对发射波长的关系曲线，就得到了发射光谱。

OLED的发光光谱有两种，即光致发光

（PL）光谱和电致发光（EL）光谱。PL光谱需要光能的激发，并使激发光的波长和强度保持不变；EL光谱需要电能的激发，可以测量在不同电压或电流密度下的EL光谱。通过比较器件的EL光谱与不同载流子传输材料和发光材料的PL光谱，可以得出复合区的位置以及实际发光物质的有用信息。

发光亮度

发光亮度的单位是cd/㎡，表示每平方米的发光强度，发光亮度一般用亮度计来测量。最早制作的OLED器件的亮度已超过了1000cd/㎡，而目前最亮的OLED亮度可以超过140000cd/㎡。

发光效率

OLED的发光效率可以用量子效率、功率效率和流明效率来表示。 量子效率ηq是指输出的光子数Nf与注入的电子空穴对数Nx之比。衡量一个发光器件的功能时，多用流明效率这个参量。流明效率ηl，也叫光度效率，是发射的光通量L（以流明为单位）与输入的电功率Px之比。其中，S为发光面积（㎡），B为发光亮度（cd/㎡），I和V分别为测量亮度时所加的偏置电流和电压，J为相应的电流密度（A/㎡），流明效率的单位是lm/W。

发光色度

发光色度用色坐标（x，y，z）来表示，x表示红色值，y表示绿色值，Z表示蓝色值，通常x，y两个色品就可表注颜色。

发光寿命

寿命是指为亮度降低到初始亮度的50％所需的时间。对商品化的OLED器件要求连续使用寿命达到10000小时以上，存储寿命要求5年。在研究中发现影响OLED器件寿命的因素之一是水和氧分子的存在，因此在器件封装时一定要隔绝水和氧分子。

电流密度－电压关系

在OLED器件中，电流密度随电压的变化曲线反映了器件的电学性质，它与发光二极管的电流密度－电压的关系类似，具有整流效应。在低电压时，电流密度随着电压的增加而缓慢增加，当超过一定的电压电流密度会急剧上升。

亮度－电压关系

亮度-电压的关系曲线反映的是OLED器件的光学性质，与器件的电流－电压关系曲线相似，即在低驱动电压下，电流密度缓慢增加，亮度也缓慢增加，在高电压驱动时，亮度伴随着电流密度的急剧增加而快速增加。从亮度－电压的关系曲线中，还可以得到启动电压的信息。启动电压指的是亮度为1cd/㎡的电压。

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结束语

随着技术的发展，大尺寸OLED也取得突破。同样是基于自发光带来的优势，OLED屏幕不仅能做到1mm以内的极致超薄，还能够实现卷曲、折叠、透明、双面显示等未来显示形态。在理论上，OLED屏可以附着在任何透明或不规则的物体表面，打造“显示无处不在”的未来世界，OLED未来应用前景非常诱人。

审核编辑：刘清