高亮度頂發(fā)射單色綠光OLED微顯示器件制備

段 瑜，張筱丹，孫 浩，朱亞安，王光華，宋立媛，于曉輝，萬銳敏，季華夏，李亞文

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高亮度頂發(fā)射單色綠光OLED微顯示器件制備

段 瑜1,2，張筱丹1,2，孫 浩1，朱亞安1,2，王光華1,2，宋立媛1,2，于曉輝1,2，萬銳敏1,2，季華夏1，李亞文1,2

（1. 云南北方奧雷德光電科技股份有限公司，云南 昆明 650223；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

通過采用高效磷光體系材料和頂發(fā)射有機發(fā)光結(jié)構(gòu)，配合自有的SVGA060全數(shù)字信號電路系統(tǒng)架構(gòu)CMOS硅基驅(qū)動電路，獲得了發(fā)光峰位于535nm的高亮度單色綠光、0.6英寸、800×600分辨率OLED微顯示器件，最大亮度可達20000cd/m2。其起亮電壓為2.6V，亮度從20cd/m2到20000cd/m2的驅(qū)動電壓擺幅為2.7V，最大電流效率為24.43cd/A。電流密度為20mA/cm2時，色坐標(biāo)CIEX＝0.286、CIEY＝0.665。該器件在1000cd/m2和500cd/m2亮度下的半衰期為42559h和186208h。

高亮度綠光；OLED；微顯示器件

0 引言

近年來，有機電致發(fā)光顯示器（OLED）由于具有視角寬、響應(yīng)速度快、輕薄以及較容易實現(xiàn)全彩色平板顯示等優(yōu)點[1-2]，受到了極大了的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的底發(fā)射OLED以TFT作為驅(qū)動電路時，存在開口率的問題，特別是針對微顯示一類像素極小的顯示器件，這一問題就更顯得突出。OLED微型顯示器作為硅基頂發(fā)射有機發(fā)光器件[3-4]，光從頂端的透明或半透明的電極出射，所有驅(qū)動電路可置于硅基襯底上，有利于實現(xiàn)發(fā)光器件與成熟硅基電路的集成，同時還避免了傳統(tǒng)底發(fā)射器件驅(qū)動電路和顯示發(fā)光面積相互競爭的問題，提高了顯示器件的開口率。

OLED顯示器中所用的材料分為熒光材料和磷光材料。根據(jù)自旋統(tǒng)計估算，在電激發(fā)的條件下，空穴和電子結(jié)合而成的單線態(tài)和三線態(tài)激子的幾率分別為25%和75%。對熒光材料而言，它只能通過單線態(tài)-單線態(tài)能量轉(zhuǎn)移的方式來形成單線態(tài)激子，因而熒光材料制備的OLED顯示器的最大內(nèi)量子效率為25%。而對于磷光材料而言，它既能通過三線態(tài)-三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移的方式來形成三線態(tài)激子，又能通過單線態(tài)-單線態(tài)能量轉(zhuǎn)移的方式然后經(jīng)單線態(tài)-三線態(tài)的系間竄越來形成單線態(tài)激子，因而由磷光材料組成的器件的最大內(nèi)量子效率可達100%。很多文獻報道[5-11]采用了磷光材料獲得了高性能的OLED器件，特別是單色綠光OLED器件。但是這些報道都是基于底發(fā)射的OLED顯示結(jié)構(gòu)。本文利用磷光材料形成單層發(fā)光層，蒸鍍在云南北方奧雷德公司開發(fā)的SVGA060硅基板上，從而制備出高亮度頂發(fā)射單色綠光OLED微顯示器件。

1 設(shè)計思路

圖1為OLED微型顯示器結(jié)構(gòu)示意圖，從圖上可以看出，OLED微型顯示器由PCB背板、硅基驅(qū)動電路、金屬陽極、OLED有機發(fā)光薄膜層、透明陰極、彩色過濾層和玻璃蓋片構(gòu)成。其中彩色過濾層僅限于制備彩色OLED微型顯示器使用。

圖1 OLED微型顯示器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 硅基CMOS驅(qū)動電路

云南北方奧雷德公司所開發(fā)的SVGA060硅基板，采用全數(shù)字系統(tǒng)架構(gòu)的CMOS驅(qū)動電路設(shè)計，顯示尺寸為0.6in，分辨率為800×600。其每個像素點由R、G、B三個亞像素點構(gòu)成，按垂直列條狀排列（如圖2所示）。在本文單色綠光器件中，3個亞像素點均發(fā)綠光。每個像素的尺寸、發(fā)光面積與顯示面積的占空比、顯示區(qū)域尺寸如表1所示。

圖2 像素排列圖

表1 像素尺寸相關(guān)信息列表

圖3 驅(qū)動電路芯片功能結(jié)構(gòu)圖

SVGA060硅基板驅(qū)動驅(qū)動電路功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由數(shù)字視頻信號接口及解碼、數(shù)字伽瑪矯正，RGB增益控制、灰度映射、D/A轉(zhuǎn)換、行列掃描、像素驅(qū)動陣列、串行通信、邏輯控制、溫度傳感器、DC/DC轉(zhuǎn)換等功能模塊組成。

數(shù)字視頻信號接口具有3個8位數(shù)據(jù)通道，可接受8/16/24位的RGB、YCbCr或Mono視頻信號，兼容ITU-R BT.601/656標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部解碼器根據(jù)不同的視頻輸入格式解碼輸出24位RGB信號，伽瑪矯正電路對24位RGB信號進行查表矯正后，可擴展至3×9位RGB信號輸出。

兩線串行接口兼容I2C通信標(biāo)準(zhǔn)，用于實現(xiàn)內(nèi)部寄存器的讀寫操作，并通過邏輯控制單元實現(xiàn)數(shù)字視頻信號的解碼和處理、伽瑪矯正、DC-DC陰極負電壓等功能電路的可編程控制和協(xié)調(diào)工作，以及雙目3D效果的實現(xiàn)。

內(nèi)部溫度傳感器電路實時監(jiān)測芯片內(nèi)部的工作溫度，外部控制單元通過兩線串行接口讀取該溫度值后，可根據(jù)顯示器的亮度－溫度特性，按需要及時調(diào)整DC-DC陰極負電壓，從而實現(xiàn)顯示器亮度的溫度補償功能。

1.2 磷光有機發(fā)光結(jié)構(gòu)

磷光有機發(fā)光結(jié)構(gòu)如圖4所示，由陽極、空穴注入層、空穴傳輸層、綠色磷光發(fā)光層、電子傳輸層、電子注入層和透明陰極構(gòu)成。有機發(fā)光結(jié)構(gòu)中所采用的材料都為玻璃化溫度較高的材料，保證整個有機發(fā)光結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖4 磷光有機發(fā)光結(jié)構(gòu)及材料結(jié)構(gòu)圖

2 實驗

本實驗采用云南北方奧雷德公司開發(fā)的SVGA060硅基背板，在硅片上蒸鍍磷光有機發(fā)光結(jié)構(gòu)，其中空穴注入層的厚度為300～400?，空穴傳輸層的厚度為100～200?，發(fā)光層厚度為250～350?，摻雜率為15%到20%，電子傳輸層厚度為250～350?，電子注入層厚度為100～150?，蒸發(fā)速度保持為1?/s，蒸鍍腔室真空度保持在2×10－4Pa。器件的亮度及光譜由PR-655光度計測量，電流和電壓通過Keithley 2400測試儀所組成的測試系統(tǒng)測量。

3 結(jié)果和討論

圖5為器件的電流密度-電壓-亮度特性曲線。起亮電壓為2.6V；電流密度為20mA/cm2時，電壓為4.1V，亮度為4700cd/m2；電流密度為44mA/cm2時，電壓為4.65V，亮度為10000cd/m2；器件最大亮度可達20000cd/m2。

更為重要的是，對于OLED微型顯示器而言，由于其驅(qū)動電壓的工作范圍十分有限，要求在較小的電壓變化范圍內(nèi)，器件亮度能有大幅的提升。從圖5中可以看到器件亮度從20cd/m2到20000cd/m2的電壓變化幅度僅為2.7V，能有效滿足OLED微型顯示器驅(qū)動電壓的要求。

圖5 電流密度-電壓-亮度特性曲線

圖6為器件電流效率和功率效率隨亮度變化的曲線。在亮度值為1500cd/m2下，電流效率達到最大值，為24.43cd/A，相對應(yīng)的功率效率為21.73lm/W。隨著亮度的增大，電流效率和功率效率都有了不同程度的降低。

圖6 器件的電流效率和功率效率隨亮度變化曲線

圖7為器件色坐標(biāo)隨電流密度的變化曲線，可以看出，電流密度為20mA/cm2時，CIEX為0.286，CIEY為0.665，并且隨著電流密度的增加，器件的CIEX和CIEY變化較為穩(wěn)定，這對于高亮顯示應(yīng)用是十分重要的。

圖8為器件在20mA/cm2的電流密度下的EL 光譜，可以看出在535nm處有一寬帶發(fā)光峰，該發(fā)射峰基本接近人眼最敏感的555nm波長的綠光。

圖7 器件色坐標(biāo)隨電流密度變化曲線

圖8 器件的EL光譜

圖9為恒流驅(qū)動下器件在3200cd/m2、6000cd/m2和12000cd/m2起始亮度下持續(xù)點亮情況下的亮度和時間的歸一化曲線?？梢钥吹綄⒘炼群蜁r間歸一化后，3條曲線的重合性較好，說明該器件的工藝較為穩(wěn)定。

根據(jù)器件在3200cd/m2、6000cd/m2和12000cd/m2起始亮度下的亮度衰減情況，采用公式(1)進行擬合計算[12-13]，公式如下：

0×1/2＝Constan(1)

公式(1)說明了器件的初始亮度與該初始亮度下的半衰期之間的關(guān)系。其中0為器件的初始亮度，1/2為對應(yīng)起始亮度衰減到一半的時間，也即為器件的半衰期，為加速系數(shù)。根據(jù)公式(1)從而推算出在特定使用亮度下的半衰期如表2所示。

圖9 恒流驅(qū)動下器件在3200cd/m2、6000cd/m2和12000cd/m2起始亮度下的亮度和時間歸一化曲線

表2 推算出的器件半衰期

4 總結(jié)

通過采用磷光體系材料和高效頂發(fā)射有機發(fā)光結(jié)構(gòu)，配合SVGA060全數(shù)字信號電路系統(tǒng)架構(gòu)的CMOS硅基驅(qū)動電路，獲得了發(fā)光峰位于535nm的高亮度單色綠光、0.6in、800×600分辨率OLED微顯示器件，最大亮度可達20000cd/m2。其起亮電壓為2.6V，亮度從20cd/m2到20000cd/m2的驅(qū)動電壓擺幅為2.7 V，最大電流效率為24.43 cd/A。電流密度為20mA/cm2時，色坐標(biāo)CIEX＝0.286、CIEY＝0.665。該器件在1000cd/m2和500cd/m2使用亮度下的半衰期壽命為42559h和186208h。

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Fabrication of High Brightness Top-emitting Green OLED Micro-display

DUAN Yu1,2，ZHANG Xiao-dan1,2，SUN Hao1，ZHU Ya-an1,2，WANG Guang-hua1,2，SONG Li-yuan1,2，YU Xiao-hui1,2，WAN Rui-min1,2，JI Hua-xia1，LI Ya-wen1,2

(1.,,650223,;2.,650223,)

A high brightness, 0.6inch, 800×600, mono green OLED micro-display, which based on phosphorescent materials, high efficient top-emitting structure and SVGA060 si-base CMOS backplane with full digital system driver circuit have been fabricated. The voltage of device start working is only 2.6V, and the voltage swing as low as 2.7V from 20cd/m2to 20000cd/m2. When current density is 20mA/cm2, the green emission with peak at 535nm and CIE coordinates＝0.286,＝0.665. The maximun current efficiency is 24.43cd/A. The optimized devices have a half-life of 42559 h@1000cd∕m2and 186208 h@500cd∕m2.

high brightness green emitting，OLED，micro-display

O482.3

A

1001-8891(2015)12-1022-05

2015-07-04；

2015-12-09.

段瑜（1981-），女，高級工程師，主要從事OLED器件開發(fā)。

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究重點項目，編號：2012FA004；昆明市產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展重點項目，編號：2014-01-A-G-02-2006。