白光OLED顯示器件研究進(jìn)展

孫寧寧 王建霞

摘 要：白光OLED顯示器件具有高對(duì)比度、超廣視角和大面積柔性顯示等優(yōu)點(diǎn)，在大尺寸超高清顯示領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。目前，白光OLED顯示器件主要采用RGB三色子像素或RGBW四色子像素及彩色濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)全彩化顯示。本文首先介紹了實(shí)現(xiàn)OLED全彩化的顯示方法，然后介紹了白光OLED顯示器件的主流結(jié)構(gòu)，最后介紹了提高白光OLED顯示性能的主要途徑。

關(guān)鍵詞：白光OLED；彩色濾光片；RGB；RGBW；像素排列

中圖分類號(hào)：TN383.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）07-0063-04

Development of White OLED Display Devices

SUN Ningning WANG Jianxia

（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office， SIPO，Zhengzhou Henan 450008）

Abstract： White OLED display devices have advantages of high contrast， wide viewing angle and large-size flexible display， which are promising for application in large-scale ultra-high-definition displays. At present， white OLED display devices with RGB or RGBW color filters are employed because of high efficiency. In this paper， methods for achieving full-color display were introduced， and then main structures of white OLEDs were summarized. Finally， approaches to improve display performance of white OLEDs were discussed.

Keywords： white OLED；color filters； RGB；RGBW；pixel arrangement

近年來(lái)，有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示成為各顯示器廠極力推廣的新興平板顯示技術(shù)，被稱為第三代夢(mèng)幻顯示技術(shù)。OLED基本結(jié)構(gòu)包括陽(yáng)極、陰極及兩電極之間的有機(jī)發(fā)光層，在外加電場(chǎng)作用下，電子、空穴分別從陰極、陽(yáng)極注入到有機(jī)發(fā)光層，并在其中復(fù)合產(chǎn)生激子，激子將能量傳遞給發(fā)光材料，并激發(fā)電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)能量通過(guò)輻射產(chǎn)生光子，釋放光能[1]。相對(duì)于其他類型的平板顯示器，OLED顯示器具有全固態(tài)、自發(fā)光、高清晰度、廣視角、面板超薄和大面積柔性顯示等優(yōu)點(diǎn)，被業(yè)界公認(rèn)為最具有發(fā)展?jié)摿Φ娘@示裝置。

1 OLED全彩化顯示方法

OLED實(shí)現(xiàn)全彩化的顯示方法主要包括RGB三基色并置法、顏色轉(zhuǎn)換法和彩色濾光片法[2]三種。

RGB三基色并置法采用高精度金屬掩模板技術(shù)，即在蒸鍍RGB中一種有機(jī)發(fā)光材料時(shí)，利用掩模板遮擋區(qū)域的屏蔽作用將另外兩個(gè)對(duì)應(yīng)的子像素遮蔽，然后利用高精度對(duì)位系統(tǒng)移動(dòng)掩模板或襯底基板來(lái)依次蒸鍍另外兩種有機(jī)發(fā)光材料而實(shí)現(xiàn)圖案化，可以制作具有高發(fā)光率和高對(duì)比度的顯示器件。但是，當(dāng)制備大尺寸高分辨率的顯示屏且屏幕解析度在300ppi以上時(shí)，這種方法要求蒸鍍所用掩模板的開(kāi)口及連接橋均非常細(xì)小，致使大面積、高精度的掩模板的加工難度非常大，同時(shí)掩模板的對(duì)位精度、掩模板陰影、掩模板變形等因素也會(huì)嚴(yán)重影響有機(jī)發(fā)光材料蒸鍍形成精細(xì)的彩色化像素圖案，進(jìn)而導(dǎo)致低產(chǎn)能、高成本，而且難以實(shí)現(xiàn)大面積的均勻制備。

顏色轉(zhuǎn)換法采用單色有機(jī)發(fā)光層加顏色轉(zhuǎn)換層，通過(guò)單色光激發(fā)紅綠藍(lán)顏色轉(zhuǎn)換材料使其發(fā)光而得到紅綠藍(lán)三基色，是光致發(fā)光與電致發(fā)光相結(jié)合的過(guò)程。這種方法光損耗小，光利用率高，但存在藍(lán)色等單色發(fā)光層轉(zhuǎn)換效率較低及壽命短的問(wèn)題。

彩色濾光片法是通過(guò)彩色濾光片（CF）將白光轉(zhuǎn)換為彩色OLED所需要的紅綠藍(lán)三基色，由于可利用液晶顯示（LCD）成熟的彩色濾光技術(shù)，不需要掩模對(duì)位，極大簡(jiǎn)化了蒸鍍過(guò)程，因而能降低生產(chǎn)成本，可用于制備大尺寸高分辨率的OLED顯示器件。但是，由于濾光片吸收了大部分的光能，使顯示屏的發(fā)光效率較低且能耗特別高，因此使用RGB+CF結(jié)構(gòu)的白光OLED的工作效率比使用獨(dú)立RGB三基色結(jié)構(gòu)的OLED工作效率低[3]。

為了提高RGB+CF技術(shù)的發(fā)光效率并顯示白色成分較多的影像，研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)加入獨(dú)立于RGB三基色的白色子像素而構(gòu)成的RGBW四色子像素[4]，可以以特定算法用白色子像素部分替代灰階值最小的子像素，這樣可以顯著提高彩色顯示屏的亮度、發(fā)光效率與壽命，降低各像素的電流，同時(shí)降低大尺寸顯示面板的功耗。基于RGBW+CF技術(shù)，無(wú)需單獨(dú)形成RGB三色發(fā)光層，在薄膜晶體管陣列上形成彩色濾光片后，利用蒸鍍技術(shù)形成白色OLED元件，適用于生產(chǎn)大尺寸面板，可利用LCD生產(chǎn)線生產(chǎn)，有利于降低生產(chǎn)成本。因此，基于RGBW的白光OLED顯示技術(shù)成為低成本、大尺寸曲面顯示器的發(fā)展趨勢(shì)。

2 實(shí)現(xiàn)白光OLED顯示的器件結(jié)構(gòu)

2.1 白色發(fā)光單元結(jié)構(gòu)

白光OLED的發(fā)光單元結(jié)構(gòu)主要包括單發(fā)光層結(jié)構(gòu)、多發(fā)光層結(jié)構(gòu)和串聯(lián)疊層結(jié)構(gòu)等[5]。

2.1.1 單發(fā)光層結(jié)構(gòu)。在一個(gè)發(fā)光層里實(shí)現(xiàn)白光主要有三種途徑：一是把三種發(fā)光材料（如紅+綠+藍(lán)）摻到同一種主體材料中；二是把兩種顏色互補(bǔ)的發(fā)光材料（如藍(lán)+黃）摻到同一種主體材料中；三是合成能夠直接發(fā)出白光的單個(gè)有機(jī)分子，將該分子混合到主體材料中。總的來(lái)說(shuō)，利用單發(fā)光層實(shí)現(xiàn)白光的工藝簡(jiǎn)單，成本較低，但效率偏低。

2.1.2 多發(fā)光層結(jié)構(gòu)。多發(fā)光層結(jié)構(gòu)的OLED器件中各發(fā)光區(qū)域直接接觸或通過(guò)中間層相互分開(kāi)，通過(guò)利用不同顏色發(fā)光層之間的互補(bǔ)作用來(lái)產(chǎn)生白光。這種結(jié)構(gòu)主要通過(guò)利用互補(bǔ)色層來(lái)產(chǎn)生白光，還可以通過(guò)紅、綠、藍(lán)三層發(fā)光層實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射。目前，利用多發(fā)光層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)白光的研究最多，通過(guò)有效控制各發(fā)光層材料可獲得理想的白光。但是，各發(fā)光層會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電壓的不同而具有不同的發(fā)光效率，并各發(fā)光層的工作壽命也不同，這些可引起色坐標(biāo)與穩(wěn)定性的改變。

2.1.3 串聯(lián)疊層結(jié)構(gòu)。串聯(lián)疊層結(jié)構(gòu)，是將多個(gè)傳統(tǒng)的OLED器件通過(guò)連接層互相串聯(lián)疊加而形成的一種高效率OLED器件結(jié)構(gòu)。各發(fā)光單元之間用電荷產(chǎn)生層連接，各發(fā)光單元互不影響，其中多個(gè)發(fā)光單元主要利用互補(bǔ)色發(fā)光單元來(lái)產(chǎn)生白光或者通過(guò)紅、綠、藍(lán)三個(gè)發(fā)光單元實(shí)現(xiàn)白光發(fā)射。串聯(lián)疊層結(jié)構(gòu)OLED器件可以顯著提高器件性能，一般認(rèn)為，N個(gè)結(jié)構(gòu)單元的OLED的亮度可以達(dá)到單個(gè)OLED的N倍。疊層結(jié)構(gòu)電流密度較小，可以解決由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生的器件壽命降低的問(wèn)題，但器件啟動(dòng)及驅(qū)動(dòng)電壓也隨疊加層數(shù)的增加而升高[6]。

由于藍(lán)色有機(jī)發(fā)光層的使用壽命要短于紅、綠色有機(jī)發(fā)光層，因此，可以在垂直堆疊的三個(gè)發(fā)光單元中形成兩個(gè)藍(lán)色發(fā)光單元（如紅綠光/藍(lán)光/藍(lán)光），以有效提高發(fā)光效率，并提高器件使用壽命。

2.2 微腔共振結(jié)構(gòu)

微腔共振結(jié)構(gòu)是指在一反射層和一半反半透層間形成的厚度為微米量級(jí)的結(jié)構(gòu)，其主要原理為：光線在反射層和半反半透層間不斷反射，由于諧振作用，故最終從半反半透層射出的光線中特定波長(zhǎng)的光會(huì)得到加強(qiáng)，而該得到加強(qiáng)的波長(zhǎng)與微腔厚度有關(guān)[7]。

微腔共振結(jié)構(gòu)OLED器件主要包括兩種類型。①DBR+光學(xué)填充。這種結(jié)構(gòu)利用金屬電極作為上鏡面，利用介質(zhì)層堆積的分布布拉格反射器（DBR，如SiOx/SiNx）作為下鏡面，在上下鏡面之間引入ITO、SiNx等無(wú)機(jī)材料作為光學(xué)填充層，通過(guò)調(diào)節(jié)光學(xué)填充層的厚度來(lái)得到不同光學(xué)長(zhǎng)度的微腔，分別可以發(fā)出發(fā)光光譜窄化、亮度提高的紅、綠和藍(lán)光。此外，還可以在反射層和半反半透層間形成一層光學(xué)諧振層（如空穴注入/傳輸層、無(wú)機(jī)介質(zhì)層），通過(guò)調(diào)節(jié)光學(xué)諧振層的厚度來(lái)控制各像素的光學(xué)長(zhǎng)度。②DBR+傾斜發(fā)射。這種結(jié)構(gòu)可以利用傾斜發(fā)射的角度來(lái)控制光學(xué)長(zhǎng)度。首先，將平坦化層或保護(hù)涂層遠(yuǎn)離基板的上表面光刻成具有凹凸結(jié)構(gòu)的波浪形起伏狀，然后在上面依次生長(zhǎng)DBR層、陽(yáng)極層、OLED層和陰極層，這些層也形成了相應(yīng)的波浪形起伏狀。由于波浪形起伏狀造成的傾斜發(fā)射，加之通過(guò)精確設(shè)計(jì)斜坡的角度，可以使紅、綠、藍(lán)光同時(shí)滿足諧振條件，從而使紅、綠、藍(lán)光分別得到加強(qiáng)。

2.3 顏色轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

顏色轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)OLED具有顏色轉(zhuǎn)換層，其原理為：顏色轉(zhuǎn)換層高效吸收更高能量的光子（例如藍(lán)光或黃光）和重新發(fā)射更低能量的光子（例如綠光或紅光），即顏色轉(zhuǎn)換層可吸收由OLED發(fā)射的較短波長(zhǎng)的光線，并且重新發(fā)射較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光線[8]。因此，可以利用顏色轉(zhuǎn)換層使穿過(guò)來(lái)自白色OLED子像素的較短波長(zhǎng)的光線轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)各子像素的顏色較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光線，據(jù)此，被紅色和綠色子像素的濾光片阻斷的白光可以被吸收，并且在對(duì)應(yīng)濾光片的波長(zhǎng)處重新發(fā)射紅色和綠色光，從而增強(qiáng)器件的功率效率。白光的顏色轉(zhuǎn)換可以增強(qiáng)濾光片透射光譜和進(jìn)入對(duì)應(yīng)子像素的光線發(fā)射的波長(zhǎng)。通過(guò)增強(qiáng)由各子像素發(fā)射的光線，同時(shí)降低被濾光片阻斷（例如反射或吸收）的光線，從而改善顯示器件的功率效率。

3 提高白光OLED顯示性能的途徑

從發(fā)光和顯示機(jī)理出發(fā)，白光OLED的顯示性能主要由發(fā)光單元的發(fā)光效率、顯示像素的排列方式和光提取效率等因素決定，綜合考慮各種因素才能得到最佳的白光OLED顯示性能。

3.1 改進(jìn)白光顯示器件結(jié)構(gòu)

通過(guò)調(diào)整白光顯示器件中發(fā)光單元、彩色濾光、微腔共振及顏色轉(zhuǎn)換等結(jié)構(gòu)或者混合使用其中幾種結(jié)構(gòu)是提高發(fā)光單元發(fā)光效率的重要途徑。

白光OLED可以混合使用彩色濾光膜和微腔共振結(jié)構(gòu)，當(dāng)彩色濾光膜設(shè)置在反射層和半反半透層的微腔之間時(shí)，可以通過(guò)控制彩色濾光膜厚度來(lái)調(diào)節(jié)微腔長(zhǎng)度。由于不同顏色的像素單元的彩色濾光膜本就要在不同步驟中形成，因此，其厚度較易被分別控制。基于此，可以簡(jiǎn)化制備工藝，降低成本。同時(shí)，還可以在反射層或彩色濾光膜上設(shè)置凹凸結(jié)構(gòu)或波浪結(jié)構(gòu)，使光線在微腔中發(fā)生漫反射，從而使最終射出的光線量增加，發(fā)光效率提高。

白光OLED還可以混合使用彩色濾光膜和單色發(fā)光層，通過(guò)使用白光和紅、綠濾光膜形成紅、綠子像素，并且使用藍(lán)色發(fā)光層形成藍(lán)色子像素。第一有機(jī)發(fā)光層形成在RGW子像素區(qū)上，而第二有機(jī)發(fā)光層形成在RGBW四個(gè)子像素區(qū)上。由此，RGW三個(gè)子像素區(qū)中發(fā)射白光，而B子像素區(qū)中發(fā)射藍(lán)光。紅、綠濾光片與第一區(qū)域內(nèi)的紅、綠子像素區(qū)相對(duì)設(shè)置。當(dāng)從第二有機(jī)發(fā)光層發(fā)射的藍(lán)光穿過(guò)濾光片部件時(shí)，藍(lán)光的大部分可以穿過(guò)濾光片而不被濾光片部件吸收，可以提高藍(lán)光的亮度。

另外，白光OLED還可以混合使用彩色濾光膜和顏色轉(zhuǎn)換層。例如，在白光器件的光出射側(cè)分別設(shè)置藍(lán)色濾光膜、綠光色轉(zhuǎn)換層和紅光色轉(zhuǎn)換層來(lái)得到藍(lán)、綠、紅色光，這樣在紅光部分充分轉(zhuǎn)化利用了原有的綠光及藍(lán)光能量，且原有的紅光也可以透過(guò)，紅光部分的效率會(huì)更高。另外，還可以在綠光色轉(zhuǎn)換層與發(fā)光器件相異的一側(cè)設(shè)置綠色濾光膜，背光源發(fā)出的白光由綠光色轉(zhuǎn)換層進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到綠色光及紅色混合光，再經(jīng)過(guò)綠色濾光膜過(guò)濾得到純正的綠色，這一過(guò)程充分利用了綠光部分的能量。

3.2 改進(jìn)像素排列結(jié)構(gòu)

在白光OLED顯示領(lǐng)域，RGBW子像素的排列方式?jīng)Q定顯示的亮度和清晰度，其排列方式主要包括：條形、田字形、多像素矩陣混合、條形與矩陣混合等[9]。

3.2.1 條形像素排列。該方式是采用并置像素排列的方式。由于白色子像素亮度約占全像素總亮度的36.1%，而藍(lán)色子像素僅占6.45%，因此需要調(diào)整各子像素的面積以補(bǔ)償發(fā)光效率低的像素。同時(shí)，由于自然圖像大部分是由白光構(gòu)成，為了提高有機(jī)發(fā)光顯示屏的工作效率并充分利用白色子像素，全彩像素中W子像素所占像素面積被設(shè)置為最大，RGB子像素所占像素面積可根據(jù)使用頻率及各有機(jī)發(fā)光器件效率而進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2 田字形像素排列。該方式是以兩行兩列配置構(gòu)成2×2的結(jié)構(gòu)。對(duì)于田字形的RGBW子像素的排列方式，通過(guò)改變構(gòu)成一像素的四個(gè)子像素的交點(diǎn)的位置，可以調(diào)整構(gòu)成一像素的RGBW四個(gè)子像素的面積比，因而，考慮到白色光發(fā)光強(qiáng)度的分布與彩色濾光片的透過(guò)波長(zhǎng)依賴性等，將不同顏色的子像素的發(fā)光區(qū)域面積比配置成最適當(dāng)?shù)模商岣唛_(kāi)口率，并可有效進(jìn)行電路配置的設(shè)計(jì)。

3.2.3 多像素矩陣混合的像素排列方式。例如，每個(gè)像素組由3×3子像素陣列構(gòu)成，包括左右兩個(gè)像素單元，每個(gè)像素單元包括1R、1G、2B和1W，白色子像素位于陣列中心，兩個(gè)像素單元共用同一個(gè)白色子像素。原本兩個(gè)像素單元中相互獨(dú)立的白色子像素合并成了一個(gè)，繼而使得數(shù)據(jù)芯片對(duì)白色子像素的數(shù)據(jù)量減小了一半，用于寫入灰階電壓的數(shù)據(jù)線輸出根數(shù)也減小了一半。同時(shí)，位于同一行的像素組中的子像素共用同一條柵線，位于同一列像素組中的同色子像素共用同一條數(shù)據(jù)線，大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)。此外，藍(lán)色部分的總面積擴(kuò)大一倍，使所需的電流均降為原來(lái)的一半，因此藍(lán)色子像素的使用壽命大大增加。

3.2.4 條形與矩陣混合的像素排列方式。例如，W、B子像素均呈條形并沿列方向平行設(shè)置，R、G子像素沿列方向依次并列設(shè)置，兩者在列方向上的長(zhǎng)度之和小于W或B子像素在列方向上的長(zhǎng)度。由于相鄰的RG子像素共用W或B子像素，即RG子像素共用單色子像素少甚至沒(méi)有共用子像素，畫質(zhì)清晰、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，避免了由于大量共用不同顏色的子像素導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)算法復(fù)雜的問(wèn)題，進(jìn)而避免了由此產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)芯片成本上升的缺陷，使得使用壽命變長(zhǎng)。同時(shí)，僅部分相鄰的RG子像素共用W子像素和B子像素，像素開(kāi)口面積大，分辨率高。

3.3 提高光提取效率

OLED器件發(fā)出的光在電極/玻璃以及玻璃/空氣等不同材料界面會(huì)發(fā)生全反射，從而使大部分光陷在有機(jī)薄膜結(jié)構(gòu)和玻璃基板中，導(dǎo)致外部量子效率大幅度降低，因此，增強(qiáng)器件的光提取效率對(duì)提高白光OLED顯示器件的發(fā)光效率極為重要。目前，能有效提高白光OLED光提取效率的途徑主要有三種：一是在ITO與玻璃之間加入光提取結(jié)構(gòu)，包括折射率匹配層和散射層等；二是在玻璃基板表面或其他出光界面引入外部光提取結(jié)構(gòu)，如凹凸結(jié)構(gòu)、微透鏡陣列、散射膜層等；三是在有機(jī)膜層中摻雜散射顆粒來(lái)增加有機(jī)層內(nèi)部的散射。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的不斷研發(fā)，研究人員通過(guò)不斷改進(jìn)白色顯示器件的有機(jī)發(fā)光材料、發(fā)光結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等大大提高了器件的發(fā)光效率、顯示亮度及工作壽命，但出光效率、顯示質(zhì)量、功耗和制造成本仍然是限制白光OLED顯示技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的重要制約因素。盡管目前還有諸多問(wèn)題需要解決，但高分辨率、高壽命、低成本的大尺寸柔性白光OLED的顯示產(chǎn)品會(huì)在未來(lái)產(chǎn)業(yè)化道路上飛速發(fā)展，給人類帶來(lái)更加美好的視覺(jué)享受。

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