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有机发光材料显示器 _百度百科
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看过露天电影么挂块大幕布支好放映机事后银幕一卷就可以走人了如今托有机发光二极管的福家里的彩电和计算机的显示屏也要鸟枪换炮变软变薄了不仅能折叠可卷曲甚至还能戴在手腕上穿在身上 相形之下虽然现在的彩电和计算机显示器正在变得越来越轻越来越薄傻大笨粗已经成为过时的代名词但如果与当年的电影屏幕相比还是显得十分笨重先别设想能不能用轻薄如纸来形容它们单单是想把显示器折叠起来就几乎是天方夜谭了然而随着有机发光材料技术的发展这种设想马上就要变为现实了
用有机发光材料制造的显示器不仅可以变得很薄给人们的生活带来方便且与当今时尚的液晶显示器LCD相比它还具有亮度高节能制造成本低等诸多优点仅从发光机理上说由于液晶自身不能发光因此需要利用背光而有机发光二极管OLED自身可以发光OLED显示器注定要比液晶显示器节省能源
此外就是与发光二极管LED相比OLED也有很多优势有机发光材料不需要制备成晶体因此其生产和制造过程相对简单和容易它们可以制成极薄的单层由于不同有机发光材料可以产生不同的颜色只要把它们组合到基板上就可以获得完美画质同时由于它们对基板的要求不高诸如便宜的玻璃柔软的塑料以及金属片等均可作为它的基板
也许在不久的将来大型彩电电脑显示器都可以卷起来塞在房间的某个角落当塑料军用地图打开后已不再是简单的线条不再是静态的图纸一张而是活生生的战场实况而士兵用的电脑迷彩服能像变色龙一样随着藏身处所的不同配置与周围环境相同的图案甚至把电脑戴在手腕上或缝在衣服上也不会令人生出奇怪的感觉
OLED还可以应用于照明领域譬如古典的建筑物既有飞檐又有圆柱倘若照明设施能做到取势造型依形布局对于保持古建筑的风格尤为重要家庭居所的灯光可以发自天花板或墙上的壁纸既节省了空间又能美化居室环境可谓两全其美
虽然OLED要在照明市场上击败LED尚需假以时日但它在显示器方面的巨大潜力已经引发了全球近100多家公司和企业的投资热潮目前OLED主要应用在低能耗小型电子产品中继柯达和三洋公司2002年联手将其应用于数码相机和手机显示屏之后近年又推出了15英寸电脑显示器原型机2003年全球有机材料显示市场为2.19亿美元预计2009年将高达31亿美元要追溯OLED的研发历程恐怕还要从半导体说起
1947年人类首先开发出晶体管1962年哈隆亚克发明了LED在商业上它们最初应用在计算器和手表上早期计算机的小红灯就是由它们制成后来很快应用到交通信号灯LED可以产生激光光纤通信就是激光和光导纤维相结合的产物现在极为普遍的CD和DVD都与它密切相关自从1990年开发出蓝光LED之后摩天大楼以及广场上开始出现蔚为壮观的大屏幕彩色电视墙它们是由数十万个LED芯片所组成的不过要想将LED应用到掌上电脑或笔记本计算机上却并不实际
LED与OLED都是由半导体制成半导体的导电性能介于导体与绝缘体之间半导体材料的束缚电子与自由电子之间的能隙很小在给定电压下电子获得足够能量后就会发生能级跃迁并开始导电半导体中若人为地掺入少量杂质可形成掺杂半导体杂质对半导体导电性能影响很大在技术上通常通过控制杂质含量即掺杂来控制半导体导电特性经过掺杂处理之后半导体更容易导电如果掺入的原子的外层电子数比原半导体材料的外层电子数少则如同拿掉了电子因此留下了带正电的空穴称之为P型半导体如四价原子硅晶体中掺入三价硼原子容易获取电子的原子称为受主P型半导体由受主控制材料导电性反过来如果掺杂之后有多余的电子称之为N型半导体在四价原子硅晶体中掺入五价原子例如磷或砷就可形成N型半导体易释放电子的原子称为施主N型半导体由施主控制材料导电性将电子添加到P型材料则电子在遇到空穴后就可能掉到较低的能带上放出能量与能隙相同的光子其波长取决于发光材料的能隙大小
要产生可见光有机材料的低能带与高能导带之间的能隙大小必须落在狭窄的范围内大约2至3电子伏特所谓电子伏特是指一个电子被一伏特的电位差加速后所得到的动能能量为1电子伏特光子的波长为1240纳米相当于红外线的波长能量为2电子伏特光子的波长为620纳米其颜色偏红有机半导体由分子聚集而成现有技术所使用的是非晶态物质为固体材料属无规律排列的非结晶状态有机发光材料有两大类以分子的大小来区分小分子的称之为低分子OLED,大分子的称为高分子OLED提到OLED技术的研究就不得不提邓青云博士他出生在香港毕业于台湾大学化学系1975年加入柯达公司罗切斯特实验室从事研究工作科学新发现大都是从一些出人意外的小事件开始OLED的发现也不例外1979年的一天晚上邓青云博士在回家的路上忽然想起自己把东西忘在了实验室里等他回到实验室后竟发现一块做实验用的有机蓄电池在黑暗中闪闪发光这个意外惊喜为OLED的诞生拉开了序幕邓青云与同事范斯莱克认识到如果能发现P型有机分子和N型有机分子在两者的接触面就会产生类似晶体LED一样的发光现象另外他们还需要一种能够束缚电子的材料易于载流子注入而光线传播还需要接触面具有透明性能幸运的是广泛使用的氧化铟锡恰恰是透明导电材料非常适合做P型接触材料
OLED的典型结构非常简单玻璃基板或塑料基衬上首先有一层透明的氧化铟锡阳极上面覆盖着增加稳定性的钝化层再向上就是P型和N型有机半导体材料最顶层是镁银合金阴极这些涂层都是热蒸镀到玻璃基板上的厚度非常薄只有100到150纳米小于一根头发丝的1%而传统LED的厚度至少需要数微米在电极两端加上2V到10V的电压PN结就可以发出相当明亮的光这种基本结构多年来一直没有太大的变化人们称之为柯达型由于组成材料的分子量很小甚至小于最小的蛋白质分子所以柯达型的OLED又被称为低分子OLED
为了增加发光效率邓青云和范斯莱克又进一步修改了设计他们在发光材料三铝8-羟基喹啉中加入了少量荧光染料香豆素把空穴与电子结合所释放的能量转移给了染料而电极附近的氧化铟锡薄层以及其他化合物改变了厚层间的交互作用和电子与空穴复合几率这增加了荧光OLED的整体功效
低分子OLED目前可以产生红光绿光和蓝光其中绿光的发光效率最高绿光OLED的发光效率为每安培10到15堪德拉和每瓦7到10流明和现在市场销售的LED灯及白炽灯相差无几一个有趣的题外话是在普通百姓中存在一个错误概念以瓦数来判断灯的亮度其实瓦数并不表示灯的亮度它是用来衡量单位时间所用能量多少的单位亮度是用流明来定义的而堪德拉是光输出的另一个常用单位第二种有机发光材料为高分子聚合物也称为高分子发光二极管(PLED)由英国剑桥大学的杰里米伯勒德及其同事首先发现聚合物大多由小的有机分子以链状方式结合在一起以旋涂法形成高分子有机发光二极管
旋转涂布工艺采用的原理是在旋转的圆盘上通常为每分钟1200转至1500转滴上数滴液体液体会因为旋转形成的离心力而呈薄膜状分布在这种状态下液体凝固后便可在膜体上形成晶体管等组件膜体的厚度可通过调节液体粘度及旋转时间来调整旋涂之后要采取烘干的步骤来除去溶剂就工艺而言旋涂法比热蒸镀法要经济与柯达型低分子OLED相比PLED有功效优势这是由于在低压工作环境下聚合物层具有良好的导电性能
最初PLED是由一种称之为次苯基二价乙烯基PPV单层活性聚合物夹于氧化铟锡和钙之间形成铟锡氧化物为载流子注入层而钙为电子传递层现在的PLED又增添了一层聚合物载流子注入层PPV聚合物产生黄光具有效率高寿命长的特点这种PLED应用于计算机显示器其寿命可长达10000小时相当于正常使用10年其他的聚合物及复合聚合物也在开发之中如陶氏化学公司研究开发了一种聚氟高分子全彩色PLED也在开发中主要是通过改变复合聚合物片段的长度来实现显示功能令人遗憾的是与PPV相比各种全彩色有机聚合物的寿命不长而蓝光聚合物始终不尽人意尽管荧光OLED和PLED能耗较低但仍有很大的改进空间对第一代产品的最大限制因素是电子自旋这种固有的量子特性决定着粒子对电磁场的反应电子与空穴结合时会产生激子根据量子力学的规律电子与空穴结合时只有四分之一的激子会以光的形式释放能量其余的激子则以热的形式释放能量
由美国普林斯顿大学的弗莱斯特及南加州大学的汤普森所领导的研究小组征服了这个难题他们开发的OLED含有诸如铂铱等重金属一般而言重金属的外层电子由于远离原子核旋转角动量大这种电子与其他电子相互作用理论认为百分之百的激子都会以光的形式释放能量为了与荧光OLED相区别把用这种方式制备的OLED称为磷光OLED低分子OLED的效率给人留下了十分深刻的印象除了蓝光OLED外其寿命未产生任何影响不过蓝色磷光OLED尚未发现目前有许多实验室正在加紧研究努力改变这种现状
第二个难关是低分子OLED能否以经济的旋涂法来产生各色有机发光材料磷光OLED在这方面已经有了重大进展英国牛津大学的安德鲁和奥普西斯合成了一种树丛状分子(dendrimers)有助于实现这种设想den鄄drimers这个词来自希腊的dendros,意思是树和枝树上的分枝长到一定长度后又分成两个分枝如此重复进行直到长成像球形一样的树丛在树丛状分子中分枝是内部连结的高分子聚合键每一个键又会产生新键全部会向一个焦点聚合或向一个核聚合
在树丛状分子上可形成大量键端球形突起物就像毛线球上的绒毛在合成过程中可利用这些键端去执行特殊的化学功能例如键端可带电发挥树丛状分子的高分子电解质的功能另外在合成过程中也能控制树丛状分子外部尺寸和内部的结构这有可能创造与外部不同性质的内腔和信道并打开树丛状分子作为载体或作为受邀分子晶核的大门
将树丛状分子应用于OLED可以将磷光OLED作为核形成大分子球以适当的元素为分枝这样OLED分子就能够溶解就可以利用类似PLED的制备方式通过旋转涂布和烘干来制备树丛状分子具有非常良好的发光效率目前可达每安培50堪德拉和每瓦40流明
另外尽管生产工艺不同有机发光材料还是要获得与阴极射线管和液晶显示屏相同的画面质量才能在市场上具有竞争力为了获得完美画质每英寸点数不应小于100目前阴极射线管和液晶显示屏利用光刻技术都已达到或超过了上述要求OLED目前主要以荫罩技术进行多彩成膜的制备距高分辨率显示要求仍有差距须待突破喷墨技术为PLED发光色层精确定位提供了一个新的解决方案它主要是将装有不同颜色高分子发光材料依序精确定位于所设计好的位置其技术挑战的关键在于能否精确定位喷出的滴状材料的大小是否配合画面的尺寸能否控制喷出液滴的一致性等目前低分子OLED从原型发展的进程来看似乎是一片光明但看好高分子PLED发展前景的也大有人在他们认为两者之间的差距将会很快缩小
彩色OLED和PLED可以利用白光发光材料和微型彩色滤光器来实现目前eMagin公司已经利用主动矩阵硅芯片成功地开发了800×600像素0.6英寸的小型彩色显示屏这种小型显示屏与光学放大设备配合装配在飞行员士兵和消防人员的头盔上三维电子游戏也将为有机发光材料提供一显身手的舞台
美国军方主要在OLED的柔性方面做文章最近美国军方实验室向美国环宇显示技术股份有限公司提供了200万美元的研究经费用于开发能卷进钢笔大小通话设备中的OLED显示屏美国国防部高级计划研究局也资助了战场电子地图的开发和研究
随着有机发光材料技术的不断进步和迅猛发展越来越多的公司开始关注这一前沿领域越来越多的科学家开始投身这一行业可以预期它不仅会给分子工程和分子合成提供发展机遇更会在提高能源效率降低制造成本等方面大展雄风
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