有机发光二极管

定义

有机发光二极管是一种电流注入型半导体发光器件，其活性层由有机材料构成，在施加电场后把电能直接转换成可见光。它通常被缩写为 OLED，中文文献中也称为有机电致发光显示器或有机发光半导体。^[1][2]

把大量这样的器件按矩阵排布、再配以行列驱动电路和封装，就得到了有机发光二极管显示屏。与液晶显示需要背光源、靠液晶分子调光不同，OLED 的每个像素自身发光，关闭像素时可以做到几乎不发光，这一差别决定了它在对比度、视角和厚度上的表现。^[3][4]

按驱动方式，有机发光二极管显示可分为被动矩阵式(PMOLED)与主动矩阵式（AMOLED）两类，前者结构简单、多用于小尺寸屏，后者在每个像素内集成薄膜晶体管，适合高分辨率与较大尺寸的面板。^[2][5]

原理

典型器件呈三明治结构：透明阳极(常用铟锡氧化物，ITO)与金属阴极之间夹着空穴传输层、发光层和电子传输层，有机层总厚度通常只有几十纳米。为提高注入与传输效率，实际器件往往在两侧再加电子或空穴注入层，形成多层结构。^[1][6]

发光过程可分几步：外加电压使电子从阴极注入有机物的最低未占据分子轨道，空穴从阳极注入最高占据分子轨道；两者在电场作用下分别经传输层漂移到发光层并复合，形成激子；激子把能量交给发光分子，使其跃迁到激发态，回到基态时以光子形式释放能量。发出的颜色取决于激发态与基态之间的能级差，因此可以通过分子结构设计得到红、绿、蓝三原色。^[1][7]

彩色化主要有三种做法：红、绿、蓝三种发光材料分别成像素并置；用蓝光加光色转换材料得到其他颜色；或用白光 OLED 配合彩色滤光膜。三条路线各有取舍，至今没有一种方案在所有尺寸上占据绝对优势。^[6][8]

显示屏还需驱动电路配合。AMOLED 在像素内集成低温多晶硅薄膜晶体管，用其控制流过每个 OLED 的电流，从而稳定亮度；研究也表明交流驱动在稳定性上优于单纯直流驱动。^[9][10]

发展历程

有机材料电致发光现象可追溯到 20 世纪 30 年代，Destriau 曾把有机荧光化合物分散在高分子薄膜中制得早期电致发光器件，但当时并未形成可用的显示方案。^[11]

实用化的转折出现在 1987 年。柯达公司的邓青云等用真空蒸镀法制成含电子、空穴传输层的双层有机结构器件，在低于 10 伏的驱动电压下获得超过 1000 cd/m² 的亮度和高于 1.5 lm/W 的效率，首次让有机电致发光器件具备实用价值。这一工作被视为现代 OLED 技术的起点。^[12][13]

1990 年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的 R. H. Friend 等人以旋涂法把共轭高分子聚对苯撑乙烯用作发光层，制出高分子发光器件，开辟了与柯达小分子路线并行的方向；相关技术后来转入 1992 年成立的剑桥显示技术公司(CDT)。由此形成小分子 OLED 与高分子 OLED(PLED)两大技术体系。^[12][14]

产业化自小尺寸起步。2007 年 12 月索尼开卖 11 英寸 OLED 电视 XEL-1，被业界视为主动矩阵 OLED 进入消费市场的标志；同期三星 SDI 展出 31 英寸主动式面板，但受成本和良率限制，这一轮大尺寸尝试并未持续。^[15][16]

此后智能手机成为主要拉动力，AMOLED 在手机主屏上大规模普及，并逐步扩展到智能手表、笔记本电脑、显示器和电视。近年来的技术进展集中在柔性可卷曲面板、折叠屏以及蓝色发光材料的寿命改善上。^[17][18]

应用

智能手机是 OLED 应用规模最大的领域，主动矩阵面板已成为中高端手机的主流选择，并被用于折叠屏与曲面屏机型。^[17]

在电视和显示器上，OLED 凭借逐像素控光带来的高对比度和快速响应，被用于高端电视与游戏显示器；笔记本电脑、平板电脑也在逐步引入该技术。^[17][4]

由于器件为全固态、可用塑料基板，OLED 适合做柔性显示与可穿戴设备，也被用于车载仪表、航空与船用仪表等需要在宽视角下读取的场合。此外，OLED 还可作为面光源用于照明，其光线柔和、不含紫外与红外辐射。^[4][19]

在近眼显示方面，硅基 OLED(OLEDoS)微显示器因像素密度高、体积小，被用作扩展现实头戴设备的光引擎。^[20]

局限

寿命与老化是最主要的限制。有机材料在水汽、氧气和电应力下易发生氧化与降解，蓝色发光材料的衰减尤其快，长期使用后不同颜色子像素亮度失衡，会表现为残影或烧屏。研究指出，蓝光像素是三者中最不稳定的一环。^[21][22]

蓝色发光材料本身也拖累了效率。红色与绿色器件已可采用效率接近理论上限的磷光材料，而蓝光因寿命短、色纯度不易维持，长期依赖效率约为磷光四分之一的荧光材料，这既提高了功耗，也限制了亮度提升。改善蓝色磷光材料被视为该领域的关键难题。^[18][23]

在亮度上，OLED 面板长期难以与液晶面板相比，要在强环境光下保持可读性需要更高驱动，而这又加速老化；硅基 OLED 微显示在扩展现实设备中还需克服光学系统带来的光损失，被迫在极高亮度下持续工作。^[18][20]

制造端则受良率与成本制约。大尺寸面板的蒸镀工艺难度高、材料利用率低，早期 11 英寸 OLED 电视的售价远高于同尺寸液晶产品，成本与良率被认为是限制其向大尺寸普及的主要障碍。^[16][24]

此外，OLED 采用有机材料与精密封装，对水氧防护要求高，封装工艺既要保证可靠性又要兼顾轻薄，仍是生产中的难点；高分子发光材料在寿命和效率上总体也仍逊于小分子材料。^[22][14]

参见

• 液晶显示 —— 依靠背光源和液晶分子调光的另一类主流平板显示技术，常与 OLED 对比。

• 发光二极管 —— OLED 在器件原理上属于发光二极管家族，区别在于以有机材料作发光层。

• 薄膜晶体管 —— 主动矩阵 OLED 在每个像素内用它控制电流。

• 量子点显示 —— 另一条提升色域与亮度的显示技术路线。

• 柔性显示 —— OLED 因全固态、可用塑料基板而成为该方向的主要实现方式。