白光OLED顯示器件研究進展

孫寧寧 王建霞

摘 要：白光OLED顯示器件具有高對比度、超廣視角和大面積柔性顯示等優點，在大尺寸超高清顯示領域有巨大的應用潛力。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實現全彩化顯示。本文首先介紹了實現OLED全彩化的顯示方法，然后介紹了白光OLED顯示器件的主流結構，最后介紹了提高白光OLED顯示性能的主要途徑。

關鍵詞：白光OLED；彩色濾光片；RGB；RGBW；像素排列

中圖分類號：TN383.1 文獻標識碼：A 文章編號：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，有機發光二極管（OLED）顯示成為各顯示器廠極力推廣的新興平板顯示技術，被稱為第三代夢幻顯示技術。OLED基本結構包括陽極、陰極及兩電極之間的有機發光層，在外加電場作用下，電子、空穴分別從陰極、陽極注入到有機發光層，并在其中復合產生激子，激子將能量傳遞給發光材料，并激發電子從基態躍遷至激發態，激發態能量通過輻射產生光子，釋放光能[1]。相對于其他類型的平板顯示器，OLED顯示器具有全固態、自發光、高清晰度、廣視角、面板超薄和大面積柔性顯示等優點，被業界公認為最具有發展潛力的顯示裝置。

1 OLED全彩化顯示方法

OLED實現全彩化的顯示方法主要包括RGB三基色并置法、顏色轉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，即在蒸鍍RGB中一種有機發光材料時，利用掩模板遮擋區域的屏蔽作用將另外兩個對應的子像素遮蔽，然后利用高精度對位系統移動掩模板或襯底基板來依次蒸鍍另外兩種有機發光材料而實現圖案化，可以制作具有高發光率和高對比度的顯示器件。但是，當制備大尺寸高分辨率的顯示屏且屏幕解析度在300ppi以上時，這種方法要求蒸鍍所用掩模板的開口及連接橋均非常細小，致使大面積、高精度的掩模板的加工難度非常大，同時掩模板的對位精度、掩模板陰影、掩模板變形等因素也會嚴重影響有機發光材料蒸鍍形成精細的彩色化像素圖案，進而導致低產能、高成本，而且難以實現大面積的均勻制備。

顏色轉換法采用單色有機發光層加顏色轉換層，通過單色光激發紅綠藍顏色轉換材料使其發光而得到紅綠藍三基色，是光致發光與電致發光相結合的過程。這種方法光損耗小，光利用率高，但存在藍色等單色發光層轉換效率較低及壽命短的問題。

彩色濾光片法是通過彩色濾光片（CF）將白光轉換為彩色OLED所需要的紅綠藍三基色，由于可利用液晶顯示（LCD）成熟的彩色濾光技術，不需要掩模對位，極大簡化了蒸鍍過程，因而能降低生產成本，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，使顯示屏的發光效率較低且能耗特別高，因此使用RGB+CF結構的白光OLED的工作效率比使用獨立RGB三基色結構的OLED工作效率低[3]。

為了提高RGB+CF技術的發光效率并顯示白色成分較多的影像，研究人員發現通過加入獨立于RGB三基色的白色子像素而構成的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、發光效率與壽命，降低各像素的電流，同時降低大尺寸顯示面板的功耗。基于RGBW+CF技術，無需單獨形成RGB三色發光層，在薄膜晶體管陣列上形成彩色濾光片后，利用蒸鍍技術形成白色OLED元件，適用于生產大尺寸面板，可利用LCD生產線生產，有利于降低生產成本。因此，基于RGBW的白光OLED顯示技術成為低成本、大尺寸曲面顯示器的發展趨勢。

2 實現白光OLED顯示的器件結構

2.1 白色發光單元結構

白光OLED的發光單元結構主要包括單發光層結構、多發光層結構和串聯疊層結構等[5]。

2.1.1 單發光層結構。在一個發光層里實現白光主要有三種途徑：一是把三種發光材料（如紅+綠+藍）摻到同一種主體材料中；二是把兩種顏色互補的發光材料（如藍+黃）摻到同一種主體材料中；三是合成能夠直接發出白光的單個有機分子，將該分子混合到主體材料中?？偟膩碚f，利用單發光層實現白光的工藝簡單，成本較低，但效率偏低。

2.1.2 多發光層結構。多發光層結構的OLED器件中各發光區域直接接觸或通過中間層相互分開，通過利用不同顏色發光層之間的互補作用來產生白光。這種結構主要通過利用互補色層來產生白光，還可以通過紅、綠、藍三層發光層實現白光發射。目前，利用多發光層結構來實現白光的研究最多，通過有效控制各發光層材料可獲得理想的白光。但是，各發光層會隨著驅動電壓的不同而具有不同的發光效率，并各發光層的工作壽命也不同，這些可引起色坐標與穩定性的改變。

2.1.3 串聯疊層結構。串聯疊層結構，是將多個傳統的OLED器件通過連接層互相串聯疊加而形成的一種高效率OLED器件結構。各發光單元之間用電荷產生層連接，各發光單元互不影響，其中多個發光單元主要利用互補色發光單元來產生白光或者通過紅、綠、藍三個發光單元實現白光發射。串聯疊層結構OLED器件可以顯著提高器件性能，一般認為，N個結構單元的OLED的亮度可以達到單個OLED的N倍。疊層結構電流密度較小，可以解決由于熱效應而產生的器件壽命降低的問題，但器件啟動及驅動電壓也隨疊加層數的增加而升高[6]。

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

2.2 微腔共振結構

微腔共振結構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的結構，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的光會得到加強，而該得到加強的波長與微腔厚度有關[7]。

微腔共振結構OLED器件主要包括兩種類型。①DBR+光學填充。這種結構利用金屬電極作為上鏡面，利用介質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等無機材料作為光學填充層，通過調節光學填充層的厚度來得到不同光學長度的微腔，分別可以發出發光光譜窄化、亮度提高的紅、綠和藍光。此外，還可以在反射層和半反半透層間形成一層光學諧振層（如空穴注入/傳輸層、無機介質層），通過調節光學諧振層的厚度來控制各像素的光學長度。②DBR+傾斜發射。這種結構可以利用傾斜發射的角度來控制光學長度。首先，將平坦化層或保護涂層遠離基板的上表面光刻成具有凹凸結構的波浪形起伏狀，然后在上面依次生長DBR層、陽極層、OLED層和陰極層，這些層也形成了相應的波浪形起伏狀。由于波浪形起伏狀造成的傾斜發射，加之通過精確設計斜坡的角度，可以使紅、綠、藍光同時滿足諧振條件，從而使紅、綠、藍光分別得到加強。

2.3 顏色轉換結構

顏色轉換結構OLED具有顏色轉換層，其原理為：顏色轉換層高效吸收更高能量的光子（例如藍光或黃光）和重新發射更低能量的光子（例如綠光或紅光），即顏色轉換層可吸收由OLED發射的較短波長的光線，并且重新發射較長波長的光線[8]。因此，可以利用顏色轉換層使穿過來自白色OLED子像素的較短波長的光線轉化為對應各子像素的顏色較長波長的光線，據此，被紅色和綠色子像素的濾光片阻斷的白光可以被吸收，并且在對應濾光片的波長處重新發射紅色和綠色光，從而增強器件的功率效率。白光的顏色轉換可以增強濾光片透射光譜和進入對應子像素的光線發射的波長。通過增強由各子像素發射的光線，同時降低被濾光片阻斷（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

從發光和顯示機理出發，白光OLED的顯示性能主要由發光單元的發光效率、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 改進白光顯示器件結構

通過調整白光顯示器件中發光單元、彩色濾光、微腔共振及顏色轉換等結構或者混合使用其中幾種結構是提高發光單元發光效率的重要途徑。

白光OLED可以混合使用彩色濾光膜和微腔共振結構，當彩色濾光膜設置在反射層和半反半透層的微腔之間時，可以通過控制彩色濾光膜厚度來調節微腔長度。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?；诖耍梢院喕苽涔に?，降低成本。同時，還可以在反射層或彩色濾光膜上設置凹凸結構或波浪結構，使光線在微腔中發生漫反射，從而使最終射出的光線量增加，發光效率提高。

白光OLED還可以混合使用彩色濾光膜和單色發光層，通過使用白光和紅、綠濾光膜形成紅、綠子像素，并且使用藍色發光層形成藍色子像素。第一有機發光層形成在RGW子像素區上，而第二有機發光層形成在RGBW四個子像素區上。由此，RGW三個子像素區中發射白光，而B子像素區中發射藍光。紅、綠濾光片與第一區域內的紅、綠子像素區相對設置。當從第二有機發光層發射的藍光穿過濾光片部件時，藍光的大部分可以穿過濾光片而不被濾光片部件吸收，可以提高藍光的亮度。

另外，白光OLED還可以混合使用彩色濾光膜和顏色轉換層。例如，在白光器件的光出射側分別設置藍色濾光膜、綠光色轉換層和紅光色轉換層來得到藍、綠、紅色光，這樣在紅光部分充分轉化利用了原有的綠光及藍光能量，且原有的紅光也可以透過，紅光部分的效率會更高。另外，還可以在綠光色轉換層與發光器件相異的一側設置綠色濾光膜，背光源發出的白光由綠光色轉換層進行轉換，得到綠色光及紅色混合光，再經過綠色濾光膜過濾得到純正的綠色，這一過程充分利用了綠光部分的能量。

3.2 改進像素排列結構

在白光OLED顯示領域，RGBW子像素的排列方式決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%，而藍色子像素僅占6.45%，因此需要調整各子像素的面積以補償發光效率低的像素。同時，由于自然圖像大部分是由白光構成，為了提高有機發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置為最大，RGB子像素所占像素面積可根據使用頻率及各有機發光器件效率而進行調整。

3.2.2 田字形像素排列。該方式是以兩行兩列配置構成2×2的結構。對于田字形的RGBW子像素的排列方式，通過改變構成一像素的四個子像素的交點的位置，可以調整構成一像素的RGBW四個子像素的面積比，因而，考慮到白色光發光強度的分布與彩色濾光片的透過波長依賴性等，將不同顏色的子像素的發光區域面積比配置成最適當的，可提高開口率，并可有效進行電路配置的設計。

3.2.3 多像素矩陣混合的像素排列方式。例如，每個像素組由3×3子像素陣列構成，包括左右兩個像素單元，每個像素單元包括1R、1G、2B和1W，白色子像素位于陣列中心，兩個像素單元共用同一個白色子像素。原本兩個像素單元中相互獨立的白色子像素合并成了一個，繼而使得數據芯片對白色子像素的數據量減小了一半，用于寫入灰階電壓的數據線輸出根數也減小了一半。同時，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據線，大大簡化了驅動電路結構。此外，藍色部分的總面積擴大一倍，使所需的電流均降為原來的一半，因此藍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置，R、G子像素沿列方向依次并列設置，兩者在列方向上的長度之和小于W或B子像素在列方向上的長度。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有共用子像素，畫質清晰、驅動系統簡單，避免了由于大量共用不同顏色的子像素導致的驅動算法復雜的問題，進而避免了由此產生的驅動芯片成本上升的缺陷，使得使用壽命變長。同時，僅部分相鄰的RG子像素共用W子像素和B子像素，像素開口面積大，分辨率高。

3.3 提高光提取效率

OLED器件發出的光在電極/玻璃以及玻璃/空氣等不同材料界面會發生全反射，從而使大部分光陷在有機薄膜結構和玻璃基板中，導致外部量子效率大幅度降低，因此，增強器件的光提取效率對提高白光OLED顯示器件的發光效率極為重要。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構，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構，如凹凸結構、微透鏡陣列、散射膜層等；三是在有機膜層中摻雜散射顆粒來增加有機層內部的散射。

4 結語

經過多年的不斷研發，研究人員通過不斷改進白色顯示器件的有機發光材料、發光結構和驅動電路設計等大大提高了器件的發光效率、顯示亮度及工作壽命，但出光效率、顯示質量、功耗和制造成本仍然是限制白光OLED顯示技術商業化發展的重要制約因素。盡管目前還有諸多問題需要解決，但高分辨率、高壽命、低成本的大尺寸柔性白光OLED的顯示產品會在未來產業化道路上飛速發展，給人類帶來更加美好的視覺享受。

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