第1章 绪论
随着人类社会发展的脚步即将迈入21世纪30年代，信息技术的空前发展推动了社会关系、产业结构、教育方式和家庭生活的变革。信息的捕捉、处理、存储和显示已经与人类知识的获取和生活质量的提高紧密相关。由于人类获取信息的70%以上都来自视觉，所以与视觉息息相关的显示技术成为信息技术中不可或缺的一环。随着电子信息产业的快速发展，信息显示的硬件设备——显示器作为人机交互必不可少的载体，在信息显示技术的发展过程中扮演着至关重要的角色，直接关系到人类获取信息的数量多寡、质量高低和时间长短等。显示技术的不断创新和进步带动了显示器工业的跨越式发展。经过几十年的努力，信息显示装置从简单的指示灯、七段数字译码器，经历传统的黑白、彩色、超平、纯平阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）显示器，发展到大放异彩的液晶（Liquid Crystal Display，LCD）和等离子（Plasma Display Panel，PDP）及发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）显示器，全球显示产业的规模越来越大，显示产品的应用领域也越来越广。2000年以来，被称为第三代显示技术的有机发光二极管（Organic LED，OLED）显示技术，由于其具有其他显示技术不可比拟的优良性能，受到了业界的极大关注。信息科学与技术的高速发展，特别是高品质图像（高分辨率、高对比度、高响应度、宽视角）及便携性（超薄、超轻、低功耗）成为未来信息显示的发展方向，人们对信息显示器件的要求越来越高，而OLED恰恰能满足这些需求。
回顾显示技术及其器件的发展历程，作为早期的主流显示器，C RT具备高亮度、宽视角等优良的显示性能，同时也面临着难以克服的问题，如体积大、功耗大、屏闪烁等，并且无法应用于移动电话、笔记本电脑等便携式设备。20世纪80年代进入人们视野的LCD显示器，具有薄型化、质量小、无辐射、抗干扰能力强等优势，目前在电视、掌上电脑、手机等显示器件中是绝对主流的显示技术。但是，LCD依然存在一些缺陷，如响应速度慢、温度特性差、视角窄、对比度较低、无法自发光而需要采用背光源等。近年来，薄膜晶体管驱动的LCD（Thin Film Transistor LCD，TFT-LCD）在尺寸、视角和分辨率上均取得了突破性进展，已经成为显示领域的主流器件。在LCD发展的初期，与其竞争的显示器是PDP显示器，并且占据了一定的市场份额。尽管有MgO作为介电层的保护，但等离子体对荧光粉长时间持续性轰击，仍会使得荧光粉发光能力衰减，并且在屏幕上残留之前显示图案的“灼烧”浅像；同时，PDP上某一特定像素获得高亮度需要由驱动电路提供高的瞬时电压，这对集成电路也是致命的损伤。此外，PDP器件必须采用障壁结构，因此它只适用于大尺寸显示器。由于全球显示产业的布局、大尺寸TFT-LCD的兴起和产业链的断裂，PDP显示器件已经退出了显示技术的历史舞台。
另一方面，发光机理迥异的电致发光（Electroluminescence，EL），利用发光材料在电场作用下而产生光，是一个将电能直接转化为光能的发光过程。用于制备EL器件的材料，无机化合物半导体材料研究较多且率先达到应用水平。PN结无机半导体电致发光的LED实现了红光到黄光的发射，发光效率超过白炽灯，同时，具备驱动电压低、使用寿命长、效率高、稳定性强等诸多优点，在近二十多年中得到了广泛应用。但也存在各个发光点的发光颜色不易调节、大面积显示的散热等问题，限制了其进一步发展。与无机LED相对应，基于有机半导体功能材料的OLED，作为新一代显示技术应运而生，从信息显示到固态照明器件，伴随着广阔的应用前景和技术上的突飞猛进，OLED已经逐渐迈入产业化进程。
与其他显示技术相比，OLED显示技术具备诸多优势，如材料选择范围广、发光亮度和效率高、可以实现蓝光到红光光谱区域的全彩色显示、视角宽、响应速度快、驱动电压低、制作过程相对简单因而成本较低等，最具特色的是可实现柔性显示。OLED能够满足当今信息化时代对显示设备更高性能和更大信息容量的要求；可用于室内和户外普通照明，以及作为壁纸用于室内装饰照明；可制成光电耦合器件，作为集成电路上芯片与芯片间的单片光源，用于光通信；可制成可折叠的“电子报纸”；可用于全彩色超薄大屏电视，也可用于手机、笔记本电脑等小巧的便携式移动设备；其全固态结构可用于航天领域的数字图像处理设备的显示；等等。如图1-1所示，展示了OLED显示技术的多样化用途及其产品。早期OLED产品存在稳定性差、容易烧屏等缺陷，但通过提高材料稳定性、改善器件结构、改良封装技术等措施，OLED寿命和显示性能已经达到实用化要求。近几年来，OLED显示实用化进程取得了突破性进展，使人们对其大规模产业化的发展倍添信心。在发光效率方面，OLED显示已经超过PDP和TFT-LCD的显示水平；在器件全彩色显示方面，开发出了三基色法、白光加滤光膜法、蓝光能量转换法等多种技术方案，多家公司已推出全彩色OLED显示器的原型机甚至成熟的产品。在发光亮度方面，OLED已经超过100 000 cd/m2。OLED显示产业经过十多年的探索创新，已经堪比LED数十年的发展历程，产业化势头异常迅猛。
图1-1 OLED显示技术的多样化用途及其产品
20世纪60年代，有机EL现象的发现及相关研究就已经开始了。1963年，美国New York大学的Pope团队首先发现有机材料单晶蒽的EL现象，当时的单晶蒽厚度达到20μm，驱动电压更高达400 V，因而未引起人们的关注。1982年，Vincett等制备了0.6μm的蒽薄膜，并将驱动电压降到30 V以下，但器件的量子效率仍然很低，不到1%。1987年，Kodak公司的C.W.Tang等报道了基于高荧光效率、电子传输性能良好的8-羟基喹啉铝和空穴传输性能良好的芳香族二胺两种有机半导体材料，并通过真空热蒸镀的方式制备了器件结构为三明治型的OLED。这种高亮度、高量子效率的器件引起了科研人员的关注和产业界的极大兴趣，促使有机EL材料的研究开发进入一个崭新的时代。1990年，英国学者Friend教授等报道了低电压下高分子聚合物材料的EL现象，开启了基于聚合物材料的显示技术新领域。1992年，诺贝尔化学奖得主Heeger等人率先发明了基于塑料衬底的柔性器件，展现出了OLED显示器独一无二的魅力。1997年，美国学者Forrest教授等发现磷光EL现象，三线态激子的有效利用将OLED内量子效率从荧光材料25%的极限提高到100%。1998年，日本学者Kido教授等实现了白光EL，使OLED可用于普通的白光照明。1998年，Hebner等发明了喷墨打印法制备OLED技术，将OLED从科学研究的小批量制备逐渐引领到商业化大规模生产中。目前，基于红、绿、蓝三基色磷光染料的OLED外量子效率均超过20%，磷光OLED全彩色信息显示和白光照明技术已经实现。2012年，Adachi等更是报道了继常规荧光和磷光发光材料之后的第三代发光材料——热激活延迟荧光材料，其分子结构通常为供体-受体或供体-受体-供体，打破了荧光材料只能利用单线态激子发光的束缚。2017年，Dan Credgington、Manfred Bochmann和Mikko Linnolahti共同报道了一种新型的基于碳烯-金属-酰胺的发光分子，其分子结构为线性供体-桥-受体。由于单重-三重态能隙接近零，且其单重-三重态简并点保持了振子强度，该种分子的延迟荧光寿命在室温下仅为350 ns，远远低于热激活延迟荧光材料的寿命（大于5μs）。基于该种发光材料的湿法制备的OLED的内量子效率接近100%。目前，我国的多所高校和研究所也开展了相关的学术研究工作，清华大学、华南理工大学、吉林大学、电子科技大学、武汉大学、北京大学、北京交通大学、香港大学、香港科技大学、南京工业大学、南京邮电大学、太原理工大学、中科院长春应化所、中科院化学所等结合各自所长，各有侧重地取得了一大批有标志性的研究成果，培养了一大批研发和技术人才，为我国在OLED显示技术领域与世界发达国家尤其是日本、韩国等同台竞技打下了坚实的基础。
OLED在国际著名公司的受重视程度以及产品化进程与高校、研究所的科学研究几乎并驾齐驱。1997年，OLED作为显示器件领域中的新面孔，已经实现商业化。Kodak、Sanyo、PHILIPS、Epson、SAMSUNG、HP、Dupont、CDT、SONY、Pioneer、TDK等公司均致力于OLED显示器相关的材料、元件、设备等的研发和制造。日本Pioneer公司推出了世界第一个商品化的OLED显示产品——汽车音响显示屏。1998年，Idemitsu Kosan和NEC都推出分辨率为320像素×240像素的彩色有源矩阵驱动OLED（Active Matrix OLED，AMOLED）显示器。2001年，CDT、Epson、TDK三家公司联合研制出13.2英寸的P-TFT驱动的彩色OLED显示屏；同年，SONY公司展示了13英寸全彩色OLED显示屏，SAMSUNG研制出15.1英寸的全彩色有源矩阵驱动的OLED原型机，LG开发出OLED显示屏用于1.8英寸和1.9英寸的折叠式手机。2002年，Kodak和Sanyo组建的SK Display公司生产出15英寸OLED显示屏，其性能可媲美TFT-LCD电视。2003年，中国台湾IDTECH展出了20英寸全彩色OLED显示器，其分辨率提高到1280像素×768像素。2004年，Epson展出通过喷墨打印实现的40英寸全彩色OLED显示器，将OLED显示技术首次引入大尺寸屏幕领域。另外，其显示屏厚度为2.1 mm，展示出OLED的超薄特性，寿命为1000～2000 h，距离OLED屏电视寿命基本要求的100 000 h尚有一定距离。2005年，SAMSUNG和LG联合开发的40英寸OLED原型机，分辨率进一步提高到1920像素×1200像素，对比度为5000∶1，亮度达到1000 cd/m2。同年，美国CNN（有线电视新闻网）将OLED与Internet、Cell Phone、PC等列为近25年最有影响的创新技术之一，OLED位居17位。2006年，OLED又被市场研究公司Gartner列为十大战略技术的第三名。
2007年，SONY开始上市全球首款厚度仅3 mm的11英寸AMOLED电视，开启了“OLED元年”；同年，美国GE公司成功研发出OLED光源，将OLED固态照明设备的产业化提上日程，该项目得到了美国能源部的支持。从2009年开始，全球AMOLED的产业规模已超过了被动矩阵有机电致发光显示器（Passive Matrix OLED，PMOLED），成为OLED市场增长的主要动力。随着SONY和LG分别推出11英寸、15英寸AMOLED电视，日本、韩国、中国台湾等地的厂商在OLED市场的竞争实力越来越强。此外，奇晶、TMD、友达等厂商，也都加快了AMOLED技术开发的脚步。2011年，尽管SAMSUNG仍然是AMOLED面板最大的供应商，但市场份额已经下降至70%左右。2012年中期，SAMSUNG推出采用LTPS TFT技术的55英寸AMOLED，厚度仅为1.6 mm，色域为124%，响应时间不到0.01 ms（比TFT-LCD快2个数量级），对比度达到150 000∶1，亮度为150 cd/m2，白光的最高亮度为600 cd/m2。2013年1月，LG电子在CES上全球首次发布65英寸4K OLED电视和77英寸4K OLED电视，这表明全球进入了大尺寸OLED时代。其中，77英寸曲面4K超高清OLED电视融合了LGD的专利WRGB四色技术和Ultra HD 4K超高清屏幕分辨率（3840像素×2160像素）。同年9月13日，LG电子在北京召开电视新品发布会，推出中国第一款55英寸曲面OLED电视机——LG55EA9800-CA，这标志着OLED电视时代正式来临。同期，SAMSUNG在中国也推出了55英寸曲面OLED电视，并与LG电子同期发布65英寸4K OLED电视和77英寸4K OLED电视。OLED电视的代表性产品如图1-2所示。尽管SAMSUNG、LG两者之间的竞争拉低了OLED电视的价格，但售价仍高达数万元人民币，相比而言，同尺寸的55英寸SAMSUNG、LG的4K LCD产品尚不足1万元。因此，OLED电视至今还只是少数高端用户或“发烧”级用户使用的产品。
图1-2 OLED电视的代表性产品
同时，基于OLED的固体照明技术被誉为继白炽灯、荧光灯、LED灯后世界照明产业的第四次技术革命，其发展前景被业界广泛看好。除OLED照明领域的引领者OSRAM外，全球各大公司在2012年已加快布局步伐，其中LG化学正式涉足OLED照明领域，并建设第2代OLED照明面板生产线，住友化学和日本精机分别推出OLED照明面板，中国台湾隆达也首次推出OLED照明模块，日本Toshiba合并了东芝照明技术和哈里盛东芝照明，并将OLED照明定位为新公司的支柱业务之一，PHILIPS和巴斯夫通过战略合作共同开发照明用OLED透明面板。2012年，Toshiba开发出了面积为8 cm×7 cm的较大面积OLED照明面板，发光效率高达91 lm/W。较大面积（大于25 cm2）OLED照明面板的发光效率取得的显著进展，使其具备了与LED照明竞争的实力。此外，Motorola、Novaled、GE、OLED-T、CDT等公司也都在从事OLED光源的研发和生产。可以预测，OLED照明器件在成本和寿命方面取得重大的突破后，必将加快其市场化的步伐。部分企业开发的OLED照明器件及灯具如图1-3所示，可以看出，除包含传统室内照明用的吊灯、墙灯、落地灯、台灯外，还包括柔性OLED照明器件、透明OLED照明器件和OLED照明装饰器件等。
图1-3 部分企业开发的OLED照明器件及灯具
在我国，从事AMOLED产业化的公司主要有京东方、华星光电、和辉光电、信利国际、天马、维信诺、友达光电、奇晶光电等。2006年，奇晶光电发布了由全球最大LTPS TFT基板试制的25英寸AMOLED面板。同期，友达光电全球首次将全彩AMOLED面板用在BenQ-Siemens S88手机主屏。2010年—2012年几年的时间里，维信诺先后开发成功2.8英寸、3.5英寸、7.6英寸和12英寸AMOLED样品。2012年9月，京东方成功研发出了17英寸AMOLED显示屏。2013年8月，华星光电成功开发出中国大陆最大尺寸的全高清31英寸电视用AMOLED显示面板。2013年11月27日，TCL集团子公司华星光电宣布，投资244亿元建立二期第8.5代TFT-LCD（含氧化物半导体及AMOLED）生产建设项目，并于2015年5月投产。国内第一大面板企业京东方宣布其在内蒙古鄂尔多斯市的第5.5代OLED面板试生产线正式运行，并可少量出货OLED小尺寸面板；2016年，第一条在四川省成都市的柔性第6代OLED面板生产线开始建设，并已经正式出货；随后，第二条在四川省绵阳市的柔性第6代OLED面板生产线也已经建成。国显光电在河北省固安县的第6代OLED生产线也立项建设。目前，京东方、华星光电、信利国际、天马等国内著名显示企业都开始着手布局OLED显示技术，并陆续有国际先进的生产线开工建设。OLED显示技术在我国出现了蓬勃发展的产业化势头，在新一代显示领域具有巨大的竞争优势。
OLED的研发和产业化在高速发展的同时，也暴露出一些长期存在、亟待解决的瓶颈性问题，如OLED寿命、色稳定性问题，其中，白光OLED的色稳定性同样取决于不同发光颜色有机半导体材料寿命的一致性。针对以上两点，除了设计并合成高效率和高稳定性兼顾的有机发光材料，同时还要开发高水氧阻隔能力的封装材料和切实可行的封装方法。随着量产技术的进步和工艺方面的改进，OLED相关的显示技术和照明技术正向大规模产业化和应用领域迈进，将带给人们前所未有的视觉享受。