干货！一文读懂OLED发光原理、结构及制造原理

OLED的原文是Organic Light Emitting Diode，中文意思就是“有机发光显示技术”。其原理是在两电极之间夹上有机发光层，当正负极电子在此有机材料中相遇时就会发光，其组件结构比目前流行的TFT LCD简单，生产成本只有TFT LCD的三到四成左右。

除了生产成本便宜之外，OLED还有许多优势，比如自身发光的特性。目前LCD都需要背光模块(在液晶后面加灯管)，但OLED通电之后就会自己发光，可以省掉灯管的重量体积及耗电量(灯管耗电量几乎占整个液晶屏幕的一半)，不仅让产品厚度只剩两厘米左右，操作电压更低到2至10伏特，加上OLED的反应时间(小于10ms)及色彩都比TFT LCD出色，更有可弯曲的特性，让它的应用范围极广。

OLED的基本结构是在铟锡氧化物(ITO)玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层，发光层上方有一层低功函数的金属电极，构成如三明治的结构。

OLED的基本结构主要包括：

OLED是双注入型发光器件，在外界电压的驱动下，由电极注入的电子和空穴在发光层中复合形成处于束缚能级的电子空穴对即激子，激子辐射退激发发出光子，产生可见光。

为增强电子和空穴的注入和传输能力，通常在ITO与发光层之间增加一层空穴传输层，在发光层与金属电极之间增加一层电子传输层，从而提高发光性能。其中，空穴由阳极注入，电子由阴极注入。空穴在有机材料的最高占据分子轨道(HOMO)上跳跃传输，电子在有机材料的最低未占据分子轨道(LUMO)上跳跃传输。

OLED的发光过程通常有以下5个基本阶段：

OLED发光的颜色取决于发光层有机分子的类型，在同一片OLED上放置几种有机薄膜，就构成彩色显示器。光的亮度或强度取决于发光材料的性能以及施加电流的大小，对同一OLED，电流越大，光的亮度就越高。

OLED组件系由n型有机材料、p型有机材料、阴极金属及阳极金属所构成。电子(空穴)由阴极(阳极)注入，经过n型(p型)有机材料传导至发光层(一般为n型材料)，经由再结合而放光。

一般而言，OLED元件制作的玻璃基板上先溅镀ITO作为阳极，再以真空热蒸镀之方式，依序镀上p型和n型有机材料，及低功函数之金属阴极。由于有机材料易与水气或氧气作用，产生暗点(Dark spot)而使元件不发亮。因此此元件于真空镀膜完毕后，必须于无水气及氧气之环境下进行封装工艺。

在阴极金属与阳极ITO之间，目前广为应用的元件结构一般而言可分为5层。如图所示，从靠近ITO侧依序为：空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层。

而至于电子传输层，系为n型之有机材料，其特性为具有较高之电子迁移率，当电子由电子传输层至空穴电子传输层介面时，由于电子传输层之最低非占据分子轨域较空穴传输层之LUMO高出甚多，电子不易跨越此一能障进入空穴传输层，遂被阻挡于此介面。

此时空穴由空穴传输层传至介面附近与电子再结合而产生激子(Exciton)，而Exciton会以放光及非放光之形式进行能量释放。以一般萤光材料系统而言，由选择率之计算仅得25%之电子空穴对系以放光之形式做再结合，其余75%之能量则以放热之形式散逸。近年来，正积极被开发磷光材料成为新一代的OLED材料，此类材料可打破选择率之限制，以提高内部量子效率至接近100%。

在两层元件中，n型有机材料，即电子传输层，亦同时被当作发光层，其发光波长系由HOMO及LUMO之能量差所决定。然而，好的电子传输层-即电子迁移率高之材料-并不一定为放光效率佳之材料，因此目前一般之做法，系将高萤光度的有机色料，掺杂(Doped)于电子传输层中靠近空穴传输层之部分，又称为发光层，其体积比约为1%至3%。掺杂技术开发系用于增强原材料之萤光量子吸收率的重点技术，一般所选择的材料为萤光量子吸收率高的染料。

阴极之金属材料，传统上系使用低功函数之金属材料(或合金)，如镁合金，以利电子由阴极注入至电子传输层，此外一种普遍之做法，系导入一层电子注入层，其构成为一极薄之低功函数金属卤化物或氧化物，如LiF或Li2O，此可大幅降低阴极与电子传输层之能障，降低驱动电压。

由于空穴传输层材料之HOMO值与ITO仍有差距，此外ITO阳极在长时间操作后，有可能释放出氧气，并破坏有机层产生暗点。故在ITO及空穴传输层之间，插入一空穴注入层，其HOMO值恰介于ITO及空穴传输层之间，有利于空穴注入OLED元件，且其薄膜之特性可阻隔ITO中之氧气进入OLED元件，以延长元件寿命。