白光OLED显示器件研究进展

孙宁宁 王建霞

摘 要：白光OLED显示器件具有高对比度、超广视角和大面积柔性显示等优点，在大尺寸超高清显示领域有巨大的应用潜力。目前，白光OLED显示器件主要采用RGB三色子像素或RGBW四色子像素及彩色滤光片来实现全彩化显示。本文首先介绍了实现OLED全彩化的显示方法，然后介绍了白光OLED显示器件的主流结构，最后介绍了提高白光OLED显示性能的主要途径。

关键词：白光OLED；彩色滤光片；RGB；RGBW；像素排列

中图分类号：TN383.1 文献标识码：A 文章编号：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

近年来，有机发光二极管（OLED）显示成为各显示器厂极力推广的新兴平板显示技术，被称为第三代梦幻显示技术。OLED基本结构包括阳极、阴极及两电极之间的有机发光层，在外加电场作用下，电子、空穴分别从阴极、阳极注入到有机发光层，并在其中复合产生激子，激子将能量传递给发光材料，并激发电子从基态跃迁至激发态，激发态能量通过辐射产生光子，释放光能[1]。相对于其他类型的平板显示器，OLED显示器具有全固态、自发光、高清晰度、广视角、面板超薄和大面积柔性显示等优点，被业界公认为最具有发展潜力的显示装置。

1 OLED全彩化显示方法

OLED实现全彩化的显示方法主要包括RGB三基色并置法、颜色转换法和彩色滤光片法[2]三种。

RGB三基色并置法采用高精度金属掩模板技术，即在蒸镀RGB中一种有机发光材料时，利用掩模板遮挡区域的屏蔽作用将另外两个对应的子像素遮蔽，然后利用高精度对位系统移动掩模板或衬底基板来依次蒸镀另外两种有机发光材料而实现图案化，可以制作具有高发光率和高对比度的显示器件。但是，当制备大尺寸高分辨率的显示屏且屏幕解析度在300ppi以上时，这种方法要求蒸镀所用掩模板的开口及连接桥均非常细小，致使大面积、高精度的掩模板的加工难度非常大，同时掩模板的对位精度、掩模板阴影、掩模板变形等因素也会严重影响有机发光材料蒸镀形成精细的彩色化像素图案，进而导致低产能、高成本，而且难以实现大面积的均匀制备。

颜色转换法采用单色有机发光层加颜色转换层，通过单色光激发红绿蓝颜色转换材料使其发光而得到红绿蓝三基色，是光致发光与电致发光相结合的过程。这种方法光损耗小，光利用率高，但存在蓝色等单色发光层转换效率较低及寿命短的问题。

彩色滤光片法是通过彩色滤光片（CF）将白光转换为彩色OLED所需要的红绿蓝三基色，由于可利用液晶显示（LCD）成熟的彩色滤光技术，不需要掩模对位，极大简化了蒸镀过程，因而能降低生产成本，可用于制备大尺寸高分辨率的OLED显示器件。但是，由于滤光片吸收了大部分的光能，使显示屏的发光效率较低且能耗特别高，因此使用RGB+CF结构的白光OLED的工作效率比使用独立RGB三基色结构的OLED工作效率低[3]。

为了提高RGB+CF技术的发光效率并显示白色成分较多的影像，研究人员发现通过加入独立于RGB三基色的白色子像素而构成的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阶值最小的子像素，这样可以显著提高彩色显示屏的亮度、发光效率与寿命，降低各像素的电流，同时降低大尺寸显示面板的功耗。基于RGBW+CF技术，无需单独形成RGB三色发光层，在薄膜晶体管阵列上形成彩色滤光片后，利用蒸镀技术形成白色OLED元件，适用于生产大尺寸面板，可利用LCD生产线生产，有利于降低生产成本。因此，基于RGBW的白光OLED顯示技术成为低成本、大尺寸曲面显示器的发展趋势。

2 实现白光OLED显示的器件结构

2.1 白色发光单元结构

白光OLED的发光单元结构主要包括单发光层结构、多发光层结构和串联叠层结构等[5]。

2.1.1 单发光层结构。在一个发光层里实现白光主要有三种途径：一是把三种发光材料（如红+绿+蓝）掺到同一种主体材料中；二是把两种颜色互补的发光材料（如蓝+黄）掺到同一种主体材料中；三是合成能够直接发出白光的单个有机分子，将该分子混合到主体材料中。总的来说，利用单发光层实现白光的工艺简单，成本较低，但效率偏低。

2.1.2 多发光层结构。多发光层结构的OLED器件中各发光区域直接接触或通过中间层相互分开，通过利用不同颜色发光层之间的互补作用来产生白光。这种结构主要通过利用互补色层来产生白光，还可以通过红、绿、蓝三层发光层实现白光发射。目前，利用多发光层结构来实现白光的研究最多，通过有效控制各发光层材料可获得理想的白光。但是，各发光层会随着驱动电压的不同而具有不同的发光效率，并各发光层的工作寿命也不同，这些可引起色坐标与稳定性的改变。

2.1.3 串联叠层结构。串联叠层结构，是将多个传统的OLED器件通过连接层互相串联叠加而形成的一种高效率OLED器件结构。各发光单元之间用电荷产生层连接，各发光单元互不影响，其中多个发光单元主要利用互补色发光单元来产生白光或者通过红、绿、蓝三个发光单元实现白光发射。串联叠层结构OLED器件可以显著提高器件性能，一般认为，N个结构单元的OLED的亮度可以达到单个OLED的N倍。叠层结构电流密度较小，可以解决由于热效应而产生的器件寿命降低的问题，但器件启动及驱动电压也随叠加层数的增加而升高[6]。

由于蓝色有机发光层的使用寿命要短于红、绿色有机发光层，因此，可以在垂直堆叠的三个发光单元中形成两个蓝色发光单元（如红绿光/蓝光/蓝光），以有效提高发光效率，并提高器件使用寿命。

2.2 微腔共振结构

微腔共振结构是指在一反射层和一半反半透层间形成的厚度为微米量级的结构，其主要原理為：光线在反射层和半反半透层间不断反射，由于谐振作用，故最终从半反半透层射出的光线中特定波长的光会得到加强，而该得到加强的波长与微腔厚度有关[7]。

微腔共振结构OLED器件主要包括两种类型。①DBR+光学填充。这种结构利用金属电极作为上镜面，利用介质层堆积的分布布拉格反射器（DBR，如SiOx/SiNx）作为下镜面，在上下镜面之间引入ITO、SiNx等无机材料作为光学填充层，通过调节光学填充层的厚度来得到不同光学长度的微腔，分别可以发出发光光谱窄化、亮度提高的红、绿和蓝光。此外，还可以在反射层和半反半透层间形成一层光学谐振层（如空穴注入/传输层、无机介质层），通过调节光学谐振层的厚度来控制各像素的光学长度。②DBR+倾斜发射。这种结构可以利用倾斜发射的角度来控制光学长度。首先，将平坦化层或保护涂层远离基板的上表面光刻成具有凹凸结构的波浪形起伏状，然后在上面依次生长DBR层、阳极层、OLED层和阴极层，这些层也形成了相应的波浪形起伏状。由于波浪形起伏状造成的倾斜发射，加之通过精确设计斜坡的角度，可以使红、绿、蓝光同时满足谐振条件，从而使红、绿、蓝光分别得到加强。

2.3 颜色转换结构

颜色转换结构OLED具有颜色转换层，其原理为：颜色转换层高效吸收更高能量的光子（例如蓝光或黄光）和重新发射更低能量的光子（例如绿光或红光），即颜色转换层可吸收由OLED发射的较短波长的光线，并且重新发射较长波长的光线[8]。因此，可以利用颜色转换层使穿过来自白色OLED子像素的较短波长的光线转化为对应各子像素的颜色较长波长的光线，据此，被红色和绿色子像素的滤光片阻断的白光可以被吸收，并且在对应滤光片的波长处重新发射红色和绿色光，从而增强器件的功率效率。白光的颜色转换可以增强滤光片透射光谱和进入对应子像素的光线发射的波长。通过增强由各子像素发射的光线，同时降低被滤光片阻断（例如反射或吸收）的光线，从而改善显示器件的功率效率。

3 提高白光OLED显示性能的途径

从发光和显示机理出发，白光OLED的显示性能主要由发光单元的发光效率、显示像素的排列方式和光提取效率等因素决定，综合考虑各种因素才能得到最佳的白光OLED显示性能。

3.1 改进白光显示器件结构

通过调整白光显示器件中发光单元、彩色滤光、微腔共振及颜色转换等结构或者混合使用其中几种结构是提高发光单元发光效率的重要途径。

白光OLED可以混合使用彩色滤光膜和微腔共振结构，当彩色滤光膜设置在反射层和半反半透层的微腔之间时，可以通过控制彩色滤光膜厚度来调节微腔长度。由于不同颜色的像素单元的彩色滤光膜本就要在不同步骤中形成，因此，其厚度较易被分别控制。基于此，可以简化制备工艺，降低成本。同时，还可以在反射层或彩色滤光膜上设置凹凸结构或波浪结构，使光线在微腔中发生漫反射，从而使最终射出的光线量增加，发光效率提高。

白光OLED还可以混合使用彩色滤光膜和单色发光层，通过使用白光和红、绿滤光膜形成红、绿子像素，并且使用蓝色发光层形成蓝色子像素。第一有机发光层形成在RGW子像素区上，而第二有机发光层形成在RGBW四个子像素区上。由此，RGW三个子像素区中发射白光，而B子像素区中发射蓝光。红、绿滤光片与第一区域内的红、绿子像素区相对设置。当从第二有机发光层发射的蓝光穿过滤光片部件时，蓝光的大部分可以穿过滤光片而不被滤光片部件吸收，可以提高蓝光的亮度。

另外，白光OLED还可以混合使用彩色滤光膜和颜色转换层。例如，在白光器件的光出射侧分别设置蓝色滤光膜、绿光色转换层和红光色转换层来得到蓝、绿、红色光，这样在红光部分充分转化利用了原有的绿光及蓝光能量，且原有的红光也可以透过，红光部分的效率会更高。另外，还可以在绿光色转换层与发光器件相异的一侧设置绿色滤光膜，背光源发出的白光由绿光色转换层进行转换，得到绿色光及红色混合光，再经过绿色滤光膜过滤得到纯正的绿色，这一过程充分利用了绿光部分的能量。

3.2 改进像素排列结构

在白光OLED显示领域，RGBW子像素的排列方式决定显示的亮度和清晰度，其排列方式主要包括：条形、田字形、多像素矩阵混合、条形与矩阵混合等[9]。

3.2.1 条形像素排列。该方式是采用并置像素排列的方式。由于白色子像素亮度约占全像素总亮度的36.1%，而蓝色子像素仅占6.45%，因此需要调整各子像素的面积以补偿发光效率低的像素。同时，由于自然图像大部分是由白光构成，为了提高有机发光显示屏的工作效率并充分利用白色子像素，全彩像素中W子像素所占像素面积被设置为最大，RGB子像素所占像素面积可根据使用频率及各有机发光器件效率而进行调整。

3.2.2 田字形像素排列。该方式是以两行两列配置构成2×2的结构。对于田字形的RGBW子像素的排列方式，通过改变构成一像素的四个子像素的交点的位置，可以调整构成一像素的RGBW四个子像素的面积比，因而，考虑到白色光发光强度的分布与彩色滤光片的透过波长依赖性等，将不同颜色的子像素的发光区域面积比配置成最适当的，可提高开口率，并可有效进行电路配置的设计。

3.2.3 多像素矩阵混合的像素排列方式。例如，每个像素组由3×3子像素阵列构成，包括左右两个像素单元，每个像素单元包括1R、1G、2B和1W，白色子像素位于阵列中心，两个像素单元共用同一个白色子像素。原本两个像素单元中相互独立的白色子像素合并成了一个，继而使得数据芯片对白色子像素的数据量减小了一半，用于写入灰阶电压的数据线输出根数也减小了一半。同时，位于同一行的像素组中的子像素共用同一条栅线，位于同一列像素组中的同色子像素共用同一条数据线，大大简化了驱动电路结构。此外，蓝色部分的总面积扩大一倍，使所需的电流均降为原来的一半，因此蓝色子像素的使用寿命大大增加。

3.2.4 条形与矩阵混合的像素排列方式。例如，W、B子像素均呈条形并沿列方向平行设置，R、G子像素沿列方向依次并列设置，两者在列方向上的长度之和小于W或B子像素在列方向上的长度。由于相邻的RG子像素共用W或B子像素，即RG子像素共用单色子像素少甚至沒有共用子像素，画质清晰、驱动系统简单，避免了由于大量共用不同颜色的子像素导致的驱动算法复杂的问题，进而避免了由此产生的驱动芯片成本上升的缺陷，使得使用寿命变长。同时，仅部分相邻的RG子像素共用W子像素和B子像素，像素开口面积大，分辨率高。

3.3 提高光提取效率

OLED器件发出的光在电极/玻璃以及玻璃/空气等不同材料界面会发生全反射，从而使大部分光陷在有机薄膜结构和玻璃基板中，导致外部量子效率大幅度降低，因此，增强器件的光提取效率对提高白光OLED显示器件的发光效率极为重要。目前，能有效提高白光OLED光提取效率的途径主要有三种：一是在ITO与玻璃之间加入光提取结构，包括折射率匹配层和散射层等；二是在玻璃基板表面或其他出光界面引入外部光提取结构，如凹凸结构、微透镜阵列、散射膜层等；三是在有机膜层中掺杂散射颗粒来增加有机层内部的散射。

4 结语

经过多年的不断研发，研究人员通过不断改进白色显示器件的有机发光材料、发光结构和驱动电路设计等大大提高了器件的发光效率、显示亮度及工作寿命，但出光效率、显示质量、功耗和制造成本仍然是限制白光OLED显示技术商业化发展的重要制约因素。尽管目前还有诸多问题需要解决，但高分辨率、高寿命、低成本的大尺寸柔性白光OLED的显示产品会在未来产业化道路上飞速发展，给人类带来更加美好的视觉享受。

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