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手机能折叠放在兜里,柔性屏幕未来可期

作者: 技术支持  发布:2019-11-13

原标题:手机能折叠放在兜里,柔性屏幕未来可期

出品:科普中国

现在越来越多的笔记本厂商开始尝试使用OLED屏幕,作为一种新型的屏幕类型,OLED有着无需背光源,可以自发光,可视角度更大、色彩更丰富、节能显著、可柔性弯曲等优点。

制作:中国科学院半导体研究所 刘翠翠

不过在笔记本上的应用却并不是那么的多,听到的更多是OLED烧屏等报道。这一屏幕类型到底都有着怎样的优点缺点,靠不靠谱?以及它的前世今生。这篇文章或许可以帮到你。

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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近年来我在科技界的热度,都要赶上《延禧攻略》在八卦论坛的热度了。你们猜到我是谁了吗?

OLED屏的前世今生

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有机发光二极管(英文:Organic Light-Emitting Diode,缩写:OLED)又称有机电激发光显示器(英文:Organic Electroluminescence Display,缩写:OELD)、有机发光半导体,与薄膜晶体管液晶显示器为不同类型的产品,前者具有自发光性、广视角、高对比、低耗电、高反应速率、全彩化及制程简单等优点,但相对的在大面板价格、技术选择性、寿命、分辨率、色彩还原方面便无法与后者匹敌。

《延禧攻略》剧照

有机发光二极管显示器可分单色、多彩及全彩等种类,而其中以全彩制作技术最为困难,有机发光二极管显示器依驱动方式的不同又可分为被动式(Passive Matrix,PMOLED)与主动式(Active Matrix,AMOLED)。

再看看下边这个手机专利领域的黑科技——柔性可弯折屏幕,是不是像极了十多年前满大街都能看到的翻盖手机?目前大家对可弯曲、折叠屏幕的需求越来越高,这使得我展示出了更大的价值。

有机发光二极管可简单分为有机发光二极管和聚合物发光二极管(polymer light-emitting diodes,PLED)两种类型,目前均已开发出成熟产品。聚合物发光二极管相对于有机发光二极管的主要优势是其柔性大面积显示。但由于产品寿命问题,目前市面上的产品仍以有机发光二极管为主要应用。

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可折叠手机专利图

最初观察到有机材料中电致发光现象的是二十世纪五十年代AndréBernanose和他在法国南茜大学的同事,1960年,Martin Pope和他在纽约大学的一些同事开发了与有机晶体接触的欧姆暗电极(ohmic dark-injecting electrode)。

现在猜到了吗?Bingo!我就是显示屏界的新秀,你们的小可爱——OLED,中文名:有机发光二极管。

他们进一步描述了空穴注入电极触点和电子注入电极触点所需的能量需求。这些正是所有现代OLED器件中电荷注入的基础。

我第一次成为引人瞩目的焦点,是在全面屏手机正式亮相的那一刻。像所有的划时代产品一样,我也有着诸多槽点——价格不友好、外观设计颠覆等都引来了不少吐槽。但是,敢于尝鲜的人还是义无反顾地入了我的坑。

Pope的小组还首次通过在400伏特电压下使用一小块银电极,观察到了单一纯蒽晶体和掺有并四苯的蒽晶体在真空下的直流电致发光的现象,并提出了场加速电子励磁分子荧光的机制。

想知道我是凭借什么"特殊的手段",让诸多电子设备厂商被"撩"得心甘情愿,让大家忍痛倾囊却义无反顾的吗?下面请听我娓娓道来。

ēn(Anthracene)蒽,俗称绿油脑,一种稠环芳香烃,分子式C14H10,分子量178.22。无色棱柱状晶体,有蓝紫色荧光,有升华性,有毒。不溶于水,微溶于乙醇,溶于乙醚、苯、甲苯、氯仿、丙酮、四氯化碳。

我是谁?

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首先你要知道,我的中文名字是"有机发光二极管",英文名为:Organic Light-Emitting Diode,当然你们习惯简单地称呼我为OLED,这个名字让我感觉更加亲切。顾名思义,我和我的哥哥LCD(Liquid Crystal Display)们不一样,我大哥LED(发光二极管,Light-Emitting Diode)和二哥CCFL(冷阴极荧光灯管, Cold Cathode Fluorescent Lamp)都是利用无机材料发光,我则利用了有机化合物发光材料发光。

Martin Pope

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Martin·Pope的小组在1965年报告说,在没有外部电场的情况下,蒽晶体中的电致发光是由热化电子和空穴的重组引起的,并且蒽晶体中能量的导电能级是高于激子(激发子,晶结构中受激发的电子)中能级的。

美丽的OLED屏幕

同样在1965年,加拿大国家研究委员会的W.Helfrich和W. G. Schneider首次在使用空穴和电子注入电极的蒽单晶中首次实现了双重注入复合电致发光。同一年,陶氏化学研究人员通过提出高压交流电驱动电绝缘的一毫米熔融磷光体薄层制备电致发光原件的方法而获得了相关的专利(该元件由研磨的蒽粉、并四苯、石墨粉末组成)。

也许你们现在也已经天天都和我见面了。但是,你们真的了解我吗?比如,我是怎么来的?我是怎么发光的呢?

而首次对聚合物薄膜进行了电致发光观察的则是Roger Partridge在英国的国家物理实验室,他们的成果于1975年获得专利,并于1983年发表。

根据我的名字,你们都知道了,我是通过电作用在有机材料上发光的。我最常见的结构就是下图这样的"三明治结构",包括:底基(或者称基板)、阳极、空穴传输层、有机发光层、电子传输层、阴极六个层。

最后,自1975年开始加入柯达公司Rochester实验室并从事有机发光二极管研究的邓青云博士,在意外中发现了OLED。

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1979年的一天晚上,他在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室,回到实验室后,他发现在黑暗中的一块做实验用的有机蓄电池在闪闪发光,从而开始了对有机发光二极管的研究。

常见的OLED结构图

到了1987年,邓青云和同事Steven成功地使用类似半导体PN结的双层有机结构第一次作出了低电压、高效率的光发射器。为柯达公司生产有机发光二极管显示器奠定了基础。由此被誉为OLED之父。

底基是什么?正如房子的地基一样,有了合适而坚实的地基才能从它上边盖起高楼大厦,底基就是我的基础,我整个结构都需要底基做载体。底基材料的选择也是多种多样的,如果选择了透明导电玻璃,我就是个硬汉子,宁折不弯;但是如果选择了塑料或聚酯薄膜,我就变成软妹子了。而你们都在畅想的可折叠的手机,肯定是要和这样的我合作啦。

OLED英文名为Organic Light-Emitting Diode,缩写:OLED,中文名“有机发光二极管”更是邓青云命名的。

再说说我的阳极和阴极,与普通的电池不同,我的电极材料可是非同一般。我的阳极材料需要有很高的功函数和透光性,比较常见的是铟锡氧化物(ITO);阴极材料则需要用功函数较低的有机金属,这样才更有利于提高我的发光效率。

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还有我的电子传输层和空穴传输层,你们应该也猜到了吧,这两层就是我体内阴极释放的电子和阳极释放的空穴的专用通道。他俩的材料也不是随随便便的,也要采用稳定性很高的有机物哦。

邓青云博士

最后,就要说说我的核心区域——有机发光层了。这一层当然是有机材料,主要有两大类,一种是掺杂了有机染料和颜料的小分子材料;另一种是共轭高分子材料。当我使用了共轭高分子材料做为发光材料时,你们也可以叫我PLED了(全称:polymer light-emitting diode)。

邓青云博士,出生于香港,并于英属哥伦比亚大学得到化学理学士学位,于1975年在康奈尔大学获得物理化学博士学位。

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到了1990年,英国剑桥的实验室也成功研制出高分子有机发光原件。

OLED发光点

1992年剑桥成立的显示技术公司CDT(Cambridge Display Technology),这项发现使得有机发光二极管的研究走向了一条与柯达完全不同的研发之路。可广泛利用在各个领域,目前OLED更多使用的是AMOLED技术。

你们想知道我是怎么发光的吗?哈哈,既然你们诚心诚意地发问了,我就大发慈悲地告诉你们。

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想让我发光其实很简单——通电就好。因为我是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件,俗称"给点电流就灿烂"型,用合适的电流(常见:2-10A 直流)刺激我,我便能发出美丽的光芒。

OLED屏原型机

当我的阴极和阳极联通电源之后,就会产生一个电场。在电场的作用下,阴极产生的电子和阳极产生的空穴就会向发光层移动。当二者在发光层相遇时,电子空穴复合,同时以光子的形式释放能量,这个时候我就发光了。

而LCD与OLED最大的区别就是,LCD的像素是不会发光的,但OLED的像素却是自发光的,并不需要外部光源。通常认为,OLED在技术上比LCD更为先进。

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OLED的技术细节

一种彩色OLED光源发光原理图

有机发光二极管基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO),与电力之正极相连,再加上另一个金属阴极,包成如三明治的结构。整个结构层中包括了:电洞传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。当元件受到直流电所衍生的顺向偏压时,外加之电压能量将驱动电子与空穴分别由阴极与阳极注入元件。

如果想让我做彩色显示设备,也有多种方法。第一种是我可以自顾自地发白光,工程师们可以通过彩色滤色片得到三基色,从而得到多种色彩;这第二种呢,就是选择不同的有机发光材料、掺杂不同的染料或荧光材料来让我本身就发出三原色的光,但是这种方法比较难应用,因为如果我的一部分首先出现了损坏,只剩下两种颜色的我,就不能展示出美丽的图片了。其实还有其他的方法,有机会再告诉大家。

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我从哪里来?

OLED基本结构:

我的出生经过了很多人不懈努力,是许许多多的科技工作者日日夜夜地奋斗,共同孕育了我。你们别看我近两年才真正走入大众的视线,其实我已经30多岁了。

1、阴极(?)

最早,大约是在上世纪50年代,就有人在努力地寻找我了。那是在法国的南茜大学,物理化学家安德烈・贝纳诺斯(A.Bernanose)就曾付出过努力。他尝试通过在蒽单晶片上加直流电压来激发我的潜力。但是很无奈,我当时还无法控制自己。于是,我又沉睡好久。

2、发光层(Emissive Layer, EL)

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