详解OLED显示原理和结构

一路上

一、前言

OLED（Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管），其原理是在两个电极之间夹有一层有机发光层，当这种有机材料中的正负电子相遇时就会发光。

它的元件结构比目前流行的TFT LCD简单，其自身发光的特性，目前LCD需要背光模块（在液晶后面加LED），但OLED通电后会自己发光，可以省去LED的重量、体积和功耗（LED灯管的功耗几乎占了整个液晶屏的一半），不仅产品厚度只有2mm左右，工作电压低至2到10伏，而且OLED的响应时间（小于10ms）和色彩都比TFT LCD要好，更具可弯曲的特性。

想了解更多关于LCD显示器的请看《详解LCD显示原理和结构》。

二、屏幕结构

OLED的基本结构是在氧化铟锡（ITO）玻璃上制作一层厚度为几十纳米的有机发光材料作为发光层，发光层上面还有一层功函数较低的金属电极，形成类似三明治的结构。

外壳（透明塑料、玻璃、金属箔）：用于支撑整个OLED。
阳极（透明）：OLED中需要注入空穴，因此需要有较高的功函数。常用的阳极材料有ITO、IZO、Au、Pt、Si等。
HIL（空穴注入层）：由于阳极与空穴传输材料之间的HOMO（最高占据分子轨道）能级差较大，增加空穴注入材料有助于增加界面间的电荷注入，最终提高器件的效率和寿命。
HTL（空穴传输层）：该层由从阳极传输“空穴”的有机材料分子组成。
EML（发射层）：此层是由有机材料分子所构成（与导电层不同），发光过程在此层进行。
ETL（电子传输层）：该层由从阴极传输“电子”的有机材料分子构成。
EIL（电子注入层）：帮助电子从阴极注入到有机材料中。注入层的作用是使阳极功函数LUMO（最低未占据分子轨道）能级与阴极功函数和HOMO能级良好匹配，使电子和空穴能够顺利地从电极流向传输层。
阴极（可以是透明的也可以是不透明的，取决于OLED的类型）：阴极材料的选择最基本的条件是电子注入容易。因此需要选择低功函数的材料作为OLED的阴极。使用功函数低的材料作为阴极，不仅可以提高电子注入效率，还可以降低OLED工作过程中产生的焦耳热，提高器件的寿命。下面列举常见的阴极材料及结构：
金属元素：Ag、Al、Li、Mg、Ca、In等。单质金属性质活泼，容易被氧化，导致寿命缩短。
合金材料：Mg:Ag(10:1)、Li:Al(0.6%Li)等活性及低功函数金属及其化学性质。

三、屏幕发光原理

OLED 发光原理是利用电致发光现象，即正 (+) 和负 (-) 电荷之间的差异产生的能量以光的形式发射。当向 OLED 结构供电时，从阳极注入的正电荷迁移到阴极，从阴极注入的电子迁移到阳极。正电荷和电子通过促进其移动的有机材料在发射材料层 (EML) 中重新结合，例如空穴注入层 (HIL)、电子注入层 (EIL)、空穴传输层 (HTL) 和电子传输层 (ETL)。产生的组合实体称为激子。最初，它处于具有高能量的激发态，但它会损失能量并达到基态。损失的能量以光的形式发射出来。

OLED的发光过程通常有以下5个基本阶段：

1.载流子注入：在外加电场作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到夹在电极之间的有机功能层中。
2.载流子传输：注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层迁移到发光层。
3.载流子复合：电子与空穴注入发光层后，在库仑力的作用下结合在一起，形成电子空穴对（激子）。
4.激子迁移：由于电子和空穴传输的不平衡，主要的激子形成区域通常不能覆盖整个发射层，因此由于浓度梯度而发生扩散迁移。
5.激子辐射使光子去激发：激子辐射跃迁、发射光子并释放能量。

四、色彩显示原理

在了解OLED发光原理的同时，大家可能想知道OLED显示器是如何表现色彩的。OLED利用了光的能量发射程度随“带隙”而不同的特性来表现所有的颜色。物质内部的能量发射程度取决于电子存在的最高能级（HOMO）与没有电子的最低能级（LUMO）之间的差异。当带隙较大时，需要更多的能量来跨越它，因此当电子跳过该间隙时会发射更高能量的短波长蓝光。当带隙较小时，有可能发射较低能量、较长波长的红光。从中等大小的带隙发射的光是中波长的绿光。OLED将这三原色光（红、绿、蓝）以不同的强度组合在一起，以表现所有的颜色。

OLED中生成红、绿、蓝 (RGB) 的方法

由于不同种类的有机分子能带隙不一样，OLED发光的颜色取决于发光层中有机分子的种类，将数片有机薄膜放在同一个OLED上，即可形成彩色显示屏。光的亮度或强度取决于发光材料的特性以及所施加电流的大小，对于同一个OLED电流越大，光的亮度越高。

五、屏幕类型

1. 无源矩阵 OLED (PMOLED) 屏幕由具有不透明阴极和透明阳极的单元组成，这些单元以条带形式相互垂直。这些条带之间是交替颜色的发光二极管和导电分子的有机层。一旦接通外部电路的电源（施加电压），电流就会流过特定的阴极和阳极条带，从而根据照亮的分子和施加的电流（分别）通过电极交叉点发出选定颜色和亮度的光。PMOLED 过程以图表形式显示在下方，为简单起见，仅显示两种像素颜色：  

PMOLED显示器使用一种简单的控制方案，您可以按顺序 (一次一个) 控制显示器中的每一行 (或每一行)。PMOLED显示器不包含存储电容器，因此每条线中的像素实际上大部分时间都关闭。为了弥补这一点，你需要使用更多的电压，使他们更亮。例如，如果你有10条线，你必须使一条线的亮度是10倍 (实数小于10，但这是一般的想法)。

因此，尽管pmoled易于 (且便宜) 制造，但它们效率不高，并且OLED材料的寿命较低 (由于所需的高电压)。PMOLED显示器通常很小，用于显示字符数据或小图标: 它们用于可穿戴设备，小型小工具和子显示器。

2. 有源矩阵 OLED (AMOLED) 单元包含有机分子层和阳极，它们排列成小片（像素），夹在较大的阴极片之间，并集成到 TFT（薄膜晶体管）矩阵中。TFT 矩阵不仅充当支撑基板；它还通过打开或关闭流向相应像素的电流来控制哪些像素被激活，从而以类似于 TFT LCD 显示器的方式驱动它们。这种单元的典型布局如下所示，同样仅使用两种像素颜色以方便图示。

请注意，图中的单元是底部发射的（即具有透明的 TFT 背板，光线可以穿过）。AMOLED 单元也可以是顶部发射的，这意味着光线穿过透明阴极而不是反射或透明的基板（TFT 背板）。

3. Micro LED是一种基于LED（发光二极管）的微型显示技术，是由数百万个微小的LED像素组成，每个像素都可以自主发光，不需要背光源或滤光片，通过定址化驱动技术作为显示器。Micro LED使用的是无机材料，而不是有机材料。这样就可以避免有机材料容易氧化、老化、烧屏等问题，从而提高显示器的稳定性和寿命。

至于具体参数，Micro LED屏幕理论的全彩亮度可以达到100000nit，功耗却比OLED屏幕节省90%，同时在色彩方面也可以全面超越OLED。还有响应时间，更是达到了可怕的纳秒级，并且功耗可低至LCD的10%、OLED的50%。

综合来说，Micro LED结合了OLED的像素发光、对比度和颜色优势，和LCD高亮度、耐用的优点，避免了OLED容易老化、烧屏的有机材料缺点，几乎是最完美的显示技术,但是生产工艺复杂。

六、像素电路工作原理

1.OLED Diode 为电流驱动发光，因此要将Data电压信号转换为电流信号。

2.实现该功能的最简易像素电路由两颗TFT和一颗电容组成，简称2T1C，如下图。

3.该电路利用STFT作为开关，控制信号是否输入N点，DTFT进行电压电流转换并驱动OLED，电容Cst对N点进行稳压；

具体流程如下：

第一阶段：STFT 关闭，N1 点仍保持上一帧电压， DTFT输出上一帧的电流，OLED也为上一帧亮度

第二阶段：STFT 打开，Data 电压输入N1点，同时对电容进行充放电；DTFT输出新的电流，OLED亮度发生变化。

第三阶段：STFT 关闭，电容Holding，N1点电压，直到下帧资料写入，OLED 持续发光。

OLED比LCD多了由电源直接供给TFT2的正负电压，即ELVDD、ELVSS如下图所示。更详细的像素工作电路请看《OLED屏幕电路原理》。

七、显示制备工艺

目前中小尺寸OLED主流技术FMM-OLED采用的是真空蒸镀方法，主要是将有机材料加热升华，通过使用高精度的金属掩膜板分别图案化形成红、绿、蓝OLED器件的有机膜层。高精度金属掩膜板需要使用具有极低热变形系数的材料来制作，开孔的尺寸在微米级别，对位精度要求极高，因此成本高昂。同时，重力作用还会导致高精度金属掩膜板形变，任何微小的形变都会对对位和蒸镀区域产生重大的影响，且尺寸越大形变问题越严重，所以大世代线应用难度极高。

与FMM-OLED采用真空蒸镀不同的是，IJP－OLED采用的是喷墨打印技术将有机材料配置成溶液，然后通过高精度的喷头，精准地控制墨滴的体积(皮升级别，10-12L)和喷墨位置，将其打印在预先制备好的基板的像素坑内。真空干燥后形成OLED器件的有机膜层最终形成红、绿、蓝发光单元。可见，印刷OLED技术工艺非常简单，可以像“印刷报纸”一样来印刷显示屏幕，同时不需要昂贵的真空蒸镀机台，也不需昂贵的高精度金属掩膜板，可适用于各种尺寸的产品范围（TV/Monitor/Notebook/Tablet）。

在中大尺寸主流技术WOLED和QD-OLED同样采用的是真空蒸镀的方法，并利用金属掩膜板图案化。WOLED是在玻璃基板上形成整面白光OLED器件的有机膜层，然后通过图案化的阳极和彩色滤光片形成白、红、绿、蓝发光单元，其中白光OLED器件需要蒸镀约18-20层。QD-OLED与WOLED不同的是在下玻璃上形成整面多叠OLED器件的有机膜层发出蓝光，然后在上玻璃基板上通过打印的方式图案化的量子点光色转换层和整面封装层，最后搭配图案化的彩色滤光片形成红、绿、蓝发光单元，其中堆叠器件共需要蒸镀约22-24层。

而印刷OLED仅需要通过喷墨打印的方式形成5-6层有机膜即可形成红、绿、蓝发光单元，器件结构和发光结构都非常简单，材料利用率也高达90%，并且无需复杂的工艺制程与真空蒸镀设备。因此，在中大尺寸显示器应用中，印刷OLED生产预计比WOLED和QD-OLED成本都要低。例如，当在10代线上生产65英寸的电视时，与WOLED和QD-OLED相比，印刷OLED据推算可以将BOM成本降低10%-20%。同时，印刷OLED的竞争力也延伸至中小尺寸显示器市场，与６代线上１3.3英寸面板生产中使用的FMM OLED工艺相比，印刷OLED可将BOM成本降低约10%。另外，与WOLED、QD-OLED、FMM-OLED相比，IJP在设备和工厂建设方面的初始投资成本也更低，在生产过程中还具有较低的运营成本。

八、结语

电子产品领域中，OLED应用最为广泛的就是智能手机，其次是笔记本、显示屏、电视、平板、数码相机等领域，由于OLED显示屏色彩更加浓艳，并且可以对色彩进行调教（不同显示模式），因此在实际应用中非常广泛，可见OLED显示屏的发展空间非常高，市场潜力巨大。