空穴注入层技术在聚合体OLED器件中的重要性
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摘要：空穴注入层技术可降低OLED成本和提高其生产效率，是使柔性OLED显示成为商品化的一个重要因素。
关键词：空穴注入层；聚合物OLED；印刷电子
中图分类号：TN141文献标识码：A
The Importance of Hole-Injection-Layer Technology in Polymer Organic Light-Emitting-Diode Displays
Brian Woodworth，Mathew Mathai，Ritesh Tipnis，Eric Boughner
Abstract: By improving cost and manufacturing efficiencies of OLED displays,hole -injection -layer technology could be one factor in enabling the commercialization of flexible OLED -based displays.
Keywords:hole-injection-layer; polymer OLED; print electronic
电子技术正从作为商业和日常生活工具的地位不断过渡，体现出新的功能,这些过渡在我们周围的生活环境中潜移默化地发生和进行。印刷电子设备（PE）将以指数规律对这一趋势产生影响，它已导致信息处理、能量传输和通信的新方式的诞生（见图1）。PE的继续发展对于可提供低成本高效率产品和产品设计最优化的趋势是关键性的，因为以目前的电子制造技术是不可能得到这种综合性的最优化。
PE在电源、电路和发光诸方面新的低成本应用预计将促进该行业迅速发展，其行业产值可从目前的10亿美元达到20年后的300亿美元。PE在不久的将来具有印刷制造发光器件的可能性，使OLED可显示高分辨图像，功耗小于LCD屏。在视频方面的另一应用，包括印刷制造太阳能组件，比硅基配对物有更好的性价比，还可印刷制造射频识别器件。当所有这些应用在柔性基板上进行设计和得以实施，无疑将获得极大的性价比。
1在FPD行业中的应用
采用有机导体（OC）材料的显示器件，如果其关键参数诸如器件效率、寿命和工作电压实现最优化，将可获得平板显示器(FPD)市场的重要部分。此外，为使其应用在价格上具有竞争，可使用印刷或者溶液处理方法，制造技术对于降低价格是极为重要的。采用OLED技术的柔性显示将是符合这些设备要求的最佳选择。
OLED可以制造成多种式样，而每一次有益的改进都促进了研究以及产品的商业化。某些OLED显示拟采用小有机分子（SMOLED）混合制作发射层，这需要在制造设备方面投入相当可观的投资，因为为了获得所需的每一种颜色，在极薄的光掩膜上进行一系列的真空沉积工序的成本是很高的。另外在材料使用和能耗方面采用该制造方法是低效率的，致使其在成本方面毫无优势，尤其对于大面积显示。这也说明该方法应用到大尺寸基板上实施是非常困难的。
这种情况导致了对于由电致发光聚合物构成的发光二极管（即通常所称的PLED）的广泛兴趣，这种聚合物传统上采用溶液处理技术（与墨水类似）。不仅因为溶液处理技术成本低，还由于多项应用技术，如喷墨印刷和接触印刷是用于在柔性基板上淀积小有机分子的主要手段。另外，当小有机分子（SMOLED）拟应用到较大基板时，基板尺寸被限制，这是由于它目前制造方法的固有极限所致，而上述印刷技术可在大尺寸或小尺寸两种基板上制备PLED，在大尺寸基板方面还更具优势。因此，PLED技术作为柔性有源矩阵显示的前面板制备技术十分具有潜力。
典型的双层PLED器件结构见图2。它由制备在玻璃板或者塑料基板上的四层材料组成，在低逸出功函数的金属阴极和透明阳极――ITO之间制作由溶液处理获得的发光聚合体薄层（LEP）和透明空穴注入层（HIL）。
2空穴注入层的重要性
如果PLED器件大批量用于制造有源矩阵显示器，那么空穴注入层在提高效率、延长寿命、降低电压方面的重要性是不可忽略的。空穴注入层在PLED中的作用是：
①使空穴有效注入和通过这两层之间的能量间隙将空穴从阳极迁移到LEP（发光聚合体薄层）层；
②使阳极表面实现平面化，以防止短路；
③大量电子从LEP层流出进入阳极而不产生复合。
这样，有效的空穴注入层HIL使空穴和电子均匀地集结在发射层，以低输入能实现最大程度的复合，这将导致器件性能在上述所有范围的提高。一种理想膜的厚膜结构和形态提供了空穴迁移到LEP和HIL界面的均衡导电通道，这可降低开启电压和提高发光性能。
多种工艺使用了空穴注入层材料，它们普遍是以聚乙烯(3，4四溴化乙烯)（PEDOT）为主要成分。另一类广泛使用的空穴注入层材料是以聚合对二氨基联苯/硼烷/氨酸碘三元系统的非质子成分以及硅氧烷/咔唑为主的HIL材料,上述这些材料都可加工为溶液，已被制成商品销售供印刷电子行业使用。然而，小分子（SM）显示制造商们一直在继续使用由某些气相淀积系统制备获得的对二氨基联苯/F4TCNQ为主体的空穴注入层材料。
必须指出，可用于批量生产的HIL技术在对PLED的性能和寿命产生某些积极影响的同时，也存在若干缺点，这些缺点限制了上述这些材料的使用，最终影响了PLED的批量生产。这些限制包括：
①常规HIL的高酸性引起ITO退化和将铟溶化进HIL层，这种阳极和HIL界面的不稳定将影响器件性能和降低它的寿命，此外，这还导致印刷这些材料时的困难，增加丝网印刷时的磨擦，甚至撕破印刷丝网。
②传统的HIL材料具有吸湿性能，导致大量湿气吸收，这对于器件是十分有害的。
③目前可批量生产工艺仅限于使用水性系列材料，这限制了显示器件制造者对印刷工艺的选择。因此，为了使PLED寻找到更合适的应用，如用于制备对角线大于30in有源矩阵电视的前板，则需要对现有HIL材料的性能进行升级和品种改良。
3Plexcore公司空穴注入层的制造和性能提高
Plextronics公司开发了Plexcore空穴注入层技术，这是一种实现PLED显示商品化的关键技术，通过采用扩大的聚合体设计平台Plexcore空穴注入层材料的高可调性能可帮助克服现有技术的限制，这一点是非常重要的。因为器件结构和材料选择的多样性，如LEP，可满足显示制造商组成空穴注入膜层不但柔软，而且在器件中与上下层材料结合一致和协调的需要。
Plexcore空穴注入层是一种复合成分系统，它包括多边聚乙烯（RRPT）聚合体（图3），还有添加剂，复合成分溶液系统（包括水和有机溶液两种），一种矩阵聚合体和另一种影响HIL特性或者薄膜性能的添加剂。这些特殊的成分和配比随应用在特殊oled器件中的要求和其发射系统而改变。
该公司为科技人员研究改进适合用于HIL产品材料的基本性能提供平台。在过去的几年中，用多于850种独特的成分配比在大约2，750个器件中筛选出六种可实际使用的发射极。图4表现了反复试验的结果，利用调节Plexcore 空穴注入层的成分配比获得期望的器件性能。显示器制造的试验表明，该技术将帮助获得产业化的高性能低成本AMPLED全色显示，寿命和效率大大提高。
4 空穴注入层对大量商用设备的影响
测试器件性能获得的数据表明Plextronics公司利用这一系统基础技术解决了大批量生产的关键问题，从图5 Plextronics公司的有源矩阵OLED进展过程可看到通过成功采用HIL和相应发射技术的改进，使器件结构实现了最优化, 同时，研发能力也大大提高。这种在技术开发方面的努力将使器件寿命性能满足OLED在显示行业的商用。
5结语
印刷电子为发展柔性显示的功能开创了一个新天地。OLED，特别是通过印刷方法制造的PLED显示首当其冲。如上所述的空穴注入层技术通过不断改进将提高这些显示的效率和工作寿命，同时大大降低它们的制造成本。这些进展将有助AMPLED显示赢得FPD市场份额增加的可能。
参考文献
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(浙江大学 顾智企
译自《Information Display》10/07)