NHK與日本觸媒為實(shí)現(xiàn)可彎曲顯示器，開發(fā)出了元件構(gòu)造與正常元件相反的有機(jī)EL元件“iOLED（Inverted Organic Light-Emitting Diode）”。iOLED的電子注入層（EIL）材料通過采用自主開發(fā)的材料，比普通構(gòu)造的有機(jī)EL元件提高了發(fā)光效率。而且還確認(rèn)了iOLED對氧氣和水分的耐受性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通構(gòu)造的有機(jī)EL元件的特性。

我們正在研發(fā)薄型、輕量、可彎曲的柔性顯示器（圖1）。如果能推進(jìn)這類顯示器的技術(shù)開發(fā)，就可以實(shí)現(xiàn)隨時隨地觀看高畫質(zhì)影像信息的移動電視，而且，將來家中有望導(dǎo)入可獲得身臨其境般的高臨場感的超大屏幕電視。因?yàn)楫a(chǎn)品輕量可彎曲，容易搬進(jìn)房間內(nèi)。實(shí)現(xiàn)柔性顯示器的關(guān)鍵技術(shù)是耐氧耐水的有機(jī)EL元件，我們在全球率先展開了研究開發(fā)。


圖1：計(jì)劃實(shí)現(xiàn)柔性顯示器
如果能實(shí)現(xiàn)柔性顯示器，影像內(nèi)容的視聽方式將發(fā)生變化。小型顯示器將可以自由搬運(yùn)，100英寸級的大屏幕顯示器也有望導(dǎo)入家庭。通過提高耐氧、耐水的有機(jī)EL元件“iOLED”的性能，采用塑料基板的柔性顯示器有望延長壽命。

劣化的主因是堿金屬
有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode：OLED）或有機(jī)EL元件是層積了非常薄的有機(jī)膜的自發(fā)光型元件，有望實(shí)現(xiàn)超薄型顯示器，可以說是最適合柔性顯示器的顯示技術(shù)。近年來，采用有機(jī)EL元件的柔性顯示器研究取得了一些顯著進(jìn)展，2013年5月舉行的國際會議“2013 SID International Symposium, Seminar & Exhibition”（SID 2013）上， 也報告了326ppi（pixel per inch）等精細(xì)度非常高的顯示器，以及最大尺寸為14.7英寸左右的顯示器。

以往的普通有機(jī)EL元件（普通OLED）先在基板上形成透明陽極——ITO膜（Indium Tin Oxide：氧化銦錫），然后在其上成膜空穴運(yùn)輸層（HTL）、發(fā)光層、電子運(yùn)輸層（ETL）等多種有機(jī)層，最后形成電子注入層（EIL）和陰極（圖2（a））。通過從外部為元件加載電壓，從陰極注入電子，從陽極注入空穴，在發(fā)光層復(fù)合。通過復(fù)合激發(fā)有機(jī)分子，從而發(fā)光。


圖2：普通OLED與iOLED的積層構(gòu)造差異
普通OLED是把在基板上成膜的ITO用作陽極（a），而iOLED將其用作陰極（b）。

普通OLED采用的EIL和陰極材料是堿金屬（鋰、銫、鋇）以及鋁等功函數(shù)低、空氣活性高的材料，因此在大氣中受到氧氣和水分的影響后，陰極部會發(fā)生氧化等，從而導(dǎo)致劣化。所以，采用普通OLED的產(chǎn)品，需要用玻璃和粘合劑進(jìn)行密封。

這是造成有機(jī)EL顯示器和有機(jī)EL照明器具成本高的因素之一，也是實(shí)現(xiàn)柔性顯示器和照明器具的一大障礙。

高品位阻擋層課題多多
NHK放送技術(shù)研究所以前利用普通OLED試制了柔性有機(jī)EL顯示器（圖3）。如截面構(gòu)造所示，各像素由像素選擇用晶體管（Sw TFT）、像素驅(qū)動用晶體管（Dr TFT）以及普通OLED構(gòu)成?；搴头庋b膜采用Poly-Ethylene Naphthalate（PEN）薄膜，為保護(hù)顯示器內(nèi)的普通OLED電子注入層和陰極不受大氣中的水分和氧氣影響，還形成了阻擋層。


圖3：柔性有機(jī)EL顯示器容易劣化
NHK技研試制的5英寸柔性有機(jī)EL顯示器及其截面構(gòu)造。采用柔性塑料基板時，很難完全阻擋住大氣中的氧氣和水分浸入。受氧氣和水分的影響，柔性有機(jī)EL顯示器會發(fā)生劣化。

普通OLED需要實(shí)施水蒸氣透過率和氧氣透過率都差不多為10-6g/m2/day級別的密封。此次雖未評價阻擋層的阻隔性能，但經(jīng)過較長時間后，在大氣中存放的顯示器出現(xiàn)不發(fā)光的部分，觀測到了大幅劣化的現(xiàn)象（圖3）。估計(jì)這是因?yàn)樵囍频娘@示器缺乏足夠的阻隔性的緣故。

還有報告顯示，有的阻擋層具備水蒸氣透過率高達(dá)10-6g/m2/day左右的高阻隔性，不過大多是采用窒化硅（SiN）等硬材料時，而在薄膜上形成阻擋層時，彎曲耐性則不明確。能否在大面積基板上形成均勻且高品位的阻擋層等也不得而知。因此，采用PEN等柔性基板的柔性顯示器的長壽命化是實(shí)用化面臨的最重要課題。

ITO從陽極改到陰極

作為解決該課題的對策之一，近年來不使用任何堿金屬等高活性材料的“逆構(gòu)造OLED（inverted OLED：iOLED）”受到了較大的關(guān)注。iOLED的電極積層構(gòu)造與普通OLED相反（圖2（b））。例如，從基板方向提取光的底部發(fā)光型iOLED是把在基板上成膜的ITO作為陰極使用，在ITO上形成EIL膜。然后在上面依次層積發(fā)光層等有機(jī)層。

采用這種構(gòu)造的有機(jī)EL元件有望延長顯示器顯示部的壽命。原因在于，底部發(fā)光型iOLED通過把ITO用作陰極，與陰極采用鋁等的普通OLED相比，大幅提高了陰極的大氣穩(wěn)定性。

另外，如果其上層積的EIL能使用惰性材料，就可以實(shí)現(xiàn)耐氧和耐水的有機(jī)EL元件。這個優(yōu)點(diǎn)在柔性有機(jī)EL顯示器中尤其大。因?yàn)榭梢詼p少使用高阻隔性硬封裝材料的必要性。

與n型TFT組合使用，動作穩(wěn)定
采用iOLED還有一個很大的優(yōu)點(diǎn)。那就是提高了采用n型TFT的有源矩陣（AM）型顯示器的驅(qū)動穩(wěn)定性。最近，TFT采用InGaZnO TFT的情況越來越多。InGaZnO TFT為n型，與iOLED非常匹配。

在普通的“雙晶體管＋單電容器（2T＋1C）構(gòu)造”以及采用底部發(fā)光型有機(jī)EL元件的AM型顯示器中，連接有機(jī)EL元件的電極在普通OLED和iOLED之間是不同的（圖4（a））。比如，普通OLED在陽極，而iOLED在陰極連接Dr TFT。


圖4：普通OLED和iOLED在驅(qū)動電路中的連接位置發(fā)生變化
（a）為顯示器的截面構(gòu)造，（b）為顯示部采用普通OLED的驅(qū)動電路模式圖，（c）為顯示部采用iOLED的驅(qū)動電路模式圖。

因此，TFT采用InGaZnO等n型TFT的話，驅(qū)動電路中的有機(jī)EL元件的位置在普通OLED和iOLED間也各不相同（圖4（b～c））6）。普通OLED配置在n型TFT的接地側(cè)，iOLED配置在柵極線側(cè)。

流經(jīng)有機(jī)EL元件的電流以Dr TFT源極電極和柵極電極間加載的電壓（VGS）為基準(zhǔn)。首先來看InGaZnO TFT＋普通OLED的情況（圖4（b））。接地與Dr TFT源極電極間的有機(jī)EL元件的驅(qū)動電壓在驅(qū)動的同時緩慢上升，因此Dr TFT的電位基準(zhǔn)——源極電極的電位也受其影響發(fā)生變化，Dr TFT的VGS下降，流經(jīng)有機(jī)EL元件的電流減少。結(jié)果有報告顯示，從有機(jī)EL元件獲得的亮度降低，造成燒毀等現(xiàn)象。 [!--empirenews.page--]

而InGaZnO TFT＋iOLED因源極電極充分接地，驅(qū)動有機(jī)EL元件后VGS也不會發(fā)生變化（圖4（c））。因此，流經(jīng)有機(jī)EL元件的電流能保持穩(wěn)定，不會發(fā)生燒毀現(xiàn)象。（特約撰稿人：深川 弘彥，NHK放送技術(shù)研究所研究員；清水 貴央，NHK放送技術(shù)研究所專職研究員；有元 洋一，日本觸媒研究員；森井 克行，日本觸媒首席研究員）