CN100446293C

CN100446293C - 一种双稳态有机发光像素

Info

Publication number: CN100446293C
Application number: CNB031174752A
Authority: CN
Inventors: 黄子强; 叶玉堂; 林祖伦
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: CN1531375A

Abstract

本发明公开了一种双稳态有机发光像素单元及其显示矩阵的结构，它是由透光基片、光敏元件和OLED依序重叠所构成，其中，光敏元件(2)由透光电极(23)、光敏功能片(2b)和遮光电极(2a)依序重叠构成，其特征在于光敏功能片(2b)的面积小于OLED元件(3)的面积，且遮光电极(2a)与透光基片(1)相邻，其尺寸应遮住光敏功能片(2b)，遮光电极(2a)的面积小于OLED元件(3)的面积，光敏功能片(2b)的面积小于OLED元件的面积。本发明的优点在于结构简单、制造容易，且双稳态性能不会受外界光影响。

Description

一种双稳态有机发光像素

技术领域：

本发明属于显示技术领域，特别是复合两种以上元件构成的有机发光单元的结构。

背景技术：

有机发光元件用于信息显示是目前研究的热点之一。典型的有机发光元件是有机发光二极管，其基本结构、原理可参考田民波所著，清华大学出版社于2001年出版的《电子显示》中的有关章节。有机发光二极管一般由氧化铟锡(ITO)薄膜电极、空穴传输层、有机发光层、电子传输层和背电极(对有机发光二极管而言为低功函数金属电极)依序复合而构成。在上述基本构成的基础上可以将红、绿、兰三基色加上黑色矩阵制成彩色显示屏的结构，或由白色发光功能层另配以彩色滤色膜的结构。最近，由无机材料构成的新型的发光元件也正在开发出来。但无论发光元件的材料和结构如何变化，在本发明以下的叙述中，将在电场或电流下能够发光的单层或多层材料的所构成的体系称为复合发光层，将两电极之间加上复合发光层所构成的电致发光元件简称为EL(Electric-emitting Luminance)；若EL中的复合发光层中至少有一种材料为有机材料，且在正、反向电压下其电流具有可以检测出的不对称特性，这种EL叫做有机发光二极管，简称为OLED(Organic Light Emitting Diode)。显然，OLED是EL的一个特例。

因现有EL技术中以OLED为研究重点，所以以下以OLED为例说明本发明。

使用OLED构成显示器件的方式大致可分为两类：一类是直接采用OLED。例如OLED作为像素，将OLED像素的两个端子分别接在显示矩阵的行与列上，驱动电路按照逐行扫描的方式对像素寻址。称为直接寻址方式。这种方式的优点是结构简单，缺点是每像素发光的时间与扫描行的数量成反比，扫描行数稍多一点就出现闪烁、图象暗淡等现象，因此这种方法仅适用于扫描行的数量较少的显示器件，例如扫描行数不超过32行的手机显示屏等。另一类为有源矩阵驱动的OLED，是在每个OLED像素上至少连接两只晶体管和一只电容器。寻址的亮度信号被写在电容器储存起来，利用电容器里储存的信号通过场效应晶体管的栅极而控制OLED像素的发光。由于电容器中的信号可以储存至少一场的时间，所以任何OLED像素的发光时间为一帧的时间。这种方法的优点是扫描的行数可以达到上千行，常用于大容量的彩色信息显示屏。

有源矩阵驱动的OLED的每个像素上都有一个OLED、一个电容器和至少两只晶体管，它们一起等效于一个双稳态的发光像素。像素的状态由行扫描期间该像素被写入的内容确定：写入1的像素在一场保持发光，写入0的像素则保持为不发光。

有源矩阵驱动方式构成的双稳态像素的结构很复杂。例如，普通的有源矩阵OLED显示器(例如VGA格式，480x640x3像素)需要在多晶硅基片上制造百万只晶体管和几十万只电容。考虑到晶体管本身的结构就很复杂，制造电容的工艺与制造晶体管的工艺又不一样，加之这样规模的晶体管、电容的互连结构还要延展到15英寸的显示屏幕上，而不是集成在制造IC所用的硅片尺寸(小于8英寸)上，这就可以知道，制造这种屏相当困难，对设备的要求也相当高。而且由于电容器的放电，OLED发出光的强度会随时间而衰减，从而造成灰度的不准确。

关于OLED的各种有源矩阵驱动方法的全面地、进一步的综述可参见D.Fish于2002年发表在信息显示协会(SID：Association of Information Display)的特邀论文：“有源驱动的聚合物/有机LED的单元电路比较”(Invited paper：A comparison of pixel circuit for active matrixpolymer/organic LED displays)。

在信息光学领域里人们曾提出了许多实现光学双稳态的方法，其中之一是将EL和光敏元件结合起来构成的反馈型光学双稳态，原理如下：

将EL和光敏元件串联起来，接到电压源上。用半反射镜或光纤建立EL至光敏元件的光路，使EL将要发出的光能够分出一部分照射到光敏元件上。当没有外界光照射到光敏元件上时，光敏元件的电阻很大，EL中没有电流通过，所以EL不发光。若有一瞬时的外界光脉冲照射到光敏元件(这个过程称为触发)，光敏元件的电阻瞬时成低阻，EL瞬时发光，发出光的一部分作为输出，另一部分反馈到光敏元件，使其保持为低阻，维持EL的发光。显然，在同样的电压源的条件下，没有外界光的触发，EL的不发光的状态为稳定状态，外界光瞬时触发以后，EL的发光状态为稳定状态。这种结构对外等效于光触发的双稳态EL。若要上述元件翻转为不发光的状态(擦除)，只需将EL至光敏元件的光路瞬时断开就可以了。

按以上方法就构成了双稳态的发光单元。以上的双稳态发光单元的缺点在于发光元件与光敏元件是分开的，用光纤或半反射镜建立它们之间的光路，这样的结构过于复杂，占用相当大的空间而不能用于显示器件。

关于反馈型光学双稳态的结构框架和理论分析可参考1996年发表在光子学报第2期第126页上的文章：光反馈电激励半导体光学双稳态的开关时间研究。

反馈型光学双稳态的原理虽然已经被证明是可行的，但是结构复杂而松散，光敏元件容易受到外界光的影响而无法用于显示系统。

发明内容

本发明的任务是提供一种结构简单、制造容易的由OLED与光敏元件重叠组合起来的不会受外界光影响的双稳态发光像素。

本发明的内容是这样实现的：本发明的双稳态有机发光像素是由透光基片1、光敏元件2和OLED元件3依序重叠所构成，如图1所示；其中，光敏元件2由遮光电极2a、光敏功能片2b和透光电极23依序重叠构成，如图2所示；其特征在于光敏功能片2b的面积小于OLED元件3的面积，且遮光电极2a与透光基片1相邻，其尺寸应遮住光敏功能片2b，遮光电极2a的面积小于OLED元件3的面积，如图2所示。

为了对外输出较多光能，光敏功能片2b的面积最好在OLED元件3的面积的50％以下，以便OLED元件3发出的大部分光能够从光敏功能片2b和遮光电极2a边沿以外的区域向外输出，作为本发明双稳态发光像素的输出。

光敏元件2为外形为片状的、电阻值随光照射而降低的元件，例如光敏电阻。光敏元件2由透光电极23、光敏功能片2b和遮光电极2a依序重叠构成，如图2所示。遮光电极2a置于透光基片1之上，并紧邻透光基片1，遮光电极2a它可以采用不透光导电材料或复合材料如金属、石墨制成，起导电遮光的作用，以避免外界光照射到光敏功能片2b上；透光电极23同时作为光敏元件2和OLED元件3的透明电极，它最好采用透明导电材料例如ITO制成，以构成从OLED元件3至光敏功能片2b的光路；光敏功能片2b为光敏导电材料，如多晶硅、非晶硅、硫化镉、碲化镉或有机光电敏感材料等制成的厚度为100微米以下的薄片或薄膜，或由上述材料制成的具有势垒结构、势垒与金属的肖特基接触结构的薄片或薄膜，如PN、PIN、PINN+等，薄片或薄膜的厚度最好在5微米以下，0.1微米以上。光敏元件2也可以是厚度在100微米以上的、外形为片状的、电极位置在片两面的光敏二极管，或外形为片状的、基极悬空，集电极和发射极位置分别在片两面的光敏三极管，或其他任何片状的，电极位置分别在片两面的具有光敏导电功能的材料、器件的组合，这时对光敏感的那一面通过透光电极23与OLED元件3相邻。

设置遮光电极2a是为了避免外界光照射到光敏功能片2b而引起误触发，光敏功能片2b和遮光电极2a的面积小于OLED元件3的面积，以便OLED元件3发出的光能够从光敏功能片2b和遮光电极2a边沿以外的区域向外输出。为了使透光电极23有比较平整的表面，最好在光敏功能片2b的外围制造一层与光敏功能片2b厚度相同的绝缘透光层4。

需要说明的是，透光基片1是由透光材料或透光复合材料、透光组合材料制成的基片，如玻璃基片，也可以是透光的乳白色材料如微晶玻璃制成的基片，还可以是附有包含黑色矩阵在内的红、绿、蓝滤色单元阵列的玻璃基片等，透光基片1还可以是能够透光的、其上附有其他材料或组合材料的刚性的或柔性的基板。

还有，如前所述，OLED元件3由透光电极23、复合发光层3a和背电极3b依序重叠构成，如图2所示。其中OLED元件3的透光电极23与光敏元件2的透光电极23共用或合并成一个透光电极23，背电极3b可以是任何导电材料制成的电极，但最好是金属电极。

为了达到较好的效果，遮光电极2a的尺寸应该在足以切断光敏功能片2b与外界光的直接通路的前提下，最好尽量减小一些，以便增加OLED元件对外的输出光能。

本发明提供的双稳态的有机发光像素是这样工作的：

一个电压脉冲通过分布电容或通过光敏元件2的暗态漏电流可以使OLED元件3瞬时点亮，这时光敏元件2接收到OLED元件3的瞬时光能使其电阻降低，进而使OLED元件3继续发光，光敏元件2接收到OLED元件3的光使其继续保持为低阻，OLED元件3持续发光，从而使光敏元件2继续维持为低阻。上述一系列过程为正反馈过程，达到了OLED发光的稳定态。以上是本发明的写入过程。若擦除上述状态，即要使OLED元件3由发光的稳定态翻转到不发光的稳定态，只需要将电源瞬时切断，这时OLED元件3不再发光，光敏元件2维持为高阻，为OLED元件3不发光的稳定态。

虽然这里用OLED作为发光元件来说明本发明，显然可以用EL直接代替OLED来构成双稳态的EL发光像素。

若将每个像素的遮光电极2a上下延伸，与同一列相邻像素的遮光电极2a连接起来，则构成显示屏的列电极；每个像素的背电极3b左右延伸，与同一行相邻像素的背电极3b连接起来，即构成显示屏的行扫描电极。大量像素以上述方式连接起来，就能够形成多条行扫描电极和多条列电极，从而构成本发明的双稳态的有机发光像素显示矩阵，如图4、5所示。

本发明的积极效果：采用光敏元件与OLED重叠的结构可以实现双稳态发光像素。与现有的采用有源矩阵驱动OLED像素元件的方式相比，结构大大简化，而且OLED的发光状态不会随时间逐步衰减。另外，本发明采用遮光电极的设置能避免外界光对于本发明双稳态特性的影响。

附图说明

图1为本发明双稳态发光像素结构的剖面示意图

其中1为透光基片，2为光敏元件，3为OLED元件，4为透光绝缘层；从图中可以看出，本发明由透光基片1、光敏元件2和OLED元件3依序重叠所构成。

图2为本发明双稳态发光像素的实际结构示意图

其中1为透光基片，2a为遮光电极，2b为光敏功能片，4为透光绝缘层，23为透光电极，3a为复合发光层，3b为背电极。其中遮光电极2a、光敏功能片2b、透光电极23构成光敏元件2，透光电极23、复合发光层3a、背电极3b构成OLED元件。

图3为图2的俯视示意图

其中2a为遮光电极，2b为光敏功能片，23为透光电极，3b为背电极。

图4为将像素元件组成2x 2显示屏的结构剖面示意图

其中1为透光基片，2a为遮光电极，2b为光敏功能片，4为透光绝缘层，23为透光电极，3a为复合发光层，3b为背电极。

图5为图4的俯视示意图

从图4、图5可以看出：每个像素的遮光电极2a与同一列相邻像素的遮光电极2a连接起来，则构成显示屏的列电极；每个像素的背电极3b与同一行相邻像素的背电极3b连接起来，即构成显示屏的行扫描电极。大量像素以上述方式连接起来，就能够形成多条行扫描电极和多条列电极，从而构成本发明双稳态有机发光像素的显示矩阵。

具体实施方式

实施例1：

如图2和图3所示双稳态有机发光像素的结构示意图。在透光基片1上采用任何公知的方式淀积一层不透光的导电材料，例如金或铝。用光刻工艺将其刻成如附图3所表示的遮光电极2a，遮光电极2a向上下延伸是为了与上下相邻的，同一列的像素的遮光电极作电气上的连接。然后在遮光电极2a之上淀积一层光敏半导体，例如碲化镉，以公知的光刻工艺将光敏半导体刻成如图3所示的光敏功能片2b。再淀积绝缘透光材料，如二氧化硅，将绝缘透光材料下光敏功能片2b的位置处光刻一个尺寸与光敏功能片2b相同的窗口，成为透光绝缘层4设置透光绝缘层4的目的是为了透光电极23有比较平整的表面。在光敏功能片2b和透光绝缘层4之上溅射或蒸发一层透光导电材料，如ITO，将透光导电材料刻成附图3所表示的透光电极23。然后以公知的材料和方式制作复合发光层3a。本例中，复合发光层3a均匀地连续延伸到所有的像素。最后，用掩模蒸发工艺在复合发光层3a之上淀积如图3所示形状的背电极3b。背电极3b一般用Ag-Mg合金或Ag-Ca合金。背电极3b左右延伸是为了与左右相邻的同一行的像素作电气上的连接。显然，遮光电极2a、光敏功能片2b和透光电极23一起构成光敏元件；透光电极23、复合发光层3a和背电极3b一起构成发光元件。

进一步地，在上述实施例中，透光基片1最好采用玻璃基片。遮光电极2a的厚度最好在200纳米至1微米之间，材料最好为金，其次可以选用铝、钛、铬等。所述光敏半导体的厚度最好在500纳米至2微米之间，暗态电阻率最好在10⁶至10⁷欧姆·厘米之间。暗态电阻率与亮态电阻率之比最好在5以上。

实施例2：

图4和图5表示由双稳态有机发光显示像素构成的矩阵式显示屏的结构示意图，表示任意行、列数目的双稳态发光像素所构成的显示屏的结构。在透光基片1上按显示屏的要求制作了N×M个(按行业习惯，N为行数，M为列数)如实施例1那样的双稳态发光像素，制作的工艺与实施例1所述的过程是完全一样的。每个像素的遮光电极上下延伸，与同一列相邻像素的遮光电极相互连接起来，形成如图4所示的遮光电极2a的图案，构成显示屏的列电极；每个像素的背电极左右延伸，与同一行相邻像素的背电极3b相互连接起来，形成如图5所示的背电极3b的图案，构成显示屏的行扫描电极。

本例中，遮光电极2a的厚度也是最好在200纳米至1微米之间，材料最好为金，其次可以选用铝、钛、铬等。所述光敏半导体的厚度也是最好在500纳米至2微米之间，暗态电阻率最好在10⁶至10⁷欧姆·厘米之间。暗态电阻率与亮态电阻率之比最好在5以上。

Claims

1、一种双稳态有机发光像素，由透光基片(1)、光敏元件(2)和OLED元件(3)依序重叠所构成，光敏元件(2)和OLED元件(3)形成串联的电气连接关系：其中，光敏元件(2)由遮光电极(2a)、光敏功能片(ab)和透光电极(23)依序重叠构成，其特征在于光敏功能片(2b)的面积小于OLED元件(3)的面积，且遮光电极(2a)与透光基片(1)相邻，遮光电极(2a)的尺寸要遮住光敏功能片(2b)，遮光电极(2a)的面积小于OLED元件(3)的面积。

2、如权利要求1所述的一种双稳态有机发光像素，其特征在于：所述的光敏功能片(2b)面积为所述OLED元件(3)的面积的一半以下：所述光敏功能片(2b)对光敏感的那一面通过透光电极(23)与OLED元件(3)相邻。

3、如权利要求1所述的一种双稳态有机发光像素，其特征在于：所述光敏功能片(2b)为光敏导电材料制成的厚度在100微米以下的薄片或薄膜。

4、如权利要求1所述的一种双稳态有机发光像素，其特征在于：所述光敏功能片(2b)由光敏导电材料制成厚度在100微米以下的并且包含势垒结构的薄片或薄膜。