光电显示技术实验讲义

实验一有机发光器件（OLED）参数测量一、实验目的：1.了解有机发光显示器件的工作原理及相关特性；2.掌握OLED性能参数的测量方法；二、实验原理简介：1979年，柯达公司华裔科学家邓青云（Dr. C. W. Tang）博士发现黑暗中的有机蓄电池在发光，对有机发光器件的研究由此开始，邓博士被誉为OLED之父。

OLED (Organic Light Emitting Display，中文名有机发光显示器）是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。

OLED用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。

辐射光可从ITO一侧观察到，金属电极膜同时也起了反射层的作用。

图1：OLED结构示意图与LCD相比，OLED具有主动发光，无视角问题，重量轻，厚度小，高亮度，高发光效率，发光材料丰富，易实现彩色显示，响应速度快，动态画面质量高，使用温度范围广，可实现柔软显示，工艺简单，成本低，抗震能力强等一系列的优点。

如果一个有机层用两个不同的有机层来代替，就可以取得更好的效果：当正极的边界层供应载流子时，负极一侧非常适合输送电子，载流子在两个有机层中间通过时，会受到阻隔，直至会出现反方向运动的载流子，这样，效率就明显提高了。

很薄的边界层重新结合后，产生细小的亮点，就能发光。

如果有三个有机层，分别用于输送电子、输送载流子和发光，效率就会更高。

为提高电子的注入效率，OLED阴极材料的功函数需尽可能的低，功函数越低，发光亮度越高，使用寿命越长。

可以使用Ag 、Al 、Li 、Mg 、Ca 、In等单层金属阴极，也可以将性质活泼的低功函数金属和化学性能较稳定的高功函数金属一起蒸发形成合金阴极。

如Mg: Ag（10: 1），Li:Al (0.6%Li)，功函数分别为3.7eV和3.2eV，合金阴极可以提高器件的量子效率和稳定性，同时能在有机膜上形成稳定坚固的金属薄膜。

此外还有层状阴极和掺杂复合型电极。

层状阴极由一层极薄的绝缘材料如LiF, Li2O，MgO，Al2O3等和外面一层较厚的Al组成，其电子注入性能较纯Al电极高，可得到更高的发光效率和更好的I-V特性曲线。

掺杂复合型电极将掺杂有低功函数金属的有机层夹在阴极和有机发光层之间，可大大改善器件性能，其典型器件是ITO/NPD/AlQ/AlQ（Li）/Al，最大亮度可达30000Cd/m2，如无掺Li层器件，亮度为3400Cd/m2。

为提高空穴的注入效率，要求阳极的功函数尽可能高。

作为显示器件还要求阳极透明，一般采用的有Au、透明导电聚合物（如聚苯胺）和ITO导电玻璃，常用ITO玻璃。

载流子输送层主要是空穴输送材料（HTM）和电子输运材料(ETM)。

空穴输送材料（HTM）需要有高的热稳定性，与阳极形成小的势垒，能真空蒸镀形成无针孔薄膜。

最常用的HTM均为芳香多胺类化合物，主要是三芳胺衍生物。

TPD：N，N′-双（3-甲基苯基）-N，N′-二苯基-1，1′-二苯基-4，4′-二胺NPD: N，N′-双（1-奈基）-N，N′-二苯基-1，1′-二苯基-4，4′-二胺。

电子输运材料(ETM)要求有适当的电子输运能力，有好的成膜性和稳定性。

ETM一般采用具有大的共扼平面的芳香族化合物如8-羟基喹啉铝（AlQ），1，2，4一三唑衍生物（1，2，4-Triazoles，TAZ）,PBD，Beq2，DPVBi等，它们同时又是好的发光材料。

OLED的发光材料应满足下列条件：1）高量子效率的荧光特性，荧光光谱主要分布400-700nm可见光区域。

2）良好的半导体特性，即具有高的导电率，能传导电子或空穴或两者兼有。

3）好的成膜性，在几十纳米的薄层中不产生针孔。

4）良好的热稳定性。

按化合物的分子结构，有机发光材料一般分为两大类：1) 高分子聚合物，分子量10000-100000，通常是导电共轭聚合物或半导体共轭聚合物，可用旋涂方法成膜，制作简单，成本低，但其纯度不易提高，在耐久性，亮度和颜色方面比小分子有机化合物差。

2) 小分子有机化合物，分子量为500-2000，能用真空蒸镀方法成膜，按分子结构又分为两类：有机小分子化合物和配合物。

有机小分子发光材料主要为有机染料，具有化学修饰性强，选择范围广，易于提纯，量子效率高，可产生红、绿、蓝、黄等各种颜色发射峰等优点，但大多数有机染料在固态时存在浓度淬灭等问题，导致发射峰变宽或红移，所以一般将它们以低浓度方式掺杂在具有某种载流子性质的主体中，主体材料通常与ETM和HTM层采用相同的材料。

掺杂的有机染料，应满足以下条件：a. 具有高的荧光量子效率b. 染料的吸收光谱与主体的发射光谱有好的重叠，即主体与染料能量适配，从主体到染料能有效地能量传递；c. 红绿兰色的发射峰尽可能窄，以获得好的色纯；d. 稳定性好，能蒸发。

红光材料主要有罗丹明类染料，DCM，DCT，DCJT，DCJTB，DCJTI和TPBD等。

绿光材料主要有香豆素染料Coumarin6，奎丫啶酮（quinacridone, QA），六苯并苯(Coronene)，苯胺类(naphthalimide)。

蓝光材料主要有N-芳香基苯并咪唑类；1，2，4-三唑衍生物（TAZ）；1，3-4-噁二唑的衍生物OXD-（P-NMe2）；双芪类(Distyrylarylene)；BPVBi。

金属配合物介于有机与无机物之间，既有有机物的高荧光量子效率，又有无机物的高稳定性，被视为最有应用前景的一类发光材料。

常用金属离子有：Be2+ Zn2+ Al3+ Ca3+ In3+ Tb3+ Eu3+ Gd3+等。

主要配合物发光材料有：8-羟基喹啉类，10-羟基苯并喹啉类，Schiff碱类，-羟基苯并噻唑（噁唑）类和羟基黄酮类等。

三、实验装置：图5：OLED特性测量装置图四、实验内容及步骤：1.将OLED模块固定于光学平台之上，将光电二极管（Si-PD）正对OLED固定，要求Si-PD受光面距离OLED显示屏10mm。

2.按以下要求连接线路：a)将OLED控制端子（DB9）连接至主机LDC1输出；b)将OLED电压输入端子（红）连接至主机PSG输出；c)将OLED电流信号输出连接至主机PD输入；3.打开主机电源，按以下要求设置参数：a)设置PSG工作模式为低压电源模式(LVS)；b)设置PD工作模式为直流电流计模式(ADC)，量程(RTO)切换至10mA；4.从0V到12V每隔0.5V测一个点，记录相应的OLED电压V和电流I，作OLED I～V 特性曲线。

5.将Si-PD输出信号连接至主机PD输入，PD量程(RTO)切换至1mA，从0V到12V每隔0.5V测一个点，记录相应的输出光功率信号P，作OLED的P～I特性曲线。

实验二光电显示技术综合实验注意事项：系统内含有高压电路，上电后注意安全。

一、实验目的：1.了解阴极射线显像管（CRT）的工作原理；2.了解电子枪及电子透镜的工作原理和控制方法；3.掌握阴极射线显像管相关特性参数的测量方法；4.了解辉光放电与等离子体显示器件的物理基础；5.掌握辉光放电与等离子体显示器件相关特性参数的测量方法；二、实验原理：（一）、CRT部分：阴极射线管显示装置的核心部件是CRT显像管。

CRT显像管使用电子枪发射高速电子，由垂直和水平的偏转线圈控制电子的偏转角度，高速电子击打屏幕上的荧光物质使其发光，通过电压来调节电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同的光点形成各种图案和文字。

阴极射线显像管主要由电子枪、偏转线圈、荧光粉层及玻璃外壳几部分组成，彩色显像管还含有荫罩或荫栅等部件。

图1：电子枪结构示意图1. 电子枪电子枪处于外壳尾部的细圆柱形管内，它由阴极、栅级、第一阳极(加速极)、第二阳极(高压极)和第三阳极(聚焦极)五部分组成。

1）．阴极是旁热式的，其外形是个圆桶，阴极表面涂有能发射电子的氧化物，阴极筒内装有加热灯丝。

当灯丝通电后，烤热阴极表面氧化物，使之发射电子，发射电子的数目受栅极的电压控制。

2）．控制栅极(G)又称调制极，套在阴极的外面，呈圆桶形。

圆桶的顶端有一个直径为0.6～0.8mm的小圆孔供热电子射出。

控制栅极离阴极很近，改变控制栅极和阴极的电压就可以控制电子束的强弱，从而达到控制显像管亮度的目的。

CRT 在阴极电压一定时，栅极、阴极之间的电压与阴极束电流关系曲线称为调制曲线，如图2所示。

满足：I 束=K(E gk -E gk0)γ其中：K 为比例系数，与电子枪有关；E gk0为截止栅压；E gk 为实际的栅偏压；γ是表征显像管特性的—个参数，一般在2.2～3之间。

图2：显像管调制特性曲线 图3：灰度失真控制栅压越负，束电流越小；控制栅压负至一定值(E gk =E gk0)时，束电流为零，此时的栅压称为截止栅偏压(截止电压),荧光屏因束电流等于零而无光；反之，控制栅的电压逐渐提高，束电流按指数曲线上升，荧光屏的亮度也随之增加。

由于γ的存在，造成亮度、灰度等级变化失真，黑色压缩，白色扩张，如图3所示。

重现图像时，进行γ校正放大处理，使发送和接收综合特性成为线性。

图中静态工作点的电压由亮度调节电路提供。

在电子束行、场扫描逆程回扫期间，由于应该使电子束流截止，此时栅负压应该低于截止电压。

由截止电压到电子束流为100～150uA 的栅阴极电压范围，叫做最大调制量。

显像管的最大调制量越小，所需的视频信号峰峰值也越小。

可见，最大调制量越小越好。

值得注意的是，最大调制量会随着加速极电压降低而减小，但是加速极电压降低时，会使屏幕亮度下降。

3)．加速极(A1)。

加速极处于控制栅的前面，它也是一个顶部开有小孔的金属圆桶。

在加速极上通常加有几百伏的正电压．它的作用是把电子从阴极表面拉出来，向荧光屏方向运动，形成一束电子流，加速轰击荧光屏。

4)．高压阳极(A2，A4)。

高压阳极分为两部分，中间用金属条相连，若将靠近加速极的一极称为第二阳极(A2)，另一极则称为第四阳极(A4)。

第四阳极与管壁内的石墨导电层用弹性金属片相连接，石墨导电层又与高压电极相连接。

高压阳极上加有9～16kV 电压，由于阳极高压的电压高，不宜在管角处引出，而是从玻璃锥体侧面的电极引出。

阳极高压使电子加速至极高的速度冲射到荧光屏上。

5)．聚焦极(A3)。

因为电子束流横截面积的大小确定了重现图像的像素的大小，而电子束流是由带负电的电子组成的，电子之间的相互排斥则有自然散焦的趋势。

聚焦极的作用就是将电子束流聚拢成很细的一束射向荧光屏。

聚焦极位于两节高压阳极之间，它是一个直径较大的金属圆桶，其上加有数百伏的可调电压，调整此电压大小，就可以改变它与高压阳极之间非均匀分布的聚焦电场，使电子束聚拢成一细束，荧光屏上呈现一细点，使图像最清晰。