有机发光二极管(OLED)显示器高效节能且图像清晰,但高昂的制造成本使它们无法像液晶显示器(LCD)那样被广泛使用,特别是在较大型的设备中,如电视机。一种新型的OLED电子器件可以有助于降低制造成本,并使该技术更加普及。
佛罗里达大学(University of Florida)物理学教授安德鲁•林兹勒(Andrew Rinzler)说:“没有很好的方法来制造OLED电子器件,使其可以被大规模廉价地制造。”林兹勒领导了研发用于OLED的一种电子器件的工作,他希望能提供这样的一种解决方法。该研究工作部分资金来自于风险投资公司Nano Holdings。
OLED显示器的像素使用晶体管来激发有机物分子,然后后者发出不同颜色的光。OLED显示器不需要浪费光的滤光器——其使液晶显示器能量消耗大。但液晶显示器主导市场的原因很大程度上是因为用于驱动液晶显示器的非硅晶体管阵列可以应用于各种领域,大的如单车库的门,也可以切割成小块来制造用于电视机和其他设备的显示器。如此大规模的制造有助于降低成本。
OLED显示器制造商不能使用相同的电子器件,因为改变OLED中的像素需要相对较高的电流,这会迅速烧毁非晶硅晶体管。相反,如今的OLED显示器是由更昂贵的多晶硅晶体管阵列制成。市场上最大的OLED显示器(在欧洲,但尚未在美国上市)是由LG公司制造的15英寸(约38.1厘米)模型。其售价刚刚超过2300美元,而相同尺寸的液晶显示器电视机的售价低于200美元。
较便宜的OLED电子器件,在理论上,可以通过使用有机材料来制造电子器件和像素。使用有机半导体制成的晶体管提供驱动OLED像素所需的高电流,但电子穿过传统的有机晶体管时非常缓慢,导致显示器无法快速地刷新图片。为了加快这些晶体管的速度,工程师们改变了设计,缩小了元件,把源极和漏极的距离拉近并使通道变小。这使得电子设备运行速度更快,因为电子不需要在构成通道的有机材料——这让电子移动较慢——中移动很久。但制造这样高分辨率的设备需要昂贵的光刻技术。
由林兹勒及其同事研发的一个较廉价的方法是,通过把元件堆叠到另一个顶端——而不是并排的——把晶体管的源极和漏极的距离拉近。林兹勒的研究小组,包括研究生米切尔•麦卡锡(Mitchell McCarthy)和刘波(Bo Liu),通过在一片玻璃基板上覆上一层铝薄膜作为栅电极来制造这些晶体管,然后使其氧化来生成一个薄绝缘层的顶部。接下来,研究人员放置一层超薄的碳纳米管稀释层作为源极,接着把一层有机材料作为通道,最后把顶端的一层黄金作为漏极。林兹勒说,这些薄膜每层都很薄,无需高分辨率的光刻技术就能有很好的性能。
林兹勒的新型电子设备在在线杂志《纳米快报》(Nano Letters)上进行了介绍,其运行时的电压也为传统OLED电子器件的十分之一,这可以省电。佛罗里达大学的研究人员还没有制造大面积的由垂直晶体管阵列驱动的OLED显示器,但林兹勒说,可以做到使晶体管在合适的电流和电压中运行。虽然研究人员至今只在玻璃上制造了这些阵列,但其使用的技术使之能与柔韧的基片兼容,可用于制造柔性OLED显示器。
垂直电子元件结构是1994年由加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学教授杨阳(Yang Yang)以及加州大学圣芭芭拉分校材料科学与工程学教授艾伦•希格(Alan Heeger)首次提出来的。希格因为发现和研发了与在新设备中使用的一样的导电聚合物而共享了2000年诺贝尔化学奖。20世纪90年代中期,杨阳和希格通过一家名为UNIAX的公司——该公司后来被杜邦公司收购——开始研发这些设备。当初两人进行他们的工作时,可用材料的性能并不像今天的这样好。
杨阳说:“1994年还没有碳纳米管。”他表示,在林兹勒的设备中,薄纳米管层允许非常小的电流泄漏,这是一个来自之前设计的消耗功率的问题。佛罗里达大学研发的这一设备的转换速度也比过去可能的速度要快很多。杨阳认为:“他们在让设备运行得更好这方面做了出色的工作。我敢肯定,这篇论文将对有机电子学产生重要影响。”
林兹勒正努力简化OLED显示器结构,希望进一步降低其制造成本和复杂性。林兹勒没有在晶体管旁建一个发光像素,而是建造低功率的有机晶体管,使其自己发光。其研究小组已经表明,如果活性材料是电致发光的,则制造发光有机晶体管是有可能的,但这些晶体管只能在高压下运行,这又变得不切实际。林兹勒认为,垂直的、基于碳纳米管电极的结构可以大大提高这些设备的效率。
新的电子器件,更便宜的OLED电视机
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