OLED效率和壽命與器件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，目前廣泛使用的結(jié)構(gòu)屬于“三明治夾層”結(jié)構(gòu)，即發(fā)光層被陰極和陽極像三明治一樣夾在中間（一側(cè)為透明電極以便獲得面發(fā)光效果）的結(jié)構(gòu)。由于OLED制膜溫度低，所以一般多使用氧化銦錫玻璃電極（Indium Tin Oxide，ITO）作為陽極。在ITO電極上用真空蒸鍍法或旋涂法制備單層或多層有機(jī)半導(dǎo)體薄膜，最后將金屬陰極制備于有機(jī)薄膜之上。根據(jù)有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的功能，器件結(jié)構(gòu)大致可以分為以下幾大類：在器件的ITO陽極和金屬陰極之間，制備一層有機(jī)半導(dǎo)體薄膜作為發(fā)光層，這就是最簡單的單層OLED，其器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，它僅由陽極、發(fā)光層和陰極組成，結(jié)構(gòu)非常簡單，制備方便。這種結(jié)構(gòu)在聚合物有機(jī)電致發(fā)光器件中較為常用。
由于大多數(shù)有機(jī)電致發(fā)光器件的材料是單極性的，同時(shí)具有相同的空穴和電子傳輸特性的雙極性（Bipolar）有機(jī)半導(dǎo)體材料很少，因此只能單一地傳輸電子或空穴中的一種。如果利用這種單極性的有機(jī)材料作為單層器件的發(fā)光材料，則會(huì)出現(xiàn)電子和空穴注入與傳輸?shù)牟黄胶猓乙资拱l(fā)光區(qū)域靠近遷移率較小的載流子注入一側(cè)的電極，若為金屬電極，則很容易導(dǎo)致發(fā)光猝滅，而這種猝滅會(huì)降低激子利用率，從而導(dǎo)致器件發(fā)光效率的降低。由于單層結(jié)構(gòu)存在較難克服的缺點(diǎn)，目前OLED器件大多采用多層結(jié)構(gòu)。這一里程碑式的工作于1987年由Kodak公司首先提出，該結(jié)構(gòu)能有效達(dá)到調(diào)整電子和空穴的復(fù)合區(qū)域遠(yuǎn)離電極和平衡載流子注入速率的目的，在很大程度上提高了器件的發(fā)光效率，使OLED的研發(fā)進(jìn)入到一個(gè)嶄新的階段。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是發(fā)光層材料具有電子（空穴）傳輸性，需要加入一層空穴（電子）傳輸材料以調(diào)節(jié)空穴和電子注入發(fā)光層的速率和數(shù)量，這層空穴（電子）傳輸材料還起著阻擋電子（空穴）層的作用，使注入的電子和空穴的復(fù)合發(fā)生在發(fā)光層附近。雙層OLED器件如圖2所示。
由電子傳輸層（Electron Transport Layer，ETL）、空穴傳輸層（Hole Transport Layer，HTL）和發(fā)光層組成的三層OLED器件，如圖3所示。結(jié)構(gòu)是由日本的Adachi課題組首次提出的。這種器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是使三個(gè)功能層各司其職，對于選擇功能材料和優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)性能都十分方便，是目前OLED中常采用的器件結(jié)構(gòu)。
在實(shí)際OLED器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了使OLED器件各項(xiàng)性能最優(yōu)，并且充分發(fā)揮各個(gè)功能層的作用，進(jìn)一步提高OLED的發(fā)光亮度和發(fā)光效率，人們在三層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用多層器件結(jié)構(gòu)，對過量載流子進(jìn)行限制、調(diào)配。這是目前OLED最常用的器件結(jié)構(gòu)。這種器件結(jié)構(gòu)不但保證了有機(jī)電致發(fā)光器件的功能層與基板（襯底）之間具有良好的附著性，還使得來自陽極和金屬陰極的載流子更容易注入有機(jī)半導(dǎo)體功能薄膜中。為提高器件的性能，各種更復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)。但由于大多數(shù)有機(jī)材料具有絕緣的特性，只有在很高的電場強(qiáng)度（約10 V/cm）下才能使載流子從一個(gè)分子傳輸?shù)搅硪粋€(gè)分子，所以有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的總厚度不能超過百納米級，否則器件的驅(qū)動(dòng)電壓將會(huì)更高。基于全彩色顯示的需要，Forrest等人提出了將三基色器件沿厚度方向垂直堆疊，且保證每個(gè)器件都由各自的電極控制，這樣就構(gòu)成了彩色顯示裝置，如圖4所示。用這種方法制成的顯示器件可獲得優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)的分辨率，人們利用這種思想，將多個(gè)發(fā)光單元垂直堆疊，并在中間加一個(gè)電極連接層，同時(shí)只用兩端電極進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即疊層串式結(jié)構(gòu)器件（Tandem OLED）。這種結(jié)構(gòu)能夠極其有效地提高器件的電流效率，使器件能在較小的電流下達(dá)到非常高的亮度，這為實(shí)現(xiàn)高效率、長壽命的有機(jī)電致發(fā)光器件提供了一個(gè)便捷的途徑。
柔性OLED（Flexible OLED，FOLED）是指在塑料、金屬薄片、玻璃薄片等柔性襯底上制備的顯示器件。它不僅具備普通OLED視角寬、耐高低溫、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且由于FOLED襯底需要的材料必須具有良好的柔韌性，因此它比玻璃襯底的OLED顯示屏更加輕薄也更耐沖擊，其具有的可彎曲、低功耗的特性深深影響了可穿戴式設(shè)備的應(yīng)用。柔性屏幕將伴隨個(gè)人智能終端的不斷發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用。柔性OLED（FOLED）的基本器件結(jié)構(gòu)與剛性AMOLED一樣，也是三明治式的結(jié)構(gòu)，由夾在金屬陰極、透明陽極和它們之間兩層或更多層的有機(jī)層構(gòu)成。當(dāng)給器件上加正向電壓時(shí)，在外加電場作用下，電子和空穴分別從負(fù)極和正極注入有機(jī)分子層中，隨后載流子在有機(jī)分子層中進(jìn)行遷移，之后其在發(fā)光層中相遇復(fù)合形成激子，激子再把能量傳遞給發(fā)光分子，從而激發(fā)電子從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，最后激發(fā)態(tài)能量通過退激發(fā)，產(chǎn)生出光子，形成發(fā)光現(xiàn)象。而將ITO等導(dǎo)電玻璃襯底換為金屬薄板或?qū)щ娝芰媳∑瓤蓮澢嵝砸r底時(shí)，可制備出可卷曲、輕、薄的柔性AMOLED。在FOLED中，襯底選材是研發(fā)基礎(chǔ)，它能夠決定OLED顯示屏生產(chǎn)的成本、顯示的質(zhì)量、產(chǎn)品可靠性及工藝路線。從目前國內(nèi)外FOLED顯示襯底的研究進(jìn)展來看，FOLED的顯示襯底可分為五類：金屬箔、塑料、超薄玻璃和引起廣泛關(guān)注的聚合物襯底、紙質(zhì)襯底。- 金屬襯底比聚合物襯底更耐高溫，且與玻璃的熱膨脹系數(shù)更為接近；阻水、阻氧的性能更好，不需要制備水氧阻隔層；獲取方便且成本低廉，應(yīng)用時(shí)實(shí)際成本有望低于聚合物襯底。
- 塑料襯底表面粗糙度大，沉積在襯底上的薄膜易產(chǎn)生缺陷。并且，其耐高溫性差，當(dāng)溫度升高時(shí)，這類襯底會(huì)收縮，ITO膜易脫落，低溫沉積時(shí)，器件性能又會(huì)大大降低。因此，改善塑料襯底的粗糙度及提高其熱穩(wěn)定性是提高相關(guān)OLED器件性能的關(guān)鍵。當(dāng)玻璃的厚度在50～200?μm時(shí)就能夠彎曲，但超薄玻璃在應(yīng)用中容易發(fā)生破裂，由此增加了其制備難度。
- 當(dāng)玻璃的厚度在50～200?μm時(shí)就能夠彎曲，但超薄玻璃在應(yīng)用中容易發(fā)生破裂，由此增加了其制備難度。
- 聚合物擁有良好的柔韌性，更加符合柔性OLED顯示器件的性能需求。但聚合物襯底的熱穩(wěn)定性和對水、氧的阻隔能力都很差，因此，提高聚合物襯底的熱穩(wěn)定性和其對水、氧的阻隔能力是制備聚合物襯底OLED的關(guān)鍵問題。
- 紙質(zhì)襯底具有纖維素結(jié)構(gòu)，表面粗糙，機(jī)械阻隔性和化學(xué)性都較差，一些小分子物質(zhì)易被吸附進(jìn)多孔結(jié)構(gòu)中，故改善紙質(zhì)襯底接觸面的光滑性對制備紙質(zhì)襯底OLED是非常重要的。
透明OLED（Transparent OLED，TOLED）在OLED研究領(lǐng)域是一個(gè)熱門。TOLED器件的最外部采用具有低電阻率和高透過率的ITO透明導(dǎo)電薄膜，而不再僅僅只是金屬層，這是TOLED和普通OLED的最大區(qū)別之處。隨著可移動(dòng)智能終端設(shè)備的發(fā)展，具有特殊功能的電子產(chǎn)品對人們生活的影響越來越大，其中TOLED具有的透明性質(zhì)在照明領(lǐng)域中具有獨(dú)特的應(yīng)用，如可以應(yīng)用在房屋窗玻璃、汽車車窗玻璃顯示、車載顯示、頭盔顯示、透明手機(jī)、眼鏡及手表等。由于TOLED的特殊性，所選用的電極材料必須有著較低的表面電阻和較高的透過率，而電極材料的選取、發(fā)光層材料的選取及電荷傳輸層材料的選取，會(huì)直接影響載流子的注入與傳輸，進(jìn)而影響發(fā)光器件的效率。對AMOLED來說，面板的穩(wěn)定性與透明度是實(shí)現(xiàn)TOLED顯示要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)OLED使用的陰極一般為金屬、合金、金屬化合物及有機(jī)聚合物，但金屬及其化合物材料的透光性都極差，因此通過使用合適的方法改善電極的透明度是實(shí)現(xiàn)TOLED的關(guān)鍵步驟。目前，增加面板透明度的主要方法有兩種，一是通過使用透明材料制備電極及改變電極結(jié)構(gòu)來增加面板透明度；二是改變電極的排布方式，通過增加透射窗口的面積來提高面板的透明度。一種基于底發(fā)射型結(jié)構(gòu)的透明OLED顯示技術(shù)。這種TOLED顯示屏?xí)诘撞匡@示圖像，其圖像通過背面的透射窗口來觀察，其面板的像素排布如圖5所示。在面板的像素布局中，發(fā)射區(qū)域和透射區(qū)域需分開排布，并且在設(shè)計(jì)面板像素布局時(shí)，加大透射窗口的面積，以提高面板的透明度。雙面OLED顯示面板相較于傳統(tǒng)OLED面板，其發(fā)射區(qū)域面積小而透射區(qū)域面積變得更大。
圖5：底發(fā)射型TOLED顯示屏像素排布的示意圖顏色可調(diào)OLED（Color-Tunable OLED，CT-OLED）作為一種新型OLED類型，與傳統(tǒng)的OLED相比，它不僅可以作為光源來照明還可以作為裝飾品，這種雙重角色表明其具有更大的商業(yè)價(jià)值。一種典型的多發(fā)光層顏色可調(diào)OLED照明裝置為例，如圖6所示是一種多發(fā)光層的顏色可調(diào)OLED照明裝置，該裝置包括OLED面板及與面板電極相連接的電壓調(diào)節(jié)裝置，其中，OLED面板包括基板以及基板上的有機(jī)功能薄膜層，而有機(jī)功能層包括若干層發(fā)光有機(jī)膜，且每層發(fā)光有機(jī)膜的發(fā)光顏色不同，例如，將發(fā)光層的第一層設(shè)置為紅色混合磷光發(fā)光有機(jī)層，第二層設(shè)置為黃色與紅色的混合磷光發(fā)光有機(jī)層，第三層設(shè)置為黃色混合磷光發(fā)光有機(jī)層等。在外接電源電壓調(diào)節(jié)變換時(shí)，此裝置中的電子與空穴就會(huì)在不同的發(fā)光有機(jī)膜上復(fù)合發(fā)光，從而達(dá)到使OLED照明裝置發(fā)出不同顏色光的目的。
圖6：一種多發(fā)光層的顏色可調(diào)OLED照明裝置有機(jī)EL材料價(jià)電子結(jié)構(gòu)決定了材料的吸收光譜和熒光光譜，也決定了器件的EL光譜。發(fā)光光譜是發(fā)光能量按波長、頻率或波數(shù)的動(dòng)態(tài)分布，通常用光能的相對值按波長的分布Φ（λ）來表示。在有機(jī)EL研究中，有機(jī)材料和OLED器件的發(fā)光光譜通常有兩種：光致發(fā)光（PL）光譜和電致發(fā)光（EL）光譜。PL光譜靠激發(fā)波長和強(qiáng)度保持不變的外界單色光源來激發(fā)，用于表征材料的能量傳遞過程或其他特性；EL光譜主要通過電能來激發(fā)，可以獲得不同電流密度下器件的EL光譜。通過比較器件的EL光譜和PL光譜，可以得到有機(jī)發(fā)光器件的復(fù)合區(qū)域位置和實(shí)際發(fā)光物質(zhì)的相關(guān)信息。EL光譜可以用來表征器件的發(fā)光顏色（色度），不同的發(fā)光光譜對應(yīng)于不同的發(fā)光顏色。色度用CIE1931色坐標(biāo)（Color Coordinates）進(jìn)行定量表示。亮度（Luminance）是一個(gè)生理物理量，它不僅與器件發(fā)光時(shí)的輻射能量有關(guān)，還與人的視覺有關(guān)。發(fā)光亮度是垂直于光束傳播方向上單位面積的發(fā)光強(qiáng)度。亮度的單位是尼特（nit，1nit=1 cd/m2）。OLED的發(fā)光分布遵循余弦分布，即亮度是一個(gè)與方向無關(guān)的常數(shù)。因此，對OLED發(fā)光亮度的測量，只需要測量其法向分量方向的亮度即可。閾值電壓（Threshold Voltage）定義為，發(fā)光亮度為1 cd/m2時(shí)器件所施加的驅(qū)動(dòng)電壓，故又稱為啟亮電壓（Turn-On Voltage）。OLED的穩(wěn)定性和器件壽命是制約商業(yè)實(shí)用化的關(guān)鍵指標(biāo)。OLED器件壽命（Life Time）包含工作壽命和存儲(chǔ)壽命兩部分。對于投入市場的OLED器件，要求在連續(xù)使用條件下工作壽命達(dá)到10 000 h以上（不間斷使用一年以上），存儲(chǔ)壽命要大于5年。OLED器件的工作壽命是指在恒定電流密度下，器件的發(fā)光亮度下降到其初始亮度一半時(shí)器件連續(xù)工作的時(shí)間。實(shí)際壽命的測量通常采用加速老化的辦法。測量工作壽命的公認(rèn)起始亮度為100 cd/m2，通常使被測器件的起始亮度幾倍于此亮度值，測出其降為半亮度時(shí)的壽命值，然后乘以相應(yīng)倍數(shù)，即為該器件的工作壽命。發(fā)光效率反映OLED器件電能轉(zhuǎn)換為光能的能力，是衡量OLED器件性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。2.5.1?量子效率（Quantum Efficiency）量子效率能夠準(zhǔn)確描述OLED器件發(fā)光機(jī)制的優(yōu)劣程度。量子效率分為內(nèi)量子效率（Internal Quantum Efficiency，ηint）和外量子效率（External Quantum Efficiency，ηext）。內(nèi)量子效率定義為產(chǎn)生光子與注入電子數(shù)目之比，而外量子效率是觀測方向上射出器件表面的光子與注入電子數(shù)之比。一般，內(nèi)量子效率是外量子效率的4～8倍。由此可見，器件本身所發(fā)出的光絕大部分未能發(fā)射至器件外。由于OLED是多層結(jié)構(gòu)，發(fā)光層發(fā)出的光能量經(jīng)由波導(dǎo)效應(yīng)或再吸收而損失，這是由于制備OLED器件發(fā)光材料、ITO陽極、基底與周圍介質(zhì)的折射率具有較大差異。光出射時(shí)，大部分光能被全反射回去并被器件材料吸收，只有部分光經(jīng)過器件邊緣透出。因此，設(shè)法提高光學(xué)耦合效應(yīng)對提高器件的發(fā)光效率具有重要意義。2.5.2?流明效率（Luminous Efficiency）流明效率也稱為電流效率，定義為發(fā)光亮度與電流密度之比，單位為cd/A。流明效率最大的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算方便、易得，與量子效率成正比，是衡量OLED器件性能最重要的指標(biāo)。2.5.3?功率效率（Power Efficiency）衡量電能的能量轉(zhuǎn)化效率時(shí)，可用功率效率來描述，單位為lm/W。功率效率是器件向外部發(fā)射的光功率與器件工作時(shí)所消耗的電功率之比。在顯示領(lǐng)域，電流效率和功率效率是最常用的，前者注重考察發(fā)光材料特性，為科研工作者所常用，后者注重考察面板耗電和能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為工程技術(shù)人員所常用。OLED的發(fā)光效率不僅取決于發(fā)光材料本身的發(fā)光效率，也與載流子在傳輸層和發(fā)光層的運(yùn)輸有關(guān)。影響發(fā)光效率的主要因素有：①量子力學(xué)原理的限制；②單線態(tài)激子的非輻射衰減；③電子和空穴在注入過程中的不平衡。
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