CN100438117C - 改进功率效率的彩色有机发光二极管显示装置 - Google Patents

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Abstract

彩色OLED显示装置包括：发光OLED像素阵列，其中每个像素具有用于发射指定色域的不同颜色光的三个或更多的色域元件和至少一个用于发射在色域内的颜色光的附加元件，其中附加元件的功率效率高于三个或更多色域元件中的至少一个；其中用于显示每个颜色的所有色域元件在第一方向上排列成一直线，以使在该直线上没有不同颜色的色域元件；其中彩色色域元件在与第一方向正交的第二方向上排列成一直线，以使色域元件的颜色在该直线上交替变化；并且其中附加元件在第一和第二方向均排列成一直线。

Description

改进功率效率的彩色有机发光二极管显示装置
技术领域
本发明涉及OLED彩色显示装置，特别是涉及这些OLED彩色显示装置中的发光元件的排列。
背景技术
2002年12月12日公开的Siwinski等人的美国专利申请号为2002/0186214A1提出了在具有由红、绿、蓝和白色的发光元件组成的像素的有机发光二极管显示装置(OLED)中节省能量的方法。由于白光发射元件比其他颜色的发光元件效率更高，因此其被用于减少显示装置的功率需要量。
虽然提高功率效率一直是人们所期望的事，但其在便携式器件的应用上却倍受关注，由于低效显示装置限制了在电源再充电前器件能够使用的时间。实际上，对于特定的应用，功率消耗率可能比除可见度以外的其他显示装置特征更重要。参照图2，示出了Siwinski教导的具有红12、绿14、蓝16和白色18发光元件的四个像素10的排列。每个像素中的发光元件都被排列成2×2阵列。
广泛使用的文本再现软件如Microsoft ClearTypeTM依赖于彩色元件被排列成垂直条带的显示装置。这种排列在具有红、绿和蓝色发光元件组成的像素的液晶显示装置中是已知的。图3示出了这种排列的一个例子，但这种排列并不提供Siwinski教导的显示器件的节能效果。
因此，对已经改善功率效率同时保持全色再现并与条形图案排列兼容的改进全色平板OLED显示装置存在需求。
发明内容
通过提供包括发光OLED像素阵列的OLED显示装置可以满足该需求。其中每个像素具有用于发射指定色域的不同颜色光的三个或更多的色域元件和至少一个用于发射色域内颜色光的附加元件，其中附加元件的功率效率高于三个中或更多色域元件中的至少一个的功率效率；其中用于显示每种颜色的所有色域元件在第一方向上排列成一直线，以使在该直线上没有不同颜色的色域元件；其中彩色色域元件在与第一方向正交的第二方向上排列成一直线，使色域元件的颜色在该直线上交替变化；并且其中附加元件在第一和第二方向均排列成一直线。
本发明的优点在于提供具有改进功率效率并与条带模式的排列兼容的彩色显示器件。
附图说明
图1是具有按照本发明一个实施方案排列的发光元件的OLED显示装置的一部分的示意图；
图2是发光元件按照现有技术排列的OLED显示装置的部分示意图；
图3是发光元件按照现有技术排列的OLED显示装置的部分示意图；
图4是按照本发明一个实施方案的顶部发射OLED显示装置一部分的侧视图；
图5是按照本发明一个实施方案的底部发射OLED显示装置一部分的侧视图；
图6是发光元件按照本发明一个备选实施方案排列的OLED显示装置的部分示意图；
图7是发光元件按照本发明另一备选实施方案排列的OLED显示装置的部分示意图；
图8是发光元件按照本发明另一备选实施方案排列的OLED显示装置的部分示意图；
图9是发光元件按照本发明另一备选实施方案排列的OLED显示装置的部分示意图；
图10是按照本发明另一实施方案的顶部发射OLED显示装置一部分的侧视图；
图11是图7所示类型的OLED显示装置的部分像素区域的电路布置图；
图12是图11所示OLED显示装置的部分像素区域的电路布置图；
图13是OLED显示装置中一个发光元件的横截面图；
图14是图7所示类型的OLED显示装置的部分像素区域的一个备选电路图；
图15是图14所示OLED显示装置的部分像素区域的更详细的电路布置图；
图16是图7所示类型的OLED显示装置的部分像素区域的另一备选电路布置图；
图17是图16所示OLED显示装置的部分像素区域的更详细的电路布置图；
图18是图8所示类型的OLED显示装置的部分像素区域的另一备选电路布置图；
图19是根据现有技术的OLED发光元件的侧面示意图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明一个OLED显示装置的包括发光OLED像素10的一个阵列，其中每个像素具有用于发射指定色域的不同颜色光例如红12、绿14、蓝16的发光元件，这些发光元件可是三个或更多的色域元件，每个像素还有至少一个附加元件，其用于发射在色域内颜色的光，例如白色发光元件18。附加元件的功率效率高于色域元件的功率效率，因此通过驱动附加元件代替色域元件可以减少显示装置的功耗。显示装置中用于显示每个颜色的所有色域元件在第一方向Y上排列成一直线，以使在该直线上没有不同颜色的色域元件。彩色色域元件在与第一方向正交的第二方向X上排列成一直线，以使色域元件的颜色在该直线上交替变化。发光元件的这种排列与需要条色信号图显示装置的文本再现软件兼容。像素中的发光元件使用常规方法都可单独寻址。
根据本发明，由常规低功率效率色域元件组合产生的亮度可由被一些高功率效率附加元件替代地产生。这样，使用附加元件重现的任何颜色将比使用色域元件的等效重现更高效。信号处理器可提供适当的变换函数，该处理器将标准彩色图像信号改变成功率节省的图像信号，而该功率节省图像信号被用以驱动本发明的显示装置。
本发明可应用于每个像素包括四个或更多OLED元件的大多数OLED器件构型中。这些构型包括每个OLED包含分开的阳极和阴极的非常简单的结构，也包括例如具有形成像素的阳极和阴极的正交阵列的无源矩阵显示装置和其中每个像素例如用薄膜晶体管(TFT)单独控制的有源矩阵显示装置的非常复杂的结构。
参照图4，具有多个发光元件的顶部发射OLED显示装置包括在基底20上形成的单层白色发光材料30。被绝缘体29分开的多个电极22、24、26和28限定发光元件12、14、16和18(见图1)。第二透明电极32形成在白色发光有机材料30上。红42、绿44、蓝46滤色器被分别提供在电极22、24、26上，以使当白光从有机层30射出时，红光52从电极22上射出，绿光54从电极24上射出，蓝光从电极26上射出。未过滤的白光58从电极28上射出。且透明封装膜(未示出)提供在器件上。电极22-28和滤色器42-46的备选排列可按如下描述提供。此外，附加滤波器(未示出)可提供在白色发光体上以调整从附加发光元件射出的光的白点。
参照图5，在底部发射的排列中，光从基底20射出。在这种排列下，只要第一电极22、24、26和28是透明的，第二电极32不需要透明。颜色滤色器42、44、46和白点调整滤色器48在形成发光元件之前须形成在基底20上。
本发明提供与再现文本首选的色条信号模式的兼容性。在最简单排列中，如图1所示，附加白光元件被顺次提供在色域元件之后。参照图1，具有红色12、绿色14、蓝色16和白色18的彩色发光元件的像素10组成了每种颜色的一系列组。在垂直方向上，元件形成单一彩色条线，在正交的水平方向上，彩色线顺序交替。应该注意，在图1中描述的实施方案和下面描述的各个实施方案中示出的发光元件的排列可被反射或旋转而不会改变其性质。
在图1所示的排列中，附加白色发光元件18与绿色发光元件14交替排列以使白色和绿色元件在空间上对称。由于白色和绿色均在显示装置中携带相对大量的亮度信息因此其可加强显示装置的亮度分辨率(清晰度)。
参照图6，在稍加改变的排列中，白色和绿色元件18和14排列在红色和蓝色元件12和16之间。白色元件18还可放置在绿色14和蓝色16元件之间(未示出)。这两种构型具有使附加白色元件定位在像素更中央的优点。由于白光是彩色光的组合，那么定位该白光元件在像素中央将为观众提供与常规色条信号图更一致的感受。
参照图7，在一个备选实施方案中，附加元件18可以相对于色域元件排列以空间整合来自像素10的光。例如，附加元件18可被定位在色域元件的下面(或上面)。由于附加(色域内)元件发射出原来从色域元件射出的光，所以要将该附加元件18定位，以使其光发射位于所有色域元件附近，这样将提供与色条排列的兼容性并形成空间整合的光源。
参照图11，示出了用于图7所示类型的有源矩阵显示装置的电路图。发光元件被连接到选择线113、数据线112a或112b或112c或112d、电源线111a、111b、或111c、和电容线114。为了操作该显示装置，通过对单一选择线施加电压选择了发光元件的行，这打开了所连接发光元件的选择晶体管120。每个发光元件的亮度水平由保持在数据线上的电压信号控制。每个被选择元件的存储电容130接着被充电到相关数据线112a、112b、112c或112d的电压电平。在每个发光元件中，存储电容被连接到功率晶体管140的门电路上，以使存储电容上保持的电压电平调节通过功率晶体管140到发光元件的有机EL元件11的电流，从而可控制亮度。然后通过施加到可关闭该选择晶体管120的选择线113的电压信号，每一行变为未选择。接着数据线112的电压被设置成下一行希望的电平并打开下一行的选择线。发光元件的每一行都重复该过程。在下个图像帧期间存储电容130保持数据电压直到该行被再次被选择。
电源线典型地连接到所有发光元件的共有电压电平上。如这里所示，发光元件12、14和16连接到与发光元件18不同的选择线上。这表示发光元件18的亮度水平的写入时间与发光元件12、14和16的不同。然而，由发光元件18、12a、14a和16a组成的像素的备选构型将导致像素内所有发光元件的亮度水平被同时调整，并可以理解该备选构型也在本发明的范围之内。
图12表示用于上述图11的有源矩阵电路的电路布置图。驱动电路部分使用常规集成电路技术制成。例如发光元件12，由使用本领域公知技术从第一半导体区121a形成的选择晶体管120a组成。类似地，功率晶体管140a形成在第二半导体区141a中。第一半导体区121a和第二半导体区141a通常形成在同一半导体层中。
该半导体层典型为非晶态、多晶态或晶态的硅。该第一半导体区121a还形成存储电容130a的一面。在第一半导体区121a和第二半导体区141a的上方有形成选择晶体管120a的栅绝缘子、功率晶体管140a的栅绝缘子和存储电容130a的栅绝缘子的绝缘层(未示出)。选择晶体管120a的门电路在第一导电层中的部分选择线113a中的一部分形成。
功率晶体管140a具有分开的也优选形成在第一导电层内的栅导体143a。存储电容130a的其他电极被形成为电容线114a的一部分，其优选也由第一导电层形成。电源线111a和数据线112a优选分别形成在第二导电层中。由于信号线的一根或多根(例如选择线113a)与其他信号线中的一根或多根(例如数据线)频繁交叉。这就需要这些线由至少有一个层间绝缘隔层(未示出)的多个导电层制备。有机EL元件通过制作每个像素的第一电极181a和第二电极(未示出)的布线图案和沉积一层或多层有机EL介质(未示出)形成。
层与层之间的连接通过在绝缘层中蚀刻孔(或通孔)形成，例如第一通孔112a将数据线112a连接到选择晶体管的第一半导体区121a，第二通孔142a将功率晶体管栅导体143a连接到存储电容130a的第一半导体区121a和选择晶体管120a，第三通孔146a将功率晶体管的第二半导体区141a连接到电源线111a，且第四通孔145a将功率晶体管的第二半导体区141a连接到第一电极181a。
在第一电极上方，形成元件间的绝缘薄膜以减少正负极间的短路。在第一电极上方使用这种绝缘薄膜的方法在2001年6月12日授权的Yamada发明的US6,246,179中被公开。元件间绝缘薄膜覆盖在显示装置的所有发光元件上，且形成孔以允许第一电极连接到OLED层(未示出)。对于发光元件12，孔191a形成在第一电极181a上的像素间的电介质中。孔191a限定发光的发光元件的面积。虽然使用元件间的绝缘薄膜是优选的，但其并不是成功实现本发明所必需的。
发光元件14和16的形成与发光元件12的形成类似，其被分别连接到数据线112b和112c，并被分别连接到电源线111b和111c。
发光元件18被连接到选择线113b、电容线114b、数据线112d和电源线111c。发光元件18可选地连接到电源线111b或111a或由不与其他颜色的发光元件共用的单一电源线供电，这是本领域公知的。像发光元件12一样，发光元件18也由选择晶体管120b、存储电容130b和功率晶体管140b组成。该选择晶体管和电容用第一半导体区121b构造。功率晶体管用第二半导体区141b构造且栅电极143b通过通孔142b连接到第一半导体区、通过通孔146b连接到电源线111c，并通过通孔145b连接到第一电极181b。
对于第一发光元件18，为了将第一半导体区121b连接到数据线112d，数据线112a必须被交叉。这可通过使用第一导电桥150完成。该导电桥优选由第一导电层构成。该导电桥经通孔151b连接到数据线112d，且经通孔151a连接到第一半导体区。虽然使用第一导电桥150是优选的，但这不是必须的，并且包括直接将第一半导体区121b连接到数据线112d的其他连接方法也可由本领域的熟练技术人员实现。此外，取决于数据线如何排列，导电桥可能应用到除发光元件18以外的发光元件。例如如果数据线112a和数据线112b的位置颠倒，那么该导电桥将不会用于发光元件18而被应用于发光元件12。此外，一个以上的导电桥可以用于经过多个发光元件上的数据线。
发光元件18还优选使用第二导电桥152，将第二电容电极131连接到桥跨在选择线113b上的电容线114b。第二导电桥152优选构造在第二导电层中。第二导电桥152经通孔153b连接到第二电容电极131上并经通孔153a连接到电容线114b上。与第一导电桥150相同，通过重新排列元件和连接线，第二导电桥可以位于除发光元件18以外的发光元件(或多个发光元件)上。如果选择线和电容线用不同导电层制造，则不用第二导电桥也可构造各种发光元件。
发光元件18的第一电极181b伸长跨过多个信号线，例如电源线111a和111b或数据线112b和112c。这些区域在底部发射构型中不发光，且可以用像素间的电介质覆盖。这造成了在元件间的电介质中的三个分开的孔191x、191y和191z，且对于发光元件18来说，其造成了三个分开的发光区域。
本发明的发光元件已被示出，并且其作为底部发射的构型进行了描述。如果该器件是顶部发射的构型，该第一电极可增加尺寸并遍布到其他不同电路元件和信号线上。像素间电介质中的孔可以以类似的方式增加。在这种情况下，发光元件18将不需要提供多个分开的孔，及多个分开的发射区域，而是可以提供一个较大的连续孔和发射区域。这样构型的预想与本发明一致。
虽然上面各个实施方案是参照有源矩阵电路的特殊构型描述的，但本领域的熟练技术人员可将本领域的多种公知常规电路的变化应用于本发明。例如，像在1996年8月27日授权的Tang等人发明的US5,550,066中公开了不用分开的电容线而是直接把电容连接到电源线的一种变化。和在2002年11月5日授权的Yasuda的US6,479，419中所公开的第二种变化使用两个电容彼此直接排列，其中第一电容在半导体层和栅导电层之间制备，第二电容在栅导电层和第二导电层之间制备。本领域的熟练技术人员可将其中任一变化应用于本发明。
虽然该电路的每个发光元件都需要一个选择晶体管和一个功率晶体管，但这些晶体管的多种变型都是本领域的公知技术。例如晶体管的单栅和多栅变型是公知的，且其可被应用到现有技术中的选择晶体管。单栅晶体管包括一个栅极，一个源极和一个漏极。例如在2002年8月6日授权的Yokoyama发明的U86,429,599中所示的将单栅晶体管做为用于选择晶体管的例子。双栅晶体管包括至少两个电连接在一起的栅极和一个源极、一个漏极以及至少一个在栅极之间的源漏中间体。例如在上面提到的US6,246,179中所示的将多栅晶体管用于选择晶体管的方法。这种类型的晶体管在电路简图中可由一个晶体管或串联的二个或更多个晶体管表示，其中它们的栅极连接在一起且一个晶体管的源极被直接连接到第二个晶体管的漏极。虽然这些晶体管的设计可能有所不同，但这两种类型的晶体管在电路中的功能相同，且本领域的熟练技术人员可将任一类型用于本发明。本发明的优选实施方案的例子已被示出，其中多栅型选择晶体管120用单栅晶体管的符号表示。
同样在本领域内公知的是：多并联晶体管已被应用于多并联功率晶体管140。多并联晶体管在2002年12月31日授权的Komiya等人的US6,501,448中被记载。多并联晶体管由两个或多个晶体管及其全部电连接在一起的源极、漏极和栅极组成。但多个晶体管的位置在像素内的位置中是分开的，为电流提供多并联路径。使用多并联晶体管具有提供稳固性的优点，以防止在半导体层制造过程中的不稳定和缺陷。虽然本发明实施例中描述的功率晶体管以单晶体管示出，但本领域的熟练技术人员可将其用多并联晶体管替代且可以理解其均在本发明的主旨范围之内。
可变电路类型例如恒流电源驱动设计同样为本领域公知。恒流电源装置的实例在2002年12月31日授权的Yamagishi等人的US6,501,466中公开。本领域的熟练技术人员也可将备选电路类型应用到本发明。
现转到图13，其示出了图12各个层的垂直排列。用本文所述的方式，驱动电路被布置在基底20上和OLED层310下。层310包括空穴注入层311、空穴传输层312、发光层313和电子传输层314。半导体层在基底20上方形成、掺杂和构图以形成第二半导体区141a。栅绝缘层212形成在半导体层上。在栅绝缘层212上方，栅导体形成在第一导电层中。然后半导体层被掺杂以在栅导体143a的每一面上形成源极和漏极区域。第一绝缘隔层213形成在栅导体143a上。第二导电层在第一绝缘隔层213上沉积并构图以形成第一电源线(如111a)和数据线(如112a和112d)。第二绝缘隔层214形成在电源线和数据线(如111a、112a等)上。第一电极181a形成在第二绝缘隔层214上，并且被构图。元件间电介质薄膜形成在第一电极181a的边缘周围以减少第一电极181a和第二电极320之间的短路。
参照图14，其示出了驱动电路的一种备选布置。在图14中，构造数据线和电源线的布置使一排中每个像素有两条电源线111a和111b。在该例中，发光元件14和18共用电源线111a。发光元件16和邻近像素的发光元件共用电源线111b。即，发光元件14被连接到邻近像素的电源线111b上。这种布置下每个像素的电源线比图11布置下的更少，且每个电源线从两个发光元件传导电流负载。
图15表示上述图14的有源矩阵电路的电路布置图。该图样具有与图12中所示的相同的晶体管和电容元件。为了实现每个像素两条电源线的理想情况，可用如上所述利用若干导电桥的结构。第一导电桥154经通孔155a连接到发光元件12的第一半导体区121a，并跨过数据线112d经通孔155b连接到电源线111b。第二导电桥跨过选择线113b将发光元件18的第二电容的电极131连接到电容线。第三导电桥156经通孔157b连接到发光元件18的第二半导体区141b并经通孔157a连接到电源线111a。
尽管这些导电桥作为特定发光元件的一部分示出，但其还可放置在除了示出的发光元件以外其他发光元件上。虽然优选使用导电桥，但其不是成功实现本发明所必需的。
现参照图16，示出了第一实施方案像素电路的备选布置。图16中，两个相邻像素9和10的数据线和电源线被构造使得一排中每两个像素有三条电源线111a和111b和111c。在该例中，发光元件16、18、12b和18b都连接到电源线111b。这种布置下每个像素的电源线比图11和图14布置下的都少。
图17表示上述图16有源矩阵电路的电路布置图。该图样具有与图12中所示的相同的晶体管和电容元件。为了实现每两个像素有三条电源线的理想情况，发光元件12b、14b、16b和18b的布置相对于发光元件12、14、16和18的位置要变换。发光元件16的功率晶体管140c和发光元件12b的功率晶体管140i都连接到电源线111b上。因此这些晶体管可用相同半导体区141c形成并且可使用同一通孔146I在连接半导体区141c和电源线111b之间进行接触。类似地，发光元件18的功率晶体管140d和发光元件18b的功率晶体管140L都连接到电源线111b上。因此这些晶体管可用相同半导体区141d形成并且可使用同一通孔146L在半导体区141d和电源线111b之间进行接触。尽管上面提及的晶体管使用同一通孔和半导体区是希望的，但其并不是成功实现本发明所需要的。
参照图8，在一个备选实施例中，白色元件18排列在像素10中心的附近。每个像素10都包括按常规排列的红色12、绿色14和蓝色16元件，只是中心元件14较小。附加元件18放置在中心元件的下面(或上面)。因为白光元件能有效地发射出白光，否则白光需要三色元件一起发射光才能形成，所以定位白光元件以使发射的白光位于所有三色元件中心的附近以提供与色条排列的兼容性。
参照图18，一种布局模式被示出，图8说明的白色发光元件18和绿色发光元件14排列成单条的布置图样。上述任何电路布置的例子都可驱动该排列。图18示出的实施例表示一排中每个像素有两个电源线的***。当排列使得发光元件14和18形成一条时，对于发光元件18来说，在元件间电介质层中只需要一个单孔190d。
该显示装置能够呈现标准三色红、绿、蓝OLED显示器件所呈现的全部颜色。白色OLED18的设计与显示装置白点匹配。在该实施例中，用于驱动该显示的信号处理器可能被设计成允许任何灰度值，包括白色，其通常使用组合红12、绿14和蓝16彩色OLED呈现出，这和先前主要通过使用白色OLED18产生的效果应一样。为实现这个目的，白色OLED18的峰值亮度的设计与红12、绿14和蓝16 OLED的组合亮度匹配。即，在典型构型中，现有技术的显示装置的设计可以实现100cd/aq.m峰值亮度，当红12、绿14和蓝16彩色OLED都呈现各自的最大亮度时，其将被设定以产生峰值亮度，并且白色OLED也可设计成提供该相同的峰值亮度。
但应当注意，在特定环境下可设计附加元件18的颜色，以提供彩点，该彩点不同于由红色、绿色和蓝色元件限定的色域之内的显示装置的白点。例如通过将附加或“白色”元件18的颜色向色域元件之一的颜色偏移，设计师减少了显示装置对附加元件所偏移的色域元件的依赖。
同样可根据包括较低值在内的其他亮度值来设定附加元件的峰值亮度，例如组合色域元件的峰值亮度的半亮度值，这减少对附加元件的依赖，同时增加对色域元件的依赖。附加元件的峰值亮度也可设计成更高的值，例如是组合色域元件峰值亮度的一倍半。但是，该偏移可能导致色饱和度的损失，亮度的损失高，其饱和度的损失就高。
一旦显示装置设计成给每个元件提供恰当亮度值，就可采用例如查表法的合适的方法将传统的三信道数据信号变换成四信道数据信号。产生用于将三信道数据信号查表转换成驱动具有四个或更多颜色信道的显示装置的方法已为本领域所熟知，例如在2000年6月13日发行的Ryan发明的US6,075,414便提供了这样一种方法。作为选择，可使用特定于该转换的算法实现实时转换。
因为从三色到四色的转换具有不确定性，(即，在转换规格中许多颜色能由单独的色域元件组合或与附加元件的许多组合之一产生)，所以可能产生不同的转换。但通过选择附加元件的峰值亮度以匹配色域元件的组合峰值亮度，在保持所有颜色的饱和度的同时，执行变换以使附加元件为每个元件提供尽可能高的亮度是可行的。该方法可提供本发明可能的最大节省能量的模式。
还可以实施本发明的其他各种实施方案。第二种特别有用的实施方案包括使用可提供多种颜色的掺杂的若干不同的OLED材料。例如红色12、绿色14、蓝色16和白色18OLED可由产生不同颜色的OLED的掺杂的不同OLED材料组成。参照图10，在该实施方案中，在每个第一电极22-28上形成不同的有机发光二极管材料层62-68。第二电极形成在有机发光二极管材料62-68上。每个有机发光二极管材料(例如62、64、66和68)由空穴注入层、空穴传输层、发光层和电子传输层形成，下面将详细描述。
在该实施方案中，选择有机发光二极管材料叠层中的发光层和其他潜在层来提供红色、绿色、蓝色和白色发光元件。一种发光二极管材料62主要发射可见光谱中的长波长光或红光部分。第二发光二极管材料64主要发射可见光谱中的中波长光或绿光部分。第三发光二极管材料66主要发射可见光谱中的短波长光或蓝光部分。最后，第四发光二极管材料68发射宽范围波长的光，并产生白色OLED。这样，四种不同材料形成了包括红色、绿色、蓝色和白色OLED的四OLED显示装置。
在实施过程中，产生不同颜色的用被掺杂的材料形成的OLED可能具有显著不同的发光效率，并因此选择具有色度坐标向最低功率效率的OLED的色度坐标偏移的白色OLED可能是希望的。通过这样选择白色OLED的色度坐标，最低功率效率的元件常被白色OLED代替，以减少总体能量的使用。
此外，在该实施过程中，不同的OLED可能需要以不同电平驱动来产生色平衡的显示。认识到OLED材料的稳定性与用于驱动OLED的电流密度成反比是很重要的。OLED的寿命受稳定性(即，用于驱动OLED的电流密度)影响，因此，用较高电流密度驱动某些元件的需求将缩短给定颜色的OLED的寿命。此外用于产出不同颜色的掺杂OLED材料通常具有不同的亮度稳定性。即，随着时间的变化，对于不同材料来说，其产生的亮度输出的变化是不同的。考虑到这个问题，白色OLED采用的材料的色度坐标位置不是靠近于其他色域限定的OLED而是更靠近于最短亮度稳定性OLED的材料。根据这个标准来定位白色OLED总体上减少了其最接近的色域限定OLED的使用并延长了其寿命。
在上述实施方案中，由于附加元件比色域元件有显著更高的效率，所以驱动附加元件所需的电流密度和能量比色域元件所需的明显更低，注意到这点是非常重要的。随着时间的变化，用于组成发光元件的材料的亮度稳定性通常通过完全非线性函数与驱动元件的电流密度相关联，其中，驱动电流很大时，随着时间的变化，材料的亮度稳定性会非常的差，注意这一点也是重要的。实际上，用于描述该关系的函数通常可以描述为指数函数。由于这个原因，驱动任何电流密度大于给定阈值的元件是很不理想的，因为在域值处随时间变化的亮度稳定性函数曲线将特别的陡。同时，可能希望实现通常要求色域元件被驱动到该电流密度的最大显示亮度值。
在迄今为止所述的实施方案中，各种发光元件具有不同的效率和寿命。为了对于各种应用优化显示器件，可以使用不同尺寸的元件。例如，在黑白色用途为主的应用中，附加白色OLED元件可增加尺寸。同样应该意识到，因为附加元件所产生的亮度量可被控制，所以可理想地改变其相对尺寸。2002年4月2日授权的Yamada的US6,366,025中描述了考虑到发光元件的不同发射效率和亮度比，而具有不同面积的红、绿和蓝发光元件的电致发光彩色显示器件。由Yamada描述的该原理能被应用到本发明的显示器件上。参照图9，示出了具有由预期的能量用量、效率和寿命所决定的不同面积的元件的显示装置。
在优选的实施方案中，本发明可应用于包括由小分子或聚合OLED组成的有机发光二极管(OLED)的器件，其被1988年9月6日授权的Tang等人的US4,769,292和1991年10月29日授权的VanSlyke等人的US5,061,569所公开但并不仅限于此。有机发光二极管显示装置的许多组合和变化都可用于制造这样的器件。
本发明可应用于大部分OLED器件构型。这些构型包括由单一阳极和阴极组成的很简单的结构，直至例如具有形成像素的阳极和阴极的正交阵列的无源矩阵显示装置和每个像素用薄膜晶体管(TFT)单独控制的有源矩阵显示装置的非常复杂的结构。
有许多可以成功实施本发明的有机层构型。图19示出一种典型结构，其由基底701、阳极703、空穴注入层705、空穴传输层707、发光层709、电子传输层711和阴极713组成。下面将详细描述这些层。应当注意，作为选择，基底可定位与阴极邻接，或者基底可直接构成阳极或阴极。在阳极和阴极间的有机层被方便地称为有机EL元件。有机层全部组合的厚度优选小于500nm。
OLED的阳极和阴极经电导体860连接到电压/电流源850。通过在阳极和阴极间施加电压使得阳极比阴极处于更高的正电势，可以操作OLED。使空穴从阳极注入到有机EL元件中，电子在阳极处注入到有机EL元件上。当OLED在AC模式下操作时，有时能实现增强的器件稳定性。在AC模式中对于一些循环周期，电压偏置被反向且没有电流流过。US5,552,678描述了AC驱动OLED的一个例子。
本发明OLED装置通常提供在支撑基底上，其中阳极或阴极可以与基底接触。与基底接触的电极被方便地称为底部电极。按照常规，底部电极是阳极，但本发明并不被限于该构型。基底可以是透明的或是不透明的。在基底是透明的情况下，使用反射或吸收层来反射或吸收经由覆盖层的光，因此可改善显示器的对比度。基底包括玻璃、塑料、半导体材料、硅、陶瓷和电路板材料，但并不仅限于此。当然，必须提供可透光的顶部电极。
当通过阳极703观察EL发射时，阳极应该是对所关注的发射光透明或基本透明的。用于本发明的常见透明阳极材料有铟-锡氧化物(ITO)、铟-锌氧化物(IZO)和氧化锡和其他金属氧化物，包括掺杂铝或铟的氧化锌、镁-铟氧化物和镍-钨氧化物的材料，但不仅限于此。除了这些氧化物、例如氮化镓的金属氮化物、例如硒化锌的金属硒化物和例如硫化锌的金属硫化物都可用作阳极。对于只通过阴电极观察EL发射的应用，阳极的透射特性是不重要的，并且可以使用任何透明、不透明或反射的导电材料。本发明所用导体的例子包括：金、铱、钼、钯和铂，但不仅限于此。透明或不透明的典型的阳极材料具有4.1eV或更大的功函数。理想的阳极材料通常可以由例如蒸镀、溅射、化学气相沉积或电化学方法的任何适当的方法沉积。阳极可使用公知的光刻处理构图。任选地，阳极可在涂敷其他层之前抛光以减小表面粗糙度，从而减少短路或增强反射率。
虽然并不总是必需的，但是在阳极703与空穴传输层707之间提供空穴注入层通常是有用的。空穴注入材料可以用来改善后续有机层的成膜性能并促进空穴注入到空穴传输层中。用在空穴注入层中的合适材料包括但不限于在US-A-4,720,432中所述的卟啉化合物，和在US-A-6,208,075中描述的等离子沉积的碳氟聚合物，以及某些芳香胺，例如m-MTDATA(4，4’，4”-三[(3-甲基氨基)苯基氨基]三苯基胺)。已经报道用于有机EL器件中的替代空穴注入材料描述在EP0 891 121 A1和EP 1 029 909 A1中。
空穴传输层707含有至少一种空穴传输化合物如芳族叔胺，其中，后者被理解为是含有至少一个只结合到碳上的三价氮原子的化合物，且其中至少之一为芳环的组元。在一种形式中，芳族叔胺可以是芳基胺如一芳基胺、二芳基胺、三芳基胺、或聚合芳基胺。典型的单体三芳基胺由Klupfel等的US 3,180,730说明。用一个或多个乙烯基取代的和/或包含至少一个活性含氢基团的其它合适的三芳基胺由Brantley等的US 3,567,450和US 3,658,520公开。
芳族叔胺的一个更优选类型是包括至少两个芳族叔胺部分的那些，如US4,720,432和US 5,061,569中所述。空穴传输层可以由单一芳族叔胺化合物或其混合物构成。有用的芳族叔胺的实例如下：
1，1-双(4-二-对甲苯基氨基苯基)环己烷
1，1-双(4-二-对甲苯基氨基苯基)-4-苯基环己烷
4，4’-双(二苯基氨基)四联苯
双(4-二甲基氨基-2-甲基苯基)-苯基甲烷
N，N，N-三(对甲苯基)胺
4-(二-对甲苯基氨基)-4’-[4-(二-对甲苯基氨基)-苯乙烯基]茋
N，N，N’，N’-四-对甲苯基-4，4’-二氨基联苯
N，N，N’，N’-四苯基-4，4’-二氨基联苯
N，N，N’，N’-四-1-萘基-4，4’-二氨基联苯
N，N，N’，N’-四-2-萘基-4，4’-二氨基联苯
N-苯基咔唑
4，4’-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(1-萘基)-N-(2-萘基)氨基)联苯
4，4”-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]对三联苯
4，4’-双[N-(2-萘基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(3-苊基)-N-苯基氨基]联苯
1，5-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]萘
4，4’-双[N-(9-蒽基)-N-苯基氨基]联苯
4，4”-双[N-(1-蒽基)-N-苯基氨基]对三联苯
4，4’-双[N-(2-菲基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(8-氟代蒽基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(2-芘基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(2-并四苯基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(2-苝基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(2-晕苯基)-N-苯基氨基]联苯
2，6-双(二对甲苯基氨基)萘
2，6-双[二-(1-萘基)氨基]萘
2，6-双[N-(1-萘基)-N-(2-萘基)氨基]萘
N，N，N’，N’-四(2-萘基)-4，4”-二氨基-对三联苯
4，4’-双{N-苯基-N-[4-(1-萘基)-苯基]氨基}联苯
4，4’-双[N-苯基-N-(2-芘基)氨基]联苯
2，6-双[N，N-二(2-萘基)氨基]芴
1，5-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]萘
4，4’，4”-三[(3-甲基苯基)苯基氨基]三苯基胺
另一类有用的空穴传输材料包括多环芳族化合物，如EP 1 009 041中所述。可以使用具有两个以上胺基团的叔芳族胺，包括低聚材料。此外，还可以使用聚合空穴传输材料，如聚(N-乙烯基咔唑)(PVK)、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺，以及共聚物如聚(3，4-亚乙基二氧基噻吩)/聚(4-苯乙烯磺酸酯)，也称为PEDOT/PSS。
如在US 4,769,292和US 5,935,721中更充分描述的，有机EL元件的发光层包含其中由于在该区域的电子-空穴对复合产生电致发光的发光材料或荧光材料。发光层可以由单一材料构成，但是更常见由用客体化合物或多种化合物掺杂的主体材料组成，其中发光主要来自掺杂剂并且可以具有任何颜色。发光层中的主体材料可以是如下所定义的电子传输材料、如上所定义的空穴传输材料或支持空穴-电子复合的另一种材料或材料组合。掺杂剂通常选自高荧光染料，但是磷光化合物，例如WO 98/55561、WO 00/18851、WO 00/57676和WO00/70655中所述的过渡金属配合物也是可用的。掺杂剂通常按0.01-10重量％涂布到主体材料中。聚合物材料如聚芴和聚乙烯基亚芳基(例如聚[对亚苯基亚乙烯基]，PPV)也可以用作主体材料。在这种情况下，小分子掺杂剂可以以分子状态分散在聚合物主体中或者可以通过共聚少量组分进入主体聚合物中而加入掺杂剂。
选择染料作为掺杂剂的一个重要关系是带隙势差的比较。对于从主体到掺杂剂分子的有效能量传递，必要的条件是掺杂剂的带隙小于主体材料的带隙。对于磷光发射体，还重要的是主体的主体三重能级(triplet energy level)足够高，能够进行从主体到掺杂剂的能量转移。
已知有用的主体和和发射分子包括但不限于在US-A-4,768,292、US-A-5,141,671、US-A-5,150,006、US-A-5,151,629、US-A-5,405,709、US-A-5,484,922、US-A-5,593,788、US-A-5,645,948、US-A-5,683,823、US-A-5,755,999、US-A-5,928,802、US-A-5,935,720、US-A-5,935,721和US-A-6,020,078中所公开的那些。
8-羟基喹啉(喔星)的金属配合物和类似的衍生物构成一类能够支持电致发光的有用的主体化合物。有用的螯合喹啉醇盐(oxinoid)化合物举例说明如下：
CO-1：三喔星铝[别名，三(8-喹啉醇合)铝(III)]
CO-2：二喔星镁[别名，二(8-喹啉醇合)镁(II)]
CO-3：双[苯并{f}-8-喹啉醇合]锌(II)
CO-4：双(2-甲基-8-喹啉醇合)铝(III)-μ-氧-双(2-甲基-8-喹啉醇合)铝(III)
CO-5：三喔星铟[别名，三(8-喹啉醇合)铟]
CO-6：三(5-甲基喔星)铝[别名，三(5-甲基-8-喹啉醇合)铝]
CO-7：喔星锂[别名，(8-喹啉醇合)锂(I)]
CO-8：喔星镓[别名，三(8-喹啉醇合)镓(III)]
CO-9：喔星锆[别名，四(8-喹啉醇合)锆(IV)]
其它类型的有用的主体材料包括但不限于蒽的衍生物如9，10-二-(2-萘基)蒽及其衍生物，如US-A-5,935,721中所述，二苯乙烯基亚芳基衍生物，如US-A-5,121,029中所述，和吲哚如2，2’，2”-(1，3，5-亚苯基)三[1-苯基-1H苯并咪唑]。咔唑衍生物对于磷光发射体是特别有用的主体。
有用的荧光掺杂剂包括但不限于蒽、并四苯、氧杂蒽、二萘嵌苯、红荧烯、香豆素、若丹明、和喹吖二酮、二氰基亚甲基吡喃化合物、噻喃化合物、聚甲川化合物、pyrilium和thiapyrilium化合物、芴衍生物、periflanthene衍生物、茚并二萘嵌苯衍生物、双(吖嗪基)胺硼化合物、双(吖嗪基)甲烷化合物、和carbostyryl化合物。
用于在本发明的有机EL单元中形成电子传输层711的优选薄膜形成材料是金属螯合8-羟基喹啉醇盐化合物，包括喔星(通常还称为8-喹啉醇或8-羟基喹啉)自身的螯合物。这样的化合物有助于注入和传输电子，并且都表现出高性能，并且容易以薄膜形式制备。示例性的8-喹啉醇盐化合物如前所列。
其它电子传输材料包括各种丁二烯衍生物，如US-A-4,356,429中所公开的，和各种杂环荧光增白剂，如US-A-4,539,507中所公开的。吲哚和三嗪也是有用的电子传输材料。
当仅通过阳极观察光发射时，本发明中所用的阴极113可以由几乎任何导电材料构成。理想的材料具有良好的成膜性能，以保证与下面的有机层的良好接触，促进低压下的电子注入，并且具有良好的稳定性。有用的阴极材料通常含有低功函数金属(＜4.0电子伏特)或金属合金。一种优选的阴极材料由Mg:Ag合金构成，其中，银的百分比在1-20％范围内，如US-A-4,885,221中所述。另一合适类型的阴极材料包括包含用导电金属厚层覆盖的与有机层(例如ETL)接触的薄电子注入层(EIL)的双层。这里，EIL优选包括低功函数金属或金属盐，如果这样，较厚的覆盖层不必具有低功函数。一种这样的阴极由LiF薄层构成，然后是Al厚层，如在US-A-5,677,572中所述的。其它有用的阴极材料组包括但不限于在US-A-5,059,861、US-A-5,059,862和US-A-6,140,763中所公开的那些。
当通过阴极观察光发射时，阴极必须是透明的或接近透明的。对于这样的用途，金属必需薄或者必须使用透明的导电氧化物，或者这些材料的组合。光学透明的阴极已经更详细描述在US-A-4,885,211、US-A-5,247,190、US-A-5,703,436、US-A-5,608,287、US-A-5,837,391、US-A-5,677,572、US-A-5,776,622、US-A-5,714,838、US-A-5,969,474、US-A-739,545、US-A-5,981,306、US-A-6,137,223、US-A-6,140,763、US-A-172,459、US-A-6,278,236、US-A-6,284,393、JP 3,234,963和EP 1 076 368中。阴极材料可以通过热蒸镀、电子束蒸镀、离子溅射或化学气相沉积来沉积。当需要时，可以通过许多众所周知的方法产生图案，这些方法包括但不限于通过掩模沉积、如在US 5,276,380和EP 0 732 868中所述的整体荫罩(shadow masking)板、激光烧蚀和选择性化学气相沉积。
在某些情况下，层709和711可以任选压缩成单层，其用于支持发光和电子传输的作用。本领域中还已知可以向空穴传输层中加入发光掺杂剂，空穴传输层可以用作主体。可以向一个或多个层中加入多种掺杂剂，以便产生发白光的OLED，例如通过组合发蓝光和发黄光的材料、组合发青色光和发红光的材料、或组合发红光、发绿光和发蓝光的材料。发白光器件描述在例如US-A-5,683,823、US-A-5,503,910、US-A-5,405,709、US-A-5,283,182、EP 1 187 235和EP 1 182 244中。
如本领域中所教导的诸如电子或空穴阻挡层的附加层可以在本发明的器件中采用。空穴阻挡层通常用来改善磷光发光体器件的效率，例如在US20020015859中所述。
本发明可以用在所述堆叠器件结构中，例如US 5,703,436和US 6,337,492中所述。
上述有机材料合适地通过气相法来沉积，如热蒸镀，但是可以从具有任选粘合剂的溶液中沉积，以改进成膜。如果该材料是聚合物，溶剂沉积是有用的，但是可以使用其它方法如溅射或来自供体板的热转印。通过热蒸镀沉积的材料可以从蒸发“舟”中蒸发，所述“舟”常常由钽材料构成，例如在US 6,237,529中所述，或者可以先涂敷在供体板上，然后更靠近基片附近升华。具有这些材料的混合物的层可以利用分开的蒸发舟，或者这些材料可以预先混合并从单一的舟或供体板上涂敷。使用荫罩板(shadow mask)、整体荫罩板(US 5,294,870)、来自供体板的空间限定的热染料传递(US 5,688,551、US 5,851,709和US6,066,357)和喷墨方法(US 6,066,357)可以获得有图案的沉积。
大多数OLED器件对于湿度或氧气或二者是敏感的，所以，把它们与干燥剂一起共同密封在惰生气氛如氮气或氩气中，所述干燥剂如氧化铝、铝矾土、硫酸钙、粘土、硅胶、沸石、碱金属氧化物、碱土金属氧化物、硫酸盐或金属卤化物和高氯酸盐。包封和干燥的方法包括但不限于在US 6,226,890中所述的那些。此外，诸如SiOx、Teflon和交替的无机/聚合物层的阻挡层在本领域中已知用于包封。
本发明的OLED器件可以利用各种已知的光学效应，以便根据要求提高其性能。这包括优化层厚来产生最大的光输出，提供电介质反射镜结构，用光吸收电极代替反射性电极，在显示器上提供防眩光或防反射涂层，在显示器上提供偏振介质，或者提供有色的、中性密度(density)，或在显示器上提供颜色转换滤光片。滤光片、偏振器和防眩光或防反射涂层可以具体提供在覆盖层上或作为覆盖层的一部分。

Claims (1)

1.一种彩色OLED显示装置，其包括：
a)发光OLED像素阵列，其中每个像素具有用于发射指定色域的不同颜色光的三个或更多的色域元件和至少一个用于发射在色域内的颜色光的附加元件，其中附加元件的功率效率要高于三个或更多色域元件中的至少一个的功率效率；
b)其中用于显示同一种颜色的所有色域元件在第一方向上排列成一直线，以使在该直线上没有不同颜色的色域元件；
c)其中不同颜色的色域元件在与第一方向正交的第二方向上排列成一直线，以使色域元件的颜色在该直线上交替；并且
其中附加元件在第一和第二方向均排列成一直线。
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