2015年5月4日

有機發光二極體OLED

世界各國積極發展新世代以OLED為主流的顯示技術,臺灣在此競爭中也不落人後, 2010年工研院研究團隊掌握「軟性」OLED技術, 製造出可撓曲的顯示器, 讓科技電影中像紙張一樣輕薄, 可收納、彎折的顯示器, 不再遙不可及。

作者/趙君傑(現任臺北市立建國中學化學科教師)

OLED全名為有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode),是現今各國光電產業研發重點之一,但在高中科學教育裡,對於相關技術僅簡言帶過,筆者撰文將此科技做更進一步介紹,期盼能作為教學現場的補充資料,且能吸引更多優秀人才投入研究工作。

有機發光二極體的發展
紅光與綠光無機LED自60年代起就已出現, 但藍光LED受限於發光效率不佳,間接導致利用三原色調色的白光LED商品一直遲遲無法問世。直到日本學者赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)、中村修二(Shuji Nakamura)在藍光LED上的努力, 終於在1990年代初期有了革命性發展,三位學者更因此獲得2014年諾貝爾物理獎。但無機LED受限於磊晶生產技術,所以無法製造出高解析度顯示器, 故大多用於LCD背光源或是一般照明設備。然而,OLED可彌補此一缺憾,提供做為高解析度顯示器的應用。

有機材料的電激發光行為,在1963年波普(Pope) 等人就已發現。利用厚度約5 mm的蒽(anthracene)作為發光層,當外加電壓大於100伏特以上,蒽可發出微弱的藍光,可惜發光效率不佳。直到1987年,美國柯達公司的鄧青雲團隊,將有機小分子在高溫低壓的條件下,把材料真空蒸鍍(vacuum evaporation)並製成雙層元件(device),在小於10伏特的電壓下,外部量子效率可達到1%。不但開啟了OLED的實用性與未來性,更吸引各國科學家投入相關研究。


蒽anthracene是一種稠環芳香烴,當外加電壓大於100 伏特以上,可發出微弱的藍光。
1963 年,波普等人利用有機材料「蒽」作為發光層,開啟有機發光的大門,其所發表的文獻,為世界上第一篇與OLED 有關的論文。

有機物本身具有良好的加工性與成膜性,加上可藉由化學結構的設計與改變,調整材料本身的熱性質、發光性質與導電性,使得材料應用性大為提升。目前亞洲國家, 包含臺灣、韓國與日本等大多採用有機小分子, 以真空蒸鍍技術來製造出元件, 這類元件稱為OLED; 而歐洲國家則利用有機高分子,以旋轉塗佈(spin coating) 或噴墨印刷(inkjet printing) 的技術來製造出元件, 這類元件稱為PLED( Polymer Light Emitting Diode)。兩者雖製程方式略有不同,但原理相同。

OLED 的原理
在元件中,因為每層材料特性都不相同,例如:能階高低、電荷在材料中遷移速率,所以除了材料的種類、元件結構設計以外,另外像是各層材料的厚度、熱穩定度或是軟性塑膠基板的種類與陰極金屬的選擇等,也是各研究團隊努力尋找與嘗試的方向,更是各研發團隊機密。例如:現今商品化產品中,為提升「開口率」,大多採用「上發光」的形式,即光線是由陰極射出,而非早期由陽極射出。但金屬不透光,所以須將會反射光線的陰極金屬,改良成半透明陰極,以提升其實用性。但究竟製程條件與配方如何,就只有該研發團隊人員才會知曉。


當物質吸收特定能量後,電子被激發至較高的能階,同時產生電子與電洞,如圖中的步驟A;當電子自較高的能階回到低能階並與電洞結合時,能量將釋放出來,如圖中的步驟B,若此能量以光的形式表現,便是我們熟知的螢光或磷光。
根據以上現象,可藉由外加電源,將電洞與電子分別由電池的正、負極灌至材料,若電子與電洞在材料內部重新結合時,可放出特定能量的光,這就稱作電致發光(electro luminescence,簡稱EL),這是發光二極體(LED)的工作原理。若選擇的是有機材料,此發光元件即為OLED。

OLED 的發光,是來自於電子與電洞的結合,換言之,若注入的電子與電洞過少,發光會相當微弱。目前市售LCD 螢幕的最大亮度大多介於250~350 cd/m2,這表示若元件發光效率(cd/A)為1,那麼在1 平方公分的元件上,將需要25~35 mA 的電流流過。然而,有機材料最大的缺點就是它本身導電性不佳,為了達到此一電流,就必須施以較高的外加電壓,除了實用性下降以外,也代表這個元件容易因為電流熱效應(P = I2R)而毀損。
為了改善此一問題,除了藉由有機材料的合成與設計,調整適當能階差,使其作為發光層(emmiting layer, EML)以放出特定波長的色光以外,更可將材料性質「功能化」。例如某些材料有助於電子或電洞的傳遞,則可作為電子傳輸層(electron transporting layer, ETL) 或電洞傳輸層(hole transporting layer, HTL);某些材料不利電子或電洞的傳輸,所以可作為電子阻擋層(electron blocking layer, EBL)或電洞阻擋層(hole blocking layer, HBL);某些材料有助於陰、陽極的電子與電洞的注入,所以可作為電子注入層(electron injection layer, EIL)與電洞注入層(hole injection layer, HIL)。藉由多層材料的元件結構設計,更可將OLED 效能發揮至最大。 

OLED 的技術發展

一般消費者的習慣,不論是手機螢幕、家用顯示器或大尺寸電視,使用年限須至少有3~5 年, 假設以每天使用8 小時為基準, 這代表OLED 顯示器壽命至少需9 千~1 萬5千小時,前提還須在這段時間內, 顯示器亮度、飽和度等不能有顯著變化, 並造成畫質下降而影響使用意願。目前LCD 主流產品, 大多能維持2 萬~3 萬小時, 已足夠消費者使用,所以OLED 發展重要方向之一,即在如何有效提升元件壽命。2014 年《日經新聞》報導,日商Kaneka 已研發出一款使用壽命長達5 萬小時的OLED 面板,若其所言為真, 不但為現行LCD 產品的2 倍, 甚可媲美目前家用主流的無機LED 照明用品。


主要的研究方向與技術發展

  • 提升電子與電洞在發光層的結合率

OLED 元件的發光層中,電洞的數目通常較電子數目多,若能適當調整兩者在發光層的數量,將有助於再結合率的提升,也能表現出較高效率與亮度。此可分為兩個改進方向,其一為使較多的電子進入發光層,電子注入材料及電子傳輸材料的開發,都有助於提升電子進入到發光層的數目;其二為減少電洞進入發光層的數量或延長電洞停留在發光層的時間,可在元件內加入緩衝層或是電洞阻擋層。以上除了材料本身開發與元件設計外,藉由元件中各層厚度調整,也是可行的方法。


  • 增加材料之熱穩定性

熱穩定性包含不易熱分解與不易熱結晶兩點。第一、製備有機小分子元件時,常會使用到真空蒸鍍技術,並藉由依序蒸鍍上不同材料,達到製備多層材料元件的目的。為此,材料在達熱分解溫度以前,需能夠發生昇華或氣化的現象。若材料熱穩定性不佳,在蒸鍍過程中發生了熱分解,則分解產生出的雜質不但可能使元件效率下降,更造成製程不穩定,無法在多條產線中大量生產。第二、真空蒸鍍材料以薄膜的形式層層附著,當元件長時間操作時,電流產生的熱效應,會使元件溫度上升。若有機小分子因受熱造成分子間滑動,當元件溫度下降,分子容易堆積,使薄膜形成結晶態,進而造成元件效率下降。

  • 研發具良好氧化還原特性材料

電子或電洞流經材料時,同時發生了還原或氧化反應。若材料本身容易因為發生還原或氧化反應後,造成分子結構改變甚至分解,將使其性質明顯改變,這代表經過長時間操作後, 各層材料的功能性下降,並影響元件使用壽命、亮度與效率。

除以上幾項因素外, 另外包含基板與蒸鍍薄膜的平整度、製程中微粒的汙染、水氣與氧氣的影響、元件中層與層之間的有效接觸、發光層激發態的穩定性、電荷累積的效應等等,都影響著OLED 元件的效能。

  • OLED 的未來與發展

和液晶技術相比,OLED具有自發光、廣視角、反應時間快、高發光效率、低操作電壓、面板厚度薄、工作溫度範圍廣、重量輕、成本低⋯⋯等優勢,加上可製作大尺寸、可撓曲性面板及製程相對簡單等特性,目前產品市場上,市佔率正不斷提升,加上OLED 為平面光源,光線更為柔和,故其產品也愈加豐富。

臺灣這數十年來,半導體產業以及LCD 產業的技術發展,都足以作為OLED 發展根基,加上國內學術研究機構,在光電產業人才的培養不遺餘力,若能在此產業取得立足之地,不但可對節能、環保盡一份心力,更將改變你、我的生活,替未來創造更多想像。


延伸閱讀
1. 陳金鑫、黃孝文,《OLED 有機電激發光材料與元件》,臺北,五南出版社,2005 年。
2.〈OLED 顯示器市場發展趨勢〉,DIGITIMES,http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?CnlID=13&-Cat=&id=138261,2009 年6 月11 日。



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