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有機發光二極體~全球產學界勢在必行的平面顯示器引介

 

 

有機發光二極體 ~

全球產學界勢在必行的平面顯示器引介

光電所 劉國辰副教授

  隨著科技的發展,人們對於資訊的需求量大增,而人類獲得資訊的最有效方法就是透過顯示器。可攜式的電子元件,如:手機、個人數位助理 ( Personal digital assistors; PDA )、數位相機、筆記型電腦等,造就了平面顯示器每年50億美元的產值,且這個產業仍以每年25%速度在成長。因此,造成目前大的市場各類型平面顯示器百家爭鳴的局面;而目前最常使用在這些可攜式電子元件上的平面顯示器是液晶螢幕,這也是目前發展最為成熟的平面顯示技術。液晶螢幕的主要發光源來自於背光板,因此在厚度上及體積上可縮減的範圍有限;再者,由於是使用背光板來提供光源,藉由液晶的旋轉及偏極板的選擇,來決定發光畫素的位置,光源經過各層所被遮掉的光達到92%;也就是說,我們看到液晶螢幕的亮度實為原背光板發光亮度的8%,如圖(1)所示[1],
 

 

  在這樣的結構下,造成液晶螢幕的發光效率非常低,只有 1 lm/watt。因此,基於厚度、重量、低效率等幾個因素,使得液晶螢幕在可攜式的電子元件上,仍有一定程度的限制。這樣的問題在有機發光二極體 ( Organic Light Emitting Diode; OLED ) 的顯示技術問世後,有大幅度的改善。首先,OLED 為自發光源,因此厚度上可以非常的薄 ( 約為 2 mm ),再者由於是自發光源,尤其是摻雜了高效率的磷光材料後,在發光效率上有大幅的改善。有文獻指出[2],根據材料的不同,藍光的 OLED 其效率達 5 lm/watt,紅光達 15 lm/watt,而綠光達 600 lm/watt,都比液晶螢幕高出許多。發光效率的提升意味著,只要較小的驅動電流就能發出高亮度的光,這對可攜式元件有重要的意義---延長操作時間。除了效率的增加外,有機發光二極體的製作簡單,所需要的設備單價較低,且整體的製程溫度低,若再搭配可溶性的高分子材料及較便宜的塑膠基板,則可以結合滾輪印刷 ( roll to roll ) 的製程,大幅降低製作成本。基於上述因素,許多研究團隊預估,到2007年以後,有機發光二極體會以每年3億美金的成長速度,佔有平面顯示器的市場。發展有機發光二極體的平面顯示器,對於全球產學界來說勢在必行。

  為了使有機發光二極體的平面顯示器,具有高畫素且長壽命的水準,使其更具有競爭力,其驅動電路多希望搭配主動型陣列 ( active matrix );然而一般傳統的有機發光二極體為了使載子注入平衡,因此在結構上設計多會採用底部為高功函數的 ITO 透明陽極,而在陰極的部份則為低功函數的不透光金屬。如此一來,光只能從底部的透明陽極射出,而被驅動電路給遮蓋住 ( 如圖2a ),造成顯示元件的解析度、發光效率及壽命下降的情形。為了克服此一問題,許多的研究團隊陸續開發出適合的結構-頂射型有機發光二極體,利用透明或是半透明的陰極材料,或是將元件的結構導置的方式,使其發光方向朝上 ( 如圖 2b ) [3],如此一來,就能不必擔心光被驅動電路吸收的問題。在透明陰極材料的選擇上,除了一般所熟悉的透明導電氧化物之外,若我們能將金屬薄膜的厚度控制在 10~20 nm 以下,則薄膜會呈現半透明的特性,將有助於元件將光透射出來,提升元件整體的發光效率。
 

 

  此外,除了背射型及頂射型的結構外,我們也可將元件兩邊電極都設計成透明的電極。如此,有機發光二極體將成為一個全透明的元件,光可以從上下兩個電極透射出來 ( 如圖3 )。這樣的結構帶來更多有趣的應用,如我們可以將此類型的元件製作於汽車的擋風玻璃上,做為衛星導航的用途,亦可在商業用的展示櫥窗上做顯示之用[4]。

  不論是頂射型元件或是全透明型的元件,由於在電極上透明度的要求將會提高元件製作的困難度,因此這也是目前世界各國產學單位都在積極研發的重點所在。日後,若能開發出更穩定且高效率的頂射型元件,搭配主動式陣列驅動電路,將會對平面顯示器產業帶來革命性的突破。
 

 

  目前本校有機電子元件實驗室針對全透明頂射型有機發光二極體元件研發,以及低溫濺鍍透明氧化銦錫作為 PLED 陰極這兩大課題,已有成熟的製程及完整的數據分析 ( 如圖3顯示 ),可藉由操作電壓的大小,進而調整全透式有機電致發光二極體元件的透視度及光源強弱。

  展望未來,OLED是極具發展潛力之平面顯示器。但元件中的有機材料及金屬對氧氣及水氣相當敏感,所以製作完成後,需經過封裝保護處理。良好的封裝可有效阻擋水氣及氧氣對 OLED 元件的攻擊,因此封裝的好壞對於延長有機電致發光元件的壽命週期有著決定性的影響[5]。現行已量產之封裝技術,乃是以金屬或玻璃封蓋貼附強吸水劑,並藉由低透濕性 UV 樹脂與顯示基板緊密貼合[6],此封裝技術雖然可有效提升元件壽命,但對於往後開發可撓式有機發光顯示器 ( Flexible OLED ) 應用將有所限制。針對此問題,眾多學者利用多種方法 ( PECVD,Sputtering 和 Evaporation ) 製備各類薄膜阻障層 ( 有機、無機及有機/無機複合膜  ) 以隔絕水氣滲透[7-8],然而有機膜阻氣效果不佳;無機膜易造成微破裂;因此本實驗室研發 ZnO 無機氧化物作為元件的水氧阻障層,進而搭配為有機/無機複合薄膜多層疊加,提升元件生命週期及效率 ( 如圖4所示 )。

 

Reference
[1] A. J. Snell, K. D. Mackenzie, W. E. Spear, P. G. LeComber, and A. J. Hughes,
Appl.Phys., vol. 24, pp. 357, (1981).
[2] Chihaya Adachi, Marc A. Baldo, Stephen R. Forrest, and Mark E. Thompson, Appl. Phys. Lett., 77, 904, (2000).
[3] C. J. Lee, R. B. Pode, D. G. Moon1, J. I. Han, N. H. Park, S. H. Baik, and S. S. Ju, phys. stat. sol. (a) 201, No. 5, 1022–1028 (2004).
[4] J.K. Mahon, T.X. Zhou, P.E. Burrow et al.. Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. 3279 p. 87.(1998).
[5] H. Aziz, Z. Popovic, S. Xie, A.-M. Hor, N.-X. Hu, C. Tripp, and G. Xu,Appl. Phys. Lett. 72, 756 (1998).
[6] K. Yamashita, T. Mori, and T. Mizutani, J. Phys. D, 34, 740 2001
[7] A. B. Chwang, M. A. Rothman, S. Y. Mao, R. H. Hewitt, X. Chu, L. Moro, T. Trajewski, and N. Rutherford, Appl. Phys. Lett. 83, 413 (2003).
[8] S. J. Yun, Y.-W. Ko, and J. W. Lim, Appl. Phys. Lett. 85, 4896(2004)

 

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