有機發光材料 東海大學 化學工程學系 12/16/2004 The materials in this file are for educational purpose only
有機發光材料 電激發光 (Electron Luminescence) 原理 OLED 各層材料 OLED 分類 :1. 依發光材料 a) 小分子 OLED b) 大分子 OLED (or PLED) 2. 驅動方式 a) 主動式 b) 被動式 Flexible OLED OLED & LCD 比較
電激發光 (EL) Electron Luminescence EL 發光原理 發光的形成是由於基態外層電子受到加速的一次電子衝擊, 產生電子的遷移現象, 造成此外層電子被提升至母體結晶傳導帶之能階, 形成自由電子, 同時激發的電子相對也產生電洞, 最後自由電子和電洞再結合, 以光的形式釋出能階差
電激發光示意圖
發光二極體 Light-Emitting Diode (LED) 利用三 五族 ( 如 Ga In P 等 ) 的電子及電洞結合過程之能階轉換產生光子 (photon) 發光, 不同材料會釋放不同的能階而產生不同顏色的光
OLED & LED 區別 無機半導體以原子為單位 有機半導體以有機分子為基本單位 分子間的交互作用遠較原子間的交互作用 為弱 分子間的交互作用即為能隙 能階 等特性來源
LED 與現行照明設備比較 照明方式白光 LED 日 ( 螢 ) 光燈白炙鎢絲 特點 LED 具有發熱量低 耗電量小 ( 白炙燈泡的 1/8 日光燈的 1/2) 壽命長 ( 一萬小時以上, 是日光燈的 10 倍 ), 反應速度快 體積小可平面封裝, 易開發成輕薄短小的產品 日光燈雖省電, 但仍有廢棄物含汞污染, 易碎等問題 低效率 高耗能 壽命短 易碎等缺點
有機發光二極體 OLED OLED 的基本結構是由一薄而透明半導體性質的銦錫氧化物 (ITO) 為陽極, 與金屬陰極如同三明治般將有機材料層包夾其中, 有機材料層包括電洞傳輸層 (HTL) 發光層 (EL) 與電子傳輸層 (ETL) 當電池提供適當的電壓 ( 低伏特數的特性 ), 注入陽極的電洞與陰極來的電荷在發光層結合時, 即可激發有機材料產生光亮 (electroluminescence)
OLED 各層材料 1. 陽極 :ITO (Indium Tin Oxide) 2. 陰極 :a. 低功函數金屬 b. 複合金屬 c. 氟化鋰 (LiF) 3. 電洞傳輸層材料 : HTL (Hole Transporting Layer) 4. 電子傳輸層材料 : ETL (Electron Transporting Layer) 5. 發光層 (Emitting Layer)
OLED 結構
陽極 ITO( 銦錫氧化物 ) 具有良好的導電性 在可見光範圍的高透明性
陰極 低功函數的金屬 ( 鎂, 鈣 ), 以利電子的注入 複合金屬陰極 ( 如 : 鎂 / 銀, 鋁 / 鋰 ) 在陰極和有機層之間加入一層極薄的氟化鋰 (LiF), 而 LiF 可以有效地降低電子從陰極注入到有機層的能障
電洞傳輸層材料 (HTM) 功能 : 將電洞自陽極引入有機層以及傳 輸電洞 材料本身具有較易氧化的特性
電子傳輸層材料 (ETM) 功能 : 將電子自陰極引入有機層以及傳 輸電子 材料本身具有被還原的功能
發光層 主發光層 (Host Emitter) 摻雜層 (Dopants)
原理 當元件受到一順向偏壓時, 外加電壓能量將驅動電子與電洞分別由負極與正極注入到此半導體元件, 當兩者在傳導中相遇, 會互相結合而形成所謂的電子 - 電洞結合, 此時電子的狀態位置將由激態高能階回到穩態低能階, 而其能量差異將分別用光子或熱量的方式放出
OLED 基本元件結構
OLED 常用的傳輸層材料 O O O Al O O O Al O O O Al O O O Al O O O Al 電子傳輸材料 (AlQ 3 ) 電洞傳輸材料 (PB)
OLED 製程說明 薄膜沈積反應室 (Deposition Chamber) 1. 預處理室 (Pretreatment) 2. 銦錫氧化物濺鍍室 (ITO Sputtering) 3. 有機化合物沈積室 (Organic Deposition) 4. 金屬蒸鍍室 (Metal Deposition) 5. 鈍化層沈積室 (Passivation Deposition)
OLED 分類
OLED&PLED
OLED PLED 耐熱性較低較高 製膜法真空熱蒸鍍旋轉塗佈法 純度較高較低 最高輝度 (cd/m 2 ) 140,000 70,000 效率 (lm/w) 10 7 壽命 (hr) >10,000 <10,000
依驅動方式分類 : 主動 & 被動
主動 & 被動
Flexible OLED 1. 以塑膠基板取代玻璃基板, 製成可撓曲式的 OLED (FOLED) 2. 水對塑膠基板的穿透度為 100-10 -1 g/m 2 /day(25 ) ( 需加防水保護層 )
FOLED 剖面圖
OLEDs 在傳統 ITO 透明導電玻璃基板 ( ) 及可撓式透明導電塑膠基板 ( ) 所製成元件之電流 (I)- 電壓 (V)- 亮度 (L) 的關係曲線圖
可撓曲式 128x64 畫素單色被動式矩陣顯器, 基板厚度為 0.175 mm
筆捲式的電子商品
非晶矽 LCD 低溫多晶矽 LCD 與 OLED 技術原理說明 顯示技術種類 A-Si TFT LCD LTPS TFT LCD OLED 技術原理 A-Si TFT LCD 係受限於玻璃基板不耐高溫製程, 以非晶矽作為薄膜電晶體材料, 在導電玻璃上沉積矽晶薄膜層後長電路, 製程包括 ITO Array, 液晶 CELL,LCM 低溫多晶矽 (LTPS) 利用低溫半導體製程與雷射結晶化技術 (Laser Crystallization) 在玻璃基板上長出電路, 同時因為多晶矽的特性, 可將驅動 IC, 記憶體與相關電路整合於基版進行電路整合, 實現 SOG(System on Glass) 的理想 LTPS TFT LCD 製程包括了 :ITO Array, 液晶 CELL,LCM 在兩電極間置放有機發光層, 運作原理為透過電流使電洞與電子分別由正 負極出發在有機材料層相遇而產生發光 製程包括 ITO Array, 有機材料蒸鍍成膜,OLED 模組封裝 測試
OLED 非晶矽 LCD 與低溫多晶矽 LCD 產品特性比較 資料來源 : 資策會 MIC,2001 年 12 月 OLED 具有省電 高亮度 體積小等優勢
OLED & LCD OLED 之特性 自發光, 視角廣達 165 以上 反應時間快 (~1μs) 高亮度 (100-14000 cd/m 2 ) 高流明效率 (16-38 lm/w) 低操作電壓 (3-9V DC) 面板厚度薄 (2 mm) 可製作可撓曲性面板
TFT-LCD (Thin Film Transistor) 利用液晶的光電效應, 藉由外部的電壓控制, 再透過液晶分子的折射特性, 以及對光線的旋轉能力來獲得亮暗情況 ( 稱為可視光學的對比 ), 進而達到顯像的目的
OLED 必須克服的難題 : 生命週期短
OLED 與 LCD 色彩對比之比較 OLED LCD
SOY 在 2003 年量產目前全球最大尺寸 13 吋 OLED 平面顯示器
目前紅 藍 綠 白四色 OLED 元件 的發光效率 y.900.800.700.600.500.400.300.200.100 + Color Eff. cd/a Red 5.0 Green 16.0 Blue 4.5 White 4.5 000.100.200.300.400.500.600.700.800
OLED 顯示器的應用時程
業界期待的 OLED 基本性能進 展藍圖 ~2000 年研究開發階段 2001~2002 年商品化開始階段 2003~2004 年佔有率擴大階段 使用壽命 2000~3000 小時 10000 小時 數萬小時 成本 ( 和 TFT 相比 ) 3 倍以上 2~2.5 倍 1 倍 電力消耗 ( 以手機接 50~100mW 以下 200mW 以下 50mW 以下續 Internet 之 MEU ( 以被動和 ( 以被動矩陣為準 ) ( 主動矩陣為準 ) 為準,2 吋畫面大小 ) 主動矩陣為準 ) 色純度 紅色的過低 實用化階段 和原色相當接近
OLED 全球市場規模預測 250 238 200 190 150 100 120 140 50 20 38 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Source: Electronic Journal
OLED 製程全彩化顯示器關鍵技術 1. 全彩化像素 (color pixelation scheme) 的技術 2. 精細 (high resolution) 像素的形成 3. 驅動電路的使用
主要 OLED 廠商佈局概況 公司名稱 彩色化 LTPS 技術來源 設備來源材料來源目標市場 Tohoku Yes /A Tokki Kodak 車用音響 Pioneer Sanyo(SK Display) Samsung EC Mobile Display Yes Sanyo ULVAC Kodak Yes EC SEC Anelva Kodak 手機面板手機面板 PDA 等小尺寸應用手機面板 PDA 等小尺寸應用 TDK Yes /A /A Kodak 汽車音響 Ritek Mono /A /A Kodak 手機面板等小尺寸應用 Color Seiko- Yes Seiko-Epson /A CDT 中大型尺寸應用 Epson Sony Yes ST LCD /A Idemitsu Kosan 中大型應用
台灣投入 OLED 廠商發展計劃 廠商 母公司 錸寶錸德 東元激光 悠景 技術來源合作夥伴 Kodak Intel Dupont Compaq 材料 尺寸 (mm) 投資金額 ( 百萬美元 ) 月產能 (K) 量產 ( 年 / 月 ) OLED 400x400 -- 24 00/12 PLED OLED 370x370 263 (Phase1+2) 東元 Kodak OLED 400x400 68 大眾仁寶 80 01/12 7 7(Phase 1) 23(Phase 2) 01/09 應用 PDA Game Mobile Phone PDA Game Mobile Mobile phone PDA 彩色化及時程備註 Mono/ AreaColor Full Color Mono/ AreaColor 自行研發 OLED 100x100 70 10 02/06 Mobile Phone Full Color 聯宗國聯工研院 OLED 200x200 /A 40 03/12 Mobile Phone 勝園勝華 Motorola OLED 300x400 46 /A 01/12 翰立光電 台達電 CDT PLED 300x300 25 303 02 Mobile hone PDA Mobile hone PDA 實驗室試產 01/09 實驗室試產 01/09 生產線試產 01/09 光磊光磊工研院 OLED /A /A /A 02 以後 /A /A
顯示器的時代變遷 OLED 2005~?? LCD 1980~2050~?? CRT 1940~2025 1940 2000 2025 2050
結論 OLED 產品最大問題在於材質會隨著時間而變差, 隨著時間的增長, 發光材質的色純度會減低 畫素會退化, 因此 OLED 產品的使用壽命不長, 也較難達到全彩化的效果 OLED: 1. Flexible OLED 2. 提高發光效率