有機發光二極體研發現況 ( 二 ) 文 / 周卓煇 ( 國立清華大學材料科學工程學系有機奈米光電實驗室 ) 繼三月號光連文章就 OLED 的應用 發光原理 可撓式 OLED 發展 元件製作以及封裝等方面作探討, 本期將繼續介紹其他 OLED 特性如效率 壽命 色安定性, 以及其最新發展概況 效率 OLED 因靠通電發光, 所以也稱作 Organic Electro-Luminescent(OEL), 即 有 機電致發光 ; 通電所發光的效率, 有 電流效率 (current efficiency, µc) 和 能量 效率 (power efficiency, µp) 電流效率 (µc) 為施加每安培電流所測到的燭光亮度, 單位為 cd A -1 ; 能量 效率 (µp), 為施加每瓦特功率所測到的流明亮度 (lm), 單位為 lm W -1 上述兩 者的效率, 可以以一簡單公式互相換算 :µ p = πµ c /V, 其中 π 為圓周率,V 為操 作電壓 ; 其中, 流明 為 光通量 (luminous flux) 的單位 ; 由一 燭光 的小光 源, 放射到一單位立體角的發光通量, 即為一流明 ; 一個燭光光源, 所發射的總光通 量, 有 4π 流明 在顯示應用方面, 元件必須能在每平方公尺產生 100 燭光以上的亮度 即 100 cd/m 2 才有意義 因此, 顯示器用 OLED 的效率必須在 100 cd/m 2 下比較 ; 照明應 用時, 則須在 1,000 cd/m 2 下比較 ; 其中,cd/m 2 為亮度單位 各光色效率 表 1 為目前各光色 OLED 的能量效率紀錄 如表 1 所示, 不論是磷光型或螢光型, 藍光與綠光元件的效率均佳, 而深藍光 ( 波長 < 450 nm) 與深紅光 ( 波長 > 650 nm) 元件效率則較低 這是由於人眼對深藍及深紅光的感受度較低, 亦即, 相對於人眼可以感受到一個綠光光子時, 人眼要感受到的深藍或深紅光光子則必須在數量上多很多才行 表 1 螢光與磷光各色光效率 58
OPTOLINK SELECTED ARTICLE 由於深藍與深紅光是 OLED 達到高演色性不可或缺的關鍵, 為了達到近自然光 OLED 照明, 高發光效能深藍與深紅光材料的研發乃迫切需要 2008 年清大研究團隊利用分子極性相近之主客體分子, 成功研製出效率高且深藍之 OLED 元件 ; 此方法亦可運用於製備其它更短波長之深藍光元件 白光效率 表 2 為目前白光 OLED 的效率紀錄 2005 年科學雜誌 (Science) 指出,Kido 團隊製作出效率 57 lm/w 的磷光型白光 OLED; 螢光型純白白光 OLED 的紀錄則為 17 lm/w, 是由清華大學研究團隊所創下, 發表於 2008 年進階功能材料期刊 (Advanced Functional Materials) 表 2 白光 OLED 效率紀錄 高效率的條件 OLED 想要有高效率, 必須具備以下幾項特點 : (1) 低的載子注入能障 (2) 有效的載子侷限 (3) 平衡的載子注入 (4) 激子在主體上產生 (5) 高發光性的染料前 4 項皆可藉由恰當的元件設計來達成 首先, 低的載子注入能障 : 可以有效幫助電子電洞注入發光層中, 進而促成結合如圖 1(a); 第二, 有效的載子侷限 : 將電子電洞的結合區域限制在發光層中, 可有效增加結合發生率, 提高元件發光效率, 如圖 1(b); 第三, 平衡的注入載子 : 讓電子與電洞進入發光層的數量相當, 避免單一載子過多而使得元件效能降低, 如圖 1(c); 第 圖 1 OLED 元件達到高效率的條件 59
四, 激子在主體產生 : 避免染料分子發生激子淬息現象, 同時提高主客體能量傳遞的機率, 以提升元件效率, 如圖 1(d) 壽命 無論顯示或照明,OLED 元件要有足夠的壽命才能夠成為主流的商品 ; 譬如 TV 用途, 壽命需達 10 萬小時 OLED 元件壽命的定義為 : 元件發光亮度降至初始亮度一半所經過的時間 表 3 所示為 UDC 與 Idemitsu 在各色磷光與螢光 OLED 所做元件的壽命 以磷光型 OLED 為例, 紅光 表 3 各光色磷光與螢光 OLED 元件壽命 與綠光元件在初始亮度 1000 cd/m 2 下, 元件壽命均超過二十五萬小時, 即不間斷的使用二十八年半之後, 元件尚有 500 cd/m 2 亮度, 顯示可產品化的能力 相較之下, 藍光 OLED 的壽命不佳, 磷光淺藍部分, 在初始亮度 500 cd/m 2 下, 壽命僅有 9,000 小時 ; 而磷光深藍光元件壽命極差, 亟待改進 螢光材料雖然效率較低, 但壽命較佳 ; 螢光紅光和綠光材料早已商品化 ; 而深藍光元件, 在初始 600 cd/m 2 亮度下, 元件壽命可達 20,000 小時 至於白光 OLED, 業界以使用 壽命較長的螢光材料為主 ;2007 年, 日本 Idemitsu 的白光元件在 1,000 cd/m 2 初始亮度下, 壽命為 70,000 小時 ;2008 年, 美國 UDC 發表完全磷光白光 OLED, 其壽命為 200,000 小時 提升 OLED 元件壽命, 必須使用穩定 純度高的材料, 及使用高阻氣阻水性的封裝 2006 年, 清大研究發現, 若將元件內的激子有效分散, 使白光元件不受藍光材料壽命較短的限制, 可以有效提升元件之壽命 2008 年,Novaled 使用串連, 並使用螢光藍光材料, 搭配磷光紅光 綠光材料, 製備出白光 OLED, 在 1000 cd/m 2 下, 能量效率達 35 lm/w, 壽命達 100,000 小時 色安定性 光色安定性 乃指元件在不同的發光強度下, 光色不變的程度, 是 OLED 產品的重要規格 舉例來說, 比較元件在 100 與 10,000 cd/m 2 亮度下, 光色差異越小, 就表示色安定性越高 圖 2 列出元件光色改變的原因與改善的方法 OLED 元件光色的偏移的原因主要 60
OPTOLINK SELECTED ARTICLE 在於電壓改變使得注入元件的載子數量改變, 再結合區域改變 染料上激子過多而淬 熄 高能量激子產生導致 藍位移 利用良好的載子侷限功能, 可使載子注入後有效的被侷限於發光層中 ; 適當的能階設計, 使載子 ( 電子或電洞 ) 注入主體之能障小於客體, 避免客體上激子過多而淬熄 ; 同時, 激子有效分散到主體可減少客體上產生過多高能激子所致的藍位移 圖 2 OLED 元件顏色偏移原因與改善方法 最新發展概況 上市產品與製造廠商目前 OLED 產品主要應用在顯示器方面, 並且以 10 英吋之下的小尺寸面板為主, 包括手機 MP3 PDA 數位相機 汽車儀表板, 或是汽車音響顯示面板等應用 國外方面, 韓國三星 SDI LG Display 日本 Sony 等 OLED 知名廠商近年推出主動式 OLED 顯示器, 目前尺寸多以手機及 MP3 等消費性電子商品所使用的 2.0 吋 ~ 3.1 吋 OLED 面板為主, 其投入的資本額和出貨量均有逐步上升的趨勢 2007 年, 日本 Sony 公司開始販售 11 吋 OLED 電視, 為目前市面所見尺寸最大之 OLED 產品 這也說明現今 OLED 顯示器市場已經從小尺寸漸漸往大尺寸電子產品發展 在國內, 也有幾家公司投入小尺寸 OLED 的製作 奇晶光電自其母公司奇美電子轉移 LCD 製程上相關技術, 應用於主動式 OLED, 大幅增加產品良率, 已大量出貨 2 ~ 2.8 吋大小的面板 ; 另外, 錸寶 悠景 聯宗等光電大廠也積極投入小尺寸面板的生產, 並開始研發中 大尺寸面板, 期望能擴大市場範圍 關鍵技術與專利 小分子 OLED 技術, 乃是由日本廠商及美商 Kodak Eastman 所掌握, 而投入此類 61
產品者多為日本 韓國及台灣廠商 高分子 OLED( 或稱 PLED) 的原始技術及專利則由英國 CDT(Cambridge Display Technology) 掌握, 且以歐美廠商投入居多 就商業定位而言, 投入 OLED 的廠商可分為三類 : 第一類為掌握材料專利權的廠商, 以 CDT 及 Kodak Eastmank 為首 ; 第二類為上游材料供應廠商, 由於這些廠商掌握原材料的優勢, 因此切入發展門檻較低, 如 Dupont UDC 與出光興業等 ; 第三類則為面板生產廠商, 此類廠商在材料方面並無相關專利與生產技術, 須向材料商購買, 但在製程方面, 均發展出自有製程技術, 或經由其他公司技術轉移而得 圖 3 顯示美國和台灣兩地近十年內 OLED 相關專利數目 ; 總體而言, 直至 2007 年, 美國已登記了 5,000 多件, 而台灣僅有 1,000 多件, 處於落後的情勢 但是, 無論在美國或台灣,OLED 相關專利的累積數目自 2002 年之後, 都有明顯的增加, 這樣的趨勢, 直到 2007 年, 仍持續發生 ; 顯示 OLED 越來越受到重視, 並投入大量資源研發 市場預測 目前, 小尺寸 OLED 面板技術成熟, 已運用在一些消費性電子產品上 ; 世界各大廠, 紛紛將 大尺寸 薄型化 列為兩大發展目標 各大廠商在 CES 2009 上紛紛展出 OLED 電視產品, 韓國三星電子, 展出 14 吋與 31 吋 AMOLED 電視 ; 日本 Sony 展出 11 吋量產機型與 27 吋原型, 並決定投資 220 億日圓, 發展大尺寸 OLED 面板生產技術 另一方面, 圖 3 美國及台灣近十年 OLED 相關專利的累計數量 Sony TV 事業本部長吉岡浩在 Sony TV 事業成長戰略 演講中表示, 超薄 為 Sony TV 顯示器未來發展的重點項目之一 ; 近期更展示厚度僅 0.2 m m 的 3. 5 吋 OLED 面板, 打破 2007 年, 三星 SDI 所開發的 厚度 0.25 mm 4 吋 OLED 面板的紀錄 根據多項研究預測, 彩色 OLED 市場規模可望在 2013 年放大至 28 億美元 雖然近年 OLED 主要應用仍鎖定在小尺寸市場, 且以手機螢幕為主, 產業界仍預測, 在 5 年內 OLED 會讓電視 手機 電腦螢幕與照明市場展現新局 62