有機發光二極體研發現況 ( 一 ) 本文將先就 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, 並於 下期繼續介紹其他 OLED 特性如效率 壽命 色安定性, 以及最新發展概況等 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 ) OLED 的應用與重要性 有機發光二極體 (organic light-emitting diodes, OLEDs) 輕且薄, 製作簡便 自發光 無視角限制 反應速度快, 且因可製作在可撓式基板上, 應用潛力無窮, 越來越受到重視 高品質照明 源, 其光色可調整至三波長 四波長, 利用奈米壓印等等方式 ( 圖 1), 甚至可製作出接近自然光色的白光元件 ( 圖 2), 讓人在室內, 如同在室外般舒適自然 ; 也因為 OLED 為平面光源, 能夠以薄薄的燈片形式呈現, 將使未來的居家設計掀起一股嶄新美學風潮 平面顯示 在照明方面, 越接近自然光之光色, 越能帶來愉悅 舒適的感覺 ; 傳統的鎢絲燈泡為點光源, 而且發光效率低, 耗電且發熱 ; 日光燈管則為線光源, 效率雖高, 但光色偏藍, 演色性不佳, 含汞燈管, 亦成環保問題 ;OLED 為面光 作為顯示器是 OLED 最早也是目前最廣泛的應用 ; 由於 OLED 乃利用電流通過有機薄膜而自發光, 不像液晶顯示器 (LCD) 需要有背光源, 因此,OLED 顯示器體積更小 更輕薄, 並且省略了濾光片的使用, 使得 OLED 可以比 LCD 省電許 圖 1 奈米壓印製作近自然光有機發光元件 38
多 也因為體積的輕薄, 未來超薄型的 OLED 顯示器可以帶著看, 達到顯示器無所不在的終極目標 看過 OLED 顯示器的人也會驚訝地發現, OLED 螢幕比以往的手機螢幕清晰得多, 這是因為 OLED 螢幕的色彩對比度極高, 可以做到 10 萬比 1, 甚至更高的對比度 ; 也因為 OLED 的高對比度及自發光特性, 在太陽下依然可以清楚看見螢幕內容 此外,OLED 螢幕, 幾乎沒有視角限制, 就算從接近 180 度的側邊觀賞, 也不會產生像 LCD 的色彩偏差 其他應用 OLED 光色艷麗 輕且薄的優點, 增加了它的應用性, 例如 : OLED 球鞋或 OLED 頭帶, 可兼顧 美觀與夜間運動的安全 ; 另外,OLED 亦可運用在裝置藝術上, 使用創新設計, 添加商品造型與融入藝術美感, 以產生有別於傳統的燈光效果 節能 OLED 所發出的是冷光, 在當作照明的時候, 不像傳統燈泡發熱, 可以減少冷氣的使用 ; 加上 OLED 的能量效率已超過傳統白幟燈泡, 更接近螢光燈管, 多波長近自然光效果, 使 OLED 勢必成為未來高品質照明的主要技術 為了節能, 美國能源部自 2000 年起以每年 3,000 萬美元, 投入固態照明之研發 ;OLED 相關之研究經費至今已投入約 2,600 萬美元, 全球三大照明製造商 Philips Osram GE 均參與 OLED 照明應用研究計畫 圖 2 近自然光有機發光元件 (a) 發光示意圖 (b) 局部放大圖 (c)d65 自然光光譜圖 39
圖 3 OLED 元件結構 OLED 元件的發光原理 簡單來說,OLED 元件是將具有通電發光特性之有機材料夾在兩片電極之間 ( 圖 3), 對此元件施加電壓, 驅使電子與電洞分別由陰極與陽極注入 當電子與電洞在發光層中相遇再結合, 將產生激子, 並進一步激發發光層中的發光分子 處於激發態的發光分子, 將很快回到其基本態, 並在此過程中, 放出能量, 有部分是以光的形式出現 ( 圖 4) OLED 可產生各種單色光與白光 白光 OLED, 通常是將多種發光的染料 混合, 利用互補色的原理得到, 如藍加 40
黃光, 或藍加綠加紅光 元件結構上, 分為單發光層與多發光層兩種 ( 圖 5) 所謂單發光層, 是指將各種光色材料摻混在同一發光層中, 藉著成份調配得到混合白光 ; 而多發光層, 則是將不同光色材料置於不同發光層中, 藉由元件結構改變如各層的厚度 或是發光層的順序等, 調整各發光層的出光強度, 而得到白光 可撓式 OLED 圖 4 OLED 的發光原理 : 電子 電洞於發光層中再結合而放光 圖 5 單發光層型及多發光層型白光 OLED 可撓式有機發光二極體 (Flexible OLED) 如圖 6 所示, 可捲收 配戴, 是新世代顯示及照明之重要產品 要製作一個耐衝擊 不易破損 輕薄 便於攜帶的可撓式 OLED 元件, 必須考慮相當多的因素, 比如基材的耐溫程度與水氧阻絕能力, 導電陽極在基板上之平整度以及導電度, 元件封裝成效好壞, 可承受的撓曲程度和次數等等 可撓式 OLED 基板可分為塑膠基板與非塑膠基板 常用的塑膠基板包括 PC PET PES PEN 等 塑膠基板有兩大亟需改善之處, 一為在高溫時容易軟化 劣化 ; 另一為塑膠基板對水氣 氧氣的阻隔率很差, 使有機發光元件容易受到水氧的侵蝕, 而降低發光效率及壽命 圖 6 可撓式 OLED 41
圖 7 (a) 電阻加熱與 (b) 電子束蒸鍍製作有機發光薄膜 如 DaiNippon Screen 和 Hitachi 等, 則是生產試產級的製程設備 由於尚屬新興產業, 製造大廠競相研發, 相關製造技術與生產線, 乃屬機密 OLED 元件結構簡單, 生產流程不比 LCD 般的複雜, 但是因為 OLED 製程技術尚在起步階段, 目前還沒有統一的量產技術 目前常見的技術可分為乾式與濕式製程兩種, 如下所述 : 乾式製程 ( 小分子系統 ) 資料來源 : 圖解有機 EL, 城戶淳二,2004 非塑膠基板, 有超薄玻璃基板以及金屬基板兩種 ; 超薄玻璃基板具備玻璃基板原有之優良特性, 又兼具可撓曲性, 但其技術成本較高 ; 金屬基板具成本較低 可撓曲 水氧不易穿透等優點, 最重要的是可承受較高的製程溫度, 因此可直接在上面製作主動式 TFT 控制面板 ; 但因為金屬不透光, 元件製作需改為朝上發光型, 此外由於金屬表面粗糙度較高, 必須經過表面平滑處理才能製作元件 元件製作 乾式製程, 主要是以真空蒸鍍為主, 適用小分子系統 a. 真空蒸鍍法 (Vacuum evaporation) 真空蒸鍍法可分為 電阻加熱蒸鍍法 與 電子束蒸鍍法 兩種 1. 電阻加熱蒸鍍法, 是將小分子發光材料置於金屬載舟中, 將腔體抽真空後加熱載舟, 使分子氣化, 成膜於 ITO 基板上 ( 圖 7a) 2. 電子束蒸鍍法是以電子束照射發光材料, 使分子受熱昇華, 進而附著成膜於 ITO 基板上 ( 圖 7b) b. 光罩法製作全彩化 OLED 現今 OLED 設備廠商, 以日本 Tokki 與 Ulvac 為顯全彩, 在乾式製程中可以光罩法將 RGB 公司為主, 主要銷售生產級製程設備 ; 其他的廠商三種光色分子分別附著於狹小的區域中 光罩法之製程, 乃將有窗口之金圖 8 使用光罩法依序蒸鍍 (a) 紅 (b) 綠與 (c) 藍發光分子, 以製備全彩化 OLED 屬薄板 ( 光罩 ) 放置於基板前方, 並在有窗口的位置上蒸鍍發紅光分子 ; 之後將光罩移動些許距離, 再蒸鍍綠光分子 ; 相同地, 最後再蒸鍍藍光分子 ( 圖 8) c. 點型及線型蒸鍍源 小分子 OLED 元件 42
的製作主要採用點型蒸鍍源 ; 然而, 點型蒸鍍所製作的薄膜平整性不佳, 而且蒸鍍溫度不易控制 ; 線形蒸鍍源 (linear source) 可提升發光材料的利用率, 擴大蒸鍍面積, 提高量產率, 同時可精確控制加熱裝置, 並改善有機薄膜的均勻程度, 以提高成膜品質, 使產品良率提升 ( 圖 9) 圖 9 (a) 點型及 (b) 線型蒸鍍源之蒸鍍比較 d. 蒸鍍及共蒸鍍 加熱蒸鍍製程中, 一個載舟只能蒸鍍一種有 機材料 ; 但是白光 OLED, 甚至單色光 OLED 的發光層, 除了發光客體尚有主體, 此多成分傳統上乃用共蒸鍍進行鍍膜 ; 在多成分時, 尤其是只能摻雜微量紅光時, 光色不易控制, 而且效率容易變動 ;2005 年, 清大所發明之溶劑預混法可以克服共蒸鍍摻雜不均之缺點, 此一專利乃是將欲 蒸鍍之各光色材料, 先以溶劑溶解 混合, 再經烘乾得到混成鍍源, 再以單一載舟加以蒸鍍, 即可得到摻雜均勻之單層薄膜, 並可精準控制光色及效率 43
圖 10 噴墨製備全彩化 OLED 濕式製程 ( 高分子系統 ) 濕式製程可分為 旋塗 與 噴墨 兩種, 一般以高分子系統為主 a. 旋轉塗佈法 (Spin coating) 將高分子發光材料以溶劑溶解與混合, 在高純度氮氣 低水氣與低氧氣的環境之下, 滴於基板上, 接著高速旋轉基板, 使基板上附著一層薄膜 b. 噴墨法 (Inket printing) 旋轉塗佈快速 簡易, 但是無法達到全彩 ; 使用噴墨製作, 可有效達成全彩化的目標 噴墨法之製備, 乃先將噴頭對準所需塗佈之地方, 並精確的控制每個噴點之間距, 依序噴出 RGB 發光溶液 ( 圖 10) 一般濕式製程以高分子系統為主, 這是因為小分子成膜性較差 ;2008 年, 清大採用大分子量的分子發光材料, 克服小分子在濕式製程上的缺失, 製備出元件效率突破世界紀錄的藍 綠光元件 脂, 再黏貼於元件基板上 但因 OLED 在操作時極容易被水氣與氧氣氧化, 再加上 OLED 所使用的陰極材料, 如 : 鎂 鋁 鈣等, 皆為高活性金屬, 易受氧化 ; 因此整個封裝過程必須在低水 低氧 (H 2 O < 1ppm,O 2 < 1ppm) 的乾燥環境中進行 然而, 以傳統的玻璃或金屬蓋封裝, 可撓式 OLED, 已不適用, 取而代之的是在 OLED 上製作保護膜, 以杜絕水氧侵入 目前所使用的保護層材料可分為無機材料 有機材料與有機 / 無機奈米混成材料 無機材料可符合阻水阻氣的需求, 但經數次彎曲或捲曲之後, 容易產生龜裂 (crack) 現象 ; 而且, 受限於蒸鍍或濺鍍腔體的大小, 生產大面積 OLED 時, 容易產生均勻度難控制之缺點 有機材料方面, 常使用高分子作為 OLED 的保護膜 ; 其與基板間有好的接著, 且有應力緩衝的優點 ; 製作上, 以濕式製程成膜, 不僅生產快速 製程簡單, 更可大面積化, 適於 roll-to-roll 連續生產, 能大幅降低生產成本 ; 然而, 高分子不如無機材料緻密, 難以完全滿足阻絕水氧的需求 ; 為突破限制, 可將有機 / 無機材料反覆鍍製, 達到較好的封裝效果 封裝 封裝影響 OLED 的壽命 ; 一般的封裝是將一 片金屬或玻璃封裝蓋, 在其框邊塗上紫外光硬化樹 44