明新科技大學專題研究計畫成果報告編寫須知

明 新 科 技 大 學 校 內 專 題 研 究 計 畫 成 果 報 告 發 光 薄 膜 與 薄 膜 變 形 之 探 討 Investigation of Luminescence film and film deformation 計 畫 類 別 : 任 務 型 計 畫 整 合 型 計 畫 個 人 計 畫 計 畫 編 號 :MUST-97 機 械 -05_ 執 行 期 間 : 97 年 3 月 1 日 至 97 年 9 月 30 日 計 畫 主 持 人 : 王 明 忠 共 同 主 持 人 : 計 畫 參 與 人 員 : 曾 增 平 處 理 方 式 : 公 開 於 校 網 頁 執 行 單 位 : 機 械 工 程 系 中 華 民 國 九 十 七 年 九 月 三 十 日

摘 要 在 先 前 的 計 畫 中, 發 現 OLED 薄 膜 在 通 電 發 光 時, 都 會 產 生 變 形, 初 步 發 現 發 光 性 能 與 變 形 有 極 高 的 關 連 性, 由 於 OLED 薄 膜 變 形 理 論 仍 非 常 不 完 備, 很 難 從 理 論 上 推 論 OLED 薄 膜 的 變 形 行 為 而 薄 膜 變 形 與 薄 膜 與 基 板 間 附 著 力 有 密 切 關 係, 薄 膜 異 常 的 變 形 代 表 薄 膜 的 附 著 異 常, 即 OLED 薄 膜 所 承 受 的 熱 應 力 或 彎 矩 應 力 超 過 薄 膜 基 材 與 薄 膜 間 之 介 面 附 著 力, 而 造 成 薄 膜 之 附 著 上 的 問 題, 使 薄 膜 變 形 異 常, 致 薄 膜 無 法 正 常 運 作 發 光 本 計 畫 擬 在 正 常 的 工 作 電 壓 下 使 OLED 薄 膜 正 常 運 作, 而 不 會 損 及 原 薄 膜 的 構 造 及 組 織, 希 望 透 過 量 測 其 變 形 即 可 解 讀 其 發 光 功 能 運 作 正 常 與 否 或 耐 久 性 本 計 畫 首 先 利 用 自 行 組 立 的 實 驗 設 備 進 行 有 機 發 光 二 極 體 顯 示 器 (OLED) 試 片 的 實 驗 探 討,OLED 試 片 在 通 電 後,OLED 薄 膜 中 的 變 形 可 以 使 用 雷 射 量 出 ( 此 方 法 已 申 請 發 明 專 利 ), 同 時 使 用 分 光 光 譜 儀 量 測 OLED 試 片 之 輝 度 值, 大 量 長 期 進 行 實 驗 以 研 究 OLED 薄 膜 變 形 及 輝 度 對 時 間 的 變 化, 最 後 並 歸 納 出 OLED 之 輝 度 與 變 形 的 關 係, 便 可 由 薄 膜 變 形 行 為 來 預 測 OLED 發 光 輝 度 行 為, 並 提 供 OLED 發 光 輝 度 ㄧ 種 省 時 省 料 的 新 檢 測 方 法 關 鍵 詞 : 有 機 發 光 二 極 體 變 形 薄 膜 流 明 平 面 顯 示 器 I

Abstract In previous research, the OLED film deformation was found when the OLED specimen was electrified. In the initial stage, the highly correlated relationship between the film deformation and luminescence of OLED s film was also found. It is difficult to predict the deformation behavior of OLED s film by theory due to the under-developed theory of OLED s film deformation. The OLED s film deformation has close relation with the adhesion between film and the substrate. The unusual OLED s film deformation means the unusual adhesion between film and substrate. i. e. the thermal or bending stress applied on OLED s film overriding the adhesion between film and substrate cause the film deformed unusually. At last OLED s film cannot function normally to radiate. In this project, the self-assembled experiment equipments were used to further investigate the OLED thin film, powered under normal voltage without damaging the structure of OLED s film, in order to find the luminance function of OLED s film by measuring the OLED s film deformation. Once the OLED is electrified, The OLED film deformation can be measured by using the laser equipment. At the same time, the OLED luminance can be measured by using spectroscope. Then, the relationships of the OLED deformation vs. time and the OLED luminance vs. time are investigated. Finally, the relationship between OLED deformation and OLED luminance is concluded. The result can be the base of using the OLED deformation behavior to predict the OLED luminance behavior, also provide a new method with saving time and specimens to inspect the OLED luminance. Keywords:OLED, deformation, Thin Film, luminance, Flat Panel Displays II

目 錄 摘 要...I Abstract...II 目 錄... III 表 目 錄...IV 圖 目 錄... V 第 一 章 前 言... 1 第 二 章 文 獻 回 顧... 4 第 三 章 原 理... 7 3.1 OLED 製 程 及 發 光 原 理... 7 3.1.1 元 件 基 本 構 造... 7 3.1.2 OLED 薄 膜 製 程... 7 3.1.3 發 光 原 理... 10 3.2 薄 膜 變 形... 12 3.2.1 薄 膜 應 力... 12 3.2.2 壓 電 效 應... 15 3.3 雷 射 位 移 計 原 理... 16 第 四 章 實 驗 試 片 及 裝 置... 17 4.1 實 驗 試 片 (OLED)... 17 4.2 實 驗 裝 置... 17 4.2.1 量 測 發 光 輝 度 系 統... 17 4.2.2 量 測 薄 膜 變 形 系 統... 18 第 五 章 實 驗 程 序... 20 5.1 短 期 測 試 實 驗... 20 5.2 長 期 測 試 實 驗... 20 第 六 章 結 果 與 討 論... 22 6.1 實 驗 設 備 的 選 用 及 架 設... 22 6.1.1 雷 射 位 移 計 的 選 用... 22 6.1.2 實 驗 試 片 的 架 設... 23 6.2 實 驗 結 果... 24 6.2.1 長 期 工 作 電 壓 的 選 取... 24 6.2.2 長 期 實 驗... 25 6.2.3 發 光 區 域 熄 滅... 26 第 七 章 結 論... 28 參 考 文 獻... 29 符 號 彙 編... 32 III

表 目 錄 表 6.1 實 驗 目 錄..35 表 6.2 藍 光 試 片 與 時 間 電 壓 輝 度 值 變 形 量 溫 度 之 探 討..36 IV

圖 目 錄 圖 3.1 OLED 基 本 結 構... 37 圖 3.2 多 層 式 OLED 結 構 [42]... 37 圖 3.3 有 機 發 光 材 料 之 蒸 發 源 的 結 構 [44]... 38 圖 3.4 有 機 蒸 發 源 的 膜 厚 分 佈 [44]... 38 圖 3.5 OLED 的 製 造 流 程 [48]... 39 圖 3.6 薄 膜 成 長 過 程... 39 圖 3.7 真 空 蒸 鍍 裝 置 [49]... 40 圖 3.8 OLED 成 膜 封 合 構 造 及 元 件 的 構 造 [45]... 40 圖 3.9 光 激 發 光 (PL) 及 電 激 發 光 (EL) 的 發 光 原 理 [52]... 41 圖 3.10 有 機 薄 膜 電 荷 傳 輸 機 制 [45]... 41 圖 3.11 有 機 電 激 發 光 元 件 發 光 機 制 [27]... 42 圖 3.12 薄 膜 應 力 類 型 [54]... 42 圖 3.13 牛 頓 環 法 測 薄 膜 應 力 [10]... 43 圖 3.14 懸 臂 法 測 薄 膜 應 力 [10]... 43 圖 3.15 相 位 移 Twyman-Green 干 涉 儀 [10]... 44 圖 3.16 正 電 壓 效 應 [56]... 44 圖 3.17 逆 電 壓 效 應 [56]... 45 圖 3.18 壓 電 材 料 方 向 表 示 法 [57]... 45 圖 3.19 鏡 射 式 (specular) 和 散 射 式 (diffuse) 雷 射 探 頭... 46 圖 3.20 三 角 形 量 測 系 統 [58]... 46 圖 3.21 不 同 目 標 物 與 雷 射 的 關 係 [58]... 47 圖 3.22 有 機 薄 膜 變 形 定 義... 47 圖 3.23 雷 射 探 頭 原 理 [59]... 48 圖 4.1 綠 色 螢 光 試 片... 48 圖 4.2 藍 色 螢 光 試 片... 48 圖 4.3 OLED 試 片 架 設... 49 圖 4.4 實 驗 裝 置... 49 圖 4.5 量 測 輝 度 設 備... 50 圖 4.6 輝 度 值 數 據 列 表... 50 圖 4.7 Excel... 51 圖 4.8 CS-S1w 程 式... 51 圖 4.9 量 測 變 形 量 設 備... 52 圖 4.10 雷 射 探 頭 規 格... 52 圖 4.11 示 波 圖... 53 V

圖 4.12 內 部 設 定... 53 圖 4.13 儲 存 設 定... 54 圖 5.1 短 期 測 試 實 驗... 55 圖 5.2 長 期 測 試 實 驗... 56 圖 6.1 GLORY 雷 射 位 移 系 統... 57 圖 6.2 LC-2400A 雷 射 位 移 系 統... 57 圖 6.3 散 射 式 雷 射 位 移 系 統... 58 圖 6.4 鏡 射 式 雷 射 位 移 系 統... 58 圖 6.5 試 片 架 設 平 台... 59 圖 6.6 量 測 試 片 架 設 平 台... 59 圖 6.7 藍 光 試 片 發 光 輝 度 與 電 壓 關 係 圖... 60 圖 6.8 藍 光 試 片 薄 膜 變 形 量 與 電 壓 關 係 圖... 60 圖 6.9 藍 光 試 片 發 光 輝 度 與 時 間 關 係 圖 ( 工 作 電 壓 4.5 V)... 61 圖 6.10 藍 光 試 片 發 光 輝 度 與 時 間 關 係 圖 ( 工 作 電 壓 5.0 V)... 61 圖 6.11 藍 光 試 片 發 光 輝 度 與 時 間 關 係 圖 ( 工 作 電 壓 4.0 V)... 62 圖 6.12 藍 光 試 片 發 光 輝 度 與 時 間 關 係 圖 (7000 min)... 62 圖 6.13 藍 光 試 片 薄 膜 變 形 量 與 時 間 關 係 圖 (7000 min)... 63 圖 6.14 綠 光 試 片 發 光 輝 度 與 時 間 關 係 圖 (75 hour)... 63 圖 6.15 綠 光 試 片 薄 膜 變 形 量 與 時 間 關 係 圖 (75 hour)... 64 圖 6.16 藍 光 試 片 壽 命 40 min 發 光 輝 度 與 時 間 關 係 圖... 64 圖 6.17 藍 光 試 片 壽 命 40 min 薄 膜 變 形 量 與 時 間 關 係 圖... 65 圖 6.18 藍 光 試 片 壽 命 170 min 發 光 輝 度 與 時 間 關 係 圖... 65 圖 6.19 藍 光 試 片 壽 命 170 min 薄 膜 變 形 量 與 時 間 關 係 圖... 66 圖 6.20 藍 光 試 片 壽 命 3430 min 發 光 輝 度 與 時 間 關 係 圖... 66 圖 6.21 藍 光 試 片 壽 命 3430 min 薄 膜 變 形 量 與 時 間 關 係 圖... 67 圖 6.22 發 光 區 域 產 生 白 點... 67 VI

第 一 章 前 言 近 年 來 民 眾 接 受 LCD 越 來 越 高, 幾 乎 已 取 代 CRT 的 局 面, 躍 升 為 顯 示 器 的 主 流, 但 新 興 技 術 經 過 不 斷 的 研 發, 也 陸 續 進 入 市 場 應 用 階 段,OLED 面 板 就 是 其 中 之 一, 由 於 OLED 具 備 有 自 發 光 廣 視 角 高 反 應 速 度 低 操 作 電 壓 低 消 耗 功 率 製 程 簡 易 及 結 構 簡 單 等 優 點, 其 未 來 的 市 場 潛 力 及 產 品 的 競 爭 力 非 常 值 得 期 待, 自 1997 年 起 陸 續 由 先 鋒 (Pioneer) 柯 達 錸 寶 等 公 司, 將 小 尺 寸 多 色 或 全 彩 OLED 面 板 應 用 於 手 機 數 位 相 機 等 商 品, 使 OLED 進 入 日 常 生 活 用 品 中, 此 外,OLED 之 面 板 厚 度 約 為 2 mm, 相 較 於 商 品 化 之 LCD 面 版, 在 材 料 重 量 體 積 方 面 可 大 幅 減 少, 對 於 量 產 的 成 本 是 極 具 競 爭 力 除 了 因 OLED 特 性 有 操 作 溫 度 廣 與 大 尺 寸 的 潛 力 外, 另 具 備 可 撓 曲 的 特 性, 所 以 在 產 品 應 用 範 圍 方 面 極 為 廣 泛, 由 於 OLED 顯 示 器 特 性 正 好 可 彌 補 現 有 平 面 顯 示 器 的 缺 點, 此 意 味 著 除 了 現 有 之 應 用, 或 許 也 有 機 會 搭 配 在 原 本 無 顯 示 器 之 產 品 上 以 提 高 其 附 加 價 值, 因 OLED 產 品 品 質 特 性 極 具 競 爭 力, 受 到 市 場 的 高 度 興 趣 與 關 注, 人 們 都 期 待 其 為 下 ㄧ 代 的 新 顯 示 器 OLED 優 點 繁 多 猶 有 些 缺 點 尚 待 克 服, 發 光 壽 命 不 夠 長, 即 為 其 一, 目 前 OLED 產 品 普 遍 存 有 使 用 壽 命 不 長 的 問 題, 相 較 於 薄 膜 電 晶 體 液 晶 顯 示 器 (TFT LCD) 的 背 光 板 壽 命 多 在 5 萬 小 時 以 上, 目 前 OLED 壽 命 多 僅 1 萬 小 時 左 右, 呈 現 明 顯 不 足, 未 來 OLED 若 欲 往 大 尺 寸 面 板 市 場 發 展, 將 使 用 壽 命 提 高 將 是 首 先 必 須 要 克 服 的 問 題 OLED 壽 命 分 析 有 許 多 方 面 可 以 探 討, 其 中 OLED 的 內 部 基 本 結 構 包 括 陰 極 電 子 傳 輸 層 發 光 層 電 洞 傳 輸 層 陽 極 等 多 層 薄 膜, 每 一 層 厚 度 約 在 數 十 至 數 百 奈 米 之 間, 由 於 光 是 由 薄 膜 發 出, 薄 膜 品 質 與 發 光 的 輝 度 ㄧ 定 有 著 密 切 的 關 係 而 造 成 薄 膜 劣 化 現 象 為 下 列 幾 點 : (1) 焦 耳 熱 造 成 有 機 材 料 的 再 結 晶 當 OLED 元 件 通 電 後, 電 子 通 過 一 金 屬 材 料 時, 由 於 電 子 與 金 屬 原 子 碰 撞 而 損 失 動 能, 損 失 動 能 會 以 熱 能 的 形 式 放 出, 使 材 料 的 溫 度 升 高, 此 即 為 焦 耳 熱 效 應 ; 電 子 流 過 導 體 中 原 子 的 空 隙 時, 振 動 了 導 體 中 的 原 子 而 使 其 溫 度 上 升, 這 種 由 於 電 流 的 流 動, 在 導 體 內 產 生 的 熱, 就 是 所 謂 焦 耳 熱, 單 位 為 焦 耳 (J) Fujihira[1-3] 等 人 利 用 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 原 子 力 顯 微 鏡 (AFM) 掃 描 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 及 歐 傑 (Auger) 電 子 光 譜 儀 研 究 元 件 ITO / TPD / Alq 3 / Al 的 破 壞 過 程, 其 結 果 顯 示 由 外 加 電 場 所 產 生 的 焦 耳 熱 會 使 得 電 洞 傳 輸 層 TPD 產 生 再 結 晶 現 象, 致 使 此 元 件 效 能 衰 退 在 常 溫 下 大 部 分 有 機 材 料 為 固 體, 當 有 機 材 料 持 續 加 熱 至 某 個 溫 度 後, 其 狀 態 會 由 固 態 轉 變 為 軟 化 的 狀 態 ( 橡 膠 態 ), 此 使 固 態 轉 變 為 橡 膠 態 的 溫 度 就 稱 為 玻 璃 轉 換 溫 度 (Tg), 當 有 機 薄 膜 在 持 續 發 光 時, 產 生 的 焦 耳 熱, 容 易 造 成 薄 膜 中 Tg 較 低 的 有 機 材 料 形 成 結 晶 化, 進 而 破 壞 材 料 原 本 非 晶 形 特 性, 使 得 有 機 層 與 電 極 之 間 的 介 面 及 有 機 薄 膜 間 之 界 面 受 到 破 壞, 甚 至 出 現 薄 膜 脫 層 的 現 象, 而 造 成 薄 膜 發 光 輝 度 度 衰 減 壽 命 減 短 [4] 由 薄 膜 脫 層 的 現 象 1

可 推 測 出,OLED 元 件 通 電 後 所 產 生 的 焦 耳 熱, 因 薄 膜 中 Tg 較 低 的 有 機 材 料 形 成 結 晶 化, 讓 薄 膜 產 生 質 變, 導 致 發 生 薄 膜 脫 層, 影 響 薄 膜 發 光 壽 命 減 短 (2) 有 機 層 界 面 間 分 子 交 互 擴 散 現 象 Fujihira[5] 提 出 在 有 機 薄 膜 發 光 過 程 中 有 機 分 子 會 有 交 互 擴 散 的 情 形, 而 對 發 光 輝 度 產 生 衰 退 的 影 響 由 於 有 機 分 子 間 的 交 互 擴 散, 使 得 薄 膜 表 面 形 態 因 而 改 變, 進 而 破 壞 發 光 層 與 電 極 間 的 接 觸, 導 致 載 子 注 入 能 力 降 低, 或 是 薄 膜 脫 層 現 象 發 生, 使 得 薄 膜 劣 化 [6] 由 薄 膜 脫 層 的 現 象 和 有 機 分 子 間 的 交 互 擴 散, 使 得 薄 膜 表 面 型 態 因 而 改 變, 可 推 測 出 經 長 時 間 薄 膜 變 化, 讓 有 機 薄 膜 層 受 到 破 壞, 導 致 發 生 薄 膜 脫 層, 影 響 薄 膜 發 光 壽 命 減 短 (3) 環 境 中 的 水 氣 與 氧 氣, 導 致 元 件 劣 化 毀 壞 Burrows 及 Philips 兩 研 究 群 [7,8] 推 測 水 氣 及 氧 氣 是 造 成 薄 膜 劣 化 的 因 素 ITO 基 板 表 面 的 水 氣 有 機 材 料 中 所 含 的 水 分 真 空 蒸 鍍 腔 體 中 殘 留 的 微 量 水 分 有 機 層 中 擴 散 進 入 的 水 分 OLED 封 裝 後 擴 散 進 入 的 水 分 等, 都 會 造 成 薄 膜 的 有 機 材 料 氧 化 或 電 極 氧 化, 而 造 成 薄 膜 變 質, 無 法 正 常 發 光, 使 得 薄 膜 劣 化 [6] (4) 電 極 氧 化 損 壞 由 於 電 極 採 用 的 是 容 易 放 出 電 子 的 金 屬 材 料, 因 此, 容 易 在 通 電 後, 產 生 電 極 氧 化 的 現 象 而 有 機 發 光 二 極 體 元 件 的 負 極, 通 常 選 擇 低 功 函 數 的 金 屬, 所 謂 功 函 數 為 一 個 電 子 從 金 屬 脫 離 所 需 的 最 小 功, 如 : 鎂 鈣 等, 而 這 些 金 屬 的 活 性 均 相 當 大, 在 熱 的 催 化 下 很 容 易 與 發 光 層 發 生 反 應, 薄 膜 性 質 隨 之 變 化, 致 使 薄 膜 輝 度 及 壽 命 減 低 [9] OLED 長 時 間 發 光, 會 導 致 金 屬 電 極 與 有 機 層 的 界 面 粗 糙 度 上 升, 造 成 界 面 接 合 效 率 降 低, 引 起 界 面 脫 層 的 可 能, 因 而 影 響 OLED 效 能 減 低 [10] (5)ITO 上 銦 (In) 的 擴 散 Schlatmann[11] 提 出 來 自 ITO 內 的 銦 (In) 擴 散 至 有 機 層 的 現 象, 也 是 造 成 薄 膜 發 光 效 能 降 低 的 因 素 OLED 於 高 電 場 作 用 下, 會 有 銦 擴 散 至 發 光 層, 影 響 發 光 層 中 有 機 材 料, 進 而 造 成 薄 膜 變 質, 讓 發 光 層 輝 度 衰 減, 而 高 分 子 電 洞 傳 輸 層 的 加 入 被 推 測 可 防 止 銦 的 擴 散 [9] 除 了 上 述 對 薄 膜 材 料 的 研 究 外, 對 OLED 發 光 輝 度 的 研 究 多 著 重 於 壽 命 的 提 升, 如 Chwang[12] 使 用 封 裝 磷 光 OLED 試 片 來 探 討 元 件 的 壽 命, 邱 永 昇 [6] 藉 由 高 分 子 基 材 摻 入 電 洞 傳 輸 層 和 對 元 件 適 當 的 熱 處 理 及 選 用 適 當 的 保 護 層 薄 膜 材 料 的 三 種 方 法 來 提 高 元 件 壽 命, 蕭 傑 穎 [13] 以 封 裝 與 不 封 裝 OLED 元 件 進 行 可 靠 度 試 驗, 證 實 被 封 裝 的 OLED 元 件 能 延 長 生 命 週 期 他 們 都 是 以 保 護 薄 膜 材 料 和 封 裝 材 料 來 提 升 發 光 元 件 之 壽 命, 對 OLED 發 光 輝 度 檢 測 的 研 究 則 沒 有 看 到 相 關 的 論 文 而 當 今 生 產 線 上 對 OLED 壽 命 所 設 計 的 測 試 系 統, 主 要 以 作 電 氣 特 性 的 量 測, 如 正 負 電 壓 和 電 流 的 供 給 及 量 測 亮 度 的 量 測 及 自 動 量 測 OLED 亮 度 壽 命 時 間, 此 系 統 是 屬 於 直 接 點 亮 量 測 亮 度 到 最 後 的 傳 統 方 式, 量 測 時 間 過 長, 導 致 結 果 無 法 在 短 時 間 得 知, 浪 費 的 人 力 物 力 也 會 隨 量 測 時 間 遞 增 而 增 大 2

本 研 究 利 用 自 行 組 立 的 實 驗 設 備 進 行 有 機 發 光 二 極 體 試 片 發 光 的 實 驗 探 討, 以 發 展 一 OLED 發 光 輝 度 檢 測 新 技 術,OLED 試 片 在 通 電 後,OLED 中 的 有 機 薄 膜 會 產 生 變 形, 推 測 變 形 應 是 OLED 通 電 後 類 似 壓 電 效 應 而 造 成, 當 OLED 薄 膜 正 常 時, 此 變 形 保 持 在 一 定 的 限 度 內, 當 薄 膜 受 到 上 述 各 項 因 素 造 成 OLED 薄 膜 劣 化 質 變 時, 則 薄 膜 與 基 版 間 的 附 著 力 將 不 若 往 昔, 造 成 薄 膜 受 到 同 樣 的 電 場 強 度 時, 造 成 較 大 的 變 形 量 本 研 究 嘗 試 從 薄 膜 變 形 量 的 大 小 來 探 討 OLED 發 光 輝 度 行 為, 此 變 形 量 可 以 使 用 雷 射 位 移 計 量 出, 同 時 使 用 分 光 光 譜 儀 量 測 OLED 試 片 之 輝 度 值, 以 探 討 OLED 薄 膜 變 形 及 輝 度 對 時 間 的 變 化, 最 後 並 歸 納 出 OLED 之 輝 度 與 變 形 的 關 係, 為 爾 後 由 薄 膜 變 形 行 為 來 預 測 OLED 發 光 輝 度 行 為 奠 下 基 礎, 並 提 供 OLED 發 光 輝 度 ㄧ 種 新 檢 測 方 法, 此 檢 測 方 法 希 望 未 來 能 夠 可 以 大 幅 提 高 對 OLED 品 管 時 的 檢 測 速 度, 並 進 而 使 OLED 發 光 效 率 與 品 質 穩 定 度 提 高, 增 進 產 品 的 市 場 競 爭 力 3

第 二 章 文 獻 回 顧 OLED 最 早 的 起 源 可 以 追 溯 至 1965 年 Helfrich[14] 等 人 的 蔥 (anthracence) 單 晶 元 件 的 研 究, 但 是 由 於 選 擇 性 單 層 結 構 與 有 機 材 料 的 問 題, 以 蔥 分 子 的 單 晶 外 加 電 壓 而 發 光 的 方 式, 因 為 操 作 電 壓 太 高, 所 以 沒 有 受 到 大 家 的 重 視 1982 年 Vincett[15] 等 人, 將 蔥 熱 昇 華 至 氧 化 鋁 電 極 上, 再 鍍 覆 一 層 金 屬 電 極, 成 功 地 製 備 出 有 機 薄 膜 電 激 發 光 元 件, 大 大 地 降 低 了 驅 動 電 壓 至 12V, 但 其 發 光 壽 命 (lifetime) 與 量 子 效 率 (quantum efficiency) 仍 偏 低 ; 往 後 幾 年 間, 陸 續 有 人 利 用 蔥 製 作 元 件, 朝 向 發 光 機 制 電 荷 轉 移 注 入 電 流 及 量 子 效 率 的 研 究 [16], 但 離 實 用 仍 有 一 段 很 大 的 差 距 1987 年 美 國 柯 達 公 司 C.W.Tang 和 Vanslyke[17,18] 等 人, 利 用 真 空 蒸 鍍 非 晶 系 (amorphous) 或 幾 近 非 晶 之 有 機 薄 膜 技 術, 與 創 新 的 異 質 接 面 (hetero junction) 多 層 有 機 薄 膜 之 元 件 結 構, 其 結 構 是 以 銦 錫 氧 化 物 (ITO) 當 作 陽 極, 利 用 芳 香 二 胺 (aromatic diamine) 作 為 電 洞 傳 輸 層 (HTL),Alq 3 當 作 電 子 傳 輸 層 (ETL) 與 發 光 層, 鎂 銀 合 金 (Mg-Ag Alloy) 當 作 陰 極, 可 使 得 電 子 與 電 洞 能 侷 限 在 電 子 傳 輸 層 與 電 洞 傳 輸 層 的 界 面 再 結 合, 大 幅 提 昇 OLED 的 性 能 : 如 OLED 穩 定 性 增 加 操 作 電 壓 僅 需 10 伏 特 及 大 於 1% 的 量 子 效 率, 因 此 有 機 發 光 二 極 體 顯 示 器 已 克 服 了 高 電 壓 操 作 等 缺 點, 此 項 技 術 可 得 到 高 量 子 效 率 高 發 光 效 率 及 不 錯 的 穩 定 性, 這 是 第 一 個 接 近 實 用 的 小 分 子 真 空 蒸 鍍 OLED, 也 激 起 世 人 對 OLED 的 興 趣, 更 開 啟 了 學 術 界 以 及 工 業 界 積 極 投 入 OLED 研 發 的 熱 潮 1988 年, 日 本 九 州 大 學 的 Tsutsui[19] 研 究 團 隊 發 表 一 個 三 層 式 的 OLED 結 構 [20], 其 結 構 為 電 洞 傳 輸 層 / 發 光 層 / 電 子 傳 輸 層, 藉 由 選 擇 適 當 的 電 子 傳 輸 材 料 及 電 洞 傳 輸 材 料, 使 發 光 層 中 的 電 子 與 電 洞 作 有 效 的 再 結 合 1989 年, 柯 達 公 司 實 驗 室 的 Tang 和 VanSlyke[21] 發 表 另 一 重 大 發 明, 利 用 具 有 高 位 能 之 主 發 光 體 (host emitter), 將 能 量 傳 送 到 掺 雜 的 客 發 光 分 子 (guest emitter) 因 為 客 發 光 方 子 具 有 比 主 發 光 體 短 的 再 結 合 生 命 週 期 (recombination lifetime), 可 經 由 能 量 轉 移 (energy transfer) 的 方 式, 將 主 發 光 體 上 形 成 之 激 子 (exciton) 轉 移 到 掺 雜 於 其 中 的 客 發 光 分 子 上, 產 生 迅 速 且 有 效 率 地 再 覆 合 而 發 光 此 種 方 式 可 使 OLED 的 外 部 量 子 效 率 大 幅 提 升 達 2.5 %, 除 了 可 提 升 元 件 發 光 效 率, 亦 可 藉 由 更 換 客 發 光 分 子, 改 變 OLED 件 發 光 的 顏 色 1992 年 日 本 山 形 大 學 的 Kido 教 授 [22-24], 進 一 步 修 改 了 三 層 結 構, 稱 為 為 囚 禁 式 (confinement) 結 構,OLED 所 產 生 的 光 可 以 來 自 電 洞 傳 輸 層 或 電 子 傳 輸 層, 若 電 洞 傳 輸 層 與 電 子 傳 輸 層 同 時 發 光, 可 混 合 而 得 到 白 光 元 件 2000 年 日 本 教 授 Kido[25] 將 金 屬 滲 雜 再 電 子 傳 輸 層 中, 特 色 為 將 鋰 金 屬 與 Alq 3 共 蒸 鍍 後 再 鍍 覆 鋁 金 屬 作 為 陰 極, 可 有 效 降 低 有 機 層 及 陰 極 間 的 位 能 障 高 度, 讓 元 件 可 在 較 低 的 電 壓 時 驅 動 且 有 較 高 的 亮 度 2005 年 UCLA 的 Yang 教 授 [26] 提 出 以 預 4

先 溶 解 有 機 發 光 染 料 與 主 體 材 料 方 式 製 作 發 出 白 光 的 OLED 新 裝 置 ; 將 多 種 的 發 光 染 料 與 主 體 材 料 於 固 體 粉 末 狀 態 下 滲 混, 雖 即 在 高 壓 氮 氣 環 降 下 中 加 熱 使 其 融 化 混 合, 待 其 冷 卻 後 再 將 此 混 合 物 質, 以 真 空 蒸 鍍 方 式 製 作 白 光 的 OLED; 預 先 溶 解 有 機 發 光 染 料 與 主 體 材 料 方 式 可 避 免 使 用 共 蒸 鍍 製 程, 成 功 製 作 單 ㄧ 發 光 層 之 白 光 的 OLED; 且 更 容 易 控 制 客 發 光 分 子 在 主 體 材 料 中 滲 雜 量, 對 於 白 光 的 OLED 顯 示 及 照 明 產 業 的 發 展 有 很 大 的 幫 助 OLED 薄 膜 的 劣 化 機 構 極 為 複 雜, 而 到 目 前 為 止, 其 主 要 薄 膜 質 變 原 因 仍 沒 有 統 一 定 論, 如 下 所 示 :Fujihira[1-3] 等 人 利 用 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 AFM SEM 及 Auger 電 子 光 譜 儀 研 究 元 件 ITO / TPD / Alq 3 / Al 的 破 壞 過 程, 其 結 果 顯 示 由 外 加 電 場 所 產 生 的 焦 耳 熱 會 使 得 電 洞 傳 輸 層 TPD 產 生 再 結 晶 現 象, 致 使 此 元 件 效 能 衰 退 ;Fujihira[5] 在 有 機 薄 膜 發 光 過 程 中 有 機 分 子 會 有 交 互 擴 散 的 情 形, 而 對 發 光 輝 度 產 生 衰 退 的 影 響 ;Burrows 及 Philips 兩 研 究 群 [7,8] 推 測 水 氣 及 氧 氣 是 造 成 薄 膜 劣 化 的 因 素 ; 由 於 電 極 採 用 的 是 容 易 放 出 電 子 的 金 屬 材 料, 因 此, 容 易 在 通 電 後, 產 生 電 極 氧 化 的 現 象 和 在 熱 催 化 下 與 發 光 層 發 生 反 應, 致 使 薄 膜 輝 度 及 壽 命 減 低 ;Schlatmann[11] 提 出 來 自 ITO 內 的 銦 擴 散 至 有 機 層 的 現 象, 也 是 造 成 薄 膜 發 光 效 能 降 低 的 因 素 而 OLED 目 前 最 大 的 缺 點, 仍 然 在 於 它 發 光 壽 命 過 短 的 問 題 上, 目 前 學 術 界 以 及 工 業 界 在 OLED 壽 命 的 探 討 繁 多, 其 中, 由 於 OLED 容 易 受 水 氣 及 氧 氣 所 破 壞,Chwang[12] 使 用 封 裝 磷 光 OLED 試 片 來 探 討 OLED 的 壽 命, 邱 永 昇 [6] 藉 由 高 分 子 基 材 摻 入 電 洞 傳 輸 層 和 對 OLED 適 當 的 熱 處 理 及 選 用 適 當 的 保 護 層 薄 膜 材 料 的 三 種 方 法 來 提 高 OLED 壽 命, 蕭 傑 穎 [13] 以 封 裝 與 不 封 裝 OLED 進 行 可 靠 度 試 驗, 證 實 被 封 裝 的 OLED 能 延 長 生 命 週 期, 朱 哲 民 [27] 以 複 合 封 裝 膜 保 護 OLED, 增 加 OLED 穩 定 度 和 及 效 阻 抗 水 汽 侵 入, 延 長 OLED 壽 命, 黃 文 新 [28] 利 用 保 護 層 增 加 有 機 發 光 二 極 體 之 壽 命 此 外, 改 善 焦 耳 熱 造 成 有 機 材 料 結 晶 化 問 題,Kido[9] 等 人 利 用 高 分 子 具 有 相 當 高 Tg 的 特 性, 採 用 小 分 子 摻 雜 至 高 分 子 中 的 技 巧, 將 小 分 子 散 佈 (dispersed) 於 具 惰 性 (inert) 且 不 易 產 生 反 應 的 高 分 子 基 地 中, 藉 由 高 分 子 不 易 結 晶 的 特 性, 避 開 小 分 子 易 結 晶 化 的 問 題 翁 國 文 [29,30] 採 用 將 有 機 小 分 子 摻 雜 至 高 分 子 基 地 中 的 技 巧 製 備 OLED, 將 有 機 分 子 與 具 有 聚 合 成 高 分 子 能 力 的 單 體 共 蒸 鍍 於 基 板 上, 形 成 具 有 高 分 子 基 地 保 護 的 有 機 發 光 層, 有 效 提 昇 有 機 薄 膜 熱 穩 定 性 黃 士 欣 [31] 將 聚 亞 醯 胺 (PAA) 摻 入 電 洞 傳 輸 層 中 並 以 不 同 溫 度 作 亞 醯 胺 化 處 理, 改 善 了 電 洞 傳 輸 材 料 之 熱 安 定 性, 提 升 OLED 的 壽 命 與 半 衰 期 IBM 實 驗 室 [32] 利 用 具 離 子 鍵 的 鹽 類 作 為 電 洞 傳 輸 材 料, 在 經 過 熱 處 理 後, 由 掃 瞄 式 電 子 顯 微 鏡 (SEM) 及 粉 末 X 光 繞 射 (XRD) 分 析 得 知 其 仍 可 維 持 為 非 晶 質 形 式, 顯 示 以 離 子 鍵 的 鹽 類 作 為 電 洞 傳 輸 材 料 時, 將 使 OLED 具 較 佳 的 熱 安 定 性, 可 降 低 OLED 在 操 作 期 間 發 生 劣 化 的 情 形 OLED 顯 示 器 因 為 結 構 最 簡 單, 最 適 用 於 可 撓 面 板, 在 可 撓 面 板 中 OLED 薄 膜 將 不 可 避 免 的 會 承 受 彎 矩 應 力, 不 論 熱 應 力 或 彎 矩 應 力 若 超 過 薄 膜 基 材 或 薄 膜 間 之 介 面 附 著 力, 就 會 造 成 薄 膜 之 斷 裂 或 鬆 脫, 最 終 OLED 顯 示 器 之 發 光 品 質 就 會 5

漸 趨 惡 化 國 內 在 有 關 薄 膜 應 力 研 究 有 : 黃 吉 宏 [33] 江 政 忠 [34] 利 用 商 用 干 涉 儀 探 討 光 學 薄 膜 應 力, 田 春 林 [35] French[36] 利 用 X 光 繞 射 法 探 討 結 晶 型 薄 膜, Zhao[37] 發 展 一 套 量 取 結 晶 型 薄 膜 之 彈 性 模 數 波 意 伸 (Poisson ratio) 比 及 熱 彭 脹 系 數,Lin[38] 和 Wu[39] 探 討 薄 膜 附 著 在 基 材 時 產 生 之 殘 留 應 力,Moulard[40] 應 用 影 像 處 理 技 術 改 善 光 學 薄 膜 應 力 之 量 測,Stoney[41] 利 用 金 屬 薄 片 基 板 之 變 形 來 推 論 電 鍍 薄 膜 應 力, 但 他 們 的 研 究 都 著 重 於 光 學 薄 膜 或 晶 體 型 薄 膜, 與 OLED 薄 膜 非 常 不 同, 因 OLED 薄 膜 非 光 學 薄 膜, 亦 非 晶 體 型 薄 膜, 且 OLED 薄 膜 為 多 層 薄 膜 組 成, 複 雜 度 更 高 一 般 OLED 製 造 公 司 雖 然 亦 對 OLED 薄 膜 應 力 進 行 探 討, 但 都 以 公 司 機 密 視 之, 不 對 外 公 布, 故 有 必 要 針 對 OLED 薄 膜 變 形 特 別 作 探 討 6

第 三 章 原 理 3.1 OLED 製 程 及 發 光 原 理 3.1.1 元 件 基 本 構 造 有 機 電 激 發 光 元 件 的 基 本 結 構 是 由 一 透 明 半 導 體 性 質 的 銦 錫 氧 化 物 (ITO) 為 陽 極 與 金 屬 陰 極 鋁 (Al), 將 有 機 材 料 包 含 於 兩 電 極 中, 有 機 發 光 二 極 體 的 基 本 結 構 圖 3.1 所 示, 有 機 發 光 層 薄 膜 為 本 實 驗 量 測 變 形 量 之 薄 膜 當 元 件 外 加 偏 壓 時, 電 子 由 Al 陰 極 產 生, 電 洞 由 ITO 陽 極 產 生, 在 電 子 與 電 洞 再 結 合 (recombination) 成 為 激 發 光 子 (exciton) 後, 從 激 發 態 (excited state) 回 到 基 態 (ground state) 的 方 式 不 全 都 是 會 是 輻 射 衰 退 (radiative decay), 而 在 有 機 發 光 二 極 體 中, 有 機 薄 膜 與 電 極 的 接 觸 面 為 一 個 主 要 的 電 荷 的 驟 熄 所 (quenching site), 因 為 大 多 數 的 有 機 材 料 都 是 單 一 極 性 (unipolar), 也 是 說 大 多 數 的 有 機 材 料 不 是 傳 導 電 子 就 是 傳 導 電 洞, 很 少 有 材 料 傳 導 電 子 與 電 洞 的 速 度 是 一 樣, 在 此 情 況 下, 會 使 電 子 與 電 洞 的 在 結 合 區 域 離 某 ㄧ 端 電 極 較 近, 易 於 被 金 屬 面 所 驟 熄, 大 大 的 減 低 了 發 光 的 效 率, 因 此 如 何 使 電 子 與 電 洞 的 再 結 合 區 域 遠 離 金 屬 面, 是 元 件 設 計 上 的 一 個 重 要 課 題, 而 多 層 膜 結 構 就 提 供 了 解 上 述 問 題 的 方 法 [42] 多 層 膜 結 構 最 簡 單 的 形 式 就 是 將 一 傳 導 電 子 及 另 一 傳 導 電 洞 的 兩 種 有 機 分 子 分 別 成 兩 層 有 機 薄 膜 於 兩 電 極 中, 如 此 可 以 改 善 電 荷 傳 輸 速 率, 修 正 電 子 電 洞 的 再 結 合 區 域, 並 且 在 適 當 的 電 場 之 下, 電 子 電 洞 停 留 在 有 能 障 的 界 面, 使 得 再 結 合 的 機 率 增 加 以 大 幅 度 提 高 元 件 的 發 光 效 率, 如 圖 3.2 所 示 [42], 圖 (a) 為 雙 層 結 構, 電 子 傳 輸 層 (ETL) 同 時 為 發 光 層, 電 洞 進 入 電 子 傳 輸 層 與 停 留 在 電 子 傳 輸 層 的 電 子 結 合, 而 造 成 在 電 子 傳 輸 層 發 光 ; 圖 (b) 為 電 洞 傳 輸 層 (HTL) 同 時 為 發 光 層 之 雙 層 結 構, 電 子 進 入 電 洞 傳 輸 層 與 停 留 在 電 洞 傳 輸 的 電 洞 結 合, 而 造 成 電 洞 傳 輸 層 的 發 光 ; 圖 (c) 為 三 層 OLED 結 構, 在 電 子 傳 輸 層 與 電 洞 傳 輸 層 之 間 加 入 一 個 發 光 層 (EML), 使 電 子 與 電 洞 在 此 發 光 層 結 合 發 光 OLED 三 層 結 構 與 雙 層 結 構 相 比, 具 有 更 優 良 的 發 光 特 性, 原 因 為 :(1) 利 用 多 層 結 構 可 以 將 產 生 單 激 態 分 子 (singlet state) 的 發 光 區 域 和 電 極 隔 離, 可 以 避 免 單 激 態 分 子 向 電 極 產 生 遷 移 而 造 成 能 量 的 損 失 ;(2) 在 材 料 設 計 上 具 有 更 大 的 彈 性, 電 子 傳 輸 層 發 光 層 電 洞 傳 輸 層 可 依 個 別 所 需 之 特 性, 選 擇 適 當 的 材 料, 而 不 需 要 開 發 同 時 具 備 發 光 及 電 荷 載 子 傳 輸 功 能 的 材 料, 因 此 在 材 料 設 計 上 具 有 更 大 的 彈 性 空 間, 也 較 易 達 到 提 升 OLED 性 能 的 目 的 [43] 3.1.2 OLED 薄 膜 製 程 目 前 OLED 的 有 機 材 料 設 計 著 重 於 光 色 度 效 率 和 壽 命, 換 言 之 即 是 所 謂 化 7

學 及 熱 穩 定 性 要 足 夠 高, 非 晶 質 狀 態 有 機 薄 膜 的 安 定 性 是 影 響 有 機 發 光 二 極 體 之 電 性 可 靠 度 的 因 素 之 ㄧ, 在 OLED 中 各 層 大 致 為 數 百 埃 厚 度 而 總 計 則 有 1000 埃 左 右, 在 驅 動 時 而 外 加 10(V) 電 壓, 則 其 電 場 強 度 為 10 5 V/cm, 要 能 耐 住 如 此 高 之 電 場, 則 如 何 生 長 無 孔 洞 (pinhole) 且 均 勻 緻 密 的 非 晶 質 薄 膜 是 很 重 要 的 非 晶 質 薄 膜 的 安 定 性 與 玻 璃 轉 移 溫 度 有 直 接 關 係, 驅 動 中 的 OLED 溫 度 會 因 產 生 熱 能 而 升 高, 進 而 影 響 OLED 壽 命 和 材 料 的 玻 璃 轉 換 溫 度 特 性 有 機 薄 膜 分 子 結 構 變 化 為 OLED 特 性 致 命 因 素, 其 可 能 造 成 電 極 界 面 之 接 觸 不 良 和 薄 膜 之 不 均 勻 性 都 是 引 起 驅 動 電 壓 值 的 上 升 和 發 光 亮 度 的 下 降, 薄 膜 分 子 結 構 的 變 化 與 Tg 值 的 高 低 有 關 並 影 響 其 結 晶 化 現 象, 例 如 : 電 洞 傳 輸 層 的 有 機 材 料 TPD, 其 Tg 則 是 約 60, 有 非 常 好 的 電 洞 移 動 度, 但 Tg 值 太 低 而 影 響 到 OLED 壽 命, 以 TPD 為 基 本 架 構 而 形 成 星 狀 結 構 之 高 分 子 比 TPD 結 構 大, 其 Tg 值 提 高 為 75 而 比 TPD 的 Tg 略 高, 若 分 子 構 造 更 進 一 步 增 大, 則 Tg 值 有 可 能 提 高 為 100 並 具 有 低 的 離 子 化 位 能 [44], 由 此 得 知 TPD 分 子 結 構 增 大, 而 Tg 值 也 越 大,TPD 分 子 結 構 變 小, 而 Tg 值 會 變 小 若 有 機 薄 膜 的 TPD 經 長 時 間 的 發 光 導 致 薄 膜 質 變, 可 推 論 因 薄 膜 質 變, 影 響 原 本 分 子 間 附 著 力 ( 氫 鍵 和 凡 得 瓦 力 ), 而 造 成 分 子 結 構 改 變, 若 分 子 結 構 變 小 而 Tg 值 也 會 變 小,Tg 值 低 而 造 成 薄 膜 質 變 很 容 易 發 生, 再 加 上 電 場 強 度 大 於 分 子 間 附 著 力, 而 有 可 能 導 致 有 機 薄 膜 脫 層 理 想 的 有 機 薄 膜, 則 所 用 的 有 機 材 料 應 有 如 下 :(1) 電 洞 移 動 度 高 ;(2) 電 化 學 的 安 定 ;(3) 離 子 化 位 能 (IP) 小 ;(4) 電 子 親 和 力 (EA) 小 ;(5) 玻 璃 轉 移 溫 度 高 ;(6) 真 空 蒸 鍍 好 ;(7) 薄 膜 成 形 優 等 特 性 其 中 玻 璃 轉 移 溫 度 離 子 化 位 能 和 真 空 蒸 鍍 好 為 選 擇 有 機 材 料 重 要 的 考 量 之 一, 離 子 化 位 能 與 有 機 材 料 的 電 洞 傳 輸 性 有 關,IP 值 低 則 電 子 易 游 離 而 易 形 成 陽 離 子 活 性 基 (cation radical) 和 電 洞 移 動 度 有 偏 高 的 特 性, 並 有 利 於 電 洞 在 分 子 間 之 中 性 離 子 和 陽 離 子 的 反 覆 跳 躍, 若 適 當 離 子 化 位 能 值 的 材 料 加 於 電 洞 傳 輸 層 中, 則 在 電 洞 傳 輸 過 程 中 可 添 加 電 化 學 可 逆 之 特 徵, 此 特 性 是 其 他 材 料 所 沒 有 的 優 點 [44] 玻 璃 轉 換 溫 度 可 因 分 子 結 構 的 變 化 而 使 其 提 升, 但 是 其 離 子 化 位 能 必 須 要 高, 這 兩 者 是 呈 現 互 相 增 長 的 關 係, 故 要 獲 得 高 玻 璃 轉 換 溫 度 以 及 低 離 子 化 位 能 是 不 容 易 的 且 只 能 尋 求 其 最 佳 化 值 [45]; 構 成 真 空 蒸 鍍 好 之 有 機 材 料 的 特 性 有 (1) 高 的 蒸 氣 壓 ;(2) 在 高 溫 下 易 分 解 易 變 性 和 蒸 發 源 內 之 分 壓 而 易 結 晶 化 ;(3) 粉 體 時 熱 傳 導 差 ;(4) 多 色 發 光 色 主 體 材 料 和 摻 雜 材 料 的 控 制 是 重 要 的, 在 100 % 主 體 材 料 中,0.5 ~ 2.0 % 摻 雜 材 料 的 添 加 以 使 蒸 鍍 性 改 善 如 圖 3.3 和 圖 3.4 所 示, 蒸 發 源 的 結 構 圖 和 有 機 蒸 發 的 膜 厚 分 佈, 在 蒸 發 速 度 為 5 ~ 8 埃 /sec 時, 可 於 200 mm 的 基 板 領 域 中 獲 得 350 埃 的 膜 厚 [44,46] 製 作 OLED 薄 膜 時 所 需 的 有 機 熱 蒸 鍍 設 備, 對 設 備 廠 商 來 說 是 一 項 新 的 領 域 與 挑 戰, 因 為 有 機 材 料 的 特 性 與 金 屬 陶 瓷 等 材 料 非 常 不 相 同, 不 適 合 需 要 以 高 熱 和 高 能 量 的 方 式 鍍 膜, 在 製 作 OLED 薄 膜 時 必 須 避 免 有 機 材 料 產 生 熱 裂 解 或 化 學 反 應 以 免 產 生 缺 陷 [47], 現 階 段 OLED 薄 膜 的 製 造 的 過 程 和 所 用 的 製 造 設 備 均 在 真 空 狀 態 的 環 境 中 製 作, 換 言 之, 真 空 技 術 (vacuum technology) 在 整 個 OLED 薄 膜 的 製 造 過 程 中 扮 演 一 項 重 要 的 技 術, 常 用 SI 制 的 真 空 單 位 為 torr,1 atm = 760 torr 對 8

OLED 的 製 程 而 言, 其 過 程 約 略 敘 述 如 圖 3.5 所 示 [48], 一 般 先 將 玻 璃 基 版 上 形 成 陽 極, 陽 極 是 由 透 明 電 極 膜 ITO 與 補 助 電 極 Cr 等 薄 膜 共 同 構 成, 附 有 陽 極 薄 膜 之 玻 璃 基 板 先 進 行 濕 式 或 電 漿 式 的 清 洗 基 板, 接 著 在 陽 極 上 層 蒸 鍍 多 層 薄 膜, 其 中 包 含 電 洞 傳 輸 層 發 光 層 電 子 傳 輸 層, 然 後 鍍 上 金 屬 電 極 層, 最 後 進 行 封 合 以 及 測 試 其 功 能 在 ITO 成 膜 製 程 中 需 考 量 導 電 性 和 結 晶 性 而 必 須 在 室 溫 下 進 行, 但 是 室 溫 下 所 成 之 非 晶 質 膜 因 有 水 氣 存 在 的 影 響, 而 必 須 再 做 將 基 板 溫 度 上 升 200 的 熱 處 理 若 ITO 基 板 表 面 存 在 氧 氣 和 水 氣 有 可 能 會 導 致 薄 膜 質 變, 故 在 ITO 薄 膜 表 面 上 附 著 之 水 氣 和 氧 氣 應 儘 可 能 予 以 清 除, 基 板 前 處 理 可 使 表 面 吸 附 之 殘 留 氣 體 脫 離 達 到 清 潔 表 面 的 目 的, 如 此 可 除 去 薄 膜 與 基 板 表 面 間 之 雜 質, 增 加 薄 膜 與 基 板 面 間 之 密 著 性 ( 凡 得 瓦 力 ), 且 也 可 以 改 善 成 長 ITO 薄 膜 之 結 晶 性 與 緻 密 性, 目 前 基 板 前 處 理 法 有 :(1) 使 用 平 行 平 板 型 輝 光 放 電 (glow discharge)ito 表 面 氧 化 法 ;(2) 真 空 紫 外 光 照 射 衍 生 臭 氧 而 利 用 臭 氧 (ozone) 的 ITO 表 面 氧 化 法 ;(3) 利 用 電 漿 (plasma) 產 生 氧 化 活 性 基 (oxygen radical) 而 利 用 氧 化 性 基 的 ITO 表 面 氧 化 法 [44,46] 有 機 薄 膜 形 成 方 式 是 使 用 真 空 蒸 鍍 法 ( 乾 式 製 程 )[49], 將 需 要 製 成 膜 物 質 放 於 真 空 中, 透 過 加 熱 使 其 蒸 發 或 昇 華 ( 轉 變 為 氣 相 ), 然 後 分 子 撞 擊 基 板, 吸 附 並 把 動 能 轉 移 其 上, 吸 附 分 子 尚 未 和 基 板 達 熱 平 衡, 可 在 基 板 上 移 動 並 和 其 他 吸 附 分 子 反 應 成 更 大 的 分 子 團, 分 子 團 尚 未 穩 定, 可 能 脫 離 基 板 或 結 合, 達 到 一 臨 界 尺 寸 後 即 穩 定 下 來, 成 為 晶 核, 其 均 勻 的 分 散 在 基 板 上, 當 晶 核 密 度 成 長 飽 和, 然 後 經 由 吸 附 分 子 平 行 擴 散 或 垂 直 撞 擊 的 聚 合 而 成 長, 逐 漸 長 成 一 個 小 島 (islands), 小 島 互 相 聚 結 (coalescence) 以 減 少 其 表 面 積 和 表 面 能, 分 子 的 吸 附 亦 可 增 加 小 島 的 尺 寸, 即 為 晶 粒 形 成, 如 圖 3.6 所 示 從 蒸 發 源 蒸 發 出 來 的 分 子 在 向 基 板 沈 積 過 程 中 還 不 斷 與 真 空 中 殘 留 的 氣 體 分 子 相 碰 撞 使 蒸 發 分 子 失 去 定 向 運 動 的 動 能, 而 不 能 沈 積 於 基 板, 若 真 空 中 殘 留 氣 體 分 子 越 多, 即 真 空 度 越 低, 則 實 際 沈 積 於 基 板 上 的 分 子 數 越 少, 因 此 該 過 程 要 求 在 高 真 空 中 進 行 [50] 真 空 蒸 鍍 具 有 機 層 構 造 容 易 形 成 在 結 合 效 率 提 升 以 及 結 合 介 面 之 較 容 易 控 制 等 優 點 [45] 真 空 蒸 鍍 裝 置 如 圖 3.7 所 示, 真 空 腔 體 內 有 三 組 加 熱 載 舟 (source boats), 及 一 組 石 英 震 盪 膜 厚 計 ; 蒸 鍍 前 使 用 機 械 馬 達 先 行 抽 氣, 待 腔 體 內 真 空 度 低 於 2 10-2 torr 時, 再 利 用 擴 散 馬 達 作 進 一 步 高 真 空 的 抽 氣 動 作, 當 腔 體 內 真 空 度 達 4 10-5 torr 時, 開 始 進 行 鍍 膜 鍍 製 OLED 時, 準 確 的 薄 膜 厚 度 及 穩 定 的 蒸 鍍 速 率 可 以 提 升 OLED 之 發 光 表 現, 因 為 所 製 備 之 OLED 薄 膜, 已 屬 於 奈 米 級 薄 膜 (nanothin film), 有 機 分 子 蒸 鍍 速 率 的 快 慢 與 薄 膜 厚 度, 會 直 接 影 響 OLED 的 品 質, 因 此, 必 須 了 解 各 個 有 機 物 分 子 的 蒸 鍍 速 率 和 薄 膜 厚 度 的 關 係 [51] 石 英 震 盪 膜 厚 計 為 偵 測 分 子 蒸 鍍 於 基 板 上 之 速 率 及 厚 度, 為 了 增 加 量 測 之 精 確 度, 需 將 膜 厚 計 盡 量 靠 近 基 板, 且 與 基 板 的 高 度 相 同, 並 固 定 膜 厚 計 與 加 熱 載 舟 間 高 度 ; 石 英 震 盪 膜 厚 計 上 的 膜 厚 越 厚, 其 振 動 頻 率 越 慢, 膜 厚 計 震 盪 的 頻 率 會 隨 其 膜 厚 增 加 而 下 降, 其 頻 率 的 變 化 值 經 過 計 算, 而 得 到 蒸 鍍 速 率 及 膜 厚 值 由 於 石 英 震 盪 膜 厚 計 對 不 同 有 機 分 子 的 蒸 鍍 速 率 之 感 應 皆 有 不 同, 且 會 因 加 熱 載 舟 9

位 置 不 同 而 有 所 不 同, 因 此 所 偵 測 到 的 值, 並 非 有 機 分 子 真 正 的 蒸 鍍 速 率 與 厚 度, 故 膜 厚 計 讀 值 僅 能 視 為 一 相 對 參 考 值, 需 再 以 量 測 膜 厚 之 儀 器, 如 膜 厚 量 測 儀 器 (α-step) 或 橢 圓 測 厚 儀 做 校 正, 以 得 實 際 膜 厚 值 為 了 獲 得 準 確 的 薄 膜 厚 度, 需 針 對 各 種 不 同 有 機 薄 膜 材 料, 做 各 別 的 膜 厚 及 蒸 鍍 速 率 之 校 正, 首 先, 固 定 蒸 鍍 源 位 置 與 石 英 震 盪 膜 厚 計 高 度 位 置, 分 別 將 各 種 有 機 材 料, 鍍 製 而 成 的 薄 膜, 利 用 α-step 量 測 實 際 之 薄 膜 厚 度 ; 藉 由 石 英 震 盪 膜 厚 計 與 α-step 之 間 的 比 例 關 係, 可 精 確 控 制 薄 膜 的 蒸 鍍 速 率 與 厚 度 [51] 此 外, 封 裝 技 術 可 說 是 在 整 個 OLED 製 程 中 相 當 重 要 的 一 環, 因 為 OLED 的 有 機 材 料 易 受 水 氣 和 氧 氣 的 影 響, 封 裝 過 程 中 需 隔 除 空 氣 中 水 氣, 故 封 裝 技 術 的 成 敗 直 接 影 響 OLED 的 成 敗, 所 以 對 於 封 裝 的 要 求 特 別 嚴 苛, 現 在 主 要 的 應 用 要 求 如 下 [47]:(1) 與 OLED 製 程 一 體, 不 再 破 真 空 ;(2) 薄 膜 封 裝 取 代 玻 璃 蓋 或 金 屬 蓋 ; (3) 封 裝 材 料 水 氣 滲 透 率 小 於 10-6 g/m 2 /day;(4) 封 裝 材 料 氧 氣 滲 透 率 小 於 10-3 g/m 2 /day;(5) 封 裝 薄 膜 沒 有 針 孔 (pinhole), 邊 緣 沒 有 缺 陷 ;(6) 大 面 積, 成 膜 速 度 快 ;(7) 透 明 性 ;(8) 低 溫 製 程 ;(9) 黏 著 力 強 抗 應 力 (stress) 如 圖 3.8 所 示 為 OLED 成 膜 封 合 構 造 及 OLED 的 構 造 OLED 薄 膜 製 程 過 程 直 接 影 響 薄 膜 的 品 質 及 薄 膜 與 基 板 間 的 附 著 力, 此 與 本 研 究 有 密 切 的 關 係 3.1.3 發 光 原 理 OLED 的 發 光 原 理 可 分 為 光 激 發 光 (PL) 和 電 激 發 光 (EL), 兩 者 的 原 理 非 常 相 似, 均 是 由 外 界 提 供 電 能 或 光 能, 形 成 激 發 光 子, 再 經 由 輻 射 式 衰 退 發 光 [52], 如 圖 3.9 所 示,LUMO 為 最 低 未 填 滿 軌 域,HOMO 為 最 高 填 滿 軌 域 目 前 最 常 使 用 的 是 電 激 發 光, 其 原 理 為 外 加 電 場 時, 電 子 由 陰 極 Al 產 生, 電 子 由 陰 極 注 入 電 子 傳 輸 層 的 LUMO 能 階 ; 電 洞 由 ITO 陽 極 產 生, 電 洞 由 陽 極 注 入 電 洞 傳 輸 層 的 HOMO 能 階, 因 電 場 作 用 下, 使 電 子 和 電 洞 在 發 光 層 相 向 移 動 並 產 生 再 結 合 現 象, 再 結 合 所 發 出 的 能 量 將 產 生 激 發 光 子, 使 其 處 於 高 能 量 且 非 穩 定 得 激 發 狀 態 (excited state), 激 發 光 子 從 激 發 態 經 由 輻 射 式 衰 退 的 方 式 回 覆 到 低 能 量 穩 定 的 基 態, 其 衰 退 能 量 以 光 的 形 式 釋 放 出 來, 且 此 能 差 大 小 剛 好 在 可 見 光 範 圍 內, 人 眼 即 可 透 過 透 明 的 ITO 玻 璃 看 到 此 有 機 材 料 的 螢 光 放 射 行 為 有 機 薄 膜 電 荷 的 傳 輸 機 制, 如 圖 3.10 所 示, 朝 向 有 機 發 光 層 中 輸 入 的 載 體 有 陰 離 子 活 性 基 (anion radical) 的 電 子 和 陽 離 子 活 性 基 (cation radical) 的 電 洞 ; 在 陰 極 與 有 機 薄 膜 界 面 發 生 有 機 分 子 獲 得 電 子 之 還 原 反 應 而 形 成 陰 離 子 活 性 基, 而 同 時 向 陽 極 方 向 作 跳 躍 式 移 動 (hopping), 在 陽 極 與 有 機 薄 膜 界 面 發 生 有 機 分 子 失 去 電 子 之 氧 化 反 應 而 形 成 陽 離 子 活 性 基, 而 同 時 向 陰 極 方 向 作 跳 躍 式 移 動 ; 陰 離 子 活 性 基 的 形 成 是 電 子 輸 入 最 低 未 佔 據 分 子 軌 域 (LUMO) 而 陽 離 子 活 性 基 的 形 成 則 是 電 子 離 開 最 高 佔 據 分 子 軌 域 (HOMO) 有 機 薄 膜 的 厚 度 僅 在 1000 埃 左 右, 電 子 和 電 洞 的 再 結 合 反 應 均 在 數 十 奈 秒 (ns) 非 常 短 的 時 間 內, 故 而 OLED 薄 膜 的 響 應 速 度 也 就 非 常 地 快 [47,50] 10

當 OLED 薄 膜 中 化 學 分 子 受 到 外 來 能 量 的 激 發 後, 其 電 子 組 態 的 變 化 將 由 基 態 (S 0 ) 提 升 至 激 發 態 (excited state), 若 激 發 態 的 電 子 自 旋 (electron spin) 和 基 態 電 子 成 對 的 話, 則 此 一 狀 態 稱 之 為 單 重 項 態 (singlet); 若 兩 個 電 子 自 旋 不 成 對 且 是 平 行 的, 則 此 一 狀 態 為 三 重 項 態 (triplet) 在 ㄧ 般 的 情 況 下, 三 重 項 態 的 能 量 比 單 重 項 態 的 能 量 為 小, 且 直 接 地 激 發 至 三 重 項 態 之 跳 躍 方 式 的 可 能 性 較 小, 但 單 重 項 態 的 電 子 自 旋 則 有 可 能 經 不 同 階 段 的 跳 躍 方 式 轉 變 成 三 重 項 態 圖 3.11 為 有 機 電 激 發 光 元 件 發 光 機 制, 單 重 項 態 三 重 項 態 以 及 分 子 內 各 種 能 量 衰 變 過 程 之 能 階 圖 ㄧ 個 激 發 的 分 子 會 藉 由 兩 種 去 活 化 (deactivation) 途 俓 回 到 基 態 :(1) 以 光 子 的 形 式 釋 放, 分 為 螢 光 (fluorescence) 和 磷 光 (phosphorescence); 位 於 激 發 態 最 低 振 動 能 階 的 電 子, 以 輻 射 的 方 式 到 基 態 的 任 一 振 動 能 階 稱 為 螢 光, 其 化 學 式 :S 1 S 0 + hν, 若 經 由 系 統 間 跨 越 (intersystem Crossing), 使 得 一 個 激 發 電 子 的 自 旋 (spin) 被 反 轉 到 三 重 激 發 態 之 後, 再 以 輻 射 方 式 返 回 基 態 的 任 一 振 動 能 則 稱 為 磷 光, 其 化 學 式 T 1 S 0 + hν;(2) 以 非 輻 射 途 徑 釋 放, 如 熱 或 內 轉 換 (internal conversion), 外 轉 換 (external conversions) 及 振 動 緩 解 (vibrational relexation); 對 OLED 而 言, 以 光 子 形 式 釋 放 能 量 的 比 率 越 高 越 好 [27,44,47] 有 機 電 機 發 光 薄 膜 的 發 光 效 率 有 內 部 量 子 效 率 (internal quantum efficiency) 和 外 部 量 子 效 率 (external quantum efficiency) 之 區 分, 而 外 部 量 子 效 率 是 與 陰 極 材 料 電 子 傳 輸 材 料 電 極 和 有 機 層 間 插 入 緩 衝 層 電 流 密 度 以 及 定 電 流 驅 動 下, 其 量 子 效 率 劣 化 現 象 均 存 有 很 大 的 相 依 性 外 部 量 子 效 率 與 激 發 強 度 也 有 很 大 的 相 依 性, 電 流 密 度 增 加 一 個 級 數 而 量 子 效 率 將 增 加 10 ~ 15% 的 比 例 值, 一 般 有 機 電 激 發 光 薄 膜 的 發 光 強 度 在 原 理 上 是 隨 著 電 流 比 例 地 增 加 而 增 加, 又 量 子 效 率 是 隨 著 電 流 密 度 的 增 加 而 持 續 地 增 加, 但 事 實 上 並 非 如 此 而 量 子 效 率 是 有 上 限 值 的, 在 一 定 電 流 的 情 況 下,OLED 元 件 連 續 地 驅 動 而 將 造 成 外 部 量 子 效 率 連 續 的 降 低, 此 歸 因 於 有 機 層 的 不 可 逆 物 理 性 和 化 學 性 劣 化 電 荷 平 衡 因 子 之 長 期 變 化 和 螢 光 的 量 子 效 率 降 低 等 [44] 就 實 際 的 薄 膜 發 光 而 言, 有 兩 項 重 要 的 物 理 性 質 分 別 為 發 光 的 能 量 效 率 (η E ) 和 發 光 的 量 子 效 率 (η EL ),η E 的 定 義 為 在 OLED 薄 膜 中 輸 入 的 電 能 而 相 對 於 所 產 生 之 發 光 能 量 的 比 值 ;η EL 的 定 義 則 為 一 個 電 洞 所 能 發 出 幾 個 光 子 數 的 情 形 [44] 在 OLED 薄 膜 通 電 後, 所 產 生 的 電 子 與 電 洞 在 發 光 層 上 相 結 合 (recombine) 所 產 生 的 激 子 ( 激 態 的 電 子 ), 而 激 子 所 釋 放 出 來 的 能 量 會 有 25% 的 部 分, 經 由 單 重 態 將 能 量 以 螢 光 的 形 式 釋 放 出 來, 另 外 75% 的 能 量 則 經 由 三 重 態, 將 能 量 以 熱 或 磷 光 的 形 式 釋 放 出 來, 不 過 由 於 磷 光 的 發 光 效 率 不 高, 因 此 75% 的 能 量 大 部 分 都 無 法 發 光, 而 以 熱 的 形 式 將 能 量 消 耗 掉, 因 此 OLED 薄 膜 之 內 部 量 子 效 率 為 輸 入 電 荷 載 體 數 和 有 機 薄 膜 內 部 所 發 生 光 子 數 的 比 值 [44],OLED 薄 膜 內 部 量 子 效 率 理 論 上 限 為 25 %[53], 而 外 部 發 光 效 率 與 有 機 材 料 的 折 射 率 有 關, 與 內 部 發 光 效 率 間 有 一 芬 耐 爾 的 公 式 (Fresnel equation) 的 關 係 式 存 在 如 下 [4]: η EL(ext) = (η EL ) 1 (2n) 2 (3.1) 11

η EL(ext) 為 有 機 發 光 二 極 體 薄 膜 的 外 部 量 子 效 率,η EL 為 有 機 有 機 發 光 二 極 體 薄 膜 的 內 部 量 子 效 率,n 為 有 機 發 光 材 料 的 折 射 率, 一 般 來 說, 有 機 材 料 的 折 射 率 約 為 1.5 ~ 1.7, 將 有 機 材 料 的 折 射 率 代 入 公 式 (3.1), 可 得 一 般 OLED 的 外 部 最 大 發 光 效 率 大 約 在 20 % 左 右 [47] OLED 薄 膜 的 發 光 性 能 與 薄 膜 品 質 有 直 接 的 關 係, 而 薄 膜 品 質 與 其 材 料 材 質 是 否 穩 定 有 密 切 的 關 聯 3.2 薄 膜 變 形 3.2.1 薄 膜 應 力 薄 膜 變 形 與 薄 膜 應 力 有 密 切 關 係, 故 宜 對 薄 膜 應 力 進 行 瞭 解 基 板 沈 積 成 膜 以 後, 薄 膜 處 於 應 變 的 狀 態, 若 以 薄 膜 應 力 造 成 基 板 彎 曲 形 變 的 方 向 來 區 分, 可 將 應 力 分 為 張 應 力 (tensile stress) 與 壓 應 力 (compressive stress), 如 圖 3.12 所 示, 張 應 力 是 當 膜 施 力 外 伸 張 基 板 向 內 壓 縮 使 膜 表 面 下 凹 (concave film), 於 張 應 力 的 作 用 下 薄 膜 本 身 有 收 縮 的 趨 勢, 如 果 膜 層 的 張 應 力 超 過 薄 膜 的 彈 性 限 度, 則 薄 膜 就 會 破 裂 剝 離 基 板 而 翹 起 壓 應 力 則 相 反, 使 膜 表 面 外 凸 (convex film), 於 壓 應 力 的 作 用 下 薄 膜 有 向 表 面 擴 張 的 趨 勢, 如 果 壓 應 力 到 極 限 時, 則 會 使 薄 膜 向 基 板 內 側 捲 曲, 數 學 上 將 張 應 力 掛 上 正 號 壓 應 力 掛 上 負 號 造 成 薄 膜 總 應 力 的 主 要 來 源 外 應 力 (external stress) 熱 應 力 (thermal stress) 本 徵 應 力 (intrinsic stress), 其 中 外 應 力 是 由 外 力 作 用 施 加 於 薄 膜 所 引 起 的, 熱 應 力 是 因 為 基 板 與 膜 的 熱 膨 脹 係 數 相 差 太 大 而 引 起, 此 情 形 發 生 於 製 鍍 薄 膜 時 基 板 的 溫 度, 冷 卻 至 室 溫 取 出 而 產 生, 熱 應 力 隨 溫 度 差 的 不 同 而 有 不 同, 如 下 公 式 [54]: σ = Ε α α ) T (3.2) T f ( f s 其 中 σ T 為 熱 應 力,Ε f 為 薄 膜 材 料 的 彈 性 模 數,α f 為 薄 膜 的 熱 膨 脹 係 數,α s 為 基 板 的 熱 膨 脹 係 數, T 為 量 測 溫 度 與 薄 膜 蒸 鍍 溫 度 之 差 薄 膜 與 基 板 的 熱 膨 脹 係 數 越 接 近 溫 差 越 小, 則 熱 應 力 也 就 越 小 本 徵 應 力 則 是 薄 膜 本 身 與 基 板 材 料 的 特 性, 主 要 取 決 於 薄 膜 的 微 觀 結 構 和 分 子 沈 積 缺 陷 等 因 素, 所 以 薄 膜 彼 此 間 界 面 及 薄 膜 與 基 板 邊 界 之 相 互 作 用 就 相 當 重 要, 這 完 全 控 制 於 製 鍍 的 參 數 與 技 術 上 [54], 若 本 徵 應 力 大 於 膜 與 基 板 的 間 之 附 著 力, 薄 膜 會 剝 落 脫 層, 應 力 小 則 膜 會 龜 裂 而 造 成 薄 膜 本 徵 應 力 形 成 的 原 因 如 下 分 述 [55]:(1) 在 薄 膜 形 成 初 期 凝 聚 成 島 狀 結 構 時, 由 於 表 面 積 的 變 化 引 起 表 面 能 的 變 化 ;(2) 在 薄 膜 形 成 過 程 中, 薄 膜 溫 度 上 升 和 形 成 之 後 溫 度 下 降 引 起 薄 膜 的 溫 度 變 化 ;(3) 在 薄 膜 形 成 過 程 中 伴 隨 著 變 相 所 產 生 的 體 積 變 化 ;(4) 在 薄 膜 形 成 中, 因 薄 膜 材 料 由 固 態 變 氣 態 的 蒸 發 快 速 的 凝 結, 此 劇 烈 的 變 化 使 得 薄 膜 分 子 無 法 找 到 一 個 最 低 能 位, 所 以 將 產 生 許 多 點 缺 陷, 薄 膜 中 的 點 缺 陷 容 易 產 生 原 子 空 位, 使 得 外 界 的 雜 質 原 子 或 分 子 被 夾 入 晶 體 結 構 內 本 徵 應 力 定 義 為 薄 膜 內 部 任 意 一 截 12

面 上, 於 熱 平 衡 不 受 外 力 施 壓 下, 其 單 位 截 面 的 一 側 受 到 另 一 側 施 加 的 力, 一 般 用 σ 表 示, 單 位 為 Nt / mm 2 dyn / mm 2 或 是 Gpa 目 前 量 測 薄 膜 本 徵 應 力 的 方 法 如 下 陳 述 [10]: (1) 牛 頓 環 法 如 圖 3.13 所 示, 此 為 利 用 圓 基 板 鍍 膜 後 彎 曲 面 與 一 參 考 平 面 產 生 牛 頓 環, 當 其 膜 面 直 徑 比 膜 厚 大 50 倍 以 上 時, 量 其 干 涉 條 紋 半 徑 r 即 可 由 下 式 導 出 其 應 力 σ, 2 1 E s t s σ = (3.3) 6 r(1 ν) t f 其 中 t s 為 基 板 厚 度 t f 為 膜 厚,E s 為 基 板 楊 氏 彈 性 模 數 (Young s Modulus) ν 為 基 板 之 普 松 比 (Poisson s ratio) (2) 懸 臂 法 此 法 為 將 基 板 一 端 固 定 位, 如 圖 3.14 所 示, 鍍 膜 基 板 即 會 因 應 力 往 上 彎 ( 壓 應 力 ) 或 往 下 彎 ( 張 應 力 ), 此 彎 曲 角 度 δ 可 用 雷 射 光 打 在 基 板 自 由 端 上 一 點, 蒸 鍍 後 量 此 反 射 光 偏 移 量 θ, 則 δ=θ/ 2, 設 光 反 射 點 距 基 板 固 定 點 長 度 為 l, 則 彎 曲 半 徑 近 似 r =l 2 / 2δ, 代 入 3.4 式, 可 知 應 力 為 σ = 1 3 2 s Esδ t 2 l (1 ν ) t f (3.4) (3) 干 涉 儀 相 位 移 法 此 法 為 利 用 杜 曼 - 格 林 (Twyman-Green) 干 涉 儀, 如 圖 3.15 所 示, 量 測 膜 曲 面 與 參 考 平 面 之 干 涉 圖, 用 相 位 移 法 求 出 未 鍍 前 基 板 之 曲 率 半 徑 R 1, 及 鍍 膜 後 之 曲 率 半 徑 R 2, 求 得 干 涉 條 紋 半 徑 r 1 1 1 = (3.5) r R 2 R 1 再 利 用 (3.3) 式 求 薄 膜 之 應 力, 因 為 膜 長 在 基 板 上 不 一 定 為 圓 對 稱, 所 以 用 相 位 法 比 上 述 可 以 求 出 更 精 確 之 平 均 半 徑 值, 因 此 所 求 得 的 薄 膜 應 力 也 更 精 確 (4)X-ray 繞 射 法 利 用 布 拉 格 (Bragg) 繞 射 公 式 藉 由 X- 光 (X-ray) 求 出 薄 膜 結 構 中 微 粒 間 之 距 離 d, 故 在 無 應 力 狀 態 之 下 求 得 薄 膜 材 料 結 構 微 粒 間 距 d 0, 由 此 可 得 微 粒 晶 格 之 應 變 為 而 求 得 應 力 d d 0 d = (3.6) d 0 E P f σ = d m (3.7) (1 ν f ) 其 中 E f 及 ν f 分 別 為 膜 材 料 彈 性 模 數 及 普 松 比,P m 為 堆 積 密 度 薄 膜 是 在 基 板 之 上 生 成 的, 基 板 和 薄 膜 之 間 就 會 存 在 著 一 定 的 相 互 作 用, 這 種 作 用 通 常 的 表 現 方 式 是 附 著, 薄 膜 的 一 個 介 面 附 著 在 基 板 上 並 受 到 約 束 作 用, 因 此 13

薄 膜 容 易 產 生 應 變, 若 考 慮 與 薄 膜 面 垂 直 的 任 一 斷 面, 斷 面 兩 側 會 產 生 本 徵 應 力, 附 著 和 本 徵 應 力 為 薄 膜 極 為 重 要 的 固 有 特 徵 設 基 板 和 薄 膜 屬 於 不 同 種 物 質, 附 著 力 現 象 所 考 慮 的 對 象 是 二 者 間 的 邊 界 和 界 面, 二 者 之 間 的 互 相 作 用 能 就 是 附 著 能, 附 著 能 可 看 作 是 界 面 能 的 一 種, 附 著 能 對 基 板 與 薄 膜 間 的 距 離 微 分, 微 分 最 大 值 就 是 附 著 力 [55] 不 同 種 物 質 原 子 之 間 最 普 遍 的 作 用 力 為 凡 得 瓦 力, 可 以 解 釋 許 多 附 著 現 象, 此 種 力 是 永 久 偶 極 子 感 應 偶 極 力 之 間 的 作 用 力 以 及 其 他 色 散 力 的 總 稱, 其 中 色 散 力 為 分 子 中 電 子 的 運 動 產 生 瞬 時 偶 極 矩, 它 使 鄰 近 分 子 瞬 時 極 化, 後 者 又 反 過 來 增 強 原 來 分 子 的 瞬 時 偶 極 矩 對 不 同 的 分 子, 這 三 種 力 的 貢 獻 不 同, 通 常 色 散 力 的 貢 獻 最 大 設 兩 分 子 間 的 上 述 互 相 作 用 能 為 U, 則 U 可 表 示 為 U 3α α I I A B A B = (3.8) 6 2r I AB A + I B 式 中,r AB 為 分 子 間 距 離,α 為 分 子 的 極 化 率,I 為 分 子 的 游 離 能 (IE), 其 為 將 氣 態 的 中 性 分 子 移 去 一 個 最 外 層 電 子 所 需 的 能 量,A 和 B 分 別 代 表 A 分 子 和 B 分 子 除 此 之 外, 與 附 著 相 關 的 因 素 中 還 要 考 慮 相 互 擴 散, 此 擴 散 作 用 在 薄 膜 和 基 板 的 兩 種 原 子 間 互 相 作 用 大 的 清 況 下 發 生, 由 於 兩 種 原 子 的 混 合 或 化 合, 造 成 界 面 消 失, 附 著 能 變 成 混 合 物 或 化 合 物 的 凝 聚 能 [55] 薄 膜 形 成 過 程 中, 有 機 材 料 加 熱 使 其 蒸 發 或 昇 華 轉 變 為 氣 相, 在 真 空 中 移 動 的 原 子 未 能 移 動 至 安 定 位 置 即 被 固 定, 或 朝 自 由 表 面 緩 慢 擴 散 至 消 滅, 因 而 產 生 應 變, 原 子 排 列 形 成 巨 型 材 (bulk) 時, 單 位 表 面 積 之 應 變 能 隨 堆 積 量 增 加 而 增 大 造 成 不 安 定, 應 變 能 若 超 過 某 一 極 限, 將 產 生 失 配 (misfit) 差 排 ( 刃 狀 差 排 ) 而 使 應 變 釋 放, 應 變 能 單 位 erg / cm 3,1 erg = 10-7 J 薄 膜 中 存 在 本 徵 應 力 意 味 著 存 在 應 變 能, 設 薄 膜 的 本 徵 應 力 為 σ, 彈 性 模 數 為 E, 則 單 位 體 積 薄 膜 中 儲 存 的 應 變 能 u 為 2 σ u = (3.9) 2E 單 位 面 積 基 板 上 附 著 的 薄 膜, 若 其 膜 厚 為 d m, 則 該 部 份 薄 膜 所 具 有 的 應 變 能 為 2 σ d m ud m = (3.10) 2E 如 果 ud m 超 過 了 薄 膜 與 基 板 的 附 著 力, 薄 膜 就 會 從 基 板 上 剝 離, 由 此 說 明 本 徵 應 力 大 時, 應 變 能 容 易 超 過 附 著 力 [49,55] OLED 顯 示 器 因 為 結 構 最 簡 單, 最 適 用 於 可 撓 面 板, 在 可 撓 面 板 中 OLED 薄 膜 將 不 可 避 免 的 會 承 受 彎 矩 應 力, 不 論 熱 應 力 或 彎 矩 應 力 若 超 過 薄 膜 基 材 或 薄 膜 間 之 介 面 附 著 力, 就 會 造 成 薄 膜 之 斷 裂 或 鬆 脫, 最 終 影 響 OLED 顯 示 器 之 發 光 品 質 OLED 薄 膜 為 多 層 有 機 薄 膜 組 成, 與 上 述 薄 膜 應 力 理 論 是 基 於 單 層 膜 與 基 板 的 關 係 上 不 同, 複 雜 度 更 高, 所 以 一 般 薄 膜 應 力 理 論 不 適 用 於 OLED 薄 膜 14

3.2.2 壓 電 效 應 OLED 試 片 在 通 電 後,OLED 中 的 有 機 薄 膜 會 產 生 變 形, 推 測 變 形 應 是 OLED 通 電 後 壓 電 效 應 而 造 成, 壓 電 性 (piezoelectrics) 為 一 種 機 械 能 與 電 能 之 間 能 量 互 換 的 現 象 由 介 電 (dielectric) 理 論 可 知, 在 電 場 的 作 用 下, 介 電 質 中 帶 有 不 同 電 性 的 電 荷, 電 荷 間 會 產 生 相 對 的 位 移, 此 一 相 對 位 移 的 存 在 使 介 電 質 內 存 在 有 電 偶 極 或 雙 極, 而 使 物 質 內 存 在 有 雙 極 的 現 象 即 稱 之 為 極 化 (polarization), 極 化 量 為 微 小 磁 極 的 整 齊 一 致 的 程 度, 越 整 齊 磁 場 愈 大, 大 部 分 的 壓 電 體 材 料 依 不 同 的 需 求, 利 用 大 的 電 場 來 做 極 化, 在 運 用 上 一 個 壓 電 體 可 以 做 任 意 方 向 的 極 化 壓 電 現 象 又 可 分 為 正 逆 兩 種 效 應, 同 時 具 有 正 逆 兩 種 效 應 的 材 料 即 稱 為 壓 電 材 料 [57] 所 謂 的 正 壓 電 效 應 (direct piezoelectric effect) 為 當 機 械 負 載 施 加 於 壓 電 材 料 時, 在 施 力 處 會 伴 隨 著 產 生 電 荷, 同 時 產 生 電 位 移 隨 著 施 力 的 方 向 不 同, 電 荷 的 極 性 亦 會 隨 之 而 逆 反, 如 圖 3.16 所 示, 圖 (a) 無 受 力 ; 圖 (b) 壓 縮 ; 圖 (c) 拉 伸 而 逆 壓 電 效 應 (converse piezoelectric effect) 為 當 一 直 流 電 場 施 加 於 材 料 的 兩 端 時, 材 料 的 形 變 會 隨 著 電 場 的 大 小 而 改 變, 若 電 場 的 方 向 逆 反 時, 材 料 的 形 變 方 向 也 會 隨 著 改 變 因 此 若 施 加 交 流 電 場 時, 材 料 會 隨 著 電 場 的 正 負 做 收 縮 及 膨 脹 的 交 互 變 化,OLED 通 電 後 薄 膜 變 形 的 現 象 可 能 為 逆 壓 電 效 應, 由 電 能 ( 電 流 ) 轉 換 為 機 械 能 ( 薄 膜 變 形 ) 的 方 式 所 形 成, 如 圖 3.17 所 示 圖 (a) 收 縮 ; 圖 (b) 膨 脹 ; 圖 (c) 收 縮 及 膨 脹 的 交 互 變 化 [57] 假 設 P 為 晶 體 的 極 化 量, 現 在 有 一 應 力 σ 作 用 於 晶 體 上 使 它 產 生 一 應 變 因 應 變 的 存 在 表 示 原 子 間 會 產 生 一 相 對 位 移, 而 產 生 一 極 化 量 的 改 變 P, P = q (3.11) 其 中 q 稱 為 壓 電 常 數 (electric constant) 當 施 加 電 場 Q 於 介 電 材 料 時, 所 產 生 的 總 電 位 移 D, 可 表 示 為 : D = εq + P = ε Q + q (3.12) 上 式 中 ε 稱 為 介 電 常 數 (Dielectric constant), ε 表 示 零 應 變 時 之 介 電 常 數 對 壓 電 材 料 而 言, 電 極 化 量 可 因 應 變 產 生 以 外, 其 應 變 也 可 因 電 場 所 形 成 因 此, 因 電 場 而 作 用 在 介 電 質 裡 的 平 均 應 力 為 σ Q = qq (3.13) 而 作 用 於 介 電 質 的 總 應 力 等 於 外 加 應 力 σ 及 因 電 場 所 產 生 的 應 力 σ Q, 同 時 由 虎 克 定 律 (Hook s law) 可 知 σ = C Q qq (3.14) 上 式 C Q 稱 為 零 電 場 下 的 彈 性 常 數 (Elastic constant) (3.12) 及 (3.14) 即 稱 為 本 構 方 程 式 (constitutive equation) 壓 電 關 係 基 本 上 並 不 是 單 純 之 純 數 關 係, 而 為 一 個 有 方 向 性 的 向 量 或 張 量 關 係, 一 般 機 械 變 數 ( 應 力 及 應 變 ) 為 二 階 對 稱 張 量, 而 介 電 變 數 ( 電 場 及 電 位 移 ) 為 向 量 壓 電 參 數 表 示 機 械 變 數 與 介 電 變 數 之 間 的 關 係, 所 以 為 三 階 張 量, 彈 性 參 數 表 示 兩 個 二 階 張 量 之 關 係 故 為 四 階 張 量, 而 介 電 參 數 表 示 兩 個 向 量 的 關 係 故 為 二 階 張 量 應 力 ( 或 應 變 ) 擁 有 六 個 分 量, 三 個 正 向 及 三 個 剪 向, 而 介 電 量 則 只 有 三 個 縱 向 關 係, 如 圖 3.18 所 示 由 圖 可 知 1,2,3 分 別 表 示 直 角 座 標 15

x, y, z 的 方 向 而 4,5,6 則 表 示 其 剪 力 方 向, 其 中 4 所 表 示 為 yz 或 zy 的 剪 力,5 表 示 xz 或 zx 的 剪 力, 而 6 表 示 xy 或 yx 的 剪 力 因 此 由 方 向 性 之 故, 完 整 的 本 構 方 程 式 必 須 有 方 向 的 表 示 [57], 如 下 σ m = c q Q mn n mi Q i D i = q im m + ε Q s ij j m D mn n mi i 或 = s σ + g D m,n=1,2,3,6 Q i = g σ + β D i,j=1,2,3 (3.15) im m σ ij j 上 述 壓 電 效 應 所 造 成 薄 膜 的 變 形 或 位 移 尚 屬 推 測, 有 待 更 進 一 步 探 討 及 研 究 3.3 雷 射 位 移 計 原 理 由 雷 射 二 極 體 發 出 光 束, 待 其 照 射 受 測 物 體 的 表 面 時, 會 產 生 鏡 射 式 反 射 (Specular) 和 散 射 式 反 射 (Scattering) 二 種, 鏡 射 式 反 射 顧 名 思 義 主 要 發 生 在 如 鏡 面 的 表 面 上, 其 入 射 光 的 方 向 等 於 反 射 光 的 方 向, 另 外 一 種 散 射 式 反 射 則 發 生 在 較 粗 糙 的 工 作 表 面 上 雷 射 位 移 計 為 藉 由 鏡 射 式 和 散 射 式 兩 種 原 理, 研 發 出 鏡 射 式 和 散 射 式 雷 射 探 頭, 如 圖 3.19 所 示 其 原 理 均 為 三 角 形 量 測 系 統, 如 圖 3.20 所 示, 從 感 測 器 發 出 的 雷 射 光 束, 在 物 體 表 面 反 射 ( 鏡 射 式 ) 和 散 射 ( 散 射 式 ), 接 收 物 鏡 將 部 份 光 會 聚 於 一 點, 聚 焦 到 CCD 上, 當 目 標 位 置 改 變 時, 光 聚 集 的 角 度 也 會 改 變, 導 致 CCD 上 得 焦 點 位 置 發 生 變 化, 感 測 器 檢 測 變 化 並 量 測 目 標 的 移 動 [58] 若 目 標 物 表 面 為 不 同 物 質 其 雷 射 探 頭 之 功 率 和 發 射 時 間 也 會 不 同, 如 圖 3.21 所 示, 目 標 物 表 面 反 射 率 高, 雷 射 探 頭 會 呈 現 功 率 低 和 發 射 時 間 短 的 現 象 ; 目 標 物 表 面 反 射 率 低, 則 雷 射 探 頭 會 呈 現 功 率 高 和 發 射 時 間 長 的 現 象 本 實 驗 量 測 方 法 為 可 見 光 激 光 光 束 透 射 過 玻 璃 基 板 至 薄 膜, 若 薄 膜 變 形 慢 慢 往 下 則 雷 射 位 移 計 量 測 數 值 會 慢 慢 上 升, 反 之, 變 形 往 上 數 值 也 會 往 下, 如 圖 3.22 所 示 雷 射 位 移 計 量 測 原 理 為 由 雷 射 探 頭 發 出 雷 射 光 束, 雷 射 光 束 照 射 到 目 標 物 會 鏡 射 式 反 射 回 雷 射 頭 經 光 學 透 鏡 至 PSD(Position Sensitive Detector), 如 圖 3.23 所 示, 雷 射 光 束 射 在 PSD 上 時 會 輸 出 兩 電 流 Ι 1 和 Ι 2, 由 (3.16) 公 式 X L 2 Ι Ι 1 2 = (3.16) 1 Ι + Ι 2 可 得 X( 電 流 量 ), 電 流 量 由 主 機 內 部 程 式 轉 換 成 電 壓 量, 以 1(V) = 63.5(µm) 電 壓 量 轉 成 變 形 量, 變 形 量 會 顯 示 在 雷 射 位 移 計 的 主 機 螢 幕 上, 或 是 透 過 資 料 擷 取 系 統 紀 錄 變 形 量 在 電 腦 中 16

第 四 章 實 驗 試 片 及 裝 置 4.1 實 驗 試 片 (OLED) 本 實 驗 試 片 是 由 錸 寶 科 技 股 份 有 限 公 司 提 供, 屬 於 有 機 電 激 發 光 的 試 片, 可 分 為 藍 色 螢 光 和 綠 色 螢 光 兩 種, 規 格 都 屬 於 5 5(cm 2 ) 正 方 形 試 片, 一 片 試 片 有 八 個 可 測 量 發 光 面 積, 其 測 量 發 光 面 積 固 定 為 2 2(mm 2 ), 每 次 實 驗 僅 針 對 一 小 塊 的 發 光 面 積 進 行 量 測, 錸 寶 公 司 提 供 綠 色 螢 光 試 片 的 工 作 電 壓 為 6.0 V, 藍 色 螢 光 試 片 的 工 作 電 壓 約 為 3.0 ~ 4.5 V 如 圖 4.1 所 示, 使 用 綠 色 螢 光 試 片 發 光, OLED 試 片 的 工 作 電 壓 為 6.0 V, 如 圖 4.2 所 示, 使 用 藍 色 螢 光 試 片 發 光,OLED 試 片 的 工 作 電 壓 為 4.0 V 如 圖 4.3 所 示 為 架 設 試 片 所 需 之 設 備 :(1) 手 動 精 密 移 動 平 台 為 坦 聯 企 業 有 限 公 司 所 生 產 型 號 LC-38ZV 單 軸 手 動 精 密 移 動 平 台, 手 動 精 密 移 動 平 台 面 為 38 38 mm 最 大 上 升 高 度 為 10 mm 解 析 可 達 10 µm, 其 功 能 為 固 定 OLED 試 片, 方 便 讓 電 源 夾 夾 住 或 觸 碰 試 片 不 鬆 動, 還 可 微 調 試 片 與 雷 射 探 頭 之 距 離, 以 方 便 校 正 雷 射 探 頭 可 量 測 範 圍 ;(2) 直 流 電 源 供 應 器 由 固 緯 電 子 實 業 固 份 有 限 公 司 所 生 產 型 號 GPC-6030D 的 直 流 電 源 供 應 器, 提 供 直 流 電 讓 OLED 試 片 發 光 ;(3) 平 台 材 料 為 金 屬 鋁, 平 台 面 為 50 50 cm, 主 要 為 連 接 手 動 精 密 移 動 平 台 和 防 震 桌, 讓 手 動 精 密 移 動 平 台 架 設 在 防 震 桌 上, 目 的 是 讓 整 個 平 台 能 和 雷 射 探 頭 夾 具 在 同 一 平 面, 減 少 實 驗 誤 差 ;(4) 防 震 桌 為 匠 星 光 電 儀 器 企 業 股 份 有 限 公 司 生 產 的 第 五 代 穩 流 型 隔 離 氣 室 防 震 系 統, 內 含 進 口 高 靈 敏 度 桌 面 水 平 調 整 氣 閥, 可 有 效 隔 離 低 頻 震 動, 減 少 環 境 所 造 成 的 實 驗 誤 差 4.2 實 驗 裝 置 本 實 驗 設 備 架 構, 實 驗 裝 置 可 分 為 量 測 發 光 輝 度 系 統 和 量 測 薄 膜 變 形 系 統, 當 OLED 試 片 通 電 後,OLED 薄 膜 除 了 會 發 光 外, 亦 會 產 生 變 形, 如 圖 4.4 所 示, 量 測 發 光 輝 度 系 統 之 分 光 光 譜 儀 可 量 取 OLED 試 片 發 光 區 域 的 輝 度, 量 測 薄 膜 變 形 系 統 之 雷 射 位 移 計 所 附 的 雷 射 探 頭 可 發 出 雷 射 光 量 取 OLED 薄 膜 的 變 形 量 裝 置 分 述 於 下 : 4.2.1 量 測 發 光 輝 度 系 統 本 系 統 可 自 動 連 續 量 測 OLED 試 片 發 光 區 域, 使 用 程 式 來 控 制 分 光 光 譜 儀 量 測 輝 度 值, 並 將 實 驗 資 料 自 動 記 錄 到 程 式 儲 存 夾 中 量 測 發 光 輝 度 系 統, 如 圖 4.5 所 示, 主 要 設 備 如 下 : (1) 分 光 光 譜 儀 17

由 日 本 MINOLTA 公 司 製 造 生 產, 型 號 為 CS-1000A, 此 功 能 為 可 高 速 量 測 和 穩 定 測 量 低 輝 度 物 體 ; 可 測 量 種 類 為 CRT LCD 有 機 EL OLED 等 各 類 顯 示 裝 置 或 非 接 觸 測 量 反 射 物 體 ; 量 測 面 積 最 小 可 至 φ0.45 mm, 最 小 角 度 可 到 0.14 ; 測 試 資 料 可 顯 示 在 液 晶 螢 幕 上, 也 可 外 接 軟 體 使 用 CS-1000A 架 設 在 油 壓 雲 台 上, 實 驗 時 油 壓 雲 台 能 完 全 固 定 分 光 光 譜 儀,RS232 傳 輸 線 連 接 分 光 光 譜 儀 和 電 腦, 使 測 量 資 料 傳 送 至 CS-S1w 程 式 進 行 記 錄 與 儲 存 分 光 光 譜 儀 所 測 得 數 值 為 輝 度 值, 輝 度 係 指 光 源 體 在 某 一 方 向 上, 每 單 位 投 影 面 積 所 發 出 的 光 度, 輝 度 是 用 來 評 估 光 源 或 發 光 點 之 光 亮 與 刺 眼 程 度, 光 度 起 高 的 光 源 產 生 的 輝 度 也 越 高, 眼 睛 感 覺 越 刺 眼, 輝 度 (luminance) 單 位 :Nit = cd / m2, 表 示 每 平 方 公 尺 上 燭 光 數,cd 為 燭 光 (2)CS-S1w CS-S1w 為 控 制 分 光 光 譜 儀 之 程 式, 其 功 能 包 含 簡 單 測 量 (F5) 間 隔 測 量 和 平 均 測 量, 在 資 料 處 理 方 面, 每 個 檔 案 能 儲 存 500 筆 資 料, 每 筆 資 料 詳 細 地 顯 示 在 資 料 清 單 中, 如 圖 4.6 所 示, 可 從 清 單 中 選 擇 想 要 的 資 料 進 行 分 析, 而 實 驗 資 料 可 以 傳 輸 至 Excel, 如 圖 4.7 所 示, 以 方 便 實 驗 分 析, 如 圖 4.8 為 CS-S1w 程 式 連 續 間 隔 量 測 發 光 輝 度 (3) 三 腳 架 油 壓 雲 台 與 不 斷 電 系 統 三 腳 架 為 巨 成 股 份 有 限 公 司 生 產, 型 號 JUY-504, 可 載 重 15 公 斤, 油 壓 雲 台 由 Manfrotto 公 司 製 造, 型 號 Manfrotto 501, 可 載 重 6 公 斤, 其 功 能 為 讓 分 光 光 譜 儀 架 設 在 油 壓 雲 台 上, 油 壓 雲 台 可 做 X Y 方 向 的 調 整, 三 腳 架 可 做 Z 方 向 調 整 不 斷 電 系 統 由 飛 瑞 股 份 有 限 公 司 所 製 造, 型 號 為 UPS C-1000, 不 斷 電 系 統 連 接 電 腦 主 機 量 測 變 形 主 機 分 光 分 譜 儀 電 源 供 應 器 可 提 供 穩 定 電 壓 和 防 止 跳 電 的 功 能 4.2.2 量 測 薄 膜 變 形 系 統 包 含 雷 射 位 移 計 和 資 料 擷 取 裝 置, 本 系 統 可 自 動 連 續 量 測, 由 雷 射 位 移 計 量 測 OLED 薄 膜 變 形 量, 變 形 量 可 顯 示 在 主 機 的 液 晶 螢 幕 上 或 以 資 料 擷 取 裝 置 來 擷 取 資 料 到 電 腦 進 行 儲 存 其 設 備 分 述 如 下 : (1) 雷 射 位 移 計 由 美 國 MTI 公 司 所 製 造, 型 號 為 Microtrak 7000, 包 含 主 機 雷 射 探 頭 (MT-100-20) 雷 射 探 頭 夾 具 如 圖 4.9 所 示 主 機 規 格 為 分 辨 率 2.5 10-3 µm 取 樣 頻 率 100 khz 及 反 應 頻 率 20 khz, 其 本 身 有 加 裝 穩 壓 功 能, 所 以 資 料 不 受 電 壓 不 穩 定 影 響, 主 機 上 有 液 晶 螢 幕 顯 示 資 料, 操 作 面 板 可 設 置 上 下 限 歸 零 平 均 數 單 位 切 換 等 功 能, 一 臺 主 機 可 同 時 接 二 個 雷 射 探 頭 可 依 需 求 換 雷 射 探 頭 無 需 再 校 正 雷 射 探 頭 為 非 接 觸 式 位 移 感 測 計 ( 三 角 雷 射 位 移 感 測 計 ), 其 雷 射 探 頭 可 發 出 可 見 光 激 光 光 束 來 調 整 量 測 位 置, 雷 射 探 頭 規 格 如 下 : 探 頭 離 可 量 測 範 圍 距 離 (stand-off) 25.4 mm 可 量 測 範 圍 (range) 0.51 mm 解 析 度 (resolution) 18

12.7 10-3 µm, 如 圖 4.10 所 示 雷 射 探 頭 夾 具 主 要 固 定 雷 射 探 頭 和 調 整 雷 射 探 頭 和 試 片 之 距 離, 夾 具 架 設 在 防 振 桌 上 與 手 動 精 密 平 台 同 一 水 平 面, 避 免 外 界 的 干 擾 而 減 少 實 驗 數 據 誤 差 (2) 資 料 擷 取 裝 置 為 美 國 GM 公 司 所 設 計 生 產, 包 含 16 頻 道 資 料 擷 取 盒 (inet-100) 資 料 擷 取 卡 (inet-200) 擷 取 程 式 (instrunet World) 類 比 輸 出 訊 號 線 (BNC 接 頭 ) 使 用 類 比 訊 號 線 連 接 主 機 至 16 頻 道 資 料 擷 取 盒 第 一 頻 道 GND( 黑 線 ) - VIN + ( 紅 線 ), 再 連 接 至 電 腦 資 料 擷 取 卡, 主 機 讀 取 數 據 以 電 壓 方 式 傳 輸 到 16 頻 道 資 料 擷 取 盒 轉 成 數 位 傳 輸 至 擷 取 程 式 中 以 示 波 圖 顯 示 資 料 如 圖 4.11 所 示 資 料 擷 取 裝 置 最 快 取 樣 速 度 可 達 100 MS/s, 以 數 位 方 式 傳 輸 資 料, 每 一 頻 道 訊 號 皆 在 資 料 擷 取 盒 內 數 位 化, 可 降 低 電 腦 及 環 境 雜 訊 的 干 擾, 資 料 擷 取 裝 置 可 延 伸 至 1000 英 呎, 因 此 整 個 系 統 控 管 範 圍 較 大, 每 一 類 比 訊 號 讀 入 頻 道 皆 有 單 獨 的 放 大 器, 微 量 訊 號 擷 取 不 必 再 連 接 其 它 放 大 器, 可 以 減 少 所 佔 的 空 間, 提 供 光 電 藕 合 絕 緣 器, 避 免 所 提 供 之 電 源 不 穩 定, 造 成 設 備 的 損 害 instrunet World 是 可 控 制 16 頻 道 資 料 擷 取 盒 和 資 料 擷 取 卡 之 程 式, 提 供 含 有 長 條 圖 及 示 波 圖 顯 示 之 記 錄 軟 體, 且 每 一 頻 道 可 提 供 獨 立 設 定 參 數, 設 定 參 數 分 為 內 部 設 定 : 頻 道 單 位 電 壓 位 移 轉 換 濾 波 參 數, 如 圖 4.12 所 示 ; 儲 存 設 定 : 每 秒 掃 瞄 點 數 儲 存 資 料 形 式, 如 圖 4.13 所 示 19

第 五 章 實 驗 程 序 5.1 短 期 測 試 實 驗 本 實 驗 針 對 藍 色 螢 光 試 片 不 同 的 工 作 電 壓, 進 行 初 步 薄 膜 變 形 和 發 光 輝 度 的 探 討, 最 後 選 取 適 合 長 期 的 工 作 電 壓, 本 實 驗 選 用 五 片 不 同 的 試 片, 如 圖 5.1 所 示 為 實 驗 之 程 序, 其 實 驗 步 驟 說 明 如 下 : (1) 架 設 OLED 試 片 將 OLED 試 片 黏 貼 在 手 動 精 密 移 動 平 台 上, 接 著 微 調 手 動 精 密 移 動 平 台 使 電 源 夾 頭 夾 持 試 片 正 負 兩 極 ( 較 密 為 正 極 ), 開 啟 電 源 供 應 器, 測 試 OLED 試 片 是 否 發 光, 若 OLED 試 片 不 發 光, 檢 查 試 片 是 否 有 白 點 ( 發 光 區 域 損 壞, 無 法 點 亮 ) 或 是 電 源 夾 未 觸 碰 試 片 的 電 極 (2) 調 整 量 測 變 形 系 統 開 啟 雷 射 位 移 計 主 機, 選 擇 OLED 試 片 中 一 小 塊 發 光 區 域, 將 雷 射 光 束 照 在 試 片 中 心 點, 然 後 調 整 雷 射 探 頭 與 試 片 距 離 約 25.4 mm 左 右, 可 量 測 範 圍 必 須 在 0.51 mm 內, 一 直 到 主 機 顯 示 器 出 現 讀 數 為 止, 再 微 調 雷 射 探 頭 與 試 片 距 離, 使 讀 數 在 可 量 測 試 片 薄 膜 之 範 圍 內, 將 薄 膜 可 量 測 範 圍 之 中 間 值 重 設 為 零 以 方 便 量 測 (3) 調 整 量 測 輝 度 系 統 調 整 分 光 光 譜 儀, 將 分 光 光 譜 儀 的 物 鏡 中 心 點 ( 黑 點 ) 去 校 正 到 OLED 試 片 發 光 之 中 心 點 後, 分 光 光 譜 儀 之 鏡 頭 會 自 動 對 焦 至 試 片 發 光 區 域, 最 後 用 油 壓 雲 台 固 定 角 度 (4) 設 定 電 壓 與 時 間 開 啟 電 源 供 應 器, 設 定 OLED 試 片 工 作 電 壓 和 量 測 OLED 試 片 時 間 間 隔, 每 10 分 鐘 增 加 一 次 工 作 電 壓 0.5 V (5) 啟 動 系 統 將 量 測 變 形 系 統 和 量 測 輝 度 系 統 同 時 啟 動, 以 量 測 薄 膜 變 形 量 及 薄 膜 發 光 輝 度 值 (6) 試 片 溫 度 量 測 對 試 片 進 行 溫 度 量 測 (7) 資 料 輸 入 EXCEL 將 量 雷 射 位 移 計 的 主 機 螢 幕 上 薄 膜 變 形 量 分 光 光 譜 儀 螢 幕 上 薄 膜 發 光 輝 度 值 溫 度 及 時 間 資 料 輸 入 至 EXCEL 中, 以 XY 分 佈 圖 形 來 進 行 分 析 判 讀 5.2 長 期 測 試 實 驗 20

使 用 藍 光 試 片 工 作 電 壓 為 4.0 V 和 綠 光 試 片 工 作 電 壓 為 6.0 V, 以 不 同 的 試 片 作 長 時 間 的 量 測, 找 出 變 形 量 與 輝 度 值 的 相 關 性 長 期 測 試 的 實 驗 步 驟 與 短 期 實 驗 差 不 多, 長 期 實 驗 差 別 於 使 用 資 料 擷 取 系 統 和 CS-S1w 程 式, 以 連 續 紀 錄 實 驗 數 據, 如 圖 5.2 所 示 為 實 驗 之 程 序 21

第 六 章 結 果 與 討 論 6.1 實 驗 設 備 的 選 用 及 架 設 本 研 究 屬 於 開 創 性 之 研 究, 實 驗 設 備 需 自 行 設 計 組 立, 故 有 必 要 對 實 驗 設 備 的 選 用 及 架 設 進 行 討 論 於 下 : 6.1.1 雷 射 位 移 計 的 選 用 雷 射 位 移 計 的 選 用, 花 費 相 當 長 的 時 間 進 行 測 試, 因 薄 膜 的 變 形 非 常 微 小, 需 非 常 精 密 的 雷 射 位 移 計 方 可 量 出 其 細 微 變 化, 此 外 雷 射 在 照 射 OLED 薄 膜 時 需 充 足 的 反 射 率, 在 市 面 上 位 移 感 測 計 種 類 繁 多, 大 致 可 分 類 為 感 應 式 位 移 感 測 計 和 非 接 觸 位 移 感 測 計, 本 實 驗 以 透 射 方 式 量 測 OLED 試 片 薄 膜 變 形, 所 以 選 用 非 接 觸 位 移 感 測 計, 本 實 驗 曾 選 用 四 種 不 同 的 雷 射 位 移 計 進 行 OLED 試 片 之 薄 膜 變 形 量 測 測 試, 分 別 介 紹 於 下 : (1)GLORY 雷 射 位 移 計 GLORY 雷 射 位 移 計 由 美 國 GLORY 公 司 所 製 造, 其 系 統 包 含 雷 射 探 頭 (PDS-P50) 訊 號 轉 換 器 資 料 傳 輸 線 16 頻 道 資 料 擷 取 盒 (inet-100) 資 料 擷 取 卡 (inet-200) 擷 取 程 式 (instrunet World) 所 組 成, 如 圖 6.1 所 示,PDS-P50 規 格 為 雷 射 探 頭 離 可 量 測 範 圍 距 離 (stand-off) 25.0 mm 可 量 測 範 圍 (range) ± 5.0 mm 解 析 度 (resolution) 3.0 µm, 以 1(V) = 4000(µm) 電 壓 量 轉 成 變 形 量 此 雷 射 位 移 計 的 主 機 是 附 在 雷 射 探 頭 上, 所 以 雷 射 探 頭 的 12.0 V 電 源 來 自 inet-100, 訊 號 轉 換 器 連 接 雷 射 探 頭 和 inet-100 作 為 轉 換 和 放 大 訊 號 的 功 能,iNet-100 以 資 料 傳 輸 線 連 接 至 電 腦 的 資 料 擷 取 卡, 雷 射 探 頭 讀 取 數 據 後 以 電 壓 方 式 傳 輸 到 inet-100 轉 成 數 位 傳 輸 至 instrunet World 中 以 示 波 圖 顯 示 數 據 當 使 用 GLORY 雷 射 位 移 計 量 測 OLED 試 片, 當 雷 射 探 頭 發 出 雷 射 光 束 以 透 射 玻 璃 基 版 至 薄 膜 時, 發 現 雷 射 光 束 在 對 OLED 薄 膜 無 法 聚 焦 反 射, 而 散 射 至 其 他 方 向, 使 雷 射 探 頭 無 法 正 常 接 收 反 射 回 來 之 雷 射 光 束, 加 上 此 雷 射 位 移 計 解 析 率 為 3.0 µm, 不 符 合 實 驗 的 精 確 度, 因 此 GLORY 雷 射 位 移 計 無 法 量 測 OLED 薄 膜 變 形 (2)LC-2400A 系 列 雷 射 位 移 計 LC-2400A 系 列 雷 射 位 移 系 統 為 keyence 公 司 所 生 產, 包 含 主 機 雷 射 探 頭 (LC-2420) 和 資 料 傳 輸 線, 如 圖 6.2 所 示 主 機 解 析 度 為 0.01 µm 和 50 KHz 取 樣 率,LC-2420 規 格 為 雷 射 探 頭 離 可 量 測 範 圍 距 離 (stand-off) 10.0 mm 可 量 測 範 圍 (range) ± 0.2 mm 解 析 度 0.32 µm, 雷 射 探 頭 讀 取 數 據 後 藉 由 資 料 傳 輸 線 以 電 壓 方 式 傳 輸 到 主 機, 經 由 主 機 內 部 程 式 以 電 壓 轉 換 為 變 形 量 後, 顯 示 在 主 機 螢 幕 上 使 用 LC-2400A 系 列 雷 射 位 移 計 量 測 OLED 試 片, 當 雷 射 探 頭 發 出 雷 射 光 束 以 透 射 玻 璃 基 版 至 薄 膜 時, 發 現 雷 射 探 頭 能 正 常 接 收 反 射 回 來 之 雷 射 光 22

束, 但 是 還 是 無 法 量 測 薄 膜 變 形, 推 測 原 因 為 主 機 雷 射 功 率 不 足, 雷 射 光 反 射 光 強 度 不 夠 導 致 無 法 量 測 薄 膜 變 形, 推 論 此 雷 射 位 移 計 屬 於 散 射 式, 因 此 LC-2400A 系 列 雷 射 位 移 計 不 適 用 於 本 實 驗 (3)Microtrak 7000 雷 射 位 移 計 ( 散 射 式 雷 射 探 頭 ) 由 美 國 MTI 公 司 所 製 造, 型 號 為 Microtrak 7000, 包 含 主 機 和 雷 射 探 頭 (MT-250-200), 如 圖 6.3 所 示, 主 機 規 格 為 解 析 度 2.5 10-3 µm 取 樣 頻 率 100 khz 及 反 應 頻 率 20 khz,mt-250-200 是 屬 於 散 射 式 雷 射 探 頭, 其 規 格 如 下 : 探 頭 離 可 量 測 範 圍 距 離 (stand-off) 63.5 mm 可 量 測 範 圍 (range) 5.1 mm 解 析 率 (resolution) 0.127 µm, 雷 射 探 頭 讀 取 數 據 後 藉 由 資 料 傳 輸 線 以 電 壓 方 式 傳 輸 到 主 機, 經 由 主 機 內 部 程 式 以 電 壓 轉 換 為 變 形 量 後, 顯 示 在 主 機 螢 幕 上 使 用 Microtrak 7000 雷 射 位 移 計 ( 雷 射 探 頭 為 MT-250-200) 量 測 OLED 試 片, 當 雷 射 探 頭 發 出 雷 射 光 束 以 透 射 玻 璃 基 版 至 薄 膜 時, 發 現 與 GLORY 雷 射 位 移 計 情 況 一 樣, 雷 射 光 散 射 至 其 他 方 向, 使 雷 射 探 頭 無 法 正 常 接 收 反 射 回 來 之 雷 射 光 束, 因 此 散 射 式 雷 射 探 頭 無 法 量 測 OLED 試 片, 由 此 得 知 本 實 驗 OLED 試 片 之 薄 膜 不 屬 於 粗 糙 的 表 面 (4)Microtrak 7000 雷 射 位 移 計 ( 鏡 射 式 雷 射 探 頭 ) 使 用 Microtrak 7000 雷 射 位 移 計 量 測 ( 雷 射 探 頭 為 MT-100-20)OLED 試 片, 如 圖 6.4 所 示, 當 雷 射 探 頭 發 出 雷 射 光 束 以 透 射 玻 璃 基 版 至 薄 膜 時, 發 現 雷 射 探 頭 能 正 常 接 收 反 射 回 來 之 雷 射 光 束, 且 其 鏡 射 式 雷 射 探 頭 可 量 測 範 圍 為 0.51 mm 解 析 度 可 達 12.7 10-3 µm, 測 量 範 圍 夠 大 和 解 析 率 夠 小 符 合 本 實 驗 需 求, 故 本 實 驗 決 定 選 用 Microtrak 7000 雷 射 位 移 計 ( 鏡 射 式 雷 射 探 頭 ) 來 進 行 量 測 OLED 試 片 之 薄 膜 變 形, 由 此 可 知 本 實 驗 OLED 試 片 的 薄 膜 較 屬 於 鏡 面 的 表 面 本 文 定 義 變 形 量 差 值 為 在 某 情 況 時, 變 形 量 初 值 與 某 情 況 的 變 形 量 之 差 距 值 ; 總 變 形 量 差 值 為 變 形 量 最 大 和 最 小 值 之 差 距, 輝 度 值 衰 減 度 為 輝 度 值 的 最 大 與 最 小 之 差 距 值 6.1.2 實 驗 試 片 的 架 設 OLED 試 片 架 設 方 法 為 將 試 片 黏 貼 在 手 動 精 密 移 動 平 台 上, 如 圖 6.5 所 示, 因 在 實 驗 過 程 中, 稍 微 的 碰 觸 就 會 造 成 1.0 至 2.0 mm 位 移, 此 位 移 量 遠 超 過 薄 膜 變 形 量, 嚴 重 影 響 到 以 後 薄 膜 變 形 量 之 量 測 精 準 度, 雷 射 探 頭 上 有 分 離 卡, 可 調 整 雷 射 頭 和 試 片 之 距 離, 但 在 調 整 分 離 卡 時, 會 造 成 雷 射 光 束 照 射 偏 離 測 量 區 域, 影 響 雷 射 光 的 反 射 率, 所 以 選 用 手 動 精 密 移 動 平 台 來 微 調 雷 射 探 頭 與 試 片 之 距 離, 手 動 精 密 移 動 平 台 架 設 金 屬 鋁 的 平 台 上, 此 整 個 平 台 又 架 設 在 防 震 桌 上, 目 的 是 讓 整 個 平 台 能 和 雷 射 探 頭 夾 具 在 同 一 平 面, 減 少 實 驗 誤 差, 防 震 桌 可 有 效 隔 離 低 頻 震 動, 減 少 環 境 所 造 成 的 實 驗 誤 差 在 OLED 試 片 沒 有 通 電 時, 使 用 Microtrak 7000 雷 射 位 移 計 系 統 對 此 架 設 進 行 穩 定 度 測 試, 實 驗 共 進 行 兩 次 每 次 歷 時 225 min, 實 驗 編 號 為 NO.1 ~ NO.2, 如 圖 6.6 所 示,NO.1 實 驗 的 最 大 變 形 量 為 0.78 µm 左 右, 最 小 值 大 約 為 -0.02 µm, 總 變 形 量 差 值 大 約 0.80 µm, 23

NO.2 實 驗 的 最 大 變 形 量 為 0.42 µm, 最 小 值 大 約 為 -0.25 µm, 總 變 形 量 差 值 大 約 0.67 µm,no.1 實 驗 和 NO.2 實 驗 的 變 形 量 差 值 不 到 1.0 µm, 遠 低 於 實 驗 實 際 薄 膜 的 變 形 量, 此 架 設 方 法 的 穩 定 度 符 合 要 求 6.2 實 驗 結 果 本 研 究 的 實 驗 耗 時 長 久, 故 無 法 進 行 太 多 實 驗, 最 後 共 進 行 17 次 輝 度 及 變 形 實 驗 ( 包 含 試 片 架 設 測 試 ), 各 項 實 驗 目 的 如 表 6.1 所 示 在 進 行 輝 度 量 測 時, 會 對 各 個 試 片 進 行 熱 測 試, 即 將 OLED 試 片 通 電 約 一 小 時, 用 遠 紅 外 線 溫 度 計 測 OLED 發 光 區 域 的 溫 度, 如 表 6.2 所 示,NO.3 ~ NO.7 實 驗 的 實 驗 室 室 溫 均 為 當 時 室 溫 27.0,NO.3 ~ NO.7 實 驗 發 覺 溫 度 升 高 或 下 降 0.5 至 1.0, 顯 然 溫 度 變 化 不 大, 熱 的 影 響 應 不 大 6.2.1 長 期 工 作 電 壓 的 選 取 錸 寶 公 司 所 提 供 藍 色 螢 光 試 片 的 工 作 電 壓 約 為 3.0 ~ 4.5 V, 短 期 測 試 實 驗 的 目 的 在 找 出 藍 光 試 片 適 合 長 期 實 驗 的 工 作 電 壓, 在 相 同 電 壓 的 條 件 下 對 試 片 的 發 光 輝 度 與 薄 膜 變 形 量 同 時 進 行 實 驗 實 驗 共 使 用 五 片 試 片 每 次 歷 時 40 分 鐘 左 右, 實 驗 編 號 為 NO.3 ~ NO.7 如 圖 6.7 所 示,NO.3 ~ NO.7 實 驗 的 藍 光 試 片 上 一 塊 發 光 面 積 所 發 光 的 輝 度 值, 皆 隨 電 壓 增 大 而 遞 增, 在 0 ~ 4.0 V,NO.3 ~ NO.7 實 驗 輝 度 值 的 斜 率 逐 漸 昇 高, 4.0 V 後 輝 度 值 的 斜 率 繼 續 上 升, 在 電 壓 4.5 V 時,NO.3 ~ NO.7 的 輝 度 值 都 為 最 大 值, 表 示 越 大 電 壓 能 使 發 光 區 域 輝 度 值 越 高 如 圖 6.8 所 示,NO.3 ~ NO.7 實 驗 的 藍 光 試 片 上 薄 膜 變 形 量 皆 隨 電 壓 增 大 而 遞 增, 在 電 壓 4.5 V 時,NO.3 ~ NO.7 實 驗 的 變 形 量 差 值 都 為 最 大 值, 表 示 越 大 電 壓 能 使 有 機 薄 膜 變 形 量 差 值 越 大 長 期 工 作 電 壓 的 選 取 中, 由 圖 6.7 和 圖 6.8 所 示, 電 壓 在 4.5 V 時, 藍 光 試 片 的 薄 膜 變 形 量 差 值 和 發 光 輝 度 為 最 大 值 最 易 檢 測, 因 此 初 步 選 定 4.5 V 為 長 期 實 驗 的 工 作 電 壓, 但 4.5 V 的 工 作 電 壓 經 實 驗 測 試 後, 如 圖 6.9 所 示,NO.8 實 驗 的 輝 度 值 從 1242 Nit 開 始 逐 漸 下 降 至 329 Nit, 在 時 間 4500 min 後, 輝 度 值 突 然 降 為 零, 表 示 試 片 發 光 區 域 沒 有 在 發 光,4510 min 的 發 光 壽 命 過 於 短, 故 4.5 V 不 適 合 做 為 長 時 間 藍 色 試 片 的 工 作 電 壓, 為 確 認 4.5 V 是 否 適 合 長 時 間 藍 色 試 片 的 工 作 電 壓 進 行 實 驗 NO.9, 設 定 工 作 電 壓 為 5.0 V, 如 圖 6.10 所 示, 在 240 min 之 後, 試 片 就 會 熄 滅, 不 在 發 光, 故 確 定 4.5 V 工 作 電 壓 過 高, 不 適 合 做 為 長 時 間 實 驗 的 工 作 電 壓, 然 後 改 採 4.0 V 為 工 作 電 壓, 進 行 NO.10 實 驗, 如 圖 6.11 所 示, 實 驗 的 一 開 始 輝 度 值 從 534 Nit 隨 時 間 增 加 而 慢 慢 遞 減, 在 5000 min 時, 輝 度 值 約 為 149 Nit, 故 工 作 電 壓 4.0 V 的 發 光 輝 度 值 在 長 時 間 實 驗 之 下, 輝 度 值 隨 時 間 增 加 而 遞 減, 有 符 合 一 般 期 待, 而 不 會 在 某 個 輝 度 值 時, 發 光 區 域 瞬 間 熄 滅, 電 壓 4.0 V 為 藍 光 試 片 長 時 間 量 測 之 最 佳 工 作 電 壓 24

6.2.2 長 期 實 驗 本 實 驗 主 要 以 藍 光 試 片 和 綠 光 試 片 作 長 期 測 試 實 驗, 進 行 薄 膜 變 形 量 差 值 與 輝 度 值 衰 減 度 相 關 性 之 探 討, 藍 光 實 驗 選 用 兩 片 不 同 的 試 片, 共 進 行 兩 次 每 次 歷 時 7000 min 左 右, 實 驗 編 號 為 NO.11 和 NO.12; 綠 光 實 驗 選 用 同 片 但 不 同 發 光 區 域 的 綠 光 試 片, 共 進 行 兩 次 每 次 歷 時 75 hour 左 右, 實 驗 編 號 為 NO.13 和 NO.14 如 圖 6.12 所 示, 藍 光 試 片 發 光 面 積 所 發 光 的 輝 度 値, 皆 隨 時 間 而 遞 減, 符 合 一 般 的 期 待,NO.11 實 驗 的 發 光 區 輝 度 值 ㄧ 開 始 是 從 383 Nit 逐 漸 往 下 遞 減,NO.12 實 驗 的 發 光 區 輝 度 ㄧ 開 始 是 從 323 Nit 慢 慢 往 下 降, 直 到 6000 min 後,NO.11 有 ㄧ 段 急 遽 下 降, 而 NO.12 實 驗 保 持 平 穩 往 下 降 從 輝 度 值 對 時 間 的 圖 形 中,NO.11 實 驗 的 輝 度 值 衰 減 度 大 約 304 Nit 左 右,NO.12 實 驗 的 輝 度 值 衰 減 度 大 約 230 Nit 左 右, 顯 然 NO.11 實 驗 的 發 光 區 亮 度 衰 減 比 NO.12 實 驗 的 發 光 區 域 亮 度 衰 減 大 圖 6.13 是 兩 片 藍 光 試 片 發 光 區 域 薄 膜 變 形 量 與 時 間 關 係 圖, 如 圖 所 示,NO.11 和 NO.12 實 驗 的 發 光 區 域 通 電 後 薄 膜 往 下 膨 脹, 故 變 形 量 皆 為 正 值 NO.11 實 驗 的 變 形 量 開 始 就 急 遽 上 升 至 14.0 µm 後, 就 小 幅 上 升, 至 18.0 µm 後, 變 形 量 再 急 遽 上 升 至 35.0 µm 後, 上 升 斜 率 都 保 持 緩 和, 一 路 上 升 到 37.0 µm, 變 形 量 第 三 度 急 遽 升 高 至 52.0 µm 後, 變 形 量 就 小 幅 下 降, 至 6000 min 後, 變 形 量 第 四 度 急 遽 上 升 至 終 點, 達 80.0 µm 左 右 NO.12 實 驗 的 變 形 量 開 始 就 急 遽 上 升 至 25.0 µm 後, 就 小 幅 上 下 振 盪 遞 增 至 最 後 35.0 µm 從 發 光 區 薄 膜 變 形 量 對 時 間 圖 形 中, 變 形 量 差 值 最 大 為 NO.11 實 驗, 大 約 80.0 µm 左 右,NO.12 實 驗 的 變 形 量 差 值 約 為 35.0 µm 左 右 接 著 討 論 輝 度 值 與 變 形 量 間 的 關 係, 從 圖 6.12 和 圖 6.13 進 行 比 較, 可 看 出 NO.11 實 驗 的 輝 度 值 衰 減 越 大 而 其 變 形 量 也 越 大 ;NO.12 實 驗 的 輝 度 值 衰 減 較 小 而 其 變 形 量 也 較 小 NO.11 實 驗 的 發 光 區 輝 度 值 衰 減 度 最 大, 約 為 304 Nit, 而 NO.12 實 驗 的 發 光 區 輝 度 值 衰 減 度 較 小, 約 為 230 Nit, 變 形 量 差 值 最 大 為 NO.11 實 驗, 大 約 為 80.0 µm,no.12 實 驗 較 小, 大 約 為 35.0 µm, 由 此 可 得 NO.12 發 光 區 的 輝 度 整 體 上 要 較 NO.11 發 光 區 的 輝 度 表 現 佳, 而 NO.12 發 光 區 的 薄 膜 變 形 量 整 體 表 現 上 比 NO.11 發 光 區 薄 膜 要 穩 定 如 圖 6.14 所 示, 綠 光 試 片 上 兩 塊 發 光 面 積 所 發 光 的 輝 度 値, 皆 隨 時 間 而 遞 減, 符 合 一 般 的 常 理 NO.13 實 驗 的 發 光 區 輝 度 ㄧ 開 始 是 從 831 Nit 急 遽 下 降 至 774 Nit, 其 後 輝 度 值 逐 漸 往 下 遞 減, 在 53 hour 後, 輝 度 值 急 遽 下 降 至 終 點, 可 到 達 565 Nit;NO.14 實 驗 的 發 光 區 輝 度 ㄧ 開 始 則 是 從 1060 Nit 往 下 降 至 738 Nit, 在 9.5 hour 時, 突 然 輝 度 值 上 升 可 達 816 Nit, 其 後 輝 度 值 逐 漸 往 下 遞 減 至 最 後, 可 達 578 Nit 在 30 hour 前,NO.14 實 驗 的 發 光 區 輝 度 值 都 較 NO.13 實 驗 的 發 光 區 來 得 高, 30 hour 後, 二 者 之 輝 度 值 就 差 距 不 大, 但 顯 然 在 30 hour 前 NO.14 實 驗 的 發 光 區 亮 度 是 要 較 NO.13 實 驗 的 發 光 區 要 高 圖 6.15 是 綠 光 試 片 上 的 兩 塊 發 光 區 薄 膜 的 變 形 與 時 間 關 係 圖, 如 圖 所 示,NO.13 和 NO.14 實 驗 的 發 光 區 域 薄 膜 通 電 後 都 往 下 膨 脹, 故 變 形 量 皆 為 正 值 NO.13 實 驗 的 變 形 量 開 始 就 急 遽 上 升 至 18.0 µm 後, 25

就 小 幅 向 下 振 盪, 變 化 振 幅 ㄧ 直 保 持 不 大, 直 到 54 hour, 變 形 量 突 然 再 急 遽 增 加, 最 高 可 達 40.0 µm 左 右 ;NO.14 實 驗 的 變 形 量 一 開 始 則 急 遽 上 升 至 38.2 µm 後, 在 9.5 hour 時, 變 形 量 有 下 降 至 37.5 µm 後, 上 升 斜 率 就 保 持 和 緩,ㄧ 路 上 升 至 終 點, 達 47.8 µm 左 右 NO.13 實 驗 的 總 變 形 量 差 值 為 40.0 µm 左 右,NO.14 實 驗 的 總 變 形 量 差 值 47.8 µm 左 右, 二 者 實 驗 共 通 處 為 第 一 波 變 形 量 急 升 後, 變 形 幅 度 趨 和 緩,NO.13 實 驗 至 54 hour 時 變 形 量 二 度 急 遽 升 高,NO.14 實 驗 的 變 形 量 則 ㄧ 路 保 持 緩 升 的 態 勢 接 著 討 論 輝 度 與 變 形 量 間 的 關 係, 從 圖 6.14 和 圖 6.15 進 行 比 較, 可 看 出 NO.13 實 驗 的 輝 度 值 衰 減 較 小 而 其 變 形 量 也 較 小 ;NO.14 實 驗 的 輝 度 值 衰 減 越 大 而 其 變 形 量 也 越 大 NO.13 實 驗 在 0 ~ 4 hour 53 ~ 75 hour 與 NO.14 實 驗 在 0 ~ 5 hour 時, 輝 度 值 急 遽 下 降 而 變 形 量 也 急 遽 上 升 ;NO.14 實 驗 在 9.5 hour 時, 輝 度 值 有 明 顯 上 升 而 變 形 量 有 明 顯 下 降, 此 四 個 時 間 範 圍 可 得 知, 輝 度 值 與 變 形 量 有 密 切 的 關 係 NO.13 實 驗 的 輝 度 值 衰 減 度 大 約 266 Nit, 總 變 形 量 差 值 為 40.0 µm;no.14 實 驗 的 輝 度 值 衰 減 度 大 約 482 Nit, 總 變 形 量 差 值 47.8 µm, 顯 然 NO.14 實 驗 的 發 光 區 亮 度 衰 減 比 NO.13 實 驗 的 發 光 區 域 亮 度 衰 減 大, 而 NO.14 實 驗 的 發 光 區 的 薄 膜 變 形 量 差 值 比 NO.13 實 驗 的 發 光 區 域 薄 膜 的 變 形 量 差 值 要 較 大,NO.13 實 驗 的 發 光 區 的 輝 度 整 體 上 要 較 NO.14 實 驗 的 發 光 區 的 輝 度 表 現 佳, 而 NO.13 實 驗 的 發 光 區 薄 膜 變 形 量 整 體 表 現 上 也 比 較 NO.14 實 驗 要 穩 定 在 NO.11 NO.12 與 NO.13 NO.14 實 驗 中, 發 光 區 域 輝 度 值 衰 減 度 越 小, 薄 膜 總 變 形 量 差 值 也 越 小, 反 之, 薄 膜 變 動 量 越 大, 發 光 區 域 亮 度 衰 減 越 快, 總 變 形 量 差 值 越 小 表 示 薄 膜 較 穩 定, 發 光 區 域 亮 度 衰 減 慢, 其 試 片 壽 命 也 越 高 6.2.3 發 光 區 域 熄 滅 在 長 期 測 試 實 驗 中 有 些 藍 光 試 片 的 發 光 區 域, 在 工 作 電 壓 4.0 V 時, 會 在 某 個 輝 度 值 時, 發 光 區 域 瞬 間 熄 滅, 所 以 針 對 此 熄 滅 的 發 光 區 域 進 行 探 討, 找 出 熄 滅 的 過 程 中 薄 膜 有 何 變 化, 並 討 論 變 形 量 差 值 與 輝 度 值 衰 減 度, 實 驗 中 發 現 有 三 試 片 發 生 此 種 狀 況, 實 驗 編 號 為 NO.15 ~ NO.17 如 圖 6.16 和 6.17 所 示,NO.15 實 驗 的 發 光 面 積 所 發 光 的 輝 度 値 隨 時 間 而 遞 減, 符 合 期 待, 實 驗 的 發 光 區 輝 度 值 ㄧ 開 始 是 從 277 Nit 急 遽 往 下 遞 減, 而 實 驗 的 變 形 量 開 始 就 急 遽 上 升 至 10.0 µm 左 右, 直 到 20 min 後, 輝 度 值 急 遽 下 降 至 72 Nit, 接 著 變 形 量 維 持 平 緩 上 升 至 11.7 µm, 在 40 min 時, 發 光 區 域 的 輝 度 值 為 零 後, 變 形 量 又 急 遽 上 升 至 約 18.7 µm, 其 後 變 形 量 有 明 顯 小 幅 增 加 的 振 盪 接 著 從 如 圖 6.16 與 圖 6.17 進 行 比 較, 可 看 出 在 NO.15 實 驗 輝 度 值 為 零 後, 變 形 量 有 明 顯 小 幅 度 增 加 振 盪 如 圖 6.18 和 6.19 所 示,NO.16 實 驗 的 輝 度 值 隨 著 時 間 而 增 加, 不 符 一 般 常 理, 實 驗 的 輝 度 一 開 始 從 99 Nit 慢 慢 往 上 升 至 107 Nit, 而 變 形 量 開 始 就 急 遽 上 升 至 84.0 µm 左 右, 在 160 ~ 170 min 間, 變 形 量 有 一 小 段 下 降 至 80.0 µm, 在 170 min 時, 發 光 區 域 的 輝 度 值 瞬 間 為 零, 變 26

形 量 快 速 增 加 至 85.0 µm 左 右 接 著 從 如 圖 6.18 與 圖 6.19 進 行 比 較, 可 看 出 在 NO.16 實 驗 輝 度 值 為 零 後, 變 形 量 有 明 顯 上 升 如 圖 6.20 和 6.21 所 示,NO.17 實 驗 的 發 光 面 積 所 發 光 的 輝 度 値 隨 時 間 而 遞 減, 符 合 一 般 常 理, 實 驗 的 發 光 區 輝 度 值 ㄧ 開 始 是 從 491 Nit 隨 時 間 逐 漸 往 下 遞 減, 實 驗 的 變 形 量 開 始 就 急 遽 遞 增 至 28.8 µm 左 右, 在 1310 min 時, 輝 度 值 為 245 Nit 後, 輝 度 值 緩 慢 上 升, 直 到 2680 min, 在 這 期 間 變 形 量 並 未 減 少, 反 而 稍 微 遞 減 至 約 27.3 µm, 在 2680 min, 輝 度 值 212 Nit 慢 慢 下 降 至 185 Nit, 變 形 量 開 始 就 小 幅 下 降 振 盪, 在 3430 min 後, 輝 度 值 突 然 急 速 到 達 0 Nit, 變 形 量 趨 於 平 緩 至 31 µm 接 著 從 如 圖 6.20 與 圖 6.21 進 行 比 較, 可 看 出 在 NO.17 實 驗 輝 度 值 為 零 後, 變 形 量 的 振 盪 有 明 顯 趨 於 和 緩,NO.17 實 驗 在 0 ~ 1000 min 時, 輝 度 值 急 遽 下 降 而 變 形 急 速 上 升 ;NO.17 實 驗 在 1320 ~ 2680 min 時, 輝 度 值 有 明 顯 上 升 而 變 形 量 也 有 明 顯 下 降, 此 兩 塊 時 間 範 圍 可 得 知, 輝 度 值 與 變 形 量 有 密 切 的 關 係 在 三 次 實 驗 中, 在 最 後 發 光 區 域 熄 滅 時 薄 膜 變 形 量 都 很 大, 熄 滅 後 NO.15 實 驗 的 變 形 量 有 明 顯 小 幅 增 加 的 振 盪,NO.16 實 驗 的 變 形 量 有 明 顯 的 增 加,NO.17 實 驗 變 形 量 有 小 幅 的 振 盪 如 圖 6.22 所 示, 當 電 源 關 閉 後, 發 光 區 域 上 會 產 生 白 點, 全 部 發 光 區 域 的 薄 膜 會 繼 續 向 下 變 動, 這 表 示 發 光 區 域 的 薄 膜 似 已 造 成 脫 層, 因 此 可 證 明 當 薄 膜 脫 層 就 失 去 發 光 能 力 的 推 論, 實 驗 NO.15 ~ NO.17 的 試 片 發 光 熄 滅 後, 變 形 量 不 是 大 增 或 是 有 振 盪 的 現 象, 這 都 是 薄 膜 產 生 脫 層 的 現 象 NO.15 實 驗 的 發 光 區 域 壽 命 為 40 min, 其 輝 度 值 衰 減 度 為 277 Nit, 總 變 形 量 差 值 為 11.9 µm, 通 常 變 形 量 差 值 越 小, 表 示 其 附 著 力 高, 此 實 驗 的 差 值 很 小 就 產 生 脫 層, 似 乎 意 味 著 正 常 的 OLED 薄 膜 在 初 期 通 電 時, 應 有 適 度 的 變 形, 才 會 有 正 常 的 發 光 能 力 ;NO.16 實 驗 的 發 光 區 域 壽 命 為 170 min, 其 輝 度 值 衰 減 度 為 107 Nit, 總 變 形 量 差 值 為 84.0 µm, 此 實 驗 輝 度 值 一 開 始 就 不 是 很 穩 定, 導 致 薄 膜 變 形 過 大, 產 生 薄 膜 脫 層 ;NO.17 實 驗 的 發 光 區 域 壽 命 為 3430 min, 其 輝 度 值 衰 減 度 為 491 Nit, 變 形 量 差 值 為 31.9 µm, 由 於 此 實 驗 在 1320 ~ 2670 min 時, 輝 度 值 和 變 形 量 同 時 間 產 生 變 化, 輝 度 值 上 升 和 變 形 量 變 小 的 關 係 後, 薄 膜 就 產 生 小 幅 振 盪, 此 現 象 可 能 導 致 發 光 區 域 薄 膜 不 穩, 產 生 脫 層 此 三 次 實 驗 的 發 光 壽 命 過 於 短, 三 塊 發 光 區 域 應 為 不 良 品 27

第 七 章 結 論 本 研 究 利 用 自 行 組 立 的 實 驗 設 備 進 行 有 機 發 光 二 極 體 試 片 發 光 的 實 驗 探 討, 以 發 展 一 OLED 發 光 輝 度 檢 測 新 技 術,OLED 試 片 在 通 電 後,OLED 中 的 有 機 薄 膜 會 產 生 變 形, 嘗 試 從 薄 膜 變 形 量 的 大 小 來 探 討 OLED 發 光 輝 度 行 為, 可 獲 得 下 面 幾 點 之 結 論 : 1. OLED 薄 膜 在 通 電 發 光 時, 溫 度 仍 保 持 室 溫, 表 示 OLED 在 運 作 時 發 熱 量 並 不 足 改 變 附 近 的 溫 度, 故 可 推 測 本 實 驗 中 薄 膜 的 變 形 應 非 熱 所 造 成, 而 是 壓 電 效 應 所 造 成 2. OLED 剛 開 始 通 電 發 光 時, 都 會 有 適 度 的 變 形, 變 形 過 高 或 過 低 時,OLED 常 會 發 光 異 常, 尤 其 在 變 形 達 到 最 大 時, 往 往 就 是 發 光 輝 度 最 低 時, 說 明 薄 膜 變 形 量 與 發 光 輝 度 有 著 密 切 的 關 係 3. 在 工 作 電 壓 為 3.0~4.5 V 範 圍 下 進 行 實 驗 時, 在 相 同 電 壓 下 薄 膜 會 有 不 同 的 輝 度 值 及 變 形 量, 但 是 輝 度 值 和 變 形 量 會 隨 電 壓 增 大 而 增 加 的 趨 勢 4. 從 長 期 實 驗 中, 發 現 輝 度 值 衰 減 度 越 慢, 薄 膜 總 變 形 量 差 值 也 越 小, 總 變 形 量 差 值 越 小 表 示 薄 膜 較 穩 定, 發 光 區 域 亮 度 衰 減 慢, 其 試 片 壽 命 也 越 高 推 測 原 因 為 質 佳 的 薄 膜 材 料 在 薄 膜 製 造 過 程, 薄 膜 材 料 必 然 是 均 勻 分 布, 附 著 力 佳, 故 其 長 期 通 電 後, 總 變 形 量 差 值 較 小, 薄 膜 也 應 該 較 穩 定, 而 發 光 的 輝 度 衰 減 度 也 較 低 在 長 期 工 作 電 壓 的 選 取 中, 發 現 並 不 是 高 電 壓 就 適 合 OLED 試 片, 雖 然 高 電 壓 會 得 到 高 輝 度 值, 但 發 光 壽 命 會 減 短 5. 當 OLED 試 片 發 光 熄 滅 時, 可 能 是 薄 膜 脫 層 所 致, 由 試 片 發 光 熄 滅 時 實 驗 所 得 的 變 形 會 急 速 增 大 或 上 下 振 動 可 得 明 証 28

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符 號 彙 編 Symbol AFM Al Alq 3 C Q Cr CRT D d d 0 d m E EA EL ETL EML Ε f E s e e - HOMO HTL hν I I 1 I 2 IE In IP ITO LCD LUMO l M M + Meaning 原 子 力 顯 微 鏡 鋁 三 (8- 基 羥 喹 啉 ) 鋁 零 電 場 下 的 彈 性 常 數 鉻 陰 極 射 線 管 總 電 位 移 薄 膜 結 構 中 微 粒 間 之 距 離 無 應 力 狀 態 薄 膜 材 料 結 構 微 粒 間 距 單 位 面 積 基 板 上 附 著 的 薄 膜 膜 厚 彈 性 模 數 電 子 親 和 力 電 激 發 光 電 子 傳 輸 層 發 光 層 薄 膜 材 料 的 彈 性 模 數 楊 氏 彈 性 模 數 電 子 負 電 子 最 高 填 滿 軌 域 電 洞 傳 輸 層 光 能 量 分 子 的 游 離 能 PSD 的 輸 出 電 流 量 PSD 的 輸 出 電 流 量 游 離 能 銦 離 子 化 位 能 銦 錫 氧 化 物 液 晶 顯 示 器 最 低 未 填 滿 軌 域 光 反 射 點 距 基 板 固 定 點 長 度 有 機 分 子 陽 離 子 活 性 基 的 電 洞 32

M - Mg-Ag Alloy n OLED P P m PAA PL PSD Q q R 1 R S 2 r r AB S 0 S 1 SEM T 1 Tg TFT-LCD TPD t s t f U u X XRD η E η EL η EL(ext) d σ σ Q 陰 離 子 活 性 基 的 電 子 鎂 銀 合 金 有 機 材 料 折 射 率 有 機 發 光 二 極 體 晶 體 的 極 化 量 堆 積 密 度 聚 亞 醯 胺 光 激 發 光 位 移 感 測 器 施 加 電 場 壓 電 常 數 未 鍍 前 基 板 之 曲 率 半 徑 鍍 膜 後 之 曲 率 半 徑 干 涉 條 紋 半 徑 A 和 B 分 子 間 距 離 基 態 激 發 狀 態 最 低 振 動 能 階 激 發 狀 態 掃 描 電 子 顯 微 鏡 三 重 項 態 最 低 振 動 能 階 玻 璃 轉 換 溫 度 薄 膜 電 晶 體 液 晶 顯 示 器 三 苯 基 胺 衍 生 物 基 板 厚 度 膜 厚 兩 分 子 間 的 上 述 互 相 作 用 能 單 位 體 積 薄 膜 中 儲 存 的 應 變 能 雷 射 位 移 計 輸 出 電 流 粉 末 X 光 繞 射 發 光 能 量 效 率 發 光 量 子 效 率 外 部 量 子 效 率 應 變 微 粒 晶 格 應 變 應 力 電 場 作 用 在 介 電 質 的 平 均 應 力 33

σ T α α f α s T P ν ν f δ θ ε ε 熱 應 力 分 子 的 極 化 率 薄 膜 的 熱 膨 脹 係 數 基 板 的 熱 膨 脹 係 數 溫 度 與 薄 膜 蒸 鍍 溫 度 之 差 極 化 量 的 改 變 基 板 之 普 松 比 薄 膜 材 料 普 松 比 彎 曲 角 度 反 射 光 偏 移 量 介 電 常 數 零 應 變 的 介 電 常 數 34

表 6.1 實 驗 目 錄 實 驗 編 號 實 驗 內 容 NO.1 NO.2 測 試 試 片 架 設 的 穩 定 度 NO.3 NO.4 NO.5 NO.6 NO.7 長 期 工 作 電 壓 的 選 取 NO.8 NO.9 NO.10 NO.11 NO.12 NO.13 NO.14 實 驗 測 試 時 間 7000 min 實 驗 測 試 時 間 75 hour NO.15 NO.16 發 光 區 域 熄 滅 NO.17 35

表 6.2 藍 光 試 片 與 時 間 電 壓 輝 度 值 變 形 量 溫 度 之 探 討 實 驗 編 號 電 壓 變 形 量 輝 度 值 溫 度 時 間 ( V ) ( µm ) ( cd/m 2 ) ( ) ( min ) NO.3 0 0 0 27 0 3 0.7 4.33 26.5 10 3.5 1.8 22.4 27 20 4 2.4 127 26.5 30 4.5 2.6 318 26.5 40 NO.4 0 0 0 27 0 3 4 3.09 27 10 3.5 6 56 27 20 4 7.9 191 26.5 30 4.5 9 440 27 40 NO.5 0 0 0 27 0 3 9 26 27.5 10 3.5 13 184 27.5 20 4 14.7 518 27.5 30 4.5 15 1133 27 40 NO.6 0 0 0 27 0 3 4 19.5 26.5 10 3.5 6.4 159 27 20 4 7.7 505 27 30 4.5 8.9 1112 27 40 NO.7 0 0 0 27 0 3 5 4.12 27.5 10 3.5 6.4 22.8 27 20 4 7 66 27.5 30 4.5 7.1 104 27.5 40 36

圖 3.1 OLED 基 本 結 構 (a) (b) (c) 圖 3.2 多 層 式 OLED 結 構 [42] 37

圖 3.3 有 機 發 光 材 料 之 蒸 發 源 的 結 構 [44] 圖 3.4 有 機 蒸 發 源 的 膜 厚 分 佈 [44] 38

圖 3.5 OLED 的 製 造 流 程 [48] 圖 3.6 薄 膜 成 長 過 程 39

圖 3.7 真 空 蒸 鍍 裝 置 [49] 圖 3.8 OLED 成 膜 封 合 構 造 及 元 件 的 構 造 [45] 40

電 洞 傳 輸 圖 3.9 光 激 發 光 (PL) 及 電 激 發 光 (EL) 的 發 光 原 理 [52] e + - 電 M 子 傳 + 輸 M M M- + M M e - 圖 3.10 有 機 薄 膜 電 荷 傳 輸 機 制 [45] 41

激 發 狀 單 態 重 項 態 S 內 部 轉 換 電 荷 輸 入 單 電 重 子 項 + 電 態 洞 融 合 光 導 性 光 而 輻 子 放 射 內 部 吸 轉 收 換 螢 光 內 部 系 統 交 叉 效 應 變 引 射 發 性 非 衰 基 本 狀 態 (2 A g ) S 1 S 0 (1 A g ) 態 (S 0 ) 圖 3.11 有 機 電 激 發 光 元 件 發 光 機 制 [27] 三 重 項 態 內 部 轉 換 磷 光 T 2 T 1 圖 3.12 薄 膜 應 力 類 型 [54] 42

圖 3.13 牛 頓 環 法 測 薄 膜 應 力 [10] 圖 3.14 懸 臂 法 測 薄 膜 應 力 [10] 43

圖 3.15 相 位 移 Twyman-Green 干 涉 儀 [10] (a) (b) (c) 圖 3.16 正 電 壓 效 應 [56] 44

(a) (b) (c) 圖 3.17 逆 電 壓 效 應 [56] 圖 3.18 壓 電 材 料 方 向 表 示 法 [57] 45

圖 3.19 鏡 射 式 (specular) 和 散 射 式 (diffuse) 雷 射 探 頭 圖 3.20 三 角 形 量 測 系 統 [58] 46