投稿類別 : 工程技術類 篇名 : 淺談發光二極體與有機發光二極體 作者 : 楊鑫 新竹市立建功高級中學 高二 6 班 指導老師 : 梁涵靈老師
壹 前言 : 一 研究動機 : 百年來, 科技發展突飛猛進, 日新月異 以影像顯示科技與照明科技尤為顯著 影像顯示從早期體積龐大, 且笨重的陰極射線管 ( Cathode Ray Tube, CRT) 顯示器 ; 演進至輕巧的液晶顯示器 (Liquid Crystal Display,LCD) 電漿顯示器 (Plasma Display Panel,PDP) 等 而照明也逐漸邁向節能 環保之路 當前, 發光二極體 (Light-Emitting Diode, 以下簡稱 LED) 與有機發光二極體 (Organic Light-Emitting Diode, 以下簡稱 OLED) 於影像顯示與照明科技界方興未艾 LED 在市場中大量普及 應用廣泛 ; 而新一代的 OLED 也蓬勃興起, 亦已邁向商業量產化, 是一極具前瞻性的科技 細觀 LED 與 OLED, 兩者皆是半導體電子元件, 但其差別為何? 又有什 麼相同或相異之處? 自此而引發我們的興趣, 並想了解 探究兩者, 欲析其 條理而論述之 二 研究目的 : 因我們對 LED 與 OLED 兩者之間的關係深感興趣, 所以想進一步探討兩 者之的發展歷史, 及基本的發光原理 結構 材料 特性等, 並試解釋 比 較兩者異同 三 研究方法 : 參考有關書籍期刊 論文著作等 藉由文獻資料, 加以整理 歸納 分 析, 進而比較 貳 正文 : 一 發展歷程 : ( 一 )LED 發展歷史 : 1
表 1:LED 發展歷史簡表 : 年代發現西元 1907 年英國 H.J. Round 發現半導體整流器中 SiC 的發光現象, 並發表此現象之簡短文章 西元 1927 年俄國 Oleg Vladimirovich Losev 發表 LED 之細節與研究文章, 但直至 20 世紀末才被認同 西元 1955 年美國 Rubin Braunstein 指出 GaAs 及其他半導體合金可放出紅外光, 是為首個不可見光 LED 西元 1962 年美國 Nick Holonyak Jr. 開發出紅光 LED, 被譽為 LED 之父 西元 1972 年美國 M. George Craford 發明黃光 LED, 亮度為紅光 LED 之十倍 西元 1993 年日本中村修二發表藍光 LED, 被譽為 藍光 LED 之父 西元 1997 年日本中村修二成功開發白光 LED 資料整理來源 :LED 元件與產業概況 ( 註 1) ( 二 )OLED 發展歷史 : 表 2:OLED 發展歷史簡表 : 年代發現西元 1963 年美國 M. Pope 以數百伏特偏壓施於 C14H10( 蒽 ) 觀察到有發光現象, 但因發光效率不佳, 當時並未受重視 西元 1987 年美籍華裔鄧清雲及美國 Steve Van Slyke 發表多層式結構 OLED 西元 1990 年英國 J. Burroughes 及 Richard Friend 成功開發高分子發光二極體 (Polymer Light-Emitting Diode,PLED), 對 OLED 技術發展極具影響 資料整理來源 :OLED:Materials and Devices of Dream Displays 夢幻顯示器 OLED 材料與元件 ( 註 2) 二 發光原理與結構 : ( 一 )LED 發光原理與結構 : LED 是一種可發光的二極體 由半導體晶片等元件組成, 運用注入或摻雜等技術 工藝使材料產生 p 型 n 型半導體結構, 即電子傳輸層 電洞傳輸層, 再將兩者結合, 兩者間形成一界面層 :p-n 接面, 也就是發光層 當電流從陽極流向陰極, 使電洞和電子注入, 在發光層相遇而產生複合, 而電子會跌落較低的能階, 並以光子的模式釋放能量, 這種原理稱之為 : 電激發 2
光 而其發出的顏色決定於波長, 波長是由二極體之材料 成分決定 基本 結構如下圖 1 圖 1:LED 基本結構圖 ( 二 )OLED 發光原理與結構 : OLED 亦為可發光的二極體, 發光原理大致與 LED 相同 但使用有機分子材料作為傳輸材料與發光性染料, 所以導致其電子 電洞的傳導並不像 LED 一樣是連續的 而為了 幫助電子或電洞從電極注入有機層, 科學家又加入了電洞注入層與電子注入層, 用以改善 HTL( 電洞傳輸層 ) 及 ETL( 電子傳輸層 ) 與電極的介面 ( 陳金鑫 黃孝文, 西元 2012 年, 註 2) 當電子進入發光層後將遇到一阻擋層, 電子因難以越過而累積在發光層 中 ; 相同地, 電洞亦在發光層中累積, 此時它們相遇的機率增加, 能釋放更 多能量, 達到更高的效率 其基本結構如下圖 2 圖 2:OLED 基本結構圖 3
三 材料 : ( 一 )LED 材料 : 發光的亮度與效率 與半導體材料有很大的關係, 也與電子及電洞的動量守恆有關 如果材料特性越好又越遵守動量守恆, 發光效率就會越佳 其中元素的組成若改變,LED 的發光波長也會跟著變化 ( 曾信榮 許千樹, 西元 2010 年, 註 3), 如下表 3: 表 3: 各種類 LED 主要材料 : 種類 ( 波長 ) 材料 ( 顏色 ) 一般亮度 GaP GaAsP AlGaAs 可見光 AlGaInP( 紅 橙 黃 ) (450~780 nm) 高亮度 InGaN( 藍 綠 ) GaInN + 螢光粉 ( 白光 ) 不可見光 (350~400 nm) 白光 GaInN + 螢光粉 AlGaInN + 螢光粉 AlGaN + 螢光粉 短波長紅外光 GaAs AlGaAs 不可見光 (850~1550 nm) (850~950 nm) 長波長紅外光 (1300~1550 nm) AlGaAs 資料整理來源 : 科學發展月刊,451 期, 發光二極體 ( 註 3) ( 一 )OLED 材料 : OLED 使用的材料, 其特色在於大部分材料屬於有機化合物, 依照化合物的分子量大小, 可分為高分子與小分子材料 小分子材料元件中需要含有多層結構, 必須利用高真空的熱蒸鍍製程製備 ; 高分子材料則可運用有機溶劑將其溶解後, 利用塗布等工藝 技術製成 而在 OLED 的結構中, 這些多層材料的設計可以有利於發光 這樣的設計便是考慮到材料的能帶結構與特性 四 應用與特性 : ( 一 )LED 應用與特性 : LED 具有效率高 壽命長 不易耗損 反應速率高等優點 最初應用於 4
指示燈, 因無法製成自發光型顯示器, 固常作為顯示器背光源等 隨著白光 LED 的出現, 因具有省電等優點, 近年逐漸發展作照明用途 雖然因白光 LED 的技術進步 成熟, 價格仍未下降, 生產成本遠高於其他傳統照明產品, 但近年仍有愈來愈多 LED 產品被用在照明用途上 ( 二 )OLED 應用與特性 : 由 OLED 製成之顯示器, 為自發光型顯示器, 並不需要背光源, 與其他顯示器比較, 更為輕巧 視角更廣 對比高 省電 反應速率高 更發展出可撓式顯示器技術 OLED 顯示器依照驅動方式又可分為被動式 (Passive Matrix OLED,PMOLED) 與主動式 (Active Matrix OLED,AMOLED) 在照明方面, OLED 為面光源, 發光更加均勻, 顯色指數更高, 且可實現大面積照明 高發光效率和低驅動電壓等, 此外還可製作於軟性基板上實現軟性照明, 或做成透明光源 ( 劉曜彰 曾美榕, 西元 2011 年, 註 4), 但壽命較短 成本依舊高居不下 参 結論 : 在完成 LED 與 OLED 的探析後, 我們對兩者的各項知識, 都有進一步 的了解, 也對未來顯示器 照明科技的發展有所認識 LED 照明科技, 在講求省電 節能的今日, 正逐步取代燈泡, 市場需求 也逐漸增大, 仍有成長趨勢 但 LED 依然有許多缺點, 如 : 高功率下的散 熱問題等, 仍需要進一步克服 而 OLED 在經過探討後, 我們發現 : 大多數的資料中皆有提到 OLED 擁有環保的優點, 雖然 OLED 部份元件是由有機材料製造而成, 但其元件材料與製程是否對環境是無汙染? 仍需要更進一步來考證 ; 而其省電 節能的特性是不可否認的 至今已有許多 OLED 應用的產品上市, 技術趨於成熟 但於學術界的研究 發明並沒有因此停頓, 除了工藝 技術方面的革新外, 更朝向低色溫 類燭光 類太陽光, 人類身 心理友善的光源為目標發展 是極具前瞻性的科技與產業, 市場也逐興起中 相信不久的未來 OLED 可撓式顯示器產品與對環境友善的照明產品等將會普及你我的生活中 5
肆 引註資料 : 註 1: 陳隆建 (2012) LED 元件與產業概況 台北市 : 五南圖書出版股份有 限公司 註 2: 陳金鑫 黃孝文 (2007) OLED:Materials and Devices of Dream Displays 夢幻顯示器 OLED 材料與元件 台北市 : 五南圖書出版股份有限公司 註 3: 曾信榮 許千樹 (2010) 發光二極體 科學發展月刊,451 32-39 註 4: 劉曜彰 曾美榕 (2011) OLED 照明光源發展現況 工業材料雜誌, 293 67-79 6