OLED 的發展趨勢 光電三甲蕭嵩翰 楊順然 Organic Light Emitting Diode
大綱 1. OLED 的簡介和原理 2. OLED 的發現 3. OLED 的發展 4. OLED 的構造與種類 5. OLED 的優缺點 6. OLED 的展望
OLED 的簡介 近年來隨著科技進步, 個人電腦 網路及資訊傳播的普遍化, 顯示器成為了人機互動不可或缺的重要角色, 而不斷進步的顯示技術更是帶動了顯示器產業跨躍式的發展 傳統ㄧ般的 CRT 螢幕對使用者來說, 顯得厚重 佔體積, 因此已逐漸的被厚度較薄且大尺吋的 PDP 電漿顯示器及更輕薄的 LCD 液晶顯示器所取代 在新的平面顯示器中, 還有另外一項新技術 OLED OLED ( Organic Light Emitting Diode 有機發光二極體 ), 又可稱為有機電激發光 (Organic Electroluminescence, 簡稱 OEL) 利用此元件與技術所製成的顯示器具有輕薄 可撓曲式 易攜性 全彩高亮度 省電 可視角廣及無影像殘影 等優點, 為未來平面顯示器的新趨勢 近幾年, 此平面顯示新技術 OLED 更是吸引了產業及學術界的關注, 進而從事開發與研究
OLED 的原理 SMOLED/Polymer OLED 的發光原理類似發光二極體, 同樣是利用材料的特性, 將電子傳輸層 (Electron Transport Layer, ETL) 電洞傳輸層 (Hole Transport Layer,HTL) 和發光材料層 (Emitting Material Layer,EML) 結合, 而將而電子激發的形式降回基態, 將多餘的能量以光的方式釋出, 因而達到不同波長的發光元件的產生 OLED 發光原理
OLED 的發現 最早在 1963 年時,Pope 發表了世界上第一篇有關 OLED 的文獻, 當時使用數百伏特的電壓通過 Anthracene 晶體時時, 觀察到發光的現象 但由於其過高的電壓與不佳的發光效率, 在當時並未受到重視 1979 年的一天晚上, 在柯達公司從事科學研究工作的華裔科學家鄧青在雲 (Dr. C. W. Tang) 博士在回家的路上忽然想起有東西忘記在實驗室 回到實驗室, 他發現黑暗中有個亮的東西 打開燈, 原來是一塊做實驗的有機蓄電池在發光 OLED 研究就由此開始, 鄧博士由此也被稱為 OLED 之父 到 1987 年美國柯達公司的鄧博士及 Steve Van Slyke 等人發明以真空蒸鍍法製成多層式結構的 OLED 元件 ( 如圖 ) 的小分子 OLED 元件後, 可使電洞電子侷限在電子傳輸層與電洞傳輸層之界面附近再結合, 大幅提高了元件的性能, 其低操作電壓與高亮度的商業應用潛力吸引了全球的目光 自此之後,OLED, 便在業界 學界掀起了一股無法阻擋的旋風與魅力 而 1990 年英國劍橋大學的 Friend 等人成功的開發出以塗佈方式將多分子應用在 OLED 上, 即 Polymer LED,, 亦稱為 PLED 不但再引發第二波研究熱潮, 更確立了 OLED 在二十一世紀產業中所佔有的重要地位 鄧青雲博士
在發明此元件的過程中, 陰陽兩極材料的發現也是重要的一環 陰極的金屬必需具備低功函數 (work function) 的特性, 才能有效的將電子注入有機層內, 鎂 (Mg)) 的功函數夠低 (3.5eV( 3.5eV), 也相當穩定, 十分符合元件的要求 而當鎂銀 (Ag( Ag) ) 以十比一的比例形成合金後, 少量的銀可以提供成長區 (nucleating( site) ) 給鎂, 使得鎂可以順利的在有機層上成膜 這樣的合金與比例便成為後續研究的範本 另外鋰 (Li( Li) ) 金屬 (1.4eV( 1.4eV) ) 的化合物如 LiF Li2O 等, 與鋁 (Al)) 金屬 (3.4eV( 3.4eV) ) 的化合物, 也是另一種普遍使用在陰極上的材料 而在陽極的選擇上, 則必需是一個高功函數又可透光的材質, 這樣的選擇並不多, 所以 ITO(indium tin oxide) ) 這樣的金屬氧化物, 不但具有 4.5eV-5.3eV 5.3eV 的高功函數, 且性質穩定又透光, 便成了最佳的選擇 延用至今, 這兩者仍是目前 OLED 元件中最常被使用的陰陽極材料 而其中材料 AlQ3 為電子傳輸層,NPB, 為電洞傳輸層,CuPc, 為電洞注入層
在後續的研究當中發現,OLED, 可藉由在發光層中摻雜一不等濃度的摻雜物 (dopant( dopant), 使得主發光體 (host( host) ) 的能量得以轉移至摻雜物上而改變原本主發光體的光色以及發光的效率 ( 在 Alq3 與 NPB 之間則夾有一發光層 ),, 不但可得到紅 藍 綠三色的 OLED 元件, 也因此使得也 OLED 朝著全彩化顯示器的目標又前進一大步 然而在這當中, 各種材料的選擇是非常關鍵的, 必需考慮材料本身的物理性質, 如能階差 熱性質 形態學等, 所以要找出一個合適的 OLED 材料, 不論是電洞傳輸材料 電子傳輸材料 主發光材料以及不同光色的摻雜物, 都需要科學家們一再的研究與改良, 才能達到要求
OLED 的種類 有機發光二極體的技術依其所使用的有機薄膜材料的不同有機薄膜材料的不同, 大致可分為二類, 小分子有機發光二極體被稱為 SMOLED, 高分子發光二極體則被稱為 PolymerOLED 一般來說,OLED 顯示器依驅動方式分為被動式 ( 被動的基體, 即 PM- OLED) 與主動式 ( 活躍的基體, 即調幅 OLED) 兩類, 其電路設計原理如圖所示 被動式適合用在小尺寸的面版, 因為其瞬間亮度與陰極掃瞄列數成正比, 所以需要在高脈衝電流下操作, 會使像素的壽命縮短 且因為掃瞄的關係也使其解析度受限制, 但成本低廉 製程簡單但成本低廉 製程簡單是其一大優點 主動式則與被動式特性相反, 雖然成本較昂貴 製程較複雜 ( 仍比 TFT-LCD 容易 ),, 但每一個像素皆可連續與獨立驅動, 並可記憶驅動信號, 不需在高脈衝電流下操作, 效率較高, 壽命也可延長, 適用於大尺寸 高解析度之高資訊容量的全彩化 OLED 顯示產品 被動式矩陣與主動式矩陣的電路原理
OLED 的發展 OLED 的發展, 是以全彩化的平面顯示器為最高目標在前進 當初紅 藍 綠三原色的摻雜材料都已成功的開發出來了, 但是卻尚未達到完全令人滿意的地步, 仍需要繼續的研究開發新的 更好的三原色摻雜材料, 尤其是藍光及紅光 另外白光材料也是最近的一項研究重點, 希望能用來作為照明光源或是液晶螢幕的背光源, 可大幅減少目前白光光源所佔的空間與重量 在 1998 年, 美國的 Baldo 等人研究出以銥金屬錯合物 ( 銥複雜 ) 製成的元件, 可以把原先三重態中流失的能量補救回來, 將 OLED 元件的發光效率大幅提昇三倍以上, 是近來 OLED 技術開發上的一大突破 這幾年來, 科學家正在研究以塑膠基板取代玻璃基板, 製成可撓曲式的 OLED,, 即靈活的 OLED,, 也稱為 FOLED,, 其元件構造如圖一所示, 如果能順利研發成功, 則類似筆捲式行動電話的商品如圖二, 將不再是如好萊塢電影中的科幻情節了 圖一 FOLED 元件構造 圖二 筆捲式的電子商品
OLED 的優異性能 OLED 是當前平板顯示器業界的新寵兒, 很多公司都正在對此進行研發, 並努力將該技術推向市場 這跟它所具有的優勢是分不開的, 就以 OLED 跟現在的 LCD 螢幕比較起來, 我們可以發現 OLED 確實存在諸多的優點 : 自發光 ( 自我 emissive), 視角廣達 170 以上 反應時間快 ( 高應答速度, 微秒級反應時間 ~1 ) 無ㄧ般 LCD 殘影現象 高亮度 (100-14000 cd/m 2) 高流明效率 (16-38 lm/w) 低操作電壓 (3-9 V DC) 低功率消耗 全彩化 面板厚度薄 (2 毫米 ) 可製作大尺寸與可撓曲性面板 可使用溫度範圍大 ( -30 ~80 ) 製程簡單, 具有低成本的潛力 (30-40% 的 TFT-LCD) 投資金額較小, 容易達到經濟效益
在機身外形設計上,OLED 的顯示幕幕可以做得非常纖細, 因為 OLED 器件的核心層厚度很薄, 厚度甚至可以小於 1 毫米, 這樣的厚度僅為目前液晶顯示器的 1/3 所以它的厚度要比 LCD 屏更薄, 更纖細 同時 OLED 還可以在不同材質的基板上製造, 所以它在外形設計上可以做出各種各樣的彎曲形狀的柔軟顯示設備, 來配合各種需要 此外, 在 OLED 器件的單個圖元中, 其尺寸可以相當小, 並且還預留了很大的空間減幅潛力, 令它特別適合應用在今後高速發展的微顯示設備中
我們都知道, 液晶材料在比較低溫的環境中, 它的顯示效果讓人痛心, 不過 OLED 就沒有這個缺點,OLED 的低溫特性尤其好, 就算在 -30 的條件下也能正常顯示 除了可以應付嚴寒的環境外,OLED, 的抗衝擊能力也較強, 由於 OLED 器件均為全固態機構, 且採用無真空 液體物質, 所以抗震性能良好, 可以適應巨大的加速度 振動等惡劣環境, 從而使 OLED 的應用範圍可以更加廣泛 OLED 可以自身發光, 而 LCD 則不會發光, 這使得 OLED 比目前的 LCD 螢幕要光亮很多, 並且對比度更大, 色彩效果表現也較好 同時,OLED 的發光轉化效率也較高, 由於現時的 LCD 需要背景燈光來點亮, 而 OLED 只是需要在添加點亮的單元的時候才加上電源, 所以 OLED 所需要的電壓比較低, 比號稱省電的 LCD 螢幕更加低功耗, 更為節電
OLED 和 LCD 螢幕的比較視角及亮度與顏色的差別!
現在也有很多的 OLED 是製作成超薄型的裝配在一些日常用品上!
OLED 的缺點 OLED 面臨的最大的缺點就是壽命比 LCD 要短, 由於 OLED 只能達到約 5000 個工作小時, 比起現在的 LCD 可以高達 10000 個工作小時要明顯遜色 在戶外使用 OLED 顯示器一 OLED 技術的另一項挑戰 由於這種螢幕受到光子撞擊時會開始發光, 所以在戶外使用 OLED 顯示器, 畫面對比會降低, 可讀性也跟著變差 OLED 技術層面的缺點使它們目前較適合可攜式裝置的小型螢幕, 但隨著這項技術逐漸成熟, 也能應用於大型顯示器 短期而言, 筆記型電腦或桌上顯示器對於 OLED 是過於困難的挑戰, 因為在顯示大量 白色 圖片內容時,RGB, 色彩會出現不同的老化速度 但在電視機面板應用上,OLED, 的未來技術卻極有展望, 因為這類應用不需要顯示大量的 白色 圖片內容
OLED 的發展趨勢 雖然現在 LCD 液晶電視牢牢佔據著市場的主流, 但是, 我們也可以想象出當 OLED 液晶電視擺進賣場后對 LCD 所造成的沖擊 首當其沖的無疑會是 30 英寸以下產品 雖然時下各大廠商都在致力於大尺寸 OLED 面板和電視產品的開發, 屆時最先出現在消費者面前撬動市場的肯定應該是 30 英寸以下的產品 一方面是因為 30 英寸以下 OLED 面板生產產業化進程相對來說更快;其次是小尺寸 OLED 液晶電視製造成本更低, 更容易為消費者所接受 但不管怎樣, 在 2009 年裡,OLED, 面板液晶電視將嶄露頭角是毋庸置疑的 雖然打頭陣的可能僅僅是 30 英寸以下產品, 但對整個平板電視市場肯定會造成相當的沖擊, 平板電視市場也將會開始初步洗牌 屆時,LCD, 液晶佔據主流 等離子頑強反擊的平板電視市場, 將會出現新的爭食者 OLED 液晶電視 那些准備在 2009 年購買平板電視的朋友, 也可以將目光傾斜些到 OLED 身上了
三星 SDI 於 2007 年 12 月底宣布該公司已經發展出 31 吋主動式 OLED 面板, 這是繼 2007 年 12 月初 Sony 推出 11 吋 OLED TV XEL-1 上市以來, 又一項看好次世代面板 OLED 應用在大尺寸 TV 方面的宣示, 三星 SDI 此舉, 無疑是加速了全球對於 OLED 市場的競爭態勢 全球化工業龍頭巴斯夫 (BASF) 與歐司朗光電半導體 (Osram Opto Semiconductors) 共同發佈新聞指出, 雙方已研發出一款高效率的白光有機發光二極管 (OLED), 創下 OLED 突破每瓦 60 lm/w 的發光效率的紀錄, 同時也合乎國際通用的能源之星 SSL 標準 韓國科學家釜山國立大學的化學系教授 Jin Sung-Ho 宣稱發現了一種高效的 true blue 藍色發光材料, 可有效促進下一代發光二極管 OLED 顯示器的研發進程 OLED 需要綠光, 紅光和藍光的混合來顯示豐富的色彩 先前科學家已經找到了高效的綠色和紅色發光材料卻苦於沒有合適的藍光材料 韓國作為全球最大的液晶顯示器 (LCD) 製造商, 一直致力於開發更高效的 OLED 屏 Jin 稱他的發現能創造比液晶電視更高能效的 OLED 顯示屏,OLED 能提供更寬的視角, 更佳的色彩, 同時能耗更低
Thank You For Your Attention 請掌聲鼓勵!!