光連雙月刊2009年3月No.8038Special Report特別企畫熱門技術應用趨勢源，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 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 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 為面光有機發光二極體研發現況（一）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）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。圖1 奈米壓印製作近自然光有機發光元件資料來源：國立清華大學材料科學工程學系有機奈米光電實驗室光連雙月刊2009年3月No.8039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自然光光譜圖資料來源：國立清華大學材料科學工程學系有機奈米光電實驗室光連雙月刊2009年3月No.8040Special Report特別企畫熱門技術應用趨勢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，如藍加資料來源：國立清華大學材料科學工程學系有機奈米光電實驗室圖 OLED元件結構光連雙月刊2009年3月No.8041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 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4 OLED的發光原理：電子、電洞於發光層中再結合而放光資料來源：國立清華大學材料科學工程學系有機奈米光電實驗室圖5 單發光層型及多發光層型白光OLED資料來源：國立清華大學材料科學工程學系有機奈米光電實驗室圖6 可撓式OLED資料來源：國立清華大學材料科學工程學系有機奈米光電實驗室光連雙月刊2009年3月No.8042Special Report特別企畫熱門技術應用趨勢非塑膠基板，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 現今 OLED 設備廠商，以日本 Tokki 與 Ulvac公司為主，主要銷售生產級製程設備；其他的廠商如 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 ) 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 為顯全彩，在乾式製程中可以光罩法將 RGB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 元件資料來源：圖解有機EL，城戶淳二，2004資料來源：國立清華大學材料科學工程學系有機奈米光電實驗室圖7 (a)電阻加熱與 (b)電子束蒸鍍製作有機發光薄膜圖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光連雙月刊2009年3月No.8043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)。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，此一專利乃是將欲圖9 (a)點型及(b)線型蒸鍍源之蒸鍍比較資料來源：國立清華大學材料科學工程學系有機奈米光電實驗室蒸鍍之各光色材料，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。光連雙月刊2009年3月No.8044Special Report特別企畫熱門技術應用趨勢濕式製程 ( 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。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 (H2O 1ppm，O2 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。資料來源：國立清華大學材料科學工程學系有機奈米光電實驗室圖10 噴墨製備全彩化OLED