CTIMES / 文章 / 有機EL長壽化技術動向   【作者： 高士】   2004年07月01日 星期四 瀏覽人次：【5231】 前言 2003年數位相機首度採用有機EL顯示器，促成有機EL顯示器正式進入商品應用摸索階段，而商品化首要特性就是使用壽命必需可以媲美液晶顯示器。由於最近幾年發光材料科技的進步，有機EL顯示器的使用壽命已經突破1萬小時，因此有機EL顯示器未來發展動向備受相關業者高度重視。 有機EL顯示器的發光效率 (圖一)是日本各研究單位針對有機EL顯示器的發光效率提出的研究報告，由圖可知新世代燐光有機EL的量子效率為5％，大幅超越螢光元件（device）的量子效率，其中綠色燐光有機EL的量子效率更突破5％的門檻。以往螢光元件的紅色發光效率始終無法突破極限，由於燐光材料的出現，top emission取光效率的提高，加上其它相關技術的組合，使得紅色的發光效率獲得大幅提升，不過業者目前比較關心的是藍光的發光效率極限。 雖然改變host系的材料或是hole block材料，對發光效率的改善具有實質效益，不過不可否認的是提高藍光的發光效率，實際上還有許多問題有待克服。 《圖一　有機EL顯示器的發光效率》 如何實現長壽化 (圖二)是各種不同材質有機EL顯示器的使用壽命比較，橫軸為初期輝度，縱軸為半衰減壽命，圖中的黑色實線為TDK與出光興業白色螢光元件的使用壽命；圓圈則是三菱化學rubrene的白色燐光有機EL 元件的特性，該有機EL元件的初期輝度為300，使用壽命為7500小時。該公司研究人員表示雖然燐光有機EL的開發時程比螢光有機EL晚，不過燐光有機EL具有很高的發展潛能（potential），因此該公司計劃未來將使用壽命提高至10萬小時。圖中的「IMES」是使用出光產業開發的螢光材料，再利用multi photon製成多段積層結構，它的初期輝度為10000，使用壽命大約是5000～6000小時，比較特別的是上述材料可因不同的元件結構大幅延長使用壽命。 《圖二　有機EL顯示器的使用壽命》 (表一)是有關有機EL長壽化的發展動向。提高有機EL顯示器的使用壽命，最簡單的方法是控制電洞（hole）的注入，便可以達成上述目的。例如螢光的dopent由於doping本身與長壽化相結合，就是提高有機EL使用壽命的最佳佐證。雖然有機EL的混合發光層與陰極界面層仍然有問題，不過它可以利用LiF膜層使上述膜層的界面穩定化，除此之外也可以使用經過alkali dope穩定化的陰極獲得相同效果。 有機EL元件是利用脈衝（pulse）方式驅動，因此duty驅動方式與DC連續驅動方式對使用壽命具有絕對性的影響，然而不論採取哪種方式，未來都必需針對元件內部電荷與charge up的動作機制進行深入的研究。 有關材料的發展動向，根據實驗結果顯示一旦注入燐光材料，有機EL元件會有不穩定的傾向，雖然研究人員試圖開發各種電洞輸送材料，不過上述現象改善效果相當有限，換言之使用穩定的電極同時開發有效的電子輸送材料，是今後必需克服的技術瓶頸，因為發光層若使用只能讓電洞亦即electron流動的材料，會面臨氧化與還原兩難的窘境。有關元件的結構，根據研究結果顯示提高top emission的開口率，可以有效降低電流密度。 (表一)　有機EL長壽化的發展動向 項目 傳統方式 最近發展趨勢 材料 ●使用聚合體注入材料 ●使用高 ●使用高效率光學 dopent ●使用藍光 host 材料 ●改用 燐 光材料 ●改用電子輸送材料 ●改用雙極性材料 元件結構 ● 採用正孔注入 層結構 ●採用 doping 技術 ●採用混合發光層 ●採用陰極 界面層 ●改用 top emission 結構 ●改用 multi photon 結構 ●提高取出效率 ●改用混合發光層 驅動方式製程技術 ●採用脈衝 驅動方式 ●施加逆 bias ●採用 TFT 驅動方式 ●改用 feed back 驅動 type 的 TFT 製程技術 ●採用 ITO 表面處理技術 ●採用外圍密封 方式 ● 改用膜層密封 方式 (表二)是有關有機EL元件特性劣化的主要原因，基本上有機EL元件特性劣化原因可分為，「有機材料本身的問題」與「界面問題」兩項。有機材質本身的問題又可分為「物理性劣化」與「化學性劣化」兩種。 物理性變化造成元件特性劣化，主要是有機材料結晶化所致，因此根本解決方法是開發穩定的非晶質材料。有關化學性變化主要是經年累月反覆的氧化、還原所造成，不過詳細的動作機制目前還不清楚。除此之外發光動作也會使有機EL元件發生化學性劣化，一般認為它是電洞與電子再結合時激發有機分子，當激發狀態回復成基底狀態時會產生發光現象，在此同時卻出現激發狀態本身非常不穩定的問題。 有關界面問題造成的劣化現象，主要原因是電極接觸不良，造成有機材料界面之間發生相互擴散現象所致，尤其是Al電極極易與有機材料發生化學反應。雖然與電極的化學反應可藉由陰極與界面層的改良，獲得某種程度的改善，不過整體而言必需考慮界面問題。	(表二)　有機EL元件特性劣化的主要原因
分類	有機材料	界 面
物理性劣化	●膜層 的形 狀 變化 ( 凝結、 結晶化 )	● 電極接觸不良 ● 有機材料的相互核酸
化學性劣化	●對 氧化、還原的穩定性 ● 激發 狀 態的穩定性	● 與電極的化學反應

(圖三)是利用發光層的設計延長有機EL元件使用壽命的具體實例，它是美國UniversalDisplay公司利用螢光體開發的有機EL元件，基本上它是將所謂的異質（hetero）結構分割成正孔輸送層與電子輸送層雙層藉此結構產生光線，電洞與電子彼此各別移動並在界面處結合，如果改變上述構造並將正孔輸送層插入電子輸送層，形成與電子輸送層呈傾斜組合，或是將正孔輸送層與電子輸送層混合使組合傾斜，並以階段性改變都可以延長有機EL元件使用壽命。

除此之外1998年美國Motorola利用均勻混合的Alq3與a－NPD產生光線，該元件的結構若以發光層整體角度而言可以歸類為bipolar。由於階段性改變Alq3與a－NPD的混合比可以延長有機EL元件使用壽命，因此可以彌補Alq3容易氧化的弱點。

《圖三　有機EL顯示器的發光層設計實例》

(圖四)是L-V特性圖，由圖可知正孔注入層具有電壓依存性。雖然電壓特性隨著膜層種類的不同會有很大的差異，不過基本上只要抑制電壓發光的話，都可以獲得低電壓化效果，其中又以CuPc系膜層的低電壓化效果最顯著。如果考慮膜層的注入問題時，由於正孔輸送材料上方設有發光層，因此必需處理與Alq3劣化有關的問題才是根本解決對策。

此外所謂的CBP燐光host材料未來的發展備受研究人員高度關注，因為根據初步研究結果顯示，上述材料的移動度比a－NPD更高，而且具備某種程度的電子移動度。

《圖四　正孔注入層的電壓依存性》

燐光元件的特性

由於燐光發光元件是由各種材料所構成，因此最少需要五層，尤其是發光層與正孔阻止層，以往都是使用不同種類的材料，因此如何將Alq3堆疊造成的劣化動作機制加以轉換，成為未來必需克服的課題。

接著要介紹hole injection常用的高分子材料。(圖五)為利用高分子正孔注入層構成的燐光發光元件的特性。有關電壓特性與電洞特性，雖然高分子材料的效率比CuPc好，不過若欲維持高分子電洞（hole）的話電壓就會下降，主要原因是類似CBP host材料離子化潛能（potential）非常高，因此高分子電洞很不容易進入正孔注入層，雖然上述現象的動作機制還不清楚，不過一般認為電洞若能進入正孔注入層效率可望大幅提高。

《圖五　由高分子材料正孔注入層構成的燐光發光元件特性》

(圖六)是燐光發光元件的驅動特性，該圖是室溫環境下初期輝度為500時的使用壽命測試結果，由圖可知CuPc與高分子材料的動作特性並無明顯差異，而且兩者都有低電壓優點，電壓上升幾乎完全相同。

《圖六　由高分子材料正孔注入層構成的燐光發光元件特性》

(圖七)是有機EL發光元件的驅動特性，它是根據螢光元件與non dope的Alq3描繪（plot）的結果，有關圖中標示的1.2輝度加速係數，根據實驗顯示即使材料經過doping，結果該係數幾乎完全相同。由CBP材料構成的燐光發光元件，具有輝度加速係數為1.4的依存性，主要原因是該係數非常大，因此會出現某些熱性弱點，此外CBP容易結晶化也是原因之一，根據CBP資料顯示它的輝度加速係數高達1.8，由此可知CBP材料具有很大的輝度依存性。由於CBP材料是用濕製程（wet process）製作，所以詳細發生原因還不清楚，目前低分子系CBP材料的使用壽命比高分子系長，未來這類燐光材料若能克服以上問題，燐光系材料的使用壽命可望媲美螢光系材料。

《圖七　有機EL顯示器的使用壽命與輝度的依存性》

(圖八)是有機EL顯示器的材料發展藍圖（road map），根據三菱化學研究人員表示燐光系有塗佈技術，有機EL顯示器如果利用塗佈方式的話，可以提高製程的良品率與動作時取出效率。

《圖八　有機EL顯示器的材料發展藍圖》

結語

有機EL元件為主動性發光元件，它具有容易製作、低成本、高輝度、可撓曲、薄型化、省電、無視角限制等優點，因此長久以來被視為可撓式顯示器、電子書，以及各種被動式顯示器背光照明光源的最佳選擇，2003年數位相機首度採用有機EL元件作為顯示面板，這意味著有機EL顯示器的性能已經通過嚴苛的環境測試，此外加上燐光系發光材料技術上的突破，使得有機EL顯示器正式邁入商品應用摸索階段。

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