有機(jī)電致發(fā)光器件

有機(jī)電致發(fā)光器件(Organic Light-Emitting Device，OLED)

有機(jī)電致發(fā)光器件(Organic Light-Emitting Device，OLED)是當(dāng)今光電顯示領(lǐng)域里研究的熱點(diǎn)。與以往的顯示技術(shù)相比，OLED具有很多優(yōu)異的性能，如寬視角、快的響應(yīng)速度、輕而薄、高亮度、高效率和主動(dòng)發(fā)光。在過(guò)去的十年中，關(guān)于有機(jī)發(fā)光二極管特性的研究已經(jīng)取得了卓越的成就，但是對(duì)于影響其穩(wěn)定性的因素和老化機(jī)制等方面仍缺乏深層次的認(rèn)識(shí)。所以如何提高器件的性能特別是穩(wěn)定性就成了近年來(lái)在OLED研究的重點(diǎn)問(wèn)題。

OLED的穩(wěn)定性跟很多因素有關(guān)，如器件結(jié)構(gòu)，有機(jī)材料，電極材料，工藝條件，驅(qū)動(dòng)模式等。全球諸多機(jī)構(gòu)針對(duì)這幾個(gè)方面都在進(jìn)行相關(guān)的探索。近來(lái)，人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到驅(qū)動(dòng)模式在影響OLED性能方面的重要性。OLED驅(qū)動(dòng)方式多種多樣，就驅(qū)動(dòng)電壓的極性來(lái)分有直流驅(qū)動(dòng)和交流驅(qū)動(dòng)。目前幾乎全部都采用直流方式，但交流驅(qū)動(dòng)較直流驅(qū)動(dòng)有著許多優(yōu)勢(shì)。

有機(jī)發(fā)光顯示屏

OLED的原理
OLED組件系由n型有機(jī)材料、p型有機(jī)材料、陰極金屬及陽(yáng)極金屬所構(gòu)成。電子(空穴)由陰極(陽(yáng)極)注入，經(jīng)過(guò)n型(p型)有機(jī)材料傳導(dǎo)至發(fā)光層(一般為n型材料)，經(jīng)由再結(jié)合而放光。一般而言，OLED元件制作的玻璃基板上先濺鍍ITO作為陽(yáng)極，再以真空熱蒸鍍之方式，依序鍍上p型和n型有機(jī)材料，及低功函數(shù)之金屬陰極。由於有機(jī)材料易與水氣或氧氣作用，產(chǎn)生暗點(diǎn)(Dark spot)而使元件不發(fā)亮。因此此元件於真空鍍膜完畢後，必須於無(wú)水氣及氧氣之環(huán)境下進(jìn)行封裝工藝。
在陰極金屬與陽(yáng)極ITO之間，目前廣為應(yīng)用的元件結(jié)構(gòu)一般而言可分為5層。如圖二所示，從靠近ITO側(cè)依序?yàn)椋嚎昭ㄗ⑷雽印⒖昭▊鬏攲?、發(fā)光層、電子傳輸層、電子注入層。就OLED組件演進(jìn)歷史中，1987年Kodak首次發(fā)表之OLED組件，系由兩層有機(jī)材料所構(gòu)成，分別為空穴傳輸層及電子傳輸層。其中空穴傳輸層為p型之有機(jī)材料，其特性為具有較高之空穴遷移率，且其最高占據(jù)之分子軌域(Highest occupied molecule orbital，HOMO)與ITO較接近，可使空穴由ITO注入有機(jī)層之能障降低。

圖二：OLED結(jié)構(gòu)圖

而至於電子傳輸層，系為n型之有機(jī)材料，其特性為具有較高之電子遷移率，當(dāng)電子由電子傳輸層至空穴電子傳輸層介面時(shí)，由於電子傳輸層之最低非占據(jù)分子軌域(Lowest unoccupied molecule orbital，LUMO)較空穴傳輸層之LUMO高出甚多，電子不易跨越此一能障進(jìn)入空穴傳輸層，遂被阻擋於此介面。此時(shí)空穴由空穴傳輸層傳至介面附近與電子再結(jié)合而產(chǎn)生激子(Exciton)，而Exciton會(huì)以放光及非放光之形式進(jìn)行能量釋放。以一般螢光(Fluorescence)材料系統(tǒng)而言，由選擇率(Selection rule)之計(jì)算僅得25%之電子空穴對(duì)系以放光之形式做再結(jié)合，其余75%之能量則以放熱之形式散逸。近年來(lái)，正積極被開(kāi)發(fā)磷光(Phosphorescence)材料成為新一代的OLED材料[2]，此類(lèi)材料可打破選擇率之限制，以提高內(nèi)部量子效率至接近100%。
在兩層元件中，n型有機(jī)材料－即電子傳輸層－亦同時(shí)被當(dāng)作發(fā)光層，其發(fā)光波長(zhǎng)系由HOMO及LUMO之能量差所決定。然而，好的電子傳輸層－即電子遷移率高之材料－并不一定為放光效率佳之材料，因此目前一般之做法，系將高螢光度的有機(jī)色料，摻雜(Doped)於電子傳輸層中靠近空穴傳輸層之部分，又稱(chēng)為發(fā)光層[3]，其體積比約為1%至3%。摻雜技術(shù)開(kāi)發(fā)系用於增強(qiáng)原材料之螢光量子吸收率的重點(diǎn)技術(shù)，一般所選擇的材料為螢光量子吸收率高的染料(Dye)。由於有機(jī)染料之發(fā)展源自於1970至1980年代染料雷射，因此材料系統(tǒng)齊全，發(fā)光波長(zhǎng)可涵蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)。在OLED組件中摻雜之有機(jī)染料，能帶較差，一般而言小於其宿主(Host)之能帶，以利exciton由host至摻雜物(Dopant)之能量轉(zhuǎn)移。然而，由於dopant能帶較小，而在電性上系扮演陷阱(trap)之角色，因此，摻雜層太厚將會(huì)使驅(qū)動(dòng)電壓上升；但若太薄，則能量由host轉(zhuǎn)移至dopant之比例將會(huì)變差，因此，此層厚度必須最佳化。
陰極之金屬材料，傳統(tǒng)上系使用低功函數(shù)之金屬材料(或合金)，如鎂合金，以利電子由陰極注入至電子傳輸層，此外一種普遍之做法，系導(dǎo)入一層電子注入層，其構(gòu)成為一極薄之低功函數(shù)金屬鹵化物或氧化物，如LiF或Li2O，此可大幅降低陰極與電子傳輸層之能障[4]，降低驅(qū)動(dòng)電壓。
由於空穴傳輸層材料之HOMO值與ITO仍有差距，此外ITO陽(yáng)極在長(zhǎng)時(shí)間操作後，有可能釋放出氧氣，并破壞有機(jī)層產(chǎn)生暗點(diǎn)。故在ITO及空穴傳輸層之間，插入一空穴注入層，其HOMO值恰介於ITO及空穴傳輸層之間，有利於空穴注入OLED元件，且其薄膜之特性可阻隔ITO中之氧氣進(jìn)入OLED元件，以延長(zhǎng)元件壽命。