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新世紀的 ”鑫” 科技──有機電激發光二極體平面顯示器技術

簡金雄 國立交通大學OLED研究實驗室碩士班 研究生
陳金鑫 國立交通大學 應用化學研究所 教授

如果說液晶顯示器（Liquid Crystal Display，簡稱LCD）是二十世紀平面顯示器的發展史中，一個令人驚喜的里程碑，那麼有機發光二極體（Organic Light-Emitting Diodes，簡稱OLED）則是人類在二十一世紀所夢想追求能超越LCD的平面顯示技術。為什麼這麼說呢？因為二十一世紀的時代是一個 ” 3C ” 的時代，也就是通訊（Communication）、電腦（Computer）與消費性電子器材（Consumer Electronics）的時代，在這樣的生活當中，各種小型的電子用品將時時伴隨著我們，如上網購物、收發電子郵件、安排行程、打電話等，都可隨時隨地進行，人機之間的接觸越來越頻繁，人機之間也將以平面顯示器為主要的溝通介面，相對的，人們對顯示器的要求也會越來越高，例如輕薄短小、精緻靈敏、色彩鮮艷、省電等，而能將這些特性集於一身的，就是OLED。因此，在不久的將來，跟紙張一樣厚度的電視螢幕、捲軸式的電子書刊（e-paper）或行動電話、色彩亮麗的手機螢幕等產品將會出現在我們的生活中，無庸置疑的，這將會使我們未來的生活更加的亮麗鮮豔、多采多姿。

既然OLED想要與LCD競爭新世紀主流平面顯示器的地位，那他必定有著許多LCD所沒有的優點，我們將一些OLED的特性列舉如下：

˙自發光，視角廣達165°以上
˙反應時間快（~1μs）
˙高亮度（100-14000 cd/m2）
˙高流明效率（16-38 lm/W）
˙低操作電壓（3-9V DC）
˙面板厚度薄（2 mm）
˙可製作大尺寸與可撓曲性面板
˙製程簡單，具有低成本的潛力（30-40% of TFT-LCD）

綜合以上各種OLED的特性所製成的顯示器，將不會有LCD從側面看就看不清楚的問題；也不會有LCD影像殘留及畫面跳動的情況；不但便宜，而且省電；相較於LCD，顏色更鮮艷，對比更鮮明；而小於2 mm厚度的全彩面板更是只有OLED才能作到。

這樣吸引人的特性，到底OLED是怎樣辦到的呢？以下我們針對OLED的發光原理與發展歷史作一簡介：

OLED又可稱為有機電激發光（Organic Electroluminescence，簡稱OEL），簡單的說，就是將一外加偏壓，使電子電洞分別經過電洞傳輸層（Hole Transport Layer）與電子傳輸層（Electron Transport Layer）後，進入一具有發光特性的有機物質，在其內再結合時，形成一"激發光子"（exciton）後，再將能量釋放出來而回到基態（ground state），而這些被釋放出來的能量中，由於所選擇的發光材料的不同，可使部份能量以不同顏色的光的形式釋放出來，而形成OLED的發光現象（圖一）。

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，觀察到發光的現象。雖然有一些後續的研究，不過這項成果並未受到重視。一直到1987年美國柯達公司的Tang與VanSlyke等人發明真空蒸鍍及三層結構（圖二）的小分子OLED元件後，OLED的效能大幅躍進至具有深厚商業應用的潛力。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。


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），也相當穩定，十分符合元件的要求。而當鎂銀（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）金屬（1.4eV）的化合物如LiF、Li2O等，與鋁（Al）金屬（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。

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），使得主發光體（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，不但可得到紅、藍、綠三色的OLED元件，也因此使得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。一些目前常用的有機材料如圖三。



另外一個攸關OLED顯示器效果的重要關鍵，就是顯示器的驅動方式。就目前來說，OLED的驅動方式可分為被動式矩陣（passive matrix，即PM-OLED）與主動式矩陣（active matrix，即AM-OLED）兩類（基本電路設計如圖四），其中被動式矩陣架構較簡單（其立體剖面圖如圖五），成本也較低，但必需在高脈衝電流下操作，才能達到適合人眼觀賞的亮度，因OLED的亮度與所通過的電流密度成正比，太高的操作電流不但會使電路效率及壽命降低，因為掃瞄的關係使其解析度也受限制，因此PM-OLED比較適合於小尺寸的產品。相反的，AM-OLED雖然成本較昂貴、製程較複雜（仍比TFT-LCD容易），但其每一個畫素（pixel）皆可記憶驅動信號並可獨立與連續驅動，且效率較高，適用於大尺寸與高解析度之高資訊容量的顯示產品。


在目前最新的文獻中，科學家們兵分兩路的從發光原理及受質材質上著手。利用三重態（triplet）的發光，把先前光物理上不能發光的而損失掉的能量用來發光（見圖一），大大的將OLED的發光效率躍進了三倍以上，流明效率可躍升到38 lm/W。另外在受質的材質上，科學家也研究以可撓曲的塑膠面板來替代現有的玻璃面板，或是以透明的導電材質取代現有的金屬電極，使得光可以從陰極面或兩面發出。另外也有許多關於白光OLED的研究，未來有希望用以取代目前以燈泡為主的各種光源。可想而知的，這些研究將會進一步擴展OLED在未來產品的應用。

簡而言之，OLED的遠景與商機，是任何有眼光的產商都不會錯過的，世界上各大光電、電子與化學廠商，都紛紛加入競爭的行列。其中以美國柯達（Kodak）在小分子OLED居於領導地位，並且在1999年與日本的三陽公司（Sanyo）共同發表的全球第一座5.5吋的主動式全彩化OLED顯示器（如圖六）；英國CDT公司則在多分子PLED領先群倫，也在1998年開發出主動式單色PLED顯示器；日本的Pioneer在1997年推出多彩的汽車音響面板，並在2000年將多彩OLED應用在美國摩托羅拉（Motorola）” Timeport ” 的手機面板上，是全球第一間量產OLED產品的公司；而臺灣的錸寶公司則在1999年成立並與美國柯達公司合作，成為全球第二家、臺灣第一家量產OLED的公司；緊接著在2001年，新成立的東元激光也宣布與美國柯達公司合作，預計明年即可量產，成為全球第三家量產OLED的公司。目前世界各大廠商無不以全彩OLED為首要目標，如日本的SONY公司即發表了最新消息，要在2003年量產目前全球最大尺寸的13吋OLED平面顯示器。一波波的最新消息中，一再的顯現出OLED在全球大廠眼中無窮的魅力。

在這樣的一股趨勢之中，臺灣的產界、學界怎麼會任憑機會溜走？錸德公司旗下的錸寶公司，宏碁集團所屬的達碁科技，東元集團轉投資的東元激光，國聯光電旗下的聯仲科技，勝華電子所屬的勝園科技等，另外傳統化工產業的奇美集團，臺塑集團旗下的南亞科技，以及永信化學公司等，在國內各著名大學相關科系、研究機關的支援下，無不投入大筆資金、招兵買馬，摩拳擦掌準備抓住這個機會與世界各大廠商一較高下，期望能擺脫過去以代工為主的產業形態，一躍登上產業金字塔的頂端。

在這個新世紀之初，可以預見OLED會是未來發出耀眼光芒的一項光電整合產業，我們何其有幸能在這個關鍵時刻，貢獻自己一份心力，不論是物理、化學、電子、電機、材料、光電等各種人才，都是發展OLED所急需的生力軍。唯有我們共同努力，才能讓OLED展現耀眼的光芒，也讓臺灣在世界科技舞臺發光，更能讓這個明日之 ”鑫” 的科技真正實現在你我的生活之中。

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