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世界各國積極發展新世代以OLED為主流的顯示技術，

臺灣在此競爭中也不落人後，2010年工研院研究團隊掌握「軟性」OLED技術，製造出可撓曲的顯示器，讓科技電影中像紙張一樣輕薄，可收納、彎折的顯示器，不再遙不可及。

 

 

 

 

OLED全名為有機發光二極體（Organic Light Emitting Diode），是現今各國光電產業研發重點之一，但在高中科學教育裡，對於相關技術僅簡言帶過，筆者撰文將此科技做更進一步介紹，期盼能作為教學現場的補充資料，且能吸引更多優秀人才投入研究工作。

 

❐有機發光二極體的發展

紅光與綠光無機LED自60年代起就已出現，但藍光LED受限於發光效率不佳，間接導致利用三原色調色的白光LED商品一直遲遲無法問世。直到日本學者赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）、中村修二（Shuji Nakamura）在藍光LED上的努力，終於在1990年代初期有了革命性發展，三位學者更因此獲得2014年諾貝爾物理獎。但無機LED受限於磊晶生產技術，所以無法製造出高解析度顯示器，故大多用於LCD背光源或是一般照明設備。然而，OLED可彌補此一缺憾，提供做為高解析度顯示器的應用。

 

有機材料的電激發光行為，在1963年波普（Pope）等人就已發現。利用厚度約5 mm的蒽（anthracene）作為發光層，當外加電壓大於100伏特以上，蒽可發出微弱的藍光，可惜發光效率不佳。直到1987年，美國柯達公司的鄧青雲團隊，將有機小分子在高溫低壓的條件下，把材料真空蒸鍍（vacuum evaporation）並製成雙層元件（device），在小於10伏特的電壓下，外部量子效率可達到1％。不但開啟了OLED的實用性與未來性，更吸引各國科學家投入相關研究。

 

有機物本身具有良好的加工性與成膜性，加上可藉由化學結構的設計與改變，調整材料本身的熱性質、發光性質與導電性，使得材料應用性大為提升。目前亞洲國家，包含臺灣、韓國與日本等大多採用有機小分子，以真空蒸鍍技術來製造出元件，這類元件稱為OLED；而歐洲國家則利用有機高分子，以旋轉塗佈（spin coating）或噴墨印刷（inkjet printing）的技術來製造出元件，這類元件稱為PLED（Polymer Light Emitting Diode）。兩者雖製程方式略有不同，但原理相同。

 

 

  

 

 

❐OLED的原理

在元件中，因為每層材料特性都不相同，例如：能階高低、電荷在材料中遷移速率，所以除了材料的種類、元件結構設計以外，另外像是各層材料的厚度、熱穩定度或是軟性塑膠基板的種類與陰極金屬的選擇等，也是各研究團隊努力尋找與嘗試的方向，更是各研發團隊機密。例如：現今商品化產品中，為提升「開口率」，大多採用「上發光」的形式，即光線是由陰極射出，而非早期由陽極射出。但金屬不透光，所以須將會反射光線的陰極金屬，改良成半透明陰極，以提升其實用性。但究竟製程條件與配方如何，就只有該研發團隊人員才會知曉。

 

 

 

 

❐OLED的技術發展

一般消費者的習慣，不論是手機螢幕、家用顯示器或大尺寸電視，使用年限須至少有3~5年，假設以每天使用8小時為基準，這代表OLED顯示器壽命至少需9千~1萬5千小時，前提還須在這段時間內，顯示器亮度、飽和度等不能有顯著變化，並造成畫質下降而影響使用意願。目前LCD主流產品，大多能維持2萬~3萬小時，已足夠消費者使用，所以OLED發展重要方向之一，即在如何有效提升元件壽命。2014年《日經新聞》報導，日商Kaneka已研發出一款使用壽命長達5萬小時的OLED面板，若其所言為真，不但為現行LCD產品的2倍，甚可媲美目前家用主流的無機LED照明用品。

 

 

 

 

❐主要的研究方向與技術發展：

提升電子與電洞在發光層的結合率

OLED元件的發光層中，電洞的數目通常較電子數目多，若能適當調整兩者在發光層的數量，將有助於再結合率的提升，也能表現出較高效率與亮度。此可分為兩個改進方向，其一為使較多的電子進入發光層，電子注入材料及電子傳輸材料的開發，都有助於提升電子進入到發光層的數目；其二為減少電洞進入發光層的數量或延長電洞停留在發光層的時間，可在元件內加入緩衝層或是電洞阻擋層。以上除了材料本身開發與元件設計外，藉由元件中各層厚度調整，也是可行的方法。

 

增加材料之熱穩定性

熱穩定性包含不易熱分解與不易熱結晶兩點。第一、製備有機小分子元件時，常會使用到真空蒸鍍技術，並藉由依序蒸鍍上不同材料，達到製備多層材料元件的目的。為此，材料在達熱分解溫度以前，需能夠發生昇華或氣化的現象。若材料熱穩定性不佳，在蒸鍍過程中發生了熱分解，則分解產生出的雜質不但可能使元件效率下降，更造成製程不穩定，無法在多條產線中大量生產。第二、真空蒸鍍材料以薄膜的形式層層附著，當元件長時間操作時，電流產生的熱效應，會使元件溫度上升。若有機小分子因受熱造成分子間滑動，當元件溫度下降，分子容易堆積，使薄膜形成結晶態，進而造成元件效率下降。

 

研發具良好氧化還原特性材料

電子或電洞流經材料時，同時發生了還原或氧化反應。若材料本身容易因為發生還原或氧化反應後，造成分子結構改變甚至分解，將使其性質明顯改變，這代表經過長時間操作後，各層材料的功能性下降，並影響元件使用壽命、亮度與效率。

除以上幾項因素外，另外包含基板與蒸鍍薄膜的平整度、製程中微粒的汙染、水氣與氧氣的影響、元件中層與層之間的有效接觸、發光層激發態的穩定性、電荷累積的效應等等，都影響著OLED元件的效能。

 

OLED的未來與發展

和液晶技術相比，OLED具有自發光、廣視角、反應時間快、高發光效率、低操作電壓、面板厚度薄、工作溫度範圍廣、重量輕、成本低……等優勢，加上可製作大尺寸、可撓曲性面板及製程相對簡單等特性，目前產品市場上，市佔率正不斷提升，加上OLED為平面光源，光線更為柔和，故其產品也愈加豐富。

臺灣這數十年來，半導體產業以及LCD產業的技術發展，都足以作為OLED發展根基，加上國內學術研究機構，在光電產業人才的培養不遺餘力，若能在此產業取得立足之地，不但可對節能、環保盡一份心力，更將改變你、我的生活，替未來創造更多想像。

 

 

趙君傑／現任臺北市立建國中學化學科教師。

 

 

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1.陳金鑫、黃孝文，《OLED有機電激發光材料與元件》，臺北，五南出版社，2005年。

2.〈OLED顯示器市場發展趨勢〉，DIGITIMES，http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?CnlID=13&Cat=&id=138261，2009年6月11日。