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浅论磷光有机EL显示器技术
 

【作者: 高士】2007年06月28日 星期四

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前言

有机EL(Electro Luminescence)显示器属于主动性发光元件,具有大视角、高对比、高反应速度等LCD无法媲美的特性,因此最近几年有机EL显示器的发展动向,成为相关业者关注的焦点之一。


1997年日本PIONEER首度量产单色绿光有机EL显示器,广泛应用在汽车与行动电话的显示萤幕等领域。一般认为不论是多色(multi color)或是全彩(full color)有机EL显示器,提升R、G、B各色的EL材料特性与使用寿命,都是未来有待克服的课题。


此外传统萤光体材料构成的有机EL显示器,面临发光效率、光学特性与使用寿命等技术瓶颈,1999年Baldo氏发表燐光有机EL材料之后,立即引起日本国内高度重视,随后NHK、Pioneer、出光兴产等国外大企业陆续加入研发行列,接着本文要介绍燐光有机EL材料长寿化技术最新发展动向。



《图一 Ir错体构成的磷光组件基本结构与不同类型的素材》
《图一 Ir错体构成的磷光组件基本结构与不同类型的素材》

发展定位

99年Baldo氏以铟错体当作发光材料的绿色元件如(图一),它与传统萤光体构成的发光元件不同,尤其是燐光发光元件的超高外部量子效率,几乎完全颠覆传统观念。


一般认为有机EL的发光机制中,载子再结合后的一重项激发因子,与三重项激发因子的发生机率大约是1:3,换句话说单纯理论计算利用燐光发光元件的发光效率,比传统萤光体一重项激发因子高3倍左右,DC驱动时外部量子效率更超过15%以上。


不过Baldo氏发表的元件使用寿命非常短,驱动时,100小时后辉度就开始减半,造成使用寿命减短的原因可能与发光机构中燐光本身有关,因此针对dopant的稳定性、host材料CBP、 hole blocking层BCP的稳定性,以及各材料的纯度进行检讨、改善,对元件使用寿命的提升似乎毫无助益,必需深入探讨燐光有机EL元件短寿命的原因是否是燐光材料造成的现象。



《图二 以驱动时,各浓度与组件使用寿命的变化特性。 》
《图二 以驱动时,各浓度与组件使用寿命的变化特性。 》

燐光材料长寿化的可行性

浓度最佳化设计

此处以图一Baldo氏发表的材料为平台(base),探讨燐光有机EL元件长寿化的可行性。


根据实验结果证实dopant的浓度5~8wt%时外部量子效率最高,然而以往许多萤光体构成的有机EL元件实验经验显示,最佳效率时的dopant浓度与长寿命化并无直接关系,效率与寿命不一致的情况反而居多,某些场合即使效率降低仍旧可以延长元件寿命,因此最后决定先进行浓度与寿命的关连性实验。


(图二)是以驱动时,各浓度与元件使用寿命的变化特性,根据测试结果显示的浓度为5~8wt%时,外部量子效率最高前提下,元件寿命大约是100小时,的若浓度超过5~8wt%时元件寿命相对降低,随着浓度减少量子效率下跌的同时寿命却逐渐提高,寿命最长时的浓度大约是2.9wt%,此时元件的寿命为700小时,大约是浓度8.6wt%时的7倍。


虽然此时量子效率只有11.4%,即使如此仍然比传统萤光体构成的有机EL显示器高,不过浓度若低于2.9wt%以下的话,元件使用寿命反而会降低,换句话说透过浓度最佳化设计牺牲部份量子效率,理论上可以大幅提燐光高机EL元件的使用寿命。



《图三 以CuPc当作HIL的组件结构与CuPc》
《图三 以CuPc当作HIL的组件结构与CuPc》

采用Hole(HILL)注入层

传统萤光体有机EL显示器大多是将NPB单体当作输送层(HTL)使用,相较之下ITO与NPB之间的Hole(HIL)注入层若改用CuPc的话,除了可以提高元件的使用寿命之外,还可以抑制定电流驱动时的驱动电压上升,有鉴于此Pioneer方式应用在燐光有机EL显示器。


如(图三)所示它是利用透明电极与NPB层挟持CuPc,接着根据上述浓度2.9wt%可以获得长寿命的实验结果,进行有无CuPc层对元件寿命影响的测试,实验时同样是以定电流驱动。


根据(图四)得测试结果显示,插入CuPc时的外部量子效率比未使用CuPc低25%左右,不过元件的半减寿命却可以延长300小时,接近1000小时。


有关外部量子效率降低,主要是各有机层未形成可以维持最低膜厚的岛屿状,造成发光site至玻璃基板/ITO界面的光学膜层厚度最佳化溃散,最后导致无法有效利用光干涉特性。


此外,有关抑制驱动电压上升,如(图四)所示无CuPc的元件驱动电压上升非常急峻,不过只要添加CuPc就可以有效抑制驱动电压的上升,由此可知将CuPc当作HIL使用的方法,对驱动电压上升能够发挥良好的影响。



《图四 插入CuPc的组件寿命变化》
《图四 插入CuPc的组件寿命变化》

变更Hole blocking(HBL)层

BCP经常被当作Hole blocking(HBL)层使用,不过BCP材料本身并不稳定,而且一直被认为是造成燐光有机EL元件寿命缩短的原因之一,因此Pioneer改用同样是电子输送剂,不过稳定性受到一定程度认定的Balq(图五)取代传统的BCP。



《图五 以HBL当作BAlq的组件结构与BAlq》
《图五 以HBL当作BAlq的组件结构与BAlq》

(图六)是以定电流驱动方式,进行添加BAlq的燐光有机EL元件寿命测试获得的结果。如图所示添加BAlq时元件寿命大幅提高,DC驱动时初期辉度的半减寿命高达3000小时,比上述实验初期的100小时高30倍以上;初期辉度为时的半减寿命超过2万小时,不过此时外部量子效率会锐减20%只有6.8%左右,根据以上结果证实添加BAlq对燐光有机EL元件的长寿化具有决定性的影响。



《图六 以BAlq当作HBL的组件寿命变化》
《图六 以BAlq当作HBL的组件寿命变化》

有关外部量子效率降低现象,同样是HBL事实上BAlq的外部量子效率跌幅远大于BCP,虽然传统绿色萤光体有机EL显示器的外部量子效率,比燐光有机EL显示器的6.8%高1.5倍,使得燐光元件超高外部量子效率优势遭到挑战,不过透过光学膜层厚度最佳化设计,可以大幅改善燐光有机EL元件的外部量子效率。


必须注意的是如果要维持各有机膜层最低厚度的话,传统110nm的ITO膜层厚度不再是最适宜的光学膜厚。(表一)是ITO膜层厚度50nm时改变NBP层厚度之后获得的燐光有机EL元件特性,由表一的资料可知光学膜厚的最佳化设计,燐光有机EL元件的外部量子效率可以从6.8 %一举回复到9.1%水准,而且DC驱动时初期辉度为,半减寿命则超过3000小时,如果以的初期辉度换算,相当于2万小时的使用寿命,由于可知光学膜厚的最佳化设计具有提高燐光有机EL元件的外部量子效率与使用寿命双重效果。


(表一) 光学膜层最佳化结果

ITO(× nm)/CuPc(25nm)/NPB(y nm)/CBP(35nm)+1r(ppy)3(2.9%)/BAIq(10nm)/Alq3(40nm)


ITO
Thickness
x(nm)

NPB
Thickness
y(nm)

CIEx

CIEy

Luminance(cd/m2)

External quantum efficiency(%)

110

25

0.3025

0.6291

626

6.8

50

45

0.3007

0.6362

818

9.1


结语

如上所述燐光有机EL元件具备萤光有机EL元件无法媲美的发光效率,不过使用寿命却只有100小时左右,因此理论上毫无实用价值,不过透过以下列技术的改善,DC驱动时初期辉度为,半减寿命则超过3000小时,相当于的初期辉2万小时的使用寿命。


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