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淺論燐光有機EL顯示器技術
 

【作者: 高士】   2007年06月28日 星期四

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前言

有機EL(Electro Luminescence)顯示器屬於主動性發光元件,具有大視角、高對比、高反應速度等LCD無法媲美的特性,因此最近幾年有機EL顯示器的發展動向,成為相關業者關注的焦點之一。


1997年日本PIONEER首度量產單色綠光有機EL顯示器,廣泛應用在汽車與行動電話的顯示螢幕等領域。一般認為不論是多色(multi color)或是全彩(full color)有機EL顯示器,提升R、G、B各色的EL材料特性與使用壽命,都是未來有待克服的課題。


此外傳統螢光體材料構成的有機EL顯示器,面臨發光效率、光學特性與使用壽命等技術瓶頸,1999年Baldo氏發表燐光有機EL材料之後,立即引起日本國內高度重視,隨後NHK、Pioneer、出光興產等國外大企業陸續加入研發行列,接著本文要介紹燐光有機EL材料長壽化技術最新發展動向。



《圖一  Ir錯體構成的燐光元件基本結構與不同類型的素材》
《圖一 Ir錯體構成的燐光元件基本結構與不同類型的素材》

發展經緯

99年Baldo氏以銦錯體當作發光材料的綠色元件如(圖一),它與傳統螢光體構成的發光元件不同,尤其是燐光發光元件的超高外部量子效率,幾乎完全顛覆傳統觀念。


一般認為有機EL的發光機制中,載子再結合後的一重項激發因子,與三重項激發因子的發生機率大約是1:3,換句話說單純理論計算利用燐光發光元件的發光效率,比傳統螢光體一重項激發因子高3倍左右,DC驅動時外部量子效率更超過15%以上。


不過Baldo氏發表的元件使用壽命非常短,驅動時,100小時後輝度就開始減半,造成使用壽命減短的原因可能與發光機構中燐光本身有關,因此針對dopant的穩定性、host材料CBP、hole blocking層BCP的穩定性,以及各材料的純度進行檢討、改善,對元件使用壽命的提升似乎毫無助益,必需深入探討燐光有機EL元件短壽命的原因是否是燐光材料造成的現象。



《圖二  以驅動時,各濃度與元件使用壽命的變化特性。 》
《圖二 以驅動時,各濃度與元件使用壽命的變化特性。 》

燐光材料長壽化的可行性

濃度最佳化設計

此處以圖一Baldo氏發表的材料為平台(base),探討燐光有機EL元件長壽化的可行性。


根據實驗結果證實dopant的濃度5~8wt%時外部量子效率最高,然而以往許多螢光體構成的有機EL元件實驗經驗顯示,最佳效率時的dopant濃度與長壽命化並無直接關係,效率與壽命不一致的情況反而居多,某些場合即使效率降低仍舊可以延長元件壽命,因此最後決定先進行濃度與壽命的關連性實驗。


(圖二)是以驅動時,各濃度與元件使用壽命的變化特性,根據測試結果顯示的濃度為5~8wt%時,外部量子效率最高前提下,元件壽命大約是100小時,的若濃度超過5~8wt%時元件壽命相對降低,隨著濃度減少量子效率下跌的同時壽命卻逐漸提高,壽命最長時的濃度大約是2.9wt%,此時元件的壽命為700小時,大約是濃度8.6wt%時的7倍。


雖然此時量子效率只有11.4%,即使如此仍然比傳統螢光體構成的有機EL顯示器高,不過濃度若低於2.9wt%以下的話,元件使用壽命反而會降低,換句話說透過濃度最佳化設計犧牲部份量子效率,理論上可以大幅提燐光高機EL元件的使用壽命。



《圖三  以CuPc當作HIL的元件結構與CuPc》
《圖三 以CuPc當作HIL的元件結構與CuPc》

採用Hole(HIL)注入層

傳統螢光體有機EL顯示器大多是將NPB單體當作輸送層(HTL)使用,相較之下ITO與NPB之間的Hole(HIL)注入層若改用CuPc的話,除了可以提高元件的使用壽命之外,還可以抑制定電流驅動時的驅動電壓上升,有鑑於此Pioneer方式應用在燐光有機EL顯示器。


如(圖三)所示它是利用透明電極與NPB層挾持CuPc,接著根據上述濃度2.9wt%可以獲得長壽命的實驗結果,進行有無CuPc層對元件壽命影響的測試,實驗時同樣是以定電流驅動。


根據(圖四)得測試結果顯示,插入CuPc時的外部量子效率比未使用CuPc低25%左右,不過元件的半減壽命卻可以延長300小時,接近1000小時。


有關外部量子效率降低,主要是各有機層未形成可以維持最低膜厚的島嶼狀,造成發光site至玻璃基板/ITO界面的光學膜層厚度最佳化潰散,最後導致無法有效利用光干涉特性。


此外,有關抑制驅動電壓上升,如(圖四)所示無CuPc的元件驅動電壓上升非常急峻,不過只要添加CuPc就可以有效抑制驅動電壓的上升,由此可知將CuPc當作HIL使用的方法,對驅動電壓上升能夠發揮良好的影響。



《圖四  插入CuPc的元件壽命變化》
《圖四 插入CuPc的元件壽命變化》

變更Hole blocking(HBL)層

BCP經常被當作Hole blocking(HBL)層使用,不過BCP材料本身並不穩定,而且一直被認為是造成燐光有機EL元件壽命縮短的原因之一,因此Pioneer改用同樣是電子輸送劑,不過穩定性受到一定程度認定的Balq(圖五)取代傳統的BCP。



《圖五  以HBL當作BAlq的元件結構與BAlq》
《圖五 以HBL當作BAlq的元件結構與BAlq》

(圖六)是以定電流驅動方式,進行添加BAlq的燐光有機EL元件壽命測試獲得的結果。如圖所示添加BAlq時元件壽命大幅提高,DC驅動時初期輝度的半減壽命高達3000小時,比上述實驗初期的100小時高30倍以上;初期輝度為時的半減壽命超過2萬小時,不過此時外部量子效率會銳減20%只有6.8%左右,根據以上結果證實添加BAlq對燐光有機EL元件的長壽化具有決定性的影響。



《圖六  以BAlq當作HBL的元件壽命變化》
《圖六 以BAlq當作HBL的元件壽命變化》

有關外部量子效率降低現象,同樣是HBL事實上BAlq的外部量子效率跌幅遠大於BCP,雖然傳統綠色螢光體有機EL顯示器的外部量子效率,比燐光有機EL顯示器的6.8%高1.5倍,使得燐光元件超高外部量子效率優勢遭到挑戰,不過透過光學膜層厚度最佳化設計,可以大幅改善燐光有機EL元件的外部量子效率。


必需注意的是如果要維持各有機膜層最低厚度的話,傳統110nm的ITO膜層厚度不再是最適宜的光學膜厚。(表一)是ITO膜層厚度50nm時改變NBP層厚度之後獲得的燐光有機EL元件特性,由表一的資料可知光學膜厚的最佳化設計,燐光有機EL元件的外部量子效率可以從6.8%一舉回復到9.1%水準,而且DC驅動時初期輝度為,半減壽命則超過3000小時,如果以的初期輝度換算,相當於2萬小時的使用壽命,由於可知光學膜厚的最佳化設計具有提高燐光有機EL元件的外部量子效率與使用壽命雙重效果。


(表一) 光學膜層最佳化結果

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


結語

如上所述燐光有機EL元件具備螢光有機EL元件無法媲美的發光效率,不過使用壽命卻只有100小時左右,因此理論上毫無實用價值,不過透過以下列技術的改善,DC驅動時初期輝度為,半減壽命則超過3000小時,相當於的初期輝2萬小時的使用壽命。


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