OLED显示屏技术介绍

OLED工藝介紹與應用

陳康、李君浩、宋郁玟、白宗城/錸寶科技公司

OLED(Organic light emitting diode)是繼TFT-LCD(Thin film transistor liquid crystal display)，新一代之平面顯示器技術。其具備有構造簡單、自發光不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度範圍廣等優點。1987年，美國Kodak公司鄧青雲(C.W. Tang)博士等人，將OLED組件及基本之材料確立[1]。1996年，日本Pioneer公司成為第一家將此技術量產化之公司，並將OLED面板搭配於其所生產之車用音響顯示器。近年來，由於其前景看好，日本、美國、歐洲、臺灣及韓國之研發團隊如雨後春筍般相繼成立，導致了有機發光材料日益成熟，設備廠商蓬勃發展，以及相繼工藝技術不斷之演進。

然而，OLED技術于原理及工藝上，與目前發展成熟之半導體、LCD、CD-R甚或LED產業雖有相關，但卻有其獨特know-how之處；因此，OLED量產化仍有許多瓶頸。臺灣錸寶科技公司系由1997年開始研發OLED之相關技術，于2000年成功量產OLED面板，成為繼日本東北先鋒後，全世界第二家量產OLED之面板公司；而2002年，更陸續外銷出貨單彩(mono-color)及區域多彩(area-color)面板如圖一所示，並提升良率及產量，一躍而成為世界上產量最大OLED面板供應商。

[圖一：錸寶之區域多彩及單彩OLED面板]

由於OLED工藝中，有機膜層之厚度將影響元件特性甚钜，一般而言，膜厚誤差必須小於5納米，為名符其實之納米科技。舉例來說，TFT-LCD平面顯示器之第三代基板尺寸，一般定義為550mm x650mm，在此尺寸之基板上，欲控制如此精准之膜厚，有其困難性，也因此限制了OLED在大面積基板之工藝，和大面積面板之應用。目前而言，OLED之應用主要為較小之單色(mono-color)及區域多彩(area-color)顯示器面板，如：手機主螢幕、手機副螢幕、遊戲機顯示器、車用音響螢幕及個人數位助理(PDA)顯示器。由於OLED全彩化之量產工藝尚未臻至成熟，小尺寸之全彩OLED產品預計於2002年下半年以後才會陸續上市。由於OLED為自發光顯示器，相較於同等級之全彩LCD顯示器，其視覺表現極為優異，有機會直接切入全彩小尺寸高檔產品，如：數碼相機和掌上型VCD(或DVD)播放器，至於大型面板(13吋以上)方面，雖有研發團隊展示樣品，但量產技術仍尚待開發。

OLED因發光材料的不同，一般可分小分子(通常稱OLED)及高分子(通常稱PLED)兩種，技術的授權分別為美國的Eastman Kodak(柯達)和英國的CDT(Cambridge Display Technology)，臺灣錸寶科技公司是少數同時發展OLED和PLED的公司。在本文中，主要介紹小分子OLED，首先將會介紹OLED原理，其次介紹相關關鍵工藝，最後會介紹目前OLED技術發展之方向。

OLED之原理

OLED組件系由n型有機材料、p型有機材料、陰極金屬及陽極金屬所構成。電子(空穴)由陰極(陽極)注入，經過n型(p型)有機材料傳導至發光層(一般為n型材料)，經由再結合而放光。一般而言，OLED元件製作的玻璃基板上先濺鍍ITO作為陽極，再以真空熱蒸鍍之方式，依序

鍍上p型和n型有機材料，及低功函數之金屬陰極。由於有機材料易與水氣或氧氣作用，產生暗點(Dark spot)而使元件不發亮。因此此元件於真空鍍膜完畢後，必須於無水氣及氧氣之環境下進行封裝工藝。

在陰極金屬與陽極ITO之間，目前廣為應用的元件結構一般而言可分為5層。如圖二所示，從靠近ITO側依序為：空穴注入層、空穴傳輸層、發光層、電子傳輸層、電子注入層。就OLED 組件演進歷史中，1987年Kodak首次發表之OLED組件，系由兩層有機材料所構成，分別為空穴傳輸層及電子傳輸層。其中空穴傳輸層為p型之有機材料，其特性為具有較高之空穴遷移率，且其最高佔據之分子軌域(Highest occupied molecule orbital，HOMO)與ITO較接近，可使空穴由ITO注入有機層之能障降低。

[圖二：OLED結構圖]

而至於電子傳輸層，系為n型之有機材料，其特性為具有較高之電子遷移率，當電子由電子傳輸層至空穴電子傳輸層介面時，由於電子傳輸層之最低非佔據分子軌域(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入空穴傳輸層，遂被阻擋於此介面。此時空穴由空穴傳輸層傳至介面附近與電子再結合而產生激子(Exciton)，而Exciton會以放光及非放光之形式進行能量釋放。以一般螢光(Fluorescence)材料系統而言，由選擇率(Selection rule)之計算僅得25%之電子空穴對系以放光之形式做再結合，其餘75%之能量則以放熱之形式散逸。近年來，正積極被開發磷光(Phosphorescence)材料成為新一代的OLED材料[2]，此類材料可打破選擇率之限制，以提高內部量子效率至接近100%。

在兩層元件中，n型有機材料－即電子傳輸層－亦同時被當作發光層，其發光波長系由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－並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色料，摻雜(Doped)於電子傳輸層中靠近空穴傳輸層之部分，又稱為發光層[3]，其體積比約為1%至3%。摻雜技術開發系用於增強原材料之螢光量子吸收率的重點技術，一般所選擇的材料為螢光量子吸收率高的染料(Dye)。由於有機染料之發展源自於1970至1980年代染料雷射，因此材料系統齊全，發光波長可涵蓋整個可見光區。在OLED組件中摻雜之有機染料，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，摻雜層太厚將會使驅動電壓上升；但若太薄，則能量由host轉移至dopant之比例將會變差，因此，此層厚度必須最佳化。

陰極之金屬材料，傳統上系使用低功函數之金屬材料(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，系導入一層電子注入層，其構成為一極薄之低功函數