OLED寿命提升课题探讨.doc

OLED寿命提升课题探讨发布时间：2009-01-14 作者： 来源： 浏览次数： 2311987年邓青云博士发表全球第一篇小分子、双层式结构有机电激发光组件装置(Organic light-emitting diode, OLED)后，OLED挟着特有的自发光性、广视角、高对比、快应答速度和近毫米(mm)厚度的轻薄型化等特性，成为众人引领期盼的新显示器技术之一。至 今OLED的研究发展已迈1987年邓青云博士发表全球第一篇小分子、双层式结构有机电激发光组件装置(Organic light-emitting diode, OLED)后，OLED挟着特有的自发光性、广视角、高对比、快应答速度和近毫米(mm)厚度的轻薄型化等特性，成为众人引领期盼的新显示器技术之一。至 今OLED的研究发展已迈入双十年头，然而，OLED正式的商品却寥寥可数，有也是属于较低阶的显示器应用于携带式电子产品上。而阻碍OLED商品化的主 要因素可归咎于大型全彩化良率低和寿命短等问题。 OLED寿命通常以亮度衰减至起始亮度一半所需的时间来计算定义；然而，这样的计算方式符合实际使用情形吗? 答案是否定的。根据手机大厂Nokia在2007年国际显示信息年会(Society for Information Display, SID)中发表，该公司将手机面板改以OLED显示，并透过六种不同显示图案，经由实际人眼对于画面质量跟操作时间所造成亮度衰减及烙印(burn in)现象的感受度进行评估。发现当画面亮度衰减超过5%时，人眼即可以判断出画面与原始的差异；而当画面亮度衰减10%的时候，人眼对于画面已开始产生 恼人感，如图一所示。倘若以上述的方法视为OLED寿命检测标准，以“亮度衰减5%所需的时间”为依据的话，现今OLED寿命仍需有很大突破和成长。本文将针对影响OLED寿命衰退的机制以及改善的方式进行整理与讨论。图一、OLED面板应用于手机上，经长时间操作后，人眼对画面质量感受度测试：六种不同显示画面(上)、亮度衰减后画面恼人程度(中)、亮度衰减后画面质量差异度(下)影响OLED寿命衰退的外在因子影响OLED寿命衰退的因子，可将其区分为内在(intrinsic)和外在(extrinsic)两种。所谓的外在因子，就是指OLED寿命 衰退并非与OLED本身组件结构或是所使用的有机材料有关。而造成外在因子的最大来源就是环境中的水氧，由于OLED内有机材料与高活性金属阴极对于环境 中的水氧皆相当敏感，受侵蚀的位置当OLED通电时即呈现不发光的黑点，而黑点将会随着时间的增长而慢慢变大，使得真正发光的区域越来越小，造成OLED 亮度衰退的现象。改善OLED组件中黑点生长最直接有效的方式，就是透过良好的封装和具有吸湿能力的干燥剂来克服，表一即列出各种改善OLED寿命方法之 预期增益效果。表一、各种改善OLED寿命方法的预期增益效果影响OLED寿命衰退的内在因当能够完全抑制OLED组件黑点的生长来源后，然而，仍可以发现OLED的亮度还是随着操作时间增长而产生衰退现象。而这样的衰退机制，就要归 咎于OLED本身组件结构或是所使用的有机材料上，因此，这些就称之为内在因子。在研究内在因子的机制就相较复杂许多，且也无法以单一的机制来解释清楚所 有的衰退现象。下面我们将分为有机材料和组件结构两方面，来探讨内在因子影响OLED寿命衰退的现象与改善的方法。1.稳定的有机材料 (1).热稳定性：热稳定性是指有机材料本身需具有高的玻璃转移温度、和高的热裂解温度。这是因为在OLED制作过程中，有机膜层是以热蒸镀的方式形 成，所以刚蒸镀于基板上的有机膜层多属于非结晶型态；然而，对于一些低玻璃转移温度的有机材料来说，其易受到操作环境的温度或是OLED组件内部产生的焦 耳热(Joule Heating)，诱使膜层产生结晶型态，如此将会改变有机材料原本的物理性质，进而造成OLED亮度衰退的现象。 (2).电和光激发(氧化还原)稳定性：在多层式OLED组件中，理论上，空穴传输层中就只有空穴载子在其中传递，而电子传输层中就只有电子载子在其中传 递；然而，对于发光层来说，就同时存在着电子与空穴载子于其中。因此，作为发光层的有机材料，其对电和光激发的稳定性、或是其带正电或带负电的离子物质是 否稳定就格外重要。至于如何挑选出对光或电激发稳定的有机材料，可以初步透过循环伏安法(cyclic voltammetry, CV)观测有机材料的氧化还原特性来鉴定。图二、绿色磷光客发光体材料Ir(ppy)3之循环伏安法测量图(3).有机材料纯度：有机材料的纯度，被视为最基础来评断有机材料是否能用于OLED的首要条件之一，然而，却又是最容易被轻视的问题之一。 磷光材料开发的领导厂商Universal Display Corporation (UDC)，针对其产品红色磷光客发光体材料(RD07)的不同纯度对于OLED寿命进行测量，发现不同纯度的有机材料对于寿命有着相当程度的影响。然 而，每种鉴定有机纯度的仪器都有其极限，所以在进行OLED组件制作前，对于有机材料反复的纯化动作是有必要的，还有如何去除有机材料内所存在的微量离子 也是相当重要的。2. OLED组件结构-电极与有机层界面OLED组件中，所使用的电极与有机材料是属于完全不相同的物种，彼此间容易存在着附着力差的问题。此外，所使用的铟锡氧化物(ITO)阳极电 极和金属阴极电极，也与一般常用的空穴传输层材料和电子传输层材料间，存在着某些程度的能阶差异。因此，透过何种有效的电极表面修饰，或是选择何种适当的 缓冲层材料于电极和有机层界面，不仅是改善组件发光效率也是提升OLED寿命的关键之一。(1).降低能阶差： 1995年C. Adachi等人利用了14种具有不同游离能(ionization potential, Ip)之空穴传输层材料，来探讨其与ITO阳极间之能阶差对于OLED寿命衰退之关系。从实验结果可以发现，能阶差与OLED寿命衰退间有很大的相依性， 当电极与有机层间能阶差越小，OLED寿命则越长。除了阳极与空穴传输层界面的能阶差重要外，其实金属阴极和电子传输层界面能阶差也一样重要。当改善电子传输层(ETL)和发光层(EML)间电 子传输的能障，能有效改善OLED整体的寿命；另外，改善电子注入层(EIL)和金属阴极间电子注入的能障，则能有效改善OLED寿命初期衰退的问题。(2).形成近似奥姆界面(quasi-ohmic contact)：近年来，有许多研究专注在OLED组件上，所谓的p就是利用具有拉电子特性的分子，掺杂于空穴传输层材料中；而n就是利用具有推电子特 性的分子，掺杂于电子传输层材料中。透过这样的掺杂，可以使得电极与p或n型载子传输层界面产生能带弯曲(band-bending)，如图三所示，使得 空穴和电子载子可以藉由穿隧(tunneling)的方式，形成近似奥姆界面。而这样的方式也等同于上述所提到，降低电极和有机层界面能阶差，能有效提升 OLED寿命的效果。图三、(a). 传统OLED组件结构、(b). Pin -OLED组件结构示意图(3).电极表面修饰：其它改善电极与有机层界面的性质，可以透过通入氧气的等离子处理ITO电极表面、或是通入CHF气体的等离子处理ITO 电极表面