OLED發光原理、結構及關鍵技術深度圖文解析

　　深度解析OLED結構及發光原理關鍵技術。OLED的原文是Organic Light Emitting Diode，中文意思就是「有機發光顯示技術」。其原理是在兩電極之間夾上有機發光層，當正負極電子在此有機材料中相遇時就會發光，其組件結構比目前流行的TFT LCD簡單，生產成本只有TFT LCD的三到四成左右。除了生產成本便宜之外，OLED還有許多優勢，比如自身發光的特性，目前LCD都需要背光模塊(在液晶後面加燈管)，但OLED通電之後就會自己發光，可以省掉燈管的重量體積及耗電量(燈管耗電量幾乎佔整個液晶屏幕的一半)，不僅讓產品厚度只剩兩釐米左右，操作電壓更低到2至10伏特，加上OLED的反應時間(小於10ms)及色彩都比TFT LCD出色，更有可彎曲的特性，讓它的應用範圍極廣。

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　　OLED結構及發光原理

　　OLED的基本結構是在銦錫氧化物(ITO)玻璃上製作一層幾十納米厚的有機發光材料作發光層，發光層上方有一層低功函數的金屬電極，構成如三明治的結構。

　　OLED的基本結構主要包括：

　　基板(透明塑料、玻璃、金屬箔)——基層用來支撐整個OLED。

　　陽極(透明)——陽極在電流流過設備時消除電子(增加電子「空穴」)。

　　空穴傳輸層——該層由有機材料分子構成，這些分子傳輸由陽極而來的「空穴」。

　　發光層——該層由有機材料分子(不同於導電層)構成，發光過程在這一層進行。

　　電子傳輸層——該層由有機材料分子構成，這些分子傳輸由陰極而來的「電子」。

　　陰極(可以是透明的，也可以不透明，視OLED類型而定)——當設備內有電流流通時，陰極會將電子注入電路。

　　OLED是雙注入型發光器件，在外界電壓的驅動下，由電極注入的電子和空穴在發光層中複合形成處於束縛能級的電子空穴對即激子，激子輻射退激發發出光子，產生可見光。為增強電子和空穴的注入和傳輸能力，通常在ITO與發光層之間增加一層空穴傳輸層，在發光層與金屬電極之間增加一層電子傳輸層，從而提高發光性能。其中，空穴由陽極注入，電子由陰極注入。空穴在有機材料的最高佔據分子軌道(HOMO)上跳躍傳輸，電子在有機材料的最低未佔據分子軌道(LUMO)上跳躍傳輸。

　　OLED的發光過程通常有以下5個基本階段：

　　載流子注入：在外加電場作用下，電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機功能層注入。

　　載流子傳輸：注入的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發光層遷移。

　　載流子複合：電子和空穴注入到發光層後，由於庫倫力的作用束縛在一起形成電子空穴對，即激子。

　　激子遷移：由於電子和空穴傳輸的不平衡，激子的主要形成區域通常不會覆蓋整個發光層，因而會由於濃度梯度產生擴散遷移。

　　激子輻射退激發出光子：激子輻射躍遷，發出光子，釋放能量。

　　OLED發光的顏色取決於發光層有機分子的類型，在同一片OLED上放置幾種有機薄膜，就構成彩色顯示器。光的亮度或強度取決於發光材料的性能以及施加電流的大小，對同一OLED，電流越大，光的亮度就越高。

　　OLED的製造原理

　　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。

　　而至於電子傳輸層，係為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。以一般螢光材料系統而言，由選擇率之計算僅得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，正積極被開發磷光材料成為新一代的OLED材料，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，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。

　　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金屬滷化物或氧化物，如LiF或Li2O，此可大幅降低陰極與電子傳輸層之能障，降低驅動電壓。

　　由於空穴傳輸層材料之HOMO值與ITO仍有差距，此外ITO陽極在長時間操作後，有可能釋放出氧氣，並破壞有機層產生暗點。故在ITO及空穴傳輸層之間，插入一空穴注入層，其HOMO值恰介於ITO及空穴傳輸層之間，有利於空穴注入OLED元件，且其薄膜之特性可阻隔ITO中之氧氣進入OLED元件，以延長元件壽命。

　　OLED的製備工藝

　　OLED因其構造簡單，所以生產流程不像LCD製造程序那樣繁複。但由於現今OLED製程設備還在不斷改良階段，並沒有統一標準的量產技術，而主動與被動驅動以及全彩化方法的不同都會影響OLED的製程和機組的設計。但是，整個生產過程需要潔淨的環境和配套的工藝和設備。改善器件的性能不僅要從構成器件的基礎，即材料的化學結構入手，提高材料性能和豐富材料的種類;還要深入了解器件的物理過程和內部的物理機制，有針對性地改進器件的結構以提高器件的性能。兩者相輔相成，不斷推進OLED技術的發展。

　　ITO基板預處理工藝

　　首先需要準備導電性能好和透射率高的導電玻璃，通常使用ITO玻璃。高性能的ITO玻璃加工工藝比較複雜，市面上可以直接買到。ITO作為電極，需要特定的形狀、尺寸和圖案來滿足器件設計的要求，可委託廠家按要求進行切割和通過光刻形成圖案，也可在實驗室自己進行ITO玻璃的刻蝕，得到所需的基片和電極圖形。基片表面的平整度、清潔度都會影響有機薄膜材料的生長情況和OLED性能，必須對ITO表面進行嚴格清洗。

　　常用的ITO薄膜表面預處理方法為：化學方法(酸鹼處理)和物理方法(O2等離子體處理、惰性氣體濺射)。

　　酸鹼處理

　　固體表面的結構和組成都與內部不同，處於表面的原子或離子表現為配位上的不飽和性，這是由於形成固體表面時被切斷的化學鍵造成的。

　　正是由於這一原因，固體表面極易吸附外來原子，使表面產生汙染。因環境空氣中存在大量水份，所以水是固體表面最常見的汙染物。

　　由於金屬氧化物表面被切斷的化學鍵為離子鍵或強極性鍵，易與極性很強的水分子結合，因此，絕大多數金屬氧化物的清潔表面，都是被水吸附汙染了的。

　　在多數情況下，水在金屬氧化物表面最終解離吸附生成OH-及H+，其吸附中心分別為表面金屬離子以及氧離子。

　　根據酸鹼理論，M+是酸中心，O-是鹼中心，此時水解離吸附是在一對酸鹼中心進行的。

　　在對ITO表面的水進行解離之後，再使用酸鹼處理ITO金屬氧化物表面時，酸中的H+、鹼中的OH-分別被鹼中心和酸中心吸附，形成一層偶極層，因而改變了ITO表面的功函數。

　　等離子體處理

　　等離子體的作用通常是改變表面粗糙度和提高功函數。研究發現，等離子作用對表面粗糙度的影響不大，只能使ITO的均方根粗糙度從1.8nm降到1.6nm，但對功函數的影響卻較大。用等離子體處理提高功函數的方法也不盡相同。

　　氧等離子處理是通過補充ITO表面的氧空位來提高表面氧含量的。

　　操作方法為：將ITO基片依次在清洗液、去離子水、乙醇和丙酮的混合液、去離子水超聲清洗以除去基片表面物理吸附和化學吸附的汙染物，然後將清洗乾淨的基片放到潔淨工作檯內，烘烤或者用高速噴出的氮氣吹乾ITO表面，最後對ITO表面進行氧等離子體轟擊或者紫外臭氧處理。ITO玻璃的預處理有利於除去ITO表面可能的汙染物，提高ITO表面的功函數，減小ITO電極到有機功能材料的空穴注入勢壘。

　　成膜技術

　　製備OLED材料包括有機小分子、高分子聚合物、金屬及合金等。大部分有機小分子薄膜通過真空熱蒸鍍來製備，可溶性有機小分子和聚合物薄膜可通過更為簡單、快速和低成本的溶液法製備，先後開發出了旋塗法、噴塗法、絲網印刷、雷射轉印等技術。金屬及合金薄膜通常採用真空熱蒸鍍來製備，為了實現全溶液法製備OLED，也開發了基於液態金屬如導電銀漿刷塗的溶液製備方法。