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喷墨式PLED全彩显示技术及相关组件演进分析

2014-01-21 00:02
科技那回事
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  ——有机电激发光显示组件除了兼具LCD的轻薄、省电、高解析显示,主动发光、高应答速率、省电冷光源等技术优点外,且由于其本身制程另具低成本、光色调变容易、可应用于挠曲性面板等多项特点,因此被誉为下一世代的平面显示技术。本文将偏重在介绍有机电激发光显示技术中的PLED,说明PLED之相关技术演进,并特别针对可应用于全彩显示之喷墨式PLED制程与技术的作进一步的介绍。

  一、有机电激发光显示技术

  有机电激发光(organicelectroluminescence,OEL)显示技术依其组件所使用的载子传递层与发光层等有机薄膜材料之不同可概分成两系统(组件结构参见图一),一是以染料或颜料为材料之小分子组件(molecule-baseddevice),另一则以共轭性高分子为材料之高分子组件(polymer-baseddevice),前者真空蒸镀镀膜制作组件,后者则采溶液涂膜方式。由于OEL组件亦具有无机发光二极管(light-emittingdiode,LED)整流与发光的特性,因此小分子OEL组件亦被称为OLED,而高分子OEL组件则被称为PLED。

  二、PLED组件技术演进

  严格来说,高分子发光二极管之研究于英国剑桥大学研究群之数年前即有,但使用的材料并非共轭性高分子材料,其结果也未引起大众的注意。直至1990年英国剑桥大学Friend等人发表PPVPLED在著名的Nature期刊上,因而引发了后续的研究热潮。兹将PLED之技术演进整理如下:

  1.PLED的崛起─单层结构组件

  1990年英国剑桥大学研究群首先以共轭结构之PPV高分子材料为发光层,制作成二极管组件,其结构为ITO/PPV/Ca,光色为黄绿色,由于初期的单层结构组件在材料结构与纯度、组件结构设计与接口分析上尚未有完善的考量,因此组件的发光效率相当低,仅0.05%。

  2.双层结构组件─电子传递层(electrontransportlayer,ETL)的应用

  剑桥研究群于1992年监于单层结构ITO/PPV/Ca之二极管的效率不高,故加入一层butyl-PBD分散于PMMA的高分子层作为电子传递层(组件电子能带结构ITO/PPV/PBD-PMMA/Ca见图二),以提升电子的传导量及限制电洞通过高分子层,此外累积于PPV/PBD-PMMA接口之电洞将诱导电子的传递,使其量子效率由0.05%大幅地提升至0.8%。

  1993年,剑桥大学以含-CN取代基的PPV衍生物为发光层,制作出发红光的二极管,组件结构为ITO/PPV/CN-PPV/Ca,量子效率高达4%,组件于操作电压为3V,电流密度为1mA/cm2的条件下操作时间可达约3000小时,唯此材料在组件操作时会产生cross-linking,且无法配合其它solvent-base之发光高分子材料之使用,故后续并无重大的应用发展。

  3.双层结构组件─电洞传递层(holetransportlayer,HTL)的应用

  Heeger研究群于1995年发展出组件结构为ITO/Polyaniline-CSA-PES/MEH-PPV/Li:Al(alloy),以ITO/dopedpolyaniline为复合电极以增进电洞的发射,其起始电压仅1.7V,在3V时有超过400cd/㎡的亮度,外部量子效率为2.23%。后续的研究成果显示,于ITO与发光层之间加入一层掺杂过的导电性高分子,对于组件的稳定性与使用寿命有很大的助益。此成果Uniax已经申请美国专利,而ITO/dopedconductivepolymer/light-emittingpolymer/cathode此种结构目前已逐渐成为PLED组件之主流架构,其中Bayer公司针对dopedconductivepolymer另外发展出polythiophene衍生物的PEDOT-PSSA系统,取代原先的polyaniline系统,并已经进一步商品化。

  4.多层(multi-layer)结构组件

  Parker等人于1994年制作出ITO/PVK/PQ/PBD:PMMA/Ca三层结构的蓝光组件,由于此组件之电子能带为量子井(quantumwell)形式的结构,载子易于在中间低能隙的PQ层中结合而发光,具有超过4%的高量子效率。由于多层结构之组件制程较困难,且组件再现性较差,目前并无实际上的应用。

  5.掺合体(blend)结构组件

  Heeger研究群于1995年将P3HT与PVK(1:50)掺合体作为发光层,组件量子效率为0.2%,较未掺杂之中性P3HT的组件提高100倍。然而,早期由于掺合体组件于材料的选择不适当,其组件效能与一般双层结构组件相较,并无特别突出之处。

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