OLED顯示屏技術(shù)資料

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(shù)。其具備有構(gòu)造簡單、自發(fā)光不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。1987年，美國Kodak公司鄧青云(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(shù)量產(chǎn)化之公司，并將OLED面板搭配於其所生產(chǎn)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(tái)灣及韓國之研發(fā)團(tuán)隊(duì)如雨後春筍般相繼成立，導(dǎo)致了有機(jī)發(fā)光材料日益成熟，設(shè)備廠商蓬勃發(fā)展，以及相繼工藝技術(shù)不斷之演進(jìn)。
然而，OLED技術(shù)于原理及工藝上，與目前發(fā)展成熟之半導(dǎo)體、LCD、CD-R甚或LED產(chǎn)業(yè)雖有相關(guān)，但卻有其獨(dú)特know-how之處；因此，OLED量產(chǎn)化仍有許多瓶頸。臺(tái)灣錸寶科技公司系由1997年開始研發(fā)OLED之相關(guān)技術(shù)，于2000年成功量產(chǎn)OLED面板，成為繼日本東北先鋒後，全世界第二家量產(chǎn)OLED之面板公司；而2002年，更陸續(xù)外銷出貨單彩(mono-color)及區(qū)域多彩(area-color)面板如圖一所示，并提升良率及產(chǎn)量，一躍而成為世界上產(chǎn)量最大OLED面板供應(yīng)商。

[圖一：錸寶之區(qū)域多彩及單彩OLED面板]

??? 由於OLED工藝中，有機(jī)膜層之厚度將影響元件特性甚鉅，一般而言，膜厚誤差必須小於5納米，為名符其實(shí)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 x 650mm，在此尺寸之基板上，欲控制如此精準(zhǔn)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(yīng)用。目前而言，OLED之應(yīng)用主要為較小之單色(mono-color)及區(qū)域多彩(area-color)顯示器面板，如：手機(jī)主螢?zāi)?、手機(jī)副螢?zāi)弧⒂螒驒C(jī)顯示器、車用音響螢?zāi)患皞€(gè)人數(shù)位助理(PDA)顯示器。由於OLED全彩化之量產(chǎn)工藝尚未臻至成熟，小尺寸之全彩OLED產(chǎn)品預(yù)計(jì)於2002年下半年以後才會(huì)陸續(xù)上市。由於OLED為自發(fā)光顯示器，相較於同等級(jí)之全彩LCD顯示器，其視覺表現(xiàn)極為優(yōu)異，有機(jī)會(huì)直接切入全彩小尺寸高檔產(chǎn)品，如：數(shù)碼相機(jī)和掌上型VCD(或DVD)播放器，至於大型面板(13寸以上)方面，雖有研發(fā)團(tuán)隊(duì)展示樣品，但量產(chǎn)技術(shù)仍尚待開發(fā)。
??? OLED 因發(fā)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(shù)的授權(quán)分別為美國的Eastman Kodak(柯達(dá))和英國的CDT(Cambridge Display Technology)，臺(tái)灣錸寶科技公司是少數(shù)同時(shí)發(fā)展OLED和PLED的公司。在本文中，主要介紹小分子OLED，首先將會(huì)介紹OLED原理，其次介紹相關(guān)關(guān)鍵工藝，最後會(huì)介紹目前OLED技術(shù)發(fā)展之方向。

OLED之原理
??? OLED組件系由n型有機(jī)材料、p型有機(jī)材料、陰極金屬及陽極金屬所構(gòu)成。電子(空穴)由陰極(陽極)注入，經(jīng)過n型(p型)有機(jī)材料傳導(dǎo)至發(fā)光層(一般為n型材料)，經(jīng)由再結(jié)合而放光。一般而言，OLED元件制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(jī)材料，及低功函數(shù)之金屬陰極。由於有機(jī)材料易與水氣或氧氣作用，產(chǎn)生暗點(diǎn)(Dark spot)而使元件不發(fā)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(huán)境下進(jìn)行封裝工藝。
??? 在陰極金屬與陽極ITO之間，目前廣為應(yīng)用的元件結(jié)構(gòu)一般而言可分為5層。如圖二所示，從靠近ITO側(cè)依序?yàn)椋嚎昭ㄗ⑷雽?、空穴傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層、電子注入層。就OLED組件演進(jìn)歷史中，1987年Kodak首次發(fā)表之OLED組件，系由兩層有機(jī)材料所構(gòu)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(jī)材料，其特性為具有較高之空穴遷移率，且其最高占據(jù)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(jī)層之能障降低。

[圖二：OLED結(jié)構(gòu)圖]

??? 而至於電子傳輸層，系為n型之有機(jī)材料，其特性為具有較高之電子遷移率，當(dāng)電子由電子傳輸層至空穴電子傳輸層介面時(shí)，由於電子傳輸層之最低非占據(jù)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(jìn)入空穴傳輸層，遂被阻擋於此介面。此時(shí)空穴由空穴傳輸層傳至介面附近與電子再結(jié)合而產(chǎn)生激子(Exciton)，而Exciton會(huì)以放光及非放光之形式進(jìn)行能量釋放。以一般螢光(Fluorescence)材料系統(tǒng)而言，由選擇率(Selection rule)之計(jì)算僅得25%之電子空穴對(duì)系以放光之形式做再結(jié)合，其余75%之能量則以放熱之形式散逸。近年來，正積極被開發(fā)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(nèi)部量子效率至接近100%。
??? 在兩層元件中，n型有機(jī)材料－即電子傳輸層－亦同時(shí)被當(dāng)作發(fā)光層，其發(fā)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－并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(jī)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(fā)光層[3]，其體積比約為1%至3%。摻雜技術(shù)開發(fā)系用於增強(qiáng)原材料之螢光量子吸收率的重點(diǎn)技術(shù)，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(jī)染料之發(fā)展源自於1970至1980年代染料雷射，因此材料系統(tǒng)齊全，發(fā)光波長可涵蓋整個(gè)可見光區(qū)。在OLED組件中摻雜之有機(jī)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(zhuǎn)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(huì)使驅(qū)動(dòng)電壓上升；但若太薄，則能量由host轉(zhuǎn)移至dopant之比例將會(huì)變差，因此，此層厚度必須最佳化。
??? 陰極之金屬材料，傳統(tǒng)上系使用低功函數(shù)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(dǎo)入一層電子注入層，其構(gòu)成為一極薄之低功函數(shù)金屬鹵化物或氧化物，如LiF或Li2O，此可大幅降低陰極與電子傳輸層之能障[4]，降低驅(qū)動(dòng)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(shí)間操作後，有可能釋放出氧氣，并破壞有機(jī)層產(chǎn)生暗點(diǎn)。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(jìn)入OLED元件，以延長元件壽命[5]。

OLED相關(guān)關(guān)鍵工藝[6]
??? 氧化銦錫(ITO)基板前處理
??? (1)ITO表面平整度
??? ITO目前已廣泛應(yīng)用在商業(yè)化的顯示器面板制造，其具有高透射率、低電阻率及高功函數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。一般而言，利用射頻濺鍍法(RF sputtering)所制造的ITO，易受工藝控制因素不良而導(dǎo)致表面不平整，進(jìn)而產(chǎn)生表面的尖端物質(zhì)或突起物。另外高溫鍛燒及再結(jié)晶的過程亦會(huì)產(chǎn)生表面約10 ~ 30nm的突起層。這些不平整層的細(xì)粒之間所形成的路徑會(huì)提供空穴直接射向陰極的機(jī)會(huì)，而這些錯(cuò)綜復(fù)雜的路徑會(huì)使漏電流增加。一般有三個(gè)方法可以解決這表面層的影響︰一是增加空穴注入層及空穴傳輸層的厚度以降低漏電流，此方法多用於PLED及空穴層較厚的OLED(~200nm)。二是將ITO玻璃再處理，使表面光滑。三是使用其他鍍膜方法使表面平整度更好(如圖三所示)。