從ICOE看有機電子的技術發展
ICOE(International Conference on Organic Electronic)為有機電子相關應用的研討會，今年於6月17日至6月21日在法國格勒諾博的MINATEC House舉辦，總計42場的Oral presentations及153篇的poster presentations，共195篇的技術論文發表。此研討會由全球各國的學者、研究員及各大公司發表關於有機材料應用在電子產品技術進展的研究成果。此次會議投稿接受的文章共有195篇，有來自台灣、日本、韓國、以及歐美各國學者參與，由此可見此會議在歐洲地區已是有機材料應用領域的重要會議。由於研討會中所演講的題目雖然主軸在於有機材料應用在電子產品上的範疇，但是所包含的領域也相當廣泛，本文將以目前有機材料在各領域的技術現況與應用導向，及針對OLED的應用發展做一說明，希望能藉由了解關鍵的核心技術，用以提升更有前瞻性及實用性之白光OLED照明產業運用。
■ 軟性基板技術
由加州柏克萊教授A. C. Arias以Printed organic devices: Fabrication processes and applications為題，說明為什麼要開發可以printed在塑膠基板上的有機電子元件，其中最重要的優勢在於可以用溶液製程的方式達成。目前應用在可彎曲的電子產品還相當少數，例如顯示器上或是有機太陽電池等，以及未來有更多應用可採取此一技術。軟性基板可應用範圍如圖所示。那麼在何時具有可Printed的條件？作者認為有以下幾項，第一需要大面積的系統(如：太陽能電池、顯示器、影像相關等)，第二是屬於分佈式電子系統(特別是低密度設計在大面積系統下較容易實現)，第三為可實現整片式製程與整合，最後則是具有空間可以進行不同介面間的整合製程。作者認為未來的實體電腦與智慧型手機將可能消失，取而代之的是更先進的技術平台，類似Google眼鏡的功能，並且藉著語音與雲端的強大功能，使得人類在生活上更為便利。
軟性基板可應用的範圍
以MRI醫療器材做為可以printed的flexible元件為例子，如以往的MRI檢測裝備非常厚重，同時根據不同身形的人會有相對應的尺寸，也造成檢驗時的不方便性，因此，如果可以開發出讓使用者幾乎忘了元件的存在的輕薄短小元件設備，將對MRI有相當大的助益。
軟性元件在MRI的應用
作者利用printed的方式，將BaTi3與可UV curable的聚合物混合之後printed在塑膠基板上，並量測在不同比例的BaTi3濃度下所能偵測到的頻率，接著固定BaTi3濃度來獲取固定頻率的訊號。製作MRI所需要之軟性基板偵測器如圖所示，作者說明目前正在針對醫療儀器進行相同的實驗，認為未來的醫療檢測將會變得更容易，價錢也會變得更親民。
MRI所需要之軟性基板偵測器
■ OLED元件模擬技術
目前提升OLED元件效率所必須克服的挑戰，包括如何提升OLED元件自身材料的發光效率、取得元件內部的電子電洞間的平衡、有效控制摻雜發光材料的濃度及光取出技術能力等問題。FLUXiM是瑞士一家開發模擬軟體的公司，在此次演講中展示自家公司所開發的先進模擬軟體(SETFOS)，是專門為了OLED(有機發光二極體)與OPV(有機太陽能電池)研究所量身訂做，作者號稱此套軟體已經成功導入世界各大知名廠商，市面上的部份OLED產品就是採用SETFOS模擬軟體而成功的實例，另外同時也採用A. J. Mozer所研究的CELIV(Charge-carrier extraction by linearly increasing voltage)方法來測定載子在有機半導體中的運輸機制，因為載子移動性質已經成為OLED或是OPV元件內部相當重要的研究理論，會決定元件的性質表現及效率的高低。
Setfos軟體及硬體介面
目前一般所採用的TOF或SCLC方法，在偵測上還有許多限制存在，例如TOF的量測膜層必須要達到1μm以上的厚度，這對一般元件在運作時的厚度要增加許多，因此是否能真實呈現元件內部的載子移動狀況還無法確定，因此要開發符合元件條件的有機半導體裝置檢測的發展是必須的，所以近年來由A. J. Mozer開發的電壓線性增加量測方式(CELIV)已經研發成功，而這種方法的優點是設備簡單外，所需膜厚也與元件相似，搭配Setfos系統則可以模擬出再結合區域的所在位置，因此可以最佳化元件的膜層結構，達到優化的目地。
Setfos模擬流程
以Setfos模擬激子再結合區域
更多的OLED元件模擬技術請參考原文。
■ TADF技術
有機發光材料的進展一直都是OLED開發的重點，不論是應用於Display或Lighting上，唯有高效率及長壽命的材料才能使得OLED成為實用化商品，因此世界各國均砸下重金開發OLED材料與技術，無非是希望在市場中能占有一席之地，目前的第二代發光材料是以磷光材料為主，理論上可以達到100%的內部量子效率為其優點，近年來，第三代發光材料TADF的興起，其發光效率已超越原本螢光材料的理論值，將有助於提供OLED材料應用開創新局面。
早期由於螢光材料較易於開發且應用在OLED上，因此第一代的OLED發光材料均以螢光材料為主，但是由於磷光的發光效率為螢光的四倍(100% vs 25%)，隨著近年來磷光材料合成及純化技術逐漸成熟下，因此現階段高效率OLED元件幾乎都是磷光材料的天下，屬於第二代的OLED發光材料。近年來，第三代發光材料TADF的興起，其發光效率已超越原本螢光材料的理論值，將有助於提供OLED材料應用開創新局面。日本九州大學的安達千波矢教授認為在螢光材料分子中，只要選擇適當的材料即可進行熱活化型延遲螢光(Thermally Activated Delayed Fluorescence; TADF)，若是單重激發態與三重激發態能量相近，則可能會有逆系統間跨越 (Reverse intersystem crossing; RISC)的情況發生，原本將以熱運動散失能量的三重激發態就有機會回到單重激發態而放光)。
在此次研討會中，Durham大學以Triplet Harvesting with 100% Efficiency by TADF in Charge Transfer OLED為題，探討如何利用TADF材料製作高效率的磷光發光元件。圖中是作者所合成的材料分子，其中材料1系列比較偏向直線型的分子(X接在dibenzothiophene的2、7號碳)，而材料2-5系列比較偏向彎曲型的分子(X接在dibenzothiophene的3、6號碳)，所接的位置不同會導致材料分子電荷分布的表現，直接的影響到HOMO與LUMO的高低之外，對於單重態與三重態的能階差異也會有影響。
TADF材料分子結構
由吸收與發射光譜圖來看，材料1e與2e在非極性溶劑(hexane)中具有相當強的螢光光譜，顯示材料分子具有強勢的1ππ*的特性，而在極性溶劑(ethanol)中，螢光光譜呈現變寬及紅位移的趨勢，因此作者認為是屬於charge transfer band，也就是我們一般所認知的1CT特性(單重態charge transfer band)。
材料之吸收與發射光譜圖
接著作者將量測溫度從290 K降低到80K，很明顯的屬於直線型分子1b與1e的磷光強度較弱(1b波長在475nm附近，1e波長在535nm附近)，而彎曲型分子2c與2e的磷光相對來說就增加許多，作者認為這個效應與donor及acceptor的單元是無關的，主要還是取決於連接片段的位置。
材料在不同溫度之發射光譜圖
由於化合物2d的ΔEST為0.35 eV，符合TADF材料基本的規範內，因此作者針對化合物2d做更深入的研究，發現的確在溫度逐漸降低的條件下(330 K-200 K)，螢光的強度隨之降低，作者也利用所得到的數據完成化合物2d之理論能階圖，從圖中再再顯示TADF最重要的基本述求，即是ΔEST的能階差越小越有機會呈現TADF的特性。
不同溫度之發射光譜與能階圖
關於更多磷光材料技術(鋅金屬)、溶液製程技術，請參考全文。
作者：林晉聲；材料世界網編輯室整理
參考文獻：ICOE 2013演講內容
更深入OLED技術分析請參閱材料世界網精選文章：
ICOE 2013特別報導-~從ICOE看Organic Electronic的技術發展
OLED發光材料進展–磷光材料與TADF材料(上)
OLED發光材料進展–磷光材料與TADF材料(下)