OLED發光材料專利現況

刊登日期:2012/5/3
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發光原理與材料介紹
在有機發光二極體元件方面,材料是很重要的一環, OLED 材料分為陽極材料、電洞注入材料、電洞傳輸材料、主發光體材料(Host)、客發光體材料(Dopant)、電傳輸材料、電子注入材料及陰極材料等。而OLED 發光機制因電子與電洞再結合時,放光有螢光發光與磷光發光機制,分為單重激發態(Singlet State)激子與三重激發態(Triplet State)激子,比例為1:3 ,由單重激發態激子發出的光稱為螢光,由三重激發態激子發出的光稱為磷光。故螢光材料的內部量子效率極限為25% ,而磷光因具有75% 的三重態激子優勢,且單重激發態激子會經由Intersystem Crossing 變成三重態激子,因此磷光材料的內部量子效率可達100% ,故磷光元件效率通常較螢光元件效率高,磷光發光材料近來已成為OLED 發光材料極重要的發展方向。以下將探討OLED螢光發光材料與磷光發光材料的相關專利。
1. 螢光發光材料
螢光材料的發光機制為單重激發態激子,所以內部量子效率極限僅為25% ,但是螢光發光從激發態回到基態的速度非常快,一般而言,螢光材料的壽命比磷光材料長,特別是藍光材料,所以剛開始在PMOLED 顯示面板、早期AMOLED 面板與先前照明面板而言,發光層均是用RGB 螢光發光材料。

螢光材料屬於全有機的結構,所以在材料專利方面是屬於完全新穎結構,在世界螢光材料大廠方面,以日本的出光興產(Idemitsu Kosan)為最重要(圖二),螢光發光小分子材料在美國獲證37 篇專利,出光興產在RGB 三色螢光材料方面規格均為世界指標,紅光方面,元件效率為11.4 cd/A ,元件壽命為16 萬小時, CIE (0.67, 0.33);綠光方面,元件效率為37 cd/A ,元件壽命為20 萬小時, CIE (0.29, 0.64);藍光方面,元件效率為9.9 cd/A ,元件壽命為1.1 萬小時, CIE (0.14, 0.12)。


圖二、1976~2011 年全世界前十大螢光發光小分子材料專利公司與篇數整理

2. 磷光發光材料
磷光材料的發光機制為三重態激發態激子,所以內部量子效率可達100 % ,但磷光發光從激發態回到基態的速度比螢光慢,因此會造成三重態- 三重態淬熄,導致一般磷光材料的壽命比螢光材料短,到目前為止,綠色磷光材料與紅色磷光材料的壽命已有所突破,但是藍光材料,特別是正藍光材料,目前的壽命依然很短,所以現在AMOLED 面板與照明面板為了兼具長壽命與高效率,在發光層的設計大多是使用紅色、綠色磷光發光材料與藍色螢光混合成白光(Hybrid WOLED),可以兼顧元件整體的效率,也可以維持較長的元件壽命。以日本Lumiotec 為例,在2010 年所推出的14.5 × 14.5 cm 白光照明面板,當時是使用全螢光發光材料,效率為11 lm/W ,元件壽命為3 萬小時;而在2011 年,將其中的紅光材料改為磷光材料,元件壽命不變之下,效率則提升為25 lm/W 。在2011 年日本出光也使用自行開發的藍色螢光材料搭配美國UDC (Universal Display Corp.)的紅色和綠色磷光材料製作Hybrid 白光OLED 元件,在10 mA/cm2 下,元件效率達23 lm/W ,CIE (0.28, 0.30),元件壽命在1,000 nits 下高達6 萬小時;而美國UDC 在2011 年所開發全磷光的白光OLED 元件,使用較穩定的Sky Blue 藍光,可得到兩種暖色系的白光,其中一個元件效率達58 lm/W , CIE (0.47, 0.41),元件壽命在1,000 nits 下高達3 萬小時, 另一個元件效率達62 lm/W , CIE(0.45, 0.42),元件壽命在1,000 nits 下高達1.8 萬小時。

在台灣方面,磷光材料以大專院校與工研院較早投入開發……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文


圖八、PO-01 材料結構

作者:黃賀隆 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌305期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10305


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