OLED發光材料進展–磷光材料與TADF材料(上)

刊登日期:2013/5/7
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發光層材料在有機電激發光元件中扮演重要的角色,當我們對元件施加電壓(3~5V,直流電),電洞和電子克服能階障礙後,分別經由陽極(ITO)與陰極(Al)注入有機材料層中,其中有機材料層包含電洞傳輸層(注入層)、電子傳輸層(注入層)及發光層等,當電洞與電子經由傳輸層傳遞至發光層內,且在具備發光特性的有機材料中進行再結合,形成激發子(Exciton)的形式,此不穩定的狀態將可能以熱或是光的形式釋放而回到穩定的狀態,因此如何提升激發子以光的形式釋放將是OLED元件效率提升的主因之一,而關鍵就在於發光層材料的特性,以下分別討論螢光(Fluorescence)與磷光(Phosphorescence)之間的差異。
 
藍色螢光材料
OLED發展初期,螢光材料廣泛地被研究並持續性的改進,從單一層發光材料演進到主客摻雜系統(Host and Dopant System),元件效率逐漸達到理論上限(5%),屬於第一代發光材料。螢光材料雖然效率不高,但是其優點為熱穩定性質優異且元件壽命值得信賴,特別是藍色螢光材料,在藍色磷光材料目前壽命嚴重不佳的情況下,不論是OLED顯示器或照明廠商還是以藍色螢光材料為主,而螢光材料的領先者以日本出光興產(Idemitsu Kosan)公司為代表。
 

圖二、
磷光材料能階與壽命示意圖
 
出光興產公司以開發Distyrylarylene(DSA)衍生物為主,不論在發光效率、穩定性及壽命皆有相當不錯的表現,由表一可以看出出光興產的藍色螢光材料從2005年到2007至少都有增加30%的壽命,2012年所發表的藍色螢光材料則著重在開發深藍色材料(CIEy值從0.20降到0.12),另外表二也列出出光興產在綠色及紅色螢光材料規格,雖然在2012年時綠色螢光材料具有37 cd/A的元件效率,卻因為近幾年在綠色及紅色磷光材料的快速進展下,綠色及紅色螢光材料的市場逐漸被磷光材料所取代。表三為出光興產公司對於未來OLED材料的Roadmap,可以發現螢光材料除了藍色材料外,綠色及紅色材料在市售的規格已經不在規劃中,取而代之的是磷光材料的規格,顯示目前的主流是磷光材料。
 
一般最常使用的藍色磷光材料為FIrpic,由於其CIEx,y色度座標只有(0.17, 0.34),因此只能定義為天空藍色系,放射波長為475 nm。2003年Thompson教授發表一系列以含Si原子為中心的主發光體(UGH系列材料),同時也發表新型藍色磷光材料FIr6(圖三),將原本的Picolinate輔助基團置換成Pyrazoly Borate輔助基團,文獻中將FIr6摻雜在UGH2時,元件效率高達13.9 lm/W、CIEx,y色度座標為(0.16, 0.26)。隨後2008年Franky So教授採用相同的材料與改良的元件結構,效率最高可以達到18.0 lm/W。FIrpic目前在藍色磷光材料中屬於相對穩定,因此常做為藍光元件效率的指標之一。2008年城戶淳二教授發表高達42 lm/W的藍色磷光元件(@1,000 nits),其中所使用的藍色磷光材料就是FIrpic(圖三)。2012年城戶淳二教授開發出光色較純的藍色磷光材料FK306(圖四),放射波長為454 nm,元件效率可以達到16.1 lm/W,CIEx,y色度座標為(0.16, 0.25),光色有顯著的改善,但是效率仍有進步的空間(表四)。
  

  
 圖三、文獻上效率優異的藍色磷光元件及材料

另外,UDC在2012年SID發表目前藍色磷光材料的規格(表六,結構無從得知),相較於其他磷光材料,藍色磷光材料之壽命…… 以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文
 
作者:林晉聲 /工研院材化所 
★本文節錄自「工業材料雜誌317期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=11056

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