從SID 2016探究OLED技術之最新進展(上)

刊登日期:2016/9/12
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黃邦齊/工研院材化所

由 SID 協會(Society for Information Display)舉辦之 Display Week 2016 研討會,今年在美國舊金山 Moscone Center 舉行,本屆發表的論文數目總計超過 300篇,技術領域涵蓋"Active-Matrix Devices"、"AR / VR"、"Display Electronics"、"Display Manufacturing"、"Emissive Display"、"e-Paper / Flexible Display"、"Lighting"、"OLEDs"、"Vehicular Displays"與"Wearable Displays"…等 19個專題,技術演講共舉辦 79場。本文將針對OLED相關領域之研究,精選數篇重點論文進行說明。
 
Device Stability Enhancement in TADF OLEDs
發表人:Chihaya Adachi, Kyushu University
熱活化型延遲螢光(Thermally Activated Delayed Fluorescence;TADF) 材料為第三代發光材料,具有綜合螢光、磷光材料優點,可在不使用重金屬的情況下,仍具有 100%發光效率,且兼具容易合成與成本較低之優勢。

本篇論文作者九州大學 Chihaya Adachi (安達千波矢)教授為 TADF 材料之發現者,Adachi 教授認為,只要透過適當的分子結構設計,使單重激發態與三重激發態的能階差小於 0.1 eV,則逆系統間跨越(Reverse InterSystem Crossing;RISC)的可能性將增加,使得原本多以熱運動方式散失能量的三重態激子,能回到單重態而放光,達到理論上與磷光材料相同的 100%內部量子效率。然而,TADF 材料之壽命表現目前仍不甚佳,所以限制實際應用(圖一)。

另外,Adachi 教授也在本論文中發表利用 Liq 作為中介層,添加至元件中,增加載子平衡,可顯著提升綠光 TADF 壽命(4CzIPN) (圖二)。藉由將 Liq 中介層加入到 EML/HBL 之間時,可將壽命從無添加時之 LT95 : ~100h @1000 nits,提升至 600h。而同時添加至 EML/HBL 與 HBL/ETL 之間時,壽命約可提升至 870h。而如果同時蒸鍍兩種 Host 材料形成 co-host 結構,且添加 Liq 至 EML/HBL 並同時將 Liq Doping 到 ETL 中時,則可達到最高 LT95 : 1380h @1000 nits 的壽命(圖三)。

 
 
圖二、TADF元件結構示意圖

 
針對 Liq 可改善壽命之現象,Adichi 教授提出解釋如下(圖四):
將 Liq 導入 EML/HBL 之間可減少空間電荷(Space Charges)在介面中累積,使再結合區域移動到 EML 上。避免激子(Exciton)在 EML/HBL 間生成是壽命提升的關鍵。

Liq 可能扮演黏附層(Adhesion Layer)的角色,使層與層間不因長時間通電造成極化現象而分離,進而使載子被 Trapping 在介面處。Liq 可能把元件中的微量水分子吸收分解。已有文獻證明即使在高真空環境下,仍會有微量水分侵入元件造成損害,Liq 或可吸收分解水分子而形成 Li(OH)。

本篇論文使用之 Host 材料 mCBP 是一個不夠穩定的材料,加入 Liq 使得能量障壁(Energy barrier)提高,使電子直接注入至發光材料上,從而避免高能量激子在 mCBP上產生而損壞 mCBP。
 
Achievement of Blue Phosphorescent Organic Light-Emitting Diode with High Efficiency, Low Driving Voltage, and Long Lifetime by Exciplex-Triplet Energy Transfer Technology
發表人:Yui Yamada, Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd
日本 SEL 研究所發表利用 Exciplex-Triplet Energy Transfer Technology (ExTET),達成高效率長壽命與低電壓之藍色磷光OLED元件。ExTET主要是先讓帶有電子傳輸性質的 Host,與具有電洞傳輸性質的 Assist 混合,當 Host上的電子與 Assist 上的電洞再結合時,兩個分子會共同形成激基複合物(Exciplex),由於 Exciplex 的單重態(SE)與三重態(TE)能量較低且相近,能量易於傳遞至 Dopant,因此驅動電壓較低且能量效率較高。

ExTET 目前應用在藍色磷光上仍有困難,主因為目前常用之藍光結構皆為含氮五元環結構,其 HOMO 比較高,造成 Dopant 有 Hole Trapping 現象,使得驅動電壓上升。另外,Hole Trapping 也會使元件中的放光區縮窄,影響壽命表現(圖五)。因此,SEL 開發新型的擁有較低 HOMO Level 的藍色磷光材料,並選擇與他搭配之 Host 與 Assist 材料(圖六)。




圖五、ExTET技術簡介

 
Exciplex 的產生需要 Host 與 Assist 互相搭配,由上圖的 PL 數據可看到,當 Host 2 + Assist 混合之後,產生之 PL 放光光譜完全不同於個別材料的 PL 光譜,而 Host 1 + Assist 則沒有此現象發生,證明 Host 2 + Assist 的確產生 Exciplex 現象(圖七~八)。
 

圖八、Exciplex現象之PL圖
 
由 EL 圖譜可以觀察到 Device 2 產生不正常放光,這是由於藍光 Complex 1 的 HOMO 能階太高而產生 Hole Trapping 現象,導致 Host 2 直接與 Complex 1 形成 Exciplex 而放光。Device 4 則將 Dopant 改用 HOMO 較低之 Complex 2 之後,放光就與未採用 ExTET 技術之 Device 3 相似,證明降低 Dopant 的 HOMO 能階確實能改善此問題(圖九)。

由元件數據圖可看出,具有 ExTET 現象之 Device 4 的 EQE,明顯比 Device 3 高,Device 2 則因為不正常放光現象而效率低落。另外,採用 ExTET之Device 2 與 4,其驅動電壓均明顯降低(圖十)。

壽命方面,Device 1 與 3雖然使用不同之藍光 Dopant 材料,但兩者具有相似之壽命表現,可得知壽命與元件結構較為相關。Device 4則由於利用ExTET技術,使壽命大幅提升約3倍(圖十一)。在白光元件部分,作者採用---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

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