OLED光學萃取之相關技術與應用

刊登日期:2016/11/5
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有機發光二極體(OLED)較傳統發光元件具有許多優勢,如輕薄、自發光、可撓曲、高反應速度、低功耗等,現已被各大廠視為下一代之主力產品。此外,OLED應用極廣,除照明應用外,在平面顯示器領域中,小至個人手持產品、中至車用顯示、大可延伸至居家娛樂皆可看到OLED產品的蹤跡。

為使產品在任意使用情境下有好的亮度、較長的操作時間及更佳的產品壽命,故需有更好的能量轉換效率。目前傳統的OLED元件能量轉換效率約略介於25%~35%,代表約有大於65%的能量被損失無法有效被利用,進而導致元件功耗增加以及操作使用下的壽命衰減。因此,如何提升元件效率便成為OLED導入商品化努力的方向。本文引用許多參考文獻並歸納效率提升之方法,希望藉由所討論之實例來激發更多高效率設計構想,以期達到OLED效率提升與商品化之目標。




圖一、OLED發光過程

 
提升內部量子效率
當導入足夠之驅動電壓,便可使電子與電洞分別由上下電極注入。在克服介面能障後,有機物在陽極介面被氧化(奪取電子),在陰極介面則進行還原反應(得到電子),此時電洞經由陽極注入電洞傳輸層的最高占有軌域能階(HOMO),電子由陰極注入最低未占有軌域能階(LUMO)。LUMO與 HOMO的搭配不僅影響元件電荷注入與傳遞性質,其發光波長更是由發光材料兩者之差值,也就是能隙所決定。

有機半導體與無機半導體最大的差異是有機薄膜一般為非晶型所構成,能帶為不連續方式存在,如圖一所示,電荷是靠著區域侷限的π電子所傳遞,就彷如電荷在跳躍一般。因此,當電荷注入 LUMO或 HOMO後,可以經如跳躍的方式傳遞到下一個材料的 LUMO與 HOMO,達到朝對方電極移動的目的。當電子與電洞傳輸時遇到較大能階差,會使電荷在介面處逐漸累積,當累積到一定的數量,電子和電洞會再結合,形成具有高能量且不穩定的激子(Exciton),經由能量轉移的過程,最終會以光或熱的形式釋放,並回穩定的基態。
 
提升出光效率
光由激發態回到基態時,放出光子的過程與古典電磁學的電偶極子輻射過程類似。因此,OLED發光模型可以採用電偶極震盪模型來模擬此一過程。電偶極子的震盪方向分布、震盪頻率以及所處位置可分別由發光分子的躍遷耦極矩、輻射本徵波長,以及發光層中發光子所在的位置來決定。當電偶極子在空間中震盪後,其產生之輻射場會因所處環境影響而造成不同的能量分布,其所處環境取決於各層材料之不同折射率與吸收係數,因此藉由各項量測參數便可以用來預測OLED元件的能量分布與發光特性。

圖二為一般傳統發光型OLED元件架構,由光的能量分布狀況可分為輻射模態(Radiation Mode)、基板模態(Substrate Mode)、波導模態(Waveguide Mode)、表面電漿模態(Surface Plasmon Mode)。其中分別為①輻射模態:指可以出光到空氣的能量比例;②基板模態:光可以進入基板,但光在基板/空氣介面產生全反射而侷限在基板區域;③波導模態:光在ITO/基板產生全反射而使光在 ITO與有機層侷限之能量比例,以及④表面電漿模態:能量處在金屬與介電質附近,因表面電荷震盪使光能量被金屬所吸收比例。經以上模型理論計算,可得 -----上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

 
圖四 各種外部出光技術

 
作者:黃奕翔 / 工研院顯示中心
★本文節錄自「工業材料雜誌」359期,更多資料請見下方附檔。


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