不需要藍光材料的白光OLED照明技術

 

刊登日期:2017/4/5
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OLED藍光材料的壽命僅是綠光或紅光材料的1/20,發光效率也不足,造成OLED照明的產業化瓶頸。工研院利用具有兩層金屬的MDM(Metal/Dielectric/Metal)結構,產生表面電漿耦合效應,並與OLED元件相整合,讓長壽命、高效率的綠光材料進行藍位移並發出藍光,有效取代藍光材料。

OLED的表面電漿問題
一般傳統的OLED元件存在多種影響出光的問題,例如Substrate Mode、Wave Guided Mode、Surface Plasmon Mode等,使得約80%的光線被侷限於元件內,也促使各種出光的相關技術蓬勃發展。其中Substrate Mode與Wave Guided Mode的出光技術已趨於成熟;至於損耗最大,通常會使得OLED元件損耗40%以上的能量的Surface Plasmon Mode出光技術則還在持續發展中(如圖一)。

圖一、OLED元件各種影響出光的模式
圖一、OLED元件各種影響出光的模式

OLED的藍光材料問題
OLED產業在材料方面一直存在著藍光有機發光材料壽命過短的問題。目前業界大多以使用壽命較長,但是理論效率僅有25%的藍色螢光材料作為暫時性的解決方案,稱為Hybrid白光OLED元件(綠、紅磷光+藍螢光)。縱使是採用壽命較長的螢光材料,其壽命與綠光(Green Light)或紅光磷光材料相較還是低於一個數量級。

不需藍光材料的白光OLED結構
為了解決上述的技術瓶頸,我們將具有雙層金屬結構的MDM(Metal/Dielectric/Metal)結構,整合應用於OLED元件內(如圖二),使之產生加強出光與發光效率的功效。我們以電磁學及光學理論計算模擬作為基礎,預測MDM結構之表面電漿耦合效應,發現MDM結構可使非輻射區的TM波部分轉換為可輻射的電磁波,並產生特定頻率的共振態。例如,由色散曲線的分析可知光線在元件內的傳播性質(如圖三)。

圖三、利用色散曲線可分析傳統結構與MDM結構的光線傳播性質
圖三、利用色散曲線可分析傳統結構與MDM結構的光線傳播性質

另外,從光學理論可知,MDM的共振腔結構可產生藍位移(Blue Shift)的效果。我們利用實驗證實,不論是一般的綠色螢光Alq3或是綠色磷光的Ir(ppy)3,皆可使長壽命的綠光材料經由藍位移機制產生藍光(如圖四)。由CIE圖的實驗資料可發現(如圖五),原有綠光材料的CIE座標為(0.2, 0.55),已藉由MDM結構轉移至淺藍光的區域,在不同的結構設計下,可分別藍位移至(0.12, 0.44)與(0.09, 0.35),同時電流效率(cd/A)也可保持在不錯的水準。換言之,若是能利用MDM結構使綠光產生藍位移,就可取代原有壽命過短的藍光材料,整合於白光元件後可取代目前的Hybrid OLED白光結構,成為一種不需要藍光材料的創新白光OLED架構(如圖六),因此OLED產業中藍光材料壽命過短的問題,可望藉由綠光材料藍位移的方式加以解決。這樣的概念也已獲得2015年R&D100百大科技研發獎的肯定。目前我們的實驗已證明MDM結構可利用綠光材料產生藍位移,並在整合黃光材料後產生白光OLED元件(如圖七)。此外我們也發現利用綠光材料轉為藍光後,只要電流效率能保持在材料原有的水準,其藍位移的元件壽命便可…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:李中裕 / 工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌」364期,更多資料請見下方附檔。


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