OLED照明用光取出材料

 

刊登日期:2018/6/5
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歐美及日韓等國皆已開始切入OLED利基型照明市場,但仍有許多如更優異的色彩表現、更高效率、更長壽命等性能待提升。低成本、可大面積製造、高效率的OLED燈具技術開發與量產導入,已成為OLED照明目前最重要的顯學。本文介紹之OLED光取出材料,主要係應用在OLED照明元件上。其功能除可提升OLED燈源的取光效率外,同時也可達到降低OLED隨視角變化所產生的色偏現象。另外,透過光學模擬的分析,搭配不同材料特性、擴散層的厚度與調整表面微結構,可協助釐清問題,並找出最佳取光參數。

本文將從以下大綱,介紹應用在OLED照明元件上之OLED光取出材料。
‧OLED照明市場動態與技術發展
‧OLED光取出技術內容及主要效能
 1. 外部光取出技術及材料
  (1) 多孔洞粒子外部光取出材料
  (2) 中空粒子搭配實心粒子外部光取出膜材料
  (3) 覆盆子形狀粒子外部光取出膜材料
 2. 內部光取出技術及材料
‧光學模擬分析OLED光取出增益
‧結論

【內文精選】
OLED照明市場動態與技術發展
根據最新美國能源局(Department of Energy; DOE)在2017年針對OLED元件的性能預測,可參考圖一所示,市場上OLED燈片產品的效率大多仍落在50~60 lm/W,僅LG在網頁上宣稱有90 lm/W的產品,因此,DOE也下修了在2014年對OLED效率的預估,這中間的差距主要是光取出(Light Extraction)技術無法從實驗室階段落實到量產產品上。如何讓OLED光取出材料及技術能加速導入產線的應用,已成為國內外OLED照明產業最重要的開發目標及待突破重點。

圖一、OLED元件效率發展藍圖
圖一、OLED元件效率發展藍圖

OLED光取出技術內容及主要效能
傳統OLED元件由於各層間折射率不匹配,造成僅約20%光可由正面出射,其餘80%光因為內全反射會被困在元件中無法被使用,如圖二所示。此一效應造成了OLED元件的出光效率不高,即便內部發光材料的發光效率及電極導電度持續改善,但仍不易達到DOE對於OLED照明燈具規劃在2025年達到150 lm/W的目標。因此,對於此目標必須提出更有效的方法,以加速提升OLED的效率,其中最關鍵的技術在光取出材料的應用及導入。

圖二、OLED元件中光耗損來源示意圖
圖二、OLED元件中光耗損來源示意圖

一般而言,OLED光取出材料可分為內部光取出與外部光取出兩種。由於OLED照明元件中,發光層材料折射率高達1.75,發光過程中光線會經由折射率約1.5的基板再到折射率為1的空氣,當光線由1.75發光層材料到1.5的基板材料,會形成第一次的內部全反射造成損耗(Waveguide Mode);當光線由1.5的基板材料至空氣時,會造成第二次的內部全反射,再度導致損耗(Substrate Mode)。因此,如何破壞因折射率差異所產生全反射現象就成為光取出技術的重點。

光學模擬分析OLED光取出增益
除開發OLED光取出材料外,工研院材化所研究團隊亦透過光學模擬(Optical Simulation)來建立OLED的簡化模型,可針對不同材料的搭配、不同發散角的發光光形以及表面結構,來分析對OLED光取出的增益性。為求運算時間可配合材料開發之時程,將模擬之架構簡化如圖九所示,光源從ITO層發光,在ITO與玻璃之間夾一層擴散層,可使更多的光線取出。為了得到最佳的光取出效率,透過模擬分析來了解材料在選取上的最佳參數為何。

在發光層ITO與玻璃之間夾一層內部光取出的擴散層,雖可提升OLED發光效率,然而擴散層的厚度並非越厚越好,因此可透過分析來找出擴散層厚度之最佳參數。如圖十所示,橫軸為擴散層厚度,從2 μm~20 μm,縱軸為OLED發光增益值,定義為有加擴散層結構發光效率對沒有擴散層結構發光效率的增益值,當增益值等於1時表示無增益效果。由分析結果來看,擴散層厚度從2 μm逐漸上升時,OLED的發光效率有顯著上升;厚度為10 μm~15 μm時有最佳的...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:簡佩琪、徐煜靈、陳品誠/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」378期,更多資料請見下方附檔。


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