曾美榕／工研院材化所
OLED因逐漸克服早期被詬病的材料壽命問題，才能成功進入商品化，然材料特性及成本仍有很大的改善空間，如藍光材料的效率、壽命仍需提升或需開發更低成本的新材料等，本文主要介紹近幾年OLED材料研發中較受關注的TADF（熱活化延遲螢光）材料及溶液製程材料之進展。
【內文精選】
TADF材料
熱活化延遲螢光(Thermally Activated Delayed Fluorescence; TADF)材料的優勢為內部量子效率接近100%，遠高於第一代螢光材料的25%，又沒有第二代磷光材料需使用重金屬而有成本較高的問題，因此TADF材料被譽為OLED的第三代材料，其發展沿革可參考《工業材料》雜誌378期〈熱活化延遲螢光材料之最新發展〉文章。TADF材料一般採用具有高扭曲角度的施體-受體結構來達到小的ΔEST，但也因此導致強ICT (Intramolecular Charge Transfer)特性，造成放光半波寬(FWHM)變寬。
為克服此問題，日本關西學院大學Takuji Hatakeyama教授團隊提出含B及N原子的DABNA藍光TADF材料（圖二），其ΔEST小、效率高，但無施體-受體結構，因此半波寬較小。此團隊後來提出改良版材料ν-DABNA，半波寬僅為14nm，分子結構主要由兩個硼、四個氮原子和兩個二苯氨基取代基連接的五個苯環組成（圖三），硼和氮原子的多重共振效應引起HOMO和LUMO在不同原子上的明顯定位，不僅使基態(S0)和單重激發態(S1)之間的振動耦合最小化，也使S1狀態和三重激發態(T1)之間的能隙達最小化。此材料的電激發光波長為469nm，半波寬為18nm，最大外部量子效率為34.4%，在1,000nits時的外部量子效率為26.0%。日本JNC公司於2019年8月發表與關西學院大學合作、成功開發出之色純度比QD、LED好的OLED顯示器用藍色發光材料，即是前述的ν-DABNA材料。
出光興產擁有相當多藍色OLED發光材料的國際專利，與東麗(Toray)在2017年9月簽署OLED材料技術合作，在2019年11月底發表利用TADF發光材料製作的第三代OLED樣品，採用出光的TADF材料結合東麗的紅光螢光Dopant材料，其紅光材料發光效率達46cd/A，而且半波寬比其他現有材料更窄、光色純度更高，相關成果發表於IDW 2019（圖六及圖七），預計2022年可將此技術商品化。出光與東麗的下一個目標為研發TADF綠色OLED材料，另外，出光因中國大陸政策投資OLED面板廠，在中國建OLED材料生產廠，預定2020年完工並開始生產。
圖七、出光與東麗發表的TADF結合螢光Dopant紅光OLED材料，應用於上發光元件之光電特性
總括來說，TADF材料雖然效率高且不需要用到重金屬，但缺點為半波寬太寬及壽命不好，將TADF與螢光Dopant材料結合（稱為超螢光材料）可同時達到高效率、窄半波寬需求，超螢光材料已成為TADF材料商品化較可行的材料組合，因此成為TADF材料研發的新方向。黃光、紅光、綠光商品化時間可望較早，TADF藍光及Hyperfluorescence藍光材料效能整理如表四，目前不是光色不夠藍就是壽命不夠好，具可商品目標仍有一段路要走。藍光OLED材料非常重要，不管是三星的QDOLED TV或是LGD的OLED TV都會用到藍光材料，這就不難想像三星及LGD為何都投資CYNORA及Kyulux這兩家公司了。
溶液製程材料
溶液製程一直以來被寄予可降低OLED生產成本之厚望，IHS Markit預估，在10代廠生產65吋4K電視面板，採用IJP OLED製程的成本與蒸鍍WOLED相比，約可降低15~25%。另外，若是在6代廠生產13.3吋面板，與蒸鍍金屬遮罩OLED方法相比的話，IJP OLED可降低約20%的生產成本。隨著IJP設備及材料的進步，溶液製程OLED商品化已逐漸實現，JOLED是目前唯一具量產IJP OLED能力的面板業者，其產品已供應給Sony、華碩、EIZO等廠商，應用於醫療及高階專業用顯示器，預估2020年JOLED的5.5代線投產後，10~32吋專業及醫療用顯示器出貨量將明顯增加，2022年可望進一步向車用顯示器應用發展。南韓三星、樂金、中國大陸京東方、華星光電以及台灣友達等面板廠，都積極開發噴墨印刷OLED技術，各公司IJP AMOLED展品如表五所列。IHS Markit預估，噴墨印刷OLED全球產能將從2020年的10.5萬片成長至2024年的130萬片，若按面積計算，預估產能將從2020年的20.9萬平方米成長到2024年的730萬平方米…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、住友化學的Milestones for OLED Material/Ink
★本文節錄自《工業材料雜誌》406期，更多資料請見下方附檔。