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提高OLED發(fā)光效率的方法

發(fā)布時(shí)間:2009-07-31

中心議題:
  • OLED的功率效率
  • OLED的發(fā)光率與衰減
  • OLED發(fā)展動(dòng)向
解決方案:
  • 增加傳輸層的厚度影響光學(xué)的out-coupling效率
  • 利用摻雜(doping)技術(shù)增加注入電荷
  • 用較厚的載電荷子傳輸層,藉此增加OLED的穩(wěn)定性
雖然最近幾年有機(jī)發(fā)光二極管(OrganicLightEmissionDiode,OLED)顯示器已經(jīng)商品化,不過(guò)OLED顯示器不論是發(fā)光效率、使用壽命,或是改用無(wú)晶硅基大型面板等問(wèn)題仍有待改善。
  
目前已商品化OLED顯示器,可分為小分子OLED(SM-OLED)搭配熒光體與被動(dòng)式矩陣(PassiveMatrix)基板;高分子(polymer)+被動(dòng)式矩陣基板:以及主動(dòng)式小分子OLED構(gòu)成的小型OLED顯示器等等。上述OLED顯示器主要是應(yīng)用在移動(dòng)電話與數(shù)字相機(jī)、PDA等領(lǐng)域。
  
由于OLED顯示器的發(fā)光效率(亦即功率效率),幾乎與LCD背光模塊相同甚至更低,這意味著OLED發(fā)光效率仍有很大的改善空間,一般認(rèn)為提高OLED發(fā)光效率,并大幅降低OLED制作成本,未來(lái)OLED才有機(jī)會(huì)取代LCD,并且在市場(chǎng)上占有一席之地。尤其是試量產(chǎn)階段的主動(dòng)式矩陣OLED顯示器,由于產(chǎn)量性與良品率偏低,因此制作成本是同等級(jí)LCD的兩倍。
  
功率效率(Powerefficiency)
  
有關(guān)功率效率可以根據(jù)下式求得:


所謂功率效率值主要是指量子效率(quantumefficiency),除上操作電壓后獲得的百分比。根據(jù)上式可知即使有高的量子效率,功率效率值則會(huì)隨著高操作電壓而減少,亦即增大操作電壓,其結(jié)果只是補(bǔ)償注入與傳輸carrier時(shí)的損失(因各層有限的傳導(dǎo)率),對(duì)功率效率并無(wú)實(shí)質(zhì)助益。
  
理論上電能轉(zhuǎn)換成光線的熱力極限,以綠光而言大約是2.5V。Novaled已經(jīng)證實(shí)在carrier傳輸層內(nèi),必需整合穩(wěn)定擴(kuò)散的氧化還原摻雜物(redox-dopants)。需注意是單純的摻雜(doping),只會(huì)減少組件的量子效率,因此正確的device設(shè)計(jì)也非常重要。
  
實(shí)驗(yàn)證明發(fā)光層或是各堆棧層,保持電子和電洞的平衡,可使載荷子的平衡系數(shù)(chargecarrierbalancefactor)接近1,在此同時(shí)設(shè)計(jì)device時(shí),必須確定上述變量不會(huì)受到改善其它動(dòng)作而減少。
  
長(zhǎng)期激發(fā)加速衰減
  
Triplet/Singlet系數(shù)主要是表示發(fā)光材料的發(fā)射狀態(tài)。若以Triplet狀態(tài)的發(fā)射效率而言,理論上幾乎可達(dá)到100%;如果采用熒光體(或Singlet)的話,Triplet/Singlet系數(shù)會(huì)受到限制,大約只有25%左右(Triplet狀態(tài)在此無(wú)法產(chǎn)生光)。
  
由于Triplet發(fā)射方式,使得device長(zhǎng)期處于激發(fā)狀態(tài),因此會(huì)有無(wú)輻射性的衰減現(xiàn)象,最后造成device的設(shè)計(jì)變得更加困難。雖然采用Singlet發(fā)光材料的OLED,使用壽命比較長(zhǎng),不過(guò)使用Triplet發(fā)光材料的OLED正迎頭趕上中,一般認(rèn)為不久的將來(lái)可望進(jìn)入商品化階段。photoluminescencequantumyield主要是取決于材料,值得一提的是合成材料的純度、潔凈度、存放、處理與接口設(shè)備,都會(huì)使該值從接近100%遽降至50%。

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OLEDdevice產(chǎn)生的光線被局限在device內(nèi),并且被平行地引導(dǎo)至基板,或是有機(jī)的表面以及有電層。簡(jiǎn)單的概算是假設(shè)ITO的折射指數(shù)在1.8左右時(shí),可以獲得光學(xué)上的out-coupling系數(shù)是20%,這表示有80%的光被傳導(dǎo)到組件的側(cè)邊,無(wú)法被取出應(yīng)用,雖然理論上該現(xiàn)象可以進(jìn)行大幅改善,然而設(shè)計(jì)者必須考量一個(gè)復(fù)雜的out-coupling,如此一來(lái),結(jié)構(gòu)上的改變會(huì)使device成本大幅上升,同時(shí)可能會(huì)降低其它效率的系數(shù)。
  
此外device內(nèi)可使光線反射的電極,由于本身自重特性質(zhì)會(huì)強(qiáng)烈影響光學(xué)的out-coupling效率,此時(shí)若適度增加傳輸層的厚度,對(duì)out-coupling效率具有相當(dāng)程度的助益,不過(guò)它涉及到低導(dǎo)電層的動(dòng)作特性,因此操作電壓和量子效率也會(huì)隨著變化。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,65cd/A與80lm/W(在100cd/m2,2.6V)的綠色磷光OLED,經(jīng)過(guò)doping后的載電荷子傳輸層(如下圖所示),它的內(nèi)部量子效率(quantumefficiency)可以達(dá)到接近100%(相較之下Out-coupling系數(shù)只有20%),而且可以獲得較佳的亮度,運(yùn)作電壓更接近熱力極限。
                                       
                                   
OLED發(fā)展動(dòng)向
  
為改善上述三項(xiàng)缺點(diǎn),同時(shí)使OLED主動(dòng)顯示器作高發(fā)光效率,因此必需提高發(fā)光效率(大部分的光線被非透明的驅(qū)動(dòng)硅電路遮蔽),因?yàn)檫m合的接點(diǎn)材質(zhì)受限于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體,使得下層ITO和與上層金屬電觸的一般OLED結(jié)構(gòu)無(wú)法正確運(yùn)作,因此利用摻雜(doping)技術(shù)增加注入電荷,產(chǎn)生載電荷子傳輸層,可以使適用材料發(fā)揮最大功率效益。
  
除此之外,提高OLED顯示器產(chǎn)量也是不可或缺的條件之一。目前OLEDdevice常用超薄載電荷子傳輸膜層,雖然這樣的結(jié)構(gòu)可以降低高操作電壓帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng),不過(guò)如此一來(lái)device卻有短路之虞,根本對(duì)策是改用較厚的載電荷子傳輸層,藉此增加OLED的穩(wěn)定性。
  
次世代OLED的應(yīng)用除了家用與工業(yè)用照明之外,更將目標(biāo)鎖定在平均亮度1000cd/m2、80lm/W的白光市場(chǎng)。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo),首先是所有其它的參數(shù)接近其100%極限時(shí),out-coupling系數(shù)必需超過(guò)至20%以上。
  
長(zhǎng)久以來(lái)照明設(shè)備業(yè)者莫不殷切期盼,獲得輕巧可折迭的光源環(huán)境,事實(shí)上這也是OLED未來(lái)發(fā)展目標(biāo)。

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