OLED显示屏技术资料

OLED(Organic light emitting diode)是继TFT-LCD(Thin film transistor liquid crystal display)，新一代之平面显示器技术。其具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点。1987年，美国Kodak公司邓青云(C.W. Tang)博士等人，将OLED组件及基本之材料确立[1]。1996年，日本Pioneer公司成为第一家将此技术量产化之公司，并将OLED面板搭配於其所生产之车用音响显示器。近年来，由於其前景看好，日本、美国、欧洲、台湾及韩国之研发团队如雨後春笋般相继成立，导致了有机发光材料日益成熟，设备厂商蓬勃发展，以及相继工艺技术不断之演进。
然而，OLED技术于原理及工艺上，与目前发展成熟之半导体、LCD、CD-R甚或LED产业虽有相关，但却有其独特know-how之处；因此，OLED量产化仍有许多瓶颈。台湾铼宝科技公司系由1997年开始研发OLED之相关技术，于2000年成功量产OLED面板，成为继日本东北先锋後，全世界第二家量产OLED之面板公司；而2002年，更陆续外销出货单彩(mono-color)及区域多彩(area-color)面板如图一所示，并提升良率及产量，一跃而成为世界上产量最大OLED面板供应商。

[图一：铼宝之区域多彩及单彩OLED面板]

    由於OLED工艺中，有机膜层之厚度将影响元件特性甚钜，一般而言，膜厚误差必须小於5纳米，为名符其实之纳米科技。举例来说，TFT-LCD平面显示器之第三代基板尺寸，一般定义为550mm x 650mm，在此尺寸之基板上，欲控制如此精准之膜厚，有其困难性，也因此限制了OLED在大面积基板之工艺，和大面积面板之应用。目前而言，OLED之应用主要为较小之单色(mono-color)及区域多彩(area-color)显示器面板，如：手机主萤幕、手机副萤幕、游戏机显示器、车用音响萤幕及个人数位助理(PDA)显示器。由於OLED全彩化之量产工艺尚未臻至成熟，小尺寸之全彩OLED产品预计於2002年下半年以後才会陆续上市。由於OLED为自发光显示器，相较於同等级之全彩LCD显示器，其视觉表现极为优异，有机会直接切入全彩小尺寸高档产品，如：数码相机和掌上型VCD(或DVD)播放器，至於大型面板(13寸以上)方面，虽有研发团队展示样品，但量产技术仍尚待开发。
    OLED 因发光材料的不同，一般可分小分子(通常称OLED)及高分子(通常称PLED)两种，技术的授权分别为美国的Eastman Kodak(柯达)和英国的CDT(Cambridge Display Technology)，台湾铼宝科技公司是少数同时发展OLED和PLED的公司。在本文中，主要介绍小分子OLED，首先将会介绍OLED原理，其次介绍相关关键工艺，最後会介绍目前OLED技术发展之方向。

OLED之原理
    OLED组件系由n型有机材料、p型有机材料、阴极金属及阳极金属所构成。电子(空穴)由阴极(阳极)注入，经过n型(p型)有机材料传导至发光层(一般为n型材料)，经由再结合而放光。一般而言，OLED元件制作的玻璃基板上先溅镀ITO作为阳极，再以真空热蒸镀之方式，依序镀上p型和n型有机材料，及低功函数之金属阴极。由於有机材料易与水气或氧气作用，产生暗点(Dark spot)而使元件不发亮。因此此元件於真空镀膜完毕後，必须於无水气及氧气之环境下进行封装工艺。
    在阴极金属与阳极ITO之间，目前广为应用的元件结构一般而言可分为5层。如图二所示，从靠近ITO侧依序为：空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层。就OLED组件演进历史中，1987年Kodak首次发表之OLED组件，系由两层有机材料所构成，分别为空穴传输层及电子传输层。其中空穴传输层为p型之有机材料，其特性为具有较高之空穴迁移率，且其最高占据之分子轨域(Highest occupied molecule orbital，HOMO)与ITO较接近，可使空穴由ITO注入有机层之能障降低。

[图二：OLED结构图]

    而至於电子传输层，系为n型之有机材料，其特性为具有较高之电子迁移率，当电子由电子传输层至空穴电子传输层介面时，由於电子传输层之最低非占据分子轨域(Lowest unoccupied molecule orbital，LUMO)较空穴传输层之LUMO高出甚多，电子不易跨越此一能障进入空穴传输层，遂被阻挡於此介面。此时空穴由空穴传输层传至介面附近与电子再结合而产生激子(Exciton)，而Exciton会以放光及非放光之形式进行能量释放。以一般萤光(Fluorescence)材料系统而言，由选择率(Selection rule)之计算仅得25%之电子空穴对系以放光之形式做再结合，其余75%之能量则以放热之形式散逸。近年来，正积极被开发磷光(Phosphorescence)材料成为新一代的OLED材料[2]，此类材料可打破选择率之限制，以提高内部量子效率至接近100%。
    在两层元件中，n型有机材料－即电子传输层－亦同时被当作发光层，其发光波长系由HOMO及LUMO之能量差所决定。然而，好的电子传输层－即电子迁移率高之材料－并不一定为放光效率佳之材料，因此目前一般之做法，系将高萤光度的有机色料，掺杂(Doped)於电子传输层中靠近空穴传输层之部分，又称为发光层[3]，其体积比约为1%至3%。掺杂技术开发系用於增强原材料之萤光量子吸收率的重点技术，一般所选择的材料为萤光量子吸收率高的染料(Dye)。由於有机染料之发展源自於1970至1980年代染料雷射，因此材料系统齐全，发光波长可涵盖整个可见光区。在OLED组件中掺杂之有机染料，能带较差，一般而言小於其宿主(Host)之能带，以利exciton由host至掺杂物(Dopant)之能量转移。然而，由於dopant能带较小，而在电性上系扮演陷阱(trap)之角色，因此，掺杂层太厚将会使驱动电压上升；但若太薄，则能量由host转移至dopant之比例将会变差，因此，此层厚度必须最佳化。
    阴极之金属材料，传统上系使用低功函数之金属材料(或合金)，如镁合金，以利电子由阴极注入至电子传输层，此外一种普遍之做法，系导入一层电子注入层，其构成为一极薄之低功函数金属卤化物或氧化物，如LiF或Li2O，此可大幅降低阴极与电子传输层之能障[4]，降低驱动电压。
    由於空穴传输层材料之HOMO值与ITO仍有差距，此外ITO阳极在长时间操作後，有可能释放出氧气，并破坏有机层产生暗点。故在ITO及空穴传输层之间，插入一空穴注入层，其HOMO值恰介於ITO及空穴传输层之间，有利於空穴注入OLED元件，且其薄膜之特性可阻隔ITO中之氧气进入OLED元件，以延长元件寿命[5]。

OLED相关关键工艺[6]
    氧化铟锡(ITO)基板前处理
    (1)ITO表面平整度
    ITO目前已广泛应用在商业化的显示器面板制造，其具有高透射率、低电阻率及高功函数等优点。一般而言，利用射频溅镀法(RF sputtering)所制造的ITO，易受工艺控制因素不良而导致表面不平整，进而产生表面的尖端物质或突起物。另外高温锻烧及再结晶的过程亦会产生表面约10 ~ 30nm的突起层。这些不平整层的细粒之间所形成的路径会提供空穴直接射向阴极的机会，而这些错综复杂的路径会使漏电流增加。一般有三个方法可以解决这表面层的影响︰一是增加空穴注入层及空穴传输层的厚度以降低漏电流，此方法多用於PLED及空穴层较厚的OLED(~200nm)。二是将ITO玻璃再处理，使表面光滑。三是使用其他镀膜方法使表面平整度更好(如图三所示)。