有機發光元件簡介

與有機發光電化學元件 LEC 相同以電激發光(electroluminescence, EL) 的有機發光二極體 OLEDs，其第一篇文獻可追溯到 1963 年由 Pope 等人所 發表 [5] ，其研究團隊將兩片銀箔作為電極，中間夾以厚約於 10 μm 至 20 μm 的蒽(Anthracene)薄膜通電，發現此元件可以導通並產生電激發光現象，

並發出微弱藍光，但由於操作電壓高達上百伏特，其發光效率也不佳，故 當時研究結果並未受到重視。直至美國柯達公司的鄧青雲博士與 Van Slyke 等 人 於 1987 年 [1] ， 利 用 真 空 蒸 鍍 技 術 將 有 機 螢 光 分 子 材 料 Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium (AlQ3)作為電子傳遞以及發光層，並以 二胺(diamine)製成雙層結構的有機發光二極體，並使用低功函數的鎂銀合金 做陰極以提高電子的注入效率利用多層結構之異質接面（heterojunction）的 能障(energy barrier)調控載子的空間分佈，使電子電洞被侷限於電子傳輸層 與電洞傳輸層界面附近複合，以 10 V 電壓操作下，得到 1 %的外部量子效 率(external quantum efficiency, EQE)、1.5 流明/瓦特(lm/w)的能量效率、與

3

1000 燭光/平方公尺(cd/m²)的亮度之綠光元件。

除了以小分子結構作為發光材料的小分子有機發光二極體 OLED 外，

1982 年 Partridge 在高分子 Poly(N-vinylcarbazole) (PVK)中發現電激發光的 現象 [6] ，接著以溶液塗佈方式將非共軛高分子材料製成的高分子有機發 光二極體(polymer light emitting diode, PLED)，而 1990 年，英國劍橋大學 Burroughes 及 Friend 等人 [7] ，成功將共軛高分子 poly(p-phenylene vinylene) (PPV)利用旋轉塗佈的方式製成第一個可發光之單層高分子有機發光二極 體，元件之外部量子效率達 0.05 %，發黃綠色光，由於發光特性和簡易的 製程，OLED 及 PLED 的技術在學術跟工業界掀起了有機發光元件的研究 熱潮。

除了製成單層或雙層結構來調變效率或光色外，將不同光色的材料以 特定比例加入原本主體材料中的第一篇研究文獻於 1989 年發表，由鄧青雲 博士等人研究 [8] ，研究發現在發光層材料中，以微量比例之客體材料摻 雜於主體材料內，因主客體的光色不同，可藉由調控摻雜的比例，使發光 顏色及壽命得以調變，也因客體的摻雜有效協助內部能量的轉移效率而提 高外部量子效率。

以小分子為主要材料的有機發光二極體 OLED，經過幾年發展後，元

4

件主要為多層結構，如圖 1 所示，由陽極電極、電洞注入層(hole injection layer, HIL)、電洞傳輸層(hole transport layer, HTL)、發光層(emitting layer, EL)、電子傳輸層(electron transport layer, ETL)、電子注入層(electron injection layer, EIL)、陰極電極所構成。陽極電極材料選擇則為了讓元件出光透射出 去，一般會選用如 ZnO、AZO、ITO 等透明又導電的薄膜；電洞注入層為 陽極功函數和電洞傳輸層之間最高已填滿軌域(highest occupied molecular orbital, HOMO)的緩衝匹配，幫助電洞注入到發光層內；電洞傳輸層的功用 是幫助電洞傳輸並且阻擋越過發光層的電子，使激子能停留在發光層中發 光避免焠熄，其材料必須有高的電洞遷移率，並且最低未填滿軌域(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)要高於發光層；電子注入層能幫助電子 注入發光層，為陰極功函數和電子傳輸層之間最低未填滿軌域的緩衝匹 配；電子傳輸層能幫助電子的傳輸並且阻擋電洞穿出發光層，其材料需要 有高的電子遷移率並且最高已填滿軌域要低於發光層材料；陰極的材料多 採用低功函數的金屬，若使用透明電極則可做出雙面出光的元件，如圖 2 所示。

5

圖 1 有機發光二極體元件結構圖

圖 2 由左至右各別是下發光型元件、上發光型元件、穿透式元件之結構

6

其發光原理為以外加電壓驅動時，電洞經過電洞注入層、電洞傳輸層 的最高已填滿軌域，而電子則經由電子注入層、電子傳輸層的最低未填滿 軌域通過，接者在發光層複合形成激子(exciton)，此激發態分子回到基態 (ground state)時會將能量以光能形式釋放，此即為多層結構之元件發光原 理，如圖 3 所示。

圖 3 有機發光二極體之發光機制示意圖

OLED 與 PLED 發元原理相似，使用有機材料作為發光元件的優勢為 材料分子結構經由適當化學合成設計下，可根據結構來調變材料的熱性

7

質、發光顏色與導電特性等，但有機材料的缺點在於本身的導電性較差，

一般只有極少量的電流可以在一定的電場內被注入，電激發光是靠注入的 電子與電洞再結合發光所致，如果有機材料本身導電性質不佳，在固定電 壓驅動下只會有少量的電流注入，電子與電洞的再結合數目減少，其材料 又有偏向於電子或電洞的注入較容易的不對稱特性時，更易造成載子注入 不平衡而使再結合效率降低 [9] 。而 PLED 使用高分子有機材料，可以溶 液製程方式製成單層或雙層結構，OLED 則多使用小分子作為材料，需用 真空蒸鍍的製程方式蒸鍍才能形成多層的結構，雖多層結構能使元件擁有 較高的效率及較低的操作電壓，卻也使製程變複雜，設備昂貴，將其製成 大面積的面板或大面積的照明面板，成本不僅昂貴，良率的維持也是一大 問題。而 PLED 由於使用高分子材料，成膜性良好，可以直接使用溶液製 程製作，材料熱穩定性又高且較能抵抗水氧，相較之下製程簡單，設備成 本低，適合製作大面積面板以及可撓式的元件，但高分子材料的純化較不 易，可能會造成元件發光層純度不一，進而引起產品壽命不良的問題。因 此，合成出幫助電子或電洞傳遞或是阻擋電子或電洞的傳遞之有機材料，

以及各種發光顏色的發光有機材料，進而調控複合區發光位置，使發光二 極體更易達到高效率及高壽命效果，將會是顯示器及照明領域的一大關鍵。

8