Light Blue OLED – DSA-Ph@MADN
2.4 深藍光 OLED 系統開發
2.4.4 深藍色 OLED 製備與性質討論
以SA-Biph 為深藍色客發光體材料和 MADN 為主發光體材料，進行深 藍光 OLED 主-客發光系統之元件製備與討論，材料與元件結構如圖 2-35 所示。經過調節NPB 電洞傳輸層厚度，得到一適合深藍光 OLED 之微共振 腔結構，其元件各層厚度為[ITO/CFx/NPB(50 nm)/v% SA-Biph@MADN (40 nm)/Alq3(10 nm)/LiF(1 nm)/Al(200 nm)]，詳盡元件性質整合於表 2-13 中。
圖2-35、深藍光 OLED 之材料與元件結構
表2-13、SA-Biph@MADN 之元件性質 Device performance at 20 mA/cm2
SA-Biph (v%) Voltage (V) Yield (cd/A) Efficiency (lm/W) CIE x CIE y
從表 2-13 可以發現，當以 3% SA-Biph 摻雜時元件有最佳發光效率達 2.4 cd/A 於 20 mA/cm2電流密度操作下，1.2 lm/W 於 6.1 V 操作電壓下，而 色度座標為[0.15, 0.12]；但當摻雜濃度提升至 5% 時，元件之效率開始下降 且元件之CIEy值也隨之提升。另外，元件之操作電壓隨著SA-Biph 摻雜濃 度的提高，有明顯的下降趨勢，這與在2.3 節中以 DSA-Ph@MADN 之淺藍 光 OLED 元件時是一樣的，此現象可歸因於這類胺基取代之有機化合物具 有好的電洞傳輸能力，與具有相對於主發光體材料之較高游離能所致。
雖然 SA-Biph@MADN 元件具有飽和色度座標，但其元件效率卻不足 以應用於商業化產品上。一般OLED 主-客發光系統中，其放光機制大致可 分為兩種：(1) 主-客發光體間 Förster energy transfer 能量轉移；(2) 客發光 體 自 身 載 子 捕 捉 ， 通 常 此 兩 種 機 制 皆 是 伴 隨 著 發 生 。 然 而 ， 從 SA-Biph@MADN 之元件能階圖，如圖 2-36 所示，可以發現 SA-Biph 客發 光體材料之 HOMO/LUMO 能階分別為 5.2/2.3 eV，當元件中電洞載子由 NPB 傳輸至發光層時，電洞載子可以被具有較高 HOMO 能階之 SA-Biph 給捕捉，但電子卻由於電子傳輸層Alq3與SA-Biph 之 LUMO 間有高達 0.5 eV 之能障，使電子無法注入至 SA-Biph 分子上，導致在深藍 OLED 元件中自 身載子捕捉之放光機制是不存在的；因此，主-客發光體間 Förster energy transfer 能量轉移成為主要之放光機制。然而，由於客發光體 SA-Biph 之吸 收圖譜與主發光體 MADN 之放射圖譜間，並無良好之重疊性導致主-客發 光體間能量轉移效率較差，如圖2-37 所示。綜合此兩個因素，造成深藍光 OLED 元件無法得到高的發光效率。
圖2-36、SA-Biph@MADN 之元件能階圖
圖2-37、SA-Biph 之吸收圖譜與 MADN 之放射圖譜
360 400 440 480 520 560
0.0
SA-Biph (absorption) MADN (emission)
因此，為得到高效率之深藍光OLED，在此提出三種改良方式：(1) 以 具有更紫外光放射波長之主發光體材料，藉由增加其與客發光體材料之吸 收圖譜間重疊性，來提高元件之發光效率；(2) 以電洞阻隔層(HBL)夾置在 發光層與電子傳輸層間，藉由侷限載子或激發子(exciton)停留於發光層中，
來提高元件之發光效率；(3) 以平衡元件中電子與電洞傳輸速度，藉由提升 元件中電子與電洞之再結合率，來提高元件之發光效率。以下將詳述各種 改良方式之性質討論：
(1) 新型藍色主發光體 α-MADN：
利用一具有較紫外光放射波長之主發光體α-MADN (λmax= 410 nm)，取 代原本藍色主發光體 MADN (λmax= 430 nm)進行元件製作，在元件結構 [ITO/CFx/NPB(50 nm)/ emitter (40 nm)/Alq3(10 nm)/LiF(1 nm)/Al(200 nm)]
下，在未摻雜客發光體材料時，α-MADN 之元件發光效率為 0.7 cd/A 於 20 mA/cm2電流密度操作下，0.32 lm/W 於 6.7 V 操作電壓下，而色度座標為[0.15, 0.08]。而當以 3% SA-Biph 摻雜於α-MADN 時，元件發光效率可提升至 3.3 cd/A 於 20 mA/cm2電流密度操作下，1.6 lm/W 於 6.5 V 操作電壓下，而色 度座標為[0.15, 0.13]，其元件性質與 MADN 比較整合於表 2-14 中。從此結 果可以發現，當以α-MADN 為主發光體時，在相同色度座標下，相對於以 MADN 為主發光體時，其深藍光 OLED 發光效率可被提升 38%；這可歸因 於SA-Biph 之吸收圖譜與α-MADN 之放射圖譜，相較於 MADN 之放射光譜 多出約 100% 的重疊區域，如圖 2-38 所示。所以，在螢光 OLED 主-客發 光系統中，主發光體之放射圖譜與客發光體之吸收圖譜間之重疊性，影響
著能量轉移之效率。然而，要開發出一穩定且高效率之紫外光放射波長主 發光體材料，並不容易。
表2-14、3% SA-Biph@MADN 和α-MADN 之元件性質 Voltage Yield Efficiency CIE Host Device
360375390405 420435450465480495 510525540555 0.0
(2) 電洞阻隔層(HBL)元件結構：
當將深藍光OLED 主-客發光系統 SA-Biph@MADN，套用於具有電洞 阻 隔 層 之 元 件 架 構 下 ，[ITO/CFx/NPB(50 nm)/v% SA-Biph@MADN (20 nm)/BCP(10 nm)/Alq3(20 nm)/LiF(1 nm)/Al(200 nm)]，當在 7% SA-Biph 摻雜 下，元件有最佳之發光效率可達3.9 cd/A 於 20 mA/cm2電流密度操作下，
2.0 lm/W 於 6.1 V 操作電壓下，而色度座標為[0.15, 0.13]。相較於未加入電 洞阻隔層之元件架構，由於有效侷限載子和激發子(exciton)停留於發光層 中，元件之發光效率於相同色度座標下被提升了 63%，其元件性質整合於 2-15 中。另一件值得注意的事，一般以 BCP 為電洞阻隔層材料時，由於 BCP 相較於Alq3有較差之電子傳輸能力[20][37][38]，因此元件之操作電壓皆會隨之 提升。然而，在此深藍光OLED 系統中從元件之 B-I-V 圖卻無此現象，如圖 2-40 所示，此可歸因於 SA-Biph 客發光體材料具有好的電洞傳輸能力與較 高之游離能，使電洞傳輸可由NPB 至客發光體上再到發光層中，相較於由 NPB 直接傳至發光層中，可提供電洞一較低阻礙之傳輸路徑；此外，在具 有電洞阻隔層之元件架構下，SA-Biph 之摻雜濃度(7%)相較於沒有電洞阻隔 層元件時(3%)要高，因此更能有效使促使電洞載子注入至具高電洞傳輸速 度之SA-Biph 分子上，進而抵銷因 BCP 較慢電子傳輸速度所造成的操作電 壓上升之現象。
表2-15、深藍光 OLED 於電洞阻隔層架構之元件性質 Voltage Yield Efficiency CIE Device SA-Biph
(V) (cd/A) (lm/W) x y No HBL 3% 6.1 2.4 1.2 0.15 0.12
HBL 7% 6.1 3.9 2.0 0.15 0.13
圖2-40、深藍光 OLED 於電洞阻隔層元件架構之 B-I-V 圖 OLED 主-客發光系統中(DSA-Ph@MADN)[39]，其元件效率更可高達 16.4 cd/A 於 20 mA/cm2電流密度操作下，8.0 lm/W 於 6.4 V 操作電壓下，而色 Current density (mA/cm2 )
0
度座標為[0.15, 0.29]，其元件性質整合於表 2-16 中。造成元件之效率提升， Voltage Yield Efficiency CIE Device DSA-Ph
因此，將複合式電洞傳輸層元件架構套用於深藍光OLED 主-客發光系 Voltage Yield Efficiency CIE
Device SA-Biph
(V) (cd/A) (lm/W) x y Current density (mA/cm2 )
0
針對上述不同元件架構之深藍光 OLED 主-客發光系統進行穩定性量
2.4.5 結論
單胺基取代苯乙烯架構之分子，經由分子取代位置與立體效應來調節 其螢光性質，使其放射波長位於深藍色客發光體材料所需之416~450 nm。
當將 SA-Biph 摻雜於 MADN 主發光體中，其元件效率為 2.4 cd/A 於 20 mA/cm2電流密度操作下，1.2 lm/W 於 6.1 V 操作電壓下，而色度座標為[0.15, 0.12]。透過一具紫外光放射波長之主發光體材料(α-MADN)，藉由提高與客 發光體吸收圖譜間重疊性，有效提升元件效率達1.4 倍(3.3 cd/A)；另外，也 可藉由提升元件中電子與電洞再結合機率來提升元件之發光效率，其方法 有兩種：(i) 藉由電洞阻隔層將載子再結合區域侷限於發光層，其元件效率 可提升1.6 倍(3.9 cd/A)；(ii) 藉由一複合式電洞傳輸層，使元件具有較平衡 之載子傳輸速度，其元件效率可提升 2.3 倍。而深藍光 OLED 元件之操作 穩定性，在起始亮度 100 cd/m2可達 10,000 小時。元件性質整合於表 2-18 中，圖2-44 為此深藍光 OLED 元件之實際電激發光圖。
表2-18、不同元件架構之深藍光 OLED 元件性質
Voltage Yield Efficiency E.Q.E Lifetime CIE Device
(V) (cd/A) (lm/W) (%) (t1/2@100 cd/m2) x y MADN 6.1 2.4 1.2 2.3 10,000 0.15 0.12 α-MADN 6.5 3.3 1.3 3.0 9,200 0.15 0.13 HBL 6.1 3.9 2.0 3.6 300 0.15 0.13 c-HTL 6.8 5.4 2.5 5.0 9,700 0.14 0.13
圖2-44、SA-Biph@MADN 實際元件電激發光圖