第四章 實驗結果與討論 47
4.6 近紅外光距離感測器實際量測
為了過濾掉環境中的光線干擾，在光偵測器前方貼上可見光濾光片是必要的，這可 以幫助我們濾掉波長小於650 nm 之可見光。同時，由於 Super Yellow 做成的 PLED 是 發黃光，前方也必須借助近紅外光轉換膜才能被光偵測器接收。而 PLED 與 PPD 最後 還必須以黑色不透光膠帶包覆，僅露出主動區的部分，其原因有二，一是防止環境中的 光線從PPD 側面的玻璃進入主動區，二是防止接下來做反射式量測時，PLED 從側向跑 出的光影響到PPD。而這些量測皆使用直流式量測，當膜厚為 16.2 μm 的光偵測器操作 在-20 V，而 PLED 操作在 5 ~ 7 V，將 PLED 與 PPD 放置於同一平面且朝同一方向，並 且兩者之間的距離D = 4 cm，置一個物體於兩者前方，如圖 4.16 所示。
作距離感測時，因為光偵測器本身有兩個背景電流的來源，一是光偵測器本身的暗 電流，二是環境中波長大於650 nm 的光線使 PPD 產生的電流。所以我們必須先將 PLED 在打開前所讀到的電流值紀錄下來，之後PLED 打開所得的值與未開的值相減，所得的 值才是真正從偵測物體反射回來的光電流。
對於放置的偵測物體，本實驗室的學長已發表於期刊並做過一些討論，因白紙表面 光滑且較不吸收光線，所以使用此材質會較易於感測[32]。而表 4.4 為改變量測距離對 光電流的影響，以及改變PLED 的驅動電壓對光電流的變化[56]。
圖 4.16 反射式距離感測的示意圖。
表 4.4 未使用透鏡做近紅外光距離感測之結果[56]。 驗室自製的space-charge-limited transistor (SCLT) 驅動 PLED，以及將 PPD 的主動層厚 度換成約8 μm 的元件，也就是大約為紅光至近紅外光範圍的光偵測器。其中，這裡所
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
480 560 640 720
0.0
1000 ITO/PEDOT/RP 158/Ca/Al ITO/PEDOT/CTFB/RP 158/Ca/Al
2800 CTFB/Green B: RP158 /Ca/Al (2:1)
CTFB/Green B: RP158 /Ca/Al (2:1)
3.5 CTFB/Green B: RP158 /Ca/Al (2:1)
(10:1) (50:1)
Voltage (V)
Current efficiency (cd/A)
420 490 560 630 700 770 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8
1.0 CTFB/Green B: RP158 /Ca/Al (2:1)
(60 nm)/ Ca (35 nm)/ Al (100 nm)，其中 Green B : RP 158 分別有 2:1、10:1、50:1 三種比 例。其量測結果如圖4.18，可看出以 10:1 的結果較好，因為其效率較高且較偏紅光。
有了以上的改進，如 PPD 的主動層變薄、更換 PLED 光源，我們仍試著增強光電 流，因此加入透鏡作為聚焦的用途。首先，將PPD 移至 PLED 的正前方約 10 cm 處，
並分別以市售透鏡及自製塑膠透鏡貼於PLED 前方，如圖 4.19 所示。我們測得加上兩種 透鏡的光電流確實有放大，見表4.5。由於市售透鏡的焦距大約為 1 cm，因此可想而知 直接貼於PLED 上並不會位於焦點，若置於 PLED 前方 1 cm 處，則可得到接近 40 nA 之光電流，但這麼做會較麻煩，反而不如自製透鏡，且若需製作成陣列也可自行以便宜 的方法取得許多透鏡。不僅如此，這也顯示出與我們的模擬相近 (大約放大四倍)，令人 相當興奮。此外，作為距離感測器實際量測使用的自製透鏡尺寸是r = 10.9 mm，h = 8 mm，t = 10 mm。
由於 SCLT 在主動區面積為 0.01 cm2的最大提供電流約為0.2 mA，因此以理論推算 當SCLT 主動區面積為 1 cm2時，可提供驅動PLED 的最大電流為 20 mA。於實際距離 感測時先以Keithley 2400 提供 20 mA 的穩定電流，如圖 4.20 (b) 所示。然而加上自製的 透鏡後，由PLED 發出的光有可能在進入透鏡時散射到光偵測器，影響到真正的結果。
因此，我們在 PLED 與 PPD 皆打開並且前方未放置偵測物體的情況下，記錄下此時的 電流值，稱為I1，如圖4.20 (a)。之後再加入偵測物體量測電流值，稱為 I2，如圖4.20 (b)。
圖 4.19 利用透鏡做直射式距離感測示意圖。
表 4.5 直射式距離感測使用透鏡前後之結果。
無透鏡 市售透鏡 自製透鏡
d = 10 cm 10 nA 25 nA 40 nA
(a) (b)
圖 4.20 利用透鏡做反射式距離感測示意圖： (a) 前方無物體時; (b) 前方有偵測物時。
表 4.6 反射式距離感測使用透鏡前後之結果[56]。
d = 10 cm
驅動 PLED
電流
PPD 操作於 -20 V 之背
景電流
打開PLED，
PPD 增加的光 電流
打開PLED，加 上透鏡時PPD 增
加的光電流
RP 158 15 nA 30 nA
Green B : RP 158
(2:1) 12 nA 21 nA
Green B : RP 158 (10:1)
20 mA 400 ~ 450 nA
9 nA 17 nA
經過I2 – I1之結果即為真正從PLED 打到反射物的光線被 PPD 偵測到之光電流值，
量測的結果列於表 4.6。由表可知加入塑膠透鏡的確有所幫助，使光電流值上升兩倍左 右。
第五章 結論
對於本篇論文之中所提到的光偵測器以及結合數個部份組合而成的距離感測器，我 們將簡短的整理出以下幾點結論：
一、光偵測器方面，
1.針對主動層以 P3HT : PCBM 製作的 bulk heterojunction 元件，其主動層厚度從數百奈 米增加到微米等級時，其 IPCE 明顯會移向近紅外光波段的這個現象，我們再次檢視 了一遍。雖然先前發表的文獻[31]已經提出此現象為 exciplex 對近紅外光的吸收，而 我們再參考了國外的S. Cook 團隊給予的意見之後，並且以 UV-visible 做了確認，發 現絕大部分的近紅外光吸收應是來自 PCBM 的貢獻。即使如此，加入 P3HT 可創造 exciton 拆解的界面與電荷的傳輸路徑，仍有一定的好處。
2.較薄的主動層其主要吸收 650 nm 以下的可見光波段，貢獻來自 P3HT。較厚的主動層 在提升至某個厚度可藉由施加更大的逆偏壓而同時吸收可見光與近紅外光，或是施加 些許偏壓只吸收近紅外光，可做為可調變吸收波段的光偵測器。若是厚到一定程度，
則僅有近紅外光的反應，且必須施加更大偏壓來建立更大的電場，以獲得較大的IPCE。
3.以理論模擬光偵測器的做法也支持了我們的想法。例如對厚膜加大逆偏壓可同時降低 可見光區與近紅外光區的復合電流，而總電流增加。另外，薄膜於-10 V 獲得的復合 電流較厚膜來的小，無論是對於可見光區或紅外光區皆一樣。
4.以市售峰值在 650 nm 的無機 LED，並給予 5 V 的偏壓作為光源，而光偵測器操作在-10 V。對於 250 nm 厚的光偵測器其頻率響應可到達 10 kHz 或更高，較厚的 8.3 μm 元件 則可發現訊號從方波即將變成三角波。因此我們初步判定，目前製作陣列化的裝置，
其最高操作速度約在10 kHz。
二、距離感測器方面，
1 以光學模擬軟體 TracePro 先建立好一個環境，有機發光二極體與有機光偵測器互相面 對的情況下，再模擬各種形狀與尺寸的PDMS 透鏡套用進來會得到怎樣的結果。不僅 省時省力，並節省經費，最值得的是與實際量測結果相近。在模擬時以r = h = t =10 mm 的PDMS 透鏡貼於 PLED 上，並與 PPD 相距 10 cm，可增大約四倍的照度。
2.對於以上的情況實際製作 PDMS 透鏡並做量測。雖然尺寸為 r = 10.9 mm，h = 8 mm，
t = 10 mm，與模擬時稍有出入，但在 PLED 與 PPD 面對面的量測得到放大四倍左右的 光電流。在反射式的距離感測方面也得到約兩倍的放大光電流效果，可以稍微簡化後 端電路在設計時的難度。
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