Tandem 元件之連接層

如1.4.4所述，若將兩個p-i-n的元件串聯起來，不僅可以提高效率，更重要的 是在相同亮度下，元件壽命更長。串聯式OLED擁有較高的發光效率，其發 光效率隨著串聯元件的個數，可以成倍數成長，而且在相同電流密度下測試 時，串聯式OLED與1-unit OLED的劣化特性是一樣的，但由於串聯式OLED 的初始亮度較大，因此換算成同樣初始亮度時，串聯式OLED的壽命將比傳 統OLED還長，但這種元件的驅動電壓議會隨著元件串聯的數目而倍數增 加。作者Ting-Yi Cho et al. [77]更提出一種平面波展開來計算單一光色有機 發 光 二 極 的 光 學 效 應 。 分 別 可 以 計 算 四 種 模 態 存 在 有 機 層 的 波 導 (Waveguided Mode)、存在玻璃間的波導 (Surface Plasmon Mode)、沿著金屬 表 面 傳 遞 的 表 面 波 (Plasmon Mode) ， 以 及 可 出 光 而 被 人 眼 接 收 的 波 (Radiation Mode)。 作者將tandem OLEDs的光學計算結果發現，當2-unit 的 元件為非共振腔系統時，其正面光最大電流效率可增加2.6倍。

除此之外，在串聯式 OLEDs 結構中一個有效的連接層是相當重要的，

一個良好的連接層材料選擇必須考量到以下幾個特性 1. 高穿透度: 高穿透 度使得由發光層發出的光能有效率的被耦合出來 2. 低反射率: 低反射率之 材料，使得在多層堆疊後的元件其共振腔效應減低，進而抑制於不同視角下

所產生的元件色偏問題 3. 良好的電性: 在串接數個元件後，其總電壓接近 其中每個1-unit 元件驅動電壓之總和，且並不造成額外驅動電壓顯著的增幅

4.膜穩定性。

除上述特性外，對於應用於顯示器中，業界常用的2-unit tandem 元件效 能要求標準如下(相較於 1-unit 元件): (1) 相同電流密度驅動下，電流效率至 少達兩倍以上 ；(2) 驅動電壓約為 1-unit 元件之兩倍 ；(3) 元件壽命: 相 同的驅動電流密度下 Tandem 元件具有與 1-unit 元件相同的衰退情形 ；(4) 不同視角下的色偏: 在視角-75˚~75˚下 ∆CIEx, ∆CIEy< 0.03 (5) 不同亮度下的 色偏: 對於 2-units 元件，亮度 400~4000 nits 下 ∆CIEx, ∆CIEy< 0.02 (6) 在視 角60 度時，仍保有正向角強度的 50 % 以上。

此外，實驗室學長Chan-Chin Chen et al^.[100]發表過皆是以 Mg:Alq3/WO3

作為連接層之兩種不同的白光結構，(1) 其中一種是以連接層將 1-unit 的藍 光元件及 1-unit 的黃光元件串接，混合成白光的方式來實現；(2) 另外一種 是以兩個1-unit 的雙波段白光元件以連接層相接，做成的串接式白光元件。

實驗結果發現以連接層將1-unit 的藍光元件及 1-unit 的黃光元件串接，混合 成白光的方式，在不同的視角下，色偏問題較嚴重，作者認為在此結構中，

因藍光及黃光波長的不同及發光位置的不同，將造成在不同視角下觀測，具 較大的色偏值，且因藍光元件及黃光元件不同的衰退速率，隨著操作時間的 增加 CIE(x,y)值變動量相對於串接兩個白光元件方式來得嚴重。因此在後續

的實驗設計上，我們將以串接兩個白光元件的方式，來達到高效率且光色穩 定的白光。

首先探討以 BPhen:Cs₂CO₃作為 n-type layer 的成膜特性，我們發現將碳 酸銫摻入BPhen 中，不僅能有效降低電子注入的能障，並且也能改善 BPhen 有機材料的薄膜特性，由於 BPhen 的分子量小且呈平面結構，其玻璃轉換 溫度(T_g)只有 60℃很容易形成結晶態，我們將 BPhen 蒸鍍在玻璃基板的薄 膜加熱至 80℃約二十分鐘，由原子力顯微鏡 (AFM)發現薄膜呈現明顯的結 晶態，表面粗糙度的方均由 4.3 nm 變成 18.9 nm (圖 4-1 (a) ,(b))，然而當 BPhen 摻雜碳酸銫之後的薄膜在加熱前後的表面粗糙度並沒有明顯改變，表 面均方粗糙度分別為 2.9 nm 與 2.3 nm (圖 4-11(c),(d))，我們認為摻雜碳酸 銫使得原有 BPhen 有機分子間形成空間障礙而使薄膜不容易形成結晶態，

也增加了薄膜的穩定性，對於OLED 壽命的提升有所助益。

圖 4-1 BPhen 經 80℃約二十分鐘的 (a)熱退火前及 (b)退火後之薄膜形貌，

相對的也探討以 NPB:WO3 (1：1)作為 p-type layer 成膜特性，我們將 NPB:WO3 (1：1)共蒸鍍於矽晶片上，厚度為 100 nm，以攝氏 110°C 的高溫 退火一個小時(NPB 之 Tg= 98˚C)，再以 AFM 量測並且比較退火前:見圖 4-2 (a).，與退火後:見圖 4-2 (b).，此膜的穩定性，其結果所示，我們可以發現 NPB:WO3(1：1)在經退火後表面粗糙度的方均由 0.82nm 變成 0.96 nm，並 無明顯的結晶現象，薄膜亦非常穩定。

接著我們對於此 n-type 材料搭上 p-type 材 BPhen:Cs2CO3/NPB：WO3(1：

1)料做光學特性量測，首先我們在玻璃基板上蒸鍍 BPhen:Cs2CO3 其中厚度 為20 nm，接著再蒸鍍 NPB：WO3(1：1) 其厚度 70 nm，再以 UV-Vis 光譜 儀量測此薄膜的光學特性。對於可見光的穿透度極高(波長 400~550 nm 範圍 之光線，穿透率可達80 %以上，波長 550~800 nm 的光線穿透度更可達 90 % 以上)，高穿透率的連接層，有效的結合各發光層的發光效率，連接層於可 見光範圍中各波長的穿透度，如圖4-3 所示。

圖4-2(a) 圖 4-2 (b)

NPB：WO3(1：1) 共蒸鍍於矽晶片上，其厚度為 100 nm 退火前(圖 4-2

(a).)，及以攝氏 110°C 高溫退火一個小時及後(圖 4-2 (b).) AFM 表面量測 結果。

400 500 600 700 800

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

1.0 Transparency

Wavelength (nm)

Intensity (a.u.)

圖4-3: BPhen:Cs2CO3/NPB：WO3(1：1) 於可見光範圍內之穿透度

基於上述特性及優點，我們以BPhen:Cs2CO3/NPB：WO3(1：1)作為 Tandem 元件之連接層，並使用此材料串接兩個 1-unit 的雙波段 p-i-n 白光元件，其 中1-unit 元件結構 A 為 ITO/ NPB：F4

-TCNQ

(150 nm)/ NPB (10 nm)/ NPB：3

% rubrene ( 10 nm)/ MADN：3% DSA-Ph：5 % NPB (30 nm)/ Alq3 (40 nm)/

BPhen:2% Cs2CO3 (10 nm)/Al (150 nm) 如圖 4-4 (a).所示。2-unit 元件結構 B 為ITO/ NPB：F4

-TCNQ

(150 nm)/ NPB (10 nm)/ NPB：3 % rubrene ( 10 nm)/

MADN：3% DSA-Ph：5 % NPB (30 nm)/ Alq3 (40 nm)/ BPhen:2% Cs2CO3 (10 nm)/ NPB：50% WO3 (10 nm)/ NPB (10 nm)/ NPB：3 % rubrene ( 10 nm)/

MADN：3% DSA-Ph：5 % NPB (30 nm)/ Alq3 (40 nm)/ BPhen:2% Cs2CO3 (10

nm)/ Al (150 nm) 如圖 4-4 (b)所示。其元件正向圖譜整整合於圖 4-5，元件亮 度隨視角的關係、JV 特性曲線及頻譜隨視角的關係如圖 4-6、圖 4-7 圖及圖 4-8 所示。效能則整合於表 4-1，由此結果我們可以發現 2-units 元件之電壓 約為1-unit 之兩倍。效率也可達到 2.2 倍，在不同視角(-75˚~75˚)下色偏: ∆CIEx,

∆CIEy< 0.02，在不同亮度(400~4000 nits)下色偏 ∆CIEx, ∆CIEy< 0.02，在 60˚

角其發光強度仍維持於正向角強度的0.65 倍。因此我們認為以 NPB:WO3(1：

1)/ BPhen: 2% Cs2CO3 作為連接層材料，確實是個不錯的選擇。但由於該元 件之驅動電壓仍然偏高，因此我們決定引入本實驗所發表的高效率低電壓低 色偏之 p-i-n 白光元件結構，來提降低元件驅動電壓並提升其效能。

ITO

400 500 600 700

Normalized Intensity (a.u.)

Wavelength (nm)

400 500 600 700

0.000

Current density (mA/cm2)

Voltage (V)

Normalized Intensity (a.u.)

Viewing Angle

圖4-7: 元件 A, B 之 JV 特性曲線 圖 4-8 元件 B 與 Lambertian 強度特性比較

表 4-1.: 元件 A、B 的效能

Performance@20mA/cm

²

device

CIE

(x,y)

&CIE

(∆x,∆y)

@ 200~2000 nits

&NTSC ratio

Voltage (V)

Lum.Yield (cd/A) and E.Q.E(%) and Efficiency (lm/W)

CIE

(x,y)

本實驗室學長Jia-Wei Ma et al.[101]發表低電壓、高效率，且在不同視角 及不同亮度下具低色偏特性之雙波段 p-i-n 之白光元件，其中元件結構 C (圖 4-9 (a).) 以 WO₃ 及 Cs₂CO₃ 分 別 摻 雜 於 電 洞 傳 輸 層

（N,N’-dipheny1-N,N’-(2-napthy1 ） -4,4’-diamine ， NPB) 和 電 子 傳 輸 層 (4,7-Dipheny1-1,10-phenan-throline ,BPhen)當作 p 型和 n 型。藉由在電子傳輸 層和發光層中間加入藍光發光層(雙層發光層)，再配合有效的電洞阻擋層 (1,1-Bis[N,N-di(p-toly1)amin –opheny1]-cyclohexane TPAC) 和 電 子 阻 擋 層 (BPhen)可以改善元件隨不同電流密度下色偏的情況(相對於單層發光層)。可 得到最大電流效率為 10.5 cd/A，最大能量效率為 9.1 lm/W，色座標為 (0.31,0.42)且在 200~2000 nits 下及視角 0~60 度下，色偏皆小於 0.02 之白光。

在文檔中 高效率p-i-n串列式白光有機發光二極體之研究 (頁 64-72)