白光有機發光二極體---高效率元件製作及元件模擬模型建立

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告

白光有機發光二極體：高效率元件製作及元件模擬模型建立

“ Whi t e Or gani c l i ght emi t t i ng de vi c es : hi ghl y ef f i ci enc y whi t e devi c e and devi c e model i ng”

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 96－2221－E－011－051－

執行期間： 96 年 08 月 01 日至 97 年 07 月 31 日

計畫主持人：李志堅 台灣科技大學電子工程系助理教授 共同主持人：

計畫參與人員：

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢 執行單位：國立台灣科技大學

中 華 民 國 97 年 10 月 29 日

中文摘要

有機發光二極體(OLED)以其自發光、無視角、省電、製程簡易、低成本、操作溫度範 圍及高應答速度等優點，使其具有極大的應用潛力。其中白光OLED更被市場所重視，因為 它可以用來做成固態照明光源，也可以用來做成LCD的背光源及全彩OLED顯示器(白光OLED 加彩色濾光片) 。近年來由於各國政府及業界的積極投入，推動有機發光材料、元件及照 明應用上的研發，技術進展快速，發光效率已突破60 lm/W。雖然白光OLED技術目前仍在實 驗室研發階段，一旦壽命突破、生產技術成熟，有可能成為白光照明及背光源主角，也被 視為顯示器外，另一個重要的應用領域。

在白光OLED的研發中，如能以元件模擬來輔助元件設計，則可加速元件的發展，而目 前並未有完整的白光OLED元件模擬模型。然而，白光OLED不管是單層或是多層發光層結構，

最關鍵的就是在發光層摻入螢/磷光物而調出白光波長，另外也增強了元件的發光效率和壽 命。所以本研究由發光層掺雜螢/磷光物之有機發光元件的各種機制探討出發，更進而發展 出OLED掺雜元件模擬模型。

關鍵詞：有機發光二極體、白光 OLED、固態照明光源、LCD 背光源、摻雜物、元件模擬

Abstract

It is believed that the organic light-emitting diodes (OLEDs) will become the mainstream of the next generation flat panel displays due to its low-power consumption, high-brightness, high-contrast, wide view angle, and self-emissive characteristics. White OLED (WOLED) has recently attracted considerable interest due to potential applications, such as solid state lighting source, backlight of LCD and full color OLED (WOLED with color filter). The WOLED technology has great process due to the USA, Europe and Asia governments’and industries’

investing in recent tears. The power efficiency of WOLED has achieved values over 60 lm/W, but there are still many scientific and technical challenges on the road to commercial success to be overcome. As soon as the technology is mature, it may replace LED as an energy-efficient alternative for general lighting.

Among many others, the key technique of WOLED is addition of fluorescent dopant into the emitting layer. Doped organic light emitting diode has well-established benefits such as tunable emission wavelength, enhanced quantum efficiency and device lifetime. It is, therefore, very important to understand the physical mechanisms underlying the charge carrier transport in the device. Furthermore, the mechanisms of the energy transferring between the host and the guest emitters and the dopant concentration quench are essential to study. We have developed a complete model for the quantitative simulation of electrical and optical characteristics for organic light-emitting devices (OLEDs) with fluorescent dopant in the host.

Keywords: organic light-emitting devices, WOLED (White OLED), Solid State Lighting Source, LCD Backlight, dopant, Device Modeling

一、 本研究之背景

相較於其他平面顯示技術，有機電激發光二極體(OLED)以其自發光、無視角、省電、

製程簡易、低成本、操作溫度範圍及高應答速度、全彩化等優點，使其具有極大的應用潛 力，可望成為新一代的平面顯示器。自 1987 年美國 Kodak 公司以有機小分子螢光色料為發 光層[1]，利用真空蒸鍍的方式製作出高效率之發光元件後，OLED 開始受到國際學術界與 產業界的重視並紛紛投入研究。經過長期的過程改善了 OLED 的運作品質，在它們之中，最 關鍵的就是在發光層摻雜螢光物[2]，掺雜後 OLED 將有好的優點像是可調的發光波長，增 強了元件的量子效率和壽命[3]。因此，去了解元件的物理機制作用以及載子的傳遞是非常 重 要 的 ， 像 是 摻 雜 螢 光 物 的 載 子 捕 捉 (trapping) 及 電 子 電 洞 的 直 接 結 合 (direct recombination)過程[4]。

雖然 OLED 在最近十年來極力的被研究，但是未來一定會有許多研究提出從基本的物 理機制來改善它的元件特性。在 OLED 的發展中，元件模擬是非常有用的，廣泛的模型可加 速元件的優化過程，如果只採用實驗來達成會非常耗時耗錢。因此有必要發展有機電激發 光元件理論，並將之建成元件模擬軟體。近來有很多的文獻是 OLED 模擬方面的研究 [5-18]，但是關於掺雜螢光物 OLED 的機制探討的文獻卻是非常少，然而在這幾篇討論掺雜 螢光物 OLED 模擬的文獻[19-21]，在關於眾所皆知的電子電洞在掺雜螢光物上的直接結合 過程卻無探討。由螢光物上的電子電洞直接結合產生激子(exciton)而發光的原理，這是一種 很重要的發光機制，這解釋了我們觀察到強烈的電致發光的現象。另外主、客掺雜發光體 之間的能量轉移及掺雜螢光物的濃度淬熄(concentration quench)現象[22-24] ，也是需 要去探討的。一個完整的 OLED 模擬模型，必需是電的特性及發光機制同時考慮到。由於現 在的高效率 OLED 的結構，都包含了發光層摻雜螢光物，而目前關於掺雜螢光物 OLED 的模 擬模型，大部分的研究分別探討於電的模式以及光學的模式。因此，發展一個完整的 OLED 模擬模型，亦為我們的研究主題。

二、 本研究之目的與方法

本研究的目的為發光層掺雜螢光物之有機電激發光元件的各種機制探討，像是研究電 子電洞的直接結合(direct recombination)過程，還有主、客掺雜發光體之間的能量轉換 及掺雜螢光物的濃度淬熄(concentration quench) 機制，發展出有機電激發光元件理論，

並建立一個完整的 OLED 模擬模型。

在此，我們已成功的發展出發光層掺雜螢光物之多層 OLED 的電性及光學特性的模擬 模型，此模型包含以下幾個部份，1、載子傳導，我們主要建立包含 Poisson equation 及 carrier continuity equation 的模型再加上加上載子被摻雜螢/磷光物捕捉(trapping) 及在發光層摻雜螢光物直接結合(direct recombination)的現象，而建立出完整的有機發 光元件的電性模型。2、激子擴散及放光機制，在 OLED 的元件中，電子電洞對會再結合 而形成激子，激子會在特定的範圍內擴散並會產生能量轉移，在掺雜的 OLED 的元件中會 有兩個機制產生，一為從主發光層(host material)能量轉移至客發光層(dopant material) 的機制，另一項為電子與電洞直接在客發光層進行再結合的機制，此兩項效應會決定發光 的範圍及 OLED 元件的光學特性。3、激子淬熄機制，在 OLED 的元件中需將掺雜螢/磷光 物的濃度淬熄、電極淬熄考慮進來。4、OLED 的光學特性，OLED 元件中自發光層產生的光，

在元件中產生的反射及干涉效應會影響到放光的光譜(EL spectrum)及強度。整體系統的

輸入參數包括材料參數、發光材料的 photoluminescence(PL) 、掺雜濃度和元件的結構，

而模擬的輸出結果包含 I-V 特性、光的輝度、電激發光頻譜及 CIE 座標。此一模擬軟體可 用來對元件之電的特性及光的特性做探討，進而設計新元件螢光物的摻雜濃度與元件結構 之最佳化。

我們所提出發光層摻雜螢光物的 OLED 載子傳輸模型為[25]

d pd

n

q np q np

dx

dJ 





 (1)

p n q np dx q

dJ

d nd

p

    

(2)

) (

_{t t d d}

r

0

q p n p n p n

dx d dx

d        



 





  (3)

Jⁿ和J^p分別為電子和電洞密度，q是電子電量，是電子和電洞結合速率常數，n和p分 別是電子及電洞濃度，是電位，⁰^r是有機材料的介電常數，nt是有機材料的捕捉電 子濃度。兩小項

q

_pd

np

_d q_ndn_dp分別包含在(2)(3)中，這兩小項說明自由載子和螢 光摻雜物裡的被捕獲載子的直接結合現象。

對於低濃度摻雜，染料分子的摻雜扮演載子陷阱的設置，而電子的陷阱密度表示 成

   

^{n p}

kT n E

N n n H n dt v

dn

d nd dn

LUMO d

d dn d

n

d  exp 

 



 



 



 







 , (4)

其中 v

_n

代表電子速度,

d

是摻雜造成的載子陷阱截面積，H

_dn

是總摻雜濃度，N

_{d_LUMO}

是在 LUMO 中的摻雜密度，而E

dn

是 LUMO 在摻雜物和本體間的能量差。以 dn

_d

/dt=0 解 方程式(4)，則被摻雜物捕捉住的電子密度可被寫成

1

d n nd dn

LUMO dn

d

1 1 exp



 

 



  



 



  

 

 



 









nv

p kT

E n

H N

n

. (5)

同理被陷阱住的電洞密度也可由相似的方程式來表現。

一旦電子與電洞結合形成激子，這些激子將擴散及能量轉換至摻雜物上。而這主體與 客體之激子擴散方程式為

exc_h exc_h

ss_h exc_h

exc_h exc_h

tot h-d r_h nr_h h

exc_h

n x Q dx n

n D d

n K K K

t G

n ( )

2 ) 1

(

₂ ²

2













 



 , (6)

2 2

)

( dx

n D d

n K K

n K t G

n _{exc_d}

exc_d exc_d

r_d nr_d exc_h

tot h-d d

exc_d     





exc_d exc_d

cq exc_d

ss_dn K cn Q(x)n

2

1 ₂  

  , (7)

n

exc

表示激子密度，D

exc

為激子擴散常數。

最後由主體與客體所發出之光譜強度為

 ^{  }



^L

h h r_h

h

EL_h

c dx

h E

P E x S

I

0 2

0_

2 out_

) (

) ) (

( )

( )

(

 

 

 , (8)

 ^{  }



^L

d d r_d

d d

EL

c dx

h E

P E x S

I

0 2

0_

2 out_

_

( )

) ) (

( )

( )

(

 

 

 , (9)

) ( )

( )

(

 _{EL_h}  _{EL_d} 

EL_tot

I I

I  

, (10)

三、 結果與討論

根據以上之方程式，我們建立出含摻雜螢光物之 OLED 模擬模型。以下圖形為針對發 光層中摻雜螢光物不同濃度之變化，所做的電光特性模擬結果，圖中記號為實驗數據，線 則為模擬數據。

0 25 50 75 100 125

10⁸ 10¹⁰ 10¹² 10¹⁴ 10¹⁶

65 70 75

10¹⁴ 10¹⁵ 10¹⁶

b b: 0.5%

c: 1.0%

d: 1.5%

d a

Excitondensity(cm-3 )

Position (nm)

c a: 0.0%

c d

b

 圖 1.摻雜 OLED 元件結構能階圖 圖 2.不同摻雜濃度之激子密度圖的模擬結果

400 500 600 700 800

0 1 2 3 4 5

ELIntensity(a.u.)

Wavelength (nm)

0.0 % 0.5 % 1.0 % 1.5 % Simulation

0 2 4 6 8 10 12

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0.0% Exp.

0.5% Exp.

1.0% Exp.

1.5% Exp.

Simulation

Currentdensity(A/cm2 )

Applied voltage (V)

圖 3.不同摻雜濃度之 EL 的模擬與實驗結果 圖 4.不同摻雜濃度之電性模擬與實驗結果

0 2 4 6 8 10 12 0

2 4 6 8

0.0% Exp.

0.5% Exp.

1.0% Exp.

1.5% Exp.

Simulation

Luminance(x104 cd/m2 )

Applied voltage (V)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0 2 4 6 8

Luminance(x104cd/m2)

Current (A/cm²) 0.0 % Exp.

0.5 % Exp.

1.0 % Exp.

1.5 % Exp.

Simulation

圖 5.不同摻雜濃度之亮度的模擬與實驗結果 圖 6.不同摻雜濃度之效率的模擬與實驗結果 由各圖所示，我們的模擬結果與實際元件的實驗數據相當吻合，證明我們的摻雜模型 是相當的成功。

四、 計畫成果自評

本計畫為發光層掺雜螢光物之有機電激發光元件的各種機制探討，像是研究電子電洞 的直接結合(direct recombination)過程，還有主、客掺雜發光體之間的能量轉換及掺雜 螢光物的濃度淬熄(concentration quench) 機制，發展出有機電激發光元件理論，並建立 一個完整的OLED模擬模型，與原計畫目的相符、並達成預期與目標，已將本計劃研究成果 投稿至國際期刊發表。一個白光OLED的發展中，如果只採用實驗來達成會非常耗時耗錢，

此時元件模擬是非常有用的，廣泛的模型可加速元件的優化過程，因此可以依據此摻雜模 型，去建立出一個完整的白光OLED元件製作平台，結合白光OLED元件模擬模型，以輔助白 光元件設計。

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