利用 UV 絕緣膠與銅基板提昇上發光有機發光二極體 特性之研究
張書葦 王舜熙 蔡裕勝 莊賦祥
國立虎尾科技大學光電與材料科技研究所
劉榮昌 鐘明樺
工業技術研究院材料與化工研究所
摘 要
本研究為改善上發光型有機發光二極體 (TEOLED) 元件操作於高電壓電 流密度之下所產生之焦耳熱，能藉由銅散熱基板傳導出去，進而提升元件壽 命。元件製程利用旋轉塗佈 UV 膠於銅基板上除可達到基板表面平坦化，更利 用其絕緣的特性作為元件絕緣層避免銅基板與元件陽極短路。元件特性於 20 V 可得到最佳亮度 10020 cd/m2，於 11 V 可得最大發光效率 9.6 cd/A，且壽命方 面較製作於玻璃基板之元件提升 10 倍時間。
關鍵詞：上發光型有機發光二極體，焦耳熱，壽命。
PERFORMANCE IMPROVED OF TOP EMISSION ORGANIC LIGHT EMITTING DIODE BY SPIN COATING UV GLUE ON CU SUBSTRATE
Shu-Wei Chang Shun-Hsi Wang Yu-Sheng Tsai Fuh-Shyang Juang Institute of Electro-Optical and Materials Science
National Formosa University Huwei, Yunlin, Taiwan 63208, R.O.C.
Mark-O. Liu Ming-Hua Chung
Material and Chemical Research Laboratories Industrial Technology Research Institute
Hsinchu, Taiwan 300, R.O.C.
Key Words: TEOLED, joule heat, lifetime.
ABSTRACT
Temperature increase during OLED operation can significantly degrade the devices lifetime. In order to improve life time, we fabricated TEOLEDs on Copper (Cu) substrates that can reduce the influence of joule heat while the devices are operating. In this experiment, UV glue was spin coated onto Cu substrate to effectively smooth the surface as an isolation layer. The optimum luminance and efficiency were 10020 cd/m2 at 20 V and 9.6 cd/A at 11 V, respectively. The lifetimes were greatly improved about 10 times than the devices with glass substrates.
一、前 言
有 機 發 光 二 極 體 (Organic Light Emitting Diode;
OLED) [1]是新一代的平面顯示器，它具有自發光、可視角 大 (>170°)、高發光效率、色純度高、容易製作於各種基 板上等優點。傳統的 OLED 畫素為下發光結構，往往受到 下層薄膜電晶體和 Data Line 阻擋，減少向下光源之通過比 例。為讓主動面板不受 TFT 之影響進而提高開口率，上發 光 OLED 的研究迅速竄升，其所需的透明上電極與高反射 下電極也有相當多研究[2-6]。傳統之 OLED 元件大多是以 Glass 作為元件基板，近年來也發展以軟性基板製作可撓式 OLED，T. K. Chuang 等人發表將 OLED 元件製作在不銹鋼 箔上，利用其具有高阻水氧的能力並可作為軟性元件基板 [7, 8]。另外，OLED 的壽命問題也有相當多的研究，其中 除了水氣、氧氣的侵蝕之外，OLED 元件產生的熱能也是 減少壽命的因素，當元件溫度增加，造成有機層材料結晶 化現象，進而造成衰退使元件崩潰[9, 10]。因此本研究利 用金屬基板製作上發光 OLED，用以改善其熱累積的問 題，以提升 OLED 之光電特性。
二、實驗方法
實驗採用 39 × 39 × 1 mm 之 Cu 基板與 Glass 基板。首 先將研磨後的 Cu 基板與一般 Glass 基板依序浸入丙酮、甲 醇和去離子水，並置入超音波震洗機各震洗 10 分鐘，震洗 完畢後用氮氣槍將基板吹乾，置入烤箱以 100 °C 烘烤 10 分鐘去除多於水氣。再利用與工研院材化所合作調製的 UV 膠，將 UV 膠旋轉塗佈於基板上，並照射紫外燈 20 秒 固化。隨後將基板置入金屬蒸鍍腔體，在真空壓力 4 × 10-6 torr 下以熱蒸鍍方式依序蒸鍍金屬 Al，及高功函數金屬 Au 作為反射陽極結構。完成後將試片置入有機熱蒸鍍腔體 中，於真空環境壓力 2 × 10-6 torr 下依序蒸鍍電洞注入層 (4,4’,4’’-tris (n-3-methylphenyl-n-phenyl-amino) triphenylamine, m-MTDATA)、電洞傳輸層 (n,n’-bis (naphthalen-1-yl)-n,n’- bis (phenyl)-benzidine, NPB)、發光層兼電子傳輸層 (Tris (8-hydroxy-quinolinato) aluminium, Alq3)，最後將試片置回 金屬蒸鍍腔體蒸鍍陰極結構 LiF/Al/Ag。其中元件陰極為半 透明金屬膜，故總膜厚不得超過 20 nm。元件製作完成後，
利用 Mbraun 的手套箱於氮氣環境下進行元件封裝，將 UV 膠以框膠方式塗在基板表面四周再蓋上玻璃封蓋，之後將 元件放在紫外燈底下以功率 400 W/cm2固化 UV 膠。本結 構元件發光面積為 36 mm2。表一為元件結構參數表，圖 1(a) 為元件能帶結構圖，(b)為元件示意圖。元件完成後在 大氣環境下進行光電特性之量測，使用 Spectra Scan PR650 測量發光亮度及光譜；Keithley 2400 作為電源供應器測量 電流-電壓特性；NEC TH-7716 Infrared Thermo Tracer 測量 元件基板表面溫度。
表一 元件結構參數
Sub. UV glue
expose 20 sec Al Au m-
MTDATA NPB Alq3 LiF Al Ag
Cu 4000 rpm
8.6 μm Glass 4000
rpm 8.2 μm
75 nm
2 nm
15 nm
30 nm
60 nm
0.5 nm
2 nm
14 nm
Substrate Cathode Emitting area Organic layer Anode (a)
(b) Al
4.2eV Au 5.1eV
1.9eV
m-MTDATA NPB Alq3
2.4eV 3.0eV
5.11eV 5.4eV
5.7eV LiF
Al 4.2eV Ag
4.3eV
圖1 (a) 元件能帶結構圖 (b) 元件示意圖
三、結果與討論
實驗中於研磨後的 Cu 基板表面旋塗 UV 膠，除平坦 化基板表面外，亦可避免元件的陰極與陽極短路，達到絕 緣效果。由表一得知，固定轉速 4000 rpm (20 sec) 之下得 到約 8 µm 厚的 UV 膠絕緣層。由圖 2 不同基板表面之 AFM 圖可看出，Glass 基板與 Cu 基板均可藉由旋塗 UV 膠於其 表面來改善其表面粗糙度，且當旋轉塗佈轉速為 4000 rpm 時可獲得較平坦表面。圖 3 和圖 4 為不同基板之電壓對亮 度與電流密度曲線圖，可觀察出當操作電壓於 15 V 前，
Cu 基板元件與 Glass 基板元件發光特性與電特性均很類 似，此可證明將 TEOLED 元件製作在 Cu 基板上不會使得 元件特性降低。此外當操作電壓大於 15 V 後，Cu 基板元 件之發光亮度將高於 Glass 基板元件，且可持續操作至高 電壓 (20 V) 電流之下，其元件最大亮度為 10020 cd/m2； 反之 Glass 基板元件將操作電壓 15 V 後將瞬間燒毀，此可 證明，TEOLED 元件製作在 Cu 基板上，可使元件操作時
Rms: 5.53
Rms: 1.07
Rms: 1.21
Rms: 0.312
(a) Cu sub. (b) Cu sub. UV 4000 rpm
(c) Glass sub. (d) Glass sub. UV 4000 rpm 圖2 不同基板元件表面AFM粗糙度圖
6 9 12 15 18 21
Voltage (V) 0
2000 4000 6000 8000 10000
Luminance (cd/m2)
Cu sub.
Glass sub.
圖3 不同基板元件之電壓對亮度曲線圖
5 10 15 20
Voltage (V) 0
100 200 300
Current density (mA/cm2)
Cu sub.
Glass sub.
圖4不同基板元件之電壓對電流密度圖
產生的熱能透過 Cu 基板有效且快速的散逸，進而大幅提 升元件特性。
0 40 80 120 160
Current density (mA/cm2) 0
2 4 6 8 10
Yield (cd/A)
Cu sub.
Glass sub.
圖5 不同基板元件之電流密度對效率圖
400 450 500 550 600 650 700
Wavelength (nm) 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12
Intensity
Cu-15V Glass-15V Cu-13V Glass-13V
圖6 改變電壓下不同基板元件之EL光譜圖
圖 5 為不同基板元件之電流密度對效率曲線圖，可觀 察出 Cu 基板元件最大效率為 9.6 cd/A，且 Cu 基板之元件，
其發光效率衰退的趨勢較傳統玻璃基板之元件緩慢，此可 證明利用 Cu 基板，能快速將元件產生之焦耳熱散逸，使 提升元件穩定度。
圖 6 為 Glass 和 Cu 基板元件在不同電壓下之 EL 光譜 圖，可發現隨電壓的不同元件發光光譜未有色偏移的現 象，且兩種基板製作的元件發光波長均位於 544 nm 位置，
且操作於高亮度之下可看出 Cu 基板元件發光強度可大於 Glass 基板元件，此可證明 TEOLED 元件製作於 Cu 基板上 對元件發光特性將不會有所影響。圖 7 為 CIE 色座標圖，
可 看 出 兩 基 板 元 件 均 位 於 相 同 之 綠 光 位 置 Glass sub.(0.303,0.64)、Cu sub.(0.303,0.639)。圖 8 為相同電壓之 下(12 V)，不同基板之元件視角與發光強度圖，可觀察出 不同基板元件在不同角度之下，製作於 Cu 基板上較能提 升元件發光強度。
使用 NEC TH-7716 紅外線熱像儀測量元件背部溫度
CIE 1931 Chromaticity Diagram 520
490
480 470460
420 520
540 550
550 560
570 580
590 600
610 630680
1931 2-degree Observer Chief Technology
圖7 CIE色座標圖
180 170 160
150 140
130
120 110 100 90 80
70 60 50
40 30
20 10
0 Cu
Glass
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 圖8 不同基板之元件視角與發光強度圖
分佈，由於間隔約 5 秒連續拍攝，因此元件溫度並未達 到最大值。由圖 9 可觀察出元件操作於 12 V 之下，Glass 基板元件與 Cu 基板元件溫度差異不大，最高溫分別為 29.1 °C 與 27.3 °C。但 Glass 基板熱源集中於元件發光處，
而 Cu 基板熱源則傳導至基板四周。因此，由圖 10 可觀 察出，當元件操作於 15 V 溫度明顯不同，Glass 基板元件 溫度升高至 57.8 °C 且集中於發光處，Cu 基板元件則藉由 基板具高散熱係數的特性，將熱傳遞出去，溫度只升高 至 26.3 °C，且能持續操作至高亮度之下 10020 cd/m2，相 較於 Glass 基板元件操作在高亮度之下，則由於溫度無法 傳遞出去，過高的溫度導致元件毀壞。單點測試其最高 溫可達 80 °C 以上。
實驗中亦使用 Hot Plate 將不同基板之元件加熱，使元 件維持在 80 °C 的環境溫度下並測量其光電特性。由圖 11 可看出，於高溫 (80 °C) 條件操作下，Cu 基板元件其發光 特性仍較 Glass 基板元件佳，其最大亮度可達 3421 cd/m2， 此亮度與在室溫條件下 20 °C 量測亮度 (10020 cd/m2) 有 所差異，是由於 OLED 元件於高溫環境下，甚至是超過有 機材料玻璃轉移溫度 (Tg) 時，將造成有機材料產生再 結晶現象，進而降低元件發光特性。圖 12 亦可看出加熱至
29.1 28.3 27.5 26.7 25.9 25.1 24.2 23.4 22.6 21.8
˚C21.0 Glass-12V (back side)
27.3 26.7 26.0 25.4 24.8 24.2 23.5 22.9 22.3 21.6
˚C21.0 Cu-12V (back side)
圖9 不同基板元件12V之熱影像圖
22.4˚C 23.6˚C 40.3˚C 50.8˚C 57.8˚C
25.4˚C 25.0˚C 26.3˚C 24.8˚C 24.4˚C
57.8 54.1 50.4 46.8 43.1 39.4 35.7 32.0 28.4 24.7
˚C21.0
26.9 26.3 25.7 25.1 24.5 24.0 23.4 22.8 22.2 21.6
˚C21.0
Glass-15V (back side)
Cu-15V (back side)
圖10 不同基板元件15V之熱影像圖
80 °C 的 Cu 基板元件效率亦較 Glass 基板元件佳，是因為 Cu 基板達到散逸熱能功效，且在高溫下，仍可使元件持續 操作至高電流密度之下，反之 Glass 基板元件則瞬間燒毀。
圖 13 為量測不同基板之元件壽命曲線圖，Cu 基板元 件由於基板之熱傳遞功效，能避免熱源累積在元件發光 處，並利用 Glass 蓋板搭配 UV 膠做元件封裝後，壽命可 達 47 小時，相較於 Glass 基板元件約提昇 10 倍時間。
四、結 論
本實驗利用 Cu 基板具高散熱的特性，有效降低元件 操作於高電流密度下，產生之焦耳熱對元件所造成之影
5 10 15 20 Voltage (V)
0 2000 4000 6000 8000 10000
Luminance (cd/m2 )
Cu sub. 20˚C Glass sub. 20˚C Cu sub. 80˚C Glass sub. 80˚C
圖11 元件加熱之電壓對亮度曲線圖
0 50 100 150 200 250
Current density (mA/cm2) 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Yield (cd/A)
Cu sub. 20˚C Glass sub. 20˚C Cu sub. 80˚C Glass sub. 80˚C
圖12 元件加熱之電流密度對效率曲線圖
0 10 20 30 40 50
Lifetime (hr) 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Normalized luminance
Glass encapsulation Cu sub.
Glass sub.
圖13 不同基板之元件壽命曲線圖
響，並藉由旋轉塗佈 UV 膠達到平坦化且絕緣效果。當 UV 膠轉速為 4000 rpm (20 sec) 之下，元件得到最佳的亮度與 效率分別為 10020 cd/m2與 9.6 cd/A。並藉由 Cu 基板散熱 特性，達到延長元件壽命之效果，相較於 Glass 基板元件 可提升約 10 倍時間。
誌 謝
特 別 感 謝 工 研 院 材 化 所 以 及 國 科 會 計 畫 編 號 ： NSC-97-2221-E-150-007 經費的支持，使本研究得以順利完 成。
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2009 年 02 月 05 日 收稿 2009 年 02 月 13 日 初審 2009 年 03 月 18 日 複審 2009 年 04 月 03 日 接受
