CIE(0.33, 0.33)之疊層式白光混成共軛高分子/小分子有機電激發光二極體元件

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OPTICS EXPRESS (2009) Vol. 17, No. 23, p. 21205-21215

1.

簡

^介

白光有機電激發光二極體元件有極大的應用價值於背光板或使用於固態照明，成為近年來被廣泛研究的焦點。而使用有機電激發光二極體元件作為固態照明光源時，

本身的發光頻譜必須涵蓋足夠寬的可見光光譜區域，並且在顏色匹配的情況下混成在Commission Internationale de l’Eclairage (CIE)色座標 (0.33, 0.33)的純白光區域之白光放射光譜。

在共軛有機高分子或小分子發光元件中已經有許多的研究報導提出各式的白光製作方法，有些是採用特別的能量轉換路徑、有些是採用結構上的設計或材料堆疊方式；更有些研究團隊直接堆疊完整的發光元件，

此種方式在發光效率會直接跟堆疊的個數有關係，此疊層節構的關鍵在於連結發光元件的連接單元、或者是電荷產生層是否能使所有發光元件能正常運作，因此在疊層式元件中製作一個優越的連接單元，能有效供應兩邊各自需求的載子為主要關鍵，是大幅提升元件效率值得主要因素也是我們的研究重點。

在這裡我們依次使用了功能性高分子材料poly(ethylene glycol) dimethyl ether (PEGDE)搭配鋁以及氧化鉬molybdenum oxide (MoO₃)製作了連接單元，連接共軛有機小分子發光單元與另一端為共軛有機高分子發光單元的疊層式發光元件，此連接單元主要功能在於提供不同的載子，使其容易的傳輸與注入進入上下各自的發光層中，讓載子在發光層再結合進而達到放光的作用；疊層式元件的發光因為上下發光層不同的色光表現出互補的性質，各自的發光強度可以經由改變連接單元的電荷傳輸或電荷產生層特性做調整，

在CIE色座標上連接單元經過最佳化的處理可以混合出的發光光譜座標為(0.33, 0.33)，並且該光譜可以完整涵蓋整個可見光光譜從波長400nm到750nm，其所對應的演色性指數color rendering index(CRI)大約為90，

因此顯示為非常良好的白光光源。

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圖 1. 疊層式元件結構示意圖①高分子功黃光單元②連接單元③小分子藍光發光單元。

2.實驗製作與結果討論

白光元件的製作係利用高分子量“high-yellow”的phenyl-substituted poly-(para-phenylene vinylene) (HY- PPV)作為下層黃光發光材料；連接單元結構為PEGDE/Al/MoO₃；上層元件為藍光發光材料，圖1為整體疊層式元件結構圖，所有的共軛有機分子材料皆在高真空的環境(10^-6 torr)經由熱蒸鍍的方式沉積，藍光小分子元件的結構與疊層式元件上半部藍光結構相同，不同的是直接製作在ITO導電玻璃基板上面；除了導電高分子PEDOT:PSS在大氣下塗佈，其他步驟均在氮氣的手套箱中完成。

圖2(a)分別指出以HY-PPV為主的黃光高分子發光元件以及小分子的藍光的OLED元件，兩者均為ITO玻璃上各自製作獨立的元件，HY-PPV的元件展現出較寬的光譜，其峰值落在550nm左右，整個光譜涵蓋了500nm-750nm(綠-黃-紅)的可見光區，該CIE色座標位置為(0.46, 0.53)；小分子藍光基本元件其發光峰值落在波長450nm與480nm，該CIE色座標位置落在(0.15, 0.14)。圖2(b)所表示為黃光元件與藍光元件發光光譜在CIE色座標中的位置，可觀察到兩點的連線通過了CIE座標中的白光區域(0.33, 0.33)，指出疊加此黃光與藍光光譜是可產生白光光譜。

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圖 2. (a) 電激發光光譜 (Δ) HY-PPV為主的黃光高分子元件與 (◇) 藍光小分子OLED元件, 兩這各自獨立製作在ITO玻璃基板上 (b) CIE色座標位置 (Δ)黃光及 (◇) 藍光發光元件。兩點的連線通過了白光區，圖中( ) 為CIE 座標(0.33, 0.33)白光位置。

圖 3. 疊層式元件發光光譜隨著不同厚度金屬鋁所造成的影響 (○) 30 Å (●) 60 Å ( ) 90 Å, PEGDE(45 Å)/Al(X Å)/MoO₃(40 Å)。

圖3表現的發光光譜為疊層式元件隨著連接單元中鋁的厚度改變所造成的變化圖。在圖3中連接單元

為PEGDE(45 Å)/Al(30 Å)/MoO₃(40 Å)，主要的發光為上層藍光單元，相對應的色座標位置為(0.26, 0.25)。

當色座標位置落在(0.38, 0.40)，主要是被黃光單元所控制，此時連接單元結構為PEGDE(45 Å)/Al(90 Å)/MoO₃(40 Å)。顯然在此疊層式元件中黃光與藍光相對強度差別是隨著鋁的厚度的改變(3nm-9nm)而改變。可以觀察原件最大亮度和效率是隨著連接單元中鋁的厚度增加(3nm-9nm)而下降，光驅動電壓亦從5.5伏特位移至6.5伏特，藍色曲線的疊層式元件具有較高的發光強度、發光效率與較低的驅動電壓。我

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圖 4. 疊層式元件的電流-亮度-電壓曲線, 此圖中的連接單元結構為PEGDE(45 Å)/Al(60 Å)/MoO3(40 Å)

圖 5. 疊層式元件電流效率對電流密度的作圖，其中 (○) 30 Å (●) 60 Å ( ) 90 Å 為連接單元中鋁的厚度, PEGDE(45 Å)/Al(X Å)/MoO₃(40 Å)。

圖4為疊層式元件連接單元結構為PEGDE(45 Å)/Al(60 Å)/MoO₃(40 Å)電流-亮度-電壓曲線，光驅動電壓大約落在5.8伏特，電壓為15.5伏特時發光強度則為25,000 cd/m²。圖5為疊層式元件發光效率對電流密度的作圖，最大的效率落在連接單元結構為PEGDE(45 Å)/Al(60 Å)/MoO₃(40 Å)大約是4.2 cd/A，甚至在高電流密度的情況下依然能保有此發光效率。對於連接單元中鋁的厚度為3nm與9nm的元件而言，最大效率分別是5.8與1.7 cd/A，連接單元中的鋁為3nm則擁有最高的電流效率，可能是上部藍光元件擁有比較好的光學穿透性質，相較於連接單元中鋁的厚度為9nm的疊層式元件則表現出較低的效率。

圖 6. 照片為混合高分子與小分子材料之高純度白光疊層式二極體，其CIE色座標為 (0.33, 0.33)，穩定的元件與發光頻譜變化小都指出元件是非常優良的。照片中邊緣的黃光是由於接近基板的黃光元件波導效應所造成的。

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圖 6. 照片為混合高分子與小分子材料之高純度白光疊層式二極體，其CIE色座標為 (0.33, 0.33)。

3.結論

證明利用聯接單元結構為PEGDE/Al/MoO₃串聯兩個獨立的發光二極體，利用不同的顏色發光造成互補的效果達到白光製作。疊層式元件的效率與出光的光譜是可以藉由調整聯接單元中鋁的厚度而改變。我們也同時證實了該變連接單元中的鋁厚度可以達到白光光譜的最佳化，卻必須犧牲了些許的電流效率，使用不同的連接單元或者其他更高效能的黃光材料可能可以進一步提升元件的效能。

致謝

感謝國科會(NSC96-2113-M-006-009-MY3)、美國空軍亞洲計劃辦公室(AOARD-09-4055)、和成功大學標竿計畫經費贊助。