OLED工艺介绍与应用

OLED(Organic light emitting diode)是继TFT-LCD(Thin film transistor liquid crystal display)，新一代之平面显示器技术。其具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点。1987年，美国Kodak公司邓青云(C.W. Tang)博士等人，将OLED组件及基本之材料确立[1]。1996年，日本Pioneer公司成为第一家将此技术量产化之公司，并将OLED面板搭配于其所生产之车用音响显示器。近年来，由于其前景看好，日本、美国、欧洲、台湾及韩国之研发团队如雨后春笋般相继成立，导致了有机发光材料日益成熟，设备厂商蓬勃发展，以及相继工艺技术不断之演进。
然而，OLED技术于原理及工艺上，与目前发展成熟之半导体、LCD、CD-R甚或LED产业虽有相关，但却有其独特know-how之处；因此，OLED量产化仍有许多瓶颈。台湾铼宝科技公司系由1997年开始研发OLED之相关技术，于2000年成功量产OLED面板，成为继日本东北先锋后，全世界第二家量产OLED之面板公司；而2002年，更陆续外销出货单彩(mono-color)及区域多彩(area-color)面板如图一所示，并提升良率及产量，一跃而成为世界上产量最大OLED面板供货商。

[图一：铼宝之区域多彩及单彩OLED面板]

&&&&& 由于OLED工艺中，有机膜层之厚度将影响组件特性甚钜，一般而言，膜厚误差必须小于5纳米，为名符其实之纳米科技。举例来说，TFT-LCD平面显示器之第三代基板尺寸，一般定义为550mm x 650mm，在此尺寸之基板上，欲控制如此精准之膜厚，有其困难性，也因此限制了OLED在大面积基板之工艺，和大面积面板之应用。目前而言，OLED之应用主要为较小之单色(mono-color)及区域多彩(area-color)显示器面板，如：手机主屏幕、手机副屏幕、游戏机显示器、车用音响屏幕及个人数字助理(PDA)显示器。由于OLED全彩化之量产工艺尚未臻至成熟，小尺寸之全彩OLED产品预计于2002年下半年以后才会陆续上市。由于OLED为自发光显示器，相较于同等级之全彩LCD显示器，其视觉表现极为优异，有机会直接切入全彩小尺寸高档产品，如：数码相机和掌上型VCD(或DVD)播放器，至于大型面板(13�家陨�)方面，虽有研发团队展示样品，但量产技术仍尚待开发。
&&&&& OLED 因发光材料的不同，一般可分小分子(通常称OLED)及高分子(通常称PLED)两种，技术的授权分别为美国的Eastman Kodak(柯达)和英国的CDT(Cambridge Display Technology)，台湾铼宝科技公司是少数同时发展OLED和PLED的公司。在本文中，主要介绍小分子OLED，首先将会介绍OLED原理，其次介绍相关关键工艺，最后会介绍目前OLED技术发展之方向。

OLED之原理

&&&&& OLED组件系由n型有机材料、p型有机材料、阴极金属及阳极金属所构成。电子(空穴)由阴极(阳极)注入，经过n型(p型)有机材料传导至发光层(一般为n型材料)，经由再结合而放光。一般而言，OLED组件制作的玻璃基板上先溅镀ITO作为阳极，再以真空热蒸镀之方式，依序镀上p型和n型有机材料，及低功函数之金属阴极。由于有机材料易与水气或氧气作用，产生暗点(Dark spot)而使组件不发亮。因此此组件于真空镀膜完毕后，必须于无水气及氧气之环境下进行封装工艺。
&&&&& 在阴极金属与阳极ITO之间，目前广为应用的组件结构一般而言可分为5层。如图二所示，从靠近ITO侧依序为：空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层。就OLED组件演进历史中，1987年Kodak首次发表之OLED组件，系由两层有机材料所构成，分别为空穴传输层及电子传输层。其中空穴传输层为p型之有机材料，其特性为具有较高之空穴迁移率，且其最高占据之分子轨域(Highest occupied molecule orbital，HOMO)与ITO较接近，可使空穴由ITO注入有机层之能障降低。

[图二：OLED结构图]

&&&&& 而至于电子传输层，系为n型之有机材料，其特性为具有较高之电子迁移率，当电子由电子传输层至空穴电子传输层接口时，由于电子传输层之最低非占据分子轨域(Lowest unoccupied molecule orbital，LUMO)较空穴传输层之LUMO高出甚多，电子不易跨越此一能障进入空穴传输层，遂被阻挡于此接口。此时空穴由空穴传输层传至接口附近与电子再结合而产生激子(Exciton)，而Exciton会以放光及非放光之形式进行能量释放。以一般萤光(Fluorescence)材料系统而言，由选择率(Selection rule)之计算仅得25%之电子空穴对系以放光之形式做再结合，其余75%之能量则以放热之形式散逸。近年来，正积极被开发磷光(Phosphorescence)材料成为新一代的OLED材料[2]，此类材料可打破选择率之限制，以提高内部量子效率至接近100%。
&&&&& 在两层组件中，n型有机材料－即电子传输层－亦同时被当作发光层，其发光波长系由HOMO及LUMO之能量差所决定。然而，好的电子传输层－即电子迁移率高之材料－并不一定为放光效率佳之材料，因此目前一般之做法，系将高萤光度的有机色料，掺杂(Doped)于电子传输层中靠近空穴传输层之部分，又称为发光层[3]，其体积比约为1%至3%。掺杂技术开发系用于增强原材料之萤光量子吸收率的重点技术，一般所选择的材料为萤光量子吸收率高的染料(Dye)。由于有机染料之发展源自于1970至1980年代染料雷射，因此材料系统齐全，发光波长可涵盖整个可见光区。在OLED组件中掺杂之有机染料，能带较差，一般而言小于其宿主(Host)之能带，以利exciton由host至掺杂物(Dopant)之能量转移。然而，由于dopant能带较小，而在电性上系扮演陷阱(trap)之角色，因此，掺杂层太厚将会使驱动电压上升；但若太薄，则能量由host转移至dopant之比例将会变差，因此，此层厚度必须最佳化。
&&&&& 阴极之金属材料，传统上系使用低功函数之金属材料(或合金)，如镁合金，以利电子由阴极注入至电子传输层，此外一种普遍之做法，系导入一层电子注入层，其构成为一极薄之低功函数金属卤化物或氧化物，如LiF或Li2O，此可大幅降低阴极与电子传输层之能障[4]，降低驱动电压。
&&&&& 由于空穴传输层材料之HOMO值与ITO仍有差距，此外ITO阳极在长时间操作后，有可能释放出氧气，并破坏有机层产生暗点。故在ITO及空穴传输层之间，插入一空穴注入层，其HOMO值恰介于ITO及空穴传输层之间，有利于空穴注入OLED组件，且其薄膜之特性可阻隔ITO中之氧气进入OLED组件，以延长组件寿命[5]。

OLED相关关键工艺[6]

&&&&& 氧化铟锡(ITO)基板前处理
&&&&& (1)ITO表面平整度
&&&&& ITO目前已广泛应用在商业化的显示器面板制造，其具有高透射率、低电阻率及高功函数等优点。一般而言，利用射频溅镀法(RF sputtering)所制造的ITO，易受工艺控制因素不良而导致表面不平整，进而产生表面的尖端物质或突起物。另外高温锻烧及再结晶的过程亦会产生表面约10 ~ 30nm的突起层。这些不平整层的细粒之间所形成的路径会提供空穴直接射向阴极的机会，而这些错综复杂的路径会使漏电流增加。一般有三个方法可以解决这表面层的影响�U一是增加空穴注入层及空穴传输层的厚度以降低漏电流，此方法多用于PLED及空穴层较厚的OLED(~200nm)。二是将ITO玻璃再处理，使表面光滑。三是使用其它镀膜方法使表面平整度更好(如图三所示)。

[图三：ITO表面之原子力显微镜照片]

&&&&&& (2) ITO功函数的增加
&&&&&& 当空穴由ITO注入HIL时，过大的位能差会产生萧基能障，使得空穴不易注入，因此如何降低ITO / HIL接口的位能差则成为ITO前处理的重点。一般我们使用O2-Plasma方式增加ITO中氧原子的饱和度，以达到增加功函数之目的。ITO经O2-Plasma处理后功函数可由原先之4.8eV提升至5.2eV，与HIL的功函数已非常接近。

&&&&& 加入辅助电极
&&&&& 由于OLED为电流驱动组件，当外部线路过长或过细时，于外部电路将会造成严重之电压梯度(voltage drop)，使真正落于OLED组件之电压下降，导致面板发光强度减少。由于ITO电阻过大(10 ohm / square)，易造成不必要之外部功率消耗，增加一辅助电极以降低电压梯度成了增加发光效率、减少驱动电压的快捷方式。铬(Cr：Chromium)金属是最常被用作辅助电极的材料，它具有对环境因子稳定性佳及对蚀刻液有较大的选择性等优点。然而它的电阻值在膜层为100nm时为2 ohm / square，在某些应用时仍属过大，因此在相同厚度时拥有较低电阻值的铝(Al：Aluminum)金属(0.2 ohm / square)则成为辅助电极另一较佳选择。但是，铝金属的高活性也使其有信赖性方面之问题；因此，多叠层之辅助金属则被提出，如：Cr / Al / Cr或Mo / Al / Mo，然而此类工艺增加复杂度及成本，故辅助电极材料的选择成为OLED工艺中的重点之一。

&&&&& 阴极工艺
&&&&& 在高解析的OLED面板中，将细微的阴极与阴极之间隔离，一般所用的方法为蘑菇构型法(Mushroom structure approach)，此工艺类似印刷技术的负光阻显影技术。在负光阻显影过程中，许多工艺上的变异因子会影响阴极的品质及良率。例如，体电阻、介电常数、高分辨率、高Tg、低临界维度(CD)的损失以及与ITO或其它有机层适当的黏着接口等。

&&&&& 封装
&&&&& (1)吸水材料
&&&&& 一般OLED的生命周期易受周围水气与氧气所影响而降低。水气来源主要分为两种：一是经由外在环境渗透进入组件内，另一种是在OLED工艺中被每一层物质所吸收的水气。为了减少水气进入组件或排除由工艺中所吸附的水气，一般最常使用的物质为吸水材(Desiccant)。Desiccant可以利用化学吸附或物理吸附的方式捕捉自由移动的水分子，以达到去除组件内水气的目的。
&&&&& (2)工艺及设备开发
&&&&& 封装工艺之流程如图四所示，为了将Desiccant置于盖板及顺利将盖板与基板黏合，需在真空环境或将腔体充入不活泼气体下进行，例如氮气。值得注意的是，如何让盖板与基板这两部分工艺衔接更有效率、减少封装工艺成本以及减少封装时间以达最佳量产速率，已俨然成为封装工艺及设备技术发展的3大主要目标。

[图四：传统之OLED封装流程]

目前OLED技术发展之方向

&&&&& OLED产品目前由于技术及设备之限制，其量产品仅限于单色或区域多彩之小尺寸产品(如PDA或手机面板)，由于OLED面板具备前述诸多优点，其显示特性较同一等级之LCD优异许多，一般认为适合切入之产品，系为较高档之显示器，其中一个重要之技术瓶颈即为全彩化。全彩工艺一般而言，系使用精细之屏蔽，分别将红蓝绿不同颜色之发光材料，蒸镀于不同之位置，此技术之困难点在于发光材料之选择及精细屏蔽之工艺。由于有机发光材料之振动模态(vibration mode)及转动模态(rotation mode)甚多，导致其发光之半波全宽甚大，亦即显示器色饱和度较差。在有机材料方面，另一重要之课题为生命期(lifetime)。由于红绿蓝3色之lifetime不尽相同，在使用一段时间后，会产生色彩偏移之状况。此外，在精细屏蔽部分，由于对位精准度之要求甚高，一般而言精细屏蔽系以金属制成，然而由于精细度之限制，精细屏蔽之厚度最厚仅可与次画素之尺寸相当，目前精细屏蔽之厚度最薄约为0.05mm，亦即显示器之分辨率只可达约150ppi，而当精细屏蔽之厚度仅有0.05mm时，在整个基板上(400mm x 400mm或370mm x 470mm)如何保持其平坦度及精准度为一技术上极欲克服之问题。
&&&&& 除了全彩化以外，高分辨率亦为高档显示器所必备之基本要求，愈达到320 x 240 (QVGA)，640 x 480(VGA)或以上之分辨率必须使用主动式驱动；又由于OLED组件系为电流驱动组件，一般而言必须使用低温多晶硅技术(low temperature poly silicon，LTPSi)技术以提供足够大之电流值，目前LTPSi技术在LCD的应用虽已蓬勃发展，然而大面积LTPSi面板之量产化，仍有其技术瓶颈。因此，目前以LTPSi技术搭配OLED做小尺寸之高档，高分辨率之显示器可形成一独特之利基市场。
&&&&& OLED应用于平面显示器领域，不可避免须与LCD相比较。虽然OLED有前述许多优点，然而作为小尺寸面板应用，多半属于移动式之信息产品，如手机屏幕，因此待机时间－即功率消耗为一重点考量，虽然与一般需背光或前光之LCD显示器相比，OLED具备较低之功率消耗。然而，与目前市面一般之反射式LCD手机屏幕相比，由于OLED必须发光方能显示，而反射式LCD却只需反射外界光源即可显示；尤其在户外或强光下使用时，OLED面板必须发更强的光以维持一定之对比度，而反射型LCD则较无此问题。此外，LCD组件基本上系一电容，因此耗电甚低，故高对比度低功率消耗为OLED显示器一重要之课题。
&&&&& 就原理言，OLED系与LED类似，然而驱动电压相差甚多。LED之工作电压约为3伏特上下，而一般被动矩阵OLED之工作电压则为8伏特以上。此外，LED之磊晶厚度为mm等级，而OLED组件之厚度仅为数百nm。因此，OLED组件之操作电场强度甚大于LED，其主要原因即为OLED之低导电度，由于有机材料之电子及空穴迁移律，一般而言，仅为磊晶半导体之百万分之一倍，加上能隙较大，导致载子浓度甚低。因此，如何降低OLED组件之驱动电压，以提升电光转换效率遂成为一重要之研究方向。

[图五：OLED电子空穴对之能量转移]

&&&&& 除了降低驱动电压以外，前文有叙述以目前之萤光材料系统，exciton由于选择率的限制，只能经由一重项(singlet state)放光，亦即仅有25%之电能可转换成光能，导致最大之内部量子效率为25%。有鉴于此，目前有许多研究正朝向磷光材料系统之开发，以提升内部量子效率，由于磷光发光材料其原理为使用如铱(Iridium)、锇(Europium)及铂(Platinum)等过渡重金属元素为基底之有机材料，藉由其半满或空轨域，可进行能量转移至周遭之有机配位基，使exciton经由内部系统转换(internal system crossing)至三重项triplet state发光，因此其内部量子效率可大幅提升(如图五所示)。其问题点在于：由于相较于萤光发光材料而言，磷光发光之载子生命期为较长，因此当注入电流增加时较易发生exciton堆积，使发光效率下降。此外，由于能量转移之机制有异于一般萤光材料，OLED组件之设计是一重要之课题。此外，发光材料之开发亦为此技术不可或缺之要素。

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