OLED科技的未来最大功率效益的重要性

本文作者:admin       点击: 2005-02-05 00:00
前言:
虽然最近几年有机发光二极管(Organic Light Emission Diode,OLED)显示器已经商品化,不过OLED显示器不论是发光效率、使用寿命,或是改用无晶硅基大型面板等问题仍有待改善。
目前已商品化OLED显示器,可分为小分子OLED(SM-OLED)搭配荧光体与被动式矩阵(Passive Matrix)基板;高分子(polymer)+被动式矩阵基板:以及主动式小分子OLED构成的小型OLED显示器等等。上述OLED显示器主要是应用在移动电话与数字相机、PDA等领域。
由于OLED显示器的发光效率(亦即功率效率),几乎与LCD背光模块相同甚至更低,这意味着OLED发光效率仍有很大的改善空间,一般认为提高OLED发光效率,并大幅降低OLED制作成本,未来OLED才有机会取代LCD,并且在市场上占有一席之地。尤其是试量产阶段的主动式矩阵OLED显示器,由于产量性与良品率偏低,因此制作成本是同等级LCD的两倍。
功率效率(Power efficiency)
有关功率效率可以根据下式求得:
power efficiency = (photon energy / e * Voltage) * (charge carrier balance factor * photoluminescence quantum yield * triplet/singlet factor * optical out-coupling factor)
所谓功率效率值主要是指量子效率(quantum efficiency),除上操作电压后获得的百分比。根据上式可知即使有高的量子效率,功率效率值则会随着高操作电压而减少,亦即增大操作电压,其结果只是补偿注入与传输carrier时的损失(因各层有限的传导率),对功率效率并无实质助益。
理论上电能转换成光线的热力极限,以绿光而言大约是2.5V。Novaled已经证实在carrier传输层内,必需整合稳定扩散的氧化还原掺杂物(redox-dopants)。需注意是单纯的掺杂(doping),只会减少组件的量子效率,因此正确的device设计也非常重要。
实验证明发光层或是各堆栈层,保持电子和电洞的平衡,可使载荷子的平衡系数(charge carrier balance factor)接近1,在此同时设计device时,必须确定上述变量不会受到改善其它动作而减少。
  
长期激发加速衰减
Triplet / Singlet系数主要是表示发光材料的发射状态。若以Triplet状态的发射效率而言,理论上几乎可达到100%;如果采用荧光体(或Singlet)的话,Triplet / Singlet系数会受到限制,大约只有25%左右(Triplet状态在此无法产生光)。
由于Triplet发射方式,使得device长期处于激发状态,因此会有无辐射性的衰减现象,最后造成device的设计变得更加困难。虽然采用Singlet发光材料的OLED,使用寿命比较长,不过使用Triplet发光材料的OLED正迎头赶上中,一般认为不久的将来可望进入商品化阶段。photoluminescence quantum yield主要是取决于材料,值得一提的是合成材料的纯度、洁净度、存放、处理与接口设备,都会使该值从接近100%遽降至50%。
OLED device产生的光线被局限在device内,并且被平行地引导至基板,或是有机的表面以及有电层。简单的概算是假设ITO的折射指数在1.8左右时,可以获得光学上的out-coupling系数是20%,这表示有80%的光被传导到组件的侧边,无法被取出应用,虽然理论上该现象可以进行大幅改善,然而设计者必须考量一个复杂的out-coupling,如此一来,结构上的改变会使device成本大幅上升,同时可能会降低其它效率的系数。
此外device内可使光线反射的电极,由于本身自重特性质会强烈影响光学的out-coupling效率,此时若适度增加传输层的厚度,对out-coupling效率具有相当程度的助益,不过它涉及到低导电层的动作特性,因此操作电压和量子效率也会随着变化。根据实验结果显示,65cd/A 与 80lm/W(在100cd/m2, 2.6V)的绿色磷光OLED,经过doping后的载电荷子传输层(如下图所示),它的内部量子效率(quantum efficiency)可以达到接近100%(相较之下Out-coupling系数只有20%),而且可以获得较佳的亮度,运作电压更接近热力极限。

OLED发展动向
为改善上述三项缺点,同时使OLED主动显示器作高发光效率,因此必需提高发光效率(大部分的光线被非透明的驱动硅电路遮蔽),因为适合的接点材质受限于无机半导体,使得下层ITO和与上层金属电触的一般OLED结构无法正确运作,因此利用掺杂(doping)技术增加注入电荷,产生载电荷子传输层,可以使更多的适用材料发挥最大功率效益。
除此之外,提高OLED显示器产量也是不可或缺的条件之一。目前OLED device常用超薄载电荷子传输膜层,虽然这样的结构可以降低高操作电压带来的负面效应,不过如此一来device却有短路之虞,根本对策是改用较厚的载电荷子传输层,藉此增加OLED的稳定性。
次世代OLED的应用除了家用与工业用照明之外,更将目标锁定在平均亮度1000cd/m2 、80lm/W 的白光市场。要达到这个目标,首先是所有其它的参数接近其100%极限时,out-coupling系数必需超过至20%以上。
 长久以来照明设备业者莫不殷切期盼,获得轻巧可折迭的光源环境,事实上这也是OLED未来发展目标。相关连结:http://www.novaled.com,Novaled GmbH-OLED。