PM-OLED技術

PM-OLED（Passive Matrix Organic Light-Emitting Diodes），擁有自發光、輕薄、高應答速度、廣視角、低驅動電壓、寬廣的操作溫度范圍等特性，適合車用顯示器與強調體積、影音功能的消費性電子產品。然而，發光效率不足、產品壽命無法與主流的LCD相比以及量產技術不成熟等，都是PM-OLED廠商亟需克服的難題。本文將針對PM-OLED技術發展現況加以討論。

　　前言
　　有機發光二極體（Organic Light Emitting Diode；OLED），或稱為有機電激發光顯示器（Organic Electroluminescent Display；OELD）屬于自發光性顯示器。
　　依所使用的有機薄膜材料的不同，有機發光二極體又可分為小分子（Small Molecular；分子量小于1,000）及高分子（Polymer；分子量大于10,000）二大類。
　　另就驅動方式分類，可分為被動式矩陣（Passive Matrix）與主動式矩陣（Active Matrix）兩種。本文之研究范疇為小分子系被動式有機發光二極體（Passive Matrix Organic Light Emitting Diode；PM-OLED）之發展現況。
　　商品化過程
　　1997年Pioneer發表了配備解析度為256x64的單色PM-OLED面板的車用音響；1999年Tohoku Pioneer成功開發出5.2吋、解析度為320x240 pixels、256色的全彩（Full color）PM-OLED面板；2000年Motorola行動電話「Timeport」采用Tohoku Pioneer之1.8吋多彩（Area color）PM-OLED面板；2001年Samsung推出搭載全彩PM-OLED面板之行動電話；2002年Fujitsu行動電話F505i次螢幕搭配Tohoku Pioneer之1.0吋全彩PM-OLED面板，自此PM-OLED在行動電話次螢幕的應用隨之大量興起。
　　以下我們將針對PM-OLED的基本結構、運作原理、有機發光材料與全彩顯示技術等方面，簡要探討PM-OLED的技術發展現況。

　PM-OLED技術發展現況：
　　基本結構
　　典型的PM-OLED由玻璃基板、ITO（indium tin oxide；銦錫氧化物）陽極（Anode）、有機發光層（Emitting Material Layer）與陰極（Cathode）等所組成，其中，薄而透明的ITO陽極與金屬陰極如同三明治般地將有機發光層包夾其中，當電壓注入陽極的電洞（Hole）與陰極來的電子（Electron）在有機發光層結合時，激發有機材料而發光。
　　而目前發光效率較佳、普遍被使用的多層PM-OLED結構，除玻璃基板、陰陽電極與有機發光層外，尚需制作電洞注入層（Hole Inject Layer；HIL）、電洞傳輸層（Hole Transport Layer；HTL）、電子傳輸層（Electron Transport Layer；ETL）與電子注入層（Electron Inject Layer；EIL）等結構，且各傳輸層與電極之間需設置絕緣層，因此熱蒸鍍（Evaporate）加工難度相對提高，制作過程亦變得復雜。
　　由于有機材料及金屬對氧氣及水氣相當敏感，制作完成後，需經過封裝保護處理。PM-OLED雖需由數層有機薄膜組成，然有機薄膜層厚度約僅1,000～1,500A°（0.10～0.15 um），整個顯示板（Panel）在封裝加乾燥劑（Desiccant）後總厚度不及200um（2mm），具輕薄之優勢。
　　運作原理
　　有機發光二極體的發光原理和無機發光二極體相似。當元件受到直流電（Direct Current；DC）所衍生的順向偏壓時，外加之電壓能量將驅動電子（Electron）與電洞（Hole）分別由陰極與陽極注入元件，當兩者在傳導中相遇、結合，即形成所謂的電子-電洞復合（Electron-Hole Capture）。而當化學分子受到外來能量激發後，若電子自旋（Electron Spin）和基態電子成對，則為單重態（Singlet），其所釋放的光為所謂的螢光（Fluorescence）；反之，若激發態電子和基態電子自旋不成對且平行，則稱為三重態（Triplet），其所釋放的光為所謂的磷光（Phosphorescence）。
　　當電子的狀態位置由激態高能階回到穩態低能階時，其能量將分別以光子（Light Emission）或熱能（Heat Dissipation）的方式放出，其中光子的部分可被利用當作顯示功能；然有機螢光材料在室溫下并無法觀測到三重態的磷光，故PM-OLED元件發光效率之理論極限值僅25%。
　　PM-OLED發光原理是利用材料能階差，將釋放出來的能量轉換成光子，所以我們可以選擇適當的材料當作發光層或是在發光層中摻雜染料以得到我們所需要的發光顏色。此外，一般電子與電洞的結合反應均在數十奈秒（ns）內，故PM-OLED的應答速度非常快。

　有機發光材料
　　有機材料的特性深深地影響元件之光電特性表現。在陽極材料的選擇上，材料本身必需是具高功函數（High work function）與可透光性，所以具有4.5eV-5.3eV的高功函數、性質穩定且透光的ITO透明導電膜，便被廣泛應用于陽極。在陰極部分，為了增加元件的發光效率，電子與電洞的注入通常需要低功函數（Low work function）的Ag、Al、Ca、In、Li與Mg等金屬，或低功函數的復合金屬來制作陰極（例如：Mg-Ag鎂銀）。
　　適合傳遞電子的有機材料不一定適合傳遞電洞，所以有機發光二極體的電子傳輸層和電洞傳輸層必須選用不同的有機材料。目前最常被用來制作電子傳輸層的材料必須制膜安定性高、熱穩定且電子傳輸性佳，一般通常采用螢光染料化合物。如Alq、Znq、 Gaq、Bebq、Balq、DPVBi、ZnSPB、PBD、OXD、BBOT等。而電洞傳輸層的材料屬于一種芳香胺螢光化合物，如TPD、TDATA 等有機材料。
　　有機發光層的材料須具備固態下有較強螢光、載子傳輸性能好、熱穩定性和化學穩定性佳、量子效率高且能夠真空蒸鍍的特性，一般有機發光層的材料使用通常與電子傳輸層或電洞傳輸層所采用的材料相同，例如Alq被廣泛用于綠光，Balq和DPVBi則被廣泛應用于藍光。
　　P-OLED微顯示器即將投入商用
　　研發暨生產金氏記錄最小P-OLED屏幕的Micr oEmissive Displays（MED）公司，將于今年中由日本數位相機廠NHJ推出首宗消費電子產品，結合錄音撥放MP3和高解析度數位相機，MED的ME3203 為低耗電1/4 VGA解析度（3 20 x RGB x 240）P-OLED微顯示器（Microdis play），將用在新產品的電子觀景窗和目鏡上。據了解，這種全球新產品是由***某數位相機廠設計研發出來。
　　MED策略長安德伍（Ian Underwood）表示，針對微顯示器的技術商業化，MED已投入五年的時間，目前已臻成熟，且做到世界級的獨特技術層級。

　　PM-OLED發展前景
　　OLED是一種極具發展前景的平板顯示技術，它具有十分優異的顯示性能，特別是自發光、結構簡單、超輕薄、響應速度快、寬視角、低功耗及可實現柔性顯示等特性，被譽為“夢幻顯示器”，再加上其生產設備投資遠小于TFT-LCD，得到了各大顯示器廠家的青睞，已成為顯示技術領域中第三代顯示器件的主力軍。
　　目前OLED已處于大規模量產的前夜，可以相信，隨著研究的進一步深入，新技術的不斷涌現，OLED顯示器件必將有一個突破性的發展。