有机发光半导体

**有機發光二極體**（英語：Organic Light-Emitting Diode，縮寫：**OLED**）又稱**有機電激發光顯示**（英語：Organic Electroluminescence Display，縮寫：**OELD**）、**有機發光半導體**，OLED 技術最早於 1950 年代和 1960 年代由法國人和美國人研製，其後由美國柯達及英國劍橋大學加以演進，日本 SONY 及韓國三星和 LG 等公司於 21 世紀開始量產，現在的市場都趨近於 OLED 但是在壽命上比 LCD 短。

OLED（有機發光二極體）與 TFT-LCD（薄膜電晶體液晶顯示器）為不同類型的產品，OLED 具有自發光性、廣視角、高對比、低耗電、高反應速率、全彩化及製程簡單等優點，但相對的在大面板價格、技術選擇性 、壽命、解析度、色彩還原方面便無法與 TFT-LCD 匹敵，有機發光二極體顯示器可分單色、多彩及全彩等種類，而其中以全彩製作技術最為困難。

OLED 顯示器依驅動方式的不同又可分為被動式（Passive Matrix，PMOLED）與主動式（Active Matrix，AMOLED）。

## 歷史

最早的 OLED 技術研發開始於 1950 年代的法國南茜大學，法國物化學家安德烈・貝納諾斯獲譽為「OLED 之父」，最早的實用性 OLED 於 1987 被柯達公司的香港人鄧青雲和美國人史蒂夫・范・斯萊克兩人發現。

實用性的有機發光二極體技術研究的其中一名著名研究員是本港知名科學家鄧青雲博士，於英屬哥倫比亞大學得到化學理學士學位，於 1975 年在康奈爾大學獲得物理化學博士學位，另一位則是來自羅徹斯特理工學院的美國人史蒂夫・范・斯萊克，於 1979 年加入柯達公司。鄧青雲自 1975 年開始加入柯達公司 Rochester 實驗室從事有機發光二極體的研究工作，在意外中發現有機發光二極體。1979 年的一天晚上，他在回家的路上忽然想起有東西忘記在實驗室，回到實驗室後，他發現在黑暗中的一塊做實驗用的有機蓄電池在閃閃發光，從而開始了對有機發光二極體的研究。1987 年，鄧青雲和同事史蒂夫・范・斯萊克成功地使用類似半導體 PN 結的雙層有機結構第一次作出了低電壓、高效率的光發射器。為柯達公司生產有機發光二極體顯示器奠定了基礎。OLED 英文名為 Organic Light-Emitting Diode，縮寫：OLED），中文名「有機發光二極體」都是鄧青雲命名的。

到了 1990 年，英國劍橋大學物理系的卡文迪許實驗室也成功研製出高分子有機發光原件，並解決了 OLED 穩定性及壽命過短的問題。1992 年劍橋大學成立的顯示技術公司 CDT（Cambridge Display Technology），這項發現使得有機發光二極體的研究走向了一條與柯達完全不同的研發之路。OLED 最大的優勢是無需背光源，可以自發光可做得很薄，可視角度更大、色彩更富、節能顯著、可柔性彎曲等等。可廣泛利用在各個領域。目前 OLED 更多使用 AMOLED 技術，在 2013 年的柏林國際電子消費品展（IFA）上，出現了曲面的 OLED 電視並引起關注。

## 結構

有機發光二極體基本結構是由一薄而透明具半導體特性之銦錫氧化物（ITO），與電力之正極相連，再加上另一個金屬陰極，包成如三明治的結構。整個結構層中包括了：電洞傳輸層（HTL）、發光層（EL）與電子傳輸層（ETL）。當電力供應至適當電壓時，陽極空穴與陰極電子便會在發光層中結合，產生光子，依其材料特性不同，產生紅、綠、藍三原色，構成基本色彩。OLED 的特性是自發光，不像薄膜電晶體液晶顯示器需要背光，因此可視度和亮度均高，且無視角問題，其次是驅動電壓低且省電效率高，再加上反應快、重量輕、厚度薄，構造簡單，成本低等特點，被視為 21 世紀最具前途的產品之一。

## 驅動方式

OLED 也與 LCD 一樣其驅動方式也分為主動和被動式兩種。被動式下依照定位發光點亮，類似郵差寄信；主動式則和薄膜電晶體液晶顯示器相同，在每一個有機發光二極體單元背增加一個薄膜電晶體，發光單元依照電晶體接到的指令點亮。簡言之，主動／被動矩陣分法，主要指的是在顯示器內打開或關閉像素的電子開關型式。

典型的 OLED 由陰極、電子傳輸層、發光層、電洞輸運層和陽極組成。電子從陰極注入到電子輸運層，同樣，電洞由陽極注入進空穴輸運層，它們在發光層重新結合而發出光子。與無機半導體不同，有機半導體（小分子和聚合物）沒有能帶，因此電荷載流子輸運沒有廣延態。受激分子的能態是不連續的，電荷主要通過載流子在分子間的躍遷來輸運。因此，在有機半導體中，載流子的移動能力比在矽、砷化鎵、甚至無定型矽的無機半導體中要低幾個數量級。 在實際的 OLED 中，有機半導體典型的載流子移動能力為 10-3~10-6cm2/V・S。因為載流子移動能力太差，OLED 器件需要較高的工作電壓。如一個發光亮度為 1000cd/m2 的 OLED，其工作電壓約為 7~8V。因為同樣的原因，OLED 受空間電荷限制，其注入的電流密度較高。

通過一厚度為ｄ的薄膜的電流密度由下式定義：

　
: J=(9 / 8)e M (V2/d3)

　
: 式中ｅ是電荷常數、Ｍ是載流子遷移率、Ｖ為薄膜兩端的電壓。

在一般的 OLED 中，全部有機膜的厚度約為 1000 囝 。實際上，有機發光二極體的發光功率與電流有 J・Vm 的關係，其中 m 2。Burrows 和 Forrest 製得的 TPD/Alq 器件的ｍ高達９，他們認為，ｍ值大是因為「阱」（或稱極化子）的緣故。最近，他們又証實ｍ具有很強的溫度依賴性，並且電荷是通過「阱」來輸運的。
在發光層中，摻雜客體螢光染料能極大地提高 OLED 的效能和特性。例如，只要摻雜 1% 的紅色螢光染料 DCM、Alq 式機發光二極體的最大發射峰即可從 520nm 遷移到 600nm；摻雜少量的 MQA（一種綠色染料）將使機發光二極體的效率提高 2 至 3 倍，在同樣的亮度下工作壽命可提高 10 倍。

有機發光二極體所用的物料是有機分子或高分子材料。

## 器件效率

迄今為止，發綠光的有機發光二極體是最有效的器件。Tang 曾報導，用香豆素摻雜 Alq 的器件具有 5~6lｍ／Ｗ的效率。據文獻報導，效率最大的發綠光的有機發光半導體是由 Sano 製成的，用 Bebq 作為 HTM，其效率為 15lｍ／Ｗ。與發綠光的 OLED 比較，對發紅光和藍光的 OLED 的研究工作少得多。 
目前已知的，效率最好的發藍光的 OLED 是由 Idemitsu 的 Hosokawa 等人研製的，其發光效率為 5.0lｍ／Ｗ，對應的表面量子效率為 2.4%。據 Tang 等人報導，將 DCM 染料攙入 Alq 製成了發紅光的 OLED 器件，其發光效率為 2.5lｍ／Ｗ。 
需要說明的是，上述文獻所報導的發光效率，都是在發光強度約為 100cd/m2 或更小的條件下測得的。而實際應用的有機發光半導體是由多路驅動的，最大的發光強度要高一些。因此，顯示象素會被驅動到很高的發光強度，導致發光效率下降。也就是說，隨著發光亮度增加，發光效率將因驅動電壓的增加而降低。發綠光的有機發光半導體，在發光亮度為 10,000cd／m2 時，其發光效率降為 2lm/W，只有低亮度下的 30%。發紅光和藍光的有機發光半導體，其發光效率隨著發光亮度的增加降低得更多。因此，有機發光半導體技術可能更適用於不需要有源矩陣驅動的小尺寸、低顯示容量的顯示器件。

* 器件的壽命和衰變

在過去的幾年中，對有機發光半導體器件的壽命有過一些報導。但由於每個實驗室測量器件壽命的方法不同，無法對這些數據進行有意義的比較。在報導中，應用最多的測量器件壽命的方法，是在器件維持一恆定電流的條件下，測量從初始亮度下降至一半亮度的時間。據柯達公司的 VanSlyke 報導，亮度在 2000cd/ｍ2 時，器件的工作壽命達到了 1000 小時。Sano 也報導了，在 TPD 中摻雜紅熒烯得到的器件，其初始亮度為 500cd/m2、半亮度壽命為 3000 小時。對壽命進行比較的最佳量值是亮度和半亮度壽命的乘積。據報導，該量值對使用壽命最長的器件是：綠光為 7,000,000cd/m2-hr；藍光為 300,000cd/m2-hr；紅─橙色為 1,600,000cd/m2-hr。一個雙倍密封的有機發光半導體器件的儲存壽命約為５年。

## 特色與關鍵技術

過去的市場上有機發光半導體一直沒辦法普及，主要的問題在於早先技術發展的有機發光半導體樣品大多是單色居多，即使採用多色的設計，其發色材料和生產技術往往還是限制了有機發光半導體的發色數。實際上有機發光半導體的影像產生方法和 CRT 顯示一樣，皆是藉由三色 RGB 畫素拼成一個彩色畫素；因為有機發光半導體的材料對電流接近線性反應，所以能夠在不同的驅動電流下顯示不同的色彩與灰階。 

* OLED 核心可以做得很薄，厚度爲目前液晶的 1/3，加上有機發光半導體爲全固態組件，抗震性好，能適應惡劣環境。
* OLED 主要是自體發光的，讓其幾乎沒有視角問題；與 LCD 技術相比，即使在大的角度觀看，顯示畫面依然清晰可見。OLED 的元件為自發光且是依靠電壓來調整，反應速度要比液晶元件來得快許多，比較適合當作高畫質電視使用。2007 年底 SONY 推出的 11 吋 O 有機發光半導體電視 XEL-1，反應速度就比 LCD 快了 1000 倍。
* OLED 對低溫的適應能力強。舊有的液晶技術在零下 75 度時，即會破裂故障，有機發光半導體只要電路未受損仍能正常顯示。
* OLED 的效率高，耗能較液晶略低還可以在不同材質的基板上製造，甚至能成製作成可彎曲的顯示器，應用範圍日漸增廣。

OLED 與 LCD 比較之下較占優勢，早期 OLED 的使用壽命仍然難以達到消費性產品（如 PDA、行動電話及數位相機等）應用的要求，但近年來已有大幅的突破，許多行動電話的螢幕已採用 OLED，且在價格上已經和 LCD 達到黃金交叉點，成本已經略低於 LCD。

## 材料技術

### 小分子

小分子的高效有機發光二極體首先被在伊士曼柯達公司的鄧青雲博士等人開發。雖然該術語的 SM-OLED 中也使用，術語 OLED 傳統特指這種類型的器件。

### 聚合物發光二極體

高分子發光二極體（PLED），也是發光聚合物（LEP），包含當連接到外部電壓而發光的電致發光導電聚合物。它們被用作全光譜彩色顯示器裡面的薄膜。聚合物 OLED 是相當有效率的，並且對於光產生的量只需要一個相對較小的的功率。

### 磷光材料

**PHOLED**，全名 Phosphorescent organic light-emitting diode, 是指**磷光有機電激發光二極體**，OLED 的發光模式之一。近年來隨著 PHOLED 的蓬勃發展，目前已成為許多學術研究單位積極研發的物件。

PHOLED 具有高亮度及高效率，有較長的生命期，內部量子效率接近 100%, 大量降低顯示器的功耗。與磷光材質相比，摻雜螢光材質的面板電光轉化效率只有 25%，因此磷光材質在平面顯示器應用上極具潛力。

## 應用

OLED 可應用於製造平價可彎曲顯示器、照明裝置、發光衣或裝飾牆壁。2004 年開始，有機發光二極體已廣泛應用於隨身 MP3 播放器。

### 顯示領域

有機發光半導體技術的主要優點是主動發光。現在，發紅、綠、藍光的有機發光半導體都可以得到。研究者們一直致力於開發有機發光半導體在從背光、低容量顯示器到高容量顯示器領域的應用。

有機發光半導體在 1999 年首度商業化，技術仍然非常新。現在用在一些黑白／簡單色彩的汽車收音機、行動電話、掌上型電動遊樂器等。都屬於高階機種。
目前全世界約有 100 多家廠商從事 OLED 的商業開發，有機發光半導體目前的技術發展方向分成兩大類：日、韓和臺灣傾向柯達公司的低分子有機發光半導體技術，歐洲廠商則以 PLED 為主。兩大集團中除了柯達聯盟之外，另一個以高分子聚合物為主的飛利浦公司現在也聯合了 EPSON、DuPont、東芝等公司全力開發自己的產品。2007 年第二季全球有機發光半導體市場的產值已達到 1 億 2340 萬美元。

OLED 面板的生產廠商主要集中於日本、韓國、台灣等。
相對於 LCD，OLED 具有省電、不需要背光板、可以更輕薄等特質，OLED （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）可用於柔性顯示和透明顯示顯示技術中。

### 照明領域

### 光醫療領域

* 治療創傷（PBM 光療法）：相比傳統光醫療，OLED 貼片憑藉二維彎曲（柔性）、輕薄、可穿戴等特點，可以更貼合外觀，舒適感和體驗性會更佳。
* 可穿戴 OLED 發光器件在個人移動醫療監測領域來測量人體訊號，例如監測心跳和血氧水平。這是因為在心血管監測方法中，光體積描記法（PPG）訊號和血氧飽和度（SpO2）水平是通過使用發光器件和光檢測器，進行無創光測量的。

不過，由於 OLED 的 PI 薄膜基板技術、柔性薄膜封裝技術、FPC 柔性電路板技術等還有待成熟，OLED 光醫療這一新應用方向此前一直進展緩慢。

## 參看

* 微發光二極體顯示器
* 薄膜電晶體液晶顯示器
* 顯示技術的比較
* 場發射顯示器
* 新興技術列表
* 印刷電子學
* 電子紙
* 表面傳導電子發射顯示器 (FED)
* 發光二極體 (LED)
* 發光二極體顯示器

## 參考文獻

## 延伸閱讀

## 外部連結

* Structure and working principle of OLEDs and electroluminescent displays （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Tutorial on the working principle of OLEDs at Ghent University
* MIT introduction to OLED technology （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (video)
* Historical list of OLED products from 1996 to present （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）