热处理条件对塑胶基板的影响及其在OLED元件上的应用

1、熱處理條件對塑膠基板的影響及其在OLED元件上的應用游信和1,* 曾明俊1 黃素真21國立虎尾科技大學 光電與材料科技研究所 2國立聯合大學 光電工程系*.tw TEL:(05) 631-5500 FAX: (05) 631-5502摘要環烯烴共聚合物(cyclic olefin copolymer；COC)因性質特殊，有極大潛力應用於下世紀可撓式平面顯示器上，可撓式塑膠基板在經過不同熱處理條件之後的表面粗糙度及光學穿透率，使用原子力顯微鏡及可見光譜儀量測。此外，本研究中亦發現不同處理條件的塑膠基板所製成的OLED元件會有不同的驅動電壓、亮度及驅動電流。關鍵詞

2、： 環烯烴共聚合物、可撓式基板、平面顯示器AbstractCyclic olefin copolymer (COC) was used as flexible polymer substrate for the next-generation flat-panel displays (FPD). Surface roughness and optical properties of different thermally treated flexible polymer substrates were observed with an atomic force microscope (AFM)

3、 and a visible spectrometer, respectively. In addition, in this study we found that the turn-on voltages, luminance and driving current of the flexible organic light emitting devices (OLEDs) were strongly affected by the thermal history of the flexible substrate. Keywords: Cyclic olefin copolymer (C

4、OC), flexible OLED substrate, flat panel displays (FPD).1. 前言目前平面顯示器所使用的基板材料主要以玻璃基板為主1，而玻璃基板有其先天材料上的限制，大尺寸玻璃基板由於玻璃比重大又易碎裂的特性，且玻璃基板難以做到可撓曲的產品，為了發展更輕更薄的新世代顯示器，塑膠基板就成為市場上倍受矚目的新產品。一般目前使用於可撓式顯示器的塑膠基板，材質大多為PET，此種材質雖然也具有一般塑膠基板的優點，但是PET基板的高水氣穿透率及高表面粗糙度卻是其致命缺點。在本論文中所使用的環烯烴共聚合物 (COC)為低水氣穿透率、高光學穿透率、低雙折射率及低表面粗糙

5、度的原料2-3。將COC原料製作成塑膠基板時，僅需熱壓成型機再經過熱處理的方式以提高光學穿透度及降低表面粗糙度，以簡化製程的手續。本論文將針對COC基板作不同的熱處理條件對基板的表面粗糙度及光學穿透度作一系列的探討，並將其應用於有機發光二極體元件(OLED)。2. 實驗方法 首先將COC的顆粒以熱壓成形法，製作成薄片再置於真空烘箱以不同的熱處理時間及溫度作為熱處理條件。COC基板的表面粗糙則以AFM作為量測，可光譜儀量測在可見光波段的光學穿透率。在製作OLED元件之前，以濺鍍法(Sputter)將銦錫氧化物(Indium Tin Oxide; ITO)沉積於塑膠基板之上，ITO薄膜厚度為110

6、nm，以作為OLED元件的陽極(Anode)，OLED元件的結構則電子傳輸層兼發光層及電洞傳輸層作為本論文的元件應用，並配合LiF以提升電子的注入效率。OLED元件結構為ITO(110nm)NPB(60nm)Alq3(50nm)LiF(2nm)Al(80nm)，以Photo Research PR-650 spectrophotometer及Keithley 2400 可程式電源電流供應器作為量測OLED元件的電流-電壓曲線及電壓-亮度曲線的量測系統3. 結論本論文中所選用塑膠基板材料為環烯烴共聚合物(cyclic olefin copolymer；COC)，本材料在未製備成塑膠基板前為半透明

7、顆粒狀(見圖1(a)，經熱壓成型法，熱壓成塑膠基板時為，光學穿透率約為40%(見圖1(b)，再經由熱處理過後可得到光學穿透率為90%(見圖1(c)的塑膠基板。可撓式塑膠基板，其選用時首重光學穿透度，由圖2可看出COC基板在熱處理前於可見光範圍(400700nm)的光穿透度低於40%，然而在熱處理後提高至90%左右，這是因為COC塑膠基材於退火後分子結構的改變，而使可見光穿透度提高；另外我們把退火後COC基板與一般商業用PET基板作一比較(見圖2)，結果發現COC基板的可見光穿透率(90%)優於PET基板(85%)。(a)(b) (c) 圖1 環烯烴共聚合物(a)COC原料(b)熱處理前的基板(

8、c)熱處理後的基板圖3為COC基板熱處理時間與可見光穿透率圖(熱處理溫度固定為200)，由圖中可知，增加熱處理時間時，可見光穿透率隨著熱處理時間增長而提高穿透率，而熱處理時間達到50min時，光學穿透率會達到一飽和值，即使增加熱處理時間，可見光穿透率仍維持在約90%。將基板經過不同熱處理溫度所得到的光學穿透率表示於圖4，基板的熱處理時間固定為60min，當提高熱處理溫度時，基板的光學穿透率會隨著熱處理溫度上升而提高，熱處理溫度到達200時，即達到飽和值，再增加熱處理溫度，光學穿透率的變化並不大。綜合上述不同熱處理時間與不同熱處理溫度的實驗結果，可以得到熱處理時間與熱處理溫度關系(見圖5)，圖5

9、為當光學穿透率大於85%時的關系圖，當熱處理溫度上升時，可以縮短熱處理的時間。而熱處理時間的圖2 COC塑膠基板與PET基板之可見光穿透光譜圖增長也可以利用較低的熱處理溫度來得到很相近的光學穿透率。圖5 COC基板(5cm×5cm)在可見光穿透率>85%之退火溫度與時間的關係圖圖4 COC基板(5cm×5cm)在不同熱處理溫度，熱處理1小時之試片穿透度。利用原子力顯微鏡(AFM)觀察COC基板在經熱處理前後的表面粗糙度，由圖6 (a)可觀察到未經熱處理的COC基板表面相當的不平整，且表面粗糙度(Ra)高達131.579nm，再經過最佳化的熱處理條件後表面粗糙度(Ra)

10、會快速降低至1.382nm(見圖6(b)，相差有百倍之多。在另一方面，在圖6的右側曲線為AFM的2-D圖形上的掃描線之表面起伏狀況(Z軸的起伏)。由圖6(a)及(b)的起伏狀況可以得知，在未經熱處理之前，COC基板表面起伏的高低差有50nm左右，而經過最佳化的熱處理條件後，使得COC基板的表面起伏的落差，減少至約0.2nm左右，使得表面變得相當平坦。在未來的相關應用中，如光學鍍膜、ITO薄膜的沉積或是OLED元件的後續製作過程中，對薄膜特性，元件穩定性具有舉足輕重的角色。圖3 COC基板(5cm×5cm)於200°C熱處理溫度之熱處理時間與試片穿透度的關係圖。D z50 n

11、m掃描線(a)Dz0.2 nm掃描線 (b) 圖6 COC基板(a)熱處理前(b)熱處理後COC基板之AFM圖及表面起伏狀況由上述的討論中得知COC基板在未經任何熱處理時及最佳化的熱處理時的基板表面粗糙度有極大的差異。圖7為基板經不同熱處理溫度對表面粗糙度的曲線圖，當溫度由170°C上升至200°C時，COC基板的表面粗糙度隨著溫度上升而下降，溫度維持在200°C時，約為2nm左右，而溫度上升至210°C時表面粗糙亦無下降的趨勢。圖8為不同基板熱處理時間對表面粗糙度的曲線，熱處理時間的增長，亦會使得表面粗糙度有下降的趨勢，處理時間達50min後，表面粗糙

12、度已達1nm左右，而時間的增長，也維持在1nm的附近。圖7不同熱處理溫度的COC基板表面粗糙度曲線圖圖8不同熱處理時間的COC基板表面粗糙度曲線圖在本實驗中以不同熱處理條件的塑膠基板均在室溫沉積ITO薄膜，沉積的厚度為110nm且沉積條件皆相同。將上述已沉積好ITO薄膜的基板先以黃光微影技術定義出OLED元件所以需的陽極，隨後即將不同熱處理條件的基板於相同OLED的元件製程條件下完成OLED元件。圖9及圖10各為不同熱處理溫度及熱處理時間的電流-電壓(I-V)曲線圖。OLED元件在提供順向偏壓的情況下，其I-V曲線圖為典型的二極體的I-V曲線。OLED元件的驅動電壓根據文獻4的定義，將OLED

13、元件發光亮度達1 cd/m2時，稱為元件的驅動電壓。當基板未經任何熱處理時，所製作的OLED元件，其發光亮度僅30 cd/m2左右。COC基板經過不同熱處理溫度及熱處理時間的OLED元件的亮度-電壓曲線圖各表示於圖11及圖12中，在圖中可以觀察出未處理基板的OLED元件，其亮度與最佳化熱處理條件溫度及時間的OLED元件亮度有極大的差別，在驅動電壓方面也有顯著的改變且有下降的趨勢。當基板熱處理溫度從170上升至210時，其元件的驅動電原從6.9V下降至4.2V，且最大發光亮度在外加電壓15V時為350cd/m2。另外，熱處理時間由10min上升至60min時，元件驅動電壓由7.1下降至4.3V，

14、最大的發光亮度在外加電壓15V時為400 cd/m2。圖13為以最佳化的COC基板所製成的OLED元件，圖中為當基板彎曲時的情況。圖9 不同熱處理溫度基板的OLED元件電流-電壓曲線圖10 不同熱處理時間基板的OLED元件電流-電壓曲線圖12 不同熱處理時間基板的OLED元件亮度-電壓曲線圖圖 13 可撓式OLED元件照片，外加電壓為15V4. 結論圖11不同熱處理溫度基板的OLED元件亮度-電壓曲線圖COC塑膠基板在經不同的熱處理條件後，驗證光學特性與表面平整性在熱處理過程後明顯的被改進，未經任何熱處理時，光學穿透度僅約40%，表面粗糙度為131.579nm，而經最佳化的熱處理條件後，基板光

15、學穿透度提升至約90%左右，表面粗糙度僅為1.382nm，而在不同處理的過程中，光學穿透率有明顯的提升及表面粗糙度則為下降的趨勢。此外，經最佳化的熱處理條件的COC塑膠基板，在OLED元件特性表現方面，不論是經過不同熱處理溫度或是不同熱處理時間的基板所製成的OLED元件在電流-電壓及亮度-電壓性能表現方面都比未經熱處理過的基板來得好，OLED元件性能也隨著不同的熱處理條件而有不同的性能表現。5. 致謝本研究感謝國科會之經費補助(計畫編號：NSC94-2212-E150-024)。6. 參考文獻1 L. S. Hung, and C. W. Tang, ”Interface engineerin

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