白光高分子电激发光元件结合彩色

1、白光高分子電激發光元件結合彩色光片之全彩化研究班級：化材三甲姓名：蘇彥誠學號：49740015指導教授：謝慶東 老師壹、 內容介紹： 基於產能與成本的考，近白光有機電激發光元件(White Organic Light-Emitting Device, WOLED)結合彩色光片(Color Filter, CF)，已經成為製作全彩化OLED顯示器的主要方法之一。此外，由於採用單一種光源，因此紅(RGB)三原色的壽命相同，沒有色彩失真的現象，在製程上則需要考慮遮罩對位的問題，可增加畫面細，因此有機會應用在大尺寸面板上。本文研究是在客製化的彩色光片上，製作白光高分子電激發光元件(White Poly

2、mer Light-Emitting Device, WPLED)，並探討結合後的全彩化特性，研究主要分為四個部份：一、 在ITO基板上製作白光高分子電激發光元件，並對此元件進白光之光電特 性分析。二、 彩色光片之光電特性分析。三、 白光高分子電激發光光譜(EL Spectra)，結合彩色光片的透過光譜(Transmissive Spectra)，進光學模擬。四、 在CF基板上製作白光高分子電激發光元件，並對結合之後的元件進色彩特性分析。 有機電激發光(Organic Electroluminesence, OEL)是一種以電能激有機發光材而產生光(Cold Light)的現象，此發現最早可以

3、追溯到1963，由M. Pope等人在20nm膜厚的發光材蒽(Anthracence)，他們在晶體端施加大於400伏特電壓時，觀察到微弱的發光現象。在當時由於缺乏成熟的薄膜成長技術，所以一直難以克服過高的驅動電壓與效低下的問題，無法邁入實用化的階段，因此有機材在當時並沒有受到重視，而一直停在學術研究的階段。 發展至今依發光材之同，可區分為種技術型，一種是以小分子系(Small Molecule)作為有機發光層，以OLED作為泛稱；另一種是以共軛高分子系(Polymer)作為有機發光層，俗稱為PLED。OLED是藉著摻雜低濃染分子調整顏色，PLED則是以同取代基導入高分子系統直接合成得到同顏色。

4、而這種系只是材特性和成膜方法同，本質上卻無。 有機電激發光元件(泛指OLED與PLED)因為具自發光性、廣視角(視角廣達165以上)、高(100 cd/m2)、輝佳(16 lm/W)、高對比、低驅動電壓(39V DCV)、高反應速(1 s)、輕薄、製程簡單、低成本的潛(3040% of Thin Film Transistor-Liquid CrystalDisplay, TFT-LCD)、可製作大尺寸與可撓曲性面板等優點，因此吸引全球超過百家公司競相投入其顯示技術及材的開發工作，且極可能取代液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)，成為次世代平面顯示器(Flat

5、Plane Display, FPD)的主。貳、 實驗步驟：一、 STEP1在ITO基板上製作白光高分子電激發光元件此製程主要分為二個部份，第一部份為ITO基板ITO蝕刻(ITO Patterning)，第二部份是在ITO基板上製作白光高分子電激發光元件。1. 第一部份：ITO基板ITO蝕刻(ITO Patterning)，步驟如下I. 以丙酮與IPA噴洗ITO基板(7cm7cm)並用氮氣槍吹乾。II. 塗佈正光阻AZ1500(塗佈:預轉5sec/500rpm，後轉30sec/1500 rpm)，塗佈均有雜質，則再以丙酮洗掉、烤乾再重新塗佈。III. 預烘烤(120，3 min)，並且放置1m

6、in以待卻。IV. 以紫外光曝光箱進曝光，光罩放置妥當後，將ITO基板放置在光罩上並進對位，最後關上外蓋並打開UV燈管，曝光時間為90 sec。V. 曝後烤(120，8 min)，並且放置1min以待卻。VI. 調配顯影液AZ400K(80%去子水20%顯影液)，以燒杯裝取並在旁放置另一燒杯裝去子水，以鑷子夾取sample置於燒杯內，左右搖晃(1 min)以待顯影完成，最後以去子水沖洗乾淨。VII. 顯影後烘烤(120，30 min)，並且放置十秒以待卻。VIII. 調配蝕刻液(5%硝酸45%鹽酸50%去子水)。注意調配方式為鹽酸加入去子水，再以硝酸加入鹽酸去子水混和液，最後將蝕刻液倒入玻璃槽

7、內並加溫至蝕刻液溫為40(以溫計測實際溫)。將ITO玻璃置入開始蝕刻(3min，每15sec旋轉1/4圈使蝕刻均勻)，蝕刻完之後以去子水沖洗乾淨，即完成Patterned ITO。2. 第二部份：在ITO基板上製作白光高分子電激發光元件，步驟如下I. 基板割：將Patterned ITO基板(7cm7cm)割成2cm2cm大小。II. ITO基板清洗：將玻璃基板泡入丙酮中，並用超音波震盪機震10min，以除去玻璃表面的光阻與污染物。之後將玻璃基板泡入丙醇中，一樣用超音波震盪機震10min，以除去玻璃表面的殘餘的丙酮和污染物。清洗完畢的ITO玻璃基板以氮氣槍吹乾，最後放置於加熱盤上使用200C烘

8、烤約10min。III. O2-Plasma清潔：使用電漿清洗機清潔ITO基板表面。IV. 旋轉塗佈電注入層PEDOT:PSS：使用針筒搭配孔徑為0.45m PVDF材質的過器，將出的PEDOT:PSS溶液塗佈在基板上。使用預轉5sec/500rpm、後轉30sec/3000rpm的轉速進旋轉。在靜置分鐘後，以棉花棒沾去子水擦拭非主動區，接著放置於加熱盤上以200/10min烤乾。最後迅速放入手套箱內避免PEDOT:PSS吸收水氧。其中PEDOT:PSS層的膜厚約為800 。V. 旋轉塗佈有機發光層BP105:RP119：使用針筒搭配孔徑為0.45m PVDF材質的過器，將出的BP105:RP

9、119 溶液塗佈在基板上，使用30sec/2000rpm的轉速進旋轉。在靜置分鐘後，以棉花棒沾有機溶劑擦拭非發光區，接著放置於加熱盤上以100/10min烤乾。其中有機發光層的膜厚約為800 。VI. 蒸鍍陰極氟化鋰(LiF)：將基板放置在有遮罩的Holder上並對位，當所有基板對位完成後，將Holder傳遞至蒸鍍機內。待抽真空至510-6 torr後開始準備蒸鍍，首先將氟化鋰緩慢加熱預鍍，分別以50、80 各預熱3min，調整鍍穩定至0.1 /sec，預鍍10 後開始進蒸鍍，其中LiF膜厚約為10 。VII. 蒸鍍陰極屬鈣(Ca)：首先將鈣屬緩慢加熱預鍍，分別以30、34、40 各預熱3mi

10、n，調整鍍穩定至1 /sec，預鍍50 後開始進蒸鍍，其中Ca膜厚約為100 。VIII. 蒸鍍陰極屬鋁(Al)：首先將鋁錠緩慢加熱預鍍，分別以30、50、80 各預熱3min，調整鍍穩定至1 /sec，預鍍100 後開始進蒸鍍。調整電大小改變蒸鍍速，首先以1 /sec蒸鍍至300 以避免損害到有機層，再以3 /sec蒸鍍至1000 ，最後以5 /sec蒸鍍至2000 。IX. 元件封裝：蒸鍍鋁陰極後靜置15min待腔體溫，之後破真空至49010-3 torr時，將Holder自蒸鍍機傳回手套箱中進元件封裝。於元件主動區點上UV膠並蓋上蓋板玻璃後，以手提式UV燈於長波長模式下，照射2min進U

11、V膠固化。二、 STEP2彩色光片製作(在全台晶像公司製作)本文研究使用之彩色光片為顏分散法(光微影)，製造程依序為黑色矩陣工程(BM)、紅色工程(CF-R)、色工程(CF-G)、色工程(CF-B)、覆蓋層工程(OC)與透明導電膜工程(SiO2/ITO)，除透明導電膜工程外，其餘工程皆為黃光微影製程。全工程為首先在清洗乾淨的素玻璃上，以旋轉塗的方式塗佈黑色光阻(Photo Resist, PR)，經預烤(Pre Bake)、曝光(Exposure)、顯影(Develope)、硬烤(Post Bake)，而完成黑色矩陣(BM)。接著重覆此程三次，而形成紅色(CF-R)、色(CF-G)與色(CF-

12、B)之色彩層。覆蓋層工程同色彩層，但為整面曝光(無需光罩)整面覆蓋。最後以濺鍍法(Sputtering)，進透明導電膜工程。三、 STEP3在CF基板上製作白光高分子電激發光元件本製程主要分為二個部份，第一部份為CF基板ITO蝕刻(ITO Patterning)，第二部份是在CF基板上製作白光高分子電激發光元件，而無是哪個部份，所使用的材(基板除外)、設備與製程條件與STEP1完全相同。參、 結果與討論一、 材與基礎元件特性分析1. 高分子電激發光材BP105與RP119分析I. 材吸收(Abs.)與放光(PL)光譜：BP105的放光(PL)峰值在470nm，RP119的吸收(Abs.)峰值在

13、378nm、放光峰值在528nm。BP105的PL光譜與RP119的Abs.光譜有一小部份的重疊，這表示二者之間可能存在著能轉移的機制；將光BP105與紅光RP119做成互補色白光元件時，因為二者的PL光譜重疊處在光波段，所以有機會形成一寬帶(Broad Band)的白光。II. BP105基礎元件特性：BP105基礎元件結構為ITO/PEDOT:PSS(950，baking at 180C)/ BP105(12wt%，10003000rpm，baking at 140C)/LiF(10) /Ca(100)/Al(2000)，用同的濃與轉速控制發光層的厚，並觀察發光層厚對元件光電特性的影響。

14、綜合以上，當轉速為2000rpm、濃為1wt%時具有最大4780 cd/m2 (操作在11V時)，故以此為最終製程條件。III. RP119基礎元件特性：RP119基礎元件結構為ITO/PEDOT:PSS(950，baking at 180C)/RP119 (1wt%，800，baking at 140C)/LiF(10)/Ca(100) /Al(2000)。因為本研究所使用的白光元件中，主發光體材為BP105，客發光體RP119所摻雜的很少，足影響到發光層的厚，故紅光基礎元件製程主要是解RP119元件的光電特性、EL光譜與CIE座標。2. 彩色光片分析 彩色光片規格是採用全台晶像NTSC53

15、%的光阻為依據，以標準C光源得結果，色彩層的CIE座標分別是紅(0.63,0.34)、(0.28,0.56)與(0.13,0.14)，由此可計算出色飽和為56.2%，而白光(CF-W)的CIE座標則在(0.31,0.34)。二、 元件特性分析1. 白光高分子電激發光元件(WPLED)分析I. 2.6)以光BP105為主體，摻雜同比的紅光RP119，完成互補色WPLED，其元件結構為：ITO/PEDOT:PSS(950，baking at 180、，1wt%，800，baking at 140)/LiF(10) /Ca(100)/Al(2000)。當RP119摻雜比提高時，紅光的強有明顯增加。而

16、在BP105:RP119為時有最大8620 cd/m2，同時兼具最佳白光位置，其CIE座標為(0.32,0.36)，故選定為最佳化WPLED條件。II. 綜合以上可知，最佳化WPLED的最大為8620 cd/m2(操作在12V時)，最佳效為2.55 cd/A(操作在8V時)。 最佳化WPLED在同操作電壓之下的EL歸一化光譜，光EL Peak為460nm、紅光EL Peak則為610nm，值得意的是光的部份，因為本研究主要是用光與紅光材，合成出二波段型互補色白光，本預期光的可能足，進而影響後續WPLED與CF的搭配性，但由此光譜看，應該會產生此問題。 此外，由於WPLED中光波段的強較為突出，

17、恰好可以彌補CF-B普徧為提昇色，而必須犧牲掉的缺陷。綜合以上，此白光與本研究中所使用的彩色光片，將會有錯的色彩搭配性。最後，白光可當LCD顯示器的背光源，此時操作電壓是固定的；而本研究是將白光直接結合彩色光片，無可避免地必須適時地改變操作電壓，以換各種(灰階)混色，達到全彩化的目的，如此CIE座標會隨著操作電壓的改變，而有小幅的變化，進而產生所謂的色偏移，過，相信此白光在經過CF的光之後，將會進一步改善此現象。2. 白光高分子電激發光元件(WPLED)結合彩色光片(CF)模擬 將最佳化WPLED在最大時(操作在12V時)的EL光譜，結合CF的透過光譜作一模擬，由於此白光是寛帶(Broad B

18、and)白光，所以在各波段並無產生衰減，因此模擬所得的紅光、光與光，在強的表現上是相當平均的。將WPLED+CF的EL模擬光譜歸一化之後，與CF透過光譜(即Std.C+CF)做比較。 而將EL光譜代入色彩學公式，可模擬出紅、與光的CIE座標，其中紅光、光與Std.C+CF-R、Std.C+CF-G匹配得錯，而光則因CF-B本身色純較高，相較BP105為天光材，故匹配性差一些，也因此色飽和較原衰減約3%。3. 白光高分子電激發光元件(WPLED)結合彩色光片(CF)分析I. WPLED的對照WPLED+CF的。 WPLED+CF各色光的會跟WPLED本身的、CF的Y值比、WPLED的EL光譜有關

19、。由於此白光本身是寛帶白光，所以影響最大的即為CF的Y值比，而Y值是以標準C光源測CF所得到的，在此為CF-R(Y)：CF-G(Y)：CF-B(Y)：。 而在最大時，紅光(WPLED+CF-R)之EL Peak為616nm、光(WPLED+CF-G)之EL Peak為528nm、光(WPLED+CF-B)之EL Peak為464nm，。II. 紅光特性：紅光光源是由RP119所提供，在經過CF-R光後的色彩特性。其EL Peak為616nm，而在同的操作電壓()之下，幾乎會產生色偏移。III. 光特性：光光源是由BP105與RP119所共同提供，在經過CF-G光後的色彩特性。其EL Peak為528nm，而在適當的操作電壓(812V)之下，幾乎會產生色偏移。IV. 光特性：光光源是由BP105所提供，在經過CF-B光後的色彩特性。其EL Peak為464nm，而在適當的操作電壓(81