噴墨式PLED全彩顯示技術(shù)及相關(guān)組件演進(jìn)分析

有機(jī)電激發(fā)光顯示組件除了兼具LCD的輕薄、省電、高解析顯示，主動(dòng)發(fā)光、高應(yīng)答速率、省電冷光源等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)外，且由于其本身制程另具低成本、光色調(diào)變?nèi)菀住⒖蓱?yīng)用于撓曲性面板等多項(xiàng)特點(diǎn)，因此被譽(yù)為下一世代的平面顯示技術(shù)。本文將偏重在介紹有機(jī)電激發(fā)光顯示技術(shù)中的PLED，說(shuō)明PLED之相關(guān)技術(shù)演進(jìn)，并特別針對(duì)可應(yīng)用于全彩顯示之噴墨式PLED制程與技術(shù)的作進(jìn)一步的介紹。

一、有機(jī)電激發(fā)光顯示技術(shù)

有機(jī)電激發(fā)光(organicelectroluminescence，OEL)顯示技術(shù)依其組件所使用的載子傳遞層與發(fā)光層等有機(jī)薄膜材料之不同可概分成兩系統(tǒng)(組件結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖一)，一是以染料或顏料為材料之小分子組件(molecule-baseddevice)，另一則以共軛性高分子為材料之高分子組件(polymer-baseddevice)，前者真空蒸鍍鍍膜制作組件，后者則采溶液涂膜方式。由于OEL組件亦具有無(wú)機(jī)發(fā)光二極管(light-emittingdiode，LED)整流與發(fā)光的特性，因此小分子OEL組件亦被稱為OLED，而高分子OEL組件則被稱為PLED。

二、PLED組件技術(shù)演進(jìn)

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，高分子發(fā)光二極管之研究于英國(guó)劍橋大學(xué)研究群之?dāng)?shù)年前即有，但使用的材料并非共軛性高分子材料，其結(jié)果也未引起大眾的注意。直至1990年英國(guó)劍橋大學(xué)Friend等人發(fā)表PPVPLED在著名的Nature期刊上，因而引發(fā)了后續(xù)的研究熱潮。茲將PLED之技術(shù)演進(jìn)整理如下：

1.PLED的崛起─單層結(jié)構(gòu)組件

1990年英國(guó)劍橋大學(xué)研究群首先以共軛結(jié)構(gòu)之PPV高分子材料為發(fā)光層，制作成二極管組件，其結(jié)構(gòu)為ITO/PPV/Ca，光色為黃綠色，由于初期的單層結(jié)構(gòu)組件在材料結(jié)構(gòu)與純度、組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與接口分析上尚未有完善的考量，因此組件的發(fā)光效率相當(dāng)?shù)?，僅0.05%。

2.雙層結(jié)構(gòu)組件─電子傳遞層(electrontransportlayer，ETL)的應(yīng)用

劍橋研究群于1992年監(jiān)于單層結(jié)構(gòu)ITO/PPV/Ca之二極管的效率不高，故加入一層butyl-PBD分散于PMMA的高分子層作為電子傳遞層(組件電子能帶結(jié)構(gòu)ITO/PPV/PBD-PMMA/Ca見(jiàn)圖二)，以提升電子的傳導(dǎo)量及限制電洞通過(guò)高分子層，此外累積于PPV/PBD-PMMA接口之電洞將誘導(dǎo)電子的傳遞，使其量子效率由0.05%大幅地提升至0.8%。

1993年，劍橋大學(xué)以含-CN取代基的PPV衍生物為發(fā)光層，制作出發(fā)紅光的二極管，組件結(jié)構(gòu)為ITO/PPV/CN-PPV/Ca，量子效率高達(dá)4%，組件于操作電壓為3V，電流密度為1mA/cm2的條件下操作時(shí)間可達(dá)約3000小時(shí)，唯此材料在組件操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生cross-linking，且無(wú)法配合其它solvent-base之發(fā)光高分子材料之使用，故后續(xù)并無(wú)重大的應(yīng)用發(fā)展。

3.雙層結(jié)構(gòu)組件─電洞傳遞層(holetransportlayer，HTL)的應(yīng)用

Heeger研究群于1995年發(fā)展出組件結(jié)構(gòu)為ITO/Polyaniline-CSA-PES/MEH-PPV/Li：Al(alloy)，以ITO/dopedpolyaniline為復(fù)合電極以增進(jìn)電洞的發(fā)射，其起始電壓僅1.7V，在3V時(shí)有超過(guò)400cd/㎡的亮度，外部量子效率為2.23%。后續(xù)的研究成果顯示，于ITO與發(fā)光層之間加入一層摻雜過(guò)的導(dǎo)電性高分子，對(duì)于組件的穩(wěn)定性與使用壽命有很大的助益。此成果Uniax已經(jīng)申請(qǐng)美國(guó)專利，而ITO/dopedconductivepolymer/light-emittingpolymer/cathode此種結(jié)構(gòu)目前已逐漸成為PLED組件之主流架構(gòu)，其中Bayer公司針對(duì)dopedconductivepolymer另外發(fā)展出polythiophene衍生物的PEDOT-PSSA系統(tǒng)，取代原先的polyaniline系統(tǒng)，并已經(jīng)進(jìn)一步商品化。

4.多層(multi-layer)結(jié)構(gòu)組件

Parker等人于1994年制作出ITO/PVK/PQ/PBD:PMMA/Ca三層結(jié)構(gòu)的藍(lán)光組件，由于此組件之電子能帶為量子井(quantumwell)形式的結(jié)構(gòu)，載子易于在中間低能隙的PQ層中結(jié)合而發(fā)光，具有超過(guò)4%的高量子效率。由于多層結(jié)構(gòu)之組件制程較困難，且組件再現(xiàn)性較差，目前并無(wú)實(shí)際上的應(yīng)用。

5.摻合體(blend)結(jié)構(gòu)組件

Heeger研究群于1995年將P3HT與PVK(1：50)摻合體作為發(fā)光層，組件量子效率為0.2%，較未摻雜之中性P3HT的組件提高100倍。然而，早期由于摻合體組件于材料的選擇不適當(dāng)，其組件效能與一般雙層結(jié)構(gòu)組件相較，并無(wú)特別突出之處。

近年來(lái)，摻合體結(jié)構(gòu)之組件重新獲得重視，最近CDT應(yīng)用blend技術(shù)發(fā)展出高亮度的PLED黃綠光組件，將傳遞電子、發(fā)黃光之高分子量的F8BT與傳遞電洞、藍(lán)光能隙之低分子量的TFB摻合作為發(fā)光層，組件于5.5V的亮度可高達(dá)100,000nits。此外，UCLA楊陽(yáng)教授亦發(fā)現(xiàn)將MEH-PPV(4%)與PF摻合，對(duì)組件的發(fā)光效率與使用壽命皆有大幅地改進(jìn)。

6.Singlet與Tripletemission

對(duì)熒光性材料之OLED而言，組件的效率受限于發(fā)光機(jī)構(gòu)中有效的再結(jié)合比率singletemission僅占整體之25%，近年來(lái)，為了增進(jìn)組件的發(fā)光效率，在OLED方面，UDC一直致力于磷光材料與組件的開(kāi)發(fā)，目前已在綠光與紅光的材料與組件上已經(jīng)達(dá)實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)層次，藍(lán)光方面目前已有藍(lán)綠光材料，但仍有待進(jìn)一步地改進(jìn)。最近的研究結(jié)果顯示，相較于小分子熒光材料而言，一般的發(fā)光高分子材料有較高的singletemission比率，Singlet/(Singlet+Triplet)值最高可達(dá)60%。

三、PLED全彩顯示技術(shù)

旋轉(zhuǎn)涂布(spin-coating)是一般PLED之高分子溶液涂膜時(shí)所需的步驟，此薄膜制作程序雖然快速、簡(jiǎn)易，但亦存在其先天上的制程限制，其中最大的限制便是無(wú)法達(dá)到全彩顯示所需的RGB位元素化要求。

目前已驗(yàn)證可行能實(shí)際制作出全彩的OEL顯示器的全彩技術(shù)，有白光加colorfiler技術(shù)、藍(lán)光加colorconversionmedium(CCM)技術(shù)、以及RGB三原色side-by-side技術(shù)。雖然對(duì)PLED組件而言，白光加colorfiler技術(shù)與藍(lán)光加CCM技術(shù)是最容易達(dá)到制作全彩顯示器的方法，然而這兩種方法皆存在著較高的制作成本與電量消耗的缺點(diǎn)，特別不利于應(yīng)用在低耗電要求的掌上型電子產(chǎn)品之顯示面板，如mobilephone、PDA、DSC、Notebook等。因此最終大家仍希望能發(fā)展出PLED的新制程技術(shù)，以解決高分子RGB溶液定位問(wèn)題。

目前所知，DaiNipponprintingCo.已經(jīng)成功地驗(yàn)證用Grooveprinting可得到100mm寬之組件，且其組件效率與spin-coating所得相當(dāng)；美國(guó)Arizona大學(xué)的Jabbour教授亦正在發(fā)展Screenprinting技術(shù)，目前網(wǎng)印密度可達(dá)380mesh；最后，亦是目前唯一已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)全彩PLED顯示器原型的噴墨打印(ink-jetprinting，IJP)制程技術(shù)，由于發(fā)展此技術(shù)需整合噴墨定位機(jī)構(gòu)、polymerink材料及組件制程三方面，其相對(duì)技術(shù)門坎較高，目前投入此技術(shù)開(kāi)發(fā)的PLED研究群僅有CDT與Seiko-Epson、Philips、Covion與Litrex、Toshiba、工研院。[!--empirenews.page--]

關(guān)于IJP技術(shù)之微小液滴定位功能的應(yīng)用，在電子工業(yè)之制造上已有一些既有的案例，如電子構(gòu)裝之solderbump、LCD背光模塊之micro-reflector、面板內(nèi)之spacerbump與colorfilter之RGB色料的噴印制程。在應(yīng)用于PLED制程上，IJP除了能解決spin-coating無(wú)法RGB畫素化的問(wèn)題外，亦兼具其它制程優(yōu)點(diǎn)，如圖案與文字制作能力、適合制作大面積組件、大幅地節(jié)省高分子溶液材料、適合塑料與玻璃軟硬兩種基板、組件各點(diǎn)EL光譜(光色)一致化、以及無(wú)須去除邊緣膜層，可直接進(jìn)行封裝與電路連結(jié)等(見(jiàn)表一)。

CDT與Seiko-Epson采用的噴墨打印機(jī)為壓電式之EpsonCFP-MarkII，液滴噴出的定位誤差為?5mm，而負(fù)責(zé)基板傳送之X-Ystage的定位精密度達(dá)±20μm，此將導(dǎo)致液滴實(shí)際上落在基板的誤差將達(dá)±30μm，然而他們卻巧妙地以CF4氣體電漿之表面處理，造成表面接觸角(contactangle)的差異，使噴偏掉的墨滴能利用表面能量差異自動(dòng)地移動(dòng)至適當(dāng)?shù)奈恢茫味ㄎ恢_度能大幅地提升至±1μm，如圖四所示。

Epson認(rèn)為一般的發(fā)光高分子材料并不適合用于噴墨制程，需再針對(duì)噴墨的規(guī)格作調(diào)整，如分子量、使用溶劑、濃度與粘度等。在面板顯示之均勻度方面，1998年Epson采analogdriver的方式，由灰階顯示的均勻度受限于TFT電路conductance差異，故此法所得的均勻度較差；1999年所發(fā)展出2.2寸的高分子16灰階全彩顯示器，改采digitaldriver的方式，使用ARGS(AreRatioGrayScale)方法來(lái)改善面板均勻度，此面板每一個(gè)sub-pixel有四個(gè)小點(diǎn)，由四個(gè)小點(diǎn)的明暗(24)來(lái)表現(xiàn)出16灰階；目前進(jìn)一步采TRGS(TimeRatioGrayScale)加上ARGS來(lái)增進(jìn)面板的均勻度，此時(shí)每一個(gè)sub-pixel僅有三個(gè)小點(diǎn)(如圖五所示)，有助于提高面板的開(kāi)口率。

圖六為目前之IJP全彩PLED顯示器原型，一為CDT與Epson于1999SID共同發(fā)表主動(dòng)式TFT驅(qū)動(dòng)之PLED全彩顯示器，16灰階可顯4096色，約有30,000畫素，達(dá)120ppi。另一個(gè)則為Toshiba所發(fā)表2.85寸(80ppi)、144(RGB)x176(Q-CIF，QuarterCommonIntermediateFormat)全彩(26萬(wàn)色、64灰階)的原型產(chǎn)品，將應(yīng)用于可攜式消費(fèi)性電子產(chǎn)品，如手機(jī)、PDA等。目前此原型顯示器之亮度為100nit，色彩的飽和度高，受限于藍(lán)光畫素，壽命大約1000小時(shí)左右。Toshiba并計(jì)劃于2002年4月開(kāi)始在其Fukaya晶圓廠生產(chǎn)線生產(chǎn)OLED顯示器，2003年，希望擴(kuò)大面板至10英寸應(yīng)用于PC上，2005年目標(biāo)生產(chǎn)20～30寸的電視面板。

四、展望

目前國(guó)際上投入PLED的陣營(yíng)計(jì)有10多家企業(yè)，其中DeltaElectronics、Dupont(Uniax)與Philips已進(jìn)入初期的單色量產(chǎn)化階段。在全彩方面，除了前面所提及之CDT與SeikoEpson、Toshiba外，Philips在2000年的夏威夷國(guó)際會(huì)議中曾展示出用Ink-jetprinting技術(shù)制作的area-color手機(jī)面板，預(yù)計(jì)于今年展出1.4寸5-bit灰階的全彩顯示器。

就顯示技術(shù)的演變趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)OEL逐漸取代LCD是必然的。在OLED與PLED的兩大技術(shù)體系中，OLED目前在小尺寸全彩化暫時(shí)領(lǐng)先，但未來(lái)大面積化時(shí)仍有許多制程技術(shù)待克服。先天上，PLED占有之低驅(qū)動(dòng)電壓以及低制程設(shè)備投資等有利因素，從顯示面板產(chǎn)品的市場(chǎng)區(qū)隔來(lái)看，spincoating制程之單色PLED利于發(fā)展在大量、低單價(jià)的顯示產(chǎn)品，著重在TN-、STN-LCD與VFD的應(yīng)用市場(chǎng)，但其產(chǎn)品毛利較低；而OLED未來(lái)可能逐漸朝高單價(jià)、高附加價(jià)值的彩色產(chǎn)品發(fā)展，最先切入到TFT-LCD市場(chǎng)。不過(guò)，日后若IJP之全彩PLED制程與材料能更成熟穩(wěn)定，相信PLED便很快地能在全彩顯示器產(chǎn)業(yè)上占有一席之地。