喷墨式PLED全彩显示技术及相关组件演进分析

有机电激发光显示组件除了兼具LCD的轻薄、省电、高解析显示，主动发光、高应答速率、省电冷光源等技术优点外，且由于其本身制程另具低成本、光色调变容易、可应用于挠曲性面板等多项特点，因此被誉为下一世代的平面显示技术。本文将偏重在介绍有机电激发光显示技术中的PLED，说明PLED之相关技术演进，并特别针对可应用于全彩显示之喷墨式PLED制程与技术的作进一步的介绍。

一、有机电激发光显示技术

有机电激发光(organicelectroluminescence，OEL)显示技术依其组件所使用的载子传递层与发光层等有机薄膜材料之不同可概分成两系统(组件结构参见图一)，一是以染料或颜料为材料之小分子组件(molecule-baseddevice)，另一则以共轭性高分子为材料之高分子组件(polymer-baseddevice)，前者真空蒸镀镀膜制作组件，后者则采溶液涂膜方式。由于OEL组件亦具有无机发光二极管(light-emittingdiode，LED)整流与发光的特性，因此小分子OEL组件亦被称为OLED，而高分子OEL组件则被称为PLED。

二、PLED组件技术演进

严格来说，高分子发光二极管之研究于英国剑桥大学研究群之数年前即有，但使用的材料并非共轭性高分子材料，其结果也未引起大众的注意。直至1990年英国剑桥大学Friend等人发表PPVPLED在著名的Nature期刊上，因而引发了后续的研究热潮。兹将PLED之技术演进整理如下：

1.PLED的崛起─单层结构组件

1990年英国剑桥大学研究群首先以共轭结构之PPV高分子材料为发光层，制作成二极管组件，其结构为ITO/PPV/Ca，光色为黄绿色，由于初期的单层结构组件在材料结构与纯度、组件结构设计与接口分析上尚未有完善的考量，因此组件的发光效率相当低，仅0.05%。

2.双层结构组件─电子传递层(electrontransportlayer，ETL)的应用

剑桥研究群于1992年监于单层结构ITO/PPV/Ca之二极管的效率不高，故加入一层butyl-PBD分散于PMMA的高分子层作为电子传递层(组件电子能带结构ITO/PPV/PBD-PMMA/Ca见图二)，以提升电子的传导量及限制电洞通过高分子层，此外累积于PPV/PBD-PMMA接口之电洞将诱导电子的传递，使其量子效率由0.05%大幅地提升至0.8%。

1993年，剑桥大学以含-CN取代基的PPV衍生物为发光层，制作出发红光的二极管，组件结构为ITO/PPV/CN-PPV/Ca，量子效率高达4%，组件于操作电压为3V，电流密度为1mA/cm2的条件下操作时间可达约3000小时，唯此材料在组件操作时会产生cross-linking，且无法配合其它solvent-base之发光高分子材料之使用，故后续并无重大的应用发展。

3.双层结构组件─电洞传递层(holetransportlayer，HTL)的应用

Heeger研究群于1995年发展出组件结构为ITO/Polyaniline-CSA-PES/MEH-PPV/Li：Al(alloy)，以ITO/dopedpolyaniline为复合电极以增进电洞的发射，其起始电压仅1.7V，在3V时有超过400cd/㎡的亮度，外部量子效率为2.23%。后续的研究成果显示，于ITO与发光层之间加入一层掺杂过的导电性高分子，对于组件的稳定性与使用寿命有很大的助益。此成果Uniax已经申请美国专利，而ITO/dopedconductivepolymer/light-emittingpolymer/cathode此种结构目前已逐渐成为PLED组件之主流架构，其中Bayer公司针对dopedconductivepolymer另外发展出polythiophene衍生物的PEDOT-PSSA系统，取代原先的polyaniline系统，并已经进一步商品化。

4.多层(multi-layer)结构组件

Parker等人于1994年制作出ITO/PVK/PQ/PBD:PMMA/Ca三层结构的蓝光组件，由于此组件之电子能带为量子井(quantumwell)形式的结构，载子易于在中间低能隙的PQ层中结合而发光，具有超过4%的高量子效率。由于多层结构之组件制程较困难，且组件再现性较差，目前并无实际上的应用。

5.掺合体(blend)结构组件

Heeger研究群于1995年将P3HT与PVK(1：50)掺合体作为发光层，组件量子效率为0.2%，较未掺杂之中性P3HT的组件提高100倍。然而，早期由于掺合体组件于材料的选择不适当，其组件效能与一般双层结构组件相较，并无特别突出之处。

近年来，掺合体结构之组件重新获得重视，最近CDT应用blend技术发展出高亮度的PLED黄绿光组件，将传递电子、发黄光之高分子量的F8BT与传递电洞、蓝光能隙之低分子量的TFB掺合作为发光层，组件于5.5V的亮度可高达100,000nits。此外，UCLA杨阳教授亦发现将MEH-PPV(4%)与PF掺合，对组件的发光效率与使用寿命皆有大幅地改进。

6.Singlet与Tripletemission

对荧光性材料之OLED而言，组件的效率受限于发光机构中有效的再结合比率singletemission仅占整体之25%，近年来，为了增进组件的发光效率，在OLED方面，UDC一直致力于磷光材料与组件的开发，目前已在绿光与红光的材料与组件上已经达实际应用的技术层次，蓝光方面目前已有蓝绿光材料，但仍有待进一步地改进。最近的研究结果显示，相较于小分子荧光材料而言，一般的发光高分子材料有较高的singletemission比率，Singlet/(Singlet+Triplet)值最高可达60%。

三、PLED全彩显示技术

旋转涂布(spin-coating)是一般PLED之高分子溶液涂膜时所需的步骤，此薄膜制作程序虽然快速、简易，但亦存在其先天上的制程限制，其中最大的限制便是无法达到全彩显示所需的RGB位元素化要求。

目前已验证可行能实际制作出全彩的OEL显示器的全彩技术，有白光加colorfiler技术、蓝光加colorconversionmedium(CCM)技术、以及RGB三原色side-by-side技术。虽然对PLED组件而言，白光加colorfiler技术与蓝光加CCM技术是最容易达到制作全彩显示器的方法，然而这两种方法皆存在着较高的制作成本与电量消耗的缺点，特别不利于应用在低耗电要求的掌上型电子产品之显示面板，如mobilephone、PDA、DSC、Notebook等。因此最终大家仍希望能发展出PLED的新制程技术，以解决高分子RGB溶液定位问题。

目前所知，DaiNipponprintingCo.已经成功地验证用Grooveprinting可得到100mm宽之组件，且其组件效率与spin-coating所得相当；美国Arizona大学的Jabbour教授亦正在发展Screenprinting技术，目前网印密度可达380mesh；最后，亦是目前唯一已经成功开发全彩PLED显示器原型的喷墨打印(ink-jetprinting，IJP)制程技术，由于发展此技术需整合喷墨定位机构、polymerink材料及组件制程三方面，其相对技术门坎较高，目前投入此技术开发的PLED研究群仅有CDT与Seiko-Epson、Philips、Covion与Litrex、Toshiba、工研院。[!--empirenews.page--]

关于IJP技术之微小液滴定位功能的应用，在电子工业之制造上已有一些既有的案例，如电子构装之solderbump、LCD背光模块之micro-reflector、面板内之spacerbump与colorfilter之RGB色料的喷印制程。在应用于PLED制程上，IJP除了能解决spin-coating无法RGB画素化的问题外，亦兼具其它制程优点，如图案与文字制作能力、适合制作大面积组件、大幅地节省高分子溶液材料、适合塑料与玻璃软硬两种基板、组件各点EL光谱(光色)一致化、以及无须去除边缘膜层，可直接进行封装与电路连结等(见表一)。

CDT与Seiko-Epson采用的喷墨打印机为压电式之EpsonCFP-MarkII，液滴喷出的定位误差为?5mm，而负责基板传送之X-Ystage的定位精密度达±20μm，此将导致液滴实际上落在基板的误差将达±30μm，然而他们却巧妙地以CF4气体电浆之表面处理，造成表面接触角(contactangle)的差异，使喷偏掉的墨滴能利用表面能量差异自动地移动至适当的位置，墨滴定位之精确度能大幅地提升至±1μm，如图四所示。

Epson认为一般的发光高分子材料并不适合用于喷墨制程，需再针对喷墨的规格作调整，如分子量、使用溶剂、浓度与粘度等。在面板显示之均匀度方面，1998年Epson采analogdriver的方式，由灰阶显示的均匀度受限于TFT电路conductance差异，故此法所得的均匀度较差；1999年所发展出2.2寸的高分子16灰阶全彩显示器，改采digitaldriver的方式，使用ARGS(AreRatioGrayScale)方法来改善面板均匀度，此面板每一个sub-pixel有四个小点，由四个小点的明暗(24)来表现出16灰阶；目前进一步采TRGS(TimeRatioGrayScale)加上ARGS来增进面板的均匀度，此时每一个sub-pixel仅有三个小点(如图五所示)，有助于提高面板的开口率。

图六为目前之IJP全彩PLED显示器原型，一为CDT与Epson于1999SID共同发表主动式TFT驱动之PLED全彩显示器，16灰阶可显4096色，约有30,000画素，达120ppi。另一个则为Toshiba所发表2.85寸(80ppi)、144(RGB)x176(Q-CIF，QuarterCommonIntermediateFormat)全彩(26万色、64灰阶)的原型产品，将应用于可携式消费性电子产品，如手机、PDA等。目前此原型显示器之亮度为100nit，色彩的饱和度高，受限于蓝光画素，寿命大约1000小时左右。Toshiba并计划于2002年4月开始在其Fukaya晶圆厂生产线生产OLED显示器，2003年，希望扩大面板至10英寸应用于PC上，2005年目标生产20～30寸的电视面板。

四、展望

目前国际上投入PLED的阵营计有10多家企业，其中DeltaElectronics、Dupont(Uniax)与Philips已进入初期的单色量产化阶段。在全彩方面，除了前面所提及之CDT与SeikoEpson、Toshiba外，Philips在2000年的夏威夷国际会议中曾展示出用Ink-jetprinting技术制作的area-color手机面板，预计于今年展出1.4寸5-bit灰阶的全彩显示器。

就显示技术的演变趋势来看，未来OEL逐渐取代LCD是必然的。在OLED与PLED的两大技术体系中，OLED目前在小尺寸全彩化暂时领先，但未来大面积化时仍有许多制程技术待克服。先天上，PLED占有之低驱动电压以及低制程设备投资等有利因素，从显示面板产品的市场区隔来看，spincoating制程之单色PLED利于发展在大量、低单价的显示产品，着重在TN-、STN-LCD与VFD的应用市场，但其产品毛利较低；而OLED未来可能逐渐朝高单价、高附加价值的彩色产品发展，最先切入到TFT-LCD市场。不过，日后若IJP之全彩PLED制程与材料能更成熟稳定，相信PLED便很快地能在全彩显示器产业上占有一席之地。