OLED工藝介紹與應用陳康、李君浩、宋郁玟、白宗城/錸寶科技公司OLED(Organic light emitting diode)是繼TFT-LCD(Thin film transistor liquid crystal display)，新一代之平面顯示器技術。

其具備有構造簡單、自發光不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度範圍廣等優點。

1987年，美國Kodak公司鄧青雲(C.W. Tang)博士等人，將OLED組件及基本之材料確立[1]。

1996年，日本Pioneer公司成為第一家將此技術量產化之公司，並將OLED面板搭配於其所生產之車用音響顯示器。

近年來，由於其前景看好，日本、美國、歐洲、臺灣及韓國之研發團隊如雨後春筍般相繼成立，導致了有機發光材料日益成熟，設備廠商蓬勃發展，以及相繼工藝技術不斷之演進。

然而，OLED技術于原理及工藝上，與目前發展成熟之半導體、LCD、CD-R甚或LED產業雖有相關，但卻有其獨特know-how之處；因此，OLED量產化仍有許多瓶頸。

臺灣錸寶科技公司系由1997年開始研發OLED之相關技術，于2000年成功量產OLED面板，成為繼日本東北先鋒後，全世界第二家量產OLED之面板公司；而2002年，更陸續外銷出貨單彩(mono-color)及區域多彩(area-color)面板如圖一所示，並提升良率及產量，一躍而成為世界上產量最大OLED面板供應商。

[圖一：錸寶之區域多彩及單彩OLED面板]由於OLED工藝中，有機膜層之厚度將影響元件特性甚钜，一般而言，膜厚誤差必須小於5納米，為名符其實之納米科技。

舉例來說，TFT-LCD平面顯示器之第三代基板尺寸，一般定義為550mm x650mm，在此尺寸之基板上，欲控制如此精准之膜厚，有其困難性，也因此限制了OLED在大面積基板之工藝，和大面積面板之應用。

目前而言，OLED之應用主要為較小之單色(mono-color)及區域多彩(area-color)顯示器面板，如：手機主螢幕、手機副螢幕、遊戲機顯示器、車用音響螢幕及個人數位助理(PDA)顯示器。

由於OLED全彩化之量產工藝尚未臻至成熟，小尺寸之全彩OLED產品預計於2002年下半年以後才會陸續上市。

由於OLED為自發光顯示器，相較於同等級之全彩LCD顯示器，其視覺表現極為優異，有機會直接切入全彩小尺寸高檔產品，如：數碼相機和掌上型VCD(或DVD)播放器，至於大型面板(13吋以上)方面，雖有研發團隊展示樣品，但量產技術仍尚待開發。

OLED因發光材料的不同，一般可分小分子(通常稱OLED)及高分子(通常稱PLED)兩種，技術的授權分別為美國的Eastman Kodak(柯達)和英國的CDT(Cambridge Display Technology)，臺灣錸寶科技公司是少數同時發展OLED和PLED的公司。

在本文中，主要介紹小分子OLED，首先將會介紹OLED原理，其次介紹相關關鍵工藝，最後會介紹目前OLED技術發展之方向。

OLED之原理OLED組件系由n型有機材料、p型有機材料、陰極金屬及陽極金屬所構成。

電子(空穴)由陰極(陽極)注入，經過n型(p型)有機材料傳導至發光層(一般為n型材料)，經由再結合而放光。

一般而言，OLED元件製作的玻璃基板上先濺鍍ITO作為陽極，再以真空熱蒸鍍之方式，依序鍍上p型和n型有機材料，及低功函數之金屬陰極。

由於有機材料易與水氣或氧氣作用，產生暗點(Dark spot)而使元件不發亮。

因此此元件於真空鍍膜完畢後，必須於無水氣及氧氣之環境下進行封裝工藝。

在陰極金屬與陽極ITO之間，目前廣為應用的元件結構一般而言可分為5層。

如圖二所示，從靠近ITO側依序為：空穴注入層、空穴傳輸層、發光層、電子傳輸層、電子注入層。

就OLED 組件演進歷史中，1987年Kodak首次發表之OLED組件，系由兩層有機材料所構成，分別為空穴傳輸層及電子傳輸層。

其中空穴傳輸層為p型之有機材料，其特性為具有較高之空穴遷移率，且其最高佔據之分子軌域(Highest occupied molecule orbital，HOMO)與ITO較接近，可使空穴由ITO注入有機層之能障降低。

[圖二：OLED結構圖]而至於電子傳輸層，系為n型之有機材料，其特性為具有較高之電子遷移率，當電子由電子傳輸層至空穴電子傳輸層介面時，由於電子傳輸層之最低非佔據分子軌域(Lowest unoccupied molecule orbital，LUMO)較空穴傳輸層之LUMO高出甚多，電子不易跨越此一能障進入空穴傳輸層，遂被阻擋於此介面。

此時空穴由空穴傳輸層傳至介面附近與電子再結合而產生激子(Exciton)，而Exciton會以放光及非放光之形式進行能量釋放。

以一般螢光(Fluorescence)材料系統而言，由選擇率(Selection rule)之計算僅得25%之電子空穴對系以放光之形式做再結合，其餘75%之能量則以放熱之形式散逸。

近年來，正積極被開發磷光(Phosphorescence)材料成為新一代的OLED材料[2]，此類材料可打破選擇率之限制，以提高內部量子效率至接近100%。

在兩層元件中，n型有機材料－即電子傳輸層－亦同時被當作發光層，其發光波長系由HOMO及LUMO之能量差所決定。

然而，好的電子傳輸層－即電子遷移率高之材料－並不一定為放光效率佳之材料，因此目前一般之做法，系將高螢光度的有機色料，摻雜(Doped)於電子傳輸層中靠近空穴傳輸層之部分，又稱為發光層[3]，其體積比約為1%至3%。

摻雜技術開發系用於增強原材料之螢光量子吸收率的重點技術，一般所選擇的材料為螢光量子吸收率高的染料(Dye)。

由於有機染料之發展源自於1970至1980年代染料雷射，因此材料系統齊全，發光波長可涵蓋整個可見光區。

在OLED組件中摻雜之有機染料，能帶較差，一般而言小於其宿主(Host)之能帶，以利exciton由host至摻雜物(Dopant)之能量轉移。

然而，由於dopant能帶較小，而在電性上系扮演陷阱(trap)之角色，因此，摻雜層太厚將會使驅動電壓上升；但若太薄，則能量由host轉移至dopant之比例將會變差，因此，此層厚度必須最佳化。

陰極之金屬材料，傳統上系使用低功函數之金屬材料(或合金)，如鎂合金，以利電子由陰極注入至電子傳輸層，此外一種普遍之做法，系導入一層電子注入層，其構成為一極薄之低功函數金屬鹵化物或氧化物，如LiF或Li2O，此可大幅降低陰極與電子傳輸層之能障[4]，降低驅動電壓。

由於空穴傳輸層材料之HOMO值與ITO仍有差距，此外ITO陽極在長時間操作後，有可能釋放出氧氣，並破壞有機層產生暗點。

故在ITO及空穴傳輸層之間，插入一空穴注入層，其HOMO 值恰介於ITO及空穴傳輸層之間，有利於空穴注入OLED元件，且其薄膜之特性可阻隔ITO中之氧氣進入OLED元件，以延長元件壽命[5]。

OLED相關關鍵工藝[6]氧化銦錫(ITO)基板前處理(1)ITO表面平整度ITO目前已廣泛應用在商業化的顯示器面板製造，其具有高透射率、低電阻率及高功函數等優點。

一般而言，利用射頻濺鍍法(RF sputtering)所製造的ITO，易受工藝控制因素不良而導致表面不平整，進而產生表面的尖端物質或突起物。

另外高溫鍛燒及再結晶的過程亦會產生表面約10~30nm的突起層。

這些不平整層的細粒之間所形成的路徑會提供空穴直接射向陰極的機會，而這些錯綜複雜的路徑會使漏電流增加。

一般有三個方法可以解決這表面層的影響︰一是增加空穴注入層及空穴傳輸層的厚度以降低漏電流，此方法多用於PLED及空穴層較厚的OLED(~200nm)。

二是將ITO玻璃再處理，使表面光滑。

三是使用其他鍍膜方法使表面平整度更好(如圖三所示)。

[圖三：ITO表面之原子力顯微鏡照片](2)ITO功函數的增加當空穴由ITO注入HIL時，過大的位能差會產生蕭基能障，使得空穴不易注入，因此如何降低ITO/HIL介面的位能差則成為ITO前處理的重點。

一般我們使用O2-Plasma方式增加ITO 中氧原子的飽和度，以達到增加功函數之目的。

ITO經O2-Plasma處理後功函數可由原先之4.8eV 提升至5.2eV，與HIL的功函數已非常接近。

加入輔助電極由於OLED為電流驅動元件，當外部線路過長或過細時，於外部電路將會造成嚴重之電壓梯度(voltage drop)，使真正落於OLED元件之電壓下降，導致面板發光強度減少。

由於ITO電阻過大(10ohm/square)，易造成不必要之外部功率消耗，增加一輔助電極以降低電壓梯度成了增加發光效率、減少驅動電壓的快捷方式。

鉻(Cr：Chromium)金屬是最常被用作輔助電極的材料，它具有對環境因數穩定性佳及對蝕刻液有較大的選擇性等優點。

然而它的電阻值在膜層為100nm 時為2ohm/square，在某些應用時仍屬過大，因此在相同厚度時擁有較低電阻值的鋁(Al：Aluminum)金屬(0.2ohm/square)則成為輔助電極另一較佳選擇。

但是，鋁金屬的高活性也使其有信賴性方面之問題；因此，多疊層之輔助金屬則被提出，如：Cr/Al/Cr或Mo/Al/Mo，然而此類工藝增加複雜度及成本，故輔助電極材料的選擇成為OLED工藝中的重點之一。

陰極工藝在高解析的OLED面板中，將細微的陰極與陰極之間隔離，一般所用的方法為蘑菇構型法(Mushroom structure approach)，此工藝類似印刷技術的負光阻顯影技術。

在負光阻顯影過程中，許多工藝上的變異因數會影響陰極的品質及良率。

例如，體電阻、介電常數、高解析度、高Tg、低臨界維度(CD)的損失以及與ITO或其他有機層適當的黏著介面等。

封裝(1)吸水材料一般OLED的生命週期易受周圍水氣與氧氣所影響而降低。

水氣來源主要分為兩種：一是經由外在環境滲透進入元件內，另一種是在OLED工藝中被每一層物質所吸收的水氣。

為了減少水氣進入元件或排除由工藝中所吸附的水氣，一般最常使用的物質為吸水材(Desiccant)。

Desiccant可以利用化學吸附或物理吸附的方式捕捉自由移動的水分子，以達到去除元件內水氣的目的。

(2)工藝及設備開發封裝工藝之流程如圖四所示，為了將Desiccant置於蓋板及順利將蓋板與基板黏合，需在真空環境或將腔體充入不活潑氣體下進行，例如氮氣。

值得注意的是，如何讓蓋板與基板這兩部分工藝銜接更有效率、減少封裝工藝成本以及減少封裝時間以達最佳量產速率，已儼然成為封裝工藝及設備技術發展的3大主要目標。

[圖四：傳統之OLED封裝流程]目前OLED技術發展之方向OLED產品目前由於技術及設備之限制，其量產品僅限於單色或區域多彩之小尺寸產品(如PDA或手機面板)，由於OLED面板具備前述諸多優點，其顯示特性較同一等級之LCD優異許多，一般認為適合切入之產品，系為較高檔之顯示器，其中一個重要之技術瓶頸即為全彩化。