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開創全彩有機電激發光顯示技術–吳忠幟教授

吳忠幟教授研發的「低反射、高對比、上發光型、主動式有機電激發光顯示器技術」,把顯示面板和照明設備的技術往前推進一大步,對人類有很大的貢獻。
 
 
 
臺灣大學電機系吳忠幟教授研發的「低反射、高對比、上發光型、主動式有機電激發光顯示器技術」在 54 國 192 位科學家中脫穎而出,榮獲 2008 年第 21 屆花喇子模國際科學獎(Khwarizmi International Award, KIA)。

這個獎項最早是伊朗伊斯蘭共和國為鼓勵該國人民重視科技研發而設立,獎勵範圍涵蓋各學門,審核標準特別重視研究成果對人類社會的貢獻。1987 年時增設國際獎項,廣邀各國政府推薦科學家參加競逐,1992 年後,聯合國科教文組織、世界智慧財產權組織與第三世界科學院相繼加入成為這個獎項的贊助者。

全彩主動式 OLED 顯示器

有機電激發光顯示器是由有機發光二極體(organic light emitting diode, OLED)組成,它是一種由有機分子材料做成的發光元件,主要用在顯示器與照明設備上,因為具有快速反應、全彩能力、低電壓、高效率、高亮度、自發光、廣視角、可撓性等特性,公認是最新一代的平面顯示器。目前的顯示器在分類上有單色、多彩及全彩3種,若依驅動模式區分,可分成被動式與主動式,近年來最新發展的技術就是全彩主動式的有機發光二極體顯示技術,而近年來 OLED 在照明方面的應用,也逐漸受到重視。

全彩顯示技術是由能發射紅、綠、藍三原色的有機發光二極體所組成,每個畫素的三原色會先混色,再以混色和明暗組合方式呈現各種顏色,三原色色純度越高畫面越逼真。如果色純度不足,顯示的色域範圍過小(即展演出來的顏色越少),呈現的畫面顏色鮮豔度就會不足。

在照明應用上,主要利用有機發光二極體可任意調變發光光色的特性,於製造元件時直接加入會發射互補色或三原色的材料予以混合發出白光,因此白光裡面含有紅光、綠光及藍光成分。照明時,白光照射在物件上,被眼睛看到的光其實是物件上反射回來的光束。假如白光頻譜中缺乏藍光成分,看到的物件會感覺偏黃。以目前的有機發光材料的發展來看,要製作符合顯示器及照明實用程度的高效率、高色彩飽和度的藍光發光二極體元件,仍有相當困難度。

在這個研究中,元件所使用的有機發光材料是第一個關鍵。由於吳教授的專長在電機與光電領域,因此他與臺灣大學化學系汪根欉教授及清華大學化學系季昀教授合作,把兩位教授研發出來的有機化學材料拿來進行材料特性的測試與研究。透過這種合作模式,開發出一些高效率、高飽和度的藍光材料。

從元件光學驗證到顯示器雛形

研究中的另一個關鍵是元件結構設計。典型的有機發光二極體就是所謂的「下發光型有機發光元件」,這種元件發射出來的光源會朝透明基板方向(即由上往下)發射。在下發光元件中,向下發出的光有一部分會被電晶體驅動電路擋住,使得畫素元件發光區域受到限制。針對這個問題,可把結構設計顛倒過來,改成由下往上(陰極方向)的發光架構。製作流程是在透明基板(如玻璃)上沉積反射陽極,再依序沉積有機半導體薄膜及透明陰極,成為「上發光型有機發光元件」。

上發光型 OLED 元件的結構,是由 2 個電極(陰極及陽極)中間夾著有機材料層所組成。玻璃基板上的反射陽極通常使用功函數較大、反射率較高的金屬,其上再依序沉積有機材料。有機材料大致分為電洞傳輸材料、發光材料、傳輸電子材料等。透明陰極通常使用穿透率高的導電氧化物或金屬。操作元件時(施加電壓),電洞由陽極注入,電子由陰極注入,電子及電洞在發光層復合放光。因為陽極無法透光,所以向下發射的光會因為陽極的反射而使得光源又導向上,這是上發光元件光都朝陰極方向發射的原因。

現在,上發光型技術已成為主動式有機發光二極體顯示器的關鍵技術,但與下發光型有機發光元件技術相比,仍有相當多困難。所以吳教授又繼續研發多項關鍵技術,如下反射電極、上透明電極、元件外部光耦合效率等,以及對比度、色彩飽和度、視角特性探討等各種元件優化技術,這些技術都已獲得專利。

有機發光二極體能自行發光,可是外面的環境光會照進來,因此眼睛看到的顯示畫面是元件光與環境光混在一起的結果,這樣很容易造成畫質差、對比差、顏色不飽和等現象。若想得到高對比、色彩鮮艷的效果,元件結構必須具有「元件光的反射率高,環境光的反射率低」的特性。

針對環境光進入所造成的干擾,吳教授利用改變光學結構方式做改善。主要是在元件外面設計一層類似抗反射層結構的光學膜,使元件表面反射的環境光和進入元件再反射出來的環境光相互抵銷,以達到低反射效果。如此巧妙的結構設計就可達到「只有元件放光出來,環境光進入元件以後出不來」的效果。為驗證這個新技術在實用上的可行性,吳教授與工研院葉永輝博士合作,把 OLED 和下方的電晶體驅動電路整合起來,實際做出高對比 OLED 顯示器原型。

循此思緒延伸,吳教授想到另一個問題:環境光進入元件後被抵銷的光能和元件被吸收或損耗的光能,是否可以再利用?於是就在上發光有機發光元件與玻璃基板間,插入一個吸收光能的太陽能電池,利用電池把損耗的光能吸收起來轉化成電能,做為操作顯示器的一部分電力,也能提高有機發光元件的顯示對比度。

把顯示面板同時當作太陽能充電電池使用的設計,除可提升整套系統的綜合光電效率外,也有助於電子產品如手機、PDA、手提型電腦、戶外電子看板等在戶外使用時顯示畫面的清晰度。

21 世紀是通訊、電腦、小型電子產品的 3C 時代,也是人機接觸相當頻繁的時代,而在人機之間做溝通的工具就是顯示面板。吳教授研發的「低反射、高對比、上發光型、主動式有機電激發光顯示器技術」,把顯示面板和照明設備的技術往前推進一大步,對人類貢獻很大,因此榮獲 2008 年第 21 屆花喇子模國際科學獎。

【2008年花喇子模國際科學獎得主專訪】
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