全球首創新型雙硼材料OLED發光元件
2019/01/11

江欣怡 | 《科學發展》特約文字編輯

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隨著主流手機大廠開始大量採用有機發光二極體(OLED)面板,不僅液晶顯示器(LCD)產業面臨龐大的轉型和技術升級壓力,OLED元件效能也成為產業競相追逐的重點。長久致力於開發發光材料以及有機催化反應方法的清華大學化學系鄭建鴻教授及其團隊,成功地開發出新一代超高效能的綠光OLED元件。這不僅是全球首創以雙硼為材料的OLED元件,大幅降低了OLED關鍵發光材料的成本,也對推動台灣面板或照明產業的升級有很大的助益。

OLED面板由於有輕薄、自發光、平面光源、色彩豔麗等優勢,加上顯示器的可彎曲性、透明度等特色,使其商業應用非常廣泛,像是手機與平板電腦的螢幕、電視高畫質顯示器及各種照明燈飾等都需要用到這一技術。另外,OLED在虛擬實境(VR)與擴增實境(AR)上的應用也成長飛快,讓市場對於未來科技的發展及其應用於生活中抱持著更多的期待。

鄭教授與同校化學系劉瑞雄、材料系林皓武等教授組成的團隊,成功地在「新型雙硼發光材料元件」研究上有了重大突破。一般OLED發光層是由螢光或燐光材料製造,其中前者的發光效率僅約5%,後者也只有20%。而目前OLED使用的發光材料又多以銥、鉑等稀少貴重金屬為主,導致面板價格居高不下。如今清華大學團隊開發出的新型雙硼材料由於利用了硼這種較便宜的材料,且又突破傳統螢光與燐光OLED的發光效率,把OLED的效能推廣到了極致。

鄭教授說:「對顯示器來說,最基本也最重要的技術就在發光材料。一個螢幕上要有幾百萬點的次畫素(sub-pixel)來顯示紅藍綠3種顏色,我們合成的這種材料與過去的大不相同,效果又非常好。其特殊之處在於它是熱活化延遲螢光(thermally activated delayed fluorescence, TADF),是由延遲發光效率幾乎是百分之百的有機材料碳氫硼氮元素所組成,而且合成步驟精簡容易,在實驗室中就可製備,節省了許多成本,而且效率可達一般螢光材料的4倍左右。」

值得一提的是,這種材料具有特殊的棒狀分子形狀使其在熱蒸鍍下會傾向水平排列,因此大幅增加了元件出光的效率,外部量子效率高達38%,且在亮度1,000 cd∕m2下僅有0.3%的效率衰減,不會隨著電流強度增加而下降。這一優良特性打破了現今的世界紀錄,這個超高效能的綠光OLED元件成果也登上國際光電領域排名第一的《自然光電》(Nature Photonics)期刊,並已獲得台灣專利,美、日、陸專利則在申請中。另因許多廠商的青睞,估計兩年內可完成商業化。

鄭教授在找尋材料的過程中,也發展出許多不同的合成方法。這些成果除了可作為發光材料外,也可應用於醫療材料的合成,「在有機催化反應上,我們是以過渡金屬當催化劑,開發以還原耦合碳氫鍵活化等途徑合成具生物活性或天然物骨架的分子化合物。」鄭教授說。

而鄭教授和他的團隊也以銠金屬催化二芳基吡啶(2-aryl pyridine)與烯化合物,並於水相反應。由於使用氧氣作為反應的氧化劑,又以環保的溶劑和氧化劑反應,是這研究的最大特色。這項研究在2016年發表於《Advanced Synthesis & Catalysis》期刊,成為鄭教授在進行發光材料研發上的基礎。