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螢幕也能超軟 Q!有機元素如何化身成多彩 OLED 有機光電材料?

為什麼研究「OLED 有機發光二極體」?

除了現有的 Samsung 手機, Apple 的 iPhone 8 也移情別戀 OLED 面板,它有什麼迷人之處?那耀眼的光彩從何而來?中研院化學所陳錦地研究員,多年來帶領團隊研發 OLED 材料,從黑髮做到白髮,讓世上有更多美好的光色。

OLED 迷人之處:光彩鮮豔、可撓式

從貞子可以爬出來的傳統映像管電視,變成影像流暢的輕薄液晶螢幕,許多科幻電影描繪未來顯示器甚至能變成卷軸從手錶拉出來,或直接顯影在汽車擋風玻璃上,這該如何辦到?

有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode, 簡稱 OLED),正將色彩與光明帶往以往無法照亮的領域。

不同分子結構的 OLED 化合物溶液,在紫外燈的光激發下,各自發出耀眼的顏色。 圖/By Yeh, H.-C.; Wu, W.-C.; Chen, C.-T. Chem. Commun. 2003, 404.

「碳、氫、氧、氮、磷、硫」等有機元素,除了是構成人體的必要生命元素,經由化學家巧手設計,也能變成 OLED 有機光電材料。

OLED 材料由「碳、氫、氧、氮、磷、硫」等原子以共價鍵形式的分子所構成,手牽手連結成具有雙鍵的有機化合物,經過化學家設計分子結構,也就是誰和誰牽手、誰牽幾雙手,藉以發出不同光色,再透過通電或照射紫外光等方式,給予能量發出可見光。

OLED 所呈現的光色,就是每一個分子的顏色。

有別於「無機」光電材料是由硬梆梆的金屬、類金屬、半導體元素組成的「塊材」,整體一塊無法彎曲。OLED 材料由「有機」分子堆疊構成連續性薄膜,每層薄膜厚度不到 0.0001 公分(即次微米等級),柔軟可彎曲,能自由應用於物聯網、穿戴式裝置、軍事飛行器等。另外,OLED 若是應用在白光照明上,也具有節能的優點,所以是光電材料的當紅成員。

OLED 有機發光二極體具有「可撓式」特性,讓顯示器或照明設備有機會變成小小一個卷軸。 圖/By U.S. Army RDECOM @ flickr, CC BY 2.0

OLED 身世之謎:如何合成想要的光色?

其實,使用有機化合物為生活添加色彩,不是現今才有的技術。

舊石器時代的人類,已經懂得取材自然界有機物質,用大地色描繪生活所見。圖/By Prof saxx, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

舊石器時代的岩洞壁畫,顏料取材自大自然的物質,例如土褐色的赤鐵岩(Hematite) 、赭褐色的赭石(Ocher),而顏料之所以有顏色,是因為分子會吸收可見光,往另一個角度想,顏料也可以用來發出可見光。

現今,有機物質的色彩不僅靜態展示,化學家在實驗室中透過化學反應、管柱層析、純化等過程,研發不同顏色的螢光或磷光化合物以利製備光電元件,透過通電讓色彩像活起來般明明滅滅。

陳錦地的實驗室中,經過層層步驟產出紅色螢光化合物 PhSPDCV。 來源/陳錦地、李怡葶提供;圖製/張語辰

你可能會疑惑,在顯微鏡下看得到化合物的分子結構嗎?如何確認自己的確合成想要的紅色螢光化合物,而不是別的顏色呢?「有機」化合物的顏色取決於分子的化學結構,化學家藉由化學合成的手段來掌控分子的化學結構,即化合物的顏色可以受到控制。

但是,化學家沒辦法用顯微鏡直接看到化合物的分子和原子,因為它們太小了,然而有很多輔助的工具,加總起來可成為間接確認的證據。最常用來鑑定化學結構的方式是「氫譜(核磁共振光譜儀)」和「以 X 光解析單晶構造」。

核磁共振對「氫」的原子有反應、會在光譜上產生訊號,有機化合物具有許多氫原子,這些氫原子長在分子結構中不同位置,在光譜上呈現的訊號會不同,可以根據氫譜的模樣推斷有機化合物的化學結構。而只要是晶體的化合物,都能從 X 光的繞射訊號直接偵測出化學結構。再加上質譜儀、元素分析等,可以了解有機化合物的元素組成與比例。結合這些技術,就能很準確地驗證有機化合物的三度空間化學結構。

陳錦地團隊研究,核心化學結構都一樣,但改變兩端四個角鍵接的物質,就會發出不同色澤的藍光。 來源/Chen, H.-Y.; Chen, C.-T.; Chen, C.-T. Macromolecules 2010, 43, 3613.;圖製/林婷嫻、張語辰

說到「藍色」,你心中浮現的藍色,可能會和另一個人想的藍色不同。 OLED 要應用於顯示器或照明時,也需要不同的藍色,陳錦地團隊發現,這可以透過改變高分子聚合物核心結構鍵結的元素來實現。

在實驗室合成出不同光色的 OLED 化合物後,它本身還不會發光,需先鑑定化學物性,了解材料本身會發什麼光、熱性質(例如遇到多少溫度會融化)等等,藉以確定適合當什麼光電材料、和那些光電元件搭配。

不是研發出 OLED 材料就放著沒事了,總是會好奇這個材料運用在光電元件上,效果好不好。

運用中研院化學所擁有的「自己的材料自己測、自己做」設備,陳錦地團隊透過「真空蒸鍍」、「旋轉塗佈」兩種製程,將 OLED 化合物進一步製成基礎光電元件,測試發光狀態與效能,即時找出問題,並回頭調整化學合成途徑。

OLED 光電元件兩種製程:真空蒸鍍適合小分子的化合物及較小的基板;旋轉塗佈較省化合物材料,但需注意上下層的溶劑彼此不能互溶。 來源/李怡葶提供;圖說/林婷嫻、張語辰

做好的 OLED 光電元件雖然只有薄薄一片,但中間包含了主要的功能層,分別是電洞傳輸層(HTL)發光層(EML)電子傳輸層(ETL)

想像一下,當電洞與電子分別從陰極和陽極來到元件中,會各自經過電洞傳輸層(HTL)和電子傳輸層(ETL)來到中間的發光層(EML)相會,這時天雷勾動地火,通電後的能量激發了位於發光層的 OLED 化合物無限潛能,就放閃發出了自己鮮豔的光色。

這個相遇與放閃的過程,似乎有點像愛情?

OLED 光電元件構造:當電洞與電子經過傳輸層,來到發光層之後,會給予 OLED 化合物電能,使之激發出光色,如照片實體所示。 來源/李怡葶提供;圖說/林婷嫻、張語辰

眼看 OLED 發光,轉瞬白髮生輝

「我為什麼會有白頭髮,都是因為顏色用在這些有機化合物用掉啦!」陳錦地笑著說。 攝影/張語辰

化學只是一門科目,高中剛畢業時的陳錦地曾經這麼認為。直到讀了淡江化學系、台大化學所,親身做實驗、看見研究後的成果才體會:原來化學是一種科技!

無論是何種科技,研發過程一定會有失敗的時候,但在實驗室裡別急著傷心。波以耳說:「要想做好實驗,就要敏於觀察。」而對陳錦地而言,休息休息回來再拼就是了。

若不曉得實驗失敗的原因,整理一下看到的現象,根據化學知識判斷可以改變那些過程,下次就會做對。

陳錦地團隊的研究方向,除了試著找尋現在還不存在的材料,也致力於改良現有可應用的材料,例如研究如何提高 OLED 的發光效率。由於研究的本質並非直接進行生產,看不到立即性效益,「其實每一年都可說是在賠本」陳錦地自嘲說。但如果十年、二十年長遠來看,基礎研究的發現,能夠幫助突破產業環節的問題,例如讓生產的光電元件更有效與更便宜,因為有更好的光電材料。

現在就能賺錢的東西,沒什麼好研究。對未來應用有希望,而且離成功還需要再努力的,不覺得更值得投入研究嗎?

延伸閱讀:

  • 陳錦地的個人網頁
  • Chen, H.-Y.; Chen, C.-T.; Chen, C.-T. Macromolecules 2010, 43, 3613.
  • Chiang, C.-L.; Wu, M.-F.; Dai, D.-C.; Wen, Y.-S.; Wang, J.-K.; Chen, C.-T. Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 231.
  • Yeh, H.-C.; Wu, W.-C.; Chen, C.-T. Chem. Commun. 2003, 404.

執行編輯|林婷嫻;美術編輯|張語辰

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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