OLED 迷人之处:光彩鲜艳、可挠式

作者: 51Touch     时间:2017-06-19     源于:pansci    总点击:
【导读】:OLED 迷人之处:光彩鲜艳、可挠式。从贞子可以爬出来的传统映像管电视,变成影像流畅的轻薄液晶屏幕,许多科幻电影描绘未来显示器甚至能变成卷轴从手表拉出来,或直接显影在汽车挡风玻璃上,这该如何办到?

屏幕也能超软 Q!有机元素如何化身成多彩 OLED 有机光电材料?OLED 迷人之处:光彩鲜艳、可挠式。从贞子可以爬出来的传统映像管电视,变成影像流畅的轻薄液晶屏幕,许多科幻电影描绘未来显示器甚至能变成卷轴从手表拉出来,或直接显影在汽车挡风玻璃上,这该如何办到?

有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode, 简称 OLED),正将色彩与光明带往以往无法照亮的领域。


不同分子结构的 OLED 化合物溶液,在紫外灯的光激发下,各自发出耀眼的颜色。 图/By Yeh, H.-C.; Wu, W.-C.; Chen, C.-T. Chem. Commun. 2003, 404.
「碳、氢、氧、氮、磷、硫」等有机元素,除了是构成人体的必要生命元素,经由化学家巧手设计,也能变成 OLED 有机光电材料。

OLED 材料由「碳、氢、氧、氮、磷、硫」等原子以共价键形式的分子所构成,手牵手连结成具有双键的有机化合物,经过化学家设计分子结构,也就是谁和谁牵手、谁牵几双手,藉以发出不同光色,再透过通电或照射紫外光等方式,给予能量发出可见光。

OLED 所呈现的光色,就是每一个分子的颜色。
有别于「无机」光电材料是由硬梆梆的金属、类金属、半导体元素组成的「块材」,整体一块无法弯曲。OLED 材料由「有机」分子堆栈构成连续性薄膜,每层薄膜厚度不到 0.0001 公分(即次微米等级),柔软可弯曲,能自由应用于物联网、穿戴式装置、军事飞行器等。另外,OLED 若是应用在白光照明上,也具有节能的优点,所以是光电材料的当红成员。


OLED 有机发光二极管具有「可挠式」特性,让显示器或照明设备有机会变成小小一个卷轴。 图/By U.S. Army RDECOM @ flickr, CC BY 2.0

OLED 身世之谜:如何合成想要的光色?
其实,使用有机化合物为生活添加色彩,不是现今才有的技术。


旧石器时代的人类,已经懂得取材自然界有机物质,用大地色描绘生活所见。图/By Prof saxx, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

旧石器时代的岩洞壁画,颜料取材自大自然的物质,例如土褐色的赤铁岩(Hematite) 、赭褐色的赭石(Ocher),而颜料之所以有颜色,是因为分子会吸收可见光,往另一个角度想,颜料也可以用来发出可见光。

现今,有机物质的色彩不仅静态展示,化学家在实验室中透过化学反应、管柱层析、纯化等过程,研发不同颜色的荧光或磷光化合物以利制备光电组件,透过通电让色彩像活起来般明明灭灭。


陈锦地的实验室中,经过层层步骤产出红色荧光化合物 PhSPDCV。 来源/陈锦地、李怡葶提供;图制/张语辰

你可能会疑惑,在显微镜下看得到化合物的分子结构吗?如何确认自己的确合成想要的红色荧光化合物,而不是别的颜色呢?「有机」化合物的颜色取决于分子的化学结构,化学家藉由化学合成的手段来掌控分子的化学结构,即化合物的颜色可以受到控制。

但是,化学家没办法用显微镜直接看到化合物的分子和原子,因为它们太小了,然而有很多辅助的工具,加总起来可成为间接确认的证据。最常用来鉴定化学结构的方式是「氢谱(核磁共振光谱仪)」和「以 X 光解析单晶构造」。

核磁共振对「氢」的原子有反应、会在光谱上产生讯号,有机化合物具有许多氢原子,这些氢原子长在分子结构中不同位置,在光谱上呈现的讯号会不同,可以根据氢谱的模样推断有机化合物的化学结构。而只要是晶体的化合物,都能从 X 光的绕射讯号直接侦测出化学结构。再加上质谱仪、元素分析等,可以了解有机化合物的元素组成与比例。结合这些技术,就能很准确地验证有机化合物的三度空间化学结构。


陈锦地团队研究,核心化学结构都一样,但改变两端四个角键接的物质,就会发出不同色泽的蓝光。 来源/Chen, H.-Y.; Chen, C.-T.; Chen, C.-T. Macromolecules 2010, 43, 3613.;图制/林婷娴、张语辰

说到「蓝色」,你心中浮现的蓝色,可能会和另一个人想的蓝色不同。 OLED 要应用于显示器或照明时,也需要不同的蓝色,陈锦地团队发现,这可以透过改变高分子聚合物核心结构键结的元素来实现。

在实验室合成出不同光色的 OLED 化合物后,它本身还不会发光,需先鉴定化学物性,了解材料本身会发什么光、热性质(例如遇到多少温度会融化)等等,藉以确定适合当什么光电材料、和那些光电组件搭配。

不是研发出 OLED 材料就放着没事了,总是会好奇这个材料运用在光电组件上,效果好不好。

运用中研院化学所拥有的「自己的材料自己测、自己做」设备,陈锦地团队透过「真空蒸镀」、「旋转涂布」两种制程,将 OLED 化合物进一步制成基础光电组件,测试发光状态与效能,实时找出问题,并回头调整化学合成途径。


OLED 光电组件两种制程:真空蒸镀适合小分子的化合物及较小的基板;旋转涂布较省化合物材料,但需注意上下层的溶剂彼此不能互溶。 来源/李怡葶提供;图说/林婷娴、张语辰

做好的 OLED 光电组件虽然只有薄薄一片,但中间包含了主要的功能层,分别是电洞传输层(HTL)、发光层(EML)、电子传输层(ETL)。

想象一下,当电洞与电子分别从阴极和阳极来到组件中,会各自经过电洞传输层(HTL)和电子传输层(ETL)来到中间的发光层(EML)相会,这时天雷勾动地火,通电后的能量激发了位于发光层的 OLED 化合物无限潜能,就放闪发出了自己鲜艳的光色。

这个相遇与放闪的过程,似乎有点像爱情?


OLED 光电组件构造:当电洞与电子经过传输层,来到发光层之后,会给予 OLED 化合物电能,使之激发出光色,如照片实体所示。 来源/李怡葶提供;图说/林婷娴、张语辰

眼看 OLED 发光,转瞬白发生辉


「我为什么会有白头发,都是因为颜色用在这些有机化合物用掉啦!」陈锦地笑着说。 摄影/张语辰


化学只是一门科目,高中刚毕业时的陈锦地曾经这么认为。直到读了淡江化学系、台大化学所,亲身做实验、看见研究后的成果才体会:原来化学是一种科技!

无论是何种科技,研发过程一定会有失败的时候,但在实验室里别急着伤心。波以耳说:「要想做好实验,就要敏于观察。」而对陈锦地而言,休息休息回来再拼就是了。

若不晓得实验失败的原因,整理一下看到的现象,根据化学知识判断可以改变那些过程,下次就会做对。
陈锦地团队的研究方向,除了试着找寻现在还不存在的材料,也致力于改良现有可应用的材料,例如研究如何提高 OLED 的发光效率。由于研究的本质并非直接进行生产,看不到立即性效益,「其实每一年都可说是在赔本」陈锦地自嘲说。但如果十年、二十年长远来看,基础研究的发现,能够帮助突破产业环节的问题,例如让生产的光电组件更有效与更便宜,因为有更好的光电材料。
 


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