1996年日本中村教授發表藍光LED，致使紅、綠、藍三原色光終於齊備，全球頓時掀起一陣白光LED研究熱潮。研究人員經過數年的努力發現，雖然LED的發光效率每隔一段時間就會更新記錄，不過因為LED本身具備點光源、窄光束的面光源化、電流驅動的波長波動控制性、以及模組化後的高溫散熱等結構性問題，所以短期內無法滿足一般照明的需求。因此國外業者紛紛推出一般照明用面發光OLED光源技術，與燐光OLED照明元件等新世代面光源技術，試圖成為新世代照明光源的另一種選擇。
事實上，包含燐光OLED照明元件在內的照明用OLED，除須滿足傳統薄型顯示器所要求的特性外，還須針對OLED元件的結構與使用材料，進行所謂的白色光源化改善，並評鑑演色溫度、色溫等照明特有的光學特性。有鑑於此，本文將介紹照明光源用OLED技術發展動向。
OLED發光元件技術發展漸具雛形
場效發光(Electro Luminescence, EL)元件分成有機EL(Organic Electroluminescence, OEL)元件，又稱為OLED；以及無機EL(Inorganic Electroluminescence)元件兩種。基本上OLED與無機EL的動作原理完全相同，都是在電極兩端施加電壓，使電極中間的發光層激發光源。
無機EL的發光層與發光體材料(Dopant Emitter Material)使用無機物質，如硫化鋅(ZnS)、銅(Cu)、錳(Mn)等；OLED則使用有機化合物做為發光層與發光體材料，如聚苯基乙烯(PPV)、CN-PPV、聚乙烯唑(PVK)等。
OLED又分為小分子(Molecules)與高分子(Polymer)兩種；無機EL加工容易、製作成本低，不過顏色的變化較不易控制，且其驅動電壓非常高；相較之下，OLED的動作電壓較低，即少於DC10伏特，因此開發控制電路容易， 且顏色控制較為容易。
OLED初期的投資規模非常大，製程中的蒸鍍設備不易製作大尺寸元件，此外，OLED材料的專利大都掌握在柯達、飛利浦(Philip)、先鋒(Pioneer)等大型跨國公司，因此從事OLED的製造，須先克服初期投資資金與專利授權等問題。
如上所述，OLED元件是以兩層電極挾有機發光材料，利用電極注入電流形成發光元件。OLED發光元件事先在玻璃基板表面製作陽極透明電極，接著在陽極電極表面蒸鍍有機發光層，最後再製作陰極透明電極，形成OLED發光元件。
陽極與陰極間若施加電壓，分別從陽極與陰極產生的正孔與電子，會在有機發光層結合發光，由於陽極、有機發光層、陰極三者的厚度低於1微米，因此發光元件整體相當輕薄。
早在50年代就研究人員已經發現OLED的發光特性，80年代末期美國發表由兩種有機材料堆疊構成的發光元件，施加10伏特左右的電壓可獲得1000cd/m2的輝度，立即受到全球高度重視。此後，歐、美、日各國研究單位陸續加入應用開發、製程與特性改善行列。
目前實驗室等級的OLED發光效率約為每瓦10流明，商品化的發光效率約每瓦5流明雖仍有待改善，卻已超越電漿與液晶顯示器的發光效率。OLED照明模組已廣泛應用在可攜式電子產品，未來若要跨入一般民生照明領域，OLED元件的發光效率與輝度勢必要大幅改善。
理論上，OLED元件高輝度化只要提高電流密度即可達成照明輝度要求，不過提高電流密度對元件的使用壽命會造成不良影響，尤其是高輝度點燈時，元件的壽命特性會急遽惡化，此意謂高輝度化與長壽命特性彼此間的互動關係須同時兼顧兩者特性，才能符合一般照明光源需求。
傳統3波長螢光燈使用紅、藍、綠3種無機螢光體，OLED元件若將紅、藍、綠3原色發光材料積層、混合，同樣可達成與螢光燈相同的白色光源化，不過發光材料積層會造成元件結構複雜化，以及電子、正孔對發光材料的注入平衡偏差等問題(圖1)。
因此研究人員使用藍色與黃色發光材料，檢討雙色白光OLED元件的實用性，具體方法分別為製作藍、黃色OLED元件，此時基於提高效率等考量，針對正孔注入層材料、主(Host)材料、摻雜物(Dopant)材質以及電子輸送層材料的選擇，並對各層構成材料的膜厚進行分析，最終決定採用藍、黃色發光材料當作螢光劑，外部量子效率的理論界限值則設定成5%，接著使用蘇打石(Soda Lime Glass)的玻璃基板、氧化銦錫(ITO)的透明電極、星狀爆發(Star Bursting)系芳香族二胺(Aromatic Diamine)化合物的正孔注入層、三苯胺基(Triphenylamine Diamine)二胺誘導體的正孔輸送層、三苯胺基(Triphenylamine Diamine)二胺誘導體的黃色發光層主材料、四苯(Tetracene)誘導體的摻雜物、(Anthracene)誘導體的藍色發光層、芘(Perylene)誘導體的摻雜物、鋁奎林(Alq)錯體的電子輸送層、氟化鋰與鋁積層的陰極電極、以及真空蒸鍍機材料製作新世代照明用面發光OLED元件(圖2)。
正面輝度為特性評鑑關鍵項目
正面輝度是應用於平面顯示器照明光源的OLED元件主要性能評鑑項目之一，相較之下，一般照明應用要求評鑑全光束特性。
研究人員利用色彩輝度儀量測OLED元件的正面輝度，以正面輝度電流效率評鑑電流效率，外部量子效率與視感效率，則透過積分球量測OLED元件照射的全光束求得。根據上述測試結果顯示，電流密度每平方公尺100安培時：正面輝度電流效率為15.2cd/A、外部量子效率4.6%、視感效率是每瓦4.3流明、輝度達2000cd/m2。
至於連續點燈壽命測試仍在進行中，依照目前點燈狀態輝度而言，其半減時間可超過5,000小時。雖然以上輝度特性與壽命特性符合一般照明應用的要求，不過4.6%的外部量子效率確實有待改善。
雙色型白光OLED符合照明用性能
一般照明應用要求的特性共有3項：
(1) 明視：能容易、正確辨識對象的照明。
(2) 舒適：可以感受舒適氣氛的照明。
(3) 協調：適合空間性的照明。
為符合以上照明視感環境，照明用OLED元件須具備光源色、演色性、照度均勻性、強光(Glare)、經濟性、陰影以及照度特性。上述雙色型白光OLED元件的光源色色溫為6,200K，CIE色度座標(0.33, 0.37)，非常接近標準光源D65的特性。
有關演色性則以平均演色評鑑指數(Ra)的評鑑計算，大約是Ra=69左右，若與傳統白色螢光燈的Ra=70相較，雙色型白光OLED元件演色性絲毫不比傳統白色螢光燈遜色。
值得一提的是，雙色型白光OLED元件的光源色與演色性，於白色化時透過單色的強度比，亦即藍、黃色螢光體的強度比調整，以及藍、綠紅三波長化，可自由設計調整發光色，此外，利用元件結構設計亦同樣能改變OLED元件的發光色。
由於OLED屬於主動式面發光元件，因此能以較低的輝度滿足實施空間要求亮度，而不會對眼睛造成不適感，也就是說雙色型白光OLED元件完全符合其他如照度、照度均勻性、強光、陰影等要件需求。
發光效率提升為首要目標
若OLED元件一般照明應用，須大幅發光效率，主要改善項目包括發光、低電壓化與光線取出效率等。OLED元件的發光是正孔與電子在有機發光層結合時，從被激發能量狀態回復時產生的物理現象。上述再結合後的激發狀態分成一重項激發狀態與3重項激發狀態。它的發生機率約是1：3左右，一重項與3重項激發狀態的發光皆為螢光。
目前實用化的有機材料皆是螢光材料，理論上從激發狀態到發光的轉換只有25%被用作發光，而若利用燐光發光，剩餘75%也能夠被充分應用，進而大幅改善發光效率；而與螢光合併，其發光效率為目前的4倍，因此日本NTT、先鋒(Pionner)、三洋、夏普(Sharp)、三菱、出光石油等業者，陸續加入菁銅(CuPc)、BAlq等燐光發光材料的開發行列。
有關低電壓化的改善，研究人員發現若使OLED元件的驅動電壓接近發光波長的能量，對發光效率的改善具有正面助益，此外，在電荷注入障壁與電荷移動時，電界會自動加入。
降低電荷注入的障壁可透過階段性電荷注入、電荷注入性的摻雜物(Dopant)以及兩者使用的元件結構最佳化設計獲得改善。而為達成低電界能量高移動度，今後須開發新材料與元件結構。
如圖1所示，OLED的基本結構是由陰極層、有機材料層、透明電極層、玻璃基板平行設置構成。有機材料層產生的光線通過上述膜層放射至外部，結構上玻璃基板與透明電極的折射率很高，有機材料層與空氣的折射率卻很低，該特性結構形成導波路效應，造成有機材料層產生的光線被圍堵在玻璃基板、透明電極層與有機材料層內，經過反覆多重反射後，再從端部放出逐漸衰減至最後完全消失。
司奈爾(Snell)法指出光線取出效率與有機材料層的折射率有依存性，亦即互動關係。根據司奈爾法則計算，目前能夠利用的光線取出效率大約只有20%，若改善光線取出效率，最多能使OLED的發光效率提高5倍。
具體改善發光效率方法如採用光散亂層與低折射率層等，一般認為OLED的最終發光效率可達成每瓦200流明目標。圖3為大型OLED照明燈具實際外觀。
OLED具多彩/可撓曲/低功耗優勢
OLED元件透過不同的發光材料選擇，如硫化鋅(ZnS)、硫化鈣(CaS)、硫化鍶(SrS)，再摻雜鎂(Mg)、釤(Sm)、銪(Eu)與螢光染色劑，就能夠自由調整亮度與顏色。此外，改變激發頻率同樣能夠改變激發光的顏色，尤其是提高頻率顏色會朝藍色變化；降低頻率顏色則朝綠色方向變化。
OLED元件具有很強的柔韌性，在不折損電極的前提下，可任意裁剪或彎曲而不影響OLED元件的發光性能。
高電壓驅動時，負載所需的電流非常小，大約是每平方公尺0.03～1微安培。通常當OLED元件的面積小於10平方公分時，驅動電流約僅有數毫安培；相較之下，驅動LED需要5～10毫安培的電流，因此對使用電池電源的攜帶式電子機器而言，低耗電代表電子機器可以延長操作時間。
OLED元件驅動電路設計扮要角
OLED元件的亮度是整合數種電氣參數的結果，理論上單純增加驅動電壓的峰值可提高亮度；而增加驅動電壓的頻率亦能提高亮度，不過驅動頻率一旦超過數千Hz時，亮度增加速度會逐漸減緩，但在增加驅動電壓的頻率後，OLED元件的發光效率會急遽降低。而相同OLED驅動電路亦會因最大驅動面積，造成OLED元件的發光亮度出現明顯差異，當然EL元件的材質、品質、構造，對發光亮度與效率也有很大的影響，如不同顏色的EL元件發光效率也不同。而以單色OLED元件而言，綠色OLED的發光效率最高。
如上所述，OLED元件壽命是以半衰期衡量，亦即OLED元件的亮度降至初期一半時的連續工作時間稱為「輝度減半時間」，又稱作OLED元件的使用壽命。基本上輝度減半時間主要取決於OLED元件使用的發光材料，一般OLED元件的輝度減半時間約為5,000～1萬小時。
此外，激發電壓和驅動頻率也會影響輝度半減時間，如高驅動電壓與高驅動頻率會造成OLED元件的使用壽命降低，而高濕、高溫環境亦同樣會降低OLED元件的使用壽命。
值得一提的是，驅動電壓引入的直流成分會大幅減少OLED元件的輝度半減時間，某些OLED驅動器採用接地驅動設計方式，事實上除了導入更多的直流成分外，還會引進更多的干擾訊號。
OLED元件大多使用乾電池等直流電源電壓供應系統，然而OLED元件本身卻要求高電壓驅動，因此驅動電路須將直流電壓轉換成頻率為200Hz～1MHz、幅值為50～200Vpp的交流電壓。
設計OLED元件驅動電路時，雜訊與電磁波干擾(EMI)為棘手問題，其產生雜訊的物理原因有兩點，分別是：
(1) 脈衝電流流過驅動器電路時，會有相當大的強度引發電感(Inductance)效應，進而導致周圍電子元件發生振動現象，此時透過振盪頻率的調整，或是更換電感可解決問題。
(2) 驅動電路中的振盪電容在高壓交流電的驅動下，會出現所謂的壓電效應並產生振動雜訊，此時只須更換EL元件，同時改善EL元件的製程就可解決問題。造成EMI的另外一個原因，為逆變過程脈衝電流流過驅動器電路時，電子元件產生電磁漏電所造成，此種情況透過電子元件的選擇，和印刷電路基板的遮蔽設計可有效改善。
(2) 驅動電路中的振盪電容在高壓交流電的驅動下，會出現所謂的壓電效應並產生振動雜訊，此時只須更換EL元件，同時改善EL元件的製程就可解決問題。造成EMI的另外一個原因，為逆變過程脈衝電流流過驅動器電路時，電子元件產生電磁漏電所造成，此種情況透過電子元件的選擇，和印刷電路基板的遮蔽設計可有效改善。
尤其是EL元件要求使用正弦電壓驅動，不過實際上OLED元件的驅動波形並不是單純的正弦波，而是由脈衝組成的包絡狀，類似正弦波的鋸齒波形。以美商Sipex的EL驅動晶片為例，其輸出波每半個正弦波是由16～64個脈衝構成，每個脈衝步進的電壓非常低，因此驅動電壓的直流成分與EMI都很小，說明OLED元件已能有效杜絕雜訊問題。
相較之下，某些OLED元件驅動晶片的輸出波形中，每半個正弦波是由8個或更少的脈衝構成，因此OLED元件的壽命相對降低，雜訊則大幅提高。
(詳細圖表請見新電子科技雜誌255期6月號)
