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？

知識 06-19

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。

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