白光OLED的器件结构可以用这些设计方式来了解！

白色的电致发光

一般可以由不同的发光颜色混合而成

例如混合两互补色可以得到二波段型白光

或混合红、蓝、绿三原色得到三波段型白光

最常见的OLED器件结构设计方式主要有两种，分别为多掺杂发光层与多重发光层器件。

(a)多掺杂发光层器件示意图 (b)多重发光层器件示意图

a

---多掺杂发光层器件

是指将含有多种颜色发光材料的掺杂物共蒸镀于同一发光层中，利用不完全能量转换原理使EL呈现不同颜色“混合”而成的白光C17。

b

---多重发光层器件

是将不同颜色的发光材料分别掺混在各个发光层中，利用各单层发光再混合来实现多波段的发光。另外，也可以直接使用白光材料，如将激基缔合物或激基复合物当做发光层，或者是利用磷光系统较常使用的色转换法来实现白光。

当电子、空穴在有机分子中结合后

会因电子自旋对称方式的不同

产生两种激发态的形式……

一种是非自旋对称(anti-symmetry)的激发态电子形成的单重激发态形式，它会以荧光的形式释放出能量回到基态。

而由自旋对称(spin-symmetry)的激发态电子形成的三重激发态形式，则是以磷光的形式释放能量回到基态。

接下来的几期内容当中OLEDindustry君将会分别为大家以几种常见的设计方式介绍荧光系统中白光OLED的器件结构。

今天为大家介绍的是多层发光层

小分子WOLED通常由多个有机层堆叠而成，而这些有机层都具有各自的功能。

例如有些空穴或电子传输层，有些是作为电荷阻挡层，而有些是产生激子(exciton)的复合层。

复合产生的电流在有机层中会由于空穴阻挡层的引人、膜厚的改变或掺杂物质量分数的调整而受到影响，从而可以通过控制在个别有机层间的复合电流，来调整经由红、绿、蓝光发光层的发光比例以达到适当比例的混合白光光色。

以此来制备WOLED，通常都是利用真空蒸镀小分子的方式，因为想达到需求的色平衡和效率，所沉积的各有机层的厚度及层与层间的界面必须要得到准确的控制，这些要求是使用溶液工艺的PLED难以满足的。

最早报道的荧光WOLED是美国柯达的双发光层的器件结构，将黄光的荧光掺杂物(如rubrene的衍生物)掺杂到空穴传输层(NPB)中，然后再蒸镀高效率的天蓝光发光层，发光颜色同样是由发光层的厚度和掺杂质量分数决定，此结构的效率则依照其颜色而定。

图a显示这类二波段白光的光谱与CI Ex·y，色坐标和效率之关系，黄光越强时效率越高，但颜色也越偏离白光的CIEx·y(0. 33, 0. 33)。

二波段白光CIE ,、色坐标和效率之关系

但二波段白光的缺点就在于显色性不佳，故而后陆续发展出三波段及四波段的白光结构以提高显色性。

在2006年SID年会上，柯达发表了多波段白光的系统，工作电压为4. 2 V左右，器件结构由多发光层相叠而成，其EL光谱如图b所示，明显地可以分辨蓝、绿、黄、红的主峰在452 nm, 524 nm,560 nm和608 nm, CIEx·y，色坐标为(0. 318,0. 348 )，效率为9. 9 cd/A 。

Kodak二波段和多波段白光光谱

多层发光层结构的最大缺点是需要较高的工作电压，这是因为器件发光层是由较多层数所组成。

为了降低工作电压，除了降低器件的总厚度外，最常见的方法则是用p-i-n系统，所谓的p-i-n OLED结构是指将p及n型的掺杂层分别作为器件的空穴和电子传输层。

下图为一般常见的p-i-n OLED结构及其能带图，中间未掺杂的有机层厚度一般只有40 nm左右，因此p-i-n OLED的工作电压通常只有传统器件的一半，在1000 nt下，电压约在2. 5~3. 5 V之间。

p-i-n OLED结构及其能带图

以Duan et al. 2008年的报道为例

他们以4, 7一diphenyl一1, 10一phenanthroline( BPhen)掺杂艳( Cs)当作n型掺杂的电子传输层并以BPhen作为电子传输层及空穴阻挡层。

以N,N,N',N‘一tetrakis( 4一methoxyphenyl) benaidine( MeO一TPD)掺杂2. 7%的2,3,5,6一tetrafluoro一7,7,8,8一tetracyanoquinodimethane ( F4一TCNQ)作为p型掺杂的空穴传输层并以Me0一TPD作为空穴传输层及电子阻挡层。

在1 000 nt下，这个二波段白光器件工作电压只有2. 9 V; 10 000 nt下，工作电压4. 7 V功率效率为8. 7 lm/W。

但此种结构的缺点是使器件工艺变得复杂而且器件寿命也会减短。

在2009年的SID会议上Kodak也发表了p-i-n结构四波段WOLED

利用Kodak本身的荧光发光系统及掺杂材料大厂Novaled所开发的不含金属的n型掺杂物与p型掺杂物所组成的高效率高稳定性白光结构，在1 000 nt时，工作电压为3.0 V, CIEx·y，为(0.33, 0.36)，效率高达15. 1 cd/A，寿命更可达27 000小时，此种结构及RGBY的发光特性通常是为了应用于全彩色显示面板的背光源，并搭配Kodak的RGBW彩色滤光片所设计。

香港城市大学C. S. Lee等人

香港城市大学C. S. Lee等人提出将电子传输材料BPhen或是空穴传输材料N,N‘一bis(1一naphthyl)一N,N‘一diphenyl一1,1’一biphenyl一4,4‘一diamine ( NPB)掺杂到发光层之中，借此能够提高发光层中载流子的迁移率(mobility)进而降低器件工作电压提升功率效率，他们将不同质量分数的BPhen掺杂到蓝光发光层之中。

结构如下

ITO(indium tin oxide) /NPB/2%2，8一di( t-butyl)一5，11一di[4一(t-butyl) phenyl]一6，12一diphenylnaphthacence(TBRu):NPB/y%BPhen : 3%p-bis(p-N，N-diphenyl-amino-styryl) benzene (DSA-Ph):2一methyl一9，10一di(2一naphthyl) anthracene(MADN )/BPhen/LiF/AI，其中y%=0%, 2%, 4%, 6%, 8%，10%。

如图3一4所示，相较于y=0%的器件，当掺杂质量分数为y=10%时，器件驱动电压已大约下降了0. 8 V，当掺杂8%BPhen在发光层中时，功率效率也到达了8. 7 lm/W (10 mA/cm2时)。

同样地，作者将NPB掺杂在发光层中也得到了优异的效果，所研制的器件效率也可到达7. 6 Im/W。

发光层掺杂Bphen的器件EI.性能

向来以开发高效率荧光材料闻名但从来不公开其材料结构的日本出光兴业公司，在2007年公布的白光器件制作结果，利用新开发的蓝光主发光体(NBH)搭配蓝光掺杂物BD-1和绿光掺杂物GD206，加上与三井化学合作的高效率红光掺杂物RD一2，得到CIEx·y，色坐标为(0. 33, 0. 39)的白光器件，效率可高达16 cd/A。

寿命更是比先前发表的三波段白光大幅提升，在初始亮度1 000 nt下，寿命估计为7万小时。

如下图所示，当进一步导人高迁移率的传送材料，器件2和3的工作电压可以进一步下降，器件2中改用高电子迁移率((3 X 10-4 cm2/Vs, 0.25 MV/cm时)的电子传输材料(ETM )，发光区域往阳极方向移动，因此靠近阳极的蓝光和红光强度增强。

当在器件3中再导人高空穴迁移率((2X10-3 cm2/Vs, 0.25 MV/cm时)的空穴传输材料(HIM)时，工作电压可以降到3. 67 V,并得到最高的功率效率，可是器件寿命只有器件1的一半，在初始亮度1 000 nt下，寿命估计为3 X 104 h[10]。

(a)出光三波段白光光谱 ((b)寿命比较

出光三波段白光器件特性(10mA/cm2时 )

如果采用上述发光结构再搭配彩色滤光片应用于全彩色OLED显示器，对于2. 2 in面板在200 nt全亮时;模拟功率消耗约为200 mW。

出光兴业认为这样的效率已可以与LCD相匹敌

然而，此种多层发光层白光OLED结构，使用多个发光掺杂物会因发光团的不同而具有不同的老化机制，以及不同电压之下各材料载流子迁移率不同引起复合区位置的改变，因此在器件工作中，可能会造成无法预测的光色改变。

此种多发光层的器件相对于单层发光层OLED拥有较多的材料和界面，因此在制作和价格上也会变得相对的复杂和昂贵，较适合做全彩色显示面板，但用在照明却不切实际。