摘要:光電產業因全球市場急遽成長而備受注目,目前總產值已近四千億美元,而台灣近年來也有超過六百億美元的光電產值。因此,無論從全球市場需求或在地產業發展的角度來看,光電產業都扮演了極為重要的角色;其中尤以顯示科技、OLED及LED三者為要。2010年,全球顯示科技產業總產值已超過一千五百億美元,至2012年成長逾一千七百億美元。新型態顯示科技的出現除了因應龐大的市場需求,也與人類大腦處理視覺訊息居多有關。另一方面,從環境保護的角度來看,由於照明設備消耗整體能源約20%,相當於逾三千六百億美元的花費,同時也排放出大量的二氧化碳;因此,研發符合環保需求的節能技術至關重要。本計畫將側重於開發前瞻性顯示和照明技術,包括3D顯示及可攜式、具軟性可撓的OLED及LED。
在子計畫一中,我們提出兩種新的發光機制的螢光材料,此種螢光材料不含稀土元素及重金屬鎘,對環境無害,可應用於製作白光LED。這兩種螢光材料皆是利用低溫溶液製程,且可在不需使用稀土元素的條件下產生高亮度的白光。第一種螢光材料是可利用紫外光LED激發,放出涵蓋色溫2000 K至5500 K以上純白光,另一種螢光材料則可結合藍光LED,發出一波峰在580nm左右的寬頻光,其量子效率目前已可達到75%。此螢光材料除了能夠解決目前白光LED的色溫普遍偏高的問題之外,更提供了固態照明技術一種更環保、更低成本的高效率白光螢光材料。接著,另一研究藉由調控氮化鎵的薄膜應力成功製作出具有高場效載子遷移率的氮化鎵薄膜電晶體;藉由使用脈衝雷射沈積法搭配後退火處理,以不同退火溫度成長不同應力之氮化鎵薄膜,並製作成薄膜電晶體元件,發現應力對氮化鎵薄膜電晶體的場效載子遷移率具有顯著影響,藉由計算場效載子遷移率,當氮化鎵薄膜承受1.55 GPa之壓縮應力時,其場效載子遷移率高達961 cm2/V-s,此場效載子遷移率遠大於一般氮化鎵金氧半場效電晶體並已和氮化鎵高電子遷移率電晶體的非常接近。因此藉由將氮化鎵薄膜電晶體控制在壓縮應力之狀態,我們可獲得高場效載子遷移率之氮化鎵薄膜電晶體。
在子計畫二中,有機發光元件(OLED)及光電元件中常用之透明電極ITO,一般材料成本較高,且須使用昂貴真空製程,不利OLED之應用。目前我們發展出不含ITO/溶液製程/高導電性/高透明度之導電高分子透明導體,導電率可達~1000 S/cm,透明度達>90%;將之取代ITO用於OLED之透明電極,光學模擬顯示理論上可獲得>60%之高出光率,遠高於傳統之ITO元件。使用此不含ITO/溶液製程/高導電性/高透明度之導電高分子透明電極,並搭配適當之外部出光結構,我們已發展出外部量子效率達44-45% photon/electron (元件出光效率>44-45%)之高效率磷光OLED,顯著高於使用傳統ITO電極之OLED。使用此種溶液製程/低折射率高導電性之導電高分子透明電極尚可降低OLED製作成本,有利於OLED照明應用。
在子計畫三中,利用小分子有機材料當作主體材料應用在溼式製程之磷光有機電致發光元件(phospohorescent organic light-emitting device; PHOLED)。本研究在於以最佳化極簡化的單層結構和後半部為改善陰極介面的電子注入,以達到載子平衡以提高元件的效率。使用有機主體材料為小分子的Tris(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amine (TCTA);此一主體材料為具有相當高的電洞遷移率特性、合適的能隙,並且較高的三重態能階(T1),因此TCTA適合當作藍色磷光的客體材料(FIrpic)之主體材料(電洞傳輸材料)。電子傳輸材料(OXD-7)的加入發光層內,以利於平衡TCTA的高電洞遷移率來平衡電洞和電子,讓複合的激子可以最大,且可以讓放光位置遠離陰極,減少激子淬熄的發生。極簡化結構且高效率實為溼式製程之有機電致發光元件的最終目標,元件結構為ITO/PEDOT:PSS/EML/CsF/Al。極簡化結構的藍色磷光最高效率可達16.6 cd/A和 9 lm/W。
在子計畫四中,設計的觀賞位置(designated eye position)與觀賞視域(viewing zone)對於設計(雙視域式)自立體顯示器是最重要的參數之一。至今,雖然有許多關於這方面的研究;但是並沒有做到能夠建立起設計與實驗之間的關聯,因此更嚴謹的研究與驗證是很必要而且具有價值的。對於(雙視域式)自立體顯示系統而言,我們提出了基於等效輝度(equivalent luminance)與雙眼輝度(binocular luminance)觀念的度量準則來衡量設計的觀賞位置與觀賞視域,模擬與實驗的結果證明,這些度量準則可精確衡量設計的觀賞位置與觀賞視域。
光斑效應是雷射顯示系統中最令人煩惱的問題之一,我們根據在畫素點上的干涉現象利用限縮光場相位以降低光斑對比,光斑對比是根據隨機相位均勻分布的部分發展光斑條件推導而來,並且顯示光斑對比會隨光場相位的限縮而降低。在理想的模擬中,光斑對比可以從98.77%降低到0%;在實際的實驗中,相位限縮可以藉由計算機產生全像片(computer generated hologram)產生,同時可提供光束整形之功能,光斑對比可以從99.18%降低到16.68%。
有機發光二極體的效率提昇可以藉由微透鏡陣列來達成,但是影像模糊則會伴隨著效率的提昇,我們探討藉由優化畫素週期與基板厚度,效率提昇可以維持而影像模糊可以有效的被降低。
在子計畫五中,我們提出新的設計在LED上製造異質結構的微透鏡,藉由使用親水性約束效益以及3D列印機。並且利用能量守恆定律及lawnmower algorithm設計freeform lens再將freeform lens表面轉換成易製造的異質結構的微透鏡。微透鏡中心凹透鏡直徑為500m和邊緣凸透鏡直徑為200m。製程上,我們用SU-8親水性約束效益藉由Inkjet printer滴出Lens輪廓,再利用3D列印機做出Lens底座,最後再使用PDMS做翻模,即可做出我們所設計的Lens。我們的微透鏡可以有效提升LED發光均勻度,由30%增至70%。
Abstract: Photonics industry has attracted global attentions for its rapid growing market. The overall photonics revenue worldwide is near 400 billion US dollars. Photonics revenue in Taiwan also has over 60 billion USD in recent years. Thus, photonics is crucial in terms of both global demands and domestic industries in Taiwan. In this huge photonics market, display, OLED and LED are the most important areas. The overall display revenue worldwide was over 150 billion USD in 2010 and grew to over 170 billion USD in 2012. The reason for the large demand is because the brain of human beings handles mostly the visional signals; so many new types of displays emerge. On the other hand, from the aspect of environmental protection, lighting has consumed about 20% of the total energy, which takes up over 360 billion USD and causes large amount of CO2 emission. In this sense, energy-saving lighting devices become fundamental for this eco-friendly purpose. Above all, this project aims at developing new display and lighting technologies, including three-dimensional (3D) displays, portable & flexible displays, OLED and LED.
The project is divided into 5 subprojects related to 3D displays, portable, soft & flexible displays, OLED, and LED for lighting. These subprojects are described as follows:
Subproject-1 (led by PI, Ching-Fuh Lin) mainly focuses on the development of advanced technologies for innovative structure of LED, set up of pulsed laser deposition (PLD) and white light LED phosphor-used materials.
Sub-project-2 (led by PI, C.-C. Wu) mainly focuses on the development of materials, devices, and technologies for advanced OLED displays, OLED lighting, thin-film transistors, flexible electronics and displays, etc.
Sub-project-3 (led by PI, C.I. Wu) mainly focuses on the investigations of solution process type OLED, including Single-Layer process and multi-layer process. It provides a simple process and high performance in OLEDs. During the period/phase of 2013.1.1-2014.12.31, major achievements related to this project include: (1) Investigation of the Multi-layer process OLEDs ; (2) Investigation of the Single layer process OLEDs
Sub-project-4 (led by PI, H. Y. Lin) mainly focuses on the development of novel optical elements, technologies for advanced OLED displays and lighting, and 3D displays, etc.
Sub-project-5 (led by PI, Guo-Dung Su) mainly focuses on the freeform surface construction to evenly distribute the light intensity of a LED of a point to a surface.