1. 緒論
有機發光二極體（OLED）是光電領域的一項革命性技術，已成為全彩顯示器和環保照明的主要解決方案。自1987年鄧青雲和Van Slyke的開創性工作以來，憑藉其卓越的色彩品質、廣視角、可撓曲性以及無汞製程等優勢，OLED技術已取得長足進步。本文綜述了材料、元件物理與工程策略方面的最新進展，描繪了從基礎研究邁向商業化智慧照明與顯示應用的發展路徑。
2. 發光機制
OLED的效率根本上取決於電致發光材料將電能轉換為光的能力。目前研究主要圍繞三種機制。
2.1 螢光
傳統螢光利用單重態激子，但根據自旋統計，電激發產生的激子中僅有25%為單重態，因此其最大內部量子效率（IQE）被限制在25%。
2.2 磷光
磷光OLED（PHOLED）利用重金屬錯合物（如銥、鉑）促進系間穿越，可同時捕獲單重態與三重態激子，從而實現高達100%的IQE。但這通常伴隨著高亮度下的效率衰減以及高昂的材料成本。
2.3 熱活化延遲螢光
TADF材料透過縮小單重態與三重態之間的能量間隙（$\Delta E_{ST}$），實現反向系間穿越（RISC），從而無需重金屬即可達到100%的IQE。RISC速率（$k_{RISC}$）至關重要，其關係式為：$k_{RISC} \propto \exp(-\Delta E_{ST}/kT)$。
3. 元件結構
優化有機層堆疊結構對於平衡電荷注入、傳輸、復合以及光取出至關重要。
3.1 傳統結構
基本結構包括：陽極（ITO）/ 電洞注入層（HIL）/ 電洞傳輸層（HTL）/ 發光層（EML）/ 電子傳輸層（ETL）/ 陰極。各介面處的能階對齊對於最小化注入勢壘至關重要。
3.2 串聯式OLED
串聯結構透過電荷產生層（CGL）將多個電致發光單元串聯起來。此結構可在給定電流密度下倍增亮度，顯著提升壽命與效率。總電壓約為各單元電壓之和。
3.3 堆疊與微腔結構
精確控制層厚可產生微腔效應，增強特定方向和波長的光發射，這對顯示器畫素尤其有益。
4. 光取出策略
一個主要瓶頸在於，由於有機層/ITO/玻璃介面的全內反射，約有50-80%的生成光被侷限在元件內部。
4.1 內部光侷限
光子會損失在有機層/ITO層內的波導模式以及玻璃內的基板模式中。耦合到各模式的光比例取決於折射率：$n_{org} \approx 1.7-1.8$，$n_{ITO} \approx 1.9-2.0$，$n_{glass} \approx 1.5$。
4.2 外部取出技術
策略包括：
- 散射層：粗糙表面或嵌入散射粒子。
- 微透鏡陣列：附著於基板上以增加逸出錐角。
- 圖案化基板/內部結構：布拉格光柵或光子晶體，用以重新導向被侷限的光。
5. 柔性OLED與透明電極
顯示器的未來在於可撓曲性。這取決於能否開發出堅固、可撓曲的透明導電電極（FTCE）以取代易碎的氧化銦錫（ITO）。有前景的替代方案包括：
- 導電高分子：PEDOT:PSS，導電率可調，但存在環境穩定性問題。
- 金屬奈米線網格：銀奈米線具有高導電性和柔韌性，但可能存在霧度和粗糙度問題。
- 石墨烯與碳奈米管：優異的機械性能，但大規模製備均勻、高導電性薄膜仍具挑戰。
- 超薄金屬膜：超薄銀或銀基複合材料搭配介電層以實現抗反射。
6. 應用與商業化
6.1 固態照明
OLED面板提供漫射、無眩光且可調的白光，適用於建築與特殊照明。關鍵指標包括發光效率（lm/W）、演色性指數（高品質照明需CRI > 90）以及壽命（LT70 > 50,000小時）。
6.2 顯示技術
OLED主導高階智慧型手機市場，並在電視、筆記型電腦和車用顯示器領域持續發展。其優勢包括完美的黑色階（無限對比度）、快速反應時間以及外型自由度（可撓曲、可捲曲、透明）。
7. 未來展望
本文指出了關鍵挑戰：進一步提升藍光發光體壽命、降低製造成本（特別是大面積應用），以及開發適用於長壽命柔性元件的封裝技術。將OLED與感測器和電路整合以實現「智慧」互動表面，是一個前景廣闊的前沿領域。
8. 原創分析與專家評論
核心洞察：OLED領域正處於關鍵轉折點，從以顯示器為中心的技術，轉變為下一代以人為本的照明與智慧表面的基礎平台。真正的競爭已不僅僅是色彩純度或效率，而是系統級整合與製造經濟性。
邏輯脈絡：Zou等人正確地追溯了從材料（TADF作為具成本效益的100% IQE途徑）到元件光學（解決光取出問題）再到外型（可撓曲性）的演進。然而，該綜述低估了朝向溶液製程（例如噴墨印刷）用於大面積顯示器與照明的巨大轉變，此趨勢已由Kateeva和JOLED等公司凸顯。正如IDTechEx和OLED協會報告所指出的，產業的轉向是降低每單位亮度的成本並實現新外型，而不僅僅是追求峰值EQE。
優點與缺陷：本文的優點在於其整體視角，將基礎物理與工程連結起來。一個常見於學術綜述的重大缺陷是對可靠性與劣化機制的討論極少。對於商業化而言，10,000小時內亮度下降5%（LT95）比峰值效率提升5%更具影響力。「綠光效率缺口」和藍光發光體穩定性——特別是TADF——仍然是致命弱點，這一點在Adachi等人的工作中已有廣泛記載。
可行建議：給投資者與研發經理：1) 押注TADF與混合材料：未來是基於無金屬或極少金屬的系統，以實現成本與永續性。2) 將光取出視為倍增因子：光取出效率提升2倍可改善所有元件指標，且通常比開發新發光體更便宜。3) 超越顯示器：未來5年OLED的高價值利基市場在於生物醫學裝置（可穿戴光療）、汽車內裝（共形照明）以及航太用的超薄輕量照明。與鈣鈦礦LED（PeLED）研究的融合，正如劍橋大學Richard Friend教授團隊的平行研究所顯示，預示著有機-無機混合系統的未來，可能最終突破通用照明的成本效益障礙。
9. 技術細節與實驗結果
關鍵公式 - 外部量子效率（EQE）：整體元件效率由下式給出： $$EQE = \gamma \times \eta_{r} \times \Phi_{PL} \times \eta_{out}$$ 其中 $\gamma$ 為電荷平衡因子，$\eta_{r}$ 為激子形成比例（螢光為25%，磷光/TADF約為100%），$\Phi_{PL}$ 為發光體的光致發光量子產率，$\eta_{out}$ 為光取出效率（通常為20-30%）。
實驗結果與圖表說明：本文引述了最先進元件達到的成果：
- 綠光TADF OLED：EQE > 35%，CIE色度座標接近 (0.30, 0.65)。
- 藍光磷光OLED：在1000 cd/m²亮度下，LT70（亮度衰減至初始值70%的時間）超過500小時，EQE約25%。這仍是顯示器應用的關鍵基準。
- 柔性白光OLED：在PET基板上的柔性照明元件已展示出發光效率80 lm/W和CRI 85的性能，顯示了朝向捲對捲製造的進展。
10. 分析框架與個案研究
框架：OLED技術成熟度與價值矩陣
為評估任何OLED進展，我們提出一個雙軸框架：
- X軸：技術成熟度等級（TRL 1-9）：從基礎研究（TRL 1-3）到商業產品（TRL 9）。
- Y軸：價值乘數：對系統成本、性能或創造新市場的潛在影響（低/中/高）。
個案研究：應用框架
技術：銀奈米線（AgNW）柔性電極。
分析：
- TRL：7-8。已被多家公司整合到原型柔性顯示器和照明面板中。
- 價值乘數：高。實現了可撓曲的核心特性，減少對稀缺銦的依賴，且與低溫、捲對捲製程相容，降低了製造成本。
- 結論：高優先發展領域。主要障礙並非基礎科學，而是工程問題：改善彎折與濕度下的長期穩定性，以及降低電極粗糙度以防止元件短路。
11. 未來應用與方向
- 生物整合光電學：超薄、柔性OLED用於植入式或可穿戴光療裝置，例如針對黃疸或季節性情緒失調的靶向治療。
- 透明與互動表面：兼具顯示器或光源功能的窗戶，以及具有無縫、共形照明與資訊顯示的汽車儀表板。
- 神經形態顯示/照明：將OLED與薄膜感測器和處理器整合，創造能根據使用者生理節律或任務調整色溫與亮度的表面，從靜態的「智慧」邁向真正響應式的環境。此領域的研究正由麻省理工學院媒體實驗室和Holst中心等機構開創。
- 永續製造：一個主要的未來方向是開發使用環保溶劑、完全溶液製程、捲對捲製造的OLED，以降低大面積照明應用的成本與環境影響。
12. 參考文獻
- Tang, C. W. & VanSlyke, S. A. Organic electroluminescent diodes. Appl. Phys. Lett. 51, 913 (1987). （奠基性工作）。
- Uoyama, H. et al. Highly efficient organic light-emitting diodes from delayed fluorescence. Nature 492, 234–238 (2012). （TADF開創性論文）。
- IDTechEx. OLED Display Forecasts, Players and Opportunities 2024-2034. （市場分析報告）。
- Adachi, C. Third-generation organic electroluminescence materials. Jpn. J. Appl. Phys. 53, 060101 (2014). （關於TADF與元件物理的綜述）。
- Friend, R. H. et al. Electroluminescence in conjugated polymers. Nature 397, 121–128 (1999). （高分子LED的關鍵工作）。
- The OLED Association. https://www.oled-a.org （產業聯盟網站，提供最新商業趨勢）。
- MIT Media Lab. Research on responsive environments and human-centric lighting.
- Zou, S.-J. et al. Recent advances in organic light-emitting diodes: toward smart lighting and displays. Mater. Chem. Front. 4, 788–820 (2020). （本文所綜述的論文）。