屏幕也能超軟 Q！有機(jī)元素如何化身成多彩 OLED 有機(jī)光電材料？OLED 迷人之處：光彩鮮艷、可撓式。從貞子可以爬出來(lái)的傳統(tǒng)映像管電視，變成影像流暢的輕薄液晶屏幕，許多科幻電影描繪未來(lái)顯示器甚至能變成卷軸從手表拉出來(lái)，或直接顯影在汽車擋風(fēng)玻璃上，這該如何辦到？

有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode, 簡(jiǎn)稱 OLED），正將色彩與光明帶往以往無(wú)法照亮的領(lǐng)域。

不同分子結(jié)構(gòu)的 OLED 化合物溶液，在紫外燈的光激發(fā)下，各自發(fā)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(jī)元素，除了是構(gòu)成人體的必要生命元素，經(jīng)由化學(xué)家巧手設(shè)計(jì)，也能變成 OLED 有機(jī)光電材料。

OLED 材料由「碳、氫、氧、氮、磷、硫」等原子以共價(jià)鍵形式的分子所構(gòu)成，手牽手連結(jié)成具有雙鍵的有機(jī)化合物，經(jīng)過化學(xué)家設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)，也就是誰(shuí)和誰(shuí)牽手、誰(shuí)牽幾雙手，藉以發(fā)出不同光色，再透過通電或照射紫外光等方式，給予能量發(fā)出可見光。

OLED 所呈現(xiàn)的光色，就是每一個(gè)分子的顏色。
有別于「無(wú)機(jī)」光電材料是由硬梆梆的金屬、類金屬、半導(dǎo)體元素組成的「塊材」，整體一塊無(wú)法彎曲。OLED 材料由「有機(jī)」分子堆棧構(gòu)成連續(xù)性薄膜，每層薄膜厚度不到 0.0001 公分（即次微米等級(jí)），柔軟可彎曲，能自由應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、穿戴式裝置、軍事飛行器等。另外，OLED 若是應(yīng)用在白光照明上，也具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，所以是光電材料的當(dāng)紅成員。

OLED 有機(jī)發(fā)光二極管具有「可撓式」特性，讓顯示器或照明設(shè)備有機(jī)會(huì)變成小小一個(gè)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(shí)，使用有機(jī)化合物為生活添加色彩，不是現(xiàn)今才有的技術(shù)。

舊石器時(shí)代的人類，已經(jīng)懂得取材自然界有機(jī)物質(zhì)，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(shí)代的巖洞壁畫，顏料取材自大自然的物質(zhì)，例如土褐色的赤鐵巖（Hematite） 、赭褐色的赭石（Ocher），而顏料之所以有顏色，是因?yàn)榉肿訒?huì)吸收可見光，往另一個(gè)角度想，顏料也可以用來(lái)發(fā)出可見光。

現(xiàn)今，有機(jī)物質(zhì)的色彩不僅靜態(tài)展示，化學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中透過化學(xué)反應(yīng)、管柱層析、純化等過程，研發(fā)不同顏色的熒光或磷光化合物以利制備光電組件，透過通電讓色彩像活起來(lái)般明明滅滅。

陳錦地的實(shí)驗(yàn)室中，經(jīng)過層層步驟產(chǎn)出紅色熒光化合物 PhSPDCV。 來(lái)源／陳錦地、李怡葶提供；圖制／張語(yǔ)辰

你可能會(huì)疑惑，在顯微鏡下看得到化合物的分子結(jié)構(gòu)嗎？如何確認(rèn)自己的確合成想要的紅色熒光化合物，而不是別的顏色呢？「有機(jī)」化合物的顏色取決于分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，化學(xué)家藉由化學(xué)合成的手段來(lái)掌控分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，即化合物的顏色可以受到控制。

但是，化學(xué)家沒辦法用顯微鏡直接看到化合物的分子和原子，因?yàn)樗鼈兲�小了，然而有很多輔助的工具，加總起來(lái)可成為間接確認(rèn)的證據(jù)。最常用來(lái)鑒定化學(xué)結(jié)構(gòu)的方式是「氫譜（核磁共振光譜儀）」和「以 X 光解析單晶構(gòu)造」。

核磁共振對(duì)「氫」的原子有反應(yīng)、會(huì)在光譜上產(chǎn)生訊號(hào)，有機(jī)化合物具有許多氫原子，這些氫原子長(zhǎng)在分子結(jié)構(gòu)中不同位置，在光譜上呈現(xiàn)的訊號(hào)會(huì)不同，可以根據(jù)氫譜的模樣推斷有機(jī)化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。而只要是晶體的化合物，都能從 X 光的繞射訊號(hào)直接偵測(cè)出化學(xué)結(jié)構(gòu)。再加上質(zhì)譜儀、元素分析等，可以了解有機(jī)化合物的元素組成與比例。結(jié)合這些技術(shù)，就能很準(zhǔn)確地驗(yàn)證有機(jī)化合物的三度空間化學(xué)結(jié)構(gòu)。

陳錦地團(tuán)隊(duì)研究，核心化學(xué)結(jié)構(gòu)都一樣，但改變兩端四個(gè)角鍵接的物質(zhì)，就會(huì)發(fā)出不同色澤的藍(lán)光。 來(lái)源／Chen, H.-Y.; Chen, C.-T.; Chen, C.-T. Macromolecules 2010, 43, 3613.；圖制／林婷嫻、張語(yǔ)辰

說到「藍(lán)色」，你心中浮現(xiàn)的藍(lán)色，可能會(huì)和另一個(gè)人想的藍(lán)色不同。 OLED 要應(yīng)用于顯示器或照明時(shí)，也需要不同的藍(lán)色，陳錦地團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這可以透過改變高分子聚合物核心結(jié)構(gòu)鍵結(jié)的元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)驗(yàn)室合成出不同光色的 OLED 化合物后，它本身還不會(huì)發(fā)光，需先鑒定化學(xué)物性，了解材料本身會(huì)發(fā)什么光、熱性質(zhì)（例如遇到多少溫度會(huì)融化）等等，藉以確定適合當(dāng)什么光電材料、和那些光電組件搭配。

不是研發(fā)出 OLED 材料就放著沒事了，總是會(huì)好奇這個(gè)材料運(yùn)用在光電組件上，效果好不好。

運(yùn)用中研院化學(xué)所擁有的「自己的材料自己測(cè)、自己做」設(shè)備，陳錦地團(tuán)隊(duì)透過「真空蒸鍍」、「旋轉(zhuǎn)涂布」兩種制程，將 OLED 化合物進(jìn)一步制成基礎(chǔ)光電組件，測(cè)試發(fā)光狀態(tài)與效能，實(shí)時(shí)找出問題，并回頭調(diào)整化學(xué)合成途徑。

OLED 光電組件兩種制程：真空蒸鍍適合小分子的化合物及較小的基板；旋轉(zhuǎn)涂布較省化合物材料，但需注意上下層的溶劑彼此不能互溶。 來(lái)源／李怡葶提供；圖說／林婷嫻、張語(yǔ)辰

想象一下，當(dāng)電洞與電子分別從陰極和陽(yáng)極來(lái)到組件中，會(huì)各自經(jīng)過電洞傳輸層（HTL）和電子傳輸層（ETL）來(lái)到中間的發(fā)光層（EML）相會(huì)，這時(shí)天雷勾動(dòng)地火，通電后的能量激發(fā)了位于發(fā)光層的 OLED 化合物無(wú)限潛能，就放閃發(fā)出了自己鮮艷的光色。

這個(gè)相遇與放閃的過程，似乎有點(diǎn)像愛情？

OLED 光電組件構(gòu)造：當(dāng)電洞與電子經(jīng)過傳輸層，來(lái)到發(fā)光層之后，會(huì)給予 OLED 化合物電能，使之激發(fā)出光色，如照片實(shí)體所示。 來(lái)源／李怡葶提供；圖說／林婷嫻、張語(yǔ)辰

眼看 OLED 發(fā)光，轉(zhuǎn)瞬白發(fā)生輝

「我為什么會(huì)有白頭發(fā)，都是因?yàn)轭伾�用在這些有機(jī)化合物用掉啦！」陳錦地笑著說。 攝影／張語(yǔ)辰

化學(xué)只是一門科目，高中剛畢業(yè)時(shí)的陳錦地曾經(jīng)這么認(rèn)為。直到讀了淡江化學(xué)系、臺(tái)大化學(xué)所，親身做實(shí)驗(yàn)、看見研究后的成果才體會(huì)：原來(lái)化學(xué)是一種科技！

無(wú)論是何種科技，研發(fā)過程一定會(huì)有失敗的時(shí)候，但在實(shí)驗(yàn)室里別急著傷心。波以耳說：「要想做好實(shí)驗(yàn)，就要敏于觀察。」而對(duì)陳錦地而言，休息休息回來(lái)再拼就是了。

若不曉得實(shí)驗(yàn)失敗的原因，整理一下看到的現(xiàn)象，根據(jù)化學(xué)知識(shí)判斷可以改變那些過程，下次就會(huì)做對(duì)。
陳錦地團(tuán)隊(duì)的研究方向，除了試著找尋現(xiàn)在還不存在的材料，也致力于改良現(xiàn)有可應(yīng)用的材料，例如研究如何提高 OLED 的發(fā)光效率。由于研究的本質(zhì)并非直接進(jìn)行生產(chǎn)，看不到立即性效益，「其實(shí)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，基礎(chǔ)研究的發(fā)現(xiàn)，能夠幫助突破產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的問題，例如讓生產(chǎn)的光電組件更有效與更便宜，因?yàn)橛懈�好的光電材料�?br />