2017 七月號
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第141期電子報  出刊日期:1060714


科學新文摘

 

螢幕竟然可捲曲!閃閃惹人愛的 OLED

ICON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。

ICONOLED 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。 圖片來源│Yeh, H.-C.; Wu, W.-C.; Chen, C.-T. Chem. Commun. 2003, 404.

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。
圖片來源│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。 圖片來源│U.S. Army RDECOM

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。
圖片來源│U.S. Army RDECOM

ICONOLED 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。 圖片來源│Prof saxx

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。
圖片來源│Prof saxx

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。 資料來源│陳錦地、李怡葶提供 圖說重製│張語辰

陳錦地的實驗室中,經過層層步驟產出紅色螢光化合物 PhSPDCV。
資料來源│陳錦地、李怡葶提供   圖說重製│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。 資料來源│Chen, H.-Y.; Chen, C.-T.; Chen, C.-T. Macromolecules 2010, 43, 3613. 圖說重製│林婷嫻、張語辰

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。
資料來源│Chen, H.-Y.; Chen, C.-T.; Chen, C.-T. Macromolecules 2010, 43, 3613. 圖說重製│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。 資料來源│李怡葶提供 圖說改編│林婷嫻、張語辰

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。
資料來源│李怡葶提供        圖說改編│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。圖片來源│李怡葶提供 圖說改編│林婷嫻、張語辰

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。
圖片來源│李怡葶提供      圖說改編│林婷嫻、張語辰

ICON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

「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

​文章來源網址: 研之有物  http://research.sinica.edu.tw/oled-chen-chin-ti/

 


活動訊息_圖示

歐洲科學家發現新的次原子粒子

  歐洲科學家6日表示,他們已發現1種新的次原子粒子,含有以往從未見過的夸克(quark)組合,夸克是構成物質的最基本單元。(圖取自CERN網站home.cern)

(中央社巴黎6日綜合外電報導)歐洲科學家今天表示,他們已發現1種新的次原子粒子,含有以往從未見過的夸克(quark)組合,夸克是構成物質的最基本單元。

此粒子是名為Xicc++的重子(Baryon),含有兩個魅夸克(c)和1個上夸克(u),質量是更常見重子--質子的大約4倍。

巴黎核子物理暨高能物理實驗室(LPNHE)專家查爾斯(Matthew Charles)表示,標準模型粒子物理學理論預測存在此粒子,發現此粒子並不令人驚訝。

歐洲核子研究組織(CERN)大型強子對撞機(LHC)約800名科學家組成的團隊發現此新粒子,查爾斯是團隊成員之一。LHC的最馳名發現是找到希格斯玻色子(Higgs boson)。

根據標準模型,總共有6種夸克,分別為上夸克(u)、下夸克(d)、奇夸克(s)、魅夸克(c)、底夸克(b)及頂夸克(t),其中魅、底和頂夸克屬較重夸克。

物理學家發現的新重子,在理論上存在長久,但此前從未觀測到。重子由夸克組成,質子和中子是最常見重子。在自然世界中,重子頂多僅含1個重夸克,新發現的重子則含有2個重夸克。1060707

刊登於歐洲核子研究組織(CERN)的原文:LHCb announces a charming new particle

新聞來源網址:http://www.cna.com.tw/news/firstnews/201707070003-1.aspx


活動訊息_圖示

「大學考招如何漸進調整」說明白

電子報照片_170706_0008

圖/文 高教司

大學入學考招制度備受關注,因應新課綱於108學年度上路,首屆適用新課綱的高中生畢業後進入大ㄧ就讀,大學考招制度也將於111學年度配合調整,包括:學測改為學生就國、英、數、社、自等5科可自由選考、大學減少參採學測的科目數;申請入學時,學習歷程檔案占相當比重;入學作業整體縮短並延後,確保高三下完整學習…等等。不過,為了穩健推動大學考招制度,107至110學年度將採取相應的銜接措施,使考招制度更趨完備。為了讓學生及家長更清楚大學考招調整的漸進銜接措施,以減輕不必要的焦慮不安,大學招聯會委託製作完成簡單易懂的懶人包,並已放在招聯會官網提供下載(網址: http://www.jbcrc.edu.tw/),歡迎各界踴躍參考運用。

教育部指出,目前的高三學生面臨著ㄧ些壓力,包括「以考科為導向的學習」、「高三課堂學習不完整」、「備審資料急就章」等,因此111學年度上路的大學考招制度,學測將改為5科選考,大學最多只能參採4科且不能採計5科總級分;在各項入學作業時程上,繁星與申請入學時程將集中並延至高三課程完全結束後辦理,以確保高三學習的完整性;此外,大學個人申請入學管道將使用高中學習歷程資料庫,透過操作便利的數位平臺,讓學生每學期上傳學習成果,並在高三申請入學時,自主選擇有利甄選項目傳送至志願校系審查,毋須在高三費時蒐整資料倉促送件,同時也推動各大學在申請入學第二階段採計相當比例的學習歷程檔案,參採項目將於學生入學至少兩年以前公布。

在漸進銜接措施上,預計自107學年度起,鼓勵大學資訊學群少量試辦申請入學第一階段參採學習歷程,提供與傳統考科無強烈連結之科系選才參採,不影響絕大多數學生正式升學管道與權益。108學年度起則調整學測為5科自由選考,大學至多參採4科。至於在入學作業時程上,則逐年漸進延後,107學年度起申請入學第二階段指定項目甄試辦理期間,將從5週先縮短為2週,於4/11-4/29週間及週末辦理(以簡章為準);109學年度起申請入學延後於4月中旬至5月中旬期間辦理。

大學招聯會委託製作的這份懶人包,針對107學年度(105學年度高二生)、108學年度(105學年度高ㄧ生)、109-110學年度(105學年度國三、國二生)、111學年度(105學年度國ㄧ生)分別適用的考招制度與銜接措施,都分別有很清楚的說明圖表。讀者可從簡報(如附檔)中瞭解規劃與執行情況,同時對於學生及家長可能還想知道的問題,也準備了詳盡的Q&A,值得大家告訴大家唷~

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文章來源:教育部課程協作電子報創刊號


活動訊息_圖示

主  題:2017物理教育聯合會議
日  期:106年8月24日~8月26日(星期四~六)
地  點:東海大學
活動網址:http://phyedu.gogomango.net/site/

主  題:2017全國自然領域探究與實作研討會暨教學工作坊
日  期:106年7月21日~7月22日(星期五~六)
地  點:彰化師範大學
活動網址:http://science.ncue.edu.tw/science/index.html

主  題:高級中等學校MOOCs 課程」計畫第一階段成果分享會工作坊
日  期:106年7月27日(二)09:00-17:00
地  點:國家教育研究院臺北院區國際會議廳
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2226292

主  題:第57屆全國科展
日  期:106年7月24日(一)-106年7月30日(日)止
地  點:雲林科技大學
活動網址:http://nphssf57.ylc.edu.tw/

主  題:仿生展 從大自然來的絕妙點子
日  期:105年12月15日(四)-106年8月31日(四)止
地  點:國立台灣科學教育館
活動網址:https://www.facebook.com/BiomimicryInspiredbyNature/

主  題:2017「科普論壇」
日  期:106年2017年9月22-23日(五、六)
地  點:國立臺灣科學教育館
活動網址:https://www.ntsec.gov.tw/User/Article.aspx?a=3399&theme=1

 
 

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