屏幕也能超软 Q！有机元素如何化身成多彩 OLED 有机光电材料？OLED 迷人之处：光彩鲜艳、可挠式。从贞子可以爬出来的传统映像管电视，变成影像流畅的轻薄液晶屏幕，许多科幻电影描绘未来显示器甚至能变成卷轴从手表拉出来，或直接显影在汽车挡风玻璃上，这该如何办到？

有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode, 简称 OLED），正将色彩与光明带往以往无法照亮的领域。

不同分子结构的 OLED 化合物溶液，在紫外灯的光激发下，各自发出耀眼的颜色。 图／By Yeh, H.-C.; Wu, W.-C.; Chen, C.-T. Chem. Commun. 2003, 404.
「碳、氢、氧、氮、磷、硫」等有机元素，除了是构成人体的必要生命元素，经由化学家巧手设计，也能变成 OLED 有机光电材料。

OLED 材料由「碳、氢、氧、氮、磷、硫」等原子以共价键形式的分子所构成，手牵手连结成具有双键的有机化合物，经过化学家设计分子结构，也就是谁和谁牵手、谁牵几双手，藉以发出不同光色，再透过通电或照射紫外光等方式，给予能量发出可见光。

OLED 所呈现的光色，就是每一个分子的颜色。
有别于「无机」光电材料是由硬梆梆的金属、类金属、半导体元素组成的「块材」，整体一块无法弯曲。OLED 材料由「有机」分子堆栈构成连续性薄膜，每层薄膜厚度不到 0.0001 公分（即次微米等级），柔软可弯曲，能自由应用于物联网、穿戴式装置、军事飞行器等。另外，OLED 若是应用在白光照明上，也具有节能的优点，所以是光电材料的当红成员。

OLED 有机发光二极管具有「可挠式」特性，让显示器或照明设备有机会变成小小一个卷轴。 图／By U.S. Army RDECOM @ flickr, CC BY 2.0

OLED 身世之谜：如何合成想要的光色？
其实，使用有机化合物为生活添加色彩，不是现今才有的技术。

旧石器时代的人类，已经懂得取材自然界有机物质，用大地色描绘生活所见。图／By Prof saxx, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

旧石器时代的岩洞壁画，颜料取材自大自然的物质，例如土褐色的赤铁岩（Hematite） 、赭褐色的赭石（Ocher），而颜料之所以有颜色，是因为分子会吸收可见光，往另一个角度想，颜料也可以用来发出可见光。

现今，有机物质的色彩不仅静态展示，化学家在实验室中透过化学反应、管柱层析、纯化等过程，研发不同颜色的荧光或磷光化合物以利制备光电组件，透过通电让色彩像活起来般明明灭灭。

陈锦地的实验室中，经过层层步骤产出红色荧光化合物 PhSPDCV。 来源／陈锦地、李怡葶提供；图制／张语辰

你可能会疑惑，在显微镜下看得到化合物的分子结构吗？如何确认自己的确合成想要的红色荧光化合物，而不是别的颜色呢？「有机」化合物的颜色取决于分子的化学结构，化学家藉由化学合成的手段来掌控分子的化学结构，即化合物的颜色可以受到控制。

但是，化学家没办法用显微镜直接看到化合物的分子和原子，因为它们太小了，然而有很多辅助的工具，加总起来可成为间接确认的证据。最常用来鉴定化学结构的方式是「氢谱（核磁共振光谱仪）」和「以 X 光解析单晶构造」。

核磁共振对「氢」的原子有反应、会在光谱上产生讯号，有机化合物具有许多氢原子，这些氢原子长在分子结构中不同位置，在光谱上呈现的讯号会不同，可以根据氢谱的模样推断有机化合物的化学结构。而只要是晶体的化合物，都能从 X 光的绕射讯号直接侦测出化学结构。再加上质谱仪、元素分析等，可以了解有机化合物的元素组成与比例。结合这些技术，就能很准确地验证有机化合物的三度空间化学结构。

陈锦地团队研究，核心化学结构都一样，但改变两端四个角键接的物质，就会发出不同色泽的蓝光。 来源／Chen, H.-Y.; Chen, C.-T.; Chen, C.-T. Macromolecules 2010, 43, 3613.；图制／林婷娴、张语辰

说到「蓝色」，你心中浮现的蓝色，可能会和另一个人想的蓝色不同。 OLED 要应用于显示器或照明时，也需要不同的蓝色，陈锦地团队发现，这可以透过改变高分子聚合物核心结构键结的元素来实现。

在实验室合成出不同光色的 OLED 化合物后，它本身还不会发光，需先鉴定化学物性，了解材料本身会发什么光、热性质（例如遇到多少温度会融化）等等，藉以确定适合当什么光电材料、和那些光电组件搭配。

不是研发出 OLED 材料就放着没事了，总是会好奇这个材料运用在光电组件上，效果好不好。

运用中研院化学所拥有的「自己的材料自己测、自己做」设备，陈锦地团队透过「真空蒸镀」、「旋转涂布」两种制程，将 OLED 化合物进一步制成基础光电组件，测试发光状态与效能，实时找出问题，并回头调整化学合成途径。

OLED 光电组件两种制程：真空蒸镀适合小分子的化合物及较小的基板；旋转涂布较省化合物材料，但需注意上下层的溶剂彼此不能互溶。 来源／李怡葶提供；图说／林婷娴、张语辰

想象一下，当电洞与电子分别从阴极和阳极来到组件中，会各自经过电洞传输层（HTL）和电子传输层（ETL）来到中间的发光层（EML）相会，这时天雷勾动地火，通电后的能量激发了位于发光层的 OLED 化合物无限潜能，就放闪发出了自己鲜艳的光色。

这个相遇与放闪的过程，似乎有点像爱情？

OLED 光电组件构造：当电洞与电子经过传输层，来到发光层之后，会给予 OLED 化合物电能，使之激发出光色，如照片实体所示。 来源／李怡葶提供；图说／林婷娴、张语辰

眼看 OLED 发光，转瞬白发生辉

「我为什么会有白头发，都是因为颜色用在这些有机化合物用掉啦！」陈锦地笑着说。 摄影／张语辰

化学只是一门科目，高中刚毕业时的陈锦地曾经这么认为。直到读了淡江化学系、台大化学所，亲身做实验、看见研究后的成果才体会：原来化学是一种科技！

无论是何种科技，研发过程一定会有失败的时候，但在实验室里别急着伤心。波以耳说：「要想做好实验，就要敏于观察。」而对陈锦地而言，休息休息回来再拼就是了。

若不晓得实验失败的原因，整理一下看到的现象，根据化学知识判断可以改变那些过程，下次就会做对。
陈锦地团队的研究方向，除了试着找寻现在还不存在的材料，也致力于改良现有可应用的材料，例如研究如何提高 OLED 的发光效率。由于研究的本质并非直接进行生产，看不到立即性效益，「其实每一年都可说是在赔本」陈锦地自嘲说。但如果十年、二十年长远来看，基础研究的发现，能够帮助突破产业环节的问题，例如让生产的光电组件更有效与更便宜，因为有更好的光电材料。