照明用白光OLEDs的研究進展

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-12-19

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 有機電致發光器件（Organic Light-Emitting Devices, oleds）具有超薄、輕便、發光效率高、驅動電壓低、響應速度快、色彩豐富、可視角寬等優點，在顯示和照明領域具有十分廣闊的應用前景，近年來在全球范圍內掀起了巨大的研究熱潮。1987年，美國柯達公司的華裔科學家鄧青云博士（Dr. C. W. Tang）以真空熱蒸鍍的方法制備出基于小分子熒光材料Alq3的低電壓驅動高效綠光OLED，開啟了實用性OLED研究的先河。1993年，日本山行大學的城戶教授（Prof. Junji Kido）等人研制出首個白光有機電致發光器件。當時報道的白光OLEDs發光效率只有1lm/W，外量子效率不足1%，壽命也不足一天。如今，白光有機發光器件的研究取得了巨大進展，有可能繼火、白熾燈、發光二極管LED之后，成為下一代革命性的發光技術而應用于日常生活中，如圖1所示。

通常情況下，照明使用光源的亮度需滿足3000-5000cd/m2，且目前市售熒光管的發光效率可達70lm/W，使用壽命在10000小時以上。鑒于現有的狀況，下一代照明光源必須具備更高的亮度和發光效率、更長的壽命、更逼真的物色還原力和更安全環保的性能。就OLEDs而言，將發射不同顏色的發光材料進行混合，能夠產生具有高顯色指數和適宜色溫的白光。從環境角度來看，白色OLEDs屬于無汞類光源，滿足歐盟WEEE和RoHS的要求。從能耗和安全的角度來看，傳統光源中很大一部分能量都變為熱能，如白熾燈發光時，其表面溫度可達到90℃，熒光燈為60℃，存在火災隱患，這就要求新型光源必須具備較高的能量轉換效率和較低的工作電壓以維持其表面的常溫狀態。被稱為“綠色冷光源”的OLEDs可以保持30℃左右的表面溫度，遠低于傳統光源。不僅如此，OLEDs的獨特之處還在于能夠實現新奇的照明方式，如柔性透明面板照明和發光墻紙等，可以在諸多領域如展覽演出、家居裝飾、汽車內飾、景觀布置等方面得到應用。

獨具優勢的OLEDs注定要在人工照明領域大放異彩，許多國家和企業已重點關注并積極投身于OLEDs的研究熱潮中來。國家方面，美國能源部的“固態照明計劃（SSL）”以國家力量推動OLED產業的快速發展；歐盟“彩虹計劃”和“OLED 100.eu計劃”優先促進OLED照明的發展；韓國政府的“用于有效照明解決方案的新型發光二極管”計劃（NoveLELS），我國內地的“國家半導體照明工程”和臺灣地區的“新世紀照明光源開發計劃”等均大力支持高效節能燈具的開發，有助于推進OLEDs在照明領域的快速發展。

企業方面，產業資訊，西門子旗下的Osram早在2011年就宣布開發出照明效率達87lm/W的OLED技術。2012年，Panasonic和Toshiba的研究人員獨立制造出亮度為1000cd/m2，發光效率達90lm/W的白光OLED面板。Panasonic的研究員們更是將疊層白光OLED的壽命提升至100000小時（亮度為1000cd/m2）。 僅1年之后，Panasonic公司使用基于高指數材料的光耦合襯底，實現了1000cd/m2下的114lm/W超高光效OLED面板。如圖2，老牌公司Panasonic、Toshiba和新秀企業三菱旗下的Lumiotec均在2013年公開其自主研發的OLED照明產品， led服裝照明，日立也憑借自主涂布技術涉足OLED照明業務。Philips和BASF結成戰略聯盟，攜手開發透明OLED照明產品，目標鎖定高端車頂燈市場。此外LG化學也對外宣布，將在2015年前制造出300×300mm2尺寸的白光OLED面板，其規格為，亮度超過3000cd/m2，發光效率不低于135lm/W，壽命達到40000小時以上。2008年，清華大學合作組建的維信諾公司在昆山成功建成我國第一條OLED面板規模化生產線，實現小尺寸OLED產品的量產。擁有多項OLED專利的南京第壹有機光電公司于2012年成功制造出發光效率達73lm/W的內光提取白光IES-OLED照明器件，技術指標刷新世界紀錄并計劃在今年實現量產。各企業在加緊OLED技術革新和專利布局的同時，知名顯示面板廠商如Samsung、LG、友達、京東方、奇美、天馬等也都展開OLED面板的產業化戰略布局，力爭在這項顯示和照明新技術的產業化方面拔得頭籌。

本文在介紹白光有機電致發光器件的相關技術原理后，對近期照明用白光OLEDs的研究現狀進行綜述，從OLED材料的角度出發，分別對下面三種關鍵性技術進行闡述。

（1）低工作電壓技術：由于OLEDs的工作電壓和能耗直接成正比，因此必須通過降低OLED的工作電壓來實現“經濟型”發光；

（2）磷光OLED技術：采用磷光材料可以實現較高的內量子效率（電子-光子轉變率）；

（3）多光子發光（Multi-Photon Emission, MPE）技術：一般情況下，當發光亮度較高時，OLEDs在發光效率和壽命上都會大幅度降低，通過這種疊層式OLED多光子發光裝置可實現高亮度下的高光效和長壽命。

1 有機電致發光器件OLEDs的發光機理及其結構

1.1  有機電致發光器件的發光機理

     有機電致發光現象是指在有機半導體發光材料在電場作用下受激發并輻射出光的現象。圖3所示為OLEDs發光過程示意圖，在正向電壓驅動下，車間照明，其發光過程主要有如下五個步驟：

（1）載流子由電極注入（Injection）：載流子（空穴和電子）克服電極和有機材料之間因能級不匹配形成的界面勢壘后注入器件，過大的界面勢壘會阻礙載流子的注入，影響器件的工作電壓和電流密度；

（2）載流子的傳輸（Transport）：載流子在功能層中以跳躍的方式相向遷移或擴散并漸漸向發光層靠近。在跳躍的過程中，空穴或電子易被雜質或缺陷俘獲，電流密度受抑制；

（3）載流子的復合（Recombination）：空穴和電子在發光層相遇并復合，對于小分子OLED，該過程可直接輻射發光。對于高分子聚合物OLED，空穴與電子受庫侖力的作用相互俘獲形成暫穩態的空穴-電子對（激子）；

（4）激子的形成（Exciton formation）：根據量子自旋理論的計算結構，形成單線態激子和三線態激子的比例為1:3，即25%的單線態激子，75%的三線態激子；

（5）激子的擴散、復合并釋放光子（Photon liberation）：在濃度梯度的作用下，激子發生擴散。一部分激子經弛豫衰減后復合發光，單線態激子和三線態激子分別輻射出熒光和磷光。

1.2  有機電致發光器件的結構