照明用白光OLEDs的研究進(jìn)展

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2014-12-19

瀏覽次數(shù):次

 有機(jī)電致發(fā)光器件（Organic Light-Emitting Devices, oleds）具有超薄、輕便、發(fā)光效率高、驅(qū)動電壓低、響應(yīng)速度快、色彩豐富、可視角寬等優(yōu)點，在顯示和照明領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，近年來在全球范圍內(nèi)掀起了巨大的研究熱潮。1987年，美國柯達(dá)公司的華裔科學(xué)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(qū)動高效綠光OLED，開啟了實用性O(shè)LED研究的先河。1993年，日本山行大學(xué)的城戶教授（Prof. Junji Kido）等人研制出首個白光有機(jī)電致發(fā)光器件。當(dāng)時報道的白光OLEDs發(fā)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(jī)發(fā)光器件的研究取得了巨大進(jìn)展，有可能繼火、白熾燈、發(fā)光二極管LED之后，成為下一代革命性的發(fā)光技術(shù)而應(yīng)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(fā)光效率可達(dá)70lm/W，使用壽命在10000小時以上。鑒于現(xiàn)有的狀況，下一代照明光源必須具備更高的亮度和發(fā)光效率、更長的壽命、更逼真的物色還原力和更安全環(huán)保的性能。就OLEDs而言，將發(fā)射不同顏色的發(fā)光材料進(jìn)行混合，能夠產(chǎn)生具有高顯色指數(shù)和適宜色溫的白光。從環(huán)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(tǒng)光源中很大一部分能量都變?yōu)闊崮埽�如白熾燈發(fā)光時，其表面溫度可達(dá)到90℃，熒光燈為60℃，存在火災(zāi)隱患，這就要求新型光源必須具備較高的能量轉(zhuǎn)換效率和較低的工作電壓以維持其表面的常溫狀態(tài)。被稱為“綠色冷光源”的OLEDs可以保持30℃左右的表面溫度，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)光源。不僅如此，OLEDs的獨特之處還在于能夠?qū)崿F(xiàn)新奇的照明方式，如柔性透明面板照明和發(fā)光墻紙等，可以在諸多領(lǐng)域如展覽演出、家居裝飾、汽車內(nèi)飾、景觀布置等方面得到應(yīng)用。

獨具優(yōu)勢的OLEDs注定要在人工照明領(lǐng)域大放異彩，許多國家和企業(yè)已重點關(guān)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(tài)照明計劃（SSL）”以國家力量推動OLED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展；歐盟“彩虹計劃”和“OLED 100.eu計劃”優(yōu)先促進(jìn)OLED照明的發(fā)展；韓國政府的“用于有效照明解決方案的新型發(fā)光二極管”計劃（NoveLELS），我國內(nèi)地的“國家半導(dǎo)體照明工程”和臺灣地區(qū)的“新世紀(jì)照明光源開發(fā)計劃”等均大力支持高效節(jié)能燈具的開發(fā)，有助于推進(jìn)OLEDs在照明領(lǐng)域的快速發(fā)展。

企業(yè)方面，產(chǎn)業(yè)資訊，西門子旗下的Osram早在2011年就宣布開發(fā)出照明效率達(dá)87lm/W的OLED技術(shù)。2012年，Panasonic和Toshiba的研究人員獨立制造出亮度為1000cd/m2，發(fā)光效率達(dá)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(shù)材料的光耦合襯底，實現(xiàn)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(yè)三菱旗下的Lumiotec均在2013年公開其自主研發(fā)的OLED照明產(chǎn)品， led服裝照明，日立也憑借自主涂布技術(shù)涉足OLED照明業(yè)務(wù)。Philips和BASF結(jié)成戰(zhàn)略聯(lián)盟，攜手開發(fā)透明OLED照明產(chǎn)品，目標(biāo)鎖定高端車頂燈市場。此外LG化學(xué)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(guī)格為，亮度超過3000cd/m2，發(fā)光效率不低于135lm/W，壽命達(dá)到40000小時以上。2008年，清華大學(xué)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(guī)模化生產(chǎn)線，實現(xiàn)小尺寸OLED產(chǎn)品的量產(chǎn)。擁有多項OLED專利的南京第壹有機(jī)光電公司于2012年成功制造出發(fā)光效率達(dá)73lm/W的內(nèi)光提取白光IES-OLED照明器件，技術(shù)指標(biāo)刷新世界紀(jì)錄并計劃在今年實現(xiàn)量產(chǎn)。各企業(yè)在加緊OLED技術(shù)革新和專利布局的同時，知名顯示面板廠商如Samsung、LG、友達(dá)、京東方、奇美、天馬等也都展開OLED面板的產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略布局，力爭在這項顯示和照明新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化方面拔得頭籌。

本文在介紹白光有機(jī)電致發(fā)光器件的相關(guān)技術(shù)原理后，對近期照明用白光OLEDs的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，從OLED材料的角度出發(fā)，分別對下面三種關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行闡述。

（1）低工作電壓技術(shù)：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(xiàn)“經(jīng)濟(jì)型”發(fā)光；

（2）磷光OLED技術(shù)：采用磷光材料可以實現(xiàn)較高的內(nèi)量子效率（電子-光子轉(zhuǎn)變率）；

（3）多光子發(fā)光（Multi-Photon Emission, MPE）技術(shù)：一般情況下，當(dāng)發(fā)光亮度較高時，OLEDs在發(fā)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(fā)光裝置可實現(xiàn)高亮度下的高光效和長壽命。

1 有機(jī)電致發(fā)光器件OLEDs的發(fā)光機(jī)理及其結(jié)構(gòu)

1.1  有機(jī)電致發(fā)光器件的發(fā)光機(jī)理

     有機(jī)電致發(fā)光現(xiàn)象是指在有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光材料在電場作用下受激發(fā)并輻射出光的現(xiàn)象。圖3所示為OLEDs發(fā)光過程示意圖，在正向電壓驅(qū)動下，車間照明，其發(fā)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(jī)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(kuò)散并漸漸向發(fā)光層靠近。在跳躍的過程中，空穴或電子易被雜質(zhì)或缺陷俘獲，電流密度受抑制；

（3）載流子的復(fù)合（Recombination）：空穴和電子在發(fā)光層相遇并復(fù)合，對于小分子OLED，該過程可直接輻射發(fā)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(wěn)態(tài)的空穴-電子對（激子）；

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

（5）激子的擴(kuò)散、復(fù)合并釋放光子（Photon liberation）：在濃度梯度的作用下，激子發(fā)生擴(kuò)散。一部分激子經(jīng)弛豫衰減后復(fù)合發(fā)光，單線態(tài)激子和三線態(tài)激子分別輻射出熒光和磷光。

1.2  有機(jī)電致發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)