OLED白光照明及其關鍵技術探析

吳清洋

摘 要：近幾年來，我國有機電致發光器件（OLED）得到迅速發展，并成為新一代的高效固態光源，通過利用新型材料設計以及不斷優化和改進器件結構，使得OLED的能量利用效率遠遠超過傳統的光源器件。本文通過分析目前OLED制造過程中面臨的主要技術問題，以及對當前在照明領域方面OLED的關鍵技術進行闡述，希望能給相關工作人員提供幫助。

關鍵詞：OLED；照明；器件；技術；

根據有關數據調查顯示，全球每年大約有20%的發電量用于照明領域，目前最常用的傳統光源為白熾燈和熒光管，但這兩種的能源利用率都比較低，白熾燈發光效率為20瓦特，熒光管的效率為50瓦特左右，為了能夠節約能源，提高光源利用率，有必要開發出新型的白光光源。有機電致發光器件是利用新型的發光材料，其類型有兩種，分別是小分子和高分子發光器件。從20世紀中期開始直到1987年，國外開始制作出一些高效率和低驅動電壓的發光元件，后來英國劍橋大學在后期研發出PLED元件，OLED產品的相關性研究和市場實際應用，使得人們進入了高速發展的白光光源時代。相比液晶顯示器來說，目前OLED的結構較為簡單，其次具有自行發光、低能量消耗、高應答速度等特點，使其可以廣泛用于各類手提式顯示屏以及白光照明中，具有廣泛的市場前景。OLED顯示技術是當前產業發展規模比較大的一種新型技術，目前主要應用與中小尺寸屏幕顯示技術中，該技術相比白光照明技術來說發展更早，技術更加成熟。正是由于OLED顯示產業的高速發展，為OLED照明上下游產業鏈的發展奠定了基礎。隨著OLED綜合性能的不斷提高，OLED照明技術也將快速發展。

一、OLED白光照明技術的優勢

LED是大家比較熟悉的一種固態照明，而新型研發出來的OLED同樣也屬于固態照明之一，具有低耗電量和高速反應速度，小體積和發熱量低等特點，容易被開發成輕薄短小的產品，在耐震和減震方面有明顯的優勢。這兩種光源相比白熾燈來說是比較環保的，因此都被稱為是現代綠色光源。除此之外，OLED照明還具有一些自身特有的優勢。首先OLED是一種自發光面光源，與LED不同的是它不需要通過額外的導光系統來獲取較大面積的光源范圍，散熱表現也較好，不須額外加裝散熱元件增高燈具成本。其次現代技術研發的一些有機發光材料的復雜性，可以給OLED照明提供多種設計，滿足用戶對于不同光源顏色的需求，小分子OLED也同樣包含了白光在內的所有顏色。此外OLED在設計光源時比較自由，可以在多種襯底材料，不僅可以在玻璃等剛性襯底上制備，還可以在塑料等柔性襯底材料上進行設計制作，采用柔性基板制備的OLED光源，可以融合現代人對美觀的設計，更為照明設計者開創了無限的想象。為了能夠滿足不同客戶對于燈光氛圍的調節，OLED照明系統可以被用作可控色來滿足用戶需求，而這些器件整體的工作電流、電壓在可控制的范圍內，電壓比較低，便于控制，提高了使用安全性。另外OLED作為面光源被國外科學界認定為最接近自然光的光源，它沒有紫外線和藍光的傷害，使人們可以安全使用，即使長期接觸也不會對視力和皮膚造成傷害。對于白光OLED，最終是想獲得低生產成本、高能源利用效率、較長使用壽命以及綠色環保的白光光源，在過去數十年的研究過程中，雖然白光OLED在使用效率和壽命方面取得了不錯的成績，但距離實現商品化以及廣泛應用于社會各領域方面還有待改進。

二、OLED白光照明技術發展所面臨的困境

OLED是一種新型的白光照明方式，作為一種清潔高效的綠色光源，將逐漸取代傳統的白熾燈、日光燈等照明光源，要想真正實現廣泛應用，需要在發光性能和制造設計方面不斷優化和改進，具體來說，目前在以下四方面還面臨著一些問題。

首先從發光效率上來說，雖然采用磷光材料可以使白光器件的內量子效率達到100%，并且功率效率達到熒光燈的水平，但是有機材料本身具有很高的折射率，且光學限制及內反射等因素造成光子無法經基底正常出射，使得器件的外量子效率僅能達到20%左右，因此，提高OLED外量子效率就顯得十分重要。根據光學分析，可以將OLED的發光層產生的光子分為以下三種模式：外部模式是由發光層產生的光子通過玻璃層射到外部；基體波導模式是由光子在玻璃和空氣界面發生全反射鏡被玻璃基體限制在內的一種模式；ITO/有機物波導模式是由光子在ITO和玻璃基體界面發生全反射鏡而被有機層和ITO層限制的一種模式。我們采用射線光學對其進行計算發現，傳統結構下的OLED內部所產生的光子只有1/5才能被射到期間外部，而基體波導模式和有機物波導模式分別占30%和45%，即便如此，也有將近80%的光子被期間內部所吸收或通過某種形式發生能源損失，而不能被有效地射出到外部。因此，要想提高OLED的光出射效率，就需要提高外部模式所占的比例，使得基體波導或者有機物波導模式能夠盡可能轉化為外部模式，從而使產生的光子更多射到器件外部，對于光出射技術可以具體分為以下幾類：首先可以將玻璃基體的背側改變成波紋狀或者隨機表面的形狀，或者將散射介質分散在與玻璃基體折射率相近的材料中，在基體背側覆蓋材料，便可以成功轉換為外部模式；此外可以使用高折射率的基體界面全反射，并將有機物波導模式轉換為外部模式；最后可以采用二維光子晶體和微腔的方式將這兩種波導模式轉換成外部模式。

從使用壽命來說，照明光源與便捷式屏幕器件存在較大的差距，目前普遍OLED的使用壽命超過5000小時，這對于便捷式顯示屏幕來說是足夠用的，但從照明方面來看需要在此基礎上提高器件的使用壽命，至少需提高五倍左右。影響照明光源壽命的因素主要是制作材料的性質、發光效率以及封裝材料等。不同的發光材料對于白光質量的影響是不同的，它們會間接影響光源器件的使用壽命。隨著科學技術的發展，人們已開發出許多有機發光材料，而且在技術的推動下使其在發光效率和穩定性方面得以提高。在亮度要求一致的前提下，OLED發光效率越低，所需要的電壓越大，但是這種高電壓同樣會使得發光材料發生質變，最終使得照明光源發生故障。此外，從化學角度來看，有機材料很容易與氧氣發生氧化還原反應，進而會在光源面板上生成暗斑，并導致其壽命縮短，因此，OLED在封裝過程中需要隔絕這些水和氧氣。通常采用的方法是將干燥的蓋板玻璃進行封裝或者直接在OLED的陰極薄膜上附有一層鍍膜來隔絕氧氣和空氣中的水分子。為了能夠顯著提高其使用壽命，需要發明新型材料來改善目前OLED的光源穩定性，同時還需要提高封裝質量。

從顯色質量上來看，影響光源性能的主要指標是顏色和顯色性，由于不同的有機發光材料所產生的光源顯色質量是有差別的，為了能夠獲得高質量的光源，可以采用以下三種方法：一、在采用單一的發光材料時，雖然這種方法制作的器件結構較為簡單，但要求該發光材料具備較寬的光譜范圍，能夠覆蓋全部的可見光；二、可以采用不同發光顏色的有機材料進行混合摻雜制作新興的發光材料，該方法面臨的問題是主體材料向各種摻雜物進行能量轉移的效力不同，此外各種摻雜物在能量轉移方面也存在差異，這種情況會導致光源色彩的不平衡，摻雜的光源材料比例變化也會從一定程度上影響白光質量；最后采用三層的發光結構可以將這些不同的三種顏色分別摻與三層，為了能夠獲取平衡的色彩比例，每層的厚度和組成必須進行精確控制，而這種方式是比較復雜的。目前OLED白光器件在顯色質量方面主要是由于不同的發光材料其使用壽命不同，且隨著時間的推移，在照明性能方面會逐漸降低，為了能夠解決這些問題，需要將顯色性和顏色在使用過程中控制在穩定的范圍內。

在制作大面積的OLED照明面板中面臨著一以下兩個問題：首先OLED是在低電壓和高電流的環境下進行工作的，而傳統的OLED采用的是ITO透明電極，該電極整體的導電性能差，在對大面積區域進行輸電過程中缺乏大電流的傳輸能力，且會形成較大的電壓降，進而導致發光不均勻；其次OLED中的薄膜厚度在幾百納米范圍內，因此在制作過程中需要借助導電性粒子，而且薄膜的粗糙程度也會從一定程度上導致OLED電極短路，會發生小電流通過發光區域，進而使該區域的效率降低，雖然很難完全避免OLED使用過程中的短路現象，但在制作過程中一個微小的發光點就會使整個照明面板發生故障。此外由于較大的發光區域，電流所穿過的路徑是比較長的，在電極上形成的電壓降較大，施加在有機發光層上的有效電壓就會相應變小，進而導致發光亮度普遍降低使得照明面板上的發光亮度不均勻。

三、對OLED照明及其關鍵技術的思考

OLED是一種新型的固態光源，在照明和便捷式手提顯示屏方面具有良好的應用前景。目前，研究人員從材料創新、器件結構優化以及生產工藝改良等多方面進行聯合攻關，正朝著實現大面積、高效率、長壽命的綠色照明不斷努力。我國有關部門也在大量投入人力和財力，不斷提高OLED的能源利用效率和使用壽命，比如清華大學研發出了非摻雜體系的紅色熒光作為主體材料，該材料在1000cd/m2以上的初始亮度條件下，可以延長使用壽命，此外，中科院將磷光材料進行優化融合了綠紅藍光銥配合物，使其發光效率達到世界先進水平。

小結

OLED目前正處于產業化高速發展的過程中，為了能夠提高產品的使用壽命和實現高能源利用效率，需要加大研發力度，借鑒國外比如SONY公司，Samsung等企業的先進科學技術，抓住時代發展機遇，使OLED技術得到快速穩定發展。

參考文獻：

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遼寧省博士啟動基金（201501115）和遼寧省交通高等專科學校優秀人才成長支持計劃項目（2015lnccrcky05）資助的課題.