一種高色溫白光OLED及其顏色新特性研究

鐘 浩，朱騰飛

(杭州市質量技術監督檢測院，浙江杭州 310019)

引言

20世紀80年代，鄧青云等[1]發明了有機發光二極管(OLED)。進入21世紀以來，OLED已經逐步應用于各種用途的設備。目前，多款OLED照明產品已量產。OLED照明具有尺寸輕薄、柔性等許多優點，但是也存在一定的技術短板[2-4]，如目前研究及量產的照明用OLED相關色溫都低于4 000 K，還沒有相關色溫5 000～6 500 K的高色溫白光OLED照明產品，也未見高色溫白光OLED的研究試驗報道。主要原因是，與相關色溫4 000 K以下白光OLED相比，制備高色溫白光OLED的發光材料匹配難度更大[2]，難以尋找合適匹配的主客體材料的組合保證良好的白光輸出。在日常生活中，高色溫白光OLED光源需求很普遍，家居照明尤為突出。因此，本文研究的意義在于及早開發穩定可靠的高色溫白光OLED照明產品，探索其新穎特性，滿足家居照明的新需求，提升照明品質[5-7]。

1 光電特性測試裝置及步驟

本文所研究的OLED樣品采用以下技術路線制備：選取兩種不同能態的激基復合物，形成雙主體發光材料，通過直流電場驅動雙主體材料，分別對應激發出藍光、紅光兩個波段并混合成白光。以此技術路線制備了一組相關色溫6 000 K左右的白光OLED，樣品數量4只，樣品尺寸為50 mm× 50 mm×3 mm，如圖1所示。

圖1 色溫6 000 K的白光OLEDFig.1 White OLED sample with CCT of 6 000 K

測試白光OLED的光色電特性設備主要包括：杭州遠方光電的精密數顯直流電源(型號為WY12010)、高精度快速光譜輻射計(型號為HAAS-2000)、小積分球(直徑為30 cm)、光譜測量分析軟件為主體的一套OLED光電色測試系統，如圖2所示。

圖2 OLED光電色測試系統Fig.2 OLED photoelectric test system

分別對4只白光OLED樣品進行測試，先將1#樣品放置在小積分球的測試工位上，然后逐步提高精密數顯直流穩流穩壓電源的電壓值，當電壓值達到3.77 V時，OLED開始點亮，穩定后測試樣品的相關色溫、顯色指數、光譜、電壓等光電參數并記錄。再將電壓依次調高至4.0 V、4.5 V、5.0 V、5.6 V、6.0 V、6.2 V、6.4 V、6.6 V、6.8 V、7.0 V，記錄光電參數測試結果，得到各組數據(相關色溫、顯色指數、光譜、工作電流)。然后再以相同實驗條件、相同實驗步驟對2#、3#、4#樣品分別進行測試，得到各組數據。

2 測試結果分析

2.1 OLED電學特性

對1#、2#、3#、4#白光OLED測試得到的電壓、工作電流數據進行分析，如圖3所示。圖3可知，驅動電壓為3.77 V時，OLED開始點亮，此時的工作電流為0.01 A左右。隨著驅動電壓的升高，工作電流逐步升高。當驅動電壓為7.0 V時，OLED樣品的工作電流分別達到0.076 7 A、0.076 2 A、0.076 6 A、0.076 9 A，所測4只OLED樣品的電參數接近，電流變化規律較為統一。

圖3 工作電流與驅動電壓的關系Fig.3 Relationship of current and driving voltage

2.2 OLED相關色溫分析

4只白光OLED相關色溫數據及驅動電壓關系如圖4所示。圖4可知，驅動電壓為3.77 V時，OLED開始點亮，1#、2#、3#、4#樣品相關色溫為3 700 K、3 532 K、3 676 K、3 593 K。隨著驅動電壓升高，相關色溫均大幅增加，驅動電壓5 V時，相關色溫分別為5 013 K、4 911 K、5 084 K、5 040 K；當驅動電壓為7.0 V時，樣品的相關色溫分別為5 931 K、6 144 K、6 040 K、6 209 K，達到6 000 K左右，是照明白光典型的高色溫目標值。比較所測4只OLED樣品的相關色溫規律，具有一致性。值得注意的是，OLED相關色溫變化情況明顯不同于LED光源，一般LED相關色溫隨驅動電壓變化始終處于某一目標數值區間，變化幅度較小，而本文中OLED樣品相關色溫隨著驅動電壓增加變化極大，如2#樣品從3 532 K增加到6 144 K，增幅超過2 600 K，直接觀察到樣品從暖白光漸變到中性白光、最后變到冷白光，顏色變化程度十分顯著。

圖4 相關色溫與驅動電壓的關系Fig.4 Relationship of CCT and driving voltage

2.3 OLED相關色溫變化原理

基于光譜功率分布數據，進一步討論OLED的相關色溫變化特性及原理。圖5所示為2#樣品在相關色溫4 000 K、4 500 K、5 000 K、5 500 K、6 000 K時的光譜功率分布曲線。圖5中呈現兩個現象：①OLED光譜功率分布曲線包含兩個峰值且一直存在，峰值波長分別是464 nm和575 nm，對應藍光部分和紅光部分；②隨著相關色溫的增加，藍光部分與紅光部分光譜功率分布峰值的比分別為0.8∶1、1∶1、1.125∶1、1.229∶1、1.375∶1，比值不斷增大。以上兩點表明，OLED相關色溫的升高是以電壓驅動提高藍光部分光譜功率分布比重的方式實現的。產生這種特性的原因是，制備OLED的兩種主體發光材料對電場驅動響應程度不一致，其中激發藍光的激基復合物主體材料受電場驅動更為靈敏，光輸出效率更高，隨著驅動電壓增加，能夠比激發紅光的主體材料輸出更多光能量。基于此現象與原理，本文認為該白光OLED的相關色溫具有電學可調性，且調控幅度大，達到2 600 K以上。而這種新穎的色溫調控方式在照明領域具有重要潛在價值，可以充分應用在照明產品中對光源顏色進行大幅、連續調制切換。

圖5 在不同相關色溫OLED光譜功率分布曲線Fig.5 The spectra of OLED with different CCT

2.4 OLED顯色指數分析

顯色指數定義是與標準的參考光源相比較，一個光源對物體顏色外貌所產生的效果，主要反映光源在顯示顏色逼真性方面的優劣。對1#、2#、3#、4#OLED樣品的顯色指數Ra數據進行分析，如圖6所示。在驅動電壓為3.77 V時，OLED樣品開始點亮，此時4個樣品的顯色指數Ra分別為61.3、58.9、61.3、60.4。隨著驅動電壓的升高，呈遞增趨勢，剛開始變化比較大，當驅動電壓超過6 V，顯色指數的變化很小，趨于平穩。最后，4只OLED樣品的顯色指數Ra分別69.9、69.9、70.0、69.6，達到70左右。GB/T 24907—2010《道路照明用LED燈性能要求》規定道路照明用LED顯色指數Ra≥70，據此可知該高色溫OLED樣品的Ra已初步滿足國內部分照明產品標準要求，OLED顯色性發展規律同LED的類似。隨著OLED技術研究的深入，OLED顯示指數可以進一步提升。

圖6 顯色指數與驅動電壓的關系Fig.6 The relationship of color rendering index and driving voltage

3 結論

本文對新型高色溫白光OLED進行了測試分析，得到其光、色、電參數，結果表明該OLED具有高色溫白光、相關色溫電學可調、調制幅度大等一系列新特性，本文分析了OLED相關色溫隨電壓顯著變化的原因。該新型白光OLED顏色特性新穎，具有應用于照明的優勢及可行性。