有機發光二極管器件白光實現及其色坐標計算

王光華，張 杰，高思博，段良飛，武艷鳴，周 芳，尹 莉，段登輝，王麗瓊，季華夏

有機發光二極管器件白光實現及其色坐標計算

王光華1,2，張 杰1，高思博1，段良飛1，武艷鳴1,2，周 芳1，尹 莉1，段登輝1，王麗瓊1，季華夏1

（1. 云南北方奧雷德光電科技股份有限公司，云南 昆明 650223；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 65022）

白光有機發光二極管可以作為照明、全彩色顯示器的光源，成為顯示領域研發的重點方向。但白光有機發光二極管的實現還存在性能控制較難，色坐標易漂移等問題。本文通過有機發光二極管器件白光實現及其色坐標計算，初步獲得實現白光OLED器件紅、綠、藍三基色的優化比，通過實驗驗證制備了色坐標為(0.31，0.35)的白光OLED器件，進一步通過理論計算和實驗優化，減少紅光摻雜濃度和增加綠光摻雜比例，實現接近標準白光(0.33，0.33)的有機發光二極管器件制備。

有機發光器件；白光；色坐標計算；器件制備

0 引言

有機發光二極管OLED（organic light-emitting diode）具有自發光、厚度薄、響應時間快、可作為柔性顯示等優異特性，被公認為最具發展潛力的固體照明和顯示器件[1-2]。白光有機發光二極管WOLED（white organic light-emitting diode）既可作為平面照明光源，又可與彩色過濾層結合實現全彩色顯示，具有廣闊的應用前景[3-4]。目前，有機發光二極管通常采用紅、綠、藍共摻雜的單發光層結構，紅、綠、藍分別摻雜的多發光層結構和通過下轉換方式的光致發光結構實現白光發射[5-6]。其中，共摻雜單發光層結構的白光OLED器件易于設計與制造，但器件光電性能較依賴于高性能有機材料，而且器件效率較低。通過下轉換實現白光顯示的發光結構，器件光電性能嚴重依賴藍光材料光電特性，同時器件壽命較低。多發光層的疊層OLED結構器件驅動電壓較高[7-9]，器件色坐標會隨著驅動電壓發生漂移，影響了器件實際應用。為了獲得性能穩定、高效的白光OLED器件，通過摻雜以多種顏色混合實現標準白光OLED器件制備，主要方法是利用互補色藍色和黃色、紅色和青色或紅、綠、藍三基色混合等得到白光[10-13]。為了提高試驗效率，準確找到實現白光的紅、綠、藍三基色的優化比，實現對有機發光二極管器件白光色坐標計算，將有助于為白光(0.33, 0.33) OLED器件的制備及其摻雜濃度準確控制提供理論依據。

1 獲得白光所需要的三基色亮度比值計算

有機發光實現白色顯示的方法主要有以下幾種：由紅、綠、藍混合實現，顏色匹配可用方程：(C)=(X)＋(Y)＋(Z)來計算。其中，(C)為白色單位；(X)、(Y)、(Z)為紅、綠、藍單位；為白色數量；、、為紅、綠、藍數量。

白光三刺激值計算：

＝1＋2＋3

＝1＋2＋3(1)

＝1＋2＋3

式中：1、2、3為紅色三刺激值；Y、2、3為綠色三刺激值；1、2、3為藍色三刺激值。1、1、1為紅基色坐標；2、2、2為綠基色坐標；3、3、3為藍基色色坐標；1、2、3為紅、綠、藍三基色亮度，白光的三刺激值可用公式(2)計算：

將公式(2)式代入公式(1)可得：

色坐標為：

由于＋＋＝1，因此通常用(,)來表示色坐標。標準白光的色坐標為(0.33, 0.33)。

將(3)式代入(4)式得：

通過式(5)可以計算得到OLED器件紅、綠、藍、三基色亮度之間的比例，可根據比例調整三基色的發光強度。另外通過式(5)計算得到理論三基色亮度之間的比值，但由于發光層產生的光要經過電子注入層、電子傳輸層、密封層，最后從陰極射出，不同材料對不同波長的光吸收情況不同，所以如果按照(5)式計算得到的三基色亮度比例進行摻雜時色坐標可能存在偏離。

2 光譜色品坐標計算

要計算顏色的色品坐標，需要先求得顏色的三刺激值，公式為：

式中：積分范圍380～780nm。在計算中應用了求和近似積分的處理方法，式(6)化為：

式中：()稱為顏色刺激函數。因為OLED器件是自發光體，()為OLED器件是自發光體輻射的相對光譜功能分布：

()＝() (8)

圖1 1931CIE標準色度觀察者光譜三刺激值

由式(8)計算出OLED器件三刺激值后，由式(9)計算出色品坐標值：

圖2和圖3為在20mA/cm2電流密度下，測試得到的OLED器件光譜輻射值和歸一化電致發光譜。將測試得到相對光譜功率值代入上述公式，可計算得到OLED色坐標值。其理論計算和實驗測試結果如表1所示。從試驗情況來看，理論計算得到的色坐標與實驗測試結果相吻合。

3 實現白光(0.33, 0.33)所需三基色發光比例分析

試驗根據公式(1)～(5)計算了三基色混合形成白光(0.33, 0.33)所需亮度比例，計算得到紅光、綠光、藍光所需亮度比例分別為28.8%，56.8%，15.4%，即綠光＋藍光占白光亮度的72.2%。為了進一步驗證計算結果，實驗分別制備了在藍光主體中摻雜綠光客體材料（Y-1#）、在藍光主體中摻雜紅光客體材料（Y-2#）以及在藍光主體中摻雜紅光和綠光客體材料的3個OLED器件。圖2、圖3和圖4分別為3個器件的光譜輻射值、歸一化電致發光光譜和色品坐標計算結果。由于亮度與發光強度成正比，實驗對制備得到白光OLED器件綠光＋藍光和紅光部分歸一化電致發光光譜分別進行了積分計算，計算得到了綠光＋藍光和紅光部分歸一化電致發光光譜面積為80.95平方和35.31平方，整個白光光譜的積分面積為116.26平方，其中綠光＋藍光部分占整個發光面積的比例為69.63%，紅光部分占30.37%。其詳細實驗結果如表2和圖5和圖6所示。

表1 光譜色品坐標計算結果

從試驗結果可以看出，制備得到的白光器件色坐標為(0.31, 0.35)，還稍微偏離白光色坐標等能點(0.33, 0.33)。之所以有偏離現象產生，這是因為三基色發光強度比例偏離理論計算值，藍光＋綠光比例為69.63%，小于理論計算值的71.2%，而紅光比例30.37%，大于理論計算所需28.8%，即器件色坐標表現為藍光＋綠光亮度不夠，而紅光亮度較大，這是導致色坐標有偏離的本質原因。實驗中通過進一步減少紅光摻雜濃度或進一步增加綠光摻雜比例，可以有效改善發光強度之間配比關系，實現接近白光(0.33, 0.33)的白光OLED器件制備。

圖2 OLED器件光譜輻射值

圖3 OLED器件歸一化EL光譜

圖4 OLED器件色品坐標計算結果

表2 三基色發光強度比例計算

圖5 白光OLED器件EL光譜

圖6 白光OLED器件色坐標計算值

4 結論

實驗通過三基色亮度比值計算，得到白光OLED器件紅、綠、藍三基色亮度之間的理論比例，并與光譜色品坐標計算得到的色坐標與實驗測試結果相吻合。根據計算得到的三基色混合形成白光所需比例，計算得到紅光、綠光、藍光所需亮度比例分別為28.8%、56.8%、15.4%。依據理論計算結果，實驗制備了白光OLED器件，色坐標為(0.31,0.35)，還稍微偏離白光等能點(0.33,0.33)。理論計算與實驗結果的偏離，主要是由于發光層產生的光要經過電子注入層、電子傳輸層、密封層，最后從陰極射出，不同材料對不同波長的光其吸收情況不同。同時，計算得到三基色發光強度比例偏離理論計算值，藍光＋綠光比例為69.63%，小于理論計算值的71.2%，而紅光比例30.37%，大于理論計算值的28.8%。實驗可以通過進一步減少紅光摻雜濃度或進一步增加綠光摻雜比例，改善發光強度之間配比關系，實現接近色坐標為(0.33,0.33)的白光OLED器件制備。

[1] 王旭鵬, 密保秀, 高志強, 等. 白光有機發光器件的研究進展[J]. 物理學報, 2011, 60(8): 843-857．

WANG Xupeng, MI Baoxiu, GAO Zhiqiang, et al. Progress of white organic light-emitting device[J]., 2011, 60(8): 843-857.

[2] 劉佰全, 高棟雨, 王劍斌, 等. 白光有機發光二極管的研究進展[J]. 物理化學學報, 2015, 31(10): 1823-1852．

LIU Baiquan, GAO Dongyu, WANG Jianbin, et al. Progress of white organic light-emitting diodes[J]., 2015, 31(10): 1823-1852．

[3] 王光華, 季華夏, 張筱丹, 等. 陰極耦合層對頂發射白光OLED器件光電性能的影響[J]. 液晶與顯示, 2015, 30(3): 437-443.

WANG Guanghua, JI Huaxia, ZHANG Xiaodan, et al. Effect of outcouping layers on optical and electrical properties of top-emitting organic white light emitting devices[J]., 2015, 30(3): 437-443.

[4] ZHANG Xiaowen, MO Bingjie, LIU Liming, et al. Highly efficient bilayer-structure yellow-green OLED with MADN hole-transport layer and the impedance spectroscopy analysis[J]., 2015, 35(12): 3296-3299.

[5] LIU Yu, Masayoshi Nishiura. π-conjugated aromatic enynes as a single-emitting component for white electroluminescence[J].., 2006, 17(128): 5592-5593.

[6] Jou Jwohuei, WANG Chunjan, LIN Yupu. Color-stable efficient fluorescent pure-white organic light-emitting diodes with device architecture preventing excessive exciton formation on guest[J]., 2008, 92: 223504.

[7] WANG Yu, HUA Yulin, WU Xiaoming. High-efficiency fluorescent white organic light-emitting device with double emissive layers[J]., 2008, 9(2): 273-278.

[8] ZHANG Zhiqiang, WANG Qi, DAI Yanfeng. High efficiency fluorescent white organic light-emitting diodes with red, green and blue separately monochromatic emission layers[J]., 2009, 10(3): 491-495.

[9] Jonghee Lee, Joo-Won Lee, Nam Sung Cho, et al. Highly efficient all phosphorescent white organic light-emitting diodes for solid state lighting applications[J]., 2014(14): 84-87.

[10] 馬穎, 韓薇, 張方輝, 等. 發光層混合摻雜的白光OLED器件[J]. 液晶與顯示, 2011, 26(1): 40-43.

MA Ying, HAN Wei, ZHANG Fanghui, et al. White organic light -emitting diodes based on mixed doping emitting layer[J]., 2011, 26(1): 40-43.

[11] CHANG Chihhao, CHENG Hsingchieh, LU Yinjui. Enhancing color gamut of white OLED displays by using microcavity green pixels[J]., 2010, 11(2): 247-254.

[12] JOU Jwohuei, CHOU Yichieh, SHEN Shiming. High-efficiency very -high color rendering white organic light-emitting diode with a high triplet interlayer[J]., 2011, 21(46): 18523-18526.

[13] WANG Guanghua, ZHAO Huiqiong, DENG Rongbin, et al. Research on the preparation and chromaticity coordinates shift mechanism of organic white light top-emitting devices[J]., 2016, 36(11): 3758-376.

White Light Realization and Color Coordinate Calculation of OLED Devices

WANG Guanghua1,2，ZHANG Jie1，GAO Sibo1，DUAN Liangfei1，WU Yanming1,2，ZHOU Fang1，YIN LI1，DUAN Denghui1，WANG Liqiong1，JI Huaxia1

(1. Yunnan Olightek Opto-electronic Technology Co., Ltd., Kunming 650223, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

White-light OLED devices can be used as a surface light source and for full color displays, which have become the focus of OLED research and development. However, there are some shortcomings in the realization of white-light OLED devices, such as insufficient luminous performance, difficult process control, and easy color drift. To solve these problems, the optimized ratios of primary colors(red, green, and blue) of organic OLED devices were preliminarily obtained through the realization of white light and calculation of the color coordinate. An experimental white-light OLED device was prepared with a color coordinate of (0.31, 0.35). Further, theoretical calculations and experimental optimizations were carried out to reduce the red-light doping concentration and increase the green-light doping ratio to realize standard white-light (0.33, 0.33) OLED devices.

OLED, white light, coordinate calculation, device preparation

TN312.8

A

1001-8891(2020)10-0958-05

2019-05-29；

2019-07-22.

王光華（1984-），男，博士研究生，主要從事有機光電材料與器件研究，E-mail：wangguanghua@oleid.com。

云南省“新型硅基OLED微型顯示技術開發”創新團隊項目、云南省應用基礎研究面上項目（2016FB112）、國家自然科學基金（61604064）項目、云南省技術創新人才培養項目（2017HB111）、云南省“萬人計劃”產業技術領軍人才培養項目等資助。