OLED照明技術(shù)研究進展綜述

項興焜

（海南熱帶海洋學(xué)院海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南三亞，572022）

0 引言

近年來，OLED技術(shù)作為新型顯示技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于手機、電腦等屏幕顯示。同時，它在照明領(lǐng)域也有不錯的發(fā)展前景，是次世代最有前途的顯示和照明產(chǎn)品之一。

為了向OLED照明技術(shù)研究工作者更好地提供參考，文章主要對目前已展開的OLED照明技術(shù)研究進展進行綜迷。首先介紹了OLED技術(shù)原理結(jié)構(gòu)，然后進一步介紹OLED照明技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，簡要了解目前OLED照明技術(shù)研究中存在的問題與難點，并對其未來發(fā)展進行展望，期望能為OLED照明技術(shù)研究發(fā)展貢獻綿薄之力。

1 OLED結(jié)構(gòu)原理

OLED又稱為有機發(fā)光半導(dǎo)體，是一種電流型的有機發(fā)光器件。OLED的結(jié)構(gòu)根據(jù)發(fā)光顏色可分為單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)、三層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)。從驅(qū)動方式上分類，可分為有源驅(qū)動和無源驅(qū)動。而從材料上看，可分類為小分子基和高分子基。其結(jié)構(gòu)主要由陰極、陽極、基板、電子注入層、電子傳輸層、發(fā)光層空穴傳輸層、空穴注入層、電子阻擋層及空穴阻擋層構(gòu)成。當(dāng)外加驅(qū)動電壓驅(qū)動時，來自陽極的空穴和陰極的電子會向中間的發(fā)光層注入，電子和空穴分別被電子傳輸層和空穴傳輸層傳輸?shù)桨l(fā)光層處，電子和空穴相遇后會產(chǎn)生能量激子，能量激子會將發(fā)光層中的有機分子活化，使得有機分子最外層的電子發(fā)生躍遷，在躍遷的過程中會有能量以光的形式被釋放出來，使得 OLED產(chǎn)生可見光。發(fā)射的顏色取決于發(fā)射層有機材料的選擇[1]。要實現(xiàn)白光OLED的方法主要有兩種方法：用藍(lán)光和橙光兩種補償光或紅、綠、藍(lán)三基色光通過摻雜或多層的方式實現(xiàn)白光；或是用發(fā)藍(lán)光的OLED激發(fā)橙色、紅色熒光或磷光粉實現(xiàn)白光。前者稱為顏色混合法，后者稱為波長轉(zhuǎn)換法（下轉(zhuǎn)換法）。

2 OLED照明技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀

隨著人們對節(jié)能高效的照明產(chǎn)品的需求不斷增長，目前許多國家都已進行了OLED照明技術(shù)的相關(guān)研究，其中德國歐司朗公司早在 2007年7月開始研究OLED在照明上的應(yīng)用[2]。我國于1991年開始研究OLED材料，在全球范圍內(nèi)起步較晚。本節(jié)主要對目前國內(nèi)外OLED照明技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀簡要概述。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

近幾年，美歐日韓的OLED照明技術(shù)迅速發(fā)展，眾多企業(yè)在OLED照明行業(yè)處于頂尖行列。例如美國的通用電子公司早在2008年就成功制作了出了OLED照明產(chǎn)品。美國的環(huán)宇顯示技術(shù)公司擁有磷光材料的核心技術(shù)和專利，并且很開發(fā)出了全磷光白色OLED照明設(shè)備。

在亞洲，日本的OLED照明設(shè)備廠商早在 2011年就開展了OLED照明技術(shù)的研究及OLED照明燈具的制造。日本東芝公司在2013年就推出了一款可拆卸組合的OLED照明燈具，這款燈具能夠無線供電，每個OLED燈可從無線供電基座上拆卸并且可以隨意組合，擺出各種圖案。2013年年初，松下電器公司開發(fā)了居家辦公用的OLED照明面板產(chǎn)品。2018年Konica Minolta先鋒OLED推出了車用OLED照明系統(tǒng)。此外，韓國的SAMSUNG公司在OLED領(lǐng)域中一直占領(lǐng)先地位。此外，LG公司于2019年同韓國首爾大學(xué)合作，為大學(xué)新建的圖書館安裝了OLED照明產(chǎn)品，并為韓國冠廷圖書館提供、安裝了1100片照明面板，這是目前全球規(guī)模最大的OLED照明安裝工程。

歐洲PHILIPS公司早在1991年，就已開始了OLED技術(shù)的相關(guān)研究，并在2004年開展OLED照明技術(shù)上的研究。2010年，PHILIPS公司推出了全球第一個有電源直接供電的OLED照明模塊。2011年，PHILIPS與Konica Minolta推出了共同研發(fā)的白色OLED照明面板，該面板在當(dāng)時的白色OLED照明產(chǎn)品中屬于全球最高水平。而德國歐司朗公司早在2007年開始研究OLED在照明上的應(yīng)用。經(jīng)過十幾年時間的發(fā)展，歐司朗公司成了車載OLED照明領(lǐng)域的行業(yè)巨頭。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

清華大學(xué)從1996年就開展了OLED材料、器件的研究，并于 2001年同OLED技術(shù)公司及相關(guān)企業(yè)合作，一同成立了維信諾科技公司，從事OLED設(shè)備的生產(chǎn)及研發(fā)。2002年，維信諾科技公司建成了中國大陸第一條OLED生產(chǎn)線，并于次年攻克了OLED生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了OLED模塊從研發(fā)走向生產(chǎn)與銷售的目標(biāo)。在AMOLED方面，維信諾科技公司與昆山工研院合作，并于2010年5月建成了AMOLED試生產(chǎn)線，實現(xiàn)了大尺寸AMOLED規(guī)模化生產(chǎn)。2012年，周卓輝團隊第一個采用OLED模擬蠟燭光獲得光源。利用OLED獲取的燭光，僅用電力供電，節(jié)能能力是蠟燭的300倍。2010年，由蘇州大學(xué)和張家港彩虹平板顯示有限公司共同建設(shè)的江蘇省碳基功能材料與器件高技術(shù)研究重點實驗室成功研制出11cm×11cm的大尺寸OLED照明面板[5]。

3 OLED照明技術(shù)面臨的問題與挑戰(zhàn)

OLED照明技術(shù)近年來得到了極大的發(fā)展，在多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。但OLED照明產(chǎn)品在技術(shù)、成本、壽命等方面仍面臨著一些問題與挑戰(zhàn)。

3.1 技術(shù)問題

應(yīng)用對OLED照明設(shè)備的基本要求是高功率效率、高亮度下長壽命和低生產(chǎn)成本。此外，惡劣環(huán)境條件下OLED面板的可靠性也是室內(nèi)外應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用要求，OLED照明面板應(yīng)該能夠在惡劣的環(huán)境條件下運行，沒有任何故障和光通量下降，且具有足夠的壽命。盡管OLED器件具，但與照明面板相關(guān)的各種問題。雖然目前已有實驗在極端條件下制造出了發(fā)光效率150Im/W以上的OLED照明器件，但是OLED照明要通常情況下的發(fā)光效率只有60～80Im/W，無法達(dá)到像熒光燈那樣的應(yīng)用水平求。此外，在材料方面，若要達(dá)到像熒光燈那樣的應(yīng)用水平，需要采用發(fā)光效率達(dá)100%的磷光材料。目前除了紅光磷光材料和綠光磷光材料能夠達(dá)到100%發(fā)光效率，藍(lán)光磷光材料依然無法達(dá)到高效率、高穩(wěn)定性要求，這也是目前OLED照明設(shè)備面臨的技術(shù)難題。

3.2 制造成本

OLED產(chǎn)品的成本受技術(shù)和制造工藝的影響，目前制作白光OLED器件最常用的結(jié)構(gòu)是多發(fā)光層結(jié)構(gòu)。目前傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的OLED照明面板價格相對非常高，并且在降低 OLED照明制造成本的同時，還需要提高設(shè)備功效才能大規(guī)模采用。Mitsubishi Chemical Corporation-Pioneer Corporation曾開發(fā)了一種顏色可調(diào)和可調(diào)光的OLED照明面板，使用Mits濕涂層工藝生產(chǎn)，成本不到常規(guī)生產(chǎn)方法制造的OLED成本的三分之一[3]。制造商將產(chǎn)品投入大眾市場的障礙主要是OLED照明面板的高制造成本。盡管OLED照明的效率和壽命自2013年以來均有所提高，但高成本和制造挑戰(zhàn)仍然存在。因此，研究、開發(fā)出低成本、高性能規(guī)格的OLED照明技術(shù)仍是當(dāng)前的重要任務(wù)。

3.3 柔性O(shè)LED面臨的問題

柔性、可彎曲OLED設(shè)備的開發(fā)也面臨著制造工藝和材料技術(shù)等許多技術(shù)挑戰(zhàn)。柔性和可彎曲OLED照明面板的性能和制造相關(guān)挑戰(zhàn)列為產(chǎn)品屬性、壽命、可靠性、功效、均勻性、厚度、重量、彎曲半徑、靈活性，機械和電氣連接和支撐等。此外，柔性O(shè)LED設(shè)備目前面臨復(fù)雜的制造挑戰(zhàn)，例如較低的成品率和較長的制造時間導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。使用低成本設(shè)備的積極的制造成本降低策略是可取的。采用絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷等低成本制造工藝可能會解決柔性O(shè)LED的一些制造問題。此外，覆蓋窗一般采用鋼化曲面玻璃，要保證其強度、厚度、透光率和柔韌性也是技術(shù)挑戰(zhàn)[4]。

4 OLED照明技術(shù)展望

4.1 柔性O(shè)LED在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，隨著OLED照明技術(shù)的發(fā)展，薄型柔性O(shè)LED透明顯示器已經(jīng)可以集成到車輛的擋風(fēng)玻璃中，為駕駛員提供更好的駕車服務(wù)及駕車體驗。歐盟也開展了Horizon 2020研究計劃，合作伙伴包括AMIRES公司、NSG集團、芬蘭 VTT 技術(shù)研究中心等OLED技術(shù)廠商。此外，歐司朗公司開發(fā)了由奧迪設(shè)計的柔性O(shè)LED尾燈，HARMAN-Samsung 正在為汽車行業(yè)開發(fā)先進的柔性透明OLED顯示器[5]。OLED顯示器和照明系統(tǒng)在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如儀表板顯示器（儀表盤、導(dǎo)航和媒體）、內(nèi)部照明、外部照明、數(shù)字后視鏡等。在不久的將來，OLED汽車市場有望取得更多有希望的發(fā)展。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)照明系統(tǒng)

OLED照明技術(shù)具有數(shù)字化的優(yōu)勢，與現(xiàn)代電子設(shè)備、傳感器和控制系統(tǒng)兼容，可以充當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的平臺。OLED照明技術(shù)同低成本傳感器、智能手機和應(yīng)用程序以及物聯(lián)網(wǎng)的融合，有望實現(xiàn)新的照明系統(tǒng)功能。在照明領(lǐng)域，“物”包括物理設(shè)備（如智能燈具和傳感器）以及基礎(chǔ)設(shè)施元素（如網(wǎng)關(guān)）。引入物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)照明系統(tǒng)的支柱，可以實現(xiàn)設(shè)備（“事物”）之間的無縫通信、上下文服務(wù)和數(shù)據(jù)共享。連接到網(wǎng)絡(luò)的照明系統(tǒng)可以從任何集中式系統(tǒng)或云監(jiān)控和控制。在辦公室、商業(yè)場所和工業(yè)中使用智能照明可以將能源成本降低約90%，有助于更好地利用和維護建筑空間。紐約州倫斯勒理工學(xué)院照明研究中心正在開展由紐約州能源研究與發(fā)展局贊助的LED照明與燈具集成和網(wǎng)絡(luò)連接照明控制項目。

物聯(lián)網(wǎng)的興起無疑將技術(shù)推向了一個新的高度。這些都為OLED照明行業(yè)帶來了連接未來技術(shù)的機會。互聯(lián)照明絕對是未來OLED照明技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。總之，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的幫助下，OLED照明技術(shù)通過融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為行業(yè)帶來根本性的變化。

5 結(jié)論

OLED照明設(shè)備的普及率遠(yuǎn)不及LED的根本原因是其高昂的成本。導(dǎo)致其成本高昂的原因在于目前OLED照明器件的制造工藝還達(dá)不到要求及關(guān)鍵材料的合成十分復(fù)雜。生產(chǎn)技術(shù)的不成熟，導(dǎo)致OLED照明器件的成品率很低。較低的成品率與關(guān)鍵材料合成的復(fù)雜又使得OLED照明器件的成本無法降低，形成了一種惡性循環(huán)。因此，若要降低生產(chǎn)成本，提高OLED照明設(shè)備的普及率，必須要開發(fā)出高性能、高自動化、高可靠性、低價格的生產(chǎn)設(shè)備及封裝技術(shù)，優(yōu)化、完善生產(chǎn)工藝流程，做好原材料的開發(fā)、生產(chǎn)裝備的研發(fā)、產(chǎn)品的研制等生產(chǎn)工作。雖然目前OLED照明行業(yè)尚處于初期，但OLED技術(shù)在顯示領(lǐng)域的飛速發(fā)展也帶動了其在照明領(lǐng)域的發(fā)展。可以預(yù)計，未來OLED照明設(shè)備會處于照明市場的主導(dǎo)地位。