吳清洋

摘 要：近幾年來，我國有機(jī)電致發(fā)光器件（OLED）得到迅速發(fā)展，并成為新一代的高效固態(tài)光源，通過利用新型材料設(shè)計以及不斷優(yōu)化和改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)，使得OLED的能量利用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)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(shù)問題，以及對當(dāng)前在照明領(lǐng)域方面OLED的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，希望能給相關(guān)工作人員提供幫助。

關(guān)鍵詞：OLED；照明；器件；技術(shù)；

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，全球每年大約有20%的發(fā)電量用于照明領(lǐng)域，目前最常用的傳統(tǒng)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(fā)光效率為20瓦特，熒光管的效率為50瓦特左右，為了能夠節(jié)約能源，提高光源利用率，有必要開發(fā)出新型的白光光源。有機(jī)電致發(fā)光器件是利用新型的發(fā)光材料，其類型有兩種，分別是小分子和高分子發(fā)光器件。從20世紀(jì)中期開始直到1987年，國外開始制作出一些高效率和低驅(qū)動電壓的發(fā)光元件，后來英國劍橋大學(xué)在后期研發(fā)出PLED元件，OLED產(chǎn)品的相關(guān)性研究和市場實際應(yīng)用，使得人們進(jìn)入了高速發(fā)展的白光光源時代。相比液晶顯示器來說，目前OLED的結(jié)構(gòu)較為簡單，其次具有自行發(fā)光、低能量消耗、高應(yīng)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(shù)是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模比較大的一種新型技術(shù)，目前主要應(yīng)用與中小尺寸屏幕顯示技術(shù)中，該技術(shù)相比白光照明技術(shù)來說發(fā)展更早，技術(shù)更加成熟。正是由于OLED顯示產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，為OLED照明上下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著OLED綜合性能的不斷提高，OLED照明技術(shù)也將快速發(fā)展。

一、OLED白光照明技術(shù)的優(yōu)勢

LED是大家比較熟悉的一種固態(tài)照明，而新型研發(fā)出來的OLED同樣也屬于固態(tài)照明之一，具有低耗電量和高速反應(yīng)速度，小體積和發(fā)熱量低等特點，容易被開發(fā)成輕薄短小的產(chǎn)品，在耐震和減震方面有明顯的優(yōu)勢。這兩種光源相比白熾燈來說是比較環(huán)保的，因此都被稱為是現(xiàn)代綠色光源。除此之外，OLED照明還具有一些自身特有的優(yōu)勢。首先OLED是一種自發(fā)光面光源，與LED不同的是它不需要通過額外的導(dǎo)光系統(tǒng)來獲取較大面積的光源范圍，散熱表現(xiàn)也較好，不須額外加裝散熱元件增高燈具成本。其次現(xiàn)代技術(shù)研發(fā)的一些有機(jī)發(fā)光材料的復(fù)雜性，可以給OLED照明提供多種設(shè)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(nèi)的所有顏色。此外OLED在設(shè)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(jìn)行設(shè)計制作，采用柔性基板制備的OLED光源，可以融合現(xiàn)代人對美觀的設(shè)計，更為照明設(shè)計者開創(chuàng)了無限的想象。為了能夠滿足不同客戶對于燈光氛圍的調(diào)節(jié)，OLED照明系統(tǒng)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(nèi)，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(xué)界認(rèn)定為最接近自然光的光源，它沒有紫外線和藍(lán)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(chǎn)成本、高能源利用效率、較長使用壽命以及綠色環(huán)保的白光光源，在過去數(shù)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(xiàn)商品化以及廣泛應(yīng)用于社會各領(lǐng)域方面還有待改進(jìn)。

二、OLED白光照明技術(shù)發(fā)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(tǒng)的白熾燈、日光燈等照明光源，要想真正實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，需要在發(fā)光性能和制造設(shè)計方面不斷優(yōu)化和改進(jìn)，具體來說，目前在以下四方面還面臨著一些問題。

首先從發(fā)光效率上來說，雖然采用磷光材料可以使白光器件的內(nèi)量子效率達(dá)到100%，并且功率效率達(dá)到熒光燈的水平，但是有機(jī)材料本身具有很高的折射率，且光學(xué)限制及內(nèi)反射等因素造成光子無法經(jīng)基底正常出射，使得器件的外量子效率僅能達(dá)到20%左右，因此，提高OLED外量子效率就顯得十分重要。根據(jù)光學(xué)分析，可以將OLED的發(fā)光層產(chǎn)生的光子分為以下三種模式：外部模式是由發(fā)光層產(chǎn)生的光子通過玻璃層射到外部；基體波導(dǎo)模式是由光子在玻璃和空氣界面發(fā)生全反射鏡被玻璃基體限制在內(nèi)的一種模式；ITO/有機(jī)物波導(dǎo)模式是由光子在ITO和玻璃基體界面發(fā)生全反射鏡而被有機(jī)層和ITO層限制的一種模式。我們采用射線光學(xué)對其進(jìn)行計算發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的OLED內(nèi)部所產(chǎn)生的光子只有1/5才能被射到期間外部，而基體波導(dǎo)模式和有機(jī)物波導(dǎo)模式分別占30%和45%，即便如此，也有將近80%的光子被期間內(nèi)部所吸收或通過某種形式發(fā)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(dǎo)或者有機(jī)物波導(dǎo)模式能夠盡可能轉(zhuǎn)化為外部模式，從而使產(chǎn)生的光子更多射到器件外部，對于光出射技術(shù)可以具體分為以下幾類：首先可以將玻璃基體的背側(cè)改變成波紋狀或者隨機(jī)表面的形狀，或者將散射介質(zhì)分散在與玻璃基體折射率相近的材料中，在基體背側(cè)覆蓋材料，便可以成功轉(zhuǎn)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(jī)物波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)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(dǎo)模式轉(zhuǎn)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(chǔ)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(zhì)、發(fā)光效率以及封裝材料等。不同的發(fā)光材料對于白光質(zhì)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已開發(fā)出許多有機(jī)發(fā)光材料，而且在技術(shù)的推動下使其在發(fā)光效率和穩(wěn)定性方面得以提高。在亮度要求一致的前提下，OLED發(fā)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(fā)光材料發(fā)生質(zhì)變，最終使得照明光源發(fā)生故障。此外，從化學(xué)角度來看，有機(jī)材料很容易與氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而會在光源面板上生成暗斑，并導(dǎo)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(jìn)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(fā)明新型材料來改善目前OLED的光源穩(wěn)定性，同時還需要提高封裝質(zhì)量。

從顯色質(zhì)量上來看，影響光源性能的主要指標(biāo)是顏色和顯色性，由于不同的有機(jī)發(fā)光材料所產(chǎn)生的光源顯色質(zhì)量是有差別的，為了能夠獲得高質(zhì)量的光源，可以采用以下三種方法：一、在采用單一的發(fā)光材料時，雖然這種方法制作的器件結(jié)構(gòu)較為簡單，但要求該發(fā)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(fā)光顏色的有機(jī)材料進(jìn)行混合摻雜制作新興的發(fā)光材料，該方法面臨的問題是主體材料向各種摻雜物進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的效力不同，此外各種摻雜物在能量轉(zhuǎn)移方面也存在差異，這種情況會導(dǎo)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(zhì)量；最后采用三層的發(fā)光結(jié)構(gòu)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(jìn)行精確控制，而這種方式是比較復(fù)雜的。目前OLED白光器件在顯色質(zhì)量方面主要是由于不同的發(fā)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(wěn)定的范圍內(nèi)。

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(huán)境下進(jìn)行工作的，而傳統(tǒng)的OLED采用的是ITO透明電極，該電極整體的導(dǎo)電性能差，在對大面積區(qū)域進(jìn)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(jìn)而導(dǎo)致發(fā)光不均勻；其次OLED中的薄膜厚度在幾百納米范圍內(nèi)，因此在制作過程中需要借助導(dǎo)電性粒子，而且薄膜的粗糙程度也會從一定程度上導(dǎo)致OLED電極短路，會發(fā)生小電流通過發(fā)光區(qū)域，進(jìn)而使該區(qū)域的效率降低，雖然很難完全避免OLED使用過程中的短路現(xiàn)象，但在制作過程中一個微小的發(fā)光點就會使整個照明面板發(fā)生故障。此外由于較大的發(fā)光區(qū)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(jī)發(fā)光層上的有效電壓就會相應(yīng)變小，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)光亮度普遍降低使得照明面板上的發(fā)光亮度不均勻。

三、對OLED照明及其關(guān)鍵技術(shù)的思考

OLED是一種新型的固態(tài)光源，在照明和便捷式手提顯示屏方面具有良好的應(yīng)用前景。目前，研究人員從材料創(chuàng)新、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及生產(chǎn)工藝改良等多方面進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，正朝著實現(xiàn)大面積、高效率、長壽命的綠色照明不斷努力。我國有關(guān)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(xué)研發(fā)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(jìn)行優(yōu)化融合了綠紅藍(lán)光銥配合物，使其發(fā)光效率達(dá)到世界先進(jìn)水平。

小結(jié)

OLED目前正處于產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展的過程中，為了能夠提高產(chǎn)品的使用壽命和實現(xiàn)高能源利用效率，需要加大研發(fā)力度，借鑒國外比如SONY公司，Samsung等企業(yè)的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，抓住時代發(fā)展機(jī)遇，使OLED技術(shù)得到快速穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉波，委福祥，劉向，等.大電流驅(qū)動下色度穩(wěn)定的白色有機(jī)電致發(fā)光器件[J].半導(dǎo)體光電，2006年第27期（6）：0707-071 1.

[2]楊定宇，蔣盂衡，楊軍，等.有機(jī)電致發(fā)光材料研究進(jìn)展[J].西南民族大學(xué)學(xué)報，2006年第32期（6）：1231—1235.

遼寧省博士啟動基金（201501115）和遼寧省交通高等?？茖W(xué)校優(yōu)秀人才成長支持計劃項目（2015lnccrcky05）資助的課題.