OLED白光照明及其关键技术探析

吴清洋

摘 要：近几年来，我国有机电致发光器件（OLED）得到迅速发展，并成为新一代的高效固态光源，通过利用新型材料设计以及不断优化和改进器件结构，使得OLED的能量利用效率远远超过传统的光源器件。本文通过分析目前OLED制造过程中面临的主要技术问题，以及对当前在照明领域方面OLED的关键技术进行阐述，希望能给相关工作人员提供帮助。

关键词：OLED；照明；器件；技术；

根据有关数据调查显示，全球每年大约有20%的发电量用于照明领域，目前最常用的传统光源为白炽灯和荧光管，但这两种的能源利用率都比较低，白炽灯发光效率为20瓦特，荧光管的效率为50瓦特左右，为了能够节约能源，提高光源利用率，有必要开发出新型的白光光源。有机电致发光器件是利用新型的发光材料，其类型有两种，分别是小分子和高分子发光器件。从20世纪中期开始直到1987年，国外开始制作出一些高效率和低驱动电压的发光元件，后来英国剑桥大学在后期研发出PLED元件，OLED产品的相关性研究和市场实际应用，使得人们进入了高速发展的白光光源时代。相比液晶显示器来说，目前OLED的结构较为简单，其次具有自行发光、低能量消耗、高应答速度等特点，使其可以广泛用于各类手提式显示屏以及白光照明中，具有广泛的市场前景。OLED显示技术是当前产业发展规模比较大的一种新型技术，目前主要应用与中小尺寸屏幕显示技术中，该技术相比白光照明技术来说发展更早，技术更加成熟。正是由于OLED显示产业的高速发展，为OLED照明上下游产业链的发展奠定了基础。随着OLED综合性能的不断提高，OLED照明技术也将快速发展。

一、OLED白光照明技术的优势

LED是大家比较熟悉的一种固态照明，而新型研发出来的OLED同样也属于固态照明之一，具有低耗电量和高速反应速度，小体积和发热量低等特点，容易被开发成轻薄短小的产品，在耐震和减震方面有明显的优势。这两种光源相比白炽灯来说是比较环保的，因此都被称为是现代绿色光源。除此之外，OLED照明还具有一些自身特有的优势。首先OLED是一种自发光面光源，与LED不同的是它不需要通过额外的导光系统来获取较大面积的光源范围，散热表现也较好，不须额外加装散热元件增高灯具成本。其次现代技术研发的一些有机发光材料的复杂性，可以给OLED照明提供多种设计，满足用户对于不同光源颜色的需求，小分子OLED也同样包含了白光在内的所有颜色。此外OLED在设计光源时比较自由，可以在多种衬底材料，不仅可以在玻璃等刚性衬底上制备，还可以在塑料等柔性衬底材料上进行设计制作，采用柔性基板制备的OLED光源，可以融合现代人对美观的设计，更为照明设计者开创了无限的想象。为了能够满足不同客户对于灯光氛围的调节，OLED照明系统可以被用作可控色来满足用户需求，而这些器件整体的工作电流、电压在可控制的范围内，电压比较低，便于控制，提高了使用安全性。另外OLED作为面光源被国外科学界认定为最接近自然光的光源，它没有紫外线和蓝光的伤害，使人们可以安全使用，即使长期接触也不会对视力和皮肤造成伤害。对于白光OLED，最终是想获得低生产成本、高能源利用效率、较长使用寿命以及绿色环保的白光光源，在过去数十年的研究过程中，虽然白光OLED在使用效率和寿命方面取得了不错的成绩，但距离实现商品化以及广泛应用于社会各领域方面还有待改进。

二、OLED白光照明技术发展所面临的困境

OLED是一种新型的白光照明方式，作为一种清洁高效的绿色光源，将逐渐取代传统的白炽灯、日光灯等照明光源，要想真正实现广泛应用，需要在发光性能和制造设计方面不断优化和改进，具体来说，目前在以下四方面还面临着一些问题。

首先从发光效率上来说，虽然采用磷光材料可以使白光器件的内量子效率达到100%，并且功率效率达到荧光灯的水平，但是有机材料本身具有很高的折射率，且光学限制及内反射等因素造成光子无法经基底正常出射，使得器件的外量子效率仅能达到20%左右，因此，提高OLED外量子效率就显得十分重要。根据光学分析，可以将OLED的发光层产生的光子分为以下三种模式：外部模式是由发光层产生的光子通过玻璃层射到外部；基体波导模式是由光子在玻璃和空气界面发生全反射镜被玻璃基体限制在内的一种模式；ITO/有机物波导模式是由光子在ITO和玻璃基体界面发生全反射镜而被有机层和ITO层限制的一种模式。我们采用射线光学对其进行计算发现，传统结构下的OLED内部所产生的光子只有1/5才能被射到期间外部，而基体波导模式和有机物波导模式分别占30%和45%，即便如此，也有将近80%的光子被期间内部所吸收或通过某种形式发生能源损失，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，使得基体波导或者有机物波导模式能够尽可能转化为外部模式，从而使产生的光子更多射到器件外部，对于光出射技术可以具体分为以下几类：首先可以将玻璃基体的背侧改变成波纹状或者随机表面的形状，或者将散射介质分散在与玻璃基体折射率相近的材料中，在基体背侧覆盖材料，便可以成功转换为外部模式；此外可以使用高折射率的基体界面全反射，并将有机物波导模式转换为外部模式；最后可以采用二维光子晶体和微腔的方式将这两种波导模式转换成外部模式。

从使用寿命来说，照明光源与便捷式屏幕器件存在较大的差距，目前普遍OLED的使用寿命超过5000小时，这对于便捷式显示屏幕来说是足够用的，但从照明方面来看需要在此基础上提高器件的使用寿命，至少需提高五倍左右。影响照明光源寿命的因素主要是制作材料的性质、发光效率以及封装材料等。不同的发光材料对于白光质量的影响是不同的，它們会间接影响光源器件的使用寿命。随着科学技术的发展，人们已开发出许多有机发光材料，而且在技术的推动下使其在发光效率和稳定性方面得以提高。在亮度要求一致的前提下，OLED发光效率越低，所需要的电压越大，但是这种高电压同样会使得发光材料发生质变，最终使得照明光源发生故障。此外，从化学角度来看，有机材料很容易与氧气发生氧化还原反应，进而会在光源面板上生成暗斑，并导致其寿命缩短，因此，OLED在封装过程中需要隔绝这些水和氧气。通常采用的方法是将干燥的盖板玻璃进行封装或者直接在OLED的阴极薄膜上附有一层镀膜来隔绝氧气和空气中的水分子。为了能够显著提高其使用寿命，需要发明新型材料来改善目前OLED的光源稳定性，同时还需要提高封装质量。

从显色质量上来看，影响光源性能的主要指标是颜色和显色性，由于不同的有机发光材料所产生的光源显色质量是有差别的，为了能够获得高質量的光源，可以采用以下三种方法：一、在采用单一的发光材料时，虽然这种方法制作的器件结构较为简单，但要求该发光材料具备较宽的光谱范围，能够覆盖全部的可见光；二、可以采用不同发光颜色的有机材料进行混合掺杂制作新兴的发光材料，该方法面临的问题是主体材料向各种掺杂物进行能量转移的效力不同，此外各种掺杂物在能量转移方面也存在差异，这种情况会导致光源色彩的不平衡，掺杂的光源材料比例变化也会从一定程度上影响白光质量；最后采用三层的发光结构可以将这些不同的三种颜色分别掺与三层，为了能够获取平衡的色彩比例，每层的厚度和组成必须进行精确控制，而这种方式是比较复杂的。目前OLED白光器件在显色质量方面主要是由于不同的发光材料其使用寿命不同，且随着时间的推移，在照明性能方面会逐渐降低，为了能够解决这些问题，需要将显色性和颜色在使用过程中控制在稳定的范围内。

在制作大面积的OLED照明面板中面临着一以下两个问题：首先OLED是在低电压和高电流的环境下进行工作的，而传统的OLED采用的是ITO透明电极，该电极整体的导电性能差，在对大面积区域进行输电过程中缺乏大电流的传输能力，且会形成较大的电压降，进而导致发光不均匀；其次OLED中的薄膜厚度在几百纳米范围内，因此在制作过程中需要借助导电性粒子，而且薄膜的粗糙程度也会从一定程度上导致OLED电极短路，会发生小电流通过发光区域，进而使该区域的效率降低，虽然很难完全避免OLED使用过程中的短路现象，但在制作过程中一个微小的发光点就会使整个照明面板发生故障。此外由于较大的发光区域，电流所穿过的路径是比较长的，在电极上形成的电压降较大，施加在有机发光层上的有效电压就会相应变小，进而导致发光亮度普遍降低使得照明面板上的发光亮度不均匀。

三、对OLED照明及其关键技术的思考

OLED是一种新型的固态光源，在照明和便捷式手提显示屏方面具有良好的应用前景。目前，研究人员从材料创新、器件结构优化以及生产工艺改良等多方面进行联合攻关，正朝着实现大面积、高效率、长寿命的绿色照明不断努力。我国有关部门也在大量投入人力和财力，不断提高OLED的能源利用效率和使用寿命，比如清华大学研发出了非掺杂体系的红色荧光作为主体材料，该材料在1000cd/m2以上的初始亮度条件下，可以延长使用寿命，此外，中科院将磷光材料进行优化融合了绿红蓝光铱配合物，使其发光效率达到世界先进水平。

小结

OLED目前正处于产业化高速发展的过程中，为了能够提高产品的使用寿命和实现高能源利用效率，需要加大研发力度，借鉴国外比如SONY公司，Samsung等企业的先进科学技术，抓住时代发展机遇，使OLED技术得到快速稳定发展。

参考文献：

[1]张晓波，委福祥，刘向，等.大电流驱动下色度稳定的白色有机电致发光器件[J].半导体光电，2006年第27期（6）：0707-071 1.

[2]杨定宇，蒋盂衡，杨军，等.有机电致发光材料研究进展[J].西南民族大学学报，2006年第32期（6）：1231—1235.

辽宁省博士启动基金（201501115）和辽宁省交通高等专科学校优秀人才成长支持计划项目（2015lnccrcky05）资助的课题.