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| 未来的高效节能平面分布式固态光源——OLED灯 | |
| 时间:2008-2-9 17:21:03 来源:中国电子报 作者: 浏览 | |
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引言 目前实用的固态光源，除白光LED灯外，又新发展起来一种高效节能的平面分布式OLED有机发光二极管灯。它们不同于玻璃泡壳内抽真空或充气的白炽灯或荧光灯，因为它们发光时不发热。这种固态光源的优点是：效率高、能耗低、工作电压低而比较安全、没有灯丝断裂因而耐用寿命长、维护价格低、有高质量的光输出仅有少量的紫外光和红外光辐射等。预计到2020年，固态光源比现有照明技术产生的同样光输出，可节省能源50%，这意味着可减少能耗，因而较少产生空气和水的污染。 OLED作为显示器的应用研究已有多年，近来已开始它在照明灯方面的应用研究。无机的LED灯能提供很高的能效和特别长的寿命，但制造成本太高，从而被限制在特殊的应用。OLED灯与LED点光源不同，它是很薄的平面分布式光源，且能大规模、大面积、低成本制造，因而可开发新的应用领域。 OLED灯的结构组成 OLED灯的结构组成如图1所示。它是由多层薄膜器件组成，即由箔、膜、刚性或柔性的板作基底，由电极层、活性材料层、以及保护阻挡层等组成，要求其中至少一个电极对光透明。 多层结构OLED的典型结构材料是：阳极是镀覆透明ITO膜的基板和近来开发的透明导电聚合物，如聚苯胺、聚吡咯和PEDOT;阴极是低逸出功的Mg、Li和包含Ag和A1的合金，以及LiF/AI有机材料功能层是若干传递注入电荷(电子或空穴)到再结合区的聚合物或小分子有机化合物;发射光的荧光层，尽量使用有效的磷光掺杂层，以及注入电荷的改进型化合物，如靠近阳极的导电聚合物和接近阴极的LiF或CsF盐等。电荷传递聚合物典型的是聚乙烯共轭物，如聚苯撑维尼纶的衍生物。传输空穴的小分子有机物是芳香胺，传输电子的小分子是各种高电子亲和力的多环芳香络合物。 聚合物OLED的优点是，可以由溶液沉积生成活性层，而小分子OLED的活性层典型是由气相沉积形成。一般OLED的塑料衬底用PET材料，但它沉积时加热温度不能超过130℃，以及抗氧和水的渗透能力差。为此，开发新的塑料衬底，如Polyethersulphone和Polynorbornene。要求新的塑料衬底必须满足：至少能抗200℃的温度而无膨胀和收缩;从400nm到700nm光透过率为90%和带有ITO镀层的为85%;表面粗糙度小于10nm;每天氧的渗透率小于10-5cc/m2;每天水的渗透率小于1mg/m2，以及不存在结晶、气泡、丝状缺陷等。 OLED的照明原理 OLED适合用作白光光源，因为荧光或磷光发光的添加物结构能定制发射任一所需颜色。对于白光发光器件可以有三个独立发光层，每一个发射不同的颜色，所以整个器件总共有7~9层，包括不同工艺(溅射、气相沉积、溶剂涂敷等)沉积的电极。OLED灯是属于一维紧密型器件，整个厚度典型小于100~200μm，所有层的沉积需要在无水无氧的10级超净间内进行。 OLED灯的实验室样品一般用真空热蒸发和旋转喷镀工艺，但不能大规模低价格制造大面积灯。聚合物OLED用卷绕Roll-To-Roll(工作速度20英尺/秒)镀膜或WebCoating是一个廉价制造工艺，但要精密控制各层的厚度和膜的均匀性，否则会影响发光的颜色、效率和整个面上的一致性。小分子OLED通常用连续气相沉积工艺，同样膜厚均匀性的控制是关键。 工作时5~20V的电压加到电极，因活性层很薄(1nm~100nm)，其场强高达105~107V/cm。该场强几乎接近击穿场强，它促使电荷通过电极和活行层的界面注入。空穴从透明的阳极注入，电子从阴极注入。注入电荷以彼此相反的方向迁移，最终相遇而结合。在结合时，释放能量并使再结合的分子或聚合物分段达到激发态。受激电子可以从一个分子迁移到另一分子，最后某些分子或聚合物分段以光子或热的形式释放，显然希望所有超额的激发能作为光的方式释放。 在OLED有机分子中，大约25%的受激电子是处在单重态，而75%处在三重态。从单重态发射的电子(荧光发射)大多数情况是由荧光掺杂促进的，它的内量子效率IQE最大限制为25%，而有机材料的三重态能量作为非辐射的热耗散对光发射无用。研究结果表明，采用磷光掺杂物的所有三重态的能量可以作为磷光加以利用，于是允许直到100%的IQE。近来，发射红光和绿光的磷光型OLED(PHOLED)的内量子效率几乎达到100%，外量子效率EQE达到19%(在实验条件下转换成40lm/W)，表明整个荧光系统的量子剧增。有时，在低至2.4V启动电压时电流开始流动，并且有足够的空穴—电子对再结合产生肉眼可见的光，而电流和相当的光强随驱动电压增加而增强。 OLED灯的特点及与现有光源的比较 (1)OLED灯的特点 新研发的OLED灯主要有下列几个特点： ①OLED灯不是点光源，而是分布式(散布式)平面固体光源，它重量轻、超薄、柔软、明亮、少阴影; ②能耗低、工作电压低(3~5V)，使用与维护安全; ③能效高、寿命长，没有灯丝断裂而耐用; ④环保，无污染，不发热，仅有少量紫外与红外辐射; ⑤可沉积到任何衬底：玻璃、陶瓷、金属、薄塑料板、织物等柔软和相适应的衬底，能制成任意形状和式样，能调节发光灯任何想要的颜色，以及任意色的深浅和强度，包括白色光; ⑥具有良好的色坐标、实现接近100的高彩色重现指数(CRI)，能调节白光从冷色到暖色; ⑦是电流驱动型器件，亮度可以在大于10000cd/㎡的动态范围内变化，并且它们均匀发光、不闪烁; ⑧较少的插入元器件，能大规模、大面积、低成本制造等。 (2)OLED灯与现有光源的比较 表1综合了OLED灯相对于现有光源的优点所作的定性比较，但在达到目标前依然存在许多技术关键。再过5年灯光市场将增长到每年约400亿美元，基于新颖性能的OLED灯将很快获取10%的市场份额。当效率和价格接近荧光灯的目标时，在10~12年内可获取50%的市场份额。 表1各种光源的定性比较 型式效率寿命CRI闪耀造价运用价环境友好性 白炽灯低短好有低高好 荧光灯较高长较好有较高较低差 HID较高长差有较低较低差 OLED灯商长好无低低好 OLED灯的应用市场及研发目标 【1】OLED灯的应用 OLED替代白炽灯，卤素灯和荧光灯的一般应用如下： ①居住和商业建筑用的照明灯板; ②用OLED“壁纸”作大型广告牌和标志板，甚至大到200平方英尺; ③家庭和办公室的变色平板灯和大面积壁、天花板的平板灯; ④大面积液晶电视和显示器的背光灯; ⑤办公室的窗，壁和分隔可兼作平板灯和计算机屏两用; ⑥还能作超轻的壁挂电视监视器等。 由OLED可开发的新应用： ①作智能灯; ②与显示、汽车、建筑和军用设备等集成的应用; ③从可 | |
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