白光OLED技术研究进展

白光OLED技术研究进展
2010-8-24 10:37:28 《半导体照明》杂志中国半导体照明网段炼李艳蕊张国辉邱勇行业分类:灯具浏览

　　OLED作为照明器件的研究始于上世纪90年代初，日本山形大学的Kido教授在Science上发表了白光OLED（WOLED）相关研究。虽然器件的效率只有0.83lm/W，却引发了人们研究白光OLED的热潮。

　　近年来，“固态光源”新技术出现在人们的视线中，固态光源主要指LED（Light Emitting Diode，发光二极管）和OLED（Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管）。LED是点光源，具有效率高、驱动电压低的优势，目前已经实现商业化生产；OLED为面光源，发光更加均匀，显色指数更高，而且可以实现大面积照明，极高的效率和极低的驱动电压等，另外还有希望制备在柔性衬底上，实现柔性照明。虽然现在OLED照明还未产业化，但是其潜在的应用前景，引起了全世界的关注。

　　OLED作为照明器件的研究始于上世纪90年代初，日本山形大学的Kido教授在Science上发表了白光OLED（WOLED）相关研究。虽然器件的效率只有0.83lm/W，却引发了人们研究白光OLED的热潮。在十余年的发展中，白光OLED在不断的进步，2006年，白光OLED达到64lm/W；2008年，白光OLED的最高效率达到102lm/W；2009年，Karl Leo教授的小组宣布，其制备的白光OLED，可以实现124lm/W。

　　白光OLED的发展离不开各国政府的投资和支持，如美国能源部、欧盟等都非常看好OLED在照明领域的前景，2008年美国能源部（DOE）共投资7470万美元对51个固态照明项目计划进行支持，其中OLED照明共有25个项目，总经费为3690万美元，占所有项目的49.4%。欧盟于2004年成立了OLLA（Organic Light Emitting Diodes for Lighting Applications）专案计划，专门投资对白光OLED照明的研发，2008年，欧盟又成立了OLED 100.eu，持续对OLED照明的投资支持，并设定了2011年白光OLED效率达到100lm/W、寿命达到10万小时、发光面积为1m2的目标。我国也非常重视对白光OLED照明的研发，清华大学在863项目的支持下，对OLED白光技术进行了相关的研究工作，取得了重大进步。

　　目前影响白光OLED技术产业化的两个关键指标是效率和寿命，而影响这两个关键指标的源头是材料和器件结构，所以我们在开发新型材料和研究新型器件结构方面进行了深入的研究。

　　1.新型有机材料

　　白光OLED需要用的材料包括传输型材料和发光型材料，发光型材料涉及荧光材料和磷光材料，荧光材料的寿命较好，但是效率较低；磷光材料可实现较高的内量子效率，但目前蓝光磷光材料的寿命较低，这成为白光OLED性能提高的瓶颈，所以开发高性能的蓝光磷光发光材料和与之匹配的主体材料非常重要。

　　（1）蓝光磷光主体材料

　　主体材料和染料共掺作为发光层时，一般要求主体材料的能带带隙高于染料的带隙，而对于蓝光磷光的主体材料来说，还要求具有高的三线态能级，为此，我们设计合成了一系列高三线态能级的蓝光磷光主体材料，如下图结构所示。

　　这类咔唑/芴复合物新材料热稳定性好，加热到400℃以上仍不分解，玻璃化转变温度Tg达160℃以上。材料三线态能级高，为2.84~2.88eV。叔丁基取代对能级影响不明显，却对薄膜光谱影响很大，减弱了分子间的相互作用，从而消除了长波的聚集物的发光。叔丁基取代的二咔唑基苯基芴(TBCPF)的循环伏安扫描显示出可逆性，表明电化学稳定性优于一般咔唑类材料。TBCPF具有良好的溶解性和成膜性，可用于湿法制备高效率的蓝光和白光器件。采用TBCPF作为主体材料，湿法制备了高性能的单发光层小分子磷光白光器件。优化后的双层磷光白光器件的最大电流效率达到了29.6cd/A，最大功率效率为15.6lm/W。湿法制备的单发光层器件表现了良好的白光发射性能，而且色坐标随电压变化不大。

　　（2）蓝光磷光发光材料

　　在白光照明方面，基于离子型铱金属配合物可用于结构简单的发光电化学池器件。针对蓝光离子型铱金属配合物缺乏的问题，我们提出并证实了一种新的获得蓝光离子型铱金属配合物的分子设计思想，即在离子型铱金属配合物的辅助配体中引入给电子的氮原子，提升材料的最高未占分子轨道（LUMO）能级，从而实现材料发光的显著蓝移。我们制备了蓝光发光电化学池器件，电致光谱的发射峰位于460nm，色坐标(0.20, 0.28)，是目前报道的发光最蓝的发光电化学池。

　　在这种分子设计思想的指导下，我们设计合成了一系列含有咪唑类辅助配体的离子型铱金属配合物。除了获得蓝光以外，我们还通过增大咪唑类辅助配体的共轭度，获得了绿光、黄光、橙光及红光材料。以这些新型的离子型铱金属配合物材料为基础，我们通过溶液旋涂的方法，并使用惰性铝金属电极，制备了单层的发光电化学池器件，获得了高效的从蓝到红的电致发光，发射光谱基本上覆盖了整个可见光区域，器件性能也达到了国际报道的最高水平。最后，我们通过在蓝光发光电化学池器件当中掺杂少量的红光材料，利用蓝光材料向红光材料的不完全能量传递，复合蓝光和红光，制备了白光发光电化学池。器件最大电流效率达到11.2cd/A，流明瓦效率达到10lm/W，显色指数达到81，是目前报道的性能最高的白光发光电化学池器件。

　　（3）橙红磷光发光材料

　　橙红色是蓝色的互补色，高性能的橙红色材料也是获得高效率白光的关键。我们合成了多种橙红色磷光材料，其中Ir(dpbq-f)2acac的性能优于目前常用的Ir(MDQ)2(acac)：当使用相同的主体材料时，Ir(dpbq-f)2acac器件的效率高于Ir(MDQ)2(acac)器件，尤其是当使用Bebq2作为主体材料时，在亮度1000cd/m2下，电流效率比对比器件高50%。

　　2. 新型器件结构

　　白光OLED一般通过两种或三种发光颜色混合来得到，所以这就涉及到OLED器件的结构，器件结构决定了不同颜色的发光层如何同时实现高效发光，进而实现高效的白光发射，而且器件结构的不同也会影响器件寿命，所以OLED器件结构的设计也相当关键。

　　（1）复合发光层器件结构——长寿命白光OLED器件

　　全荧光白光OLED具有成本低、稳定性高等优点，但是蓝光材料的寿命相比其它颜色较短，制约了白光OLED的性能，针对这一问题，我们设计了具有混合主体层和单一主体层的复合蓝光层的OLED，混合主体层结构拓展了复合区域，单一主体层有效的阻挡空穴注入到电子传输层Alq3中，从而提高了蓝光和白光OLED的寿命。

　　采用新技术之后的白光器件，在亮度1000cd/m2下，寿命超过10万小时，刷新了白光OLED寿命的最高记录，并且器件具有较高的发光亮度和较好的发光色度。

　　（2）高效白光OLED器件

　　荧光加磷光白光器件兼顾了荧光的高稳定性与磷光的高效两个特点，是目前业内研究的一项主流技术。

　　目前的荧光加磷光技术一般通过使用红、绿磷光发光层搭配蓝色荧光发光层来实现，且荧光发光层与磷光发光层之间，通常需要加入阻挡层，对阻挡层的选择也有要求：或为双极性的单一材料，或为两种材料掺杂，如此一来，使得器件制备工程复杂化了。我们开发了一种新型的器件结构，可以不使用阻挡层，这大大简化了制备工艺，且器件具有很高的效率。此结构为：阳极/空穴注入层/空穴传输层/红光发光层/蓝光发光层/绿光发光层/电子传输层/电子注入层/阴极，采用此结构制备的白光器件最高功率效率可以达到56lm/W。如果使用光取出技术，器件的效率可以进一步提高。

　　清华大学在863项目的支持下，开发了新型的性能优异的蓝光和橙红光磷光材料，磷光材料最初被美国Forrest小组发现之后，有关磷光材料的大部分专利被国外占据，清华大学这次开发的新型磷光材料，在密集的磷光材料专利布局中占据了一席之地。另外，清华大学设计的新型器件结构，尤其是长寿命的器件结构，这一成果已经在北京维信诺科技有限公司的协助下，成功应用于白光OLED屏体，并利用此屏体开发了OLED台灯，屏体面积为30mm×60mm（如图4），设计上也充分体现了白光OLED薄、轻等特点。除此之外，还开发了装饰照明产品（如图5），现已小批量供应市场，并积极筹划在近年内进入灯具及其他照明领域。

　　虽然白光OLED技术尚未进入大规模量产阶段，但是OLED照明具有后起之秀的态势，国际上很多大企业都介入OLED照明产品的开发，整体技术水平处于产业化起步的前夕。市调机构DisplaySearch在2009年3月的一份报告中提到，OLED照明将于2011年进入量产期。美国调查公司NanoMarkets发布的预测显示，用于照明的OLED光源的全球市场规模2013年将达到45亿美元，2015年将增长到59亿美元。中国是一个照明大国，中国照明灯具数量世界第一，白光OLED光源在国内的市场前景十分广阔。（编辑：Led鱼）

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