1.4 高效節能平面分布式固態光源——OLED燈

1.4.1 OLED燈概述

OLED作為顯示器的應用研究已有多年，近來已開始它在照明燈方面的應用研究。無機的LED燈能提供很高的能效和特別長的壽命，但制造成本太高，從而被限制在特殊的應用。而OLED燈與LED點光源不同，它是新發展起來的一種高效節能的平面分布式光源，其優點是：制造成本與維護價格低、能耗與工作電壓低而比較安全、高質量的光輸出僅有少量的紫外光和紅外光輻射、沒有燈絲斷裂而耐用、壽命長等。預計到2020年，固態光源與現有照明技術相比產生同樣光輸出時可節省50%能源，這意味著可減少能耗，因而較少產生空氣和水的污染，可開發許多新的應用領域。

1. OLED燈的結構組成

OLED燈的結構組成如圖1-13所示。它是由多層薄膜器件組成的，即由箔、膜、剛性或柔性的板作為基底，由電極層、活性材料層以及保護阻擋層等組成，要求其中至少一個電極對光透明。

多層結構OLED的典型結構材料是：陽極是鍍覆透明ITO膜的基板和近來開發的透明導電聚合物，如聚苯胺、聚吡咯和PEDOT（聚乙撐二氧塞吩）；陰極是低逸出功的Mg、Li和包含Ag和Al的合金，以及LiF/Al有機材料功能層是若干傳遞注入電荷（電子或空穴）到再結合區的聚合物或小分子有機化合物；發射光的熒光層盡量使用有效的磷光摻雜層，以及注入電荷的改進型化合物，如靠近陽極的導電聚合物和接近陰極的LiF或CsF鹽等。典型的電荷傳遞聚合物是聚乙烯共軛物，如聚苯撐維尼綸的衍生物。傳輸空穴的小分子有機物是芳香胺，傳輸電子的小分子是各種高電子親和力的多環芳香絡合物。

聚合物OLED的優點是，可以由溶液沉積生成活性層，而小分子OLED的活性層是由氣相沉積形成的。一般OLED的塑料襯底用PET材料，但它沉積時加熱溫度不能超過130℃，以及抗氧和水的滲透能力差。為此，開發新的塑料襯底，如Polyethersulphone和Polynorbornene。要求新的塑料襯底必須滿足：至少能抗200℃的溫度而無膨脹和收縮；從400nm到700nm光透過率為90%和帶有ITO鍍層的為85%；表面粗糙度小于10nm；每天氧的滲透率小于5～10 cc/m2；每天水的滲透率小于1mg/m2，以及不存在結晶、氣泡、絲狀缺陷等。

2. OLED的照明原理

OLED適合用做白光光源，因為熒光或磷光發光的添加物結構能定制發射任一所需顏色。對于白光發光器件可以有三個獨立發光層，每一個發射不同的顏色，所以整個器件總共有7～9層，包括不同工藝（濺射、氣相沉積、溶劑涂敷等）沉積的電極。OLED 燈是屬于一維緊密型器件，整個厚度典型小于100～200 μm，所有層的沉積需要在無水無氧的10級超凈間內進行。

如圖1-13所示，工作時5～20V的電壓加到電極，因活性層很薄（1～100nm），其場強高達105～107V/cm。該場強幾乎接近擊穿場強，它促使電荷通過電極和活性層的界面注入。空穴從透明的陽極注入，電子從陰極注入。注入電荷以彼此相反的方向遷移，最終相遇而結合。在結合時，釋放能量并使再結合的分子或聚合物分段達到激發態。受激電子可以從一個分子遷移到另一分子，最后某些分子或聚合物分段以光子或熱的形式釋放，顯然希望所有超額的激發能以光的形式釋放。

在OLED有機分子中，大約25%的受激電子處在單重態，而75%處在三重態。從單重態發射的電子（熒光發射）大多數情況是由熒光摻雜促進的，它的內量子效率IQE最大限制為25%，而有機材料的三重態能量作為非輻射的熱耗散對光發射無用。研究結果表明，采用磷光摻雜物的所有三重態的能量可以作為磷光加以利用，于是允許直到100%的IQE。近來，發射紅光和綠光的磷光型OLED（PHOLED）的內量子效率幾乎達到100%，外量子效率EQE達到19%（在實驗條件下轉換成40 lm/W），表明整個熒光系統的量子劇增。有時，在低至2.4V啟動電壓時，電流開始流動，并且有足夠的空穴-電子對再結合，產生肉眼可見的光，而電流和相應的光強隨驅動電壓的增加而增強。

1.4.2 OLED燈的特點及與現有光源的比較

1. OLED燈的特點

新研發的OLED燈的主要特點是：①OLED燈不是點光源，而是分布式（散布式）平面固體光源，它重量輕、超薄、柔軟、明亮、少陰影；②能耗低、工作電壓低（3～5V），使用與維護安全；③能效高、壽命長，沒有燈絲斷裂而耐用；④環保，無污染，不發熱，僅有少量紫外與紅外輻射；⑤可沉積到任何襯底：玻璃、陶瓷、金屬、薄塑料板、織物等柔軟和相適應的襯底，能制成任意形狀和式樣，能調節發光燈任何想要的顏色，以及任意色的深淺和強度，包括白光；⑥具有良好的色坐標、實現接近100的高彩色重現指數（CRI），能調節白光從冷色到暖色；⑦屬于電流驅動型器件，亮度可以在大于10000 cd/m2的動態范圍內變化，并且它們均勻發光、不閃爍；⑧插入的元器件較少，能大規模、大面積、低成本地制造等。

2. OLED燈與現有光源的比較

表1-6是OLED燈相對于現有光源的優點所做的定性比較。

目前，OLED的發光效率己達到30 lm/W，超過了白熾燈的水平，且綠光已達到110 lm/W。2004年2月，美國GE公司展出了由16個6×6 in2的面板組成的24×24 in2的白光LED光源，在1200 cd/m2下，效率已達到與白熾燈相當的15 lm/W；2005年初，日本IMES公司展出了28×28cm2的OLED照明光源，其亮度已達到400 cd/m2；后來，美國UDC公司又研制成6×6 in2的熒光OLED板，其顯色指數大于80，在色溫4000K發光效率達到30 lm/W，在2900K則為15～20 lm/W。

值得指出的是，生產OLED的設備可以沿用液晶生產線，而且光源材料可用地球上豐富而又廉價的材料制成，取之不盡，用之不竭，既節電、又環保。它不像LED的原材料（如鎵、銦）是地球上的稀有元素，并且還要提純到99.9999%才能使用，其制造設備昂貴、工藝復雜，以致價格偏高而影響白光LED燈照明的廣泛應用。尤其OLED燈是面光源，可以彎曲、折疊，從而可使照明設計變得隨心所欲。因此，OLED燈將是一種價廉物美的理想照明光源。