浅谈有机EL照明的发展

导读：点光源LED蕴藏优秀发展潜力，不过单一LED不易取得面光源，必须使用复数LED散热、波长漂移、驱动电路与光学设计复杂等缺点，因而促进有机半导体构成的有机EL快速发展。

电灯是人类伟大发明之一，由于近年环保意识抬头，要求以高省能源器材取代过往设备。在照明领域自2007年开始，各国不约而同提倡停止製造发光效率比萤光灯差的白热灯泡政策，2008年4月日本经济部正式发表行政方针，各厂商受到该政策影响，表示2012年缩小或是停止製造白热灯泡，积极鼓励消费者更换成灯泡型萤光灯。然而荧光灯等高电压放电光源使用水银有毒物质，更换成灯泡型萤光灯时必须考虑无水银化，虽然部份地区出现规範水银的动向，不过无水银化的高电压放电技术，目前还无法取代萤光灯或是水银灯，因此萤光灯与水银灯有条件排除在适用规範外。

有鉴于近年发光二极体(LED)急速发展，新照明方式逐渐展露头角，LED为传统白热灯泡、萤光灯截然不同发光塬理，属于全固态发光元件。LED的发光塬理早在60年代被发现，不过当时却未开发照明用。高效率白光LED，20世纪末期中村教授发表高效率蓝光LED，正式揭开白光LED技术竞争，白光LED成为次世代照明光源，各厂商陆续开发LED灯泡、灯具。

虽然点光源LED蕴藏优秀发展潜力，不过单一LED不易取得面光源，必须使用复数LED散热、波长漂移、驱动电路与光学设计复杂等缺点，因而促进有机半导体构成的有机EL快速发展。

有机EL又称作「有机发光二极体(OLED: Organic Light Emitting Diode)」，它是在基板上製作复数有机物薄膜，施加电流时形成面发光，可作白色发光。最近几年材料与元件技术飞跃性提升，OLED的电力效率接近实用等级，一般认为未来可望获得媲美LED的发光效率，取代白热灯、萤光灯成为实现无水银化的照明光源。此外点光源的LED与面光源的OLED巧妙组合，还可以营造全新的照明空间。接着介绍次世代光源之一的OLED发展动向，与今后有待克服的课题。

照明用OLED

图1是次世代光源LED与OLED的应用区隔概念图。93年日本山形大学城户教授发表白光OLED，OLED立即成为次世代光源候补技术而备受讨论。

图1、次世代光源LED与OLED的应用区隔

白光OLED具备凌驾发光效率高达100lm/W萤光灯的发展潜力，不含水银的白光OLED可以取代萤光灯、冷阴极灯号，无环保公害同时兼具可挠曲等特性。

OLED的材料与元件技术进步，部份特性已经达到能够与传统照明光源比较的水準，许多研究报告指出，高效率白光OLED的发光效率已经超过50lm/W。有关高效率白光OLED的元件寿命，研究报告指出以5000cd/m2(Nit)时，推测寿命超过3万小时以上，以往备受质疑的白光OLED元件年限问题，逐渐获得改善。

白光OLED的发光效率、元件寿命等单体特性，已经逼近传统照明光源萤光灯的100lm/W、减半寿命1万小时、辉度数千~1万cd/m2水准。

今后白光OLED当作照明光源使用时，除了必须同时兼具年限、效率特性之外，有关照明光源特性，例如维持照明被照明物，亦即辉度、发光面积呈比例，光源产生的光量大光束化，以及能够使被照明物正确再现的高演色性色调也是重要项目。

而一般家庭使用放射光束6000流明的萤光灯，白光OLED为获得相同光束时，要求5000cd/m2×60cm正方、高辉度、大发光面积。为获得高演色性白光，必须使用能够呈现RGB叁波长发光的元件结构，而非以往蓝-橙补色方式，因此开发高辉度、长期限、高演色性、大面积化元件的均匀发光与製作等实用化技术非常重要。

图2是LED与OLED的发光效率发展趋势，白光OLED从2000年开始出现明显成长，燐光发光材料的问世则开启发光效率的提升，高效率元件随着燐光发光材料以及周边材料的问世逐渐具体化，其中单色元件红、绿、蓝光分别实现49 lm/W、133 lm/W、54lm/W高效率化，换句话说材料的进步对OLED特性产生加乘效应。

图2、LED与OLED的发光效率发展趋势

此外取光效率的改善对效率提升也有重大影响，如图2所示电力效率超过50lm/W的白光OLED，取光结构扮演决定性角色。

为提高取光效率，研究人员积极检讨「基板模式取光」、「增加外部放射模式」、「控制元件内部导波模式」的改善对策，具体内容例如在基板表面製作金字塔状阵列，再黏贴到光学膜片，提升取光效率1.6~1.7倍的板模式取光方式。

元件内部导波模式，研究报告指出在基板与电极之间，设置低折射率层与散乱结构，可以提升取光效率1.4~1.6倍。然而上记不论哪种方式，目前OLED元件的光线利用效率还停留在40%附近，一般认为今后取光效率还有很大改善空间。

有关长寿命化，萤光白光OLED元件与燐光白光OLED元件，分别实现10万与20万小时的长寿命，64lm/W高电力发光效率，辉度1000 m2时寿命高达1万小时。

OLED的寿命与辉度呈互动关係，随着辉度领域、发光面积、元件结构不同，特别是高辉度发光、大面积OLED，受到驱动时温升影响，寿命有变短倾向，为实现OLED照明要求长寿命化技术。

有关长寿命化，电动输送层、发光层、电子输送层构成的发光单元，透过光穿透性中间层堆积，电气性串联的多单元结构，已经成为研究OLED元件的主流。而OLED元件的製造技术，虽然有各种提案，不过都不是最终版本，何者能成为主流是取决于今后材料技术的进展。目前照明用OLED大多採用蒸镀方式，部份採用涂佈方式。

2003年举办的灯饰展(Lighting Fair)，如图3(a)、(b)所示，会场展示高演色性OLED面板与使用OLED的照明空间，山形大学有机光电研究所特别强调OLED的薄形、面发光特徵，展示的OLED备受注目。

图3、OLED面板照明的展示

有关白光OLED的开发，各国积极推展国家计划，以日本为例2007年9月~2010年3月，日本经济产业部与NEDO的委託事业「使用有机发光机构的高效率照明技术的开发计划」，分别委託松下、出光、Tazmo公司全力开发白光OLED，2009年6月发表演色性93、电力效率37lm/W、推测半减寿命3万小时的白光OLED，试作元件採用RGB叁色混光方式，蓝光使用萤光材料，红光与绿光使用燐光材料，以及双层多单元(multi unit)结构。

图4是上记双层多单元高效率白光OLED的断面结构;图5是试作元件高效率白光OLED的特性资料;表1是最近几年照明用白光OLED的全球发展动向一览。由表1可知照明用白光OLED的竞争非常激烈，特别是欧洲厂商对照明用白光OLED的开发非常积极，2009年开始进行EU国家计划OLED 100，德国则独自推展计划，除此之外总共11家厂商参加的3年S0-light计划，正积极推展照明用白光OLED的开发。

图4、高效率白光OLED的断面结构

图5、高效率白光OLED的特性

表1、白光OLED发展动向一览

省能源化

OLED元件高效率化，使用萤光材料的蓝光OLED，全面改用燐光材料是当务之急，研究人员深切期盼短波长发光、长寿命蓝光材料的出现，未来若获得蓝光燐光材料，白光OLED可望媲美平面照明元件。

有关照明省能源技术，发光元件必须具备省能源化，共通技术例如使用红外线感测器检测人体，追加控制照明开∕关的照明灯具已经出现在市场，由此可之配合周围亮度控制最佳光量，获得省能源的照明灯具未来势必成为全球共识。

随着太阳电池与直流发电发电设备的普及化，一般认为对LED、OLED等直流驱动光源的省能源化产生巨大贡献，省能源系统的普及则牵引LED、OLED照明的推广。

结语

以上介绍次世代光源之一的OLED发展动向，与今后有待克服的课题。随着OLED元件结构、燐光材料的开发，不久的未来面发光OLED照明光源，可望为提供消费者另一项选择。