有机EL照明及其开发动向

1 有机EL材料及其器件结构

1.1 有机EL材料

所谓EL(Electro Luminescence 电致发光)材料，包括分子量小的低分子材料(通常低分子材料，低分子有机EL)与高分子材料(通常高分子EL)。两者的不同，单纯按分子量的不同来区分，不如说一个是将同结构异分子量的分子，视为不纯物;一个是把它当作同一材料，这样区分更合理。高分子材料是单基物(monomer)单位的重复，进行真空镀敷与分解，最终的性能显著下降，故使用掺杂法制成。在高分子材料中，包含主链骨架π电子共轭系高分子，视其为具有PL的导电性高分子。一般的导电性高分子多缺乏可溶性，为提高其可溶性，引入烷基(alkyl)等置换基，能实现自旋浇铸(spin east)法 、印刷法(含墨水喷射法)等。所谓有机EL用的共轭高分子，有聚对苯乙烯感电体(PPV)，聚荧光素(poly fluoren)感电体等。对于高分子材料来说，还有采用主链骨架Z烯基(Viayl)的非共轭系高分子，这是将导电部位和发光部位悬置而作为功能基的，可溶性高，且很好利用了聚乙烯咔唑(pvcz)。最近，对具有磷光发光部位的高分子材料也进行了开发。

1.2 有机EL器件的结构

图1所示为有机EL器件的结构，这是单纯的多层结构，是C.W.tang博士报导的器件结构中，最简单的空穴传输层与发光层组合一起的结构。高分子EL中，因形成上部层时担心溶解下部层，难于组成多层结构，故通过空穴注入层+发光层这一简单结构制成。这一空穴注入层上的噻吩(thiophene)感电体PEDOT，采用了PSS，将该导电粒子分散于水中形成膜以后，进行缓冷(anneal)而利用，这就是低分子有机EL中的干燥处理(dryprocess)，薄膜结构不致损坏。空穴注入层(HI)、空穴传输层(HT)、发光层(EM)、电子传输层(ET)、空穴阻挡层(HB)与电子注入层进行了功能分离，其中空穴传输层和发光层做成二层，这是能发挥最佳性能而提出的复杂结构方案。而且，为改善稳定性与寿命，引入混合层和有机合金法是有效的。

因需要从有机EL取出光，最少必须一端为透明电极。光的取出方式，有从基板层取出的底部发射型和从成膜侧取出的顶部发射型。将通常基板侧作为空穴注入侧，但也有作为电子注入侧的逆结构型。所谓透明电极，一般是采用铟锡氧化物半导体(ITO)。导电性高，透明性好的ITO的制成，需要数百℃的基板加热温度。在用于显示器的情况下，能将驱动晶体管形成于下层，开口率高的顶部发射型已成为主流，故透明电极的形成很重要。在照明控制盘情况下，较之密封等受制约的顶部发射型，底部发射型在制作时加工处理更方便。

对于金属阴极，因降低了电子注入的势垒，利用了功函数低的金属。但具有低功函数的金属，水和氧的活性弱，是初期有机EL的劣化原因之一。

2 有机EL的发光原理

OLED(Organic Light Emitting Diode)是指有机半导体材料和有机发光材料在电场的驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的技术。

图2所示为有机EL的发光原理。用ITO玻璃透明电极和金属电极分别做成有机EL器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子传输层(ET)和空穴传输层(HT)，然后分别迁移到发光层(EM)，相遇后形成激子(exciton),使发光分子激发，后者经过辐射后发出可见光。辐射光可从ITO玻璃板一侧看到，金属电极膜同时也起到了发射层的作用。

当注入的空穴和电子的比例为1:1时，对应于合理的电流，效率高。有利于再结合的电流成分与流过器件的全电流之比，称为载流子平衡(Carrier balance)因数。与无机半导体不同，有机分子中的再结合，形成所谓激子的激励状态。激子失去活性之际则发光。通过载流子的再结合，自旋多重度各异的一重激子与三重激子形成1:3的比例时(荧光激子的生成效率为25%)，由一重激子发出的光称为荧光，由三重激子发出的光称为磷光。按照激子生成的比例，发出磷光的效率高。由于自旋禁制，三重激子的寿命比一重激子的寿命较长。但因发热而易于无辐射的失去活性。以重金属作为中心金属的金属络合物中，将一重激励状态与三重激励状态相互之间进行交叉，可得到常温下产生100%磷光的材料。如果利用这样的一种材料，则能实现高效率的有机电致发光(EL)。

一般，由光激励的激子辐射光的比例，称为PL量子效率。若取出的光子数与流过有机膜器件的电子数相同，则内部量子效率处于100%的状态。但实际上必须从透明电极和基板之外取出光，这就是外部取出光的效率低的原因。尤其对光学研究不足的底部发射型，光的取出效率仅20%左右。这种场合下利用荧光材料，即使采用参数的最大值，外部量子效率仅5%。完全转换为磷光材料时，可提高到20%。

图3为有机EL的电致发光效率示意图。外部量子效率可按式(1)给出

ηext=α·ηint=α·φpl·φexc·r (1)

式中：α-从外部取出光的效率;ηint-内部量子效率;φpl-PL量子效率;φexc-激子生成效率;r-载流子平衡因数。此外，有机EL的外部量子效率，有随电流的增加而下降的趋向(roll-off现象)，特别对效率高的磷光材料更明显。为此，在高亮度区，磷光材料与荧光材料的外部量子效率几乎无差别这并不罕见。

3 有机EL的特点

有机EL的主要特点可列举如下：(1)由于基板可做成柔性结构，能实现薄形轻量化;(2)为平面型面发光体，可以卷起来;(3)高速响应，发光反应速度快;(4)工作时产生的热量低，耗电量相应少;(5)抗震动，耐撞击性能好;(6)应用较方便，成本低;(7)不含汞，环保无汞污染;(8)制造工艺较简单，易于大规模生产;(9)使用寿命长，目前已达到5000h~20000h，理论上可达20万h;(10)发光效率高，目前OLED的发光效率已达60 lm/w，预计可达到200 lm/w以上，特别是有机EL用于显示器场合，广阔视野角度(视角广)的高对比度，无论在亮的场所还是暗的场所，图象质量都非常鲜明，可谓是显示器的理想材料和器件。[!--empirenews.page--]

4 与其它照明光源的比较

图4所示为有机EL、LED、无机EL的发光原理图。有机EL为面发光体，作为面发光体还有前述的无机EL。有机EL和半导体LED均为注入型电致发光，无机EL则为固有的电致发光。而且，在无机EL中，连续的发光需100V以上的电压和数kHz的高频率。即使目前未能达到高亮度状态，但利用涂敷法能实现BO尺寸的平面发光还是有魅力的。图5为EL潮流公司的AO尺寸发光薄膜与用半导体LED装配的照明面板。作为无机EL的研究课题，应提高亮度与实现白色化。

电光源技术经历了第一代的热辐射电光源(如白炽灯，卤钨灯等)，第二代的低压气体放电电光源(如荧光灯)，第三代的高压气体放电电光源(如高压汞灯、高压钠灯和金卤灯等)和第四代的固体电光源(如LED等)的变迁。

白炽灯的价格低是其优点，但至今在能源问题上的耗电，大部分能量转成热而散散掉，故能效低的白炽灯，预定在2012年以后将停止生产。荧光灯的效率较高和寿命较长是优点，价格也不算高，但伴随着气体放电的汞(Hg)原子，因其激励和失去活性引发紫外(UV)光，紫外光在荧光体中变换成可见光，由此而照明。原理上照明光中含有UV光，在有些场合是不适用的。同时，废弃时还应考虑汞的环境污染。根据ROHS对有害物的限制指令，汞将是直接被规定限制的对象。

半导体LED其高亮度与长寿命是显著优点，至于在照明上的应用还须考虑以下问题：(1)LED是点光源，发光面积小，光输出过于集中，故必须进行二次配光才能达到实际使用效果;(2)LED芯片的主要材料镓(Ga)，原材料稀少，成本高。目前LED的售价是白炽灯、气体放电灯十几倍甚至几十倍以上，这是LED推广应用的瓶颈。不过，现在LED的制作方法已经确立，芯片的制造可实现自动化，正向低成本化急速推进，有望提高性价比。

最近开发的藉助扩散板的面光源监控盘, 如图5所示。这一面光源是利用了有机EL，其发光效率(接近荧光灯的)已得到迅速改善。发光光谱为完全的可见光，尤其是有效发挥了平面光源的照明设计特色。

有机EL(电致发光)是继LED之后又发现的一种更为优秀的(参见本文第3节)固态电光源。不远的将来它将会广泛应用于照明场合，会逐步瓜分LED和部分气体放电光源的应用市场，形成照明领域的主要电光源之一。

照明的基色为白色光，有机EL用于照明时，白色光的制法可通过：(1)利用具有广阔EL光谱的单独材料;(2)利用具有蓝色与黄色那样补色关系的发光材料;(3)利用红绿蓝(RGB)三色以上的发光材料来实现。图6 所示为器件的结构与白色化的概念图。

表1 有机EL与其它照明光源的比较