照明用白光OLED技术的现状与挑战[1]

　　我国是世界上用电量较大的国家之一，电量的12%被用于照明，目前照明光源主要有白炽灯和荧光灯。白炽灯的效率很低，只有12~15 lm/W，大部分能量以热的形式被浪费掉，荧光灯的效率约为白炽灯的4 倍，但是荧光灯含有汞，会造成环境污染。因此，迫切需要一种新型的光源技术，于是有机发光二极管应运而生。OLED 是平面固态光源，发光均匀，不闪烁，不仅效率高，有效节省了资源，而且环保无污染，还可以制备在柔性衬底上，是一种新型的具有无限应用潜力的绿色光源技术。

　　OLED 技术于1963 年被Pope 教授[1]发现，但是由于当时器件的驱动电压太高，发光效率太低，而没有引起足够的重视，直到1987 年，柯达的C. W.

　　Tang 和Van Slyke[1]首次制成了双层OLED 器件结构，实现了用低压直流驱动来获得高亮度和高效率的效果，自此OLED 的研究进入了一个快速发展的时期。经过二十余年的不断发展，白光OLED 技术取得了很多进步，现在已经逐步成熟，而且已有少量产品进入市场。OLED 的一般结构如图1 所示。

　　1 OLED 的器件结构与机理

　　1.1 白光的获得

　　按照色度学原理，白光往往通过混合两互补色(如黄色和蓝色)，或者三基色(红、绿和蓝)来实现，只要两互补色的色坐标的连线可以通过白光区域，或者三种颜色的色坐标的连线所形成的三角形包括白光区域，然后通过调节各种颜色的发光强度，合理叠加即可获得白光。另外，还可以通过单一化合物来获得白光，但是目前这种化合物较少，而且所制备的器件的发光亮度和发光效率一般不高。

　　1.2 白光器件的结构

　　白光器件按照结构来划分，可以分为多种结构：单一化合物发白光、单发光层白光OLED、多发光层白光OLED、微腔结构白光OLED、PIN 结构白光OLED、叠层结构白光OLED 和下转换白光OLED。

　　1.2.1 单一化合物发白光

　　这种结构主要以旋涂的单一聚合物为主，由于结构简单，可用旋涂、喷墨、印刷、卷对卷等廉价的加工工艺成膜，制备的白光OLED 在显示与照明领域中由于低成本而得到广泛应用。然而，由于效率低、稳定性差等问题，单一聚合物白光OLED 一直没有取得明显进展。最近，L. X. Wang[2]研究组在单一聚合物白光OLED 方面取得了突破，他们用分子掺杂的物理思想，在发光分子的主链或侧链上引入高效率发光基团，通过控制主链分子与发光基团之间的能量传递，合成出了一系列可发白光的单一聚合物，并用这些聚合物制备出了高效率白光OLED。目前最好的结果是亮度12,680cd/m2，效率8.99cd/A 和5.75lm/W，CIE 色度坐标(0.35，0.34)，重要的是由于不存在分子掺杂型的相分离问题，这种单一聚合物白光

　　OLED 显示了非常好的光谱稳定性，图2 给出了两个单一聚合物白光器件在不同电压下的电致发光光谱。可以看到，光谱并不随电压发生变化，这在实际应用中非常重要。

　　1.2.2 单发光层白光OLED

　　另一个制备白光OLED 的方法是用红、绿、蓝或蓝和橙染料共同掺杂在单一主体材料中，也可以用能产生激态缔合物(excimer) 或激基级复合物(exeiplex)发射的材料掺杂在单一发光层中，也就是这里所说的掺杂单发光层的结构。这种结构最简单的方法就是把发不同颜色光的染料按一定比例同时掺杂在聚合物中，并通过旋涂的方法制备，而利用真空蒸镀方法也可以实现这种结构，多源掺杂时浓度的控制显得非常重要。

　　1.2.3 多发光层白光OLED

　　多发光层器件通常是蓝光、橙光两个发光层或红、绿、蓝三个发光层。通过调整蓝和橙或红、绿、蓝发光层发射光的比例来实现白光发射。因为器件的显色性和效率都很高，多发光层器件成为目前研究最多的白光OLED 结构。可以看到，要达到所要求的白光色度和效率，所堆积的各有机层的厚度和能级必须严格控制。由于包含了多个有机- 有机界面，有机- 有机层之间存在的界面势垒往往会阻止载流子的注入，产生焦耳热，因此为了消除界面势垒问题，邻近层之间材料的最低未占据轨道(LUMO)和最高占据轨道(HOMO)的选择必须相互匹配。从而实现载流子的有效注入和传输。由于各有机层之间是相互独立的。可以分别优化，充分发挥各有机层的性能，最大限度地提高器件性能。各发光层可以用稳定性好的全荧光材料，可以用效率更高的全磷光材料，也可以用荧光和磷光混合的方式，极大地提高了器件设计的灵活性。

　　但由于结构中不同发光层退化程度不同，致使器件的颜色不稳定，而且器件同时也存在制备复杂等问题。

　　1.2.4 微腔结构白光OLED

　　微腔结构是基于微腔共振效应对器件的光学结构进行的改进。微腔，也称为法布里- 珀罗(Fabry-Perot，F- P)谐振腔。最典型的微腔结构是由两个反射镜及其间所夹的工作物质所组成，其中两个反射镜可以全是金属，可以是由介质层堆积的分布布拉格反射器(distrib- uted bragg reflector，DBR)，也可以一侧是金属，一侧是DBR。由于微腔对白光发射的放大作用以及模式选择效应，微腔往往会提高器件的亮度和效率。微腔共振等结构在白光OLED 器件中已经得到了应用。Sang- Hwan Cho、Jeong Rok Oh 等[3]人报道的微腔共振结构中得到了CIE 色度坐标(0.34，0.34)、发光效率2.29cd/A 的器件。图3 所示为器件结构和发光性能。

　　1.2.5 PIN 结构的白光OLED

　　所谓p- i- n 型OLED 结构是指将p 或n 型的掺杂层作为元件的空穴和电子传输层。这种结构是解决电子和空穴注入问题最成功的方法，因为它能最大限度地提高电子和空穴到有机发光层的注入，使更多的电子和空穴复合，降低工作电压。2004 年研制成功了功率效率64 lm/W 的绿色磷光器件，之后又在500cd/m2 亮度下使器件的寿命达到10 万小时。p- i- n 型结构是目前比较热门的研究方向，主要集中在提高器件性能稳定性和应用于白光器件的新结构如顶射式、倒置式效率的提高问题上。而新型材料的研制也是发展的一个方向，例如在空气中具有高稳定性材料NDN- 26。Jan Birnstock、TobiasCanzler 等人[4] 研究的PIN 结构器件在亮度1,000cd/m2 下寿命达到300,000 小时。图4 所示为研究器件的结构及发光特性曲线。同时他们研究的器件运用NDN- 26 也得到较好的CIE 坐标(0.23，0.31)[5]。