【特约】照明用白光有机电致发光器件的研究进展和发展趋势[1]

　　1 引言

　　有机电致发光器件(Organic Light-Emitting Devices, OLEDs)具有超薄、轻便、发光效率高、驱动电压低、响应速度快、色彩丰富、可视角宽等优点，在显示和照明领域具有十分广阔的应用前景，近年来在全球范围内掀起了巨大的研究热潮[1-3]。1987年，美国柯达公司的华裔科学家邓青云博士(Dr. C. W. Tang)以真空热蒸镀的方法制备出基于小分子荧光材料Alq3的低电压驱动高效绿光OLED，开启了实用性OLED研究的先河[4]。1993年，日本山行大学的城户教授(Prof. Junji Kido)等人研制出首个白光有机电致发光器件。当时报道的白光OLEDs发光效率只有1lm/W，外量子效率不足1%，寿命也不足一天[5]。如今，白光有机发光器件的研究取得了巨大进展，有可能继火、白炽灯、发光二极管LED之后，成为下一代革命性的发光技术而应用于日常生活中，如图1所示。

　　图1 发光技术的变迁及OLED照明带来的全新生活方式(图片源自日本Lumiotec公司，2013年，http://www.lumiotec.com)

　　通常情况下，照明使用光源的亮度需满足3000-5000cd/m2，且目前市售荧光管的发光效率可达70lm/W，使用寿命在10000小时以上。鉴于现有的状况，下一代照明光源必须具备更高的亮度和发光效率、更长的寿命、更逼真的物色还原力和更安全环保的性能。就OLEDs而言，将发射不同颜色的发光材料进行混合，能够产生具有高显色指数和适宜色温的白光[6]。从环境角度来看，白色OLEDs属于无汞类光源，满足欧盟WEEE和RoHS的要求。从能耗和安全的角度来看，传统光源中很大一部分能量都变为热能，如白炽灯发光时，其表面温度可达到90℃，荧光灯为60℃，存在火灾隐患，这就要求新型光源必须具备较高的能量转换效率和较低的工作电压以维持其表面的常温状态。被称为“绿色冷光源”的OLEDs可以保持30℃左右的表面温度，远低于传统光源[7]。不仅如此，OLEDs的独特之处还在于能够实现新奇的照明方式，如柔性透明面板照明和发光墙纸等[8,9]，可以在诸多领域如展览演出、家居装饰、汽车内饰、景观布置等方面得到应用。

　　独具优势的OLEDs注定要在人工照明领域大放异彩，许多国家和企业已重点关注并积极投身于OLEDs的研究热潮中来。国家方面，美国能源部的“固态照明计划(SSL)”以国家力量推动OLED产业的快速发展[10];欧盟“彩虹计划”和“OLED 100.eu计划”优先促进OLED照明的发展;韩国政府的“用于有效照明解决方案的新型发光二极管”计划(NoveLELS)，我国内地的“国家半导体照明工程”和台湾地区的“新世纪照明光源开发计划”等均大力支持高效节能灯具的开发，有助于推进OLEDs在照明领域的快速发展[11]。

　　企业方面，西门子旗下的Osram早在2011年就宣布开发出照明效率达87lm/W的OLED技术。2012年，Panasonic和Toshiba的研究人员独立制造出亮度为1000cd/m2，发光效率达90lm/W的白光OLED面板。Panasonic的研究员们更是将叠层白光OLED的寿命提升至100000小时(亮度为1000cd/m2)[12,13]。 仅1年之后，Panasonic公司使用基于高指数材料的光耦合衬底，实现了1000cd/m2下的114lm/W超高光效OLED面板[14]。如图2，老牌公司Panasonic、Toshiba和新秀企业三菱旗下的Lumiotec均在2013年公开其自主研发的OLED照明产品，日立也凭借自主涂布技术涉足OLED照明业务[15]。Philips和BASF结成战略联盟，携手开发透明OLED照明产品，目标锁定高端车顶灯市场。此外LG化学也对外宣布，将在2015年前制造出300×300mm2尺寸的白光OLED面板，其规格为，亮度超过3000cd/m2，发光效率不低于135lm/W，寿命达到40000小时以上[16]。2008年，清华大学合作组建的维信诺公司在昆山成功建成我国第一条OLED面板规模化生产线，实现小尺寸OLED产品的量产[17]。拥有多项OLED专利的南京第壹有机光电公司于2012年成功制造出发光效率达73lm/W的内光提取白光IES-OLED照明器件，技术指标刷新世界纪录并计划在今年实现量产[16]。各企业在加紧OLED技术革新和专利布局的同时[18]，知名显示面板厂商如Samsung、LG、友达、京东方、奇美、天马等也都展开OLED面板的产业化战略布局，力争在这项显示和照明新技术的产业化方面拔得头筹。

　　图2 Toshiba推出的无线供电OLED照明面板(左)和Lumiotec展出的高显色性能OLED面板(右)

　　本文在介绍白光有机电致发光器件的相关技术原理后，对近期照明用白光OLEDs的研究现状进行综述，从OLED材料的角度出发，分别对下面三种关键性技术进行阐述。

　　(1)低工作电压技术：由于OLEDs的工作电压和能耗直接成正比，因此必须通过降低OLED的工作电压来实现“经济型”发光;

　　(2)磷光OLED技术：采用磷光材料可以实现较高的内量子效率(电子-光子转变率);

　　(3)多光子发光(Multi-Photon Emission, MPE)技术：一般情况下，当发光亮度较高时，OLEDs在发光效率和寿命上都会大幅度降低，通过这种叠层式OLED多光子发光装置可实现高亮度下的高光效和长寿命。

　　2 有机电致发光器件OLEDs的发光机理及其结构

　　2.1 有机电致发光器件的发光机理

　　有机电致发光现象是指在有机半导体发光材料在电场作用下受激发并辐射出光的现象[19]。图3所示为OLEDs发光过程示意图[20]，在正向电压驱动下，其发光过程主要有如下五个步骤：

　　(1)载流子由电极注入(Injection)：载流子(空穴和电子)克服电极和有机材料之间因能级不匹配形成的界面势垒后注入器件，过大的界面势垒会阻碍载流子的注入，影响器件的工作电压和电流密度;

　　(2)载流子的传输(Transport)：载流子在功能层中以跳跃的方式相向迁移或扩散并渐渐向发光层靠近。在跳跃的过程中，空穴或电子易被杂质或缺陷俘获，电流密度受抑制;

　　(3)载流子的复合(Recombination)：空穴和电子在发光层相遇并复合，对于小分子OLED，该过程可直接辐射发光。对于高分子聚合物OLED，空穴与电子受库仑力的作用相互俘获形成暂稳态的空穴-电子对(激子);

　　(4)激子的形成(Exciton formation)：根据量子自旋理论的计算结构，形成单线态激子和三线态激子的比例为1:3，即25%的单线态激子，75%的三线态激子[21];

　　(5)激子的扩散、复合并释放光子(Photon liberation)：在浓度梯度的作用下，激子发生扩散。一部分激子经弛豫衰减后复合发光，单线态激子和三线态激子分别辐射出荧光和磷光[22]。

　　图3 有机电致发光过程示意图

　　2.2 有机电致发光器件的结构

　　OLEDs属载流子注入型发光器件，通常具有多层结构，图4即为目前OLEDs大多采用“三明治”结构。该结构由多个作用不同的功能层组成，分别是透明金属氧化物的阳极层(Anode，通常为氧化铟锡ITO)、空穴传输层(Hole Transport Layer， HTL)、发光层(Emissive Layer，EML)、电子传输层(Electron Transport Layer，ETL)和金属阴极层(Cathode，通常为低功函数金属Li，Ca，Al，Mg，Ag等)构成。阴阳两极之间夹杂着有机层，辐射光由侧面的透明导电基板射出。在层与层之间存在着有机/有机和有机/金属界面，界面层材料的性质对OLEDs性能的影响很大。更复杂的结构在传输层和发光层之间设置载流子阻挡层来降低电极淬灭的扩散电流比例，提升光效。此外，公开研究报道中还有采用超晶格和量子阱结构的OLED器件[23]。

　　图4 OLEDs的结构示意图

　　2.3 白光有机电致发光器件的实现方法

　　为了获得色度和品质较好的白光，一般不直接使用白色发光材料，而是采用混合白光的方式。有机蓝光能够较为轻易的获得，所以白光有机电致发光器件主要是通过在有机发光主体层中掺杂红、绿色的发光材料或是利用不同颜色的多层发光层组合白光予以实现。通常认为OLEDs的发光效率超过100lm/W就可以取代一般照明。