1.4 高效节能平面分布式固态光源——OLED灯

1.4.1 OLED灯概述

OLED作为显示器的应用研究已有多年，近来已开始它在照明灯方面的应用研究。无机的LED灯能提供很高的能效和特别长的寿命，但制造成本太高，从而被限制在特殊的应用。而OLED灯与LED点光源不同，它是新发展起来的一种高效节能的平面分布式光源，其优点是：制造成本与维护价格低、能耗与工作电压低而比较安全、高质量的光输出仅有少量的紫外光和红外光辐射、没有灯丝断裂而耐用、寿命长等。预计到2020年，固态光源与现有照明技术相比产生同样光输出时可节省50%能源，这意味着可减少能耗，因而较少产生空气和水的污染，可开发许多新的应用领域。

1. OLED灯的结构组成

OLED灯的结构组成如图1-13所示。它是由多层薄膜器件组成的，即由箔、膜、刚性或柔性的板作为基底，由电极层、活性材料层以及保护阻挡层等组成，要求其中至少一个电极对光透明。

图1-13 OLED器件典型结构

多层结构OLED的典型结构材料是：阳极是镀覆透明ITO膜的基板和近来开发的透明导电聚合物，如聚苯胺、聚吡咯和PEDOT（聚乙撑二氧塞吩）；阴极是低逸出功的Mg、Li和包含Ag和Al的合金，以及LiF/Al有机材料功能层是若干传递注入电荷（电子或空穴）到再结合区的聚合物或小分子有机化合物；发射光的荧光层尽量使用有效的磷光掺杂层，以及注入电荷的改进型化合物，如靠近阳极的导电聚合物和接近阴极的LiF或CsF盐等。典型的电荷传递聚合物是聚乙烯共轭物，如聚苯撑维尼纶的衍生物。传输空穴的小分子有机物是芳香胺，传输电子的小分子是各种高电子亲和力的多环芳香络合物。

聚合物OLED的优点是，可以由溶液沉积生成活性层，而小分子OLED的活性层是由气相沉积形成的。一般OLED的塑料衬底用PET材料，但它沉积时加热温度不能超过130℃，以及抗氧和水的渗透能力差。为此，开发新的塑料衬底，如Polyethersulphone和Polynorbornene。要求新的塑料衬底必须满足：至少能抗200℃的温度而无膨胀和收缩；从400nm到700nm光透过率为90%和带有ITO镀层的为85%；表面粗糙度小于10nm；每天氧的渗透率小于5～10 cc/m2；每天水的渗透率小于1mg/m2，以及不存在结晶、气泡、丝状缺陷等。

2. OLED的照明原理

OLED适合用做白光光源，因为荧光或磷光发光的添加物结构能定制发射任一所需颜色。对于白光发光器件可以有三个独立发光层，每一个发射不同的颜色，所以整个器件总共有7～9层，包括不同工艺（溅射、气相沉积、溶剂涂敷等）沉积的电极。OLED 灯是属于一维紧密型器件，整个厚度典型小于100～200 μm，所有层的沉积需要在无水无氧的10级超净间内进行。

如图1-13所示，工作时5～20V的电压加到电极，因活性层很薄（1～100nm），其场强高达105～107V/cm。该场强几乎接近击穿场强，它促使电荷通过电极和活性层的界面注入。空穴从透明的阳极注入，电子从阴极注入。注入电荷以彼此相反的方向迁移，最终相遇而结合。在结合时，释放能量并使再结合的分子或聚合物分段达到激发态。受激电子可以从一个分子迁移到另一分子，最后某些分子或聚合物分段以光子或热的形式释放，显然希望所有超额的激发能以光的形式释放。

在OLED有机分子中，大约25%的受激电子处在单重态，而75%处在三重态。从单重态发射的电子（荧光发射）大多数情况是由荧光掺杂促进的，它的内量子效率IQE最大限制为25%，而有机材料的三重态能量作为非辐射的热耗散对光发射无用。研究结果表明，采用磷光掺杂物的所有三重态的能量可以作为磷光加以利用，于是允许直到100%的IQE。近来，发射红光和绿光的磷光型OLED（PHOLED）的内量子效率几乎达到100%，外量子效率EQE达到19%（在实验条件下转换成40 lm/W），表明整个荧光系统的量子剧增。有时，在低至2.4V启动电压时，电流开始流动，并且有足够的空穴-电子对再结合，产生肉眼可见的光，而电流和相应的光强随驱动电压的增加而增强。

1.4.2 OLED灯的特点及与现有光源的比较

1. OLED灯的特点

新研发的OLED灯的主要特点是：①OLED灯不是点光源，而是分布式（散布式）平面固体光源，它重量轻、超薄、柔软、明亮、少阴影；②能耗低、工作电压低（3～5V），使用与维护安全；③能效高、寿命长，没有灯丝断裂而耐用；④环保，无污染，不发热，仅有少量紫外与红外辐射；⑤可沉积到任何衬底：玻璃、陶瓷、金属、薄塑料板、织物等柔软和相适应的衬底，能制成任意形状和式样，能调节发光灯任何想要的颜色，以及任意色的深浅和强度，包括白光；⑥具有良好的色坐标、实现接近100的高彩色重现指数（CRI），能调节白光从冷色到暖色；⑦属于电流驱动型器件，亮度可以在大于10000 cd/m2的动态范围内变化，并且它们均匀发光、不闪烁；⑧插入的元器件较少，能大规模、大面积、低成本地制造等。

2. OLED灯与现有光源的比较

表1-6是OLED灯相对于现有光源的优点所做的定性比较。

表1-6 各种光源的定性比较

目前，OLED的发光效率己达到30 lm/W，超过了白炽灯的水平，且绿光已达到110 lm/W。2004年2月，美国GE公司展出了由16个6×6 in2的面板组成的24×24 in2的白光LED光源，在1200 cd/m2下，效率已达到与白炽灯相当的15 lm/W；2005年初，日本IMES公司展出了28×28cm2的OLED照明光源，其亮度已达到400 cd/m2；后来，美国UDC公司又研制成6×6 in2的荧光OLED板，其显色指数大于80，在色温4000K发光效率达到30 lm/W，在2900K则为15～20 lm/W。

值得指出的是，生产OLED的设备可以沿用液晶生产线，而且光源材料可用地球上丰富而又廉价的材料制成，取之不尽，用之不竭，既节电、又环保。它不像LED的原材料（如镓、铟）是地球上的稀有元素，并且还要提纯到99.9999%才能使用，其制造设备昂贵、工艺复杂，以致价格偏高而影响白光LED灯照明的广泛应用。尤其OLED灯是面光源，可以弯曲、折叠，从而可使照明设计变得随心所欲。因此，OLED灯将是一种价廉物美的理想照明光源。