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平面分布式固态光源——OLED灯

发布时间:2018-08-12 14:57热度()我要投稿
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导读:目前实用的固态光源,除白光LED灯外,又新发展起来一种高效节能的平面分布式OLED有机发光二极管灯。它们不同于玻

  目前实用的固态光源,除白光LED灯外,又新发展起来一种高效节能的平面分布式OLED有机发光二极管灯。它们不同于玻璃泡壳内抽真空或充气的白炽灯或荧光灯,因为它们发光时不发热。这种固态光源的优点是:效率高、能耗低、工作电压低而比较安全、没有灯丝断裂因而耐用寿命长、维护价格低、有高质量的光输出仅有少量的紫外光和红外光辐射等。预计到2020年,固态光源比现有照明技术产生的同样光输出,可节省能源50%,这意味着可减少能耗,因而较少产生空气和水的污染。

  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。OLED灯与LED点光源不同,它是很薄的平面分布式光源,且能大规模、大面积、低成本制造,因而可开发新的应用领域。

  OLED灯的结构组成

  OLED灯的结构是由多层薄膜器件组成,即由箔、膜、刚性或柔性的板作基底,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。

  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;阴极是低逸出功的Mg、Li和包含Ag和A1的合金,以及LiF/AI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。电荷传递聚合物典型的是聚乙烯共轭物,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的活性层典型是由气相沉积形成。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10-5cc/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。

  OLED的照明原理

  OLED适合用作白光光源,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100~200μm,所有层的沉积需要在无水无氧的10级超净间内进行。OLED灯的实验室样品一般用真空热蒸发和旋转喷镀工艺,但不能大规模低价格制造大面积灯。

  聚合物OLED用卷绕Roll-To-Roll(工作速度20英尺/秒)镀膜或WebCoating是一个廉价制造工艺,但要精密控制各层的厚度和膜的均匀性,否则会影响发光的颜色、效率和整个面上的一致性。小分子OLED通常用连续气相沉积工艺,同样膜厚均匀性的控制是关键。

  工作时5~20V的电压加到电极,因活性层很薄(1nm~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行层的界面注入。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作为光的方式释放。

  在OLED有机分子中,大约25%的受激电子是处在单重态,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40lm/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,而电流和相当的光强随驱动电压增加而增强。

  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灯主要有下列几个特点:

  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,包括白色光;

  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是电流驱动型器件,亮度可以在大于10000cd/㎡的动态范围内变化,并且它们均匀发光、不闪烁;

  ⑧较少的插入元器件,能大规模、大面积、低成本制造等。

  (2)OLED灯与现有光源的比较

  表1综合了OLED灯相对于现有光源的优点所作的定性比较,但在达到目标前依然存在许多技术关键。再过5年灯光市场将增长到每年约400亿美元,基于新颖性能的OLED灯将很快获取10%的市场份额。当效率和价格接近荧光灯的目标时,在10~12年内可获取50%的市场份额。

  表1各种光源的定性比较

  OLED灯的应用市场及研发目标

  (1)OLED灯的应用

  OLED替代白炽灯,卤素灯和荧光灯的一般应用如下:

  ①居住和商业建筑用的照明灯板;

  ②用OLED“壁纸”作大型广告牌和标志板,甚至大到200平方英尺;

  ③家庭和办公室的变色平板灯和大面积壁、天花板的平板灯;

  ④大面积液晶电视和显示器的背光灯;

  ⑤办公室的窗,壁和分隔可兼作平板灯和计算机屏两用;

  ⑥还能作超轻的壁挂电视监视器等。

  由OLED可开发的新应用:

  ①作智能灯;

  ②与显示、汽车、建筑和军用设备等集成的应用;

  ③从可编程性能(光强、光色、光束方向)中得到益处的应用等。

  (2)OLED灯的研发目标

  在OLED不断向前发展的同时,也有一些关键课题有待攻克:

  ①研发并实现100%内量子效率的全色发射体器件,并可设计发射体,以便控制它获得在色品图中的任一色;

  ②研发并获得低注入势垒、高迁移率而稳定的电荷传递化合物;

  ③开发高导电率、稳定透明的有机聚合物代替现有昂贵的ITO透明导电电极,开发包含活性差的导电聚合物薄阻挡层的多层金属系统代替金属合金阴极;

  ④深入理解导致活性材料中光化学和电化学变化的途径,并开发阻止发生这些反应的方法,由此增加OLED的寿命;

  ⑤提高OLED外量子效率(达到60%),从而增加OLED的发光效率;

  ⑥优化发射体的组合:获得具有CIE坐标为0.32,彩色重现指数CRI大于80的白光OLED;

  ⑦防止湿、氧和二氧化碳的侵入的有效的方法,以增加它们的存放寿命和工作寿命;

  ⑧开发最佳的低电压、大电流直流条件下工作的光源和相关线路等。

  固态光源OLED目前正处在长期研发中,美国的技术进程详情可见下表

  表2OLED灯光性能、寿命和价格增进的技术进程

  由上看出,有机发光二极管OLED灯,不是点光源,而是一种高效节能的平面分布式固态光源。因此,它可获得大面积板和天花板照明,可作大型广告牌和标志板,家庭和办公室的变色平板灯和大面积壁、天花板的平板灯等。

  并且,还可兼作计算机屏、壁挂电视屏与安防监控系统的监视器等智能化应用。尤其这种灯的环保、无污染、高效、节能、寿命长、重量轻、超薄、柔软、明亮、少阴影、使用安全方便、能智能化等潜在优点,符合未来社会的发展需要。所以,其未来应用广泛,开发前景诱人,是现代灯具的重要发展方向。

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