淺談?dòng)袡C(jī)EL照明的發(fā)展

導(dǎo)讀：點(diǎn)光源LED蘊(yùn)藏優(yōu)秀發(fā)展?jié)摿?，不過單一LED不易取得面光源，必須使用復(fù)數(shù)LED散熱、波長(zhǎng)漂移、驅(qū)動(dòng)電路與光學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜等缺點(diǎn)，因而促進(jìn)有機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成的有機(jī)EL快速發(fā)展。

電燈是人類偉大發(fā)明之一，由于近年環(huán)保意識(shí)抬頭，要求以高省能源器材取代過往設(shè)備。在照明領(lǐng)域自2007年開始，各國(guó)不約而同提倡停止製造發(fā)光效率比螢光燈差的白熱燈泡政策，2008年4月日本經(jīng)濟(jì)部正式發(fā)表行政方針，各廠商受到該政策影響，表示2012年縮小或是停止製造白熱燈泡，積極鼓勵(lì)消費(fèi)者更換成燈泡型螢光燈。然而熒光燈等高電壓放電光源使用水銀有毒物質(zhì)，更換成燈泡型螢光燈時(shí)必須考慮無水銀化，雖然部份地區(qū)出現(xiàn)規(guī)範(fàn)水銀的動(dòng)向，不過無水銀化的高電壓放電技術(shù)，目前還無法取代螢光燈或是水銀燈，因此螢光燈與水銀燈有條件排除在適用規(guī)範(fàn)外。

有鑒于近年發(fā)光二極體(LED)急速發(fā)展，新照明方式逐漸展露頭角，LED為傳統(tǒng)白熱燈泡、螢光燈截然不同發(fā)光塬理，屬于全固態(tài)發(fā)光元件。LED的發(fā)光塬理早在60年代被發(fā)現(xiàn)，不過當(dāng)時(shí)卻未開發(fā)照明用。高效率白光LED，20世紀(jì)末期中村教授發(fā)表高效率藍(lán)光LED，正式揭開白光LED技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，白光LED成為次世代照明光源，各廠商陸續(xù)開發(fā)LED燈泡、燈具。

雖然點(diǎn)光源LED蘊(yùn)藏優(yōu)秀發(fā)展?jié)摿?，不過單一LED不易取得面光源，必須使用復(fù)數(shù)LED散熱、波長(zhǎng)漂移、驅(qū)動(dòng)電路與光學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜等缺點(diǎn)，因而促進(jìn)有機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成的有機(jī)EL快速發(fā)展。

有機(jī)EL又稱作「有機(jī)發(fā)光二極體(OLED: Organic Light Emitting Diode)」，它是在基板上製作復(fù)數(shù)有機(jī)物薄膜，施加電流時(shí)形成面發(fā)光，可作白色發(fā)光。最近幾年材料與元件技術(shù)飛躍性提升，OLED的電力效率接近實(shí)用等級(jí)，一般認(rèn)為未來可望獲得媲美LED的發(fā)光效率，取代白熱燈、螢光燈成為實(shí)現(xiàn)無水銀化的照明光源。此外點(diǎn)光源的LED與面光源的OLED巧妙組合，還可以營(yíng)造全新的照明空間。接著介紹次世代光源之一的OLED發(fā)展動(dòng)向，與今后有待克服的課題。

照明用OLED

圖1是次世代光源LED與OLED的應(yīng)用區(qū)隔概念圖。93年日本山形大學(xué)城戶教授發(fā)表白光OLED，OLED立即成為次世代光源候補(bǔ)技術(shù)而備受討論。

圖1、次世代光源LED與OLED的應(yīng)用區(qū)隔

白光OLED具備凌駕發(fā)光效率高達(dá)100lm/W螢光燈的發(fā)展?jié)摿Γ缓y的白光OLED可以取代螢光燈、冷陰極燈號(hào)，無環(huán)保公害同時(shí)兼具可撓曲等特性。

OLED的材料與元件技術(shù)進(jìn)步，部份特性已經(jīng)達(dá)到能夠與傳統(tǒng)照明光源比較的水準(zhǔn)，許多研究報(bào)告指出，高效率白光OLED的發(fā)光效率已經(jīng)超過50lm/W。有關(guān)高效率白光OLED的元件壽命，研究報(bào)告指出以5000cd/m2(Nit)時(shí)，推測(cè)壽命超過3萬小時(shí)以上，以往備受質(zhì)疑的白光OLED元件年限問題，逐漸獲得改善。

白光OLED的發(fā)光效率、元件壽命等單體特性，已經(jīng)逼近傳統(tǒng)照明光源螢光燈的100lm/W、減半壽命1萬小時(shí)、輝度數(shù)千~1萬cd/m2水準(zhǔn)。

今后白光OLED當(dāng)作照明光源使用時(shí)，除了必須同時(shí)兼具年限、效率特性之外，有關(guān)照明光源特性，例如維持照明被照明物，亦即輝度、發(fā)光面積呈比例，光源產(chǎn)生的光量大光束化，以及能夠使被照明物正確再現(xiàn)的高演色性色調(diào)也是重要項(xiàng)目。

而一般家庭使用放射光束6000流明的螢光燈，白光OLED為獲得相同光束時(shí)，要求5000cd/m2×60cm正方、高輝度、大發(fā)光面積。為獲得高演色性白光，必須使用能夠呈現(xiàn)RGB叁波長(zhǎng)發(fā)光的元件結(jié)構(gòu)，而非以往藍(lán)-橙補(bǔ)色方式，因此開發(fā)高輝度、長(zhǎng)期限、高演色性、大面積化元件的均勻發(fā)光與製作等實(shí)用化技術(shù)非常重要。

圖2是LED與OLED的發(fā)光效率發(fā)展趨勢(shì)，白光OLED從2000年開始出現(xiàn)明顯成長(zhǎng)，燐光發(fā)光材料的問世則開啟發(fā)光效率的提升，高效率元件隨著燐光發(fā)光材料以及周邊材料的問世逐漸具體化，其中單色元件紅、綠、藍(lán)光分別實(shí)現(xiàn)49 lm/W、133 lm/W、54lm/W高效率化，換句話說材料的進(jìn)步對(duì)OLED特性產(chǎn)生加乘效應(yīng)。

圖2、LED與OLED的發(fā)光效率發(fā)展趨勢(shì)

此外取光效率的改善對(duì)效率提升也有重大影響，如圖2所示電力效率超過50lm/W的白光OLED，取光結(jié)構(gòu)扮演決定性角色。

為提高取光效率，研究人員積極檢討「基板模式取光」、「增加外部放射模式」、「控制元件內(nèi)部導(dǎo)波模式」的改善對(duì)策，具體內(nèi)容例如在基板表面製作金字塔狀陣列，再黏貼到光學(xué)膜片，提升取光效率1.6~1.7倍的板模式取光方式。

元件內(nèi)部導(dǎo)波模式，研究報(bào)告指出在基板與電極之間，設(shè)置低折射率層與散亂結(jié)構(gòu)，可以提升取光效率1.4~1.6倍。然而上記不論哪種方式，目前OLED元件的光線利用效率還停留在40%附近，一般認(rèn)為今后取光效率還有很大改善空間。

有關(guān)長(zhǎng)壽命化，螢光白光OLED元件與燐光白光OLED元件，分別實(shí)現(xiàn)10萬與20萬小時(shí)的長(zhǎng)壽命，64lm/W高電力發(fā)光效率，輝度1000 m2時(shí)壽命高達(dá)1萬小時(shí)。

OLED的壽命與輝度呈互動(dòng)關(guān)係，隨著輝度領(lǐng)域、發(fā)光面積、元件結(jié)構(gòu)不同，特別是高輝度發(fā)光、大面積OLED，受到驅(qū)動(dòng)時(shí)溫升影響，壽命有變短傾向，為實(shí)現(xiàn)OLED照明要求長(zhǎng)壽命化技術(shù)。

有關(guān)長(zhǎng)壽命化，電動(dòng)輸送層、發(fā)光層、電子輸送層構(gòu)成的發(fā)光單元，透過光穿透性中間層堆積，電氣性串聯(lián)的多單元結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為研究OLED元件的主流。而OLED元件的製造技術(shù)，雖然有各種提案，不過都不是最終版本，何者能成為主流是取決于今后材料技術(shù)的進(jìn)展。目前照明用OLED大多採(cǎi)用蒸鍍方式，部份採(cǎi)用涂佈方式。

2003年舉辦的燈飾展(Lighting Fair)，如圖3(a)、(b)所示，會(huì)場(chǎng)展示高演色性O(shè)LED面板與使用OLED的照明空間，山形大學(xué)有機(jī)光電研究所特別強(qiáng)調(diào)OLED的薄形、面發(fā)光特徵，展示的OLED備受注目。

圖3、OLED面板照明的展示

有關(guān)白光OLED的開發(fā)，各國(guó)積極推展國(guó)家計(jì)劃，以日本為例2007年9月~2010年3月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)部與NEDO的委託事業(yè)「使用有機(jī)發(fā)光機(jī)構(gòu)的高效率照明技術(shù)的開發(fā)計(jì)劃」，分別委託松下、出光、Tazmo公司全力開發(fā)白光OLED，2009年6月發(fā)表演色性93、電力效率37lm/W、推測(cè)半減壽命3萬小時(shí)的白光OLED，試作元件採(cǎi)用RGB叁色混光方式，藍(lán)光使用螢光材料，紅光與綠光使用燐光材料，以及雙層多單元(multi unit)結(jié)構(gòu)。

圖4是上記雙層多單元高效率白光OLED的斷面結(jié)構(gòu);圖5是試作元件高效率白光OLED的特性資料;表1是最近幾年照明用白光OLED的全球發(fā)展動(dòng)向一覽。由表1可知照明用白光OLED的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，特別是歐洲廠商對(duì)照明用白光OLED的開發(fā)非常積極，2009年開始進(jìn)行EU國(guó)家計(jì)劃OLED 100，德國(guó)則獨(dú)自推展計(jì)劃，除此之外總共11家廠商參加的3年S0-light計(jì)劃，正積極推展照明用白光OLED的開發(fā)。

圖4、高效率白光OLED的斷面結(jié)構(gòu)

圖5、高效率白光OLED的特性

表1、白光OLED發(fā)展動(dòng)向一覽

省能源化

OLED元件高效率化，使用螢光材料的藍(lán)光OLED，全面改用燐光材料是當(dāng)務(wù)之急，研究人員深切期盼短波長(zhǎng)發(fā)光、長(zhǎng)壽命藍(lán)光材料的出現(xiàn)，未來若獲得藍(lán)光燐光材料，白光OLED可望媲美平面照明元件。

有關(guān)照明省能源技術(shù)，發(fā)光元件必須具備省能源化，共通技術(shù)例如使用紅外線感測(cè)器檢測(cè)人體，追加控制照明開∕關(guān)的照明燈具已經(jīng)出現(xiàn)在市場(chǎng)，由此可之配合周圍亮度控制最佳光量，獲得省能源的照明燈具未來勢(shì)必成為全球共識(shí)。

隨著太陽(yáng)電池與直流發(fā)電發(fā)電設(shè)備的普及化，一般認(rèn)為對(duì)LED、OLED等直流驅(qū)動(dòng)光源的省能源化產(chǎn)生巨大貢獻(xiàn)，省能源系統(tǒng)的普及則牽引LED、OLED照明的推廣。

結(jié)語(yǔ)

以上介紹次世代光源之一的OLED發(fā)展動(dòng)向，與今后有待克服的課題。隨著OLED元件結(jié)構(gòu)、燐光材料的開發(fā)，不久的未來面發(fā)光OLED照明光源，可望為提供消費(fèi)者另一項(xiàng)選擇。