分散型電致發(fā)光（EL）器件的開發(fā)及其照明應(yīng)用

摘要：分散型電致發(fā)光(EL)是將無(wú)機(jī)熒光體粒子分散于有機(jī)聚合物中的熒光體層，并將功能性的膠體層疊積成基本單元，通過印刷加工實(shí)現(xiàn)器件化的新光源。但色純度和亮度低，新開發(fā)的混合式EL器件融合了色純度優(yōu)的有機(jī)色素，是具有高亮度、高顯色性和高附加值的新型面光源發(fā)光器件。

敘詞：電致發(fā)光(EL) 分散型 有機(jī)色素 亮度 顯色性 新光源

Abstract： The dispersion-type EL is the new light source resulting from the following process: the inorganic phosphor particles dispersed in the phosphor layer of organic polymers, and then pile functional colloid cascading into basic unit; finally, become components by printing process. With this process, the lighting has low color purity and brightness. The newly-designed mixed EL component is a new lighting component with high brightness, high color rendering and high value-added, which combines organic pigment with excellent color purity

Keyword：Dispersed type, Organic pigment, Brightness, Color rendering, New light source

1前言

分散型電致發(fā)光EL(Electro Luminescence)，具有一個(gè)將無(wú)機(jī)熒光體粒子分散于有機(jī)聚合物中的熒光體層，把功能性的膠體層疊積起來(lái)制成基本單元、以極其單純的印刷加工工藝即可實(shí)現(xiàn)器件化的新光源。構(gòu)成分散型EL的各個(gè)功能層，因使用了微粒子狀的熒光物質(zhì)和電介質(zhì)，故別名又稱粉狀(Powder)EL。分散型EL由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可低成本制作的這一特點(diǎn)，與其它的發(fā)光器件比較，存在亮度低、色純度低等問題。為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，必須解決這些課題。迄今已實(shí)用化的分散型EL，僅限于單色LCD(液晶顯示)的背照光，移動(dòng)電話的鍵控背光，配有背面光源的POP廣告等較低亮度的單色背光用途。目前處于研究水平的報(bào)導(dǎo)有：關(guān)于矩陣顯示單元;關(guān)于新型結(jié)構(gòu)的兩面發(fā)光器件等。

此外，考慮在平面發(fā)光操控盤的照明應(yīng)用場(chǎng)合，迄今對(duì)點(diǎn)光源與線光源均要求有不同的設(shè)計(jì)。為將光源擴(kuò)展到2維的平面光源，不言而喻，亮度降低了，可由面積來(lái)補(bǔ)償。新型設(shè)計(jì)的照明伴隨有光的陰影等，期望能以這種平面發(fā)光作為前所未有的新光源。

本文，將分散型EL的單純結(jié)構(gòu)與色純度優(yōu)的有機(jī)色素融合在一起，形成有機(jī)色素分散型混合EL單元，對(duì)該單元的高亮度化和針對(duì)白色照明用的高顯色性，也即色彩還原能力佳(high colour rendition )等問題進(jìn)行了探討，現(xiàn)將有關(guān)內(nèi)容介紹如下。

2 分散型EL與薄膜型EL

分散型EL是將底板上的透明電極、熒光體層、電介質(zhì)層、背面電極依次堆疊起來(lái)形成極其簡(jiǎn)單的單純結(jié)構(gòu)，透明的底板側(cè)為發(fā)光面(圖1)。另一方面，對(duì)于薄膜型EL，是在熒光體層的兩側(cè)夾入電介質(zhì)層，形成電介質(zhì)/熒光體/電介質(zhì)的雙重絕緣結(jié)構(gòu)。這一薄膜型EL的電介質(zhì)層，利用了光透性優(yōu)越的薄膜。

在分散型EL中，‘在發(fā)光面?zhèn)鹊耐该麟姌O與熒光體層之間配置中間絕緣層的雙重絕緣結(jié)構(gòu)的例子’也有報(bào)導(dǎo)，在達(dá)到800cd/m2(cd—發(fā)光強(qiáng)度單位：坎德拉)的高亮度領(lǐng)域，耗電量下降了，發(fā)光效率提高了。

此外，在分散型EL與薄膜型EL的電流電壓(IV)特性上也有很大差別。在分散型EL的IV特性上，未發(fā)現(xiàn)薄膜型EL所見到的發(fā)光起始電壓，即閾值(臨界點(diǎn))電壓Vth。在薄膜型EL中達(dá)到Vth之前，電壓上升，流過的電流小，超過Vth以后，電流才一起急劇增加，與此同時(shí)，開始發(fā)光。從而，在Vth以下的低電壓區(qū)，因施加于熒光體層的電場(chǎng)低，不發(fā)光。與此對(duì)應(yīng)，在分散型EL器件中，從低電壓到高電壓均有阻抗層那樣的電流流過，這就是，構(gòu)成分散型EL器件所有功能層含有機(jī)聚合物，以及各功能層厚度變比的原因。特別是分散型所用的熒光體，其粒子直徑大的約20um，因其粒徑不均勻，即使電極間的距離相同，加在熒光體上的電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生偏差，故發(fā)光起始電壓Vth會(huì)因熒光體的不同而變化。其結(jié)果就是：電壓上升時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度高的熒光體開始發(fā)光。這樣一來(lái)，即使相同的無(wú)機(jī)EL，薄膜型和分散型的器件結(jié)構(gòu)不同，電氣特性也不同，在下述的亮度-電壓(LV)特性中，說明這一分散型EL的亮度上升特點(diǎn)。

下面介紹有關(guān)分散型EL的各功能層。

⑴ 熒光體層

以硫化鋅(ZnS)作為母材，將添加了非活性劑的熒光體粒子分散于有機(jī)聚合物中而形成熒光體層。對(duì)有機(jī)聚合物而言，如同有效電場(chǎng)施加于熒光體上一樣，利用了高電容率(高介電常數(shù))的氰化乙基纖維(CyanoAthylcellulose)等。熒光體的發(fā)光顏色，可通過非活性劑的組合而改變。ZnS:Cu.Cl系的發(fā)光，是將Cu作為受主(受體Acceptor)，cl作為施主(發(fā)送體 Donor)，基于這種D—A偶(pair)之間的再結(jié)合遷移。藉助cl量的改變，可由蘭色發(fā)光(460nm)得到綠色發(fā)光(510nm)。ZnS:Cu.Cl.Al系顯示綠色發(fā)光。ZnS:Cu.Cl.Mn系顯示黃色發(fā)光。這些熒光體粒子，在由印刷加工工藝制作的器件上，作為提供的粒子，大的粒徑為20um左右。而且每個(gè)熒光體粒子在有機(jī)聚合物中相互不接觸，呈分離狀態(tài)。熒光體粒子的填充密度增加，具有半導(dǎo)體特性的熒光體粒子一旦直接接觸則會(huì)形成電流路徑，因絕緣耐壓的降低難于施加高電位的電場(chǎng)。

⑵ 電介質(zhì)層

熒光體層中的各個(gè)熒光體粒子，在電容率高的有機(jī)聚合物中不接觸呈分散狀的場(chǎng)合下，不一定需要電介質(zhì)層。但在形成至熒光體電荷供給源的同時(shí)，提高了絕緣耐壓，具有將高電場(chǎng)穩(wěn)定施加于熒光體的功能。對(duì)于這一電介質(zhì)層來(lái)說，一般是使用BaTiO3粒子分散于有機(jī)聚合物中。因BaTiO3是具有2000～3000高電容率的材料，故有利于發(fā)光，適用于電荷充放電的材料。

⑶ 背面電極

從材料成本的觀點(diǎn)看，多以石墨(碳)為主要成分，利用了導(dǎo)電膠的碳精電極，或者使用導(dǎo)電性優(yōu)的銀電極作為背面電極。而且在底板側(cè)由于使用了有機(jī)系的電極材料，可以制作將所有功能層通過印刷工藝堆迭而成的器件。

3 綠色有機(jī)色素分散型混合式EL器件[!--empirenews.page--]

原來(lái)的分散型EL，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是用簡(jiǎn)單工藝就可制作的器件。但與其它發(fā)光器件比較，亮度低，發(fā)光顏色也不充分，旨在改進(jìn)這些缺點(diǎn)而開發(fā)的有機(jī)色素分散型混合式EL(以下稱混合式EL)，是在原來(lái)分散型EL的熒光體層涂敷了有機(jī)色素的發(fā)光器件，由于亮度和色純度的提高而引人注目。

作為一個(gè)例子，500nm附近具有發(fā)光峰值波長(zhǎng)的蘭綠色發(fā)光ZnS系熒光體，在由此形成的熒光體層上，涂敷了綠色有機(jī)色素—香豆素(Coumarin)C6，這種混合式EL，其發(fā)光光譜如圖2所示。在熒光體層上涂敷了有機(jī)色素的混合式EL器件，一旦施加電壓，首先是無(wú)機(jī)熒光體發(fā)光，其光被有機(jī)色素吸收，有機(jī)色素被激勵(lì)而又自身發(fā)光。作為這一結(jié)果是：EL光譜的峰值向高波長(zhǎng)側(cè)偏移，而且，伴隨著這一EL光譜向高波長(zhǎng)側(cè)的偏移，相對(duì)能見度提高，故可望提高亮度。涂敷了C6的情況下，峰值波長(zhǎng)由500nm移向520nm，對(duì)應(yīng)于峰值波長(zhǎng)的偏移量，相對(duì)可見度約增大到1.7倍。

圖3為薄膜底板上制作混合式EL的亮度-電壓(LV)特性?；旌鲜紼L的亮度與原來(lái)分散型EL比較，顯示出亮度約增大1倍。綠色發(fā)光ZnS系熒光體與綠色有機(jī)色素C6的組合后，無(wú)機(jī)熒光體的發(fā)光幾乎全部為有機(jī)色素所吸收，其結(jié)果導(dǎo)致激勵(lì)的有機(jī)色素高效率的發(fā)光。加之，因相對(duì)可見度提高，亮度也提高。這樣一來(lái)，在結(jié)構(gòu)及其單純的混合式EL中，由無(wú)機(jī)熒光體的光激勵(lì)起有機(jī)色素的光，就可高效率地從外部取出來(lái)。

4 高顯色性白色發(fā)光有機(jī)色素分散型混合式EL器件

考慮到推向照明應(yīng)用時(shí)，一般白色發(fā)光是不可缺少的。目前，分散型EL，紅色波長(zhǎng)領(lǐng)域不充分僅限于模擬(仿真)的白色發(fā)光，故可見光領(lǐng)域缺乏平衡良好的成分，可見光譜成分單一，與其它光源比較，顯色性低，也即色彩的還原能力不高，人眼不易辨別遠(yuǎn)方物體形狀和顏色。

原來(lái)的長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光分散型EL，作為基于白色光源的紅色域發(fā)光，因短波長(zhǎng)過多，故對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光的紅色發(fā)光器件有關(guān)問題進(jìn)行了研討，因而制作了在紅色有機(jī)色素中摻雜質(zhì)的混合式EL器件。結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了紅色發(fā)光混合式EL元件在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)的發(fā)光，這一有效手段也得到了確認(rèn)。此外，其紅色發(fā)光混合式EL元件在其開發(fā)過程中，還發(fā)現(xiàn)了包含RGB(紅綠蘭)3波長(zhǎng)的元素。

圖4所示為白色發(fā)光混合式EL元件的EL發(fā)光光譜。由于在蘭色發(fā)光ZnS系的熒光體層上，涂敷了綠色有機(jī)色素的C6和紅色有機(jī)色素的DCJIB，故可實(shí)現(xiàn)具有RGB 3波長(zhǎng)領(lǐng)域發(fā)光峰值的白色發(fā)光器件。對(duì)C6和DCJIB的摻雜比率進(jìn)行調(diào)整，蘭色發(fā)光波長(zhǎng)區(qū)ZnS系熒光體的光和綠色發(fā)光波長(zhǎng)區(qū)C6的光，以及紅色發(fā)光波長(zhǎng)區(qū)DCJIB的光，則可從外部取出構(gòu)成白色光的各波長(zhǎng)領(lǐng)域的光。首先ZnS系熒光體，借助電場(chǎng)作用下被激勵(lì)，其一部分為蘭色發(fā)光，與此同時(shí)，為C6+DCJIB激勵(lì)的光。接著C6由ZnS系熒光體的光激勵(lì)，形成本身的綠色發(fā)光同時(shí)，又形成激勵(lì)DCJIB的光。最后，DCJIB被ZnS系熒光體的光和C6的光所激勵(lì)，形成紅色發(fā)光。通過這一系列的授予，RGB 3波長(zhǎng)型的白色發(fā)光器件即能實(shí)現(xiàn)。在這一器件中，有利于發(fā)光顏色的只是無(wú)機(jī)熒光體和2種有機(jī)色素。這一白色發(fā)光混合式EL器件中，通過對(duì)ZnS系熒光體和C6、DCJIB混合比的調(diào)整，現(xiàn)正開發(fā)著平均顯色評(píng)價(jià)指數(shù)Ra=89和高顯色性的發(fā)光器件。由此，由低成本印刷加工工藝可制作的混合式EL，并附加高顯色性這一特點(diǎn)的分散型EL就已經(jīng)形成。

5 結(jié)束語(yǔ)

原來(lái)的分散型EL器件，是用印刷加工工藝可以制作，并能使面發(fā)光的控制盤實(shí)現(xiàn)低成本化的器件，但與其它的器件相比，色純度和亮度均低，作為照明應(yīng)用尚未達(dá)到實(shí)用化程度。新近開發(fā)的混合式EL器件，是克服了原來(lái)分散型EL器件缺點(diǎn)(顯色性不高)的新發(fā)光器件。作為新型面光源，能提高產(chǎn)品的品位和質(zhì)量，在今后的研究進(jìn)程中不可缺少，可望成為具有高附加值面光源的新型發(fā)光器件。

參考文獻(xiàn)

佐藤利文，分散型ELデバィスの開發(fā)照明へのァプローチ，《太陽(yáng)工ネルキー》2010，No5,P41-43■