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■