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OLED照明技術的發展現狀和應用潛力-鄭天航

發布日期:2014-06-18    【字號:  

OLED照明技術的發展現狀和應用潛力
上海歐普照明股份有限公司  鄭天航


摘 要:本文系統的總結了OLED照明技術的進展,開發潛力以及存在的問題和相應的解決方案等,進而詳細分析了OLED照明技術產品化的途徑。對目前OLED照明面板產品在應用過程中存在的問題作了詳細的討論,并對產品性能提高方案進行了分析和論證。最后,對OLED照明技術在市場上的發展潛力和可能的市場化路線進行了討論,通過詳細分析OLED照明具有的差異化競爭力,闡明了相關產品在市場上的應用潛力和OLED照明技術的未來發展空間。
關鍵詞:OLED,半導體照明,技術現狀,應用潛力 

 

引言
  經過了近20多年的快速發展,OLED技術已經取得了巨大的進步,相應的產品已經在市場上得到一定程度上的應用[1,2]。眾所周知,小面積的OLED顯示屏已經在高端的智能手機上表現出非常卓越的性能[3]。更進一步,幾家大公司,包括三星,LG等,最近都對外展示了基于OLED技術的55英寸的大尺寸電視產品[4],并表示出很快產業化的跡象,在此領域,OLED技術由于其特有的性能包括自發光,超薄,高對比度,等等,顯示出巨大的發展潛力。
 然而,作為OLED技術的另外一個應用領域,OLED照明市場的發展還是呈現了不同的發展態勢。由于OLED本身具有的一些特性,例如,超薄,高顯色性,高效,設計靈活等優點,非常適合開發新型的面光源照明產品,經過多年的開發,無論是從材料上,器件上和工藝上,都已經取得了比較大的進步[5,6]。但是,仍然有一些關鍵因素的開發相對滯后,例如,高效穩定的藍光有機半導體發光材料,有機照明面板的可靠性問題,另外就是目前來說,昂貴的面板價格,都阻礙了OLED面板在照明市場的普及應用。值得慶幸的是,現在很多公司和科研機構都試圖在以上方面提出創新的解決方案,提升OLED照明面板的性能,推動其加速在市場上的應用。在最近短短的一兩年時間里,OLED在照明領域的發展成為新的關注點[7-9]。

1 OLED照明技術的發展現狀和當前問題

  作為半導體照明技術的一個分支,對于OLED技術和產品在照明市場上的應用,通常來說,我們需要關注幾個比較關鍵的技術指標,并且需要這些指標能夠達到一定的水平,這樣,基于此技術開發的產品才具有競爭力,在市場上才能逐步的被用戶所接受。表1系統的總結了目前OLED照明技術在幾個關鍵指標上所能達到的水平,技術潛力以及目前市場上OLED照明面板產品的性能水平[10,11]。

1.1 OLED器件的效率在逐步提高

   從表1中可以看出,當前,在技術開發層面,OLED器件的效率已經非常高,就在剛剛的日本照明展會上,NEC和山形大學展示了全球最高發光效率為156lm/W(尺寸為4cm2,1000cd/m2的測試條件下)的OLED器件,極大的體現了OLED

 器件在能效上所具有的優勢[12]。隨著技術上的不斷進步,特別是在有機半導體發光材料性能和光提取技術的推進,效率達到DOE設定的190 lm/W是一個可實現的指標,特別是使用磷光型發光材料的OLED器件[13]。
 但是,對于磷光型OLED器件也有一個很大的問題。目前來說,對外公布的效率數據都是在標準亮度1000cd/m2測試條件下獲得的。在OLED照明產品正常使用的時候,亮度都是大于這個數值的,一般會在3000cd/m2或以上,這樣,磷光型OLED面板的效率會有很大程度上的降低,通常降低的幅度在20-30%左右,這就是高亮度下效率衰減的問題,就是通常所說的efficiency roll-off效應,如圖1所示。
現在如何提升高亮度下的效率已經成為一個很大的問題。就具體的機理來說,主要由兩方面的原因引起的[14-15],第一是由于高電流下,空穴和電子載流子注入有很大的不平衡,進而引起了一部分多余的電荷和激發子作用,降低發光的激發子數量。因此,開發合適的空穴型和電子型有機半導體傳輸材料對于平衡器件內部載流子的平衡非常關鍵,現在,這一領域的研發已經取得比較大的進步,通過合理的匹配空穴和電子傳輸材料,在高電流驅動下,空穴和電子的平衡能夠很好的控制;
第二,就是磷光型發光材料本身的特征引起的,由于磷光型材料是三重態激發子發光,在高的電流注入密度下,激發子之間會發生相互作用,進而產生湮滅現象,直接導致部分激發子不發光,從而損失效率。我們知道,三重態激發子的衰減速度都比較慢,這樣在高電流的情況下,積聚會比較嚴重,從而導致湮滅的發生?,F在,這一領域的研發重點集中在兩個方面。一方面加強合成新的磷光型發光材料,特別是藍光發光材料,加快載流子的衰減速度。目前,綠光和紅光型磷光材料已經比較好的控制高電流下的湮滅

現象。而對于藍光材料,由于其發光能量高,開發帶隙比較寬的磷光發光材料以及與之匹配的主體材料還是進展比較緩慢,這也是白光OLED器件效率進一步提升的一個很大限制;其次是開發新結構的OLED器件,特別是白光OLED器件。雖然磷光型發光材料對器件的性能很關鍵,但有效的器件結構對最終的性能表現也是至關重要,在OLED器件中,激發子會以兩種狀態存在,即單重態和三重態,如何通過器件結構來管理這兩種激發子的衰減以及發光對器件效率是很關鍵的技術問題,特別是在白光OLED器件中,因為白光器件涉及到不同波長激發子的匹配和管理問題。起初,都是很簡單的使用磷光型材料作為單一的發光層,雖然器件結構簡單,但器件的效率在高亮度下的衰減很嚴重;隨著技術的發展,采用復合結構的熒光/磷光型發光材料構建的OLED器件越來越多的被采用,無論是對單色的還是白光的OLED器件。在單色OLED器件中,通過熒光/磷光材料的配比,在保證效率的同時,能夠很好的改善效率衰減問題,而在白光OLED器件中,在不同顏色中,采用熒光/磷光復合結構,例如,藍光發光部分是使用熒光材料,而綠色和紅光部分采用磷光材料,這樣的白光OLED器件,不但效率很高,效率衰減很低,同時器件的壽命會很長,顏色調整也比較靈活。


1.2 OLED器件具有很高的光品質


 從光品質方面來講,OLED器件的光演色性都比較高,由于有機發光材料的發光譜都比較寬,且通常能夠根據有機半導體發光材料的內部結果來比較的靈活進行光譜的位置調節,這樣在可見光譜范圍內,對于紅綠藍部分的配比的調整將十分靈活,CRI(顯色指數)達到90是很容易達到的,這對追求光品質的照明應用環境非常適合。
  最近,在OLED照明領域,比較流行的一個概念是制作與自然太陽光比較一致的可見光譜構成 [16],如圖2所示,使得OLED器件的顯色性(CRI)可以接近100。這樣,使用OLED照明技術開發的產品可以極大地改善日常生活中照明產品的光品質,進而改善和豐富光在實際生活中的應用潛力。

 

1.3 OLED器件具有設計上的靈活性


OLED技術在照明領域的另外一個很大的優點是設計上的靈活性,因為有機半導體材料固有的軟材料特性和相對簡單的制備工藝,OLED器件可以很容易的制備在玻璃,柔性金屬片或者塑料襯底上,這樣很容易的開發柔性照明產品來適合各種場合的產品開發,特別是結合不同的封裝方法,例如玻璃蓋板封裝或者薄膜封裝。而且,通過選擇不同的導電負電極,例如透明的ITO,或者不透明的金屬電極,可以調整整個器件對光的透射率,從而實現透明的OLED器件?,F在,鑒于透明OLED器件在應用上的吸引力,透明OLED面板的開發已經成為各大公司在OLED方面的主要工作,歐司朗幾年前就已經展示過高效率的透明OLED照明面板[17]。而在最近的日本照明展上,柯尼卡-美能達展示了他們的柔性OLED照明產品,如圖3所示,有一種特殊的美感[18]。OLED器件的這些在制備上的靈活性,會極大的給后續照明設計和產品開發帶來巨大的自由度。

1.4 OLED器件的壽命需要極大的提升
  一直以來,OLED器件在照明領域的發展在很大程度上都受限于其比較短的壽命,與目前流行的LED照明器件的L70(亮度衰減到70%的水平)壽命都通常在50000小時的相比,OLED器件目前的L70壽命都在20000小時以下,甚至更低。而且相比LED的點光源相比,OLED是一種面光源產品,一旦器件內部一點出現了問題,比如短路,整個面光源將都不能發光,這樣會給整個燈具的使用造成極大的影響。因此,對于OLED照明器件壽命的衡量,業界應該需要更高的標準,使得OLED照明器件能夠更好的滿足實際應用對性能的苛刻要求。
  OLED器件的壽命是一個綜合因素互相作用的最終結果,不但與所用的材料息息相關,還與器件的內部結構,制造工藝,和封裝水平直接相關。因此,在提升OLED照明器件的壽命方面,需要各領域通力合作,提升器件的整體壽命,降低性能的衰減。另外一個與OLED壽命有關的是OLED器件隨著時間的發展的顏色偏移的問題,這也需要給與極大的重視,因為照明領域對光品質的要求很高,顏色的偏移將直接導致照明效果的極大降低。在白光OLED內部,通常來說,紅,綠,藍三種顏色的發光材料的壽命各不相同,這樣,隨著使用時間的推移,逐漸的顏色偏移會比較嚴重,必須要得到很好的控制[5-7]。
  目前,各機構都推出了各種各樣的方法來提高器件的壽命,主要的途徑包括合成高效長壽命的藍光材料,開發OLED器件的新結構以有效的管理載流子在器件內部的復合,以及改善OLED器件的制造和封裝工藝來提高器件對環境中水分子和氧分子抵抗的能力等。

2 目前OLED照明面板產品仍然有很大的性能提升空間

  與OLED照明技術目前的發展水平相比,在

產品層面,其性能仍然需要得到大幅度的提升。產品性能落后于技術有幾個主要原因,主要包括技術開發樣品與面板產品的尺寸是不一樣的,如表1所示。目前市場上主流面板的尺寸都在10cm×10cm大小,而技術上的樣品尺寸一般都小于1cm×1cm,面積的明顯差異導致對制備工藝的要求是完全不一樣的,大面積的器件對內部每一層薄膜的精細控制都需要非常的嚴格,內部結構的均一性得不到保證最終將降低器件的使用性能。通過大尺寸與小尺寸器件的對比,OLED照明面板產品還需要在幾個方面改善性價比,最終為OLED照明面板產品化和應用化提供有力的保障。

2.1 OLED照明面板產品的效率和壽命需要提高

 雖然從技術上已經展示了OLED用于照明在效率上的優勢,例如能效可以達到156lm/W,但是,從目前市場上推出的OLED照明面板的性能來看,其中的差距還是很大的,現在市場上推出的OLED照明面板的能效普遍在40lm/W左右的范圍,最高的也就達到80lm/W,與技術潛力還有很大的差距[19]。相比與LED技術,作為一個后來者,OLED照明面板產品需要在關鍵的性能指標上達到與LED產品可以相比的水平上。如果根據目前暖白光LED產品的性能來判斷,單純從效率上,OLED照明面板產品需要至少提高到100lm/W的水平。只有這樣,基于OLED照明面板的燈具在效率上才有競爭力(如果從面板到燈具光效有10-20%的損失,最終產品的效率可以達到80-90lm/W)。
  另外一個需要提高的性能,也是限制OLED照明面板使用的一個很大因素是OLED照明面板的壽命。根據目前產品發布的性能指標來看,普遍在15,000小時左右,這與LED產品通常標定的50,000小時還是有很大的差距,因此,在這方面,OLED面板的壽命需要有一個比較大的幅度的提升,特別是我們需要考慮L70或者L85的測試條件下的壽命。

2.2 OLED面板內部以及面板之間顏色和亮度均一性和穩定性

 OLED照明面板是一種面發光技術,因此在照明應用的過程中,需要比較嚴格的考察其面板內部和面板之間的顏色和發光均一性和穩定性問題。就單一面板來說,不同位置的發光區域需要顏色和亮度是均一的,否則,將極大地降低OLED照明產品的光品質。目前,面板內部的均一性普遍在85%左右(最小值與最大值相比),而隨著使用時間的推移,相關數據還是比較缺乏。而面板與面板之間的顏色和亮度的均一性更需要大量的進行實驗驗證。比較好的實踐是行業內需要借鑒LED生產中Binning的概念,對OLED照明面板在生產中進行顏色,亮度以及驅動電壓的分類,只有這樣,對于下游的OLED燈具開發商在使用OLED照明面板的過程中才比較方便,更易于推動整個OLED照明產業鏈的聯動。

2.3 面板的價格需要極大的降低

 另外一個嚴重阻礙OLED照明面板應用的因素是目前面板的價格,目前,OLED照明面板的價格約為相同水平LED模塊價格的數十倍,更不用說和傳統的光源的價格相比。盡管OLED照明面板有其自身的使用特點,例如,輕薄,高的光品質,等等,但從用戶角度而言,還是希望物美價廉,價格不能太高,否則,OLED照明更像是藝術品,而非普通的消費品。
  從OLED照明面板的制造工藝來說,可以使用連續的熱蒸發生產線,柔性生產線或者濕法噴墨打印等方式來制備,而且就各方法本身來說,都有很大的潛力來降低制造成本,那么為什么現在的面板價格如此之高呢?原因來源于三個方面,其一是目前OLED面板的生產率相對比較低,導致材料浪費比較嚴重;另外一個原因是整個制造產業鏈還不成熟,各環節分散嚴重,難于規?;a,直接推高制造成本;最后一個在于知識產權的原因,現在,無論從有機半導體材料來說,還是器件專有結構來說,很多知識產權都掌握在少數幾個開發商手中,導致專利授權成本高,進而生產成本降不下來。但根據DOE設定的技術路線圖規劃,未來OLED照明面板的成本將能夠降低到$0.05/lm的水平或者更低,這將極大的提高OLED照明產品在市場上的競爭力。

3 OLED照明市場的發展狀況

  與LED照明市場相比,由于OLED器件本身固有的特性,使得OLED照明市場的呈現出一些不同的產業特征。隨著技術的進步和產品性能的不斷提升,以及很長一段時間的積累,根據參與的各大OLED照明廠家的報告,現在,OLED照明市場在不斷的成熟,中小小規模的產品已經在特定的市場上流行起來,例如,生產OLED照明面板的廠家越來越多,產業鏈的輪廓在不斷清晰化。

3.1 OLED照明市場的產業鏈態勢

目前,整個OLED照明的產業鏈可以大體上分為三個部分,如圖5所示,在產業鏈的上游,是各材料和元件的供應商,例如,有機半導體材料,電極材料,基板材料,光提取材料,制備元器件等等。值得一提的是,在其中,基板供應商很可能將整合電極材料和光提取材料與基板為一體,提供完整的基板方案給中游的面板制造商。在國外,已經有玻璃生產商進行這方面的工作,基于玻璃襯底開發了一整套集電極和光提取于一體的方案,這樣做不但簡化了工序,也能夠降低成本。

 

 而在中游的面板制造領域,由于OLED器件使用的有機半導體材料對環境的耐受力比較低,這樣OLED面板制造商將面板制造與封裝集成在一起,最終提供封裝好的面板。這一點將與LED照明行業有很大的不同,對于LED照明行業,芯片制造商和封裝廠通常是分開的,互相是獨立的工序,而這一點將很難在OLED照明行業里看到。
  而在OLED照明產業的下游,將是光源和燈具生產商,基于封裝好的OLED照明面板,根據不同照明領域的要求,進行相應光源和燈具的最終開發。因此可以推斷,OLED照明產業的鏈條將比LED照明產業鏈更短一些,行業的整合能力更強一些。

3.2 OLED照明市場的發展機遇和前景

 近來,由于LED照明產業的快速發展,特別是LED產品性能的極大提高以及新特性的不斷涌現,例如,通過LED側發光也能夠開發出效果比較好的平面照明產品,而且產品輕薄,價格相對較低。特別是結合遠程熒光粉技術,能夠開發出性能很高的導光板類型的LED發光面板,例如,面發光,輕薄,高演色性,等;
 那么是不是意味著OLED照明技術和產品沒有發展機遇了呢?答案當然是否定的,OLED照明市場的發展取決于OLED照明技術和產品的固有特征以及最終的性能水平,進而推出滿足市場需要產品(價格合適與性能卓越)。OLED照明技術和產品最大的特征是在于其具有高的光品質的同時,在燈具設計和開發上具有極大的自由度,能夠在某種程度上顛覆人們對照明產品的固有印象,更大程度上讓照明融入人們的日常生活,例如,鏡面的OLED照明系統,半透明的OLED照明燈具,柔性可貼敷的照明產品,任意形狀的設計,等等,都可以通過OLED技術很容易的實現。即使在普通的面照明領域,OLED也將不斷地取代導光型LED產品,畢竟導光型LED在光效上有固有的限制和損失。

小結
  隨著光效,壽命和生產成本的不斷改善,以及OLED照明面板自身具有的特性,在面發光領域OLED技術和產品性能的優點將通過新照明產品不斷的得到展現,進而OLED照明產品將在市場上占有一席之地,同時其自身特性將重新定義日常生活中人們對照明產品的定義。與傳統光源技術相比,由于半導體照明技術具有高效節能和產品設計靈活等獨特優勢,未來的態勢很可能是LED與OLED照明技術共同存在,并行發展,滿足不同的照明應用需求。

 

參考文獻


[1]B. Geffroy, P. Roy, C. Prat, Polym. Int. 2006, 55, 572.
[2]M. Klein, K. Heuser, F. Schindler, B. Krummacher, T. Dobbertin, R. Patzold,C. Garditz, Proc. SPIE 2007, 6486, 64860E.
[3]Samsung announces Super AMOLED plus displays, 2011-01-06,
http://www.oled-info.com/samsung-announces-super-amoled-plus-displays

[4]LG's 55-inch 'world's largest' OLED HDTV panel is official, coming to CES 2012. Engadget (2011-12-25). Retrieved on 2012-11-12.
[5]Y. Sun, N. C. Giebink, H. Kanno, B. Ma, M. E. Thompson, S. R. Forrest, Nature 2006, 440, 908.
[6]X. Yang, Z. Wang, S. Madakuni, J. Li, G. E. Jabbour, Adv. Mater. 2008, 20, 2405.
[7]B. D’Andrade, Nat. Photon. 2007, 1, 33.
[8]E. L. Williams, K. Haavisto, J. Li, G. E. Jabbour, Adv. Mater. 2007,19, 197.
[9]G. Schwartz, M. Pfeiffer, S. Reineke, K. Walzer, K. Leo, Adv. Mater. 2007, 19,3672.
[10]T. W. Lee, Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 3128.
[11]G. Schwartz, S. Reineke, T. C. Rosenow, K. Walzer, K. Leo,Adv. Funct. Mater.2009, 19, 1319.
[12]NEC照明與山形大學開發出發光效率為156lm/W的有機EL元件,
http://china.nikkeibp.com.cn/news/elec/65074-20130307.html
[13]SSL R&D Program Direction, U.S.Department of Energy,
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications.
[14]T. H. Zheng, W. C. H. Choy, J. Phys. D: Appl. Phys. 2008, 41, 055103.
[15]Q. Wang, J. Ding, D. Ma, Y. Cheng, L. Wang, X. Jing, F. Wang, Adv. Funct.Mater. 2009, 19, 84.
[16]M. H. Tsai, H. W. Lin, H. C. Su, T. H. Ke, C. C. Wu, F. C. Fang, Y. L. Liao,K. T. Wong, C. I. Wu, Adv. Mater. 2006, 18, 1216.
[17]Osram brings transparent OLEDs to industry maturity,
http://www.osram.com/osram_com/press/press-releases/_trade_press/2012/rollercoaster-luminaire/index.jsp
[18]柯尼卡美能達展出翅膀式有機EL燈具,
http://china.nikkeibp.com.cn/news/elec/65079-20130307.html
[19]LG Chem updates an OLED lighting update,
http://www.oled-info.com/lg-chem-updates-oled-lighting-update-plans-80-lmw-panels-july-2013.

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