1 有機EL材料及其器件結(jié)構(gòu)

1.1 有機EL材料

所謂EL(Electro Luminescence 電致發(fā)光)材料，包括分子量小的低分子材料(通常低分子材料，低分子有機EL)與高分子材料(通常高分子EL)。兩者的不同，單純按分子量的不同來區(qū)分，不如說一個是將同結(jié)構(gòu)異分子量的分子，視為不純物;一個是把它當(dāng)作同一材料，這樣區(qū)分更合理。高分子材料是單基物(monomer)單位的重復(fù)，進行真空鍍敷與分解，最終的性能顯著下降，故使用摻雜法制成。在高分子材料中，包含主鏈骨架π電子共軛系高分子，視其為具有PL的導(dǎo)電性高分子。一般的導(dǎo)電性高分子多缺乏可溶性，為提高其可溶性，引入烷基(alkyl)等置換基，能實現(xiàn)自旋澆鑄(spin east)法 、印刷法(含墨水噴射法)等。所謂有機EL用的共軛高分子，有聚對苯乙烯感電體(PPV)，聚熒光素(poly fluoren)感電體等。對于高分子材料來說，還有采用主鏈骨架Z烯基(Viayl)的非共軛系高分子，這是將導(dǎo)電部位和發(fā)光部位懸置而作為功能基的，可溶性高，且很好利用了聚乙烯咔唑(pvcz)。最近，對具有磷光發(fā)光部位的高分子材料也進行了開發(fā)。

1.2 有機EL器件的結(jié)構(gòu)

圖1所示為有機EL器件的結(jié)構(gòu)，這是單純的多層結(jié)構(gòu)，是C.W.tang博士報導(dǎo)的器件結(jié)構(gòu)中，最簡單的空穴傳輸層與發(fā)光層組合一起的結(jié)構(gòu)。高分子EL中，因形成上部層時擔(dān)心溶解下部層，難于組成多層結(jié)構(gòu)，故通過空穴注入層+發(fā)光層這一簡單結(jié)構(gòu)制成。這一空穴注入層上的噻吩(thiophene)感電體PEDOT，采用了PSS，將該導(dǎo)電粒子分散于水中形成膜以后，進行緩冷(anneal)而利用，這就是低分子有機EL中的干燥處理(dryprocess)，薄膜結(jié)構(gòu)不致?lián)p壞?？昭ㄗ⑷雽?HI)、空穴傳輸層(HT)、發(fā)光層(EM)、電子傳輸層(ET)、空穴阻擋層(HB)與電子注入層進行了功能分離，其中空穴傳輸層和發(fā)光層做成二層，這是能發(fā)揮最佳性能而提出的復(fù)雜結(jié)構(gòu)方案。而且，為改善穩(wěn)定性與壽命，引入混合層和有機合金法是有效的。

因需要從有機EL取出光，最少必須一端為透明電極。光的取出方式，有從基板層取出的底部發(fā)射型和從成膜側(cè)取出的頂部發(fā)射型。將通?；鍌?cè)作為空穴注入側(cè)，但也有作為電子注入側(cè)的逆結(jié)構(gòu)型。所謂透明電極，一般是采用銦錫氧化物半導(dǎo)體(ITO)。導(dǎo)電性高，透明性好的ITO的制成，需要數(shù)百℃的基板加熱溫度。在用于顯示器的情況下，能將驅(qū)動晶體管形成于下層，開口率高的頂部發(fā)射型已成為主流，故透明電極的形成很重要。在照明控制盤情況下，較之密封等受制約的頂部發(fā)射型，底部發(fā)射型在制作時加工處理更方便。

對于金屬陰極，因降低了電子注入的勢壘，利用了功函數(shù)低的金屬。但具有低功函數(shù)的金屬，水和氧的活性弱，是初期有機EL的劣化原因之一。

2 有機EL的發(fā)光原理

OLED(Organic Light Emitting Diode)是指有機半導(dǎo)體材料和有機發(fā)光材料在電場的驅(qū)動下，通過載流子注入和復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的技術(shù)。

圖2所示為有機EL的發(fā)光原理。用ITO玻璃透明電極和金屬電極分別做成有機EL器件的陽極和陰極，在一定電壓驅(qū)動下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電子傳輸層(ET)和空穴傳輸層(HT)，然后分別遷移到發(fā)光層(EM)，相遇后形成激子(exciton),使發(fā)光分子激發(fā)，后者經(jīng)過輻射后發(fā)出可見光。輻射光可從ITO玻璃板一側(cè)看到，金屬電極膜同時也起到了發(fā)射層的作用。

當(dāng)注入的空穴和電子的比例為1:1時，對應(yīng)于合理的電流，效率高。有利于再結(jié)合的電流成分與流過器件的全電流之比，稱為載流子平衡(Carrier balance)因數(shù)。與無機半導(dǎo)體不同，有機分子中的再結(jié)合，形成所謂激子的激勵狀態(tài)。激子失去活性之際則發(fā)光。通過載流子的再結(jié)合，自旋多重度各異的一重激子與三重激子形成1:3的比例時(熒光激子的生成效率為25%)，由一重激子發(fā)出的光稱為熒光，由三重激子發(fā)出的光稱為磷光。按照激子生成的比例，發(fā)出磷光的效率高。由于自旋禁制，三重激子的壽命比一重激子的壽命較長。但因發(fā)熱而易于無輻射的失去活性。以重金屬作為中心金屬的金屬絡(luò)合物中，將一重激勵狀態(tài)與三重激勵狀態(tài)相互之間進行交叉，可得到常溫下產(chǎn)生100%磷光的材料。如果利用這樣的一種材料，則能實現(xiàn)高效率的有機電致發(fā)光(EL)。

一般，由光激勵的激子輻射光的比例，稱為PL量子效率。若取出的光子數(shù)與流過有機膜器件的電子數(shù)相同，則內(nèi)部量子效率處于100%的狀態(tài)。但實際上必須從透明電極和基板之外取出光，這就是外部取出光的效率低的原因。尤其對光學(xué)研究不足的底部發(fā)射型，光的取出效率僅20%左右。這種場合下利用熒光材料，即使采用參數(shù)的最大值，外部量子效率僅5%。完全轉(zhuǎn)換為磷光材料時，可提高到20%。

圖3為有機EL的電致發(fā)光效率示意圖。外部量子效率可按式(1)給出

ηext=α·ηint=α·φpl·φexc·r (1)

式中：α-從外部取出光的效率;ηint-內(nèi)部量子效率;φpl-PL量子效率;φexc-激子生成效率;r-載流子平衡因數(shù)。此外，有機EL的外部量子效率，有隨電流的增加而下降的趨向(roll-off現(xiàn)象)，特別對效率高的磷光材料更明顯。為此，在高亮度區(qū)，磷光材料與熒光材料的外部量子效率幾乎無差別這并不罕見。

3 有機EL的特點

有機EL的主要特點可列舉如下：(1)由于基板可做成柔性結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)薄形輕量化;(2)為平面型面發(fā)光體，可以卷起來;(3)高速響應(yīng)，發(fā)光反應(yīng)速度快;(4)工作時產(chǎn)生的熱量低，耗電量相應(yīng)少;(5)抗震動，耐撞擊性能好;(6)應(yīng)用較方便，成本低;(7)不含汞，環(huán)保無汞污染;(8)制造工藝較簡單，易于大規(guī)模生產(chǎn);(9)使用壽命長，目前已達到5000h~20000h，理論上可達20萬h;(10)發(fā)光效率高，目前OLED的發(fā)光效率已達60 lm/w，預(yù)計可達到200 lm/w以上，特別是有機EL用于顯示器場合，廣闊視野角度(視角廣)的高對比度，無論在亮的場所還是暗的場所，圖象質(zhì)量都非常鮮明，可謂是顯示器的理想材料和器件。[!--empirenews.page--]

4 與其它照明光源的比較

圖4所示為有機EL、LED、無機EL的發(fā)光原理圖。有機EL為面發(fā)光體，作為面發(fā)光體還有前述的無機EL。有機EL和半導(dǎo)體LED均為注入型電致發(fā)光，無機EL則為固有的電致發(fā)光。而且，在無機EL中，連續(xù)的發(fā)光需100V以上的電壓和數(shù)kHz的高頻率。即使目前未能達到高亮度狀態(tài)，但利用涂敷法能實現(xiàn)BO尺寸的平面發(fā)光還是有魅力的。圖5為EL潮流公司的AO尺寸發(fā)光薄膜與用半導(dǎo)體LED裝配的照明面板。作為無機EL的研究課題，應(yīng)提高亮度與實現(xiàn)白色化。

電光源技術(shù)經(jīng)歷了第一代的熱輻射電光源(如白熾燈，鹵鎢燈等)，第二代的低壓氣體放電電光源(如熒光燈)，第三代的高壓氣體放電電光源(如高壓汞燈、高壓鈉燈和金鹵燈等)和第四代的固體電光源(如LED等)的變遷。

白熾燈的價格低是其優(yōu)點，但至今在能源問題上的耗電，大部分能量轉(zhuǎn)成熱而散散掉，故能效低的白熾燈，預(yù)定在2012年以后將停止生產(chǎn)。熒光燈的效率較高和壽命較長是優(yōu)點，價格也不算高，但伴隨著氣體放電的汞(Hg)原子，因其激勵和失去活性引發(fā)紫外(UV)光，紫外光在熒光體中變換成可見光，由此而照明。原理上照明光中含有UV光，在有些場合是不適用的。同時，廢棄時還應(yīng)考慮汞的環(huán)境污染。根據(jù)ROHS對有害物的限制指令，汞將是直接被規(guī)定限制的對象。

半導(dǎo)體LED其高亮度與長壽命是顯著優(yōu)點，至于在照明上的應(yīng)用還須考慮以下問題：(1)LED是點光源，發(fā)光面積小，光輸出過于集中，故必須進行二次配光才能達到實際使用效果;(2)LED芯片的主要材料鎵(Ga)，原材料稀少，成本高。目前LED的售價是白熾燈、氣體放電燈十幾倍甚至幾十倍以上，這是LED推廣應(yīng)用的瓶頸。不過，現(xiàn)在LED的制作方法已經(jīng)確立，芯片的制造可實現(xiàn)自動化，正向低成本化急速推進，有望提高性價比。

最近開發(fā)的藉助擴散板的面光源監(jiān)控盤, 如圖5所示。這一面光源是利用了有機EL，其發(fā)光效率(接近熒光燈的)已得到迅速改善。發(fā)光光譜為完全的可見光，尤其是有效發(fā)揮了平面光源的照明設(shè)計特色。

有機EL(電致發(fā)光)是繼LED之后又發(fā)現(xiàn)的一種更為優(yōu)秀的(參見本文第3節(jié))固態(tài)電光源。不遠的將來它將會廣泛應(yīng)用于照明場合，會逐步瓜分LED和部分氣體放電光源的應(yīng)用市場，形成照明領(lǐng)域的主要電光源之一。

照明的基色為白色光，有機EL用于照明時，白色光的制法可通過：(1)利用具有廣闊EL光譜的單獨材料;(2)利用具有藍色與黃色那樣補色關(guān)系的發(fā)光材料;(3)利用紅綠藍(RGB)三色以上的發(fā)光材料來實現(xiàn)。圖6 所示為器件的結(jié)構(gòu)與白色化的概念圖。

表1 有機EL與其它照明光源的比較