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OLED照明技术的发展现状和应用潜力-郑天航

发布日期:2014-06-18    【字号:  

OLED照明技术的发展现状和应用潜力
上海欧普照明股份有限公司  郑天航


摘 要:本文系统的总结了OLED照明技术的进展,开发潜力以及存在的问题和相应的解决方案等,进而详细分析了OLED照明技术产品化的途径。对目前OLED照明面板产品在应用过程中存在的问题作了详细的讨论,并对产品性能提高方案进行了分析和论证。最后,对OLED照明技术在市场上的发展潜力和可能的市场化路线进行了讨论,通过详细分析OLED照明具有的差异化竞争力,阐明了相关产品在市场上的应用潜力和OLED照明技术的未来发展空间。
关键词:OLED,半导体照明,技术现状,应用潜力 

 

引言
  经过了近20多年的快速发展,OLED技术已经取得了巨大的进步,相应的产品已经在市场上得到一定程度上的应用[1,2]。众所周知,小面积的OLED显示屏已经在高端的智能手机上表现出非常卓越的性能[3]。更进一步,几家大公司,包括三星,LG等,最近都对外展示了基于OLED技术的55英寸的大尺寸电视产品[4],并表示出很快产业化的迹象,在此领域,OLED技术由于其特有的性能包括自发光,超薄,高对比度,等等,显示出巨大的发展潜力。
 然而,作为OLED技术的另外一个应用领域,OLED照明市场的发展还是呈现了不同的发展态势。由于OLED本身具有的一些特性,例如,超薄,高显色性,高效,设计灵活等优点,非常适合开发新型的面光源照明产品,经过多年的开发,无论是从材料上,器件上和工艺上,都已经取得了比较大的进步[5,6]。但是,仍然有一些关键因素的开发相对滞后,例如,高效稳定的蓝光有机半导体发光材料,有机照明面板的可靠性问题,另外就是目前来说,昂贵的面板价格,都阻碍了OLED面板在照明市场的普及应用。值得庆幸的是,现在很多公司和科研机构都试图在以上方面提出创新的解决方案,提升OLED照明面板的性能,推动其加速在市场上的应用。在最近短短的一两年时间里,OLED在照明领域的发展成为新的关注点[7-9]。

1 OLED照明技术的发展现状和当前问题

  作为半导体照明技术的一个分支,对于OLED技术和产品在照明市场上的应用,通常来说,我们需要关注几个比较关键的技术指标,并且需要这些指标能够达到一定的水平,这样,基于此技术开发的产品才具有竞争力,在市场上才能逐步的被用户所接受。表1系统的总结了目前OLED照明技术在几个关键指标上所能达到的水平,技术潜力以及目前市场上OLED照明面板产品的性能水平[10,11]。

1.1 OLED器件的效率在逐步提高

   从表1中可以看出,当前,在技术开发层面,OLED器件的效率已经非常高,就在刚刚的日本照明展会上,NEC和山形大学展示了全球最高发光效率为156lm/W(尺寸为4cm2,1000cd/m2的测试条件下)的OLED器件,极大的体现了OLED

 器件在能效上所具有的优势[12]。随着技术上的不断进步,特别是在有机半导体发光材料性能和光提取技术的推进,效率达到DOE设定的190 lm/W是一个可实现的指标,特别是使用磷光型发光材料的OLED器件[13]。
 但是,对于磷光型OLED器件也有一个很大的问题。目前来说,对外公布的效率数据都是在标准亮度1000cd/m2测试条件下获得的。在OLED照明产品正常使用的时候,亮度都是大于这个数值的,一般会在3000cd/m2或以上,这样,磷光型OLED面板的效率会有很大程度上的降低,通常降低的幅度在20-30%左右,这就是高亮度下效率衰减的问题,就是通常所说的efficiency roll-off效应,如图1所示。
现在如何提升高亮度下的效率已经成为一个很大的问题。就具体的机理来说,主要由两方面的原因引起的[14-15],第一是由于高电流下,空穴和电子载流子注入有很大的不平衡,进而引起了一部分多余的电荷和激发子作用,降低发光的激发子数量。因此,开发合适的空穴型和电子型有机半导体传输材料对于平衡器件内部载流子的平衡非常关键,现在,这一领域的研发已经取得比较大的进步,通过合理的匹配空穴和电子传输材料,在高电流驱动下,空穴和电子的平衡能够很好的控制;
第二,就是磷光型发光材料本身的特征引起的,由于磷光型材料是三重态激发子发光,在高的电流注入密度下,激发子之间会发生相互作用,进而产生湮灭现象,直接导致部分激发子不发光,从而损失效率。我们知道,三重态激发子的衰减速度都比较慢,这样在高电流的情况下,积聚会比较严重,从而导致湮灭的发生。现在,这一领域的研发重点集中在两个方面。一方面加强合成新的磷光型发光材料,特别是蓝光发光材料,加快载流子的衰减速度。目前,绿光和红光型磷光材料已经比较好的控制高电流下的湮灭

现象。而对于蓝光材料,由于其发光能量高,开发带隙比较宽的磷光发光材料以及与之匹配的主体材料还是进展比较缓慢,这也是白光OLED器件效率进一步提升的一个很大限制;其次是开发新结构的OLED器件,特别是白光OLED器件。虽然磷光型发光材料对器件的性能很关键,但有效的器件结构对最终的性能表现也是至关重要,在OLED器件中,激发子会以两种状态存在,即单重态和三重态,如何通过器件结构来管理这两种激发子的衰减以及发光对器件效率是很关键的技术问题,特别是在白光OLED器件中,因为白光器件涉及到不同波长激发子的匹配和管理问题。起初,都是很简单的使用磷光型材料作为单一的发光层,虽然器件结构简单,但器件的效率在高亮度下的衰减很严重;随着技术的发展,采用复合结构的荧光/磷光型发光材料构建的OLED器件越来越多的被采用,无论是对单色的还是白光的OLED器件。在单色OLED器件中,通过荧光/磷光材料的配比,在保证效率的同时,能够很好的改善效率衰减问题,而在白光OLED器件中,在不同颜色中,采用荧光/磷光复合结构,例如,蓝光发光部分是使用荧光材料,而绿色和红光部分采用磷光材料,这样的白光OLED器件,不但效率很高,效率衰减很低,同时器件的寿命会很长,颜色调整也比较灵活。


1.2 OLED器件具有很高的光品质


 从光品质方面来讲,OLED器件的光演色性都比较高,由于有机发光材料的发光谱都比较宽,且通常能够根据有机半导体发光材料的内部结果来比较的灵活进行光谱的位置调节,这样在可见光谱范围内,对于红绿蓝部分的配比的调整将十分灵活,CRI(显色指数)达到90是很容易达到的,这对追求光品质的照明应用环境非常适合。
  最近,在OLED照明领域,比较流行的一个概念是制作与自然太阳光比较一致的可见光谱构成 [16],如图2所示,使得OLED器件的显色性(CRI)可以接近100。这样,使用OLED照明技术开发的产品可以极大地改善日常生活中照明产品的光品质,进而改善和丰富光在实际生活中的应用潜力。

 

1.3 OLED器件具有设计上的灵活性


OLED技术在照明领域的另外一个很大的优点是设计上的灵活性,因为有机半导体材料固有的软材料特性和相对简单的制备工艺,OLED器件可以很容易的制备在玻璃,柔性金属片或者塑料衬底上,这样很容易的开发柔性照明产品来适合各种场合的产品开发,特别是结合不同的封装方法,例如玻璃盖板封装或者薄膜封装。而且,通过选择不同的导电负电极,例如透明的ITO,或者不透明的金属电极,可以调整整个器件对光的透射率,从而实现透明的OLED器件。现在,鉴于透明OLED器件在应用上的吸引力,透明OLED面板的开发已经成为各大公司在OLED方面的主要工作,欧司朗几年前就已经展示过高效率的透明OLED照明面板[17]。而在最近的日本照明展上,柯尼卡-美能达展示了他们的柔性OLED照明产品,如图3所示,有一种特殊的美感[18]。OLED器件的这些在制备上的灵活性,会极大的给后续照明设计和产品开发带来巨大的自由度。

1.4 OLED器件的寿命需要极大的提升
  一直以来,OLED器件在照明领域的发展在很大程度上都受限于其比较短的寿命,与目前流行的LED照明器件的L70(亮度衰减到70%的水平)寿命都通常在50000小时的相比,OLED器件目前的L70寿命都在20000小时以下,甚至更低。而且相比LED的点光源相比,OLED是一种面光源产品,一旦器件内部一点出现了问题,比如短路,整个面光源将都不能发光,这样会给整个灯具的使用造成极大的影响。因此,对于OLED照明器件寿命的衡量,业界应该需要更高的标准,使得OLED照明器件能够更好的满足实际应用对性能的苛刻要求。
  OLED器件的寿命是一个综合因素互相作用的最终结果,不但与所用的材料息息相关,还与器件的内部结构,制造工艺,和封装水平直接相关。因此,在提升OLED照明器件的寿命方面,需要各领域通力合作,提升器件的整体寿命,降低性能的衰减。另外一个与OLED寿命有关的是OLED器件随着时间的发展的颜色偏移的问题,这也需要给与极大的重视,因为照明领域对光品质的要求很高,颜色的偏移将直接导致照明效果的极大降低。在白光OLED内部,通常来说,红,绿,蓝三种颜色的发光材料的寿命各不相同,这样,随着使用时间的推移,逐渐的颜色偏移会比较严重,必须要得到很好的控制[5-7]。
  目前,各机构都推出了各种各样的方法来提高器件的寿命,主要的途径包括合成高效长寿命的蓝光材料,开发OLED器件的新结构以有效的管理载流子在器件内部的复合,以及改善OLED器件的制造和封装工艺来提高器件对环境中水分子和氧分子抵抗的能力等。

2 目前OLED照明面板产品仍然有很大的性能提升空间

  与OLED照明技术目前的发展水平相比,在

产品层面,其性能仍然需要得到大幅度的提升。产品性能落后于技术有几个主要原因,主要包括技术开发样品与面板产品的尺寸是不一样的,如表1所示。目前市场上主流面板的尺寸都在10cm×10cm大小,而技术上的样品尺寸一般都小于1cm×1cm,面积的明显差异导致对制备工艺的要求是完全不一样的,大面积的器件对内部每一层薄膜的精细控制都需要非常的严格,内部结构的均一性得不到保证最终将降低器件的使用性能。通过大尺寸与小尺寸器件的对比,OLED照明面板产品还需要在几个方面改善性价比,最终为OLED照明面板产品化和应用化提供有力的保障。

2.1 OLED照明面板产品的效率和寿命需要提高

 虽然从技术上已经展示了OLED用于照明在效率上的优势,例如能效可以达到156lm/W,但是,从目前市场上推出的OLED照明面板的性能来看,其中的差距还是很大的,现在市场上推出的OLED照明面板的能效普遍在40lm/W左右的范围,最高的也就达到80lm/W,与技术潜力还有很大的差距[19]。相比与LED技术,作为一个后来者,OLED照明面板产品需要在关键的性能指标上达到与LED产品可以相比的水平上。如果根据目前暖白光LED产品的性能来判断,单纯从效率上,OLED照明面板产品需要至少提高到100lm/W的水平。只有这样,基于OLED照明面板的灯具在效率上才有竞争力(如果从面板到灯具光效有10-20%的损失,最终产品的效率可以达到80-90lm/W)。
  另外一个需要提高的性能,也是限制OLED照明面板使用的一个很大因素是OLED照明面板的寿命。根据目前产品发布的性能指标来看,普遍在15,000小时左右,这与LED产品通常标定的50,000小时还是有很大的差距,因此,在这方面,OLED面板的寿命需要有一个比较大的幅度的提升,特别是我们需要考虑L70或者L85的测试条件下的寿命。

2.2 OLED面板内部以及面板之间颜色和亮度均一性和稳定性

 OLED照明面板是一种面发光技术,因此在照明应用的过程中,需要比较严格的考察其面板内部和面板之间的颜色和发光均一性和稳定性问题。就单一面板来说,不同位置的发光区域需要颜色和亮度是均一的,否则,将极大地降低OLED照明产品的光品质。目前,面板内部的均一性普遍在85%左右(最小值与最大值相比),而随着使用时间的推移,相关数据还是比较缺乏。而面板与面板之间的颜色和亮度的均一性更需要大量的进行实验验证。比较好的实践是行业内需要借鉴LED生产中Binning的概念,对OLED照明面板在生产中进行颜色,亮度以及驱动电压的分类,只有这样,对于下游的OLED灯具开发商在使用OLED照明面板的过程中才比较方便,更易于推动整个OLED照明产业链的联动。

2.3 面板的价格需要极大的降低

 另外一个严重阻碍OLED照明面板应用的因素是目前面板的价格,目前,OLED照明面板的价格约为相同水平LED模块价格的数十倍,更不用说和传统的光源的价格相比。尽管OLED照明面板有其自身的使用特点,例如,轻薄,高的光品质,等等,但从用户角度而言,还是希望物美价廉,价格不能太高,否则,OLED照明更像是艺术品,而非普通的消费品。
  从OLED照明面板的制造工艺来说,可以使用连续的热蒸发生产线,柔性生产线或者湿法喷墨打印等方式来制备,而且就各方法本身来说,都有很大的潜力来降低制造成本,那么为什么现在的面板价格如此之高呢?原因来源于三个方面,其一是目前OLED面板的生产率相对比较低,导致材料浪费比较严重;另外一个原因是整个制造产业链还不成熟,各环节分散严重,难于规模化生产,直接推高制造成本;最后一个在于知识产权的原因,现在,无论从有机半导体材料来说,还是器件专有结构来说,很多知识产权都掌握在少数几个开发商手中,导致专利授权成本高,进而生产成本降不下来。但根据DOE设定的技术路线图规划,未来OLED照明面板的成本将能够降低到$0.05/lm的水平或者更低,这将极大的提高OLED照明产品在市场上的竞争力。

3 OLED照明市场的发展状况

  与LED照明市场相比,由于OLED器件本身固有的特性,使得OLED照明市场的呈现出一些不同的产业特征。随着技术的进步和产品性能的不断提升,以及很长一段时间的积累,根据参与的各大OLED照明厂家的报告,现在,OLED照明市场在不断的成熟,中小小规模的产品已经在特定的市场上流行起来,例如,生产OLED照明面板的厂家越来越多,产业链的轮廓在不断清晰化。

3.1 OLED照明市场的产业链态势

目前,整个OLED照明的产业链可以大体上分为三个部分,如图5所示,在产业链的上游,是各材料和元件的供应商,例如,有机半导体材料,电极材料,基板材料,光提取材料,制备元器件等等。值得一提的是,在其中,基板供应商很可能将整合电极材料和光提取材料与基板为一体,提供完整的基板方案给中游的面板制造商。在国外,已经有玻璃生产商进行这方面的工作,基于玻璃衬底开发了一整套集电极和光提取于一体的方案,这样做不但简化了工序,也能够降低成本。

 

 而在中游的面板制造领域,由于OLED器件使用的有机半导体材料对环境的耐受力比较低,这样OLED面板制造商将面板制造与封装集成在一起,最终提供封装好的面板。这一点将与LED照明行业有很大的不同,对于LED照明行业,芯片制造商和封装厂通常是分开的,互相是独立的工序,而这一点将很难在OLED照明行业里看到。
  而在OLED照明产业的下游,将是光源和灯具生产商,基于封装好的OLED照明面板,根据不同照明领域的要求,进行相应光源和灯具的最终开发。因此可以推断,OLED照明产业的链条将比LED照明产业链更短一些,行业的整合能力更强一些。

3.2 OLED照明市场的发展机遇和前景

 近来,由于LED照明产业的快速发展,特别是LED产品性能的极大提高以及新特性的不断涌现,例如,通过LED侧发光也能够开发出效果比较好的平面照明产品,而且产品轻薄,价格相对较低。特别是结合远程荧光粉技术,能够开发出性能很高的导光板类型的LED发光面板,例如,面发光,轻薄,高演色性,等;
 那么是不是意味着OLED照明技术和产品没有发展机遇了呢?答案当然是否定的,OLED照明市场的发展取决于OLED照明技术和产品的固有特征以及最终的性能水平,进而推出满足市场需要产品(价格合适与性能卓越)。OLED照明技术和产品最大的特征是在于其具有高的光品质的同时,在灯具设计和开发上具有极大的自由度,能够在某种程度上颠覆人们对照明产品的固有印象,更大程度上让照明融入人们的日常生活,例如,镜面的OLED照明系统,半透明的OLED照明灯具,柔性可贴敷的照明产品,任意形状的设计,等等,都可以通过OLED技术很容易的实现。即使在普通的面照明领域,OLED也将不断地取代导光型LED产品,毕竟导光型LED在光效上有固有的限制和损失。

小结
  随着光效,寿命和生产成本的不断改善,以及OLED照明面板自身具有的特性,在面发光领域OLED技术和产品性能的优点将通过新照明产品不断的得到展现,进而OLED照明产品将在市场上占有一席之地,同时其自身特性将重新定义日常生活中人们对照明产品的定义。与传统光源技术相比,由于半导体照明技术具有高效节能和产品设计灵活等独特优势,未来的态势很可能是LED与OLED照明技术共同存在,并行发展,满足不同的照明应用需求。

 

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