分散型电致发光(EL）器件的开发及照明应用

邓隐北，孙合慧，陈 伟

(1.河南天恩太阳能科技有限公司，郑州 450000;2.中国水利水电第十一工程局，郑州 450001）

0 引言

分散型电致发光(Electroluminescence），具有将无机荧光体粒子分散于有机聚合物中的荧光体层，是把功能性的胶体层叠积起来制成基本单元、以极其单纯的印刷加工工艺即可实现器件化的新光源。构成分散型EL的各个功能层，因使用了微粒子状的荧光物质和电介质，故又称粉状(Powder）EL。分散型EL由于具有结构简单、能低成本制作的特点，与其他的发光器件比较，存在亮度低、色纯度低等问题。为了扩大其应用范围，必须解决这些问题。迄今已实用化的分散型EL，仅限于单色LCD(液晶显示）的背照光，移动电话的键控背光，配有背面光源的POP广告等较低亮度的单色背光用途。目前处于研究水平的有:关于矩阵显示单元的报导，关于新型结构的两面发光器件的报导等。

此外，考虑在平面发光操控盘的照明应用场合，迄今对点光源与线光源均要求有不同的设计。为将光源扩展到2维的平面光源，亮度降低了，可由面积来补偿。新型设计的照明伴随有光的阴影等，期望能以这种平面发光作为前所未有的新光源。

本文将分散型EL的单纯结构与色纯度优的有机色素融合在一起形成有机色素分散型混合EL单元，对该单元的高亮度化和目标针对白色照明用的高显色性，即色彩还原能力佳(high colour rendition）等问题进行了探讨，现将有关结果介绍如下。

1 分散型EL与薄膜型EL

分散型EL是将底板上的透明电极、荧光体层、电介质层、背面电极依次堆叠起来形成极其简单的单纯结构，透明的底板侧为发光面(图1）。另一方面，对于薄膜型EL，是在荧光体层的两侧夹入电介质层，形成电介质/荧光体/电介质的双重绝缘结构。这一薄膜型EL的电介质层，利用了光透性优越的薄膜。

图1 分散型EL的基本单元结构

在分散型EL中，也有报导:在发光面侧的透明电极与荧光体层之间配置中间绝缘层的双重绝缘结构的例子，在达到800 cd/m2的高亮度领域，耗电量下降了，发光效率提高了。

此外，在分散型EL与薄膜型EL的电流—电压(I—V）特性上也有很大差别。在分散型EL的I—V特性上，未发现薄膜型EL所见到的发光起始电压，即阈值(临界点）电压Vth。在薄膜型EL中达到Vth之前，电压上升，流过的电流小，超过Vth以后，电流才一起急剧增加，与此同时开始发光。从而在Vth以下的低电压区，因施加于荧光体层的电场低，不发光。与此对应，在分散型EL器件中，从低电压到高电压均有阻抗层那样的电流流过，这就是构成分散型EL器件所有功能层含有机聚合物，以及各功能层厚度变比的原因。特别是分散型所用的荧光体，其粒子直径大的约为20 μm，因其粒径不均匀，即使电极间的距离相同，加在荧光体上的电场强度也会产生偏差，故发光起始电压Vth会因荧光体的不同而变化。其结果就是电压上升时电场强度高的荧光体开始发光。这样一来，即使相同的无机EL，薄膜型和分散型的器件结构不同，电气特性也不同，在下述的亮度—电压(L—V）特性中，说明这一分散型EL的亮度上升特点。

下面介绍有关分散型EL的各功能层。

(1）荧光体层

以硫化锌(ZnS）作为母材，将添加了非活性剂的荧光体粒子分散于有机聚合物中而形成荧光体层。对有机聚合物而言，如同有效电场施加于荧光体上一样，利用了高电容率(高介电常数）的氰化乙基纤维素(CyanoAthylcellulose）等。荧光体的发光颜色，可通过非活性剂的组合而改变。ZnS:Cu.Cl系的发光，是将Cu作为受主(受体Acceptor），Cl作为施主(发送体Donor）基于这种D—A偶(pair）之间的再结合迁移。藉助Cl量的改变，可由蓝色发光(460 nm）得到绿色发光(510 nm）。Zns:Cu.Cl.Al系显示绿色发光。Zns:Cu.Cl.Mn系显示黄色发光。这些荧光体粒子，在由印刷加工工艺制作的器件上，作为提供的粒子，大的粒径为20 μm左右。而且每个荧光体粒子在有机聚合物中相互不接触呈分离状态。荧光体粒子的填充密度增加，具有半导体特性的荧光体粒子一旦直接接触则会形成电流路径，因绝缘耐压的降低难于施加高电位的电场。

(2）电介质层

荧光体层中的各个荧光体粒子，在电容率高的有机聚合物中不接触呈分散状的场合下，不一定需要电介质层。但在形成至荧光体电荷供给源的同时，提高了绝缘耐压，具有将高电场稳定施加于荧光体的功能。对于这一电介质层来说，一般是使用BaTiO3粒子分散于有机聚合物中。因 BaTiO3具有2000～3000高电容率的材料，故这是有利于发光，适用于电荷充放电的材料。

(3）背面电极

从材料成本的观点看，多以石墨(碳）为主要成分，利用了导电胶的碳精电极，或者使用导电性优的银电极作为背面电极。而且在底板侧由于使用了有机系的电极材料，因此可以制作将所有功能层通过印刷工艺堆叠而成的器件。

2 绿色有机色素分散型混合式EL器件

原来的分散型EL，为结构简单，用简单工艺就可制作的器件，但与其他发光器件比较，亮度低，发光颜色也不充分，旨在改进这些缺点而开发的有机色素分散型混合式EL(以下称混合式EL），是在原来分散型EL的荧光体层涂敷了有机色素的发光器件，由于亮度和色纯度的提高而引人注目。

作为一个例子，500 nm附近具有发光峰值波长的蓝绿色发光ZnS系荧光体，在由此形成的荧光体层上，涂敷了绿色有机色素——香豆素(Coumarin）C6，这种混合式EL，其发光光谱如图2所示。在荧光体层上涂敷了有机色素的混合式EL器件，一旦施加电压，首先是无机荧光体发光，其光被有机色素吸收，有机色素被激励而又自身发光。作为这一结果是:EL光谱的峰值向长波长侧偏移，而且伴随着这一EL光谱向长波长侧的偏移，相对可见度提高，故可望提高亮度。在涂敷了C6的情况下，峰值波长由500 nm移向520 nm，对应于峰值波长的偏移量，相对可见度约增大到1.7 倍。

图3为薄膜底板上制作混合式EL的亮度—电压(L—V）特性。混合式EL的亮度与原来分散型EL比较，显示出亮度约增大1倍。绿色发光ZnS系荧光体与绿色有机色素C6的组合后，无机荧光体的发光几乎全部为有机色素所吸收，其结果导致激励的有机色素高效率的发光。加之，因相对可见度提高，亮度也提高。这样一来，在结构及其单纯的混合式EL中，由无机荧光体的光激励起有机色素的光，就可高效率地从外部取出来。

图2 绿色发光混合式EL的发光光谱及相对可见度

图3 薄膜底板上制作的混合式EL亮度—电压特性

3 高显色性白色发光有机色素分散型混合式EL器件

考虑到照明应用时，一般照明中白色发光是不可缺少的。目前，分散型EL，红色波长领域不充分仅限于模拟(仿真）的白色发光，故可见光领域缺乏平衡良好的成分，可见光谱成分单一，与其他光源比较，显色性低，即色彩的还原能力不高，人眼不易辨别远方物体形状和颜色。

原来的长波长发光分散型EL，作为基于白色光源的红色区域发光，因短波长过多，故对较长波长发光的红色发光器件有关问题进行了研讨，因而制作了在红色有机色素中掺杂质的混合式EL器件。结果，实现了红色发光混合式EL元件在长波长区的发光，这一有效手段也得到了确认。此外，其红色发光混合式EL元件在其开发过程中，还发现了包含RGB(红绿蓝）3波长的元素。

图4所示为白色发光混合式EL元件的EL发光光谱。由于在蓝色发光ZnS系的荧光体层上，涂敷了绿色有机色素的C6和红色有机色素的DCJIB，故可实现具有RGB 3波长领域发光峰值的白色发光器件。对C6和DCJIB的掺杂比率进行调整，蓝色发光波长区ZnS系荧光体的光和绿色发光波长区C6的光以及红色发光波长区DCJIB的光，则可从外部取出构成白色光的各波长区域的光，首先ZnS系荧光体，借助电场作用被激励，其一部分为蓝色发光，与此同时，为C6+DCJIB激励的光。接着C6由ZnS系荧光体的光激励，形成本身的绿色发光，同时又形成激励DCJIB的光。最后，DCJIB被ZnS系荧光体的光和C6的光所激励，形成红色发光。通过这一系列的授予，RGB 3波长型的白色发光器件即能实现。在这一器件中，有利于发光颜色的只是无机荧光体和2种有机色素。在这一白色发光混合式EL器件中，通过对ZnS系荧光体和C6、DCJIB混合比的调整，现正在开发平均显色评价指数Ra=89和高显色性的发光器件。由此，由低成本印刷加工工艺可制作的混合式EL，并附加高显色性这一特点的分散型EL已经形成。

图4 白色发光有机色素分散型混合EL元件的EL发光光谱

4 小结

原来的分散型EL器件，这是用印刷加工工艺可以制作，并能使面发光的控制盘实现低成本化的器件，但与其他的器件相比，色纯度和亮度均低，作为照明应用尚未达到实用化程度。新近开发的混合式EL器件，是克服了原来分散型EL器件缺点(显色性不高）的新发光器件。作为新型面光源，能提高产品的品位和质量，在今后的研究进程中不可缺少。可望成为具有高附加值面光源的新型发光器件。

［1］佐藤利文.分散型ELデバィスの開發照明へのァプローチ［J］.太阳工ネルキー，2010(5）:41 ～43