高效白光OLED器件进展及性能分析

王 丹，文尚胜

(华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州 510640)

引言

有机电致发光器件(OLED)具有全固态、自发光、工作电压低、功耗低和可用于柔性衬底等特点[1]，可以作为平板显示器(如液晶显示)的背光源[2]，或者作为平面照明光源，越来越受到广大科研工作者的关注。紧随无机发光二极管(LED)，OLED 照明技术成为了半导体照明领域近年的研究热点和重点。与LED相比，OLED在轻薄、柔性、护眼等方面更具有优势，特别适合于室内的大面积照明，在未来照明领域中具有诱人的应用前景。另外，白光OLED 结合滤光片技术即可实现全色显示。经过近二十年的发展，白光OLED器件的性能及理论研究都取得了长足的进展，已经接近荧光灯的发光效率，显示其巨大的应用前景，被认为最具潜力的新一代半导体照明光源[3-4]。

1 白光OLED照明的优势

与其他各类人造光源技术相比，OLED技术具有独特的优势，是目前为止最好的照明光源[5]。

OLED照明的最大特点是光源自身为面发光。包括LED照明在内的已有照明是利用点和线光源照亮空间。在需要面发光的时候，一直是把多个点光源、线光源排在一起，在外面罩上面板形状的灯罩。而使用白光OLED技术则能够直接实现整面发光的照明，制造出大范围、均匀照明的最佳器具。此外，将白光OLED制备在柔性的基板上，可实现弯曲光源，可挠曲，且拥有不易破裂的特性，将使照明产品与应用技术推陈出新，并超出现有的想象。

随着人们越来越关注环保，白炽灯与荧光灯正逐渐被取代，LED照明光源成为主力，OLED照明则因特有的优势，可望成为备受瞩目的新的照明技术。根据日本山形大学理工学研究所城户淳二教授的推估，使用OLED照明，到2020年，预计可减少670万吨、约2.3%的二氧化碳排放量。2000年起美国能源部即每年投入3000万美元进行OLED照明技术的研发。全球三大照明厂商飞利浦 (Philips)、欧司朗(Osram)及通用电气(GE)亦参与OLED照明应用的研究，2010年日本Lumiotech也推出OLED照明产品。中国也有维信诺、南京第壹有机发光、北京京东方等在积极投资OLED 照明面板的研发和产业化[6]。

2 白光OLED器件的结构分类

按照色度学原理(如图1所示)，白光往往通过混合两互补色(如蓝光和黄光)，或者三基色(红、绿、蓝)来实现。只要两互补色的色坐标的连线可以通过白光区域，或者三种颜色的色坐标的连线所形成的三角形包括白光区域，然后通过调节各种颜色的发光强度，合理叠加就可获得白光。此外，还可以通过单一化合物来获得白光。但是目前这种化合物比较少，所制备的器件发光亮度和发光效率一般都不高。照明用白光应该具有好的显色指数(Ra> 80 )和好的色坐标位置，接近国际照明协会的色品图的( 0.33, 0.33 )点。

为了得到高效率、性能稳定的白光OLED，研究人员在材料选择、器件结构设计等方面做了大量研究。下面我们将从不同的角度对白光OLED器件进行分类。

2.1 基于发光材料的白光OLED器件分类

从发光材料的角度来看，白光OLED器件可以分为普通纯荧光(fluorescence)器件、纯磷光(phosphorescence)器件、荧光磷光混合式(hybrid)器件和热活化延迟荧光发光(thermally activated delayed fluorescence, TADF)器件，以及激基缔合物或激基复合物器件。

1)普通纯荧光器件。有机荧光材料的特点是稳定性好，器件寿命较长。最早报道的荧光白光OLED器件是美国柯达公司的双发光层的器件结构，将黄色荧光材料(如rubrene的衍生物)掺杂到空穴传输层(如NPB)中，加上高效率的天蓝光发光层。普通纯荧光材料制备的器件，最多只有1/4的单重态激子能够转变为光子，内量子效率上限只能达到25%，发光功率很难超过20 lm/W，不能满足显示和照明的实际应用。

2)纯磷光(phosphorescence)器件。磷光材料因为具有重原子耦合效应，其内量子效率的理论值可以达到100%，光效可以为仅使用荧光材料OLED的四倍。2008年kido教授的研究团队发表了光色稳定的白光器件。在两种蓝色发光层中间夹杂两侧各0.25 nm的超薄橘黄光发光层，在1000 cd/m2的亮度下得到了效率为44 lm/W，色坐标为(0.335,0.396)的高效稳定的发光发射[7]。磷光材料的出现，让OLED技术实现高效成为可能。

3)荧光磷光混合式(hybrid)白光OLED器件。荧光材料的寿命较好，但是效率较低；磷光材料可实现较高的内量子效率，但目前蓝光磷光材料的寿命较低，这成为白光OLED性能提高的瓶颈。由红绿蓝三色纯磷光材料发射组成的全磷光白光OLED，由于蓝色磷光材料的稳定性一直没有解决，经过一段时间后器件的光色会偏红，器件寿命也会受到影响。

考虑到荧光蓝光材料的寿命已经完全达到照明使用的要求，因而运用蓝光荧光材料配合红、绿或黄光磷光材料组成混合式系统，能得到效率、寿命和稳定性都比较好的白光OLED。荧光/磷光混合发光被认为是目前实现OLED照明应用的最佳途径，混合型白光OLED成为有机照明研究领域的一大热点。

早期人们直接将荧光层和磷光层叠加起来，虽然可以得到白光发射，但是效率比较低，原因是荧光材料的三重态能级通常比磷光的低，荧光与磷光层直接接触，导致磷光层中大量的三重态激子能量回传给荧光层造成许多三重态激子为不发光模式[1]。2006年美国Forrest组提出了在荧光和磷光发光层之间加中间层的思想。这种结构利用单线态和三线态激子的扩散长度不同实现了荧光和磷光的同时发射，充分利用了全部激子，在器件亮度为500cd/m2时，得到了外量子效率为(18.7±0.5)%，功率效率为23.8lm/W,100mA/cm2下的色坐标为(0.38,0.40)[8]。

2014年，马东阁研究团队提出了不含中间层的高效WOLED[9]。他们将具有较高三线态能级的蓝色荧光材料掺杂到双极共混主体材料中，双极共混主体能够有效抑制荧光与磷光之间的相互淬灭，而且蓝色荧光材料与相邻磷光材料之间的吸热能量回传降低了三线态能量损失，从而不采用中间层就可以获得较高的发光效率。这种不含中间层的混合型OLED结构比较简单，不但发光效率高，而且光谱十分稳定。这种兼顾高效率和光谱稳定性的混合型白光OLED在照明应用中具有很好的实用价值。

4)热活化延迟荧光发光(TADF)WOLED器件。磷光材料虽然效率高，但是因为含有稀有金属，材料昂贵，制备成本较高。研究人员将目光投向了可以达到理论内量子效率100%的热活化延迟荧光材料。热活化延迟荧光材料中分子的S1 态与T1 态的能差(ΔEST)较小， T1 态可在热激发的条件下反系间窜越回到S1 态, 然后辐射跃迁产生荧光，这类材料通常具有荧光效率随温度增加而增大的特征，明显区别于普通发光材料。2012年，日本九州大学Adachi课题组发表了具有热活性型延迟荧光效应的OLED技术，采用高度密集的电子给体(donor, D)与电子受体(acceptor, A)的组合增加轨道重叠、提高发光效率，在一些体系(特别是绿光)中取得明显突破，实现了外量子效率为19.3%的器件，接近磷光器件的效率水平，成为有机荧光器件的巨大突破。随后，该课题组设计出一系列T-S 能隙为零的材料体系，器件效率表现不俗[10-11]。目前，高效的单色发光热活化延迟荧光材料正在开发中，用其制备WOLED报道比较少。2014年，邱勇研究团队发表了利用蓝色热活化延迟荧光材料制备的WOLED器件，得到外量子效率EQE为22.5%，功率效率为47.6lm/W的高效稳定的暖白光发射[12]。

5)激基缔合物或激基复合物WOLED器件。这是一种比较特殊的发光材料，利用的不是材料的本征发射，而是利用有机分子与邻近层的分子产生激基复合物或是利用自身分子产生激基缔合物发光。这类激发态为较低能量，可以得到红移且宽广的光谱，能够和其他颜色的发光组会得到比较宽的白光OLED光谱，一般具有较高的显色指数。这是一个有希望能够减少在多层式器件中掺杂物的数目和结构异质性的方法。但是因为激基复合物发光效率比较低，很难跟含有磷光材料WOLED器件相比，此外，在不同电压下，此类器件的发光光谱变化较大，造成性能不稳定，关注这类WOLED器件的研究团队不多。但是Adachi团队最近发现，在用m-MTDATA作为供体材料和用2,8-二(联苯 磷)二苯并[b,d]噻吩(PPT)作为受体材料的激态复合物中观察到强烈的延迟荧光，得到了高达28.5%的PL量子产率[13]。其工作机理再次受到了大家的关注。

2.2 基于发光单元个数的白光OLED器件分类

从器件中包含发光单元个数的角度来看，白光OLED器件又可分为单个式、叠层式(tandem)和横条纹式的结构。

1)单个式WOLED，即器件中只包含一个发光单元，结构简单，制备起来比较容易。大部分团队关于OLED的研究工作都是针对单个式器件开展的。然而，要解决WOLED器件的寿命问题，叠层式结构的优势就非常明显了。

2)叠层式白光OLED。叠层式OLED结构最初由日本山形大学的Kido教授提出来的[14]，与传统的单个单元的OLED器件相比，拥有较高的电流发光功率效率，其发光功率效率可以随着串联器件的个数成倍数增长，可以在很小的驱动电流下获得较大的初始亮度，非常适合照明使用。由于OLED的寿命与其通过的电流密度是成反比的，多个OLED单元层叠起来，在得到相同亮度的情况下，每个OLED单元中通过的电流密度减小，从而可以大大提高OLED的寿命。叠层式结构的器件中，随着叠加层数的增多，微腔效应会逐渐增强，从而在不同的角度上，发光颜色及其他性能有较大的变化。

叠层式(tandem)又被称为多光子发光技术(Multi-photo emission MPE)，相当于将多个独立的OLED单元(unit)串联在一起，这种结构需要一种能够产生电荷的连接层(CGL：charge generation layer)将个发光单元连接起来。连接层相当于上下两个单元共享的电极，可以同时产生电子空穴两种载流子，分别注入到两边的发光单元中。连接层材料的选择及厚度控制是叠层结构中非常关键的技术。

2008年SID上，Kido教授提出以两层蓝光串联两层橘黄光的4层串联白光OLED，亮度为5000cd/m2时效率为20lm/W[15]。2009年SID上，LG公司利用了绿光与红光同时掺杂磷光层组成黄光器件与荧光蓝光器件串联组合成白光，在亮度为1000cd/m2时效率为30lm/W，色坐标为(0.37,0.39)，半衰期寿命为31000h[16]。日本出光幸运公司也在会议上发表了新颖的红光与绿光的磷光主体发光材料，得到的器件在1000cd/m2时的效率为35.2 lm/W，色坐标为(0.32,0.42)，半衰期寿命为94000h[17]。

叠层结构是OLED白光照明的一大热门主题。因为可以根据不同的需要采用不同的设计方法，加上光取出技术，在相同电流密度(尤其是高亮度下)的寿命将比单一OLED器件具有更显著的优势。

3)条纹式白光OLED。如图2所示，2014SID上，Universal Display 公司发表了一种新颖的条纹式白光结构[18]。前面两种结构中，发光单元是独立的，但是不能单独控制。条纹式结构中，RGB三种颜色的发光区域做成条状，并能分别控制，进而很容易实现发光颜色的调控，得到了15cm×15cm 面板上，可以实现光色从2700K～4000K的变化，不采用光取出技术时得到41 lm/W的发光效率，采用光取出技术后能达到63 lm/W 。

图2 (a)单个式白光OLED;(b)叠层式白光OLED;(c)条纹状白光OLEDFig.2 (a)Single stack white OLED pixel. (b)Stacked white OLED pixel. (c)RGB stripes patterned side by side.

2.3 基于光出射方向的白光OLED器件分类

按光从器件出射方向的不同，OLEDs又可分为底发射器件(图3(a))和顶发射器件(图3(b))。[19]

图3 (a)底发射器件；(b)顶发光器件Fig.3 Structures of (a)bottom-emitting OLEDs，(b)top-emitting OLEDs

顶发射结构由于其在有效发光面积和提高效率方面的优势，也可能成为照明用白光OLED的一个重要技术发展方向，而且将其它结构和顶发射结构结合起来可以发展出更高性能的白光OLED。在顶发射器件中，光从器件的顶部出射则不受TFT 的影响，因此能有效提高开口率，有利于器件与电路的集成。而且顶发射器件还具有提高器件效率、窄化光谱和提高色纯度等优点。顶发射WOLED 因为能够充分利用顶发射结构和白光器件各自的优点，所以特别适合用来制备大尺寸、高清晰度、全彩色的有源显示设备。

3 高效白光OLED器件的性能

高效率、长寿命、低成本是白光OLED照明光源实现产业化的关键，其中，效率体现了将电能转化为光能的能力，寿命体现了其实用性，而成本是市场广泛应用的前提。综合考虑材料的选择和器件结构的设计，利用荧光蓝光材料加上黄色或红、绿光磷光材料组合得到效率较高的白光发射，配合光取出技术，大幅度提高功率效率，并利用叠层结构增加器件的稳定性，得到能够实用化的使用寿命是WOLED目前的最佳选择。与此同时，热致延迟荧光材料作为新一代的有机发光材料，正受到研究者的关注和迅速跟进。

目前，国际上白光OLED器件性能日新月异，相继有最新报道推出[20-21]。近两年发布的白光OLED器件实验室水平见表1。2013年，LG公司在SID(Societyfor Information Display)会议上报道的叠层器件，效率达到80 lm/W，且寿命较长。松下公司报道的全磷光WOLED器件，效率超过100 lm/W。2014年，南京第壹有机光电发表的3单元叠层结构，效率高达117 lm/W，其中利用外光取出技术的3单元叠层结构已经能够实现在生产线量产，1000 cd/m2下的功效超过80 lm/W，3000 cd/m2下的功效超过60 lm/W，产品性能达到了国际领先水平。

表1 目前白光OLED器件实验室水平Table 1 The current white OLEDs laboratory level

4 白光OLED技术展望

除了材料和器件结构，还有一些提高白光OLED效率非常关键的技术，即光提取技术和封装技术。此外，OLED最大的优势在于可以制备柔性器件，目前，柔性OLED技术也成为了目前最热门的研究课题之一。

1)光取出技术。普通透明衬底上制备的OLED器件，优化后的光输出耦合效率也只有20%左右，也就是说器件内部产生的光约有80%以上被限制或损耗在器件的膜层内部，没有利用到。要想得到高效率的白光OLED，器件的出光效率必须大幅度提高，因而开发光取出技术显得尤为重要。现已经有多种器件修饰技术可以提高光取出效率，主要分为外部提取方案(external extraction scheme，EES)和内部提取方案(internal extraction Scheme，IES)。EES是针对的是衬底的外表面，IES是针对的是衬底和透明电极之间。EES制备起来比较简单，微透镜技术、涂布散射层、形状化基底技术、纳米图案和纳米多孔膜已经用于实际量产的产品中。相比之下，IES对光取出率的提高程度比EES要大一些，但是因为制备起来比较困难，工艺复杂，目前还只是在实验室阶段，插入低折射率层、通过光刻等技术等把器件 ITO/有机区域制成波纹形状、光子晶体等[31]。此外，在 OLED 器件中加入合理设计的微腔可以提高光取出效率。到目前为止，研究者开发出了许多光提取技术，但真正能满足应用要求的并不多，最主要的原因是工艺复杂性造成的成本问题以及大面积化问题。

2)封装技术。与OLED寿命相关的关键技术之一就是封装技术。传统OLED封装方式使用的是金属盖或玻璃盖板，传统的OLED封装技术虽然有效， 但很笨拙， 而且成本高。此外，很明显这种盖板不适合柔性器件的封装。进而，出现了薄膜封装技术[32]。薄膜封装按封装材料可分为无机薄膜封装、有机薄膜封装、无机/有机复合薄膜封装等。

3)柔性技术。柔性显示技术一直是人们的梦想，也是OLED技术最独特的优势。柔性OLED器件的研究主要集中在衬底端阳极的改善和柔性衬底的研究上。传统的ITO工艺因为制备工艺较高，不适合用于以塑料材质为衬底的柔性器件上。并且由于铟(Indium)资源缺乏，找到能够取代ITO的透明阳极材料成为研究的热点，目前主要有机导电膜材料及碳纳米管等。PET、PES、PEN等塑料衬底和金属衬底都可用于制备柔性OLED器件。

5 结束语

随着研究的不断深入,白光OLED的效率、寿命以及亮度等性能正在逐步提高，将向着大面积化、高可靠性、高效率及柔性化发展。另一方面,OLED照明产业化的序幕已经拉开,即将有更多高质量的白光OLED产品出现，带给我们更舒适、完美的享受。

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