一种高色温白光OLED及其颜色新特性研究

钟 浩，朱腾飞

(杭州市质量技术监督检测院，浙江杭州 310019)

引言

20世纪80年代，邓青云等[1]发明了有机发光二极管(OLED)。进入21世纪以来，OLED已经逐步应用于各种用途的设备。目前，多款OLED照明产品已量产。OLED照明具有尺寸轻薄、柔性等许多优点，但是也存在一定的技术短板[2-4]，如目前研究及量产的照明用OLED相关色温都低于4 000 K，还没有相关色温5 000～6 500 K的高色温白光OLED照明产品，也未见高色温白光OLED的研究试验报道。主要原因是，与相关色温4 000 K以下白光OLED相比，制备高色温白光OLED的发光材料匹配难度更大[2]，难以寻找合适匹配的主客体材料的组合保证良好的白光输出。在日常生活中，高色温白光OLED光源需求很普遍，家居照明尤为突出。因此，本文研究的意义在于及早开发稳定可靠的高色温白光OLED照明产品，探索其新颖特性，满足家居照明的新需求，提升照明品质[5-7]。

1 光电特性测试装置及步骤

本文所研究的OLED样品采用以下技术路线制备：选取两种不同能态的激基复合物，形成双主体发光材料，通过直流电场驱动双主体材料，分别对应激发出蓝光、红光两个波段并混合成白光。以此技术路线制备了一组相关色温6 000 K左右的白光OLED，样品数量4只，样品尺寸为50 mm× 50 mm×3 mm，如图1所示。

图1 色温6 000 K的白光OLEDFig.1 White OLED sample with CCT of 6 000 K

测试白光OLED的光色电特性设备主要包括：杭州远方光电的精密数显直流电源(型号为WY12010)、高精度快速光谱辐射计(型号为HAAS-2000)、小积分球(直径为30 cm)、光谱测量分析软件为主体的一套OLED光电色测试系统，如图2所示。

图2 OLED光电色测试系统Fig.2 OLED photoelectric test system

分别对4只白光OLED样品进行测试，先将1#样品放置在小积分球的测试工位上，然后逐步提高精密数显直流稳流稳压电源的电压值，当电压值达到3.77 V时，OLED开始点亮，稳定后测试样品的相关色温、显色指数、光谱、电压等光电参数并记录。再将电压依次调高至4.0 V、4.5 V、5.0 V、5.6 V、6.0 V、6.2 V、6.4 V、6.6 V、6.8 V、7.0 V，记录光电参数测试结果，得到各组数据(相关色温、显色指数、光谱、工作电流)。然后再以相同实验条件、相同实验步骤对2#、3#、4#样品分别进行测试，得到各组数据。

2 测试结果分析

2.1 OLED电学特性

对1#、2#、3#、4#白光OLED测试得到的电压、工作电流数据进行分析，如图3所示。图3可知，驱动电压为3.77 V时，OLED开始点亮，此时的工作电流为0.01 A左右。随着驱动电压的升高，工作电流逐步升高。当驱动电压为7.0 V时，OLED样品的工作电流分别达到0.076 7 A、0.076 2 A、0.076 6 A、0.076 9 A，所测4只OLED样品的电参数接近，电流变化规律较为统一。

图3 工作电流与驱动电压的关系Fig.3 Relationship of current and driving voltage

2.2 OLED相关色温分析

4只白光OLED相关色温数据及驱动电压关系如图4所示。图4可知，驱动电压为3.77 V时，OLED开始点亮，1#、2#、3#、4#样品相关色温为3 700 K、3 532 K、3 676 K、3 593 K。随着驱动电压升高，相关色温均大幅增加，驱动电压5 V时，相关色温分别为5 013 K、4 911 K、5 084 K、5 040 K；当驱动电压为7.0 V时，样品的相关色温分别为5 931 K、6 144 K、6 040 K、6 209 K，达到6 000 K左右，是照明白光典型的高色温目标值。比较所测4只OLED样品的相关色温规律，具有一致性。值得注意的是，OLED相关色温变化情况明显不同于LED光源，一般LED相关色温随驱动电压变化始终处于某一目标数值区间，变化幅度较小，而本文中OLED样品相关色温随着驱动电压增加变化极大，如2#样品从3 532 K增加到6 144 K，增幅超过2 600 K，直接观察到样品从暖白光渐变到中性白光、最后变到冷白光，颜色变化程度十分显著。

图4 相关色温与驱动电压的关系Fig.4 Relationship of CCT and driving voltage

2.3 OLED相关色温变化原理

基于光谱功率分布数据，进一步讨论OLED的相关色温变化特性及原理。图5所示为2#样品在相关色温4 000 K、4 500 K、5 000 K、5 500 K、6 000 K时的光谱功率分布曲线。图5中呈现两个现象：①OLED光谱功率分布曲线包含两个峰值且一直存在，峰值波长分别是464 nm和575 nm，对应蓝光部分和红光部分；②随着相关色温的增加，蓝光部分与红光部分光谱功率分布峰值的比分别为0.8∶1、1∶1、1.125∶1、1.229∶1、1.375∶1，比值不断增大。以上两点表明，OLED相关色温的升高是以电压驱动提高蓝光部分光谱功率分布比重的方式实现的。产生这种特性的原因是，制备OLED的两种主体发光材料对电场驱动响应程度不一致，其中激发蓝光的激基复合物主体材料受电场驱动更为灵敏，光输出效率更高，随着驱动电压增加，能够比激发红光的主体材料输出更多光能量。基于此现象与原理，本文认为该白光OLED的相关色温具有电学可调性，且调控幅度大，达到2 600 K以上。而这种新颖的色温调控方式在照明领域具有重要潜在价值，可以充分应用在照明产品中对光源颜色进行大幅、连续调制切换。

图5 在不同相关色温OLED光谱功率分布曲线Fig.5 The spectra of OLED with different CCT

2.4 OLED显色指数分析

显色指数定义是与标准的参考光源相比较，一个光源对物体颜色外貌所产生的效果，主要反映光源在显示颜色逼真性方面的优劣。对1#、2#、3#、4#OLED样品的显色指数Ra数据进行分析，如图6所示。在驱动电压为3.77 V时，OLED样品开始点亮，此时4个样品的显色指数Ra分别为61.3、58.9、61.3、60.4。随着驱动电压的升高，呈递增趋势，刚开始变化比较大，当驱动电压超过6 V，显色指数的变化很小，趋于平稳。最后，4只OLED样品的显色指数Ra分别69.9、69.9、70.0、69.6，达到70左右。GB/T 24907—2010《道路照明用LED灯性能要求》规定道路照明用LED显色指数Ra≥70，据此可知该高色温OLED样品的Ra已初步满足国内部分照明产品标准要求，OLED显色性发展规律同LED的类似。随着OLED技术研究的深入，OLED显示指数可以进一步提升。

图6 显色指数与驱动电压的关系Fig.6 The relationship of color rendering index and driving voltage

3 结论

本文对新型高色温白光OLED进行了测试分析，得到其光、色、电参数，结果表明该OLED具有高色温白光、相关色温电学可调、调制幅度大等一系列新特性，本文分析了OLED相关色温随电压显著变化的原因。该新型白光OLED颜色特性新颖，具有应用于照明的优势及可行性。