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分析现代固态高效绿色照明光源——OLED

发布于：2015-07-31 23:14:31 来自：电气工程/照明工程 [复制转发]

１ＯＬＥＤ照明光源的特点

ＯＬＥＤ是“有机发光二极管”的英文缩写（Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ），是指有机半导体材料和有机发光材料在电场的驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的技术。ＯＬＥＤ的发光原理是用ＩＴＯ玻璃透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定正向电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，然后分别迁移到发光层，相遇形成激子使发光分子激发，经过辐射后发出可见光。辐射光可从ＩＴＯ一侧观察到，同时金属电极膜也起了反射层的作用。ＯＬＥＤ照明光源产品的特点如下：

（1）ＯＬＥＤ不是点光源，而是分布式（散布式）平面固体光源，不同于钨丝灯和ＬＥＤ的点光源或荧光灯的线光源。具有光线分布均匀柔和的天然优势，它重量轻、柔软、明亮、少阴影。

（2）ＯＬＥＤ照明光源产品的厚度在２ｍｍ以内，全固态抗冲击振动，可应用于多种传统光源无法实现的领域。能耗低、直流与交流驱动均可，驱动电压仅为３～１２Ｖ，并且亮度可调。

（3）可实现单（双）面发光，能效高、寿命长，没有灯丝断裂而且耐用。

（4）环保，无污染，不发热，仅有少量紫外与红外辐射。

（5）形状可根据设计要求订制，可沉积到任何衬底：玻璃、陶瓷、金属、薄塑料板、织物等柔软和相适应的衬底，能制成任意形状和式样，能调节发光和任何想要的颜色，以及任意色的深浅和强度（包括白色光）。

（6）有不同发光色彩可供选择，具有良好的色坐标、实现接近１００的高彩色重现指数（ＣＲＩ），能调节白光从冷色到暖色。

（7）ＯＬＥＤ是电流驱动型器件，亮度可以在大于

１０，０００ｃｄ/ｍ２的动态范围内变化，并且均匀发光，无闪烁。

（8）较少的插入元器件，能大规模、大面积、低成本制造等。

（9）无眩光和频闪，是实现护眼照明最理想的光源。

（10）工作温度范围宽，寿命长，使用与维护安全。

ＯＬＥＤ与普通ＬＥＤ一样，同是固体化半导体器件，是把数块薄层的有机材料迭加在一起，其发光形式与ＬＥＤ类似，厚度为１００～５００ｎｍ。目前，照明厂商进一步发挥ＯＬＥＤ透明、轻薄、可挠等特性，开发出多样化ＯＬＥＤ新兴照明应用，ＯＬＥＤ在照明领域的应用将彻底改变照明在建筑照明传统意义上的概念，出现真正意义上的ＢＩＬ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ建筑物综合照明），十分类似太阳能中ＢＩＰＶ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｉｎｔｅｇ-ｒａｔｅｄ　Ｐｂｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ建筑物一体化的太阳能光伏组件）的概念。

ＯＬＥＤ和ＬＥＤ发光原理很接近，都是利用电子空穴在发光区再结合时，使得电子释放出能量，此能量会以光子的形式被释放出而产生光。但是，两者结构却相差很多，ＯＬＥＤ由电子传输层、空穴传输层和发光材料层构成，ＯＬＥＤ虽然跟ＬＥＤ只差一个英文字母，但是它的结构比较像ＬＣＤ，两侧有玻璃基板，中间有发光材料，而且发光材料是有机材质而非半导体，ＯＬＥＤ的电极至少有一边必须是可透光的。ＯＬＥＤ技术依其所使用的有机薄膜材料的不同，可分为小分子ＯＬＥＤ（Ｓｍａｌｌ　Ｍｏｌｅｃｕｌｅ　ＯＬＥＤ，ＳＭ－ＯＬＥＤ）和高分子Ｐ－ＬＥＤ（Ｐｏｌｙｍｅ　Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）.

ＯＬＥＤ具有轻薄和柔韧性的特点，能够像纸一样，卷曲、折叠。ＯＬＥＤ显示器不像ＬＣＤ需使用ＣＣＦＬ或ＬＥＤ提供背光照明，通电后自身能发光显示；ＯＬＥＤ又是一种除ＬＥＤ外的另一种固态电光源，可以做成任意形状的面光源，为照明设计引入了全新的理念和方法。

ＯＬＥＤ照明跟ＬＥＤ照明同属照明技术，但是ＯＬＥＤ属于面光源，ＬＥＤ则是点光源，Ｗ－ＯＬＥＤ的发光效率虽仍不及白光ＬＥＤ，但由于ＯＬＥＤ照明具有光线柔和、轻薄、调光容易、自由外型及无紫外线等特性，预计到位２０１５年ＯＬＥＤ照明将逐步进入商品化并快速增长。

２ＯＬＥＤ照明产品

当前，照明厂商根据ＯＬＥＤ透明、轻薄、可挠等特性，开发出多样化的ＯＬＥＤ新兴照明应用。ＬＥＤ和ＯＬＥＤ发光原理很接近，但ＯＬＥＤ面板是一个或多个ＯＬＥＤ器件，将这些器件装配到一起组成一个单元，具有很大的光输出（至少５００ｌｍ），如图１所示。

ＯＬＥＤ照明灯具是一个完整的照明系统，由一个或多个ＯＬＥＤ面板组成，同时包含了ＯＬＥＤ驱动器和固定装置，也可以采用透明电极来制作透明ＯＬＥＤ器件。欧司朗光电半导体在一项研究项目中成功开发出大型透明ＯＬＥＤ光源的原型，其厚度完全取决于载体材料基片，介于３００～７００μｍ之间。该研究项目日后将着力于开发更薄的载体材料，以期制造出更薄的ＯＬＥＤ.这些薄型ＯＬＥＤ模块将更易于运用到各类应用中，可被制作成各种形状，仅占用极小的空间，而且可以无缝地集成到设计环境中，只有接通电源后才会被察觉。透明ＯＬＥＤ发光片如图２所示。当关闭电源时，ＯＬＥＤ几乎无法被察觉；但打开电源后，整个表面均能发出亮度极高的均匀光线。

透明ＯＬＥＤ和柔性ＯＬＥＤ日后会为照明解决方案增添全新的美感，未来的ＯＬＥＤ光源有望被集成到房间屏风和家具中，例如整个窗户都由ＯＬＥＤ制成，白天可以自然采光，晚上则用于照明。透明ＯＬＥＤ面板不需要减少任何结构即可变得透明，这主要是因电极设计、特殊组件结构和薄膜技术的创新。发光表面无需任何附加导体路径结构，电流即可均匀分布在活性表面，进而产生一致的亮度。无论是基于小分子或是基于聚合体制造的ＯＬＥＤ，新技术都简化了制造流程。无论活性层采用何种材料，该技术均可制造出彩色、暖白和冷白ＯＬＥＤ.

目前，ＯＬＥＤ的发光效率还很低，仅为３０～４０ｌｍ/Ｗ，而白光ＬＥＤ的光效普遍达到６０～９０ｌｍ/Ｗ.ＯＬＥＤ的光效只有在２０１５年左右才能达到１００ｌｍ/Ｗ以上，才有机会应用于一般照明。在使用寿命（初期亮度１，０００ｃｄ/ｍ２的亮度半衰期）方面，２００６年ＯＬＥＤ器件的寿命约为１０，０００ｈ，通过调整材料及组件结构，到２００７年３月，ＯＬＥＤ器件达到了１００，０００ｈ，２００８年５月，ＯＬＥＤ器件已经达到２００，０００ｈ。

ＯＬＥＤ应用于照明，打破了传统照明及ＬＥＤ照明体积大、僵硬、厚重（当ＬＥＤ加上散热模块时）等印象，也能开拓其它照明技术尚未能进入的领域。同样是照明ＬＥＤ，在面光源的照明应用上，现阶段制作方式仍须使用扩散板或导光板，但这会使其发光效率降低。反观ＯＬＥＤ，不须使用扩散板或导光板，也可达到高发光效率。另一方面，就技术层面而言，ＬＥＤ发热量大，需要散热机构，但ＯＬＥＤ照明却不需要。ＯＬＥＤ在透明度及散热效果、薄型化具有较高产品优势，适用于大面积面光源，开关速度快。

目前推出的ＯＬＥＤ台灯和枝形吊灯如图３所示，所有灯具都采用ＯＬＥＤ平面光源，每个灯具模块都具有不同的直观交互能力，以天花板灯为例：突显了上照光和下照光的平衡，或根据环境需要来调节灯具的亮暗程度，两款灯具都体现了圆滑和简单直观的设计理念，可作为装饰应用。图３（ａ）的台灯造型非常别致，有１０块ＯＬＥＤ发光板并列在台灯两侧用以提供光源。每块ＯＬＥＤ板的尺寸为１３２×３３ｍｍ.这款台灯的亮度可以达到１０００ｃｄ/ｍ２，而它的寿命则可以达到２０００ｈ.

欧司朗在世博会“天下一家”馆里的家居设计应用中，展示了欧司朗的ＯｒｂｅｏｓＯＬＥＤ灯（如图４所示），欧司朗出品的ＯｒｂｅｏｓＯＬＥＤ灯可做成镜框，该灯发射出的纯平镜面光线，不仅能制造极佳的视觉效果，还能发出漂亮的漫射光线。在不久的将来，建筑师、灯光师以及设计师们将会有更多更好的选择，如闪光天花板以及光隔断墙将成为可能。凭借ＯＬＥＤ照明技术，几乎所有物体都可成为发光源。

２００８年３月，欧司朗率先研发出尺寸为１００ｃｍ２的ＯＬＥＤ照明灯具，显色度指数（ＣＲＩ）为８０，耗电不到１００Ｗ就能够达到５００ｌｍ的总光通量。效率达到４６ｌｍ/Ｗ，亮度达到１０００ｃｄ/m2，连续使用５０００ｈ以上。

某公司推出首个ＯＬＥＤ照明模块原型，原型包括两个系列ＬＵＲＥＯＮ和ＬＵＣＥＯＳ（见图５）。ＬＵＲＥＯＮ－ＯＬＥＤ照明模块尺寸有１００×１００ｃｍ２和１００×５０ｃｍ２两种，它们可以很轻松地集成为一个大面积照明系统。ＬＵＣＥＯＳ－ＯＬＥＤ则为一个六角形，此模块是基于欧司朗的ＯＲＢＥＯＳＣＤＷ－０３１ＯＬＥＤ完成的。

３ＯＬＥＤ照明技术的创新与发展

目前，普遍使用的荧光灯管因为属于线性光源，无法提供大面积且均匀的照明光源。具备轻、薄、软、透明等特性的ＯＬＥＤ照明则适合大面积照明、均匀亮度的照明。有别于ＬＥＤ及荧光灯，ＯＬＥＤ可以调整亮度与颜色，相当适用于情境照明。在应用情境方面，ＯＬＥＤ可以用于抽屉中，打开抽屉便会亮起，以便寻找东西；或应用于镜子上，将ＯＬＥＤ装置于镜子外侧，用于补光以利于使用。也可以用在窗户上，白天为透明的窗户，夜晚点亮后则变为整片面光源。此外，展品照明也是ＯＬＥＤ照明的应用市场，展览品最怕受到红外线、紫外线及热的影响，可利用ＯＬＥＤ的低热特性，免除展品受到红外线、紫外线与温度的困扰，即使初期ＯＬＥＤ照明产品价格偏高，但相较于价值更高的展览艺术品，使用ＯＬＥＤ仍是展品照明的良好选择。

目前，在改善ＯＬＥＤ器件里的有源区发光效率方面还存在很大的改进空间，同时也要在ＯＬＥＤ制造工艺方面投入相当大的精力。目前，ＯＬＥＤ（主要用在显示领域）常用的装配技术都采用玻璃基板，实际上不会出现散射损耗。但如果将玻璃基板转变成可弯曲聚合物基板，虽然可以降低制造成本，但不容忽视的是也降低器件效率。电极设计技术可以减少损耗，不过也可能阻挡或损害器件发射光线，最终降低总体器件效率。如今，市场上虽然有很多电极设计技术来改善电阻（不能完全消除），但是却产生面板尺寸增加的问题，不过受此效应影响的光源损耗非常小。

ＯＬＥＤ与ＬＥＤ截然不同的是外量子效率表现最好的在绿光，蓝光和红光表现较差，因此总体白光性能还不尽如人意。由于波导的原因，平面ＯＬＥＤ设计中的外部量子效率一般受限约为２０％，因此在增强外部量子效率方面还需要更多创新，其目标是将外部量子效率提高到７０％.

ＯＬＥＤ的灯具效率也比传统灯具高许多，尽管这一优势仍未完全展示出来。由于ＯＬＥＤ是面发射光源，灯具损耗几乎可以忽略。尽管灯具效率可以提高，但也不能无限制增加，这是因为随着ＯＬＥＤ面积的增加，这些灯具的价格也会随之提升。另外，需要注意的是，由于目前市场上仍没有出现商用化的产品，因此对灯具效率的评估都是基于实验室数据来进行。

有效改善ＯＬＥＤ性能的关键是不断寻找合适的同时能实现白光照明的稳定材料，而寻找蓝光材料是最困难的。目前，ＯＬＥＤ效率的发展速度已经非常快了，但是仅提高效率还远远不够，要真正商用化还需要在其它方面进一步研发，如膜层必须能够大面积低成本制造，基板小型化，电极损耗等都需要综合考虑。

ＯＬＥＤ具有轻薄和柔韧性的特点，可卷曲、可折叠。ＯＬＥＤ又是一种除ＬＥＤ外的另一种固态电光源，可以做成任意形状的面光源，为照明设计引入了全新的理念和方法。ＯＬＥＤ照明器件已经成为一个照明新宠，备受瞩目。现在有一门新学科叫ＯＬＥＤ光学，用以解决ＯＬＥＤ中的光学问题，其于照明领域发展将不容小觑，ＯＬＥＤ将提供与以往截然不同的照明新应用及新设计，与其它照明技术呈现出显著区别。

具备多种优势的ＯＬＥＤ照明产品目前仍未量产，主要是因为亮度、使用寿命与发光效率三大问题。而且，制作量产时仍须注意整面亮度均匀度及演色性（ＣＲＩ），演色性越高，视觉所看到的色彩才越真实，因此，ＣＲＩ必须达到８０以上。虽然ＯＬＥＤ仍有许多改善空间，但预计到２０１１～２０１２年，将小量进入商品化市场，初期，ＯＬＥＤ照明将在特殊应用领域开拓市场，如狭小空间的汽车及飞机照明、与玻璃帷幕结合的透明照明，甚至可携式小型照明等。随着ＯＬＥＤ的技术进步，ＯＬＥＤ在照明领域也将从研发阶段逐步进入商业化应用阶段。

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