分散型電致發(fā)光(EL）器件的開發(fā)及照明應(yīng)用

鄧隱北，孫合慧，陳 偉

(1.河南天恩太陽能科技有限公司，鄭州 450000;2.中國水利水電第十一工程局，鄭州 450001）

0 引言

分散型電致發(fā)光(Electroluminescence），具有將無機(jī)熒光體粒子分散于有機(jī)聚合物中的熒光體層，是把功能性的膠體層疊積起來制成基本單元、以極其單純的印刷加工工藝即可實(shí)現(xiàn)器件化的新光源。構(gòu)成分散型EL的各個(gè)功能層，因使用了微粒子狀的熒光物質(zhì)和電介質(zhì)，故又稱粉狀(Powder）EL。分散型EL由于具有結(jié)構(gòu)簡單、能低成本制作的特點(diǎn)，與其他的發(fā)光器件比較，存在亮度低、色純度低等問題。為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，必須解決這些問題。迄今已實(shí)用化的分散型EL，僅限于單色LCD(液晶顯示）的背照光，移動(dòng)電話的鍵控背光，配有背面光源的POP廣告等較低亮度的單色背光用途。目前處于研究水平的有:關(guān)于矩陣顯示單元的報(bào)導(dǎo)，關(guān)于新型結(jié)構(gòu)的兩面發(fā)光器件的報(bào)導(dǎo)等。

此外，考慮在平面發(fā)光操控盤的照明應(yīng)用場合，迄今對(duì)點(diǎn)光源與線光源均要求有不同的設(shè)計(jì)。為將光源擴(kuò)展到2維的平面光源，亮度降低了，可由面積來補(bǔ)償。新型設(shè)計(jì)的照明伴隨有光的陰影等，期望能以這種平面發(fā)光作為前所未有的新光源。

本文將分散型EL的單純結(jié)構(gòu)與色純度優(yōu)的有機(jī)色素融合在一起形成有機(jī)色素分散型混合EL單元，對(duì)該單元的高亮度化和目標(biāo)針對(duì)白色照明用的高顯色性，即色彩還原能力佳(high colour rendition）等問題進(jìn)行了探討，現(xiàn)將有關(guān)結(jié)果介紹如下。

1 分散型EL與薄膜型EL

分散型EL是將底板上的透明電極、熒光體層、電介質(zhì)層、背面電極依次堆疊起來形成極其簡單的單純結(jié)構(gòu)，透明的底板側(cè)為發(fā)光面(圖1）。另一方面，對(duì)于薄膜型EL，是在熒光體層的兩側(cè)夾入電介質(zhì)層，形成電介質(zhì)/熒光體/電介質(zhì)的雙重絕緣結(jié)構(gòu)。這一薄膜型EL的電介質(zhì)層，利用了光透性優(yōu)越的薄膜。

圖1 分散型EL的基本單元結(jié)構(gòu)

在分散型EL中，也有報(bào)導(dǎo):在發(fā)光面?zhèn)鹊耐该麟姌O與熒光體層之間配置中間絕緣層的雙重絕緣結(jié)構(gòu)的例子，在達(dá)到800 cd/m2的高亮度領(lǐng)域，耗電量下降了，發(fā)光效率提高了。

此外，在分散型EL與薄膜型EL的電流—電壓(I—V）特性上也有很大差別。在分散型EL的I—V特性上，未發(fā)現(xiàn)薄膜型EL所見到的發(fā)光起始電壓，即閾值(臨界點(diǎn)）電壓Vth。在薄膜型EL中達(dá)到Vth之前，電壓上升，流過的電流小，超過Vth以后，電流才一起急劇增加，與此同時(shí)開始發(fā)光。從而在Vth以下的低電壓區(qū)，因施加于熒光體層的電場低，不發(fā)光。與此對(duì)應(yīng)，在分散型EL器件中，從低電壓到高電壓均有阻抗層那樣的電流流過，這就是構(gòu)成分散型EL器件所有功能層含有機(jī)聚合物，以及各功能層厚度變比的原因。特別是分散型所用的熒光體，其粒子直徑大的約為20 μm，因其粒徑不均勻，即使電極間的距離相同，加在熒光體上的電場強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生偏差，故發(fā)光起始電壓Vth會(huì)因熒光體的不同而變化。其結(jié)果就是電壓上升時(shí)電場強(qiáng)度高的熒光體開始發(fā)光。這樣一來，即使相同的無機(jī)EL，薄膜型和分散型的器件結(jié)構(gòu)不同，電氣特性也不同，在下述的亮度—電壓(L—V）特性中，說明這一分散型EL的亮度上升特點(diǎn)。

下面介紹有關(guān)分散型EL的各功能層。

(1）熒光體層

以硫化鋅(ZnS）作為母材，將添加了非活性劑的熒光體粒子分散于有機(jī)聚合物中而形成熒光體層。對(duì)有機(jī)聚合物而言，如同有效電場施加于熒光體上一樣，利用了高電容率(高介電常數(shù)）的氰化乙基纖維素(CyanoAthylcellulose）等。熒光體的發(fā)光顏色，可通過非活性劑的組合而改變。ZnS:Cu.Cl系的發(fā)光，是將Cu作為受主(受體Acceptor），Cl作為施主(發(fā)送體Donor）基于這種D—A偶(pair）之間的再結(jié)合遷移。藉助Cl量的改變，可由藍(lán)色發(fā)光(460 nm）得到綠色發(fā)光(510 nm）。Zns:Cu.Cl.Al系顯示綠色發(fā)光。Zns:Cu.Cl.Mn系顯示黃色發(fā)光。這些熒光體粒子，在由印刷加工工藝制作的器件上，作為提供的粒子，大的粒徑為20 μm左右。而且每個(gè)熒光體粒子在有機(jī)聚合物中相互不接觸呈分離狀態(tài)。熒光體粒子的填充密度增加，具有半導(dǎo)體特性的熒光體粒子一旦直接接觸則會(huì)形成電流路徑，因絕緣耐壓的降低難于施加高電位的電場。

(2）電介質(zhì)層

熒光體層中的各個(gè)熒光體粒子，在電容率高的有機(jī)聚合物中不接觸呈分散狀的場合下，不一定需要電介質(zhì)層。但在形成至熒光體電荷供給源的同時(shí)，提高了絕緣耐壓，具有將高電場穩(wěn)定施加于熒光體的功能。對(duì)于這一電介質(zhì)層來說，一般是使用BaTiO3粒子分散于有機(jī)聚合物中。因 BaTiO3具有2000～3000高電容率的材料，故這是有利于發(fā)光，適用于電荷充放電的材料。

(3）背面電極

從材料成本的觀點(diǎn)看，多以石墨(碳）為主要成分，利用了導(dǎo)電膠的碳精電極，或者使用導(dǎo)電性優(yōu)的銀電極作為背面電極。而且在底板側(cè)由于使用了有機(jī)系的電極材料，因此可以制作將所有功能層通過印刷工藝堆疊而成的器件。

2 綠色有機(jī)色素分散型混合式EL器件

原來的分散型EL，為結(jié)構(gòu)簡單，用簡單工藝就可制作的器件，但與其他發(fā)光器件比較，亮度低，發(fā)光顏色也不充分，旨在改進(jìn)這些缺點(diǎn)而開發(fā)的有機(jī)色素分散型混合式EL(以下稱混合式EL），是在原來分散型EL的熒光體層涂敷了有機(jī)色素的發(fā)光器件，由于亮度和色純度的提高而引人注目。

作為一個(gè)例子，500 nm附近具有發(fā)光峰值波長的藍(lán)綠色發(fā)光ZnS系熒光體，在由此形成的熒光體層上，涂敷了綠色有機(jī)色素——香豆素(Coumarin）C6，這種混合式EL，其發(fā)光光譜如圖2所示。在熒光體層上涂敷了有機(jī)色素的混合式EL器件，一旦施加電壓，首先是無機(jī)熒光體發(fā)光，其光被有機(jī)色素吸收，有機(jī)色素被激勵(lì)而又自身發(fā)光。作為這一結(jié)果是:EL光譜的峰值向長波長側(cè)偏移，而且伴隨著這一EL光譜向長波長側(cè)的偏移，相對(duì)可見度提高，故可望提高亮度。在涂敷了C6的情況下，峰值波長由500 nm移向520 nm，對(duì)應(yīng)于峰值波長的偏移量，相對(duì)可見度約增大到1.7 倍。

圖3為薄膜底板上制作混合式EL的亮度—電壓(L—V）特性?；旌鲜紼L的亮度與原來分散型EL比較，顯示出亮度約增大1倍。綠色發(fā)光ZnS系熒光體與綠色有機(jī)色素C6的組合后，無機(jī)熒光體的發(fā)光幾乎全部為有機(jī)色素所吸收，其結(jié)果導(dǎo)致激勵(lì)的有機(jī)色素高效率的發(fā)光。加之，因相對(duì)可見度提高，亮度也提高。這樣一來，在結(jié)構(gòu)及其單純的混合式EL中，由無機(jī)熒光體的光激勵(lì)起有機(jī)色素的光，就可高效率地從外部取出來。

圖2 綠色發(fā)光混合式EL的發(fā)光光譜及相對(duì)可見度

圖3 薄膜底板上制作的混合式EL亮度—電壓特性

3 高顯色性白色發(fā)光有機(jī)色素分散型混合式EL器件

考慮到照明應(yīng)用時(shí)，一般照明中白色發(fā)光是不可缺少的。目前，分散型EL，紅色波長領(lǐng)域不充分僅限于模擬(仿真）的白色發(fā)光，故可見光領(lǐng)域缺乏平衡良好的成分，可見光譜成分單一，與其他光源比較，顯色性低，即色彩的還原能力不高，人眼不易辨別遠(yuǎn)方物體形狀和顏色。

原來的長波長發(fā)光分散型EL，作為基于白色光源的紅色區(qū)域發(fā)光，因短波長過多，故對(duì)較長波長發(fā)光的紅色發(fā)光器件有關(guān)問題進(jìn)行了研討，因而制作了在紅色有機(jī)色素中摻雜質(zhì)的混合式EL器件。結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了紅色發(fā)光混合式EL元件在長波長區(qū)的發(fā)光，這一有效手段也得到了確認(rèn)。此外，其紅色發(fā)光混合式EL元件在其開發(fā)過程中，還發(fā)現(xiàn)了包含RGB(紅綠藍(lán)）3波長的元素。

圖4所示為白色發(fā)光混合式EL元件的EL發(fā)光光譜。由于在藍(lán)色發(fā)光ZnS系的熒光體層上，涂敷了綠色有機(jī)色素的C6和紅色有機(jī)色素的DCJIB，故可實(shí)現(xiàn)具有RGB 3波長領(lǐng)域發(fā)光峰值的白色發(fā)光器件。對(duì)C6和DCJIB的摻雜比率進(jìn)行調(diào)整，藍(lán)色發(fā)光波長區(qū)ZnS系熒光體的光和綠色發(fā)光波長區(qū)C6的光以及紅色發(fā)光波長區(qū)DCJIB的光，則可從外部取出構(gòu)成白色光的各波長區(qū)域的光，首先ZnS系熒光體，借助電場作用被激勵(lì)，其一部分為藍(lán)色發(fā)光，與此同時(shí)，為C6+DCJIB激勵(lì)的光。接著C6由ZnS系熒光體的光激勵(lì)，形成本身的綠色發(fā)光，同時(shí)又形成激勵(lì)DCJIB的光。最后，DCJIB被ZnS系熒光體的光和C6的光所激勵(lì)，形成紅色發(fā)光。通過這一系列的授予，RGB 3波長型的白色發(fā)光器件即能實(shí)現(xiàn)。在這一器件中，有利于發(fā)光顏色的只是無機(jī)熒光體和2種有機(jī)色素。在這一白色發(fā)光混合式EL器件中，通過對(duì)ZnS系熒光體和C6、DCJIB混合比的調(diào)整，現(xiàn)正在開發(fā)平均顯色評(píng)價(jià)指數(shù)Ra=89和高顯色性的發(fā)光器件。由此，由低成本印刷加工工藝可制作的混合式EL，并附加高顯色性這一特點(diǎn)的分散型EL已經(jīng)形成。

圖4 白色發(fā)光有機(jī)色素分散型混合EL元件的EL發(fā)光光譜

4 小結(jié)

原來的分散型EL器件，這是用印刷加工工藝可以制作，并能使面發(fā)光的控制盤實(shí)現(xiàn)低成本化的器件，但與其他的器件相比，色純度和亮度均低，作為照明應(yīng)用尚未達(dá)到實(shí)用化程度。新近開發(fā)的混合式EL器件，是克服了原來分散型EL器件缺點(diǎn)(顯色性不高）的新發(fā)光器件。作為新型面光源，能提高產(chǎn)品的品位和質(zhì)量，在今后的研究進(jìn)程中不可缺少?？赏蔀榫哂懈吒郊又得婀庠吹男滦桶l(fā)光器件。

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