基于新型有機(jī)發(fā)光材料的白光照明器件的開發(fā)＊

周軍紅，王 磊，王 堅(jiān)，彭俊彪

（華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高分子光電材料與器件研究所，廣東 廣州 510640）

基于新型有機(jī)發(fā)光材料的白光照明器件的開發(fā)＊

周軍紅，王 磊，王 堅(jiān)，彭俊彪

（華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院高分子光電材料與器件研究所，廣東 廣州 510640）

基于可溶液加工的白光有機(jī)發(fā)光器件（WOLED）具有高效、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)．基于新型的有機(jī)發(fā)光藍(lán)G0、綠Ir（mppy）3、紅Ir（piq）2acac材料，采用溶液加工的方法，成功實(shí)現(xiàn)了 WOLED的流明效率達(dá)到了15．5 cd/A，且功率效率也達(dá)到9．1 lm/W．同時(shí)，做出了國(guó)內(nèi)乃至世界第一塊基于溶液加工的3．5英寸白光背光板．

高效率；環(huán)保；有機(jī)發(fā)光材料；有機(jī)白光發(fā)光器件

隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，人類對(duì)能源的需求也越來(lái)越大，而能源使用帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，也變得日益突出．如何去解決人類對(duì)能源的需求與環(huán)境破壞之間的矛盾，節(jié)能減排是關(guān)鍵．全世界每年有20%的電力用于照明，而目前市場(chǎng)上用于照明的白熾燈泡、熒光燈、LED都存在各自的不足．白熾燈泡的功率效率太低，有接近90%的能量因發(fā)熱而損耗；熒光燈的發(fā)光效率雖高，但它是由汞蒸汽放電產(chǎn)生的紫外線（λ＝266 nm）激發(fā)磷光物（熒光粉）而發(fā)光，它不僅壽命短且光管中的汞會(huì)給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的污染；LED照明燈又存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、污染嚴(yán)重、成本高等問(wèn)題，所有這些問(wèn)題都與節(jié)能減排的目標(biāo)相違背．所以，開發(fā)新型的節(jié)能、環(huán)保的照明器件，將對(duì)緩解人類對(duì)能源日益增大的需求、控制環(huán)境的污染、實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起到重要的作用．近年來(lái)，因有機(jī)電致白光器件既可以作為平面顯示的背光源，還可以用作固態(tài)發(fā)光，同時(shí)其以簡(jiǎn)單的制作工藝，可實(shí)現(xiàn)大面積的超薄、高效率、低能耗的面板光源，材料供應(yīng)豐富、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)引起了科學(xué)界、工業(yè)界的廣泛興趣[1－3]．在過(guò)去的十多年中，通過(guò)全世界科學(xué)工作者的共同努力及各國(guó)政府、企業(yè)的大量投資，基于小分子的有機(jī)電致白光器件在照明領(lǐng)域已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其報(bào)道的最高效率已經(jīng)達(dá)到90 lm/W[4]；而基于可溶液加工型的共軛高分子的有機(jī)電致白光器件也取得了很大的進(jìn)展[5－6]．

本文通過(guò)新型的高效率、可溶液加工的熒光π共軛樹枝狀藍(lán)光材料（G0）與高效率的、可溶液加工的發(fā)綠光（Ir（mppy）3）和發(fā)紅光（Ir（piq）2acac）的磷光材料按照一定的質(zhì)量配比共混，得到了高效率的發(fā)白光的混合溶液，并進(jìn)一步通過(guò)器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)了有機(jī)白光發(fā)光器件的流明效率突破了15．5 cd/A，而功率效率也達(dá)到9．1 lm/W，達(dá)到了白熾燈的效率．更值得一提的是通過(guò)該方案成功地開發(fā)出全國(guó)乃至世界第一塊基于溶液加工的3．5英寸白光背光板．

1 實(shí)驗(yàn)部分

器件的結(jié)構(gòu)：導(dǎo)電的銦錫氧化物襯底（ITO）/導(dǎo)電高分子聚（3，4－二氧乙基噻吩）：聚對(duì)苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）（厚 度 50 nm）/聚 乙 烯 基 咔 唑（PVK）（厚度40 nm）/發(fā)光層（EML）（厚度60 nm）/鋇（Ba）（厚度4 nm）/鋁（AL）（厚度200 nm），發(fā)光層是由G0，Ir（mppy）3和Ir（piq）2acac三種材料按照質(zhì)量比100∶0．25∶0．25共混．發(fā)光材料的分子結(jié)構(gòu)及器件結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)[7－8]中有詳細(xì)的描述，器件的制作過(guò)程遵循的是成熟的工藝，該工藝在文獻(xiàn)[7]中有詳細(xì)地描述．

原料：實(shí)驗(yàn)中用到的所有化學(xué)材料都是通過(guò)購(gòu)買或其它實(shí)驗(yàn)室提供，其中PEDOT和PSS從德國(guó)拜爾公司購(gòu)買（H．C．Stark，Inc．），PVK從 Aldrich公司購(gòu)買，Ir（piq）2acac和Ir（mppy）3從美國(guó)染料公司購(gòu)買，G0由北京大學(xué)裴堅(jiān)教授小組提供．

儀器：實(shí)驗(yàn)中的電流密度J、電壓V及亮度L特性由吉時(shí)利（Keithley）236及硅光二極管測(cè)定，它們特性曲線由色度儀CS－200（柯尼卡美能達(dá)）校正得到．電致發(fā)光光譜及CIE坐標(biāo)由PR－705分光光度計(jì) （Photo Research）測(cè)定．

2 結(jié)果與討論

2．1 能級(jí)匹配及轉(zhuǎn)移

對(duì)于有機(jī)白光發(fā)光的效率主要由所用的發(fā)光材料的效率、電子－空穴注入及傳輸平衡等因素決定．本文選擇的紅綠藍(lán)材料各自的發(fā)光效率，在早期的文獻(xiàn)中有報(bào)道[7]．藍(lán)綠紅各自的最大效率分別達(dá)到5．3 cd/A，35．7 cd/A及6．8 cd/A，這些效率在當(dāng)前相應(yīng)的紅綠藍(lán)材料中表現(xiàn)相當(dāng)?shù)耐怀觯耆軌驖M足在運(yùn)用于白光共混中對(duì)紅綠藍(lán)單色材料的要求．當(dāng)然，紅綠藍(lán)材料各自的發(fā)光效率高還不能說(shuō)明在共混過(guò)程中足以實(shí)現(xiàn)高效白光，因?yàn)殡娮樱昭ǖ淖⑷牒蛡鬏敿霸撨^(guò)程中的平衡問(wèn)題對(duì)白光器件的效率也有很大的影響．而材料之間能級(jí)的匹配又對(duì)電子－空穴的注入及平衡有很大的影響．

圖1為材料的能級(jí)匹配圖．從圖1可以看出，三種材料共混后不僅本身體系的能級(jí)完全匹配，而且發(fā)光層與相鄰功能層之間的能級(jí)也完全匹配．

圖1 材料的能級(jí)匹配圖

對(duì)于紅綠藍(lán)材料共混而得到發(fā)白光的溶液體系，要實(shí)現(xiàn)高效率的白光器件，要求藍(lán)光與綠光，綠光與紅光之間能量的轉(zhuǎn)化要徹底，而能量的轉(zhuǎn)化需要給體材料的帶隙比受體材料的帶隙寬．圖1中所示藍(lán)光材料G0作為給體材料，其帶隙比受體的綠光材料Ir（mppy）3要寬，而當(dāng)綠光材料Ir（mppy）3作為給體材料，其帶隙比受體材料Ir（piq）2acac的帶隙要寬．這樣由該三種材料共混的白光溶液就能理想地實(shí)現(xiàn)藍(lán)光將部分能量轉(zhuǎn)移給綠光，促進(jìn)綠光的發(fā)射．同時(shí)綠光也能將部分的能量轉(zhuǎn)移給紅光，促進(jìn)紅光的發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)、綠、紅三者共同均衡發(fā)射得到理想的白光．圖2為藍(lán)、綠、紅三者的電致發(fā)射光譜．從圖2可見：三者的光譜疊加在一起基本覆蓋了整個(gè)可見光區(qū)域，由此而得到的白光將會(huì)實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)；白光光譜可以看到藍(lán)綠紅三者的發(fā)射峰非常的均衡，由此也說(shuō)明能量從藍(lán)光到綠光，再由綠光到紅光的轉(zhuǎn)移過(guò)程中非常地徹底．

圖2 紅綠藍(lán)單色及共混后白光的電致發(fā)光光譜

2．2 白光器件的性能及顏色質(zhì)量

為了得到純正、高效的白光，進(jìn)行了一系列的調(diào)配工作，最終選定了m（G0）∶m（Ir（mppy）3）∶m（Ir（piq）2acac）＝100∶0．25∶0．25的方案．白光光譜中三基色發(fā)光峰值分別為藍(lán)光λ＝430 nm、綠光λ＝510 nm和紅光λ＝620 nm，白光色坐標(biāo)為（0．31，0．33）．器件的起亮電壓為4．5 V（即前向亮度為1 cd/m2時(shí)的電壓），最大功率效率為9．1 lm/W，最大流明效率達(dá)到15．5 cd/A，最大亮度達(dá)到30151 cd/m2．

圖3為白光器件相應(yīng)的發(fā)光特性曲線．從圖3（b）流明效率隨電流密度的變化趨勢(shì)可以看出，器件的發(fā)光性能比較穩(wěn)定，適合作為大面積照明板的白光方案開發(fā)．作為評(píng)價(jià)白光質(zhì)量的重要參數(shù)，顯色指數(shù)（CRI）、色溫（CCT）兩項(xiàng)指標(biāo)在該白光方案中也表現(xiàn)突出，實(shí)現(xiàn)了CRI達(dá)到90，CCT達(dá)到5600 K的理想白光．

圖3 白光器件的發(fā)光性能（a）J－V－L特性曲線；（b）流明效率隨電流密度的變化曲線；（c）功率效率隨電流密度的變化曲線；（d）歸一化的電致發(fā)光光譜

圖4 3．5 inch白光背光板

2．3 3．5英寸白光背光板的實(shí)現(xiàn)

為了將該理想的白光發(fā)光方案運(yùn)用于大面積的白光背光板，首先開發(fā)出了3．5英寸的背光基板，該基板是2．7英寸長(zhǎng)，2．2英寸寬．為了更好促進(jìn)電流從基板邊沿注入到中央，充分在大面積器件器件上發(fā)揮該白光方案的優(yōu)勢(shì)，在ITO上面陣列化一系列的高電導(dǎo)率的金屬鉻線．整個(gè)制作的工藝基本和小面積器件的制作過(guò)程保持一致．圖4中為3．5英寸背光板的照片．

3 結(jié) 論

基于可溶液加工的新型有機(jī)發(fā)光紅綠藍(lán)材料，通過(guò)合適的質(zhì)量配比共混，即 m（G0）∶m（Ir（mppy）3）∶m（Ir（piq）2acac）＝100∶0．25∶0．25，成功制備了高效、理想的白光發(fā)光器件．該有機(jī)白光器件的流明效率突破了15．5 cd/A，而功率效率也達(dá)到9．1 lm/W．該方案已經(jīng)成功運(yùn)用于大面積背光板，基于該方案開發(fā)出了國(guó)內(nèi)乃至世界第一塊溶液加工型的有機(jī)白光照明板．

[1]TANG C W，VANSLYKE S A．Organic electroluminescent diodes[J]．Appl Phys Lett，1987，51（12）：913．

[2]BURROUGHES J H，BRADLEY D D，BROWN A R，et al．Light－emitting diodes based on conjugated polymers．Nature[J]．1990，347：539．

[3]KIDO J，KIMURA M，NAGAI K．Multilayer white light－emitting organic electroluminescent device[J]．Science，1995，267：1332．

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[7]WANG L，JIANG Y，LUO J，et al．Highly Efficient and Color－Stable Deep－Blue Organic Light－Emitting Diodes Based on a Solution－Processible Dendrimer[J]．Adv Mater，2009，21：4854．

[8]JIANG Y，WANG J Y，MA Y，et al．Biomimetic approach to perophoramidine and communesin via an intramolecular cyclopropanation reaction[J]．Org Lett，2006，8（10）：4287．

Development of the white lighting device based on new organic light－emitting materials

ZHOU Jun－h(huán)ong，WANG Lei，WANG Jian，PENG Jun－biao
（Institute of Polymer Optoelectronic Materials and Devices，School of Materials Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

White organic light－emitting device which based on solution－process has the advantages of high efficiency and environmentally friendly．The white light emission was achieved by doping a blue emitting conjugated dendrimer G0 with phosphorescent green emitter Ir（mppy）3，and red emitter Ir（piq）2acac under the solution state，and the luminous efficiencyand the power efficiency reach 15．5 cd/A and 9．1 lm/W，respectively．We successfully fabricated a World First 3．5 inch diagonal white backlight panel with a solution－processible．

high efficiency；environmentally friendly；organic light－emitting materials；white organic lightemitting devices

TQ317

A

1673－9981（2010）04－0317－04

2010－10－14

國(guó)家科技部973項(xiàng)目（2009CB623604和2009CB930604）；863項(xiàng)目（2008AA03A311）

周軍紅（1980—），男，湖北天門人，研究生．