分散型電致發光(EL）器件的開發及照明應用

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

分散型電致發光(Electroluminescence），具有將無機熒光體粒子分散于有機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現器件化的新光源。構成分散型EL的各個功能層，因使用了微粒子狀的熒光物質和電介質，故又稱粉狀(Powder）EL。分散型EL由于具有結構簡單、能低成本制作的特點，與其他的發光器件比較，存在亮度低、色純度低等問題。為了擴大其應用范圍，必須解決這些問題。迄今已實用化的分散型EL，僅限于單色LCD(液晶顯示）的背照光，移動電話的鍵控背光，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:關于矩陣顯示單元的報導，關于新型結構的兩面發光器件的報導等。

此外，考慮在平面發光操控盤的照明應用場合，迄今對點光源與線光源均要求有不同的設計。為將光源擴展到2維的平面光源，亮度降低了，可由面積來補償。新型設計的照明伴隨有光的陰影等，期望能以這種平面發光作為前所未有的新光源。

本文將分散型EL的單純結構與色純度優的有機色素融合在一起形成有機色素分散型混合EL單元，對該單元的高亮度化和目標針對白色照明用的高顯色性，即色彩還原能力佳(high colour rendition）等問題進行了探討，現將有關結果介紹如下。

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、電介質層、背面電極依次堆疊起來形成極其簡單的單純結構，透明的底板側為發光面(圖1）。另一方面，對于薄膜型EL，是在熒光體層的兩側夾入電介質層，形成電介質/熒光體/電介質的雙重絕緣結構。這一薄膜型EL的電介質層，利用了光透性優越的薄膜。

圖1 分散型EL的基本單元結構

在分散型EL中，也有報導:在發光面側的透明電極與熒光體層之間配置中間絕緣層的雙重絕緣結構的例子，在達到800 cd/m2的高亮度領域，耗電量下降了，發光效率提高了。

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，未發現薄膜型EL所見到的發光起始電壓，即閾值(臨界點）電壓Vth。在薄膜型EL中達到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，與此同時開始發光。從而在Vth以下的低電壓區，因施加于熒光體層的電場低，不發光。與此對應，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，這就是構成分散型EL器件所有功能層含有機聚合物，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度也會產生偏差，故發光起始電壓Vth會因熒光體的不同而變化。其結果就是電壓上升時電場強度高的熒光體開始發光。這樣一來，即使相同的無機EL，薄膜型和分散型的器件結構不同，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。

下面介紹有關分散型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聚合物中而形成熒光體層。對有機聚合物而言，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）的氰化乙基纖維素(CyanoAthylcellulose）等。熒光體的發光顏色，可通過非活性劑的組合而改變。ZnS:Cu.Cl系的發光，是將Cu作為受主(受體Acceptor），Cl作為施主(發送體Donor）基于這種D—A偶(pair）之間的再結合遷移。藉助Cl量的改變，可由藍色發光(460 nm）得到綠色發光(510 nm）。Zns:Cu.Cl.Al系顯示綠色發光。Zns:Cu.Cl.Mn系顯示黃色發光。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。而且每個熒光體粒子在有機聚合物中相互不接觸呈分離狀態。熒光體粒子的填充密度增加，具有半導體特性的熒光體粒子一旦直接接觸則會形成電流路徑，因絕緣耐壓的降低難于施加高電位的電場。

(2）電介質層

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

(3）背面電極

從材料成本的觀點看，多以石墨(碳）為主要成分，利用了導電膠的碳精電極，或者使用導電性優的銀電極作為背面電極。而且在底板側由于使用了有機系的電極材料，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 綠色有機色素分散型混合式EL器件

原來的分散型EL，為結構簡單，用簡單工藝就可制作的器件，但與其他發光器件比較，亮度低，發光顏色也不充分，旨在改進這些缺點而開發的有機色素分散型混合式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色素的發光器件，由于亮度和色純度的提高而引人注目。

作為一個例子，500 nm附近具有發光峰值波長的藍綠色發光ZnS系熒光體，在由此形成的熒光體層上，涂敷了綠色有機色素——香豆素(Coumarin）C6，這種混合式EL，其發光光譜如圖2所示。在熒光體層上涂敷了有機色素的混合式EL器件，一旦施加電壓，首先是無機熒光體發光，其光被有機色素吸收，有機色素被激勵而又自身發光。作為這一結果是:EL光譜的峰值向長波長側偏移，而且伴隨著這一EL光譜向長波長側的偏移，相對可見度提高，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，對應于峰值波長的偏移量，相對可見度約增大到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。混合式EL的亮度與原來分散型EL比較，顯示出亮度約增大1倍。綠色發光ZnS系熒光體與綠色有機色素C6的組合后，無機熒光體的發光幾乎全部為有機色素所吸收，其結果導致激勵的有機色素高效率的發光。加之，因相對可見度提高，亮度也提高。這樣一來，在結構及其單純的混合式EL中，由無機熒光體的光激勵起有機色素的光，就可高效率地從外部取出來。

圖2 綠色發光混合式EL的發光光譜及相對可見度

圖3 薄膜底板上制作的混合式EL亮度—電壓特性

3 高顯色性白色發光有機色素分散型混合式EL器件

考慮到照明應用時，一般照明中白色發光是不可缺少的。目前，分散型EL，紅色波長領域不充分僅限于模擬(仿真）的白色發光，故可見光領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，人眼不易辨別遠方物體形狀和顏色。

原來的長波長發光分散型EL，作為基于白色光源的紅色區域發光，因短波長過多，故對較長波長發光的紅色發光器件有關問題進行了研討，因而制作了在紅色有機色素中摻雜質的混合式EL器件。結果，實現了紅色發光混合式EL元件在長波長區的發光，這一有效手段也得到了確認。此外，其紅色發光混合式EL元件在其開發過程中，還發現了包含RGB(紅綠藍）3波長的元素。

圖4所示為白色發光混合式EL元件的EL發光光譜。由于在藍色發光ZnS系的熒光體層上，涂敷了綠色有機色素的C6和紅色有機色素的DCJIB，故可實現具有RGB 3波長領域發光峰值的白色發光器件。對C6和DCJIB的摻雜比率進行調整，藍色發光波長區ZnS系熒光體的光和綠色發光波長區C6的光以及紅色發光波長區DCJIB的光，則可從外部取出構成白色光的各波長區域的光，首先ZnS系熒光體，借助電場作用被激勵，其一部分為藍色發光，與此同時，為C6+DCJIB激勵的光。接著C6由ZnS系熒光體的光激勵，形成本身的綠色發光，同時又形成激勵DCJIB的光。最后，DCJIB被ZnS系熒光體的光和C6的光所激勵，形成紅色發光。通過這一系列的授予，RGB 3波長型的白色發光器件即能實現。在這一器件中，有利于發光顏色的只是無機熒光體和2種有機色素。在這一白色發光混合式EL器件中，通過對ZnS系熒光體和C6、DCJIB混合比的調整，現正在開發平均顯色評價指數Ra=89和高顯色性的發光器件。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的分散型EL已經形成。

圖4 白色發光有機色素分散型混合EL元件的EL發光光譜

4 小結

原來的分散型EL器件，這是用印刷加工工藝可以制作，并能使面發光的控制盤實現低成本化的器件，但與其他的器件相比，色純度和亮度均低，作為照明應用尚未達到實用化程度。新近開發的混合式EL器件，是克服了原來分散型EL器件缺點(顯色性不高）的新發光器件。作為新型面光源，能提高產品的品位和質量，在今后的研究進程中不可缺少。可望成為具有高附加值面光源的新型發光器件。

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