白光LED媒体宣称是电灯问世之后的最大发明。LED也公认是未来薄型电视的主要背光源模块接棒人,同时也是绿建筑新照明的今日之星。然而,却有匹黑马如潜水艇般宁静地在水面下匍匐前进,即将浮出台面与LED对峙。那就是顶顶有名的有机EL。乃是照明业超级大黑马,有机电子学的时代悄悄来临!
以氮化钾(GaN)为基调的“无机”白光LED,被利用来照明,从灯泡、进而可能取代日光灯,受到高度的期待。Panasonic电工的LED照明甚至已经运用到太空研究开发机构JAXA太空站的无人补给机“HTV(H-II Transfer Vehicle)”上。这是搭载20个高输出白光LED,该公司名为PSL(Permanent Solid-StateLighting)。
而有机EL,除了显示面板在展览会上耀眼吸睛之外(韩国三星于FPD International 2008年展示世上最大画面40英寸的有机EL显示。),在照明技术的进展上,犹如厂商在水面下进行开发的竞争赛。比较受到消费者注意到惊醒,是Konica Minolta于2008年9月的有机EL照明电视广告,进行了对消费者的一场震撼教育。该公司又与美商GE提携共同预计在2010年发表有机EL照明的制品。荷兰商飞利浦德国法人也宣布于2009年先行发售计划。
究竟有机EL,有什么魅力或特征,会受到如此厂商如此的高度瞩目。也许用四句话就足以道出有机EL的过人之处,“面发光”、“透明”、“薄型”、与“轻量”四大光明特征。
“面发光”的好处是天花板或是墙壁整体发光容易许多。日光灯会广泛被采用的原因之一就是具有面发光的特色。当然,若是利用导光板的光学部品也可以让LED实现面发光的情境。然而,有机EL照明是光源自体的面发光,不会受到形状制约的限制,在形状设计的自由度上铁定是ID设计师的最爱。发光面从数十厘米到1米以上有机会做得到。Panasonic电工的技术总监的观点认为,白光LED的定位是取代电火球(灯泡),而有机EL照明则是期待来替代日光灯。以点光源的LED硬是造出面发光,不是很有逻辑的事情。
就“透明”的特征来说,这点可是欧洲人的最爱(大家若是有空闲,无仿到德国参观福斯的汽车城,20层楼的圆柱形玻璃停车塔。另外一座高级车的制造工厂就叫做Transparent Factory。开开眼界吧。)。不单单是高装饰性,生活环境的玻璃或是透明塑料皆有可能来实现照明器具。若是作为前灯(Front light),可以弥补电子Paper四周较暗的显示面。
至于“薄型”、“轻量”,这本就是有机EL天生美人难自弃,无可匹敌之处。有机EL照明发光部自体的厚度不会超越1μm,贴合基板之后,厚度也往往低于1mm。若是在软性(Flexible)基板上制作有机EL照明,携带式的“弯曲照明”毫无困难。Konica Minolta的电视广告最后段,就是大秀“弯曲照明”给众生看。此外,没有水银的成分,不会产生紫外线,无须利用反射板等器具等等,都是有机EL照明的吸引人的地方。
具有这么多特征的有机EL照明,其市场规模的潜力很大。美国能源部、NanoMarkets、矢野经济研究所,富士经济等一至以看多的态度来论调。既存的世界照明事业市场规模约6兆日圆～12兆日圆。依据富士经济的估算,到了2020年,有机EL照明光源市场会占有全体照明市场的两成。
既有的美商GE与荷兰商飞利浦等照明大厂,对于有机EL照明事业积极投入。
德商Novaled AG与法商Saint-Gobain公司,2008年初共同发表开发大面积有机EL均匀化的高效率发光技术。使用替代ITO的新型透明电极,来提高发光效率,可以实现低价的白色有机EL照明。这是组合Saint-Gobain公司的研究所Saint-Gobain Recherche开发的“silverduct”透明电极以及Novaled的有机EL技术“PIN OLED”。由于均匀性优,其发光效率比一般高出30%,可以造出最大100cm2的发光。“silverduct”透明电极的表面导电率是ITO的10倍。若是以超过数公分的ITO电极来实现大型发光面板,需要金属格子来覆盖ITO层,缓和电压的倾斜。特别是采用底部发光型(Bottom Emission)的有机EL面板,开口率提升,无须金属格子,制造成本可以低价化。
更有意思的是来自其他产业的陆续参入,打开大竞争的赛局。日本三菱重工业、瑞士化学材料大厂Ciba、美商柯达伊士曼(Eastman Kodak)、日商KonicaMinolta等。相异产业的参入,通常是复数个企业以其得意的领域来共同合作。就拿新开设的Lumiotec来说,参与的投资厂商有三菱重工业、Rohm、凸板印刷等。三菱提供真空蒸着的量产用装置设备,Rohm拥有有机EL部件构造技术,凸板印刷持有薄片、取光以及后工程处理的能力。
可以这么说,相异产业的投入,该不会光光是看见潜在的市场规模大饼,而是觊觎在基于有机材料的“有机电子学”技术群能够带来的丰收。有机EL照明与有机EL显示有很多的共同点。有机晶体管、有机薄膜太阳能电池,也有表里一体的关系。“有机电子学”任何一个领域的发展,对于其他的用途都有加分的效果。而且,切换到另一个用途的领域也比较迅速,门坎较低。就以德商OSRAM Opto SemiconductorGmbH于2007年7月将矩阵型有机EL面板开发部,整个转换为照明事业。另一德商Novaled AG其商业模式改用提供开发材料、部件构造给用途制品化的厂商。
Konica Minolta自从相机市场撤退之后,结集相关事业的人才与Know how在有机EL照明事业。于2007年3月与美商GE共同提携有机EL照明事业,包含销售通道在内的协力合作。在写真关连事业所培育出的有机材料技术以及光学系技术为底子;更具体地说,写真感光材料累积的知识开发发光材料,镜头等光学技术,制造多层负片(15层)的滚动条式(Roll to Roll)制造技术,两者结合让Konica Minolta申请的专利数量排名第一。欲从事或跳进这个行业的厂商可要留心注意了,那就是专利地雷。也是老美最喜欢用的贱招,总是在出货累积量大、紧要最后关头出招。
实现有机EL照明的相关专利,光是日本就占了接近2/3。可以说领先欧洲美国。依据英商Cintelliq的调查结果来观察2003～2007年之间,各个厂商在专利上的申请数目,约略可以窥出迹象。
或许大家也会感到好奇,为何Konica Minolta会拥有如此多的专利申请数,尤其是攸关蓝色发光的磷光材料领域。其实,早在两公司合并之前,约在1999年吧。Konica就开始研究有机EL照明,当时有机EL材料
是以安定性高的荧光材料为主流。研究发现以荧光材料使用在照明用途效率低,于是专注于蓝色磷光材料的开发。
而Panasonic电工也早在2001年就与山形大学合作开发有机EL照明。
一切万事皆出有因呀。天下没有白吃的午饭。华人不要老是以为有钱,用买的最快。来的快,去的也快。看看DRAM、液晶的世纪结局,真正的研发是研究开发。
目前,看来日本于该领域领先。可是欧美的开发计划在追赶中。尤其是德国的“OPAL(OrganicPhosphorescent lights for Application in the Lightingmarket)”投入一亿欧元。成果有待观察。
注:磷光在过去与现在的解读有所不同。以前是指接受到紫外线等自发光材料长时间的光,短时间称为荧光。而最近的定义是材料电子对从“3重项”状态,迁移到更低能量的准位时,发出的光。当材料施
有机EL照明难免会被拿来与白光LED与既存的照明技术相互比较性能。主要还是在于发光效率,使用寿命与成本。
就发光效率来说,有机EL照明的研发水平相对于白光LED,目前约落后两年。2008年6月美商UDC(UniversalDisplay Corporation)发表1021m/w的发光效率,约是2006年3月日亚化学发表白光LED的发光效率水平。
约有5年的时间,有机EL照明发光效率几乎停顿在那儿,理由是使用荧光材料发光层的内部量子效率理论上低于25%,既有开发几乎达到限界。而内部量子效率100%的磷光材料构造不安定,寿命短。特别是难寻高特性之蓝色发与紫外线或电流之际,电子对转移到高能量状态,这个状态自旋消除了面对面的“1重项”状态,分配到“3重项”状态。这个存在确率为1对3,荧光材料仅在“1重项”状态发光,故,量子效率最高25%。光材料。因而,造不出白光的照明。改变这个停滞状况的契机,当然就是发现高特性的磷光材料。特别是Konica Minolta于2006年6月达成R、G、B的发光层全部都是采用磷光材料,而惊动业界。其中,蓝色磷光材料是该公司以5000种化合物特性的理论推算来开发的。而UDC也是利用红色与绿色磷光材料来开发。于SID 2007年发表。
美国能源部将2025年150lm/W的开发目标,大大地往前挪到2012年,不是没有道理的。
使用寿命的课题,这一两年明确多了。初期亮度1000cd/m2的有机EL照明,2006年超过1万小时;2007年3月大日本印刷与有机电子研究所的研究成果则是超越了10万个小时,一口气提升10倍;2008年5月UDC于SID发表的开发品则是越过了20万个小时。Novaled的报告,若是单单局限于红色荧光材料,100万小时以上根本不是问题。
不过在有机EL照明的场合,需要注意到光源的寿命与亮度成反比。稍后再来提对策问题。
注:此处所言及的使用寿命,是指亮度半减期的数值。而一般照明器具的寿命规定则是“亮度于初期亮度的70%以下的时间点”。请留意两者的差异。
成本的问题,由于有机EL照明根本尚未进入所谓量产的阶段。单是考虑有机EL面板的费用当然是与既存的照明的技术没得比。Lumiotec的估算,要达到一流明一日圆约要在2015年:预计2012年量时约是当前白光LED的费用(每流明约4日圆)。不过,这是光考虑部件而已,若是就灯具整体上的考虑就比较乐观多了,灯具可以大幅设计简略化,不需要反射板等,整体费用在未来颇有竞争力。
目前来观察厂商技术的开发,多是单纯在材料开发与部件性能上竞争;将来配合用途的亮度寿命确保,演色性的提升,量产时材料利用效率的提高、与器具搭配光取出效率的提升、大面积化的必要质量等,都是厂商未来要进行的方向。当今,多数厂商的开发多是以1000cd/m2的照明亮度为目标值来发展,也就是先定位于脚灯(Foot Light)等的辅助照明。此种亮度约是电视的两倍,对于房子全体的明亮度力道明显不足。毕竟,加大电流提高亮度会缩短寿命、降低发光效率是眼前的事情。为了轻减这个课题,日本山形大学的城户氏研究团队就发展出回避亮度与寿命折衷(Tradeoff)的MPE(Multi-photon Emission)的手法。这是利用电极来挟住发光机能的部件构造为一个单元,可以数段来积层。MPE的概念是基本发光单元介于中间层来积层的技术。这个手法有专利。
这个发想来自于太阳电池的串行单元(Tandemcell)以及总汇三明治(Clubhouse Sandwich)的构造。假设两段积层的场合,增加投入电力即使增加两倍亮度,各层流经电流量为一定,寿命并不会短缩。易言之,若是亮度维持一定,电流量1/2,发光效率与寿命同时兼顾。不过,要小心积层方式引起的电气阻抗增加的议题。
Panasonic是用发光单元的组合来确保演色性。其他诸如德商Novaled、美商Kodak、德商Fraunhofer IPMS等公司,也都采用类似MPE概念的部件构造。
日本山形大学的城户氏团队又针对寿命与大幅提高的量产性为标靶来研究开发。于2008年5月,开发出“倾斜式组成构造”的形成方式。它不同于一般积层构造的形成方式,逐次蒸发。而是在真空蒸着时Target同时蒸发。一般的方式,构成部件各层之间存在有明显的接口,而“倾斜组成构造”几乎完全不存在接口。有机材料间若有清楚的界面存在,会形成载子沟(cartier gap)蓄积电荷,部件会比较提早劣化。
如果将此技术优化的处理,白色的有机EL照明,预计能延伸到70万小时的程度。目前,专用的蒸着装置尚处于开发中,估计要2～3年。
另外,城户氏团队与Tokki、Panasonic电工共同开发的热壁式(Hot Wall)蒸着技术,能够大幅改善有机EL照明制造时材料利用的效率,降低量产的费用。过去,有机EL照明材料利用效率约是10%罢了,非常的低。若是采用此制造法,在实验室的阶段,特定的材料能达到70%的效率,蒸着速度10倍以上。目前正朝向任何材料都能安定化达到材料利用效率70%的水平之目标来进行。
从整体上来说,整体发光效率的取决因素:
效率=驱动电路的效率×内部发光效率×光取出效率
有机EL照明的磷光材料开发,内部量子效率接近100%。驱动电路的效率也超过了90%接近临界限;可是光取出效率最近也差不多在25%的程度,非常低。乐观地说,发光效率亮度提升还有不少的突破空间。
有机EL照明的光取出可比LED困难。理由有二。之一,LED可以揭下蓝宝石基板(sapphire),提升光取出效率。之二,LED为了发光面的加大,可采用圆盖式(Dome)的形状。针对了这个课题,我们也可以发现厂商的
因应对策竟然也有两大主流。第一类是在面板的表面加工安置了微细的凹凸微细镜,贴上光学薄片的方法。光取出效率达37%。Panasonic电工、KonicaMinolta、Lumiotec等,就是采用这个方法。日系的战略。
第二类,有点将错就错的韵味。它是将部份光取出器放置在照明器具上的设计一环。UDC、飞利浦、Novaled等最近发表的高效率有机EL照明,皆是接近这个方式,利用大型光取出器。
有机EL照明迈向实用化,尚有一个课题要去克服。那即是大面积场合亮度的不均匀问题。若是不解决,使用者会有不协调感的感受,作为墙壁照明用途困难。因此,该课题必须解决掉。这个不均匀现象,起因来自于电流晃动(不均匀)或是温度的变动等。前者的起因是正极侧使用的ITO电极的透明电极之电气阻抗大,流经负极的电流量在面板内产生不均一的问题。面板20cm～30cm的大小可能就是界限。为了回避这个界限课题,采用与太阳电池的手法,铜(cu)等金属配线在ITO上采用网目状细配线,缩短流过ITO的经路。
有机电子研究所与Panasonic电工,在封止膜上大幅低减温度变动。在3000cd/m2的情况下,变动抑制在正负27%。眼睛几乎难以分辨的程度。
有些厂商明知目前有机EL照明无法与既存的传统照明直接对决,倒不如先从有机EL先天的特征先行开发一些利基产品。有机EL先天的利基点就是“透明化”以及“弯曲性”。例如,Novaled、OSRAM等就开发电源Off时成为透明的面板。不过,一些细节上还是要下工夫。一般有机EL照明的负极,采用铝(AI)等金属基板来达成反射板的任务。因此,作为窗玻璃透明照明的场合,就必须使用透明的材料。
“弯曲性”方面,美商GE已经试作完成滚动条式(Roll to Roll)8幅的有机EL照明面板,预计在2010年开始出货。
与有机EL照明非常接近的技术即是有机薄膜太阳能电池。美商Konarka Technologies于2008年10月就开始量产滚动条式模块。
展望未来,有机EL照明,一片光明!
俄罗斯有一家还算有名气的Art Lebedev,就推出一系列的有机EL显示键盘。还是要定制的噢。
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