OLED瞄准照明领域“主角”：发光效率迅速追赶白色LED

 针对照明用途的有机EL研发其实很早就已开始了。近来，亮度及使用寿命等特性更是达到可用于照明的水平，有机EL用于照明的可能性迅速提升。由于照明市场的规模有10万亿日元之巨，因此，照明以外的企业及研究机构也将研发力量投向了有机EL照明。有机EL不仅在电视领域、还将在照明领域有所作为。“有机EL照明的市场启动之后，即便将我们大学所在的山形县米泽市全部变成工厂，生产仍会赶不上需求”。一直从事有机EL照明研发工作的山形大学研究院理工学研究科教授城户淳二预对有机EL照明的发展前景发出了欣喜的“悲鸣”。
   
    2009年首款产品将投放市场
   
    基于氮化镓（GaN）等元素的“无机”白色LED制成的照明，有可能取代白炽灯、乃至荧光灯等几乎所有的照明，所以被人们寄予了厚望 注1）、1）。而有机EL照明则技术发展则如同一匹不为人所知的黑马。不过，在暗地里其实各厂商都在瞄准有机EL实用化目标，展开激烈地开发竞争（图1）。
   
    注1） 有机EL是发光二极管（LED）技术的一种，也被称为“OLED（有机LED）”，本文中LED是指用无机材料制作的发光二极管元件。
   
    近年来，这种竞争的端倪就连普通消费者也开始有了切身感受。例如，2008年9月柯尼卡美能达控股（柯尼卡美能达）投放了有机EL照明的电视广告。该公司宣布，正与全球最大的电子设备厂商——美国通用电子（GE）在该业务领域展开合作，并将于2010年与GE联手投产有机EL照明。荷兰飞利浦照明（Philips Lighting）的德国法人也于同月月底，对外公布了将于2009年推出有机EL产品的计划。
   
    荧光灯的最佳替代品
   
    有机EL照明具有以往照明方式所没有的特点。具体而言就是有机EL能够实现“面发光”“透明”和“薄与轻”。
   
    由于是面发光，因而可比较容易地实现使墙壁及天花板整体发光的壁照明。面发光其实也是荧光灯等照明方式具有的特点。LED如果采用导光板等光学部件也能实现，但有机EL照明是光源自身为面发光，而且其形状不存在限制。“尤其看重的是形状可随意设计这一点”（照明设计师）。另外，还有望在厚度很薄的情况下，将发光面大幅扩大到数十cm2～1m2以上。
松下电工高新技术开发研究所技术总监、兼任日本大阪大学特聘教授的菰田卓哉表示正在按照“白色LED取代白炽灯，有机EL照明取代荧光灯”的定位推进开发。这是因为，“与其勉强让点光源的LED实现面发光，倒不如直接采用有机EL照明来得方便”（该公司）。
   
    欧洲厂商更多地关注的是有机EL能够透明的特点。能够制成透明产品，不仅仅是可提高装饰性，同时还意味着在生活环境中，玻璃及塑料都有可能直接成为照明器具。如果将其用作前照灯（Front Light），则可弥补在昏暗环境中难以看清显示面的电子纸的缺点。
   
    有机EL的第3个特点的“薄与轻”，也是相对于以往照明的一大优势。有机EL照明的发光元件自身厚度不足1μm，即使加上底板，厚度也远低于1mm。通过在柔性底板上制作有机EL照明，有望制造出可像纸一样能够卷曲的便携式照明等。除此之外，有机EL还具有不使用汞、不产生紫外线、不使用反射板等诸多优点。
    
    其他行业的大企业相继涉足有机EL领域 
   
     
图 有机EL照明/光源市场到2020年将占到照明市场整体的2成图为针对包括普通照明、特殊照明及背照灯等在内的有机EL照明今后的市场规模，日本矢野经济研究所、NanoMarkets、GE及OIDA发布的预测及目标。市场规模方面，预计2015年全球将达到5000多亿日元，到2020年将大大超过1万亿日元。

 
　　1[/!--empirenews.page--]正是因为具有上述特点，所以有机EL照明的潜在市场规模非常大。现有照明业务的市场方面，全球总体规模为6万亿～12万亿日元，日本大约为8500亿～1万亿日元稍强 注2）。即使只将其中的一部分替换为有机EL照明，对照明产业而言，也将带来巨大的效应。例如，日本的调查公司富士经济预计，有机EL照明的日本国内市场规模到2011年将超过100亿日元，超过白炽灯的市场规模。在全球市场方面，有关估算数据显示，到2015年将达到5000亿日元以上，到2020年达到1.4万亿日元 。这相当于在今后的10多年内，照明市场整体的1～2成将被有机EL照明所替代。
有机EL将成为有机电子领域的支柱产业
   
    之所以有很多其他行业的企业涉足，理由不仅仅在于潜在市场规模大。基于有机材料的有机电子技术有望应用于照明领域，也是一个很重要的理由。
   
    有机EL照明与有机EL显示器在技术上有许多共通点。与有机晶体管及有机薄膜太阳能电池等也存在着互为表里的关系。只要某一领域取得进展，就有望给其他用途带来促进效应。所以从其他用途进行转换也比较容易。德国欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors GmbH）已决定，于2007年7月将此前的单纯矩阵型有机EL面板开发部门整体转型为照明业务。德国Novaled AG等厂商所采用的业务模式则是，将所开发的材料及元件结构提供给生产不同用途产品的公司 注3）。“以前是以显示器业务为主，而近年来，照明及太阳能电池业务的发展前景越来越光明。特别是照明业务，如今已经变得与显示器同等重要了”（Novaled首席执行官Gildas Sorin）。
   
    注3） Novaled在采用有机TFT的显示器业务方面向Plastic Logic、在太阳能电池业务方面向Heliatek提供元件技术。这两家企业的出资公司也是相同的。
   
    着眼于有机材料的应用，不惜赌上公司命运的柯尼卡美能达已率先开始投放广告。该公司2007年3月与GE在有机EL照明业务上展开合作，“除销售渠道以外，我们在照片相关业务中积累的有机材料技术及光学系统技术都大有用武之地”（柯尼卡美能达董事长兼尖端材料技术研究所所长驹村大和良）。具体用途为：照片感光材料方面的经验可用于发光材料等的开发中；镜头等光学系统技术可用于光输出用途；能够制造出多达15层的多层负片技术可用于卷对卷（Roll-to-roll）制造技术。
   
    对柯尼卡美能达而言，“能够汇集该公司已经撤出的照片业务的人才及经验的就是有机EL照明业务”（该公司董事兼LA业务推进室长得丸祥）。
   
    基础开发日本领先
   
    柯尼卡美能达的雄心壮志还表现在专利申请数量上。在有关有机EL照明的专利中，日本的申请数占了全球的近2/3，大大领先于美国等其他国家。其原因之一，就是因为柯尼卡美能达的申请数量很多。尤其是蓝光磷光*材料相关专利，柯尼卡美能达的申请数量占到了整体的近3/4 注4）。 
    
     
图 日本厂商在开发方面领先图为Cintelliq公司就以实现有机EL照明为目的的专利申请数所做调查的结果。按申请地划分，日本为56％，大大超出排在第2位的美国，遥遥领先（a）。在本图中，1994～2006年的专利申请数通过2003年以后的文献调查得到。按不同组织划分，柯尼卡美能达集团为176件，排在第1位（b）。大约3/4的专利与蓝色磷光材料有关。（b）为2003～2007年有机EL照明（包括背照灯）专利按组织划分的申请数(前10家公司）及主要领域。由于按组织划分的日本专利申请数数据中不包含2007年第2季度以后的数据，因此，实际上日本企业的申请数有可能更多。

   
    注4） 在柯尼卡与美能达合并之前的1999年，柯尼卡内部就已经开始对有机EL照明的研发。当时，虽然有机EL元件材料的主流是稳定性较高的荧光材料，但该公司断定，想要用于照明用途的话，荧光材料的效率过低，因此开始着手磷光材料、特别是将开发未能取得进展的蓝色磷光材料作为重点。
   
    *磷光＝从经验上说，是指在受到紫外线等光线照射后自发光的材料中发光时间较长的光。时间较短的称为荧光。近年来的定义则将其定义为，电子对能够从“三重项”状态向更低能级跃迁的材料所发出的光。如果向材料施加紫外线及电流等能量，则电子对会向较高的能级移动，但其状态可分为：自旋必定趋于相互抵销的“单重项”状态，以及趋势不确定的三重项状态。这两种状态的存在几率为1比3，由于荧光材料只能在单重项状态发光，因而量子效率最大也只有25％。
    
松下电工很早也就开始开发有机EL照明，2001年通过与山形大学的联合研究，实现了在当时来说最高的、15lm/W的发光效率。
   
    可以说，有机EL照明技术是日本企业率先启动的。但是，这并不能保证日本在今后依然能够处于领先地位。原因在于，欧美各厂商已开始与政府携手推进有机EL照明的开发，并且不断取得成果 注5）。厂商间及地区间的技术竞争不断加剧，这也加快了有机EL照明的发展。
   
    注5） 开发项目方面，欧洲有7个、美国有10个以上的项目正在推进之中。政府机构的资助额大多为3年内数亿～30亿日元的规模，德国“OPAL（Organic Phosphorescent lights for Applications in the Lighting market）”项目为5年内1亿欧元（约合140亿日元），远远多于其他项目。
   
    在发光效率方面迅速追赶白色LED
   
    有机EL照明虽然具有一些独特的特点，但考虑到实际影后，还是避免不了在发光效率、使用寿命、成本等基本性能上与白色LED及现有照明技术一决高低。近来有机EL照明的性能得到了大幅提高。
   
    首先是发光效率。目前，有机EL照明在研发水平上比白色LED约落后约2年。2008年6月美国Universal Display（UDC）发布的“102lm/W”的发光效率，与2006年3月日本日亚化学工业发布的白色LED的发光效率不相上下。山形大学的城户表示，“已经看到了实现200lm/W的曙光” 注6）。 
   
     
图 效率方面与白色LED仅有“约2年的差距” 图为有机EL照明发光效率的变化走势与白色LED研发品的对比。2000年前后，实际上白色LED与有机EL照明的发光效率几乎没有差距。其后的4～5年，在有机EL照明开发没有大的进展的情况下，被白色LED远远落在后面。目前，有机EL照明的研发如火如荼，2008年6月实现了高达102lm/W的发光效率。其与白色LED的差距，在发光效率方面缩小到了大约2年。

   
    注6） 受有机EL照明发光效率迅猛增势的影响，最近，美国能源部将此前“到2025年力争实现150lm/W的发光效率”的开发目标，大幅提前到了“2012年实现”。 
    
    3[/!--empirenews.page--]此前有机EL照明的进展比白色LED落后了约5年的时间。在有机EL照明的研发过程中，发光效率几乎未能提高的时期持续了大约5年。其深层原因是，发光层采用了理论上内部量子效率只有不到25％的荧光材料，而且，荧光材料已经接近开发的极限。而内部量子效率高达100％的磷光材料，由于结构不稳定且使用寿命较短，再加上蓝色发光材料中没有特性较好的材料，因而很难用于白色照明用途 注7）。
   
    注7） 白色光通常可由红色、绿色或黄色、蓝色这3色光混合产生。当缺少某一种颜色时，往往会产生其他的颜色。
   
    这种停滞状况之所以发生了改变，是因为发现了特性较好的磷光材料。特别是柯尼卡美能达于2006年6月宣布，在红（R）、绿（G）蓝（B）色发光层上全部采用磷光材料，并实现了64lm/W的发光效率和1万小时的亮度半衰期，这一消息震惊了业内人士 注8）、2）。
   
    注8） 蓝色磷光材料是柯尼卡美能达自主开发出来的。“是通过对多达5000种化合物的特性进行理论 以往的有机EL照明，使用寿命短是比发光效率更严重的问题。目前，使用寿命已大幅延长，“如果亮度保持在1000cd/m2就行的话，有机EL照明的使用寿命已不是大问题”（松下电工的菰田）。 
   
     
图 着眼于“100年的使用寿命” 图为有机EL照明自初始亮度1000cd/m2开始的使用寿命（亮度半衰期）变化走势。2006年中期超过1万小时、2008年超过10万小时的开发品报告相继发布。如果仅限于特定颜色的话，相当于连续使用100年的、具有超过100万小时使用寿命的元件已成为现实。图表中荧光灯及白炽灯的使用寿命，不是通常的“亮度降至初始的70％的时间”，而是指亮度半衰期。
　　使用寿命之所以能够延长，是因为材料以及不易老化的元件结构的开发在近2年取得了迅猛的进步。
    
    2007年3月发布的大日本印刷与日本有机电子研究所的联合研究成果，将2006年1万小时左右的使用寿命（初始亮度1000cd/m2下的亮度半衰期）增加到了10万小时（同上），一下子提高了10倍 注9）。另外，2008年5月，UDC在SID研讨会上发布了20万小时（同上）的实验结果 3）。有的报告甚至表示，如果仅限于红色荧光材料的话，已实现了相当于连续使用100年的“100万小时以上”的使用寿命（Novaled，初始亮度为1000cd/m2下的亮度半衰期） 注10）。
   
    注9） 由于“在元件中的空穴输送层及电子输送层上采用了相同的材料”（日本有机电子研究所所长、山形大学的城户），使得材料老化很难发生。
   
    注10） 上述使用寿命定义为亮度半衰期，与此不同，普通照明器具的使用寿命定义为“亮度降低到初始亮度的70％时”。对此，欧洲大型照明厂商认为“应尽快使有机EL照明与其他照明方式统一标准”。
   
    不过，有机EL照明的光源使用寿命与其亮度大体成反比例。当需要比1000cd/m2高得多的亮度时，则必需采取其他对策。