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有机EL新材料:无需稀有金属也可实现高发光效率


液晶的接班人——有机EL屏幕的新发光材料已经登场。这种材料解决了有机EL耗电量大、成本高的课题,被公认为是智能手机等产品使用的新一代屏幕的主流技术。具有加载电压后有机材料本身发光的特点。

与必须使用背照灯才能显示的液晶屏相比,有机EL屏不仅图像清晰,而且更容易实现薄型化。未来,可弯折的产品也有望投入实用,可应用于智能手机、电视、照明等诸多用途。 现在,有机EL屏已经得到了智能手机等部分小型产品的采用。例如,韩国三星电子将为NTT DoCoMo面向夏季商战推出的新款智能手机“GALAXY S4”配备支持高清影像显示的5英寸有机EL屏。

有机EL新材料:成本更低、发光效率更高

图1:有机EL新材料:成本更低、发光效率更高

然而,与市场热切的期望相悖,现如今,真正采用有机EL屏的手机,还仅限于大力宣传高画质的部分高端机型。在大屏幕市场上,有机EL还没有表现出取代液晶的普及势头。其原因在于成本高和耗电量大。

九州大学最尖端有机光电子研究中心(OPERA)取得了一个突破。该中心是九大率京都大学、奈良先端科学技术大学院大学、松下、日本显示器、三菱丽阳等27家大学、研究机构和企业共同设立的产官学合作团队。 加盟该中心的大学和企业发挥各自在材料、器件、商品化技术经验等领域的强项,在开放的平台上,实施着从基础到应用的一系列研究。与“日本国家队项目”有着异曲同工之妙。2012年12月,OPERA宣布了开发出了划时代新材料的消息。

新材料的特点是发光效率高,把有机EL材料加载电压时产生的电能转化成光能的效率接近100%,成本则不到原来的10分之1。 如果投入实用,制造出的屏幕除了显示性能好、薄、柔软之外,还能减少耗电量和成本,正可谓终极屏幕。使用这样的屏幕,可以生产出价格便宜、画质好,而且待机时间长的智能手机。 

新型有机EL材料对比现有材料的区别

现有的有机EL材料包括两类,加载电压后发光时间短的“萤光材料”,以及发光时间长的“磷光材料”。而OPERA开发的发光材料,称得上是继二者之后的“第3类发光材料”。

三类材料发光的基本原理相同。都是在正极与负极之间设置厚度约为100纳米(纳为10亿分之1)的发光层,向发光层加载电压。这样一来,正极将发生带正电荷的“空穴”,负极将发生带负电荷的“电子”。 在二者相互吸引,相互结合之后,发光材料将进入具有高能量的“激发态”。随着时间的推移,受到激发的发光材料会逐渐释放能量,恢复到原来的状态。其间,发光材料将释放出光和热。其中的光以图像等形态进入我们的眼睛。

萤光材料与磷光材料相比,荧光材料成本更低,但发光效率差。加载电压产生的电能中,只有25%能够用于发光。剩余的75%则转化成热能释放,因此,电池很快就会耗尽。 磷光材料能够把电能100%用于发光,能够把萤光材料转化成热能舍弃的75%的能量全部转化成光能。发挥转化功能的,是作为添加材料使用的“铂、铱等稀有金属”(OPERA的安达教授)。

但这些稀有金属价格贵,而且分布不均,采购也不稳定。大量使用难免会增加成本和稳定生产方面的风险。现在,磷光材料的成本还极其高昂,是萤光材料的10倍以上。 萤光材料与磷光材料各有所长,都缺乏决定性的撒手锏。这样下去,有机EL的竞争力很难超过液晶。

OPERA开发的是无需使用高成本的稀有金属,即可实现高发光效率的材料。通过改进分子构造,即便不使用稀有金属,该材料也可以把以荧光材料以热能形式释放的75%的电能转化成光能。 开发过程历尽艰辛。OPERA的安达教授说,第3类材料的原理“早已有之,而且写进了教科书。算不上新鲜玩意儿”。然而,实现不使用稀有金属,仍可实现高效发光的分子构造却并非易事。为此,“(研究人员)从零开始重新审视了作为发光材料的有机物的构造”。

由碳、氧、氢等元素构成的有机物的分子构造种类近乎无限。OPERA在开发过程中,试制了大量分子构造各不相同的材料。经过不懈地研究,终于发现了不使用稀有金属,而且发光效率高的构造。 通过反复对构造进行微调,使用绿色发光材料的有机EL屏试制品的发光效率创下94%的纪录,逼近了100%。现在,以有机EL新材料的实用和量产化为目标,OPERA又展开了新的行动。

为实现新材料的实用化而设立的有机光电子实用化开发中心

图2:为实现新材料的实用化而设立的有机光电子实用化开发中心

在2013年,OPERA还计划创办以提升新材料性能为志向的开发型风险企业。 开发低成本、高发光效率有机EL材料并不只是OPERA。现有有机EL材料的最大生产商——出光兴产同样不遗余力。 与OPERA一样,出光兴产的目标也是在不使用稀有金属的前提下,使容易转化成热能释放的75%的能量转化成光能。该公司技术的特点是在提高发光效率的同时,基本可以沿用现有萤光材料的原子构造。“实现的方式是在萤光材料与负极之间增加特殊的有机物层”(出光兴产电子材料部主任研究员熊均)。

因为使用的是现有材料,这种材料具有实用化简单的优点,但课题也不少。最明显的便是能源损耗大。理论发光效率虽然比现有萤光材料高出25%,但也仅为40%,与OPERA实现的94%相比,还不到后者的一半。

有机EL新材料或成反击韩国企业的强力武器

日本企业原本走在有机EL屏研发的前列。但现在却甘拜韩国企业的下风。正如开篇介绍,除了三星为高端智能手机采用之外,在大型电视领域,韩国LG电子也已经从1月开始少量生产55英寸产品。

为了发起反击,日本各大机电企业如今也在推进有机EL屏的商品化。在1月于美国拉斯维加斯举办的家电展会“消费电子展”上,索尼和松下各自展出了分辨率是高清4倍的56英寸“4K”电视试制品。索尼、东芝、日立制作所的中小型屏幕业务合并公司——日本显示器也在4月开发出了面向智能手机、支持高清显示的5英寸试制品。

有机EL的“第3类发光材料”是诞生于日本的世界领先技术。面向这种材料的全面普及,OPERA的安达教授表示,在今后,“OPERA希望与日本的机电企业合作,为实现实用化进行开发”。

面对在液晶等领域建立起压倒性量产体制,强化了技术实力的韩国企业,日本的数字家电实际上已经一败涂地。但是,如果日本企业能够集合世界最高水平的材料技术,实现新型有机EL材料的实用化和大量生产,这或许将会成为夺回数字家电霸权的原动力。

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