郁可唯we are one教学:OLED应用于照明领域的探讨

姚其　陈大华 林燕丹
复旦大学电光源研究所 200433

　　摘要：由于OLED工艺成本较低、色彩可调范围大，轻薄等特点，近年来在显示领域发展很快。随着OLED光效的提高，以及白光OLED工艺的发展，OLED出现了应用于照明的趋势。本文基于目前白光OLED的光效、功率等，尝试从软件模拟制作了OLED照明器件，并进行了照明设计。通过与荧光灯的理论分析对比，探讨了OLED应用于一般照明的优势和不足。结果表明白光OLED应用于照明领域的前景看好，但其效率以及寿命仍迫需进一步提高。

　　关键词：OLED照明；面光源；照明设计

The Investigations of OLED’s Application on Lighting

Yao Qi, Chen Dahua, Lin Yandan
(Institute for Electric Light Sources, Fudan University, 200433)

Abstract:　In recent years, OLED technology has been rapidly developed because of its lower cost, broad adjustable color range and lightness. With the improvement of the luminous efficacy and white light technology, OLEDs gradually find their application in the field of lighting. Based on current white OLED’s efficiency, power, etc, the author simulates the OLED light source by virtue of software. Through theoretical analysis and the comparison with fluorescent lamps, the author discuss the strength and weakness of OLED’s application in the general lighting. Results show that white OLED has the opportunity to be used for general lighting, while its efficiency and lifetime need further improvements.

Key words: OLED lighting; surface light source; lighting design

　　1　引论

　　OLED (Organic Light Emitting Diode) 是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下, 通过载流子注入和复合导致发光的现象。其原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极, 在一定电压驱动下, 电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层, 电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层, 并在发光层中相遇, 形成激子并使发光分子激发, 发光分子便经过辐射发出可见光。辐射光可从ITO一侧观察到, 金属电极膜同时也起了反射层的作用。从目前有机电激发光元件的技术发展情况看来，绿光、蓝光、红光都有相关的材料开发，其中以绿光的技术最成熟，而红光的技术正在加紧研发中。OLED结构如图 1所示。[1] [2]

　　OLED最早发现是在1979 年。当时在柯达公司从事科学研究工作的科学家邓青云博士发现一块做实验的有机蓄电池在发光，从而开始了OLED的研究。[2]1987年，邓青云等采用超薄薄膜技术和双层结构，成功制备出低压驱动的小分子OLED，发光亮度1000cd/m2，光效1.5lm/W。1997年，日本Pioneer公司将单色OLED用在汽车音响面板上，OLED开始逐渐走向产业化。[3]OLED发展从硬屏到软屏，面板尺寸由小到中再到大，显色颜色由单色、多色到全彩色。OLED主要应用在显示屏幕上，随着白光OLED的发展，其也逐渐将应用于照明中。

　　OLED 与LED 同属固态照明,具有发热量低、耗电量小、反应速度快、体积小、耐震耐冲装、易开发成轻薄短小产品等优点。OLED应用于照明的关键技术主要为高效率及长寿命。[4]

　　同时OLED具有轻薄、面发光、柔软性和延展性的特点,通过采用不同光色的组合, 构成照度柔和的各种模块,带给未来照明设计新的理念。在照明的应用上，产业目标是在1,000cd/m2 达到50－80lm/W 的效率。[5]目前，用于照明的白光OLED产品光效可达60lm/W以上，显色指数80左右。[6]已经能够满足一些场所照明的需求。

　　2　白光照明OLED

　　实现用于照明的白光OLED，主要有两种方法：[7]

　　1) 波长转换法,是用发蓝光的OLEDs激发黄色、橙色、红色荧光或磷光粉来实现白光；

　　2) 颜色混合法,是用蓝光和橙光两种补偿光或红、绿、蓝三基色光通过掺杂或多层的方式实现白光的方法。

　　这两种实现白光的方法原理上是不同的。但其实现方式或者是采用两种光色混合成白光，或是采用三种光色混合成白光。图 2所示为用两种光色（蓝光和黄光）混合成白光，蓝光和黄光的成分配比不同，OLED光色将会位于图示两点之间黑线上的某点。图 3为用三种光色混合成白光。红、绿、蓝三基色光配比不同，可以使OLED光色在整个三点组成的三角形内变化。两种光色混成白光，可选择性小，但光色一致性比较好；三种光色白光，可选择范围大，但光色一致性差。不管采用哪种方式，只要配比合适，都能得到比较舒适的白光，色温可选择范围大，且显色性也能达到80左右。

　　3　软件模拟验证

　　3.1　TracePro模拟OLED平板发光

　　本文采用TracePro模拟OLED平板光源，建模尺寸为300mm×300mm×10mm，设置出光面为朗伯光源，100,000条光线进行模拟。平板光源模型和模拟的极坐标等光强图如图 4所示。图 5为OLED平板光源配光曲线。配光曲线基本上成朗伯配光形式，模拟光线增加时，将向朗伯配光分布更加逼近。将所得的配光曲线导出，保存为IES文件格式。

　　3.2　DIALux模拟验证

　　3.2.1　OLED照明与荧光灯照明的比较

　　将TracePro模拟导出的配光曲线，导入DIALux，其配光如图 6（c），另选两种荧光灯配光，如图 6（a）(类椭球式配光)和图 6（b）（类蝙蝠翼式配光）所示。采用两种房间设计布局，如图 7所示，房间布局1为5.4m×3.6m×2.8m，布置一个灯具；房间布局2为9m×6m×2.8m，布置六个灯具。灯具的参数见表 1。其中荧光灯具由两个36W荧光灯组成；OLED模型光源尺寸为300mm×300mm，故采用4块拼合为一个灯具，尺寸为1200mm×300mm，总功率设为72W。采用荧光灯1、荧光灯2和OLED照明的两组设计方案如图 8所示。照度工作面高度取0.8m。

　　3.2.2　数据分析

　　从表 2可以看出，使用OLED，照度水平相对要低，比荧光灯1低30%以上，比荧光灯2低20%。对于目前的教室照明要求达到300lx的情况下，功率密度小于11W/m2，根据表 2方案2-c，在达到300lx（设计结果为319lx）的水平时，功率密度为8 W/m2，能够满足目前一定照明水平的要求。如果OLED的光效能提高到100lm/W，则可以达到目前一般荧光灯照明的水平。表 3从光效、寿命、成本等方面对荧光灯和OLED进行了比较。OLED成本上相对比较高，其光效水平仍有很大提升空间，寿命能与荧光灯相媲美。当然，随着OLED平板材料与工艺的发展，其应用于照明成本情况也将逐步降低，Bardsley在其文章中对OLED的成本进行了预测，如表 4所示。[8]

　　3.2.3　特殊的OLED照明设计

　　OLED为面光源，且非常轻薄，可以用作一些特殊的照明设计。设置房间尺寸参数5.4m×3.6m×2.8m。OLED平板光源尺寸为1.2m×0.9m，距地面0.8m，置于墙中央部位，如图 9（a）所示。图 9（b）为显示灯具配光分布的示意图。使用3×4块OLED模拟光源拼合，总功率216W，光通量12,960lm。等照度面取为0.8m高。图 10为OLED模拟窗户照明等照度图。靠近“窗户”部分，照度在2000-3000lx，随着向房间内部深入，其照度逐渐降低，在房间中间照度为300lx。OLED窗户照明照度结果如表 5所示。一般晴天情况下，窗户口的照度在2500lx左右，室内平均照度约为300lx。此处设计的OLED模拟窗户照明和实际晴天透过窗户照射的情况比较类似。

　　4　结论

　　综上所述，可得到下面结论：

　　1)白光OLED通过二色或三色混合而成，可达到比较好的光色，色温范围大，且其显色性80左右。能够达到一般照明对光色和显色性的要求。

　　2)从模拟设计结果来看，OLED可以满足一定的照明需求，但相较荧光灯照明，同等水平下，在光效、照度水平上要差20%-30%，且成本为荧光灯的数倍之高。整体性能需要进一步提升。

　　3）OLED具有轻薄、平板照明等特点，可用于一些特殊的照明设计。文中设计的OLED模拟窗户照明，在照度分布方面，达到了类似晴天阳光透过窗户的照明效果。

　　OLED的理论光效可达到近200lm/W，而目前OLED光效在60lm/W，寿命在0.5－2万小时左右，但用于一般照明仍需提高。要应用于照明领域，OLED光效需提高到100lm/W左右，寿命达到1万小时以上，而成本要进一步降低。
 
　　参考文献

　　[1].李响. TOLED的计算机模拟及实现[D]. 电子科技大学, 2004.
　　[2].刘全恩. OLED TV——平板电视新成员[J]. 中国数字电视. 2007(39): 48-51.
　　[3].毛兴武,张艳雯,周建军等. 新一代绿色光源LED及其应用技术[M]. 人民邮电出版社, 2008: 492.
　　[4].胡耀祖、李丽玲、李宏俊、李清然. 照明节能技术发展趋势[J]. 照明工程学报. 2008, 19(2): 1-6.
　　[5].Canzler T. 显示器和照明应用的OLED 技术[J]. 电子与电脑. 2005: 106-107.
　　[6].赵磊. 论OLED的应用、市场及发展[J]. 高科技与产业化. 2008: 80-81.
　　[7].马东阁. 白光有机发光二极管的最新进展[J]. 分子科学学报. 2007, 23(4): 223-236.
　　[8].Bardsley J N. International OLED Technology Roadmap[J]. IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS. 2004, 10(1): 3-9.