- EL照明發(fā)展歷史
- EL照明市場分布
- EL照明發(fā)展趨勢
針對照明用途的有機EL研發(fā)其實很早就已開始了。近來，亮度及使用壽命等特性更是達到可用于照明的水平，有機EL用于照明的可能性迅速提升。由于照明市場的規(guī)模有10萬億日元之巨，因此，照明以外的企業(yè)及研究機構也將研發(fā)力量投向了有機EL照明。有機EL不僅在電視領域、還將在照明領域有所作為。“有機EL照明的市場啟動之后，即便將我們大學所在的山形縣米澤市全部變成工廠，生產(chǎn)仍會趕不上需求”。
一直從事有機EL照明研發(fā)工作的山形大學研究院理工學研究科教授城戶淳二預對有機EL照明的發(fā)展前景發(fā)出了欣喜的“悲鳴”。2009年首款產(chǎn)品將投放市場基于氮化鎵（GaN）等元素的“無機”白色LED制成的照明，有可能取代白熾燈、乃至熒光燈等幾乎所有的照明，所以被人們寄予了厚望注1）、1）。而有機EL照明則技術發(fā)展則如同一匹不為人所知的黑馬。不過，在暗地里其實各廠商都在瞄準有機EL實用化目標，展開激烈地開發(fā)競爭（圖1））有機EL是發(fā)光二極管（LED）技術的一種，也被稱為“OLED（有機LED）”，本文中LED是指用無機材料制作的發(fā)光二極管元件。近年來，這種競爭的端倪就連普通消費者也開始有了切身感受。例如，2008年9月柯尼卡美能達控股（柯尼卡美能達）投放了有機EL照明的電視廣告。該公司宣布，正與全球最大的電子設備廠商——美國通用電子（GE）在該業(yè)務領域展開合作，并將于2010年與GE聯(lián)手投產(chǎn)有機EL照明。荷蘭飛利浦照明（PhilipsLighting）的德國法人也于同月月底，對外公布了將于2009年推出有機EL產(chǎn)品的計劃。
熒光燈的最佳替代品有機EL照明具有以往照明方式所沒有的特點。具體而言就是有機EL能夠實現(xiàn)“面發(fā)光”“透明”和“薄與輕”。由于是面發(fā)光，因而可比較容易地實現(xiàn)使墻壁及天花板整體發(fā)光的壁照明。面發(fā)光其實也是熒光燈等照明方式具有的特點。LED如果采用導光板等光學部件也能實現(xiàn)，但有機EL照明是光源自身為面發(fā)光，而且其形狀不存在限制。“尤其看重的是形狀可隨意設計這一點”（照明設計師）。另外，還有望在厚度很薄的情況下，將發(fā)光面大幅擴大到數(shù)十cm2～1m2以上。松下電工高新技術開發(fā)研究所技術總監(jiān)、兼任日本大阪大學特聘教授的菰田卓哉表示正在按照“白色LED取代白熾燈，有機EL照明取代熒光燈”的定位推進開發(fā)。
這是因為，“與其勉強讓點光源的LED實現(xiàn)面發(fā)光，倒不如直接采用有機EL照明來得方便”（該公司）。歐洲廠商更多地關注的是有機EL能夠透明的特點。能夠制成透明產(chǎn)品，不僅僅是可提高裝飾性，同時還意味著在生活環(huán)境中，玻璃及塑料都有可能直接成為照明器具。如果將其用作前照燈（FrontLight），則可彌補在昏暗環(huán)境中難以看清顯示面的電子紙的缺點。有機EL的第3個特點的“薄與輕”，也是相對于以往照明的一大優(yōu)勢。有機EL照明的發(fā)光元件自身厚度不足1μm，即使加上底板，厚度也遠低于1mm。通過在柔性底板上制作有機EL照明，有望制造出可像紙一樣能夠卷曲的便攜式照明等。除此之外，有機EL還具有不使用汞、不產(chǎn)生紫外線、不使用反射板等諸多優(yōu)點。其他行業(yè)的大企業(yè)相繼涉足有機EL領域
[page]圖有機EL照明/光源市場到2020年將占到照明市場整體的2成圖為針對包括普通照明、特殊照明及背照燈等在內(nèi)的有機EL照明今后的市場規(guī)模，日本矢野經(jīng)濟研究所、NanoMarkets、GE及OIDA發(fā)布的預測及目標。市場規(guī)模方面，預計2015年全球將達到5000多億日元，到2020年將大大超過1萬億日元。
正是因為具有上述特點，所以有機EL照明的潛在市場規(guī)模非常大。現(xiàn)有照明業(yè)務的市場方面，全球總體規(guī)模為6萬億～12萬億日元，日本大約為8500億～1萬億日元稍強）。即使只將其中的一部分替換為有機EL照明，對照明產(chǎn)業(yè)而言，也將帶來巨大的效應。例如，日本的調(diào)查公司富士經(jīng)濟預計，有機EL照明的日本國內(nèi)市場規(guī)模到2011年將超過100億日元，超過白熾燈的市場規(guī)模。在全球市場方面，有關估算數(shù)據(jù)顯示，到2015年將達到5000億日元以上，到2020年達到1.4萬億日元。這相當于在今后的10多年內(nèi)，照明市場整體的1～2成將被有機EL照明所替代。有機EL將成為有機電子領域的支柱產(chǎn)業(yè)之所以有很多其他行業(yè)的企業(yè)涉足，理由不僅僅在于潛在市場規(guī)模大。基于有機材料的有機電子技術有望應用于照明領域，也是一個很重要的理由。
有機EL照明與有機EL顯示器在技術上有許多共通點。與有機晶體管及有機薄膜太陽能電池等也存在著互為表里的關系。只要某一領域取得進展，就有望給其他用途帶來促進效應。所以從其他用途進行轉換也比較容易。德國歐司朗光電半導體（OSRAMOptoSemiconductorsGmbH）已決定，于2007年7月將此前的單純矩陣型有機EL面板開發(fā)部門整體轉型為照明業(yè)務。德國NovaledAG等廠商所采用的業(yè)務模式則是，將所開發(fā)的材料及元件結構提供給生產(chǎn)不同用途產(chǎn)品的公司注3）。“以前是以顯示器業(yè)務為主，而近年來，照明及太陽能電池業(yè)務的發(fā)展前景越來越光明。特別是照明業(yè)務，如今已經(jīng)變得與顯示器同等重要了”（Novaled首席執(zhí)行官GildasSorin）。）Novaled在采用有機TFT的顯示器業(yè)務方面向PlasticLogic、在太陽能電池業(yè)務方面向Heliatek提供元件技術。
這兩家企業(yè)的出資公司也是相同的。著眼于有機材料的應用，不惜賭上公司命運的柯尼卡美能達已率先開始投放廣告。該公司2007年3月與GE在有機EL照明業(yè)務上展開合作，“除銷售渠道以外，我們在照片相關業(yè)務中積累的有機材料技術及光學系統(tǒng)技術都大有用武之地”（柯尼卡美能達董事長兼尖端材料技術研究所所長駒村大和良）。具體用途為：照片感光材料方面的經(jīng)驗可用于發(fā)光材料等的開發(fā)中；鏡頭等光學系統(tǒng)技術可用于光輸出用途；能夠制造出多達15層的多層負片技術可用于卷對卷（Roll-to-roll）制造技術。對柯尼卡美能達而言，“能夠匯集該公司已經(jīng)撤出的照片業(yè)務的人才及經(jīng)驗的就是有機EL照明業(yè)務”（該公司董事兼LA業(yè)務推進室長得丸祥）。基礎開發(fā)日本領先柯尼卡美能達的雄心壯志還表現(xiàn)在專利申請數(shù)量上。在有關有機EL照明的專利中，日本的申請數(shù)占了全球的近2/3，大大領先于美國等其他國家。其原因之一，就是因為柯尼卡美能達的申請數(shù)量很多。尤其是藍光磷光*材料相關專利，柯尼卡美能達的申請數(shù)量占到了整體的近3/4）。
圖日本廠商在開發(fā)方面領先圖為Cintelliq公司就以實現(xiàn)有機EL照明為目的的專利申請數(shù)所做調(diào)查的結果。按申請地劃分，日本為56％，大大超出排在第2位的美國，遙遙領先（a）。在本圖中，1994～2006年的專利申請數(shù)通過2003年以后的文獻調(diào)查得到。按不同組織劃分，柯尼卡美能達集團為176件，排在第1位（b）。大約3/4的專利與藍色磷光材料有關。（b）為2003～2007年有機EL照明（包括背照燈）專利按組織劃分的申請數(shù)(前10家公司）及主要領域。由于按組織劃分的日本專利申請數(shù)數(shù)據(jù)中不包含2007年第2季度以后的數(shù)據(jù)，因此，實際上日本企業(yè)的申請數(shù)有可能更多。
在柯尼卡與美能達合并之前的1999年，柯尼卡內(nèi)部就已經(jīng)開始對有機EL照明的研發(fā)。當時，雖然有機EL元件材料的主流是穩(wěn)定性較高的熒光材料，但該公司斷定，想要用于照明用途的話，熒光材料的效率過低，因此開始著手磷光材料、特別是將開發(fā)未能取得進展的藍色磷光材料作為重點。*磷光＝從經(jīng)驗上說，是指在受到紫外線等光線照射后自發(fā)光的材料中發(fā)光時間較長的光。時間較短的稱為熒光。近年來的定義則將其定義為，電子對能夠從“三重項”狀態(tài)向更低能級躍遷的材料所發(fā)出的光。如果向材料施加紫外線及電流等能量，則電子對會向較高的能級移動，但其狀態(tài)可分為：自旋必定趨于相互抵銷的“單重項”狀態(tài)，以及趨勢不確定的三重項狀態(tài)。這兩種狀態(tài)的存在幾率為1比3，由于熒光材料只能在單重項狀態(tài)發(fā)光，因而量子效率最大也只有25％。
松下電工很早也就開始開發(fā)有機EL照明，2001年通過與山形大學的聯(lián)合研究，實現(xiàn)了在當時來說最高的、15lm/W的發(fā)光效率。可以說，有機EL照明技術是日本企業(yè)率先啟動的。但是，這并不能保證日本在今后依然能夠處于領先地位。原因在于，歐美各廠商已開始與政府攜手推進有機EL照明的開發(fā)，并且不斷取得成果）。廠商間及地區(qū)間的技術競爭不斷加劇，這也加快了有機EL照明的發(fā)展。注5）開發(fā)項目方面，歐洲有7個、美國有10個以上的項目正在推進之中。
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政府機構的資助額大多為3年內(nèi)數(shù)億～30億日元的規(guī)模，德國“OPAL（OrganicPhosphorescentlightsforApplicationsintheLightingmarket）”項目為5年內(nèi)1億歐元（約合140億日元），遠遠多于其他項目。在發(fā)光效率方面迅速追趕白色LED有機EL照明雖然具有一些獨特的特點，但考慮到實際影后，還是避免不了在發(fā)光效率、使用壽命、成本等基本性能上與白色LED及現(xiàn)有照明技術一決高低。近來有機EL照明的性能得到了大幅提高。首先是發(fā)光效率。目前，有機EL照明在研發(fā)水平上比白色LED約落后約2年。2008年6月美國UniversalDisplay（UDC）發(fā)布的“102lm/W”的發(fā)光效率，與2006年3月日本日亞化學工業(yè)發(fā)布的白色LED的發(fā)光效率不相上下。山形大學的城戶表示，“已經(jīng)看到了實現(xiàn)200lm/W的曙光”）。
圖效率方面與白色LED僅有“約2年的差距”圖為有機EL照明發(fā)光效率的變化走勢與白色LED研發(fā)品的對比。2000年前后，實際上白色LED與有機EL照明的發(fā)光效率幾乎沒有差距。其后的4～5年，在有機EL照明開發(fā)沒有大的進展的情況下，被白色LED遠遠落在后面。目前，有機EL照明的研發(fā)如火如荼，2008年6月實現(xiàn)了高達102lm/W的發(fā)光效率。其與白色LED的差距，在發(fā)光效率方面縮小到了大約2年。
受有機EL照明發(fā)光效率迅猛增勢的影響，最近，美國能源部將此前“到2025年力爭實現(xiàn)150lm/W的發(fā)光效率”的開發(fā)目標，大幅提前到了“2012年實現(xiàn)”。此前有機EL照明的進展比白色LED落后了約5年的時間。在有機EL照明的研發(fā)過程中，發(fā)光效率幾乎未能提高的時期持續(xù)了大約5年。其深層原因是，發(fā)光層采用了理論上內(nèi)部量子效率只有不到25％的熒光材料，而且，熒光材料已經(jīng)接近開發(fā)的極限。而內(nèi)部量子效率高達100％的磷光材料，由于結構不穩(wěn)定且使用壽命較短，再加上藍色發(fā)光材料中沒有特性較好的材料，因而很難用于白色照明用途）白色光通常可由紅色、綠色或黃色、藍色這3色光混合產(chǎn)生。當缺少某一種顏色時，往往會產(chǎn)生其他的顏色。
這種停滯狀況之所以發(fā)生了改變，是因為發(fā)現(xiàn)了特性較好的磷光材料。特別是柯尼卡美能達于2006年6月宣布，在紅（R）、綠（G）藍（B）色發(fā)光層上全部采用磷光材料，并實現(xiàn)了64lm/W的發(fā)光效率和1萬小時的亮度半衰期，這一消息震驚了業(yè)內(nèi)人士注8）、2）。注8）藍色磷光材料是柯尼卡美能達自主開發(fā)出來的。“是通過對多達5000種化合物的特性進行理論以往的有機EL照明，使用壽命短是比發(fā)光效率更嚴重的問題。目前，使用壽命已大幅延長，“如果亮度保持在1000cd/m2就行的話，有機EL照明的使用壽命已不是大問題”（松下電工的菰田）。
圖著眼于“100年的使用壽命”圖為有機EL照明自初始亮度1000cd/m2開始的使用壽命（亮度半衰期）變化走勢。2006年中期超過1萬小時、2008年超過10萬小時的開發(fā)品報告相繼發(fā)布。如果僅限于特定顏色的話，相當于連續(xù)使用100年的、具有超過100萬小時使用壽命的元件已成為現(xiàn)實。圖表中熒光燈及白熾燈的使用壽命，不是通常的“亮度降至初始的70％的時間”，而是指亮度半衰期。
使用壽命之所以能夠延長，是因為材料以及不易老化的元件結構的開發(fā)在近2年取得了迅猛的進步。2007年3月發(fā)布的大日本印刷與日本有機電子研究所的聯(lián)合研究成果，將2006年1萬小時左右的使用壽命（初始亮度1000cd/m2下的亮度半衰期）增加到了10萬小時（同上），一下子提高了10倍。
另外，2008年5月，UDC在SID研討會上發(fā)布了20萬小時（同上）的實驗結果3）。有的報告甚至表示，如果僅限于紅色熒光材料的話，已實現(xiàn)了相當于連續(xù)使用100年的“100萬小時以上”的使用壽命（Novaled，初始亮度為1000cd/m2下的亮度半衰期）注10）由于“在元件中的空穴輸送層及電子輸送層上采用了相同的材料”（日本有機電子研究所所長、山形大學的城戶），使得材料老化很難發(fā)生。上述使用壽命定義為亮度半衰期，與此不同，普通照明器具的使用壽命定義為“亮度降低到初始亮度的70％時”。對此，歐洲大型照明廠商認為“應盡快使有機EL照明與其他照明方式統(tǒng)一標準”。不過，有機EL照明的光源使用壽命與其亮度大體成反比例。當需要比1000cd/m2高得多的亮度時，則必需采取其他對策。
