OLED照明手艺现状及市镇发展趋势,金色LED作用前

作者: 联系我们  发布:2019-09-19

如果白色LED照现在这样发展下去,新一代照明光源只要有白色LED就足够了?……目前还不能这么简单地下结论。白色LED是点光源,要想得到可用于照明的亮度,必须并列多个白色LED,使其形成一个面。而作为点光源来说,白色LED的亮度实际上还不如HID灯。而需要面光源和点光源的时候,白色LED 之外其他光源的重要性就浮现了出来。在“Green Device论坛2010”上就出现了站着这一角度所做的演讲。 从面光源的观点出发,松下电工的菰田卓哉介绍了白色有机EL照明的发展动向。菰田认为,与作为线光源的荧光管和点光源的白色LED一样,作为面光源,白色有机EL将成为照明领域中独具特色的中坚力量。松下电工计划于2011年开始白色有机EL面板的样品供货,最初将应用于特殊照明,接着将用于店铺照明,2014年以后预计将扩展到普通照明领域。 虽然与白色LED相比,现阶段白色有机EL的发光效率稍显逊色,但将来肯定会赶上白色LED。白色LED的发光效率可能基本上会稳定在200lm/W 左右,而随着高效率磷光类有机EL材料开发的不断推进,白色有机EL与白色LED之间的差距将会迅速缩小。从松下电工的研究成果来看,2014年前后出现发光效率达130lm/W的产品将不是梦想。 作为最近松下电工的举措,菰田还介绍了“双层多单元构造有机EL元件”。该元件是把红色、绿色磷光发光层(由美国通用显示器公司和新日铁化学制)和蓝色荧光发光层作纵向堆叠而成。RGB三种颜色通过纵向堆叠得以均匀混合,即使观看白色有机EL面板的角度有变,白光的色调也几乎不变。演讲过程中还点亮了色温度分别为4600K和3000K(演色性均为Ra95)的试制面板,向听众强调了该面板几乎看不出角度依存性。另外,之所以在蓝色有机 EL层使用把荧光发光材料,是因为现阶段还没有实用型蓝色磷光发光材料。 使用半导体激光器,使亮度达到HID的约2.5倍 介绍以最高端点光源为目标推进开发措施的是日亚化学工业的长滨慎一。长滨介绍了亮度为270cd/mm2,达到HID灯2.5倍左右的固体光源。其亮度比白色LED高出近一位数。该固体光源组合使用了激光投影仪蓝色光源所用蓝色半导体激光器和荧光体材料。以 0.65mm直径获得了250lm的亮度(电流1.2A、电压4.6V时)。设想应用于图像识别用聚光光源、医疗及产业用特殊光源等。称之为“体现了对终极光源的追求”的白色光源,还具有以简易镜头即可集聚光的特点。演讲过程中长滨还做了演示:结合使用白色光源和外置镜头把会场照得通明。 此白色光源的构造是把镜头置于蓝色半导体激光器CAN封装的上部,并将其用其他CAN封装包覆起来。在外层CAN封装上面的中心位置开一个可射出光线的孔,将掺有荧光体的粘合剂嵌入其中。孔径为0.65mm。蓝色激光由封装内的镜头聚光并照射到荧光体上,荧光体便可向外部射出白色光。 说起激光光源,很多人都会认为其寿命比较短。此次开发的白色光源在外壳温度为25℃的条件下,亮度减半寿命平均为2万小时。激光器的寿命是由封装内反射层的劣化及反射率的下降决定的。由于蓝色半导体激光器在外壳温度为50℃的条件下寿命一般为4万个小时,如果改进反射层,预计能把亮度减半寿命延长到3 万个小时以上。白色光源的封装及封装内的镜头和混合有荧光体材料的粘合剂均为无机材料。这是由于要使用强蓝色激光照射,如果采用树脂材料,则会很快劣化。另外,激光器光源虽给人比LED要贵的印象,但是由于其利用了投影仪用激光器,而且还能利用Blu-ray录像机等所用蓝紫色半导体激光器元件的半导体量产技术制造,因此只要激光器元件开始量产,就会有降低价格的潜力。 这种光源虽然亮度极高,但发光效率还只有为45lm/W。与发光效率在100lm/W以上的白色LED相比要略逊一筹。据长滨介绍,迄今为止是不惜牺牲效率来追求高亮度,真要想要提高发光效率,还是有办法的。此次荧光体嵌入部分的直径为0.65mm,封装内部还有一些未射到外面的光。如果是亮度无需达到HID2.5倍的用途,则可以采取一些手段扩大荧光体嵌入部分的直径。这样浪费掉的光线就能够放射到封装外部,从而提高发光效率。

备受关注的LED照明今后将怎样发展?2009年10月28日,在与正于太平洋横滨会展中心举行的“GreenDevice2009”展会并设的研讨会“GreenDevice2009Forum”上,松下电工、东芝照明技术等照明器具厂商、业内团体LED照明推进协议会分别表达了各自的看法。

日本昭和电工最近对外发布新闻稿宣布,该公司通过采用新的结构已将OLED器件的光提取效率提升至约40%,达全球最高水平。新闻稿指出,借助新技术,该公司目前研发中的磷光OLED器件的发光效率已提升至30lm/W,达全球最高水平,预计后续该器件将可广泛应用于OLED照明等用途。新闻稿也指出,该公司也将和美国非营利研究机构SRI International及Itochu Plastics Inc展开进一步合作,携手改良上述器件的结构,并预计于2010年针对照明市场进行样品销售。另外,昭和电工也计划于2015年前将该器件发光效率提升至150lm/W、白色亮度减半寿命5万小时的水平。

首先登场的JLEDS企划运营委员长下出澄夫强调,LED照明受到的期待与目前LED照明的实力存在差距,促进LED照明的普及必须在认清差距的前提下解决问题。下出警告说,目前与LED相关的法规、标准尚不完善,存在安全质量隐患的产品有可能流入市场。

据日经BP社报道,松下电工试制出了部分有机半导体采用印刷方法制作的有机EL照明面板。发光效率和色彩表现性均获得了较高的数值。这是在2009年2月18~20日举行的“可印刷电子技术2009(Printable Electronics 2009)”研讨会上该公司的演讲中获悉的。有机EL照明面板的发光效率为40lm/W,表示色彩表现性的指标--CRI(Color Rendering Index)的数值为95,外部量子效率为36.1%,初期亮度为1000cd/m2时的亮度减半期在2万小时以上。在制造工序中,称为空穴注入层的半导体采用一种名为“狭缝涂布(SlitCoating)方式”的印刷方法制成。“正好该层的材料在具有出色的性能的同时还适于进行涂布”。狭缝涂布方式是制造液晶面板的彩色滤光片时采用的技术。松下电工将与其合作开发有机EL照明技术的TAZMO公司所提供的装置加以改造,使之适于有机EL用途。“采用狭缝涂布方式时,膜厚为40~50nm.膜厚均一性为±5%,涂布速度达到100mm/s”。此次实现的40lm/W这一发光效率”与荧光灯的实际发光效率相当“。这是因为,虽然荧光灯发光部的发光效率达到80~100lm/W,但使用用于扩散光的灯罩以及低反射率的反射板会使实际的效率降至1/2以下。仅从发光效率来看,目前已有几家厂商实现了更高数值。比如,美国环宇显示技术达到了102lm/W.不过,该公司面板的CRI值只有70.而松下电工不同,作为将有机EL用于照明时的条件,该公司一直很重视色彩表现性的出色程度。“色彩表现性低的话,草莓看上去就会象烂了一样”。

其中,替代“家用吊挂型荧光灯器具”、“白炽灯器具及放电灯器具”等现有光源的LED照明器具尤其需要注意。这是因为目前还没有针对替代荧光灯的荧光管型LED灯的标准,各厂商在亮度、功耗、配光等标准和性能方面存在差异。在演讲中,下出介绍了美国能源部所公开的现行荧光灯型LED灯的性能低于荧光灯,无法作为替代品的报告,以及日本灯泡工业会关于某些号称低输入功率的产品亮度低于荧光灯、某些灯重超过500g的产品存在器具脱落隐患的报告。下出预计,日本将在今后2~3年内完成法规的制定。在法规完善前,JLEDS将督促加盟企业遵守社会共识和相关法规。

近日,日本金泽工业大学光电磁场应用研究所三上明义教授的研究小组试制出,采用绿色发光磷光材料的OLED元件,发光效率达210lm/W。这是通过使光提取效率(光提取效率是假设磷光材料的内部量子效率为100%计算出来的。与外部量子效率的数值相同。)超过原来的两倍、提高至56.9%而实现的。三上明义研究小组通过详细计算OLED元件中的光运动情况,找到实现高光提取效率的方法。针对OLED元件的厚数百nm以下的超薄半导体层以及密封层等膜厚数百μm~1mm的“厚膜层”中的光的运动情况,按照波长及偏振光进行了分析。分析发现,原来的OLED元件有50%-70%的光能量未从半导体层输出,而是以热量的形式被浪费掉。在此基础上,三上明义研究小组将厚膜层的折射率提高至2之后,再次对光运动进行计算,证实有2/3的光能量转移到了厚膜层。不过,这只是直接改变了光聚集的层,并无助于实现高光提取效率,向元件外部输出的光线比例仍比较低。三上明义研究小组在厚膜层的厚0.7mm、折射率为2.03的玻璃表面上形成了0.3mm间距的透镜阵列结构,由此将厚膜层中聚集的光高效提取到元件外部。在实际试制的OLED元件,并对其进行的检测表明,获得了56.9%的高光提取效率。三上明义表示,该元件理论上的光提取效率为75~80%。透镜阵列的改进余地也还很大。研究小组的目标是“实现无损失的光源”,除此次的厚膜层和透镜阵列之外,如果结合索尼开发的“微腔构造”等技术,便有望大幅接近这一目标。

除此之外,下出还列举了消费者在采购号称“比荧光灯节能”的LED照明时应该注意的问题。也就是充分确认购买的荧光灯是最新的Hf型,还是原有的铜铁镇流器型。在目前,就照明器具的整体效率而言,Hf型为100lm/W左右,铜铁镇流器型为60lm/W,二者差距较大,LED照明居中,为80lm/W。

据市场研究公司DisplaySearch预测,OLED市场产值将从2007年度的5亿美元与2008年度的6亿美元,成长至2009年度的11亿美元,2011年度的20亿美元,2012年度的30亿美元,与2015年度的55亿美元。

白色LED效率最近1~2年上升明显

在发光技术持续改善的趋势下,产业研究机构认为,OLED可望在2011年进入商品化量产阶段。2011年OLED照明市场规模将快速增长至17.1亿美元,2020年有望上升至140亿美元。由于OLED照明普及关键在于低成本的制造技术,对于定位在中游面板模组制造的台湾OLED业者而言,具备大量生产能量,并且掌握生产良率技术,可算是已有入场门票。虽然台湾在相关领域缺乏照明品牌、自主材料、技术与专利等加持,但台湾OLED厂仍可在产业链中扮演代工Turn-key角色,藉由争取国际大厂代工OLED照明产品机会,提升本土技术与市场竞争力,台湾OLED厂若能与欧美OLED照明厂商策略联盟,取得专利授权、技术移转,并以具市场竞争力的价格为其代工生产出货,未来将可扩大全球OLED照明市场。从各厂商所规划的OLED照明发展蓝图来看,OLED照明市场可望在2011年出现突破性进展,包括Philips、GE、Konica Minolta、Lumiotec与OSRAM等将陆续量产。而国际大厂对OLED和LED等新光源应用的积极布局,更可在其专利交叉授权中预见端倪,预料将有助于OLED和LED照明的市场应用推展。

接着登场的是松下电工照明业务本部LED元件开发中心部长大利富夫。大利表示,LED照明使用的白色LED发光效率的提高非常明显,最近1~2年的进步尤为显著。虽然数值接近100lm/W,但就LED照明器具而言仍未超越Hf型荧光灯。因为使用白色LED组装照明器具时,在电源电路功率转换损耗、升温及输入大电流造成的发光效率下降、器具内光损耗的影响下,照明器具整体的效率约为白色LED的发光效率的50~70%,即使使用最新的白色LED也只能达到80%左右。

据市场调研公司DisplaySearch,2011年OLED照明市场将会腾飞,2013/2014年OLED照明营业收入将超过无源矩阵OLED显示器,在2018年以前达到60亿美元。数以亿计的美元已被投入到OLED照明领域,尤其是在欧洲、美国和日本。虽然OLED显示器投入量产已经10年左右了,但OLED照明只是刚刚开始试产和小批量生产。DisplaySearch的显示技术总监Jennifer Colegrove表示:“这是因为OLED显示器与OLED照明面临不同的挑战。”Colegrove还指出,OLED照明的创新性特点在激发设计人员的想像力。DisplaySearch认为,OLED照明产业中的早期和主要厂商将是飞利浦、通用电气、Konica Minolta、Lumiotec和Osram,这些厂商都将在2012年以前开始量产。预计最先开始批量销售相关产品的将是飞利浦,然后是通用电气和Konica Minolta。

发光效率在今后仍会继续提升,大利预测,综合效率超越Hf型荧光灯的LED照明器具将于2010~2015年间问世,“到那时,LED才会真正成为效率No.1的照明”。对于仍然昂贵的成本,大利表示,到白色LED的单位亮度成本低于1日元/lm的2011~2012年,LED照明的价格将更加适中。白色LED大量应用于液晶面板背照灯光源形成的强大降成本压力将是白色LED成本下降的动力。

尽管有机发光二极管的材料发展进度看来相当良好,最近业界也陆续披露了有关效能与亮度不断获得突破性进展的新闻,然而,在柔性照明与显示设备领域中,仍有一个主要问题悬而未决:这类装置的寿命都太短了。市场分析公司IDTechEx总监SusannReuter指出,无论这些照明显示设备多么令人印象深刻,或是看起来有多优雅,消费者都不会愿意购买产品寿命过短的产品。导致产品寿命问题的主要在于发光材料本身,即其对水份和氧气的固有敏感性。Reuter表示,对有机太阳能光伏(organic photovoltaics,OPV)材料而言也是如此──尽管与结晶硅相比,这种新兴材料拥有潜在的低成本加工法等优势,但即使对一些不大要求长寿命的应用来说,它的寿命仍然不够长。而薄膜无机PV材料,如基于非晶硅、铜铟锭硒或碲化镉的材料则较不敏感,但同样的,当涉及柔性或可弯曲的产品设计时,若问及20年的产品保修,制造商通常无法响应。在OLED与OPV这两种应用情况中,玻璃可呈现出更好的性能,因为玻璃可提供良好的阻隔性能。但在柔性、或是基于聚合物的基板等应用中,情况则截然不同。在这类应用中,需要特殊的涂层和层压技术来保护敏感的有机材料。业界一直针对这个领域进行研发,如位于美国加州的Vitex Systems公司,Reuter指出,这家公司开发出带有结合了聚合物与薄氧化铝的特殊堆栈层的柔性基板。对OLED与OPV来说,来自业界不断进化的基础研究,正不断推动着这些新兴应用领域的进展。

大利还谈到了对于有机EL照明的展望。有机EL照明拥有面光源的优势,适合作为顶灯等主照明。与面向聚光灯的点光源——LED存在互补关系。虽然现在的开发比LED“落后3~5年”,但大利预测,到2015~2020年,有机EL照明的效率将等于或高于Hf型荧光灯。如果成本不高于LED,那么,有机EL作为主照明的机会将等同甚至超过LED。大利由此推测,LED照明将首先应用于主照明,但随着有机EL照明的发展,从2020年前后开始,有机EL照明的采用会逐渐增加。

大利还就2020年前后照明功耗削减技术的潜力发表了预测。如果把现今日本的照明功耗作为100,那么全部换用现在最高效率的照明器具可以使功耗降低到70。到2020年,随着更高效率的LED照明和有机EL照明应用范围的扩大,以及照明配置优化和配光控制的实施,功耗还有望降低到50。

2015年LED照明器具的建议零售价为何?

最后登场的是东芝照明技术LED部LED企划部长佐藤光治。佐藤介绍了该公司的LED照明器具价格预测及其2009年10月上市的号称业内最高效率的LED灯泡。

佐藤表示,2009年6月发表的LED照明器具的单位亮度建议零售价为20日元/lm左右,约为使用Hf型荧光灯的照明器具的4倍,价格差距较大,但是到2015年前后,其价格将降低到略高于Hf型荧光灯的水平,综合效率也将达到120~130lm/W,大幅超越Hf型荧光灯。到那时,消费者采用LED照明的意愿将随之提高。但即便如此,Hf型荧光灯照明器具的价格依然低于LED照明器具,因此,Hf型荧光灯器具并不会从市场上消失。

关于LED灯泡,佐藤表示,LED灯泡的效率得到了快速发展。东芝照明技术在2006年发表LED灯泡之时,LED灯泡整体的发光效率仅为18lm/W,只能够替换装饰用灯泡。之后,LED灯泡的效率逐步提高到2007年的45lm/W、2008年的68lm/W,已经可以作为聚光照明用灯泡使用,2009年的82lm/W以及10月的93lm/W更是达到了替代普通照明用灯泡的水平。

93lm/WLED灯泡的实现大致归功于三点改进:采用CoB(chiponboard)封装专用白色LED模块;电源电路的小型化;通过优化散热片及提高LED模块的密封性改善散热。CoB封装的LED模块在底板上安装了多枚LED芯片。安装蓝色芯片后,通过引线键合形成布线,然后涂布荧光体材料,封装为白色LED。使用多枚芯片不仅能够提高亮度,还有助于实现LED芯片的最佳配置,降低单个LED芯片的输入电流量以确保高效率。而且,由电源电路功率转换效率不到90%可以推算,CoB封装的白色LED模块单体的发光效率为103~105lm/W。

除此之外,佐藤还展示了采用LED照明的用电量节约效果。如果把现有照明全部改换为LED照明,照明功耗有望降低约一半。

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