华裔科学家是如何发明出OLED的?
说起 OLED,你可能首先想到的是韩国的三星和 LG,比价专业点的人士可能还会想到掌握核心技术的两家日本公司Tokki 和 YASKAWA。但很多人应该还不知道:最早发现OLED的其实是华裔科学家邓青云博士,邓博士也被称作 OLED之父。
邓青云博士1947年出生于香港,于1970年在英属哥伦比亚大学得到化学理学士学位,于1975年在康奈尔大学获得物理化学博士学位。此后,他成为位于纽约罗切斯特的柯达研究实验室的一名研究科学家,并开始了他从事有机半导体材料和电子应用设备开发的职业生涯。2006年,邓青云博士因为其在有机发光二极体和异质结有机太阳能电池上取得的开创性的成就被选为美国工程院院士。2011年,邓教授与芝加哥大学的斯图尔特·赖斯教授和卡耐基梅隆大学的克里兹托夫·马特加兹维斯基教授共同获得了由沃尔夫基金会颁发的沃尔夫化学奖,这是在化学领域仅次于诺贝尔奖的国际性大奖。
“OLED之父”华裔科学家邓青云博士
据OLED发明人邓青云教授强调:“OLED发展有三个重要的里程碑,一是在1987年发表的论文,二是2003年的柯达照相机,三是2013年的OELD电视。”1987年论文所讲述的OLED结构非常简单,主要包含全透明层及ALQ层,其中左边有空气电流,右边有电子电流,两层流量都在中间有机层汇集,所以能量级非常高,再通过选择合适的有机材料,使得OLED具有足够的亮度以及非常明显的亮度合适性,同时也带来了更高的能量效率,这篇论文正式开启了OLED显示技术的发展。
故事从1975年讲起,刚从康耐德大学博士毕业的邓青云加入到柯达实验室,当时原油价格的上涨凸显了市场对可再生能源的需求,基于此需求,在柯达实验室的要求下邓青云将精力投入到有机的太阳能电芯的研究和生产。科学新发现大都是从一些出人意外的小事件开始,OLED的发现也不例外。1979年的一天晚上,在柯达公司从事科学研究工作的华裔科学家邓青云博士在回家的路上忽然想起自己把东西忘在了实验室里。等他回到实验室后,竟发现一块做实验用的有机蓄电池在黑暗中闪闪发光!这个意外惊喜为OLED的诞生拉开了序幕。1979年之后其就获得专利,这是一种两层结构的材质,也就是OLED的前身。“第一种设计就是1982年在柯达实验室发明的,这是一个两层的材料,名字叫做柯达太阳能电池,上方是聚苯乙烯,下方是Cupc,用分子做整合剂。但是由于这种材质没法工作很长时间。即使在概念上非常好,但是表现能力是非常差劲。只是实现了概念上的完美,因此我们就希望解决显示技术生命周期的问题。”邓青云解释道。
对于OLED相关技术的研究,柯达实验室早在1981年就已经开始,1979年,化学专业毕业的Steve VanSlyke加入到柯达实验室与邓青云共事。当时邓青云使用一种已经应用到有机太阳能电池材质中的物质,单层超薄膜设置,驱动电压大概在20v左右,分子良率在1×10负5次方左右,可以在室温下使用。这种材质有一种非常强有力的负关系,那就是正方和负方不是完全吻合的,因此它的表现能够并不佳。
因此邓青云使用了磷和硫,刚开始从性能和结构方面来看,似乎是专为太阳能电池而生,但随后其发现,这种材质周围所散发出来的光,在逆向方向同样出现这种光。但由于设备表现还很差,同时生命周期也比较短,导致无法实现长时间的展示,于是邓青云将这种材质放到温度缓冲层,发现亮度增加、设备变得非常稳定,这就是柯达发现OLED的初期计划。
到了1987年,其所发表的论文简单介绍了发光的材质的一个部分,当时光度只是达到了25%,但是其并没有意识到荧光也可以使用OLED,此外,而且当时的效率只有1%,不过其意识到可以使用一些掺杂物改变光。于是他们使用不同掺杂物放在基材当中就会产生不同颜色的光,这种技术就是生产RGB所使用的技术,还有白光灯所使用的技术。接近2000年的时候,他们的UDC团队发现可以使用磷流光,可以不断提升OLED效率,这就是磷荧光技源。
在OLED发展技术过程,很多公司用不同方式提升它的亮度、寿命。早在2003年Kido宣布可以用串级的架构让OLED变得更亮以及寿命更长,这就是串级结构的开始。不过据邓青云表示:“最重要一点,即使包括现在,没有人知道,到底谁真正有这个想法?利用串联结构。柯达有这个专利或者别人有这个专利?我们也不知道。到底谁持有这个最重要的专利,我们不知道。但是很重要一点,利用串联结构可以用低电流产生更高的亮度。”
在OLED历史的早期,有机电致发光技术徘徊在高驱动电压、低亮度、低效率的水平上,这些方面的困难使得OLED不切实际,这也就使得OLED的研究工作未引起重视。直到1987年美国柯达公司的邓青云博士等人发明以真空蒸镀法制成多层式结构的OLED组件后,大幅提高了组件的性能,其低操作电压与高亮度的商业应用潜力吸引了全球的目光。
1990年,英国剑桥大学的Burroughes、Friend等人发现导电高分子材料PPV具有良好的电致发旋光性能,并成功的开发出以涂布方式将高分子材料应用在OLED上,制成聚合物OLED器件,即Polymer LED,亦称为PLED。由于聚合物材料的热稳定性、柔韧性和机械加工性能都比有机小分子材料优越,并且器件的制作工艺更加简单,因而聚合物正逐渐成为有机EL领域新的研究热点。
PLED
1992年Heeger等第一次发明了用塑料作为衬底制备可变性的柔性显示器,将有机电致发光显示器最为迷人的一面展现在人们的面前。1997年,Forrest等发现磷光电致发光现象,突破了有机电子发光量子效率低于25%的限制。自这时起,OLED技术告别了以基础科学研究为主的阶段,进入了以商业应用为主的时期。
飞利浦Fluid概念OLED手机
OLED技术发展至今,分类可是多种多样的,但是它们的结构是类似的,而且比较简单。为了形像说明OLED构造,可以将每个OLED单元比做一块汉堡包,发光材料就是夹在中间的蔬菜。每个OLED的显示单元都能受控制地产生三种不同颜色的光。
OLED结构