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一个简单滤镜将蓝色OLED灯变成罕见的白光

翻译自——spectrum,XiaoZhi Lim

这种巧妙的方法可能会使电视和智能手机屏幕使用更高效的有机发光二极管。

一个简单的滤镜可将蓝色OLED灯变成罕见的白光

在添加分布式Bragg[1]反射器以产生白光之前(左)和之后(右)显示的一个蓝色发光OLED,反射器将蓝色光转换成两种色温的白光。

自30年前第一个工作装置被报道出来以后,有机发光二极管(OLED)已经取得了长足的进步。OLED因其黑色、清晰的图像再现和节能等众多优势而备受赞誉,如今它在手机和LG电视的屏幕上占据了主导地位,预计,OLED最早可能会在明年接管iPhone屏幕。

芬兰阿尔托大学的博士后研究员Konstantinos Daskalakis表示,由于OLED成本相对较低而且容易制造,我们应该考虑用它们来制造出用于普通照明的白光。

激发白光是OLED的致命弱点。通常,为了得到白光,个别的红色、绿色和蓝色发射器会在同一时间发光,从而产生白光。这使得白色成为最耗电的颜色,据报道,这需要6倍于在谷歌像素上产生黑色所需的电量。其他产生白光的方法包括在发射层中掺杂化学物质,但是这种方法使得制造设备更加困难。

在一项概念验证实验中,Daskalakis和他的导师Paivi Torma将传统的发蓝光的OLED转换成发白色光的OLED,其方法很简单,就是在OLED上放置一个一组高折射率和低折射率交替材料而成的分布式Bragg反射器(DBR)。

为了制造这种装置,Daskalakis首先用标准的真空蒸发技术制备了发出蓝光的OLED。他将六层二氧化硅和氧化钽交变层直接覆盖在每一个有机发光二极管(OLED)上,然后溅射出一种DBR。

一个简单的滤镜可将蓝色OLED灯变成罕见的白光

所谓的DRB,通常被用作反射镜来制造器件中的光学腔。相反,Daskalakis和Torma决定利用所谓的在DBR内共振的Bragg光纤模式,使用DBR作为转换器。Bragg光纤模式可以通过改变DBR层厚度来进行调谐。Daskalakis介绍,这些模式发生在红、绿和蓝波段中,当OLED的蓝光通过DBR时,一些高能量的蓝色光子会转换成低能量的红色和绿色光子,之后,红色、绿色和蓝色光子的混合物从设备中产生白光。

通过这种方法,可以通过改变DBR堆栈的结构来调整光的色温。在一个器件中,二氧化硅层厚度43纳米,氧化钽层厚41纳米。该设备产生了一种温度在6007k的较暖的白色日光;另一个设备有53纳米厚的二氧化硅层和42纳米厚的氧化钽层,产生了温度4450 K的冷白光。

同时,通过将反射器应用于不同类型的OLED上,可以分别优化器件的量子效率。与普通的蓝色OLED相比,经过转换的白色OLED的量子效率提高了20%。而且,经过改造的白色OLED在两个月后也能继续工作,而普通的蓝色OLED在第二天就停止了工作。

Torma希望这项工作能激励其他研究人员为DBR寻找更多的用途。“他们有点被忽视了,”“尤其是Bragg模式,人们通常认为拥有非常窄的模式会更好,但我们发现,这些方法实际上非常适合我们的目的。”

这两家公司已经申请了专利,并正在努力进一步表征和优化该设备的设计,使这项技术在照明和消费电子领域的潜在应用上大显身手。

大体总结了一下OLED的优缺点:

优点

1、厚度可以小于1毫米,仅为LCD屏幕的1/3,并且重量也更轻;

2、固态机构,没有液体物质,因此抗震性能更好,不怕摔;

3、几乎没有可视角度的问题,即使在很大的视角下观看,画面仍然不失真;

4、响应时间是LCD的千分之一,显示运动画面绝对不会有拖影的现象;

5、低温特性好,在零下40度时仍能正常显示,而LCD则无法做到;

6、制造工艺简单,成本更低;

7、发光效率更高,能耗比LCD要低;

8、能够在不同材质的基板上制造,可以做成能弯曲的柔软显示器。

缺点

1、寿命通常只有5000小时,要低于LCD至少1万小时的寿命;

2、不能实现大尺寸屏幕的量产,因此目前只适用于便携类的数码类产品;

3、存在色彩纯度不够的问题,不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩。


电视技术革命之路 OLED取代LCD?

OLED的特性是自发光,无需背光支持,并且对比度高、亮度均匀、色域和视角广。

其次OLED电压需求低,有反应快、厚度薄、结构简单、效率高、重量轻等特点。可以不像LCD固定在玻璃面板中,理论上来讲,只要用可以弯曲的基板材料,如装在塑料或金属箔片等柔性材料上,OLED屏幕的呈现形态即可改变。

只要用可以弯曲的基板材料,OLED屏幕的呈现形态即可改变。

一个简单的滤镜可将蓝色OLED灯变成罕见的白光

OLED为何短命?

因为OLED需要R、G、B三种材料受电流刺激来主动发光,而三种材料的老化程度不同,用了一段时间后,衰减快的材料亮度下降也快,屏幕便会产生偏色。

原因是技术上还无法解决B材料(甚至是R材料)的和寿命和稳定性的问题,所以“取巧”的借用容易获取的G材料(因为它最可靠、最耐用)和R、B材料进行2:1来混合使用,G像素作为主像素,用更大的电流驱动,产生更高的亮度;将R、B像素相对减少,可以间接把R、B材料的寿命和稳定性的问题回避。

并且OLED的R、G、B三种材料的波长不尽相同,把它们一起放进面板中,如果使用相同发光层,波长短的G、B发光层,为迁就波长最长的R材料,会造成G、B发光层厚度过大,导致光波中掺进无数不必要的“杂质成分”,严重影响光线纯度,颜色精度难以提高。

尤其是波长最短的B材料,由于发射层过长,它所掺进的“杂质成分”也最多,导致纯度最差,严重影响光效。

这时B材料若要达到和G、R材料相同亮度,必须用更大电流驱动,然后又会导致发热和功耗的迅速提高,陷入恶性循环。这也是影响B材料寿命和稳定性的重要原因之一(另外B材料本身比较难提取)。

现在各大厂商的做法是将人眼最敏感的G饱和度调高,使屏幕偏向“艳丽”,这样可以掩盖R、B纯度的问题,虽然明亮、艳丽,很讨好眼球,但带来的却是色彩偏移、色域低、拖影等问题(过去我们总是调侃三星的“绿屏”,其实并不是三星不懂较色,而是为了延长使用寿命采取的折中方案)。

如今,随着材料的进步,这个问题已经解决。台工研院研发“OLED表面电浆耦合增益技术”,可以将G频谱转换为B光谱,突破有机B材料寿命短的瓶颈。

一个简单的滤镜可将蓝色OLED灯变成罕见的白光

PCOLED以技术手段将G频谱转换为B频谱

台工研院的解决方案是不使用任何B材料,而是以技术手段将G频谱转换为B频谱,从而开发出OLED表面电浆耦合增益技术PCOLED 。利用DML结构产生平面型电浆耦合效应,可以将G材料的频谱转换为B频谱,白光OLED可以利用G材料取代B材料,不但解决了寿命太短的问题,甚至比传统OLED延长达20多倍。

从目前的市场来看,我们依然无法明确指明LCD、OLED谁更有前途。LCD通过HDR、量子点等技术,获得了长足的进步,尤其是纳米材料作为背光源的量子点技术,使LCD的效果可以接近、甚至超越OLED,而成本较低,寿命却更久。

OLED拥有LG和一众国产厂商的支持,综合体验还是是如今最出色的。同时随着技术的不断成熟,尺寸、分辨率和寿命都有所提升,唯一的问题便是成本,还需要更多时间来被消费市场所接受。

可以肯定的是,LCD和OLED屏幕在很长时间内还会共存于市场中,也各具优势,激烈的竞争有望让消费者以更低的价格获得更好的显示效果,对于电视、电脑、显示器等领域的影响都是积极的。

LCD、OLED的竞争和CRT时代,普通显像管和特丽珑、钻石珑的竞争如出一辙。普通显像管的效果一般,但有价格优势;而索尼的特丽珑、三菱的钻石珑由于使用单枪三束、三枪三束的技术,效果非常出色,远超普通显像管,但价格也要贵出数倍。

但在CRT时代中,即使特丽珑、钻石珑的画质优势处在绝对领先的位置,却并没有取代普通显像管。特丽珑、钻石珑占据高端市场,普通显像管占据低端市场,它们互有优势,这种优势的唯一性也使得市场处于并存的态势。

从如今OLED技术来说,虽然最难攻克的寿命瓶颈已经解决,但只要OLED成本无法降到LCD水平,两者长期并存则是常态,LCD和OLED的竞争也会是当年普通显像管和特丽珑、钻石珑如出一辙。


[1]  Bragg光纤是1978年由Yeh等人提出的一种特殊结构的光纤,其包层由沿径向周期分布的介质层组成。随着光子晶体的提出和广泛研究,Bragg光纤这种一维的光子晶体光纤,由于具备诸多独特的传输特性,再度引起人们的关注。

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