- EL照明發展歷史
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- EL照明發展趨勢
針對照明用途的有機EL研發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。由于照明市場的規模有10萬億日元之巨，因此，照明以外的企業及研究機構也將研發力量投向了有機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，生產仍會趕不上需求”。
一直從事有機EL照明研發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照明的發展前景發出了欣喜的“悲鳴”。2009年首款產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，展開激烈地開發競爭（圖1））有機EL是發光二極管（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）在該業務領域展開合作，并將于2010年與GE聯手投產有機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“面發光”“透明”和“薄與輕”。由于是面發光，因而可比較容易地實現使墻壁及天花板整體發光的壁照明。面發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，但有機EL照明是光源自身為面發光，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，將發光面大幅擴大到數十cm2～1m2以上。松下電工高新技術開發研究所技術總監、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。
這是因為，“與其勉強讓點光源的LED實現面發光，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。能夠制成透明產品，不僅僅是可提高裝飾性，同時還意味著在生活環境中，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勢。有機EL照明的發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、不產生紫外線、不使用反射板等諸多優點。其他行業的大企業相繼涉足有機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的有機EL照明今后的市場規模，日本矢野經濟研究所、NanoMarkets、GE及OIDA發布的預測及目標。市場規模方面，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照明的潛在市場規模非常大?，F有照明業務的市場方面，全球總體規模為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，對照明產業而言，也將帶來巨大的效應。例如，日本的調查公司富士經濟預計，有機EL照明的日本國內市場規模到2011年將超過100億日元，超過白熾燈的市場規模。在全球市場方面，有關估算數據顯示，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，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業之所以有很多其他行業的企業涉足，理由不僅僅在于潛在市場規模大。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面板開發部門整體轉型為照明業務。德國NovaledAG等廠商所采用的業務模式則是，將所開發的材料及元件結構提供給生產不同用途產品的公司注3）。“以前是以顯示器業務為主，而近年來，照明及太陽能電池業務的發展前景越來越光明。特別是照明業務，如今已經變得與顯示器同等重要了”（Novaled首席執行官GildasSorin）。）Novaled在采用有機TFT的顯示器業務方面向PlasticLogic、在太陽能電池業務方面向Heliatek提供元件技術。
這兩家企業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照明業務上展開合作，“除銷售渠道以外，我們在照片相關業務中積累的有機材料技術及光學系統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驗可用于發光材料等的開發中；鏡頭等光學系統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撤出的照片業務的人才及經驗的就是有機EL照明業務”（該公司董事兼LA業務推進室長得丸祥）。基礎開發日本領先柯尼卡美能達的雄心壯志還表現在專利申請數量上。在有關有機EL照明的專利中，日本的申請數占了全球的近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量占到了整體的近3/4）。
圖日本廠商在開發方面領先圖為Cintelliq公司就以實現有機EL照明為目的的專利申請數所做調查的結果。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年的專利申請數通過2003年以后的文獻調查得到。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(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數據中不包含2007年第2季度以后的數據，因此，實際上日本企業的申請數有可能更多。
在柯尼卡與美能達合并之前的1999年，柯尼卡內部就已經開始對有機EL照明的研發。當時，雖然有機EL元件材料的主流是穩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、特別是將開發未能取得進展的藍色磷光材料作為重點。*磷光＝從經驗上說，是指在受到紫外線等光線照射后自發光的材料中發光時間較長的光。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”狀態向更低能級躍遷的材料所發出的光。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，但其狀態可分為：自旋必定趨于相互抵銷的“單重項”狀態，以及趨勢不確定的三重項狀態。這兩種狀態的存在幾率為1比3，由于熒光材料只能在單重項狀態發光，因而量子效率最大也只有25％。
松下電工很早也就開始開發有機EL照明，2001年通過與山形大學的聯合研究，實現了在當時來說最高的、15lm/W的發光效率。可以說，有機EL照明技術是日本企業率先啟動的。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，并且不斷取得成果）。廠商間及地區間的技術競爭不斷加劇，這也加快了有機EL照明的發展。注5）開發項目方面，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年內數億～30億日元的規模，德國“OPAL（OrganicPhosphorescentlightsforApplicationsintheLightingmarket）”項目為5年內1億歐元（約合140億日元），遠遠多于其他項目。在發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，還是避免不了在發光效率、使用壽命、成本等基本性能上與白色LED及現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。首先是發光效率。目前，有機EL照明在研發水平上比白色LED約落后約2年。2008年6月美國UniversalDisplay（UDC）發布的“102lm/W”的發光效率，與2006年3月日本日亞化學工業發布的白色LED的發光效率不相上下。山形大學的城戶表示，“已經看到了實現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照明發光效率的變化走勢與白色LED研發品的對比。2000年前后，實際上白色LED與有機EL照明的發光效率幾乎沒有差距。其后的4～5年，在有機EL照明開發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照明的研發如火如荼，2008年6月實現了高達102lm/W的發光效率。其與白色LED的差距，在發光效率方面縮小到了大約2年。
受有機EL照明發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150lm/W的發光效率”的開發目標，大幅提前到了“2012年實現”。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照明的研發過程中，發光效率幾乎未能提高的時期持續了大約5年。其深層原因是，發光層采用了理論上內部量子效率只有不到25％的熒光材料，而且，熒光材料已經接近開發的極限。而內部量子效率高達100％的磷光材料，由于結構不穩定且使用壽命較短，再加上藍色發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?？捎杉t色、綠色或黃色、藍色這3色光混合產生。當缺少某一種顏色時，往往會產生其他的顏色。
這種停滯狀況之所以發生了改變，是因為發現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）色發光層上全部采用磷光材料，并實現了64lm/W的發光效率和1萬小時的亮度半衰期，這一消息震驚了業內人士注8）、2）。注8）藍色磷光材料是柯尼卡美能達自主開發出來的。“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10萬小時的開發品報告相繼發布。如果僅限于特定顏色的話，相當于連續使用100年的、具有超過100萬小時使用壽命的元件已成為現實。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?！ ?br />
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在近2年取得了迅猛的進步。2007年3月發布的大日本印刷與日本有機電子研究所的聯合研究成果，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，已實現了相當于連續使用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。
