从LED到OLED——人类照明技术的未来

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所属分类:百科知识2015年

2014年,3位科学家因发明蓝色发光二极管(LED)而获得诺贝尔物理学奖。LED是一种半导体固体发光器件。只要稍加留意,你就会发现,LED其实已经出现在我们生活中的各个地方:电视屏、电脑显示器、红绿灯、广告灯、车灯、手电筒,甚至闪光的胶底运动鞋中。那么在LED之后还会有什么更新的照明技术呢?
  梦幻光源
  设想一下有一种新型的电灯,它的形状千变万化,你可以弯曲、折叠它;你卧室中的台灯是一座美丽的雕像;你客厅中的窗子在白天透进阳光,到了晚上则发出柔美的光线为室内照明;你家里所有的屋顶、墙面都是可编程的照明光源,你只需轻轻敲击控制面板,就可以改变亮度、颜色和图案……
  这不是幻想,它是LED光源技术的“兄弟”——有机发光二极管(OLED),它将让上述梦幻般的情景变成现实。OLED并不仅仅在设计上显示了无穷的潜力,它还有更高效、更耐用、更环保的优点。在未来照明领域,OLED将携手LED共同照亮我们的生活。
  OLED之所以被称为有机发光二极管,是因为其中间层的半导体包含有碳,而碳是所有生命体含有的元素,碳基材料又被称为有机材料。在OLED中,有机材料通常是高分子聚合物。OLED 和LED的不同还表现在制造过程中,这使得OLED具有更大的柔软表面。和LED明亮的点光源相比,OLED的光是漫射的,是更加柔软的面光源。
  “夹心面包”
  为了更好地理解 OLED,我们可以把它想象成一个“夹心面包”,外面两层中,一层拥有额外多的电子,另一层则拥有很多“空穴”,作为接纳电子的空间。这两层至少有一层是透明的,以便人们看得见它发出的光。“夹心面包”的中间夹着有机半导体,电流只有在特定的状态下才能通过半导体。当电源接通了OLED,外层中多出来的电子便进入到中间的半导体有机层,它们会落入其中的“空穴”中,而这时,另一端外层又会把这些电子拉出来。
  自由电子拥有很高的能量水平,所以它们进入半导体有机层时,处于高能量的状态,而一旦到了半导体有机层,它们便落入到低能量的“空穴”中,这就好比你玩了一通耗费体力的游戏后,一下子坐在了舒适的沙发上,于是,那多余的能量就要释放出来,这释放出的能量就是OLED发出的光。人们将这个过程称为“电致发光”。在OLED中,这个过程一直持续,所以OLED就能持续发光。
  调色“游戏”
  OLED能发红光、蓝光和绿光,但在实际运用中,OLED发出什么颜色的光取决于半导体中间层中除碳之外还包含着什么物质。控制这3种颜色,例如分别点亮这些颜色,或者将它们加以组合,就能使OLED发出任何颜色的光,而将这3种颜色叠加起来,OLED就能发出白光。
  不仅如此,通过改变半导体中间层的化学组成,人们还可以调控光的色度和其他特性。例如,人们不仅可以让OLED发出绿光,还能让它发出不同的绿,如鲜绿或者石灰绿等。令人略感不足的是,每个半导体中间层只能在同一时间里发出一种颜色的光,这种状况能不能改变呢?美国犹他大学的物理学家瓦利·瓦登利和他的同事们设法让一个半导体中间层在同一时间里发出了两种不同颜色的光。瓦登利等人发明的新半导体含有微量的铂,这种宝贵的金属起了一种“混合器”的作用,它让半导体在量子物理层面同时显示两种电子态,这就好像让一枚硬币在同一时间里显示正反两个面一样。
  瓦登利等人让他们的新半导体同时发出了紫光和黄光。紫光实际上是红光和蓝光的混合,黄光则是红光和绿光的混合,所以紫光和黄光实际上包含了三原色,将它们叠合起来,就能发出白光。这就是说,只需要一个半导体层,人们就可以制造能发出白光的OLED了。使用一层半导体,而不是两层或者三层,这使得OLED照明设备的成本大大降低了。
  未来因OLED而不同
  OLED发出的光和以往的照明光源很不同,它是散射的,光线非常柔和,它还非常适用于显示屏。传统的电视屏和电脑屏从侧面看常有影像变形的情况,使用OLED则会效果很好。
  和LED相比,OLED在生产的时候并不需要非常高的温度,人们可以在近乎室温的环境中加工和处理。而且OLED可以附着在几乎所有物体的表面上,从一块玻璃到非常薄的塑料,甚至用喷墨打印机就可以打印上去。这样一来,OLED在设计领域里就有了无限的可能。设想一下你有了一台可以卷成圆筒的电视机,或者一部可绕在手腕上的手机,你屋里的电灯是弯曲成拱形的天花板,窗帘就是一个能照明的光源……
  这样的想法现在已经不是梦想了。人们已经制造出了柔软的OLED,这种新型的OLED材料既可以弯曲,又可以拉伸,而且还可以是透明的。
  普通的LED含有砷,荧光灯则含有汞,它们对环境都有害,处理起来并不轻松,但OLED不存在这种问题,它对环境是“友好”的。科学家们推测,在未来的5~6年里,OLED的发光效率将得到大幅提升,在能量不变的情况下,OLED的亮度将达到荧光灯的两倍。
  就目前的情况看,OLED还面临成本太高,市场化尚不成熟之类的问题。例如,OLED显示屏虽然已经运用于智能手机和台式电脑上,但价格还是太高。在应用方面,目前的LED技术更先进、更成熟。科学家们推测,即使在未来,OLED也不会完全取代LED,这是因为LED在较小光源上表现得更好,OLED则是大面积、漫射性的光源,它们各有所长。
  不久的将来,一旦OLED广泛地走进我们的生活,我们的世界就将变得非常不同。我们的手机、电脑和电视将因为OLED而大为改观,夜景也将因为OLED而更加美丽。例如,光照不需要固定的照明装置了,OLED发出的光可以来自几乎所有东西:建筑物、家具甚至衣服。可以想象,未来的OLED将为照明和显示世界提供无限的可能,唯一限制OLED大放异彩的只有我们的想象力。
  【责任编辑】庞 云
从LED到OLED——人类照明技术的未来

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