新一代光电材料———有机发光材料
作为新一代显示器件，有机电致发光器件（OLED）具有结构简单、超
轻超薄、主动发光、视角范围大、响应速度快、能耗低、可制成可折
叠的显示器等优点，在手机、个人电子助理（PDA）、数码相机、车载
显示、笔记本电脑、壁挂电视以及军事领域都具有广阔的应用前景，
是1种将来替代液晶显示器（LCD）的新型平板显示器件，产业化势
头十分迅猛。OLED的商业开发和研究领域包括有机发光材料的合成、
发光器件的制造、驱动电路设计等3个主要方面。本文主要对有机发
光材料的发展情况做一简要介绍。
一、分类
有机发光材料分为两种：小分子材料和高分子（聚合物）材料。
小分子OLED主要采用真空热蒸发工艺制造器件，高分子OLED（又称
为PLED）则采用旋转涂敷或喷墨工艺。目前国际上OLED相关专利已
超过1400份，其中最基本的专利有3项。小分子OLED的基本专利由
美国Kodak公司所有，PLED的专利由英国的CDT(Cambridge Display
Technology)和美国的Uniax公司拥有。表1是两类有机发光材料的
比较。
据统计，全球已有约85家厂商投入OLED研发，其中60多家厂
商主要采用小分子有机发光材料，只有25家左右厂商采用高分子有
机发光材料。
二、研发状况
有机材料的合成方法多种多样，反应方式、反应机理也不尽相同，
极易产生副反应，所以要制得很纯的有机物是比较困难的。有机发光
材料不仅要求材料纯度高，而且要求材料组成单一，并同时具备以下
条件：①固态具有较高的荧光量子效率，荧光光谱主要分布在400～
700nm的可见光区域内；②具有良好的半导体特性，或传导电子，或
传导空穴，或既传导电子又传导空穴；③具有良好的成膜特性，能形
成均匀、致密、无针孔薄膜；④薄膜状态下稳定，不易产生重结晶，
不与传输层材料形成电荷转移络合物或聚集激发态。
1.小分子发光材料
小分子材料以金属螯合物和稀土配合物为代表。
有机小分子化合物化学结构易于调整，可以通过引入双键、苯环
等不饱和基团以及各种生色团来改变共轭程度，调整改变材料的发光
波长，使发光波长覆盖整个可见光范围。但存在易结晶、有些材料荧
光猝灭效应明显、热稳定性差等缺点。
金属配合物介于有机物与无机物之间，兼具有机物的高荧光量子
效率和无机物稳定性，被认为是最有应用前景的发光材料。1987年，
C.W.Tang首先实现的较高效率的有机电致发光器件即采用此类化合
物Alq3。后来人们在Alq3的基础上做了进一步的修饰和改进，如改
变中心金属离子、改变配位数引入第二配体或非8-羟基喹啉配体等
手段，以实施颜色调控，并提高传输能力和发光效率。常见的此类物
质还有Almq3、BeBq2等。此类物质的缺点是制作过程中难以分离。
其他性能比较优越的发光材料还有二萘嵌苯，芳香族二胺如TAD、
TAP、TAZ、TPA、TPB、TPD、TPP等。
一般来说，小分子材料的亮度与寿命成反比。因此，在亮度与寿
命之间寻求一个平衡点，成为唯一的解决方案。日本有机材料领导厂
商——出光兴产已开发出亮度200cd/m2、寿命1万h以上的蓝光材
料以及亮度200cd/m2、寿命5万h以上的绿光材料，东洋INK的绿、
蓝、橙光材料也已进入实用阶段。
UDC则开发出在颜色纯度与寿命均达到一定品质的红光与绿光材
料。该公司的红光材料在色度图上达到X:0.71/Y:0.29、寿命1万h
以上、发光效率6%，绿光材料则为X:0.28/Y:0.64、寿命1万h、发
光效率10%。
Kodak开发的红、绿发光材料寿命均达到4000h，色度图也分别
达到X:0.628/Y:0.368与X:0.289/Y:0.65，但是没有公布发光效率。
迄今为止，还没有厂家可以同时提供令人满意的颜色纯度/寿命/
发光效率三大要素的RGB三原色发光材料。
2.高分子发光材料
1990年，英国剑桥大学的Friend与Burroughes等人用共轭聚
合物PPV实现了电致发光。共轭聚合物是有机半导体，理论上讲，这
种材料的电荷输运与量子效率不逊于无机半导体，而且更易于加工（可
用旋涂法制膜，不需昂贵的真空装置）。其缺点在于每种颜色的衰减
常数不同，必须进行补偿，因此较难向彩色化方向发展。高分子发光
材料主要包括聚乙炔、聚噻吩及其衍生物的有机共轭聚合物。近年来，
人们还发现PBD、PBP、PRL、PMMA、PPV、PVCZ等的发光与其他性能
都比较优良。
表2总结了有机发光材料及工艺的研发现状。整体而言，高分子
材料的研发脚步，明显落后于小分子材料。
聚合物材料体系并不完全排斥小分子材料的使用。实际上，聚合
物OLED中常需要添加一些小分子材料。例如：有时进行染料掺杂来
调节发光颜色；另外，由于聚合物材料一般只传输空穴而阻挡电子，
常需在器件中加入一层传输电子的小分子薄膜，以提高电子、空穴的
复合效率。
3.掺杂染料
这也是一类有机小分子材料，主要用来掺入小分子或高分子材料
以改变发光颜色。掺杂染料主要包括DCM系列染料、若丹明6G、蒽、
并四苯、1,1,4,4-四苯基丁二烯(TPB)、香豆素系列染料等。这些染
料也可真空热蒸发成膜，具有荧光量子效率高、易成膜、易提纯、材
料选择范围广等优点；缺点是形成薄膜后易结晶，可能与其他有机材
料形成激子缔合物。
现在国际上OLED的最高亮度达150000cd/m2(一般电视的亮度是
300cd/m2，萤光灯的亮度是2000～5000cd/m2)，最高发光效率达
60lm/W，最低驱动电压仅为3～4V，最大面积400×400mm2。
三、新材料的开发
有机发光材料种类繁多，选择余地大，同时材料的性能可通过分
子设计进行优化。
1.三线态发光材料
OLED上施加直流电压时，空穴和电子分别从器件正极和负极注
入材料。空穴和电子在材料中相遇、复合，释放的能量传递给有机发
光物质分子，受激分子从基态跃迁到激发态。此时，仅有25%的空穴
和电子可形成单线态激子，其余75%形成三线态激子。三线态激子到
基态的跃迁是自旋禁阻的，故大部分有机分子的三线态激子发光效率
极低。但是如果不利用激子三线态，OLED的内部量子效率难以超过
25%。因此，三线态发光材料成为有机发光材料研究的新热点。
磷光材料既可通过单线态，又可通过三线态激子去激活发光，因
而可突破OLED最高内量子效率25%的上限，理论上可达到100%。除
了较早发现的Ir(PPy)3和PtOEP 2种磷光材料，近来还发展了Cu4、
Au2(dppm)2+、Ru(bpy)2+等其他磷光材料。
磷光材料可有效提高OLED的外量子效率。其中，绿光器件的发
光效率达到了72lm/W，蓝光材料的发光效率达到了12cd/A，红光器
件的发光效率达到5.71m/W，白光器件的最大发光效率也达到了
10lm/W。
2.小分子材料的高分子化
小分子OLED的制造需要真空蒸镀设备，成本较高，不利于大规
模生产；高分子OLED的材料合成、纯化以及彩色化较为困难，但薄
膜制造相对简单，成本低廉。小分子材料的高分子化正是结合了OLED
中小分子和高分子两种技术的优点，把小分子发光材料自组装到高分
子的主链上，从而可采用高分子OLED技术中普遍采用的旋转涂敷工
艺。
四、产业应用
国外
国外对有机发光材料的研究非常广泛，在合成方法、材料的各项
性能参数（功函数、玻璃化温度等）等方面对材料的电致发光性能进
行了大量的研究，目前某些有机发光材料已进入大规模生产阶段。
Covion公司（德国）在有机小分子及聚合物电致发光材料的生
产方面获得了较好的成绩。Kodak则开发了具有本公司OLED研究特
点的有机发光材料。此外，Sigma-Aldrich公司可为实验性OLED研
究提供较多种类的材料。
世界上第一个商业化OLED产品是日本Pioneer公司1997年生产
的小分子OLED汽车音响系统。2000年初，Motorola推出采用Pioneer
公司OLED显示器的时梭P8767手机；2002年，日本电报电话公司
（NTT）推出限量发售的OLED屏i-mode手机。目前，Sanyo、LG及
国内的熊猫等都开始销售OLED显示屏手机。
美国Eastman Kodak与其合作伙伴日本Sanyo公司2003年在我
国市场推出世界上第一部拥有2.2英寸OLED显示屏的易享系列LS633
数码相机。
高分子OLED方面，2002年4月Philips采用Dupont的高分子
有机发光材料生产出第一个商品化高分子OLED产品，开始批量供应
用于剃须刀产品显示的单色OLED，成为高分子OLED第一个量产厂商。
国内
目前国内已有多家公司介入OLED产业，已有OLED中试生产线，
可以小批量生产OLED器件。很多大企业集团公司，如国防军工领域
的中国航天科工集团，民品领域的陕西彩虹、山西南风、方正集团、
京东方、兰宝信息、杭州东信、东莞光阵、信利、上广电等专业化集
团公司都积极投资参与了OLED的研制与开发。很多传统行业厂商也
将眼光瞄向了OLED，如深圳先科集团、山东兖矿集团、春兰集团等。
尽管我国在有机发光材料的合成方面已经掌握很多关键技术，但
仍处于实验室阶段，种类较少，只能满足实验室需要，大规模生产未
见报道。
OLED的发展将引发一场显示技术和照明技术的革命。作为新一
代光电材料，有机发光材料已成为21世纪最有可能得到大规模应用
的材料之一，开发有巨大商业前景和市场规模的OLED具有战略意义。
对于这一新领域，我国化工企业应早介入，加大投资力度，开发出拥
有我国自主知识产权的新型有机发光材料。（全文完）
表1 有机发光材料比较
小分子 高分子
分子量 数 百 数万甚至百万
加工方式 真空热蒸发 旋涂或喷墨
优势 容易彩色化,制作过程较容易 设备成本低,器件构造简单,耐热
且稳定,材料合成与提纯较 性较好
为容易
劣势 设备成本较高,对湿气抵抗性 彩色化比较困难,研发脚步较慢
较差,蒸发效率低造成材料
浪费,热稳定性与机械性能
较差
专利授权 Kodak对专利授权不太积极 CDT对技术转让与专利授权较积极
材料厂商 Eastman Kodak、出光兴产、东 CDT、Covion、陶氏化学、 住友化学
洋INK制造、三菱化学、UDC等 等
显示器制造商 Pioneer、Sharp、NEC、东芝、日 Seiko Epson、Philips、UNIAX、HP、
本精机、三洋电机、eMagin等 DuPont等
适用领域 高价格、高附加值产品 量大、低价格的产品
表 2 有机发光材料与工艺的研发现状
小分子 材料 红 研发中(没有同时达到色彩纯度和使用寿命的要求)
蓝 有可用的新材料(亮度200cd/m2,使用寿命为1万h)
绿 有成熟材料
工艺 中小规模 建立了光罩式蒸发技术
大规模 正在研发大型基板的光罩式蒸发技术
高分子 材料 红 适当的性能(亮度100cd/m2,使用寿命4万h)
蓝 不适当的性能(亮度100cd/m2,使用寿命2500h)
绿 较适当的性能(亮度100cd/m2,使用寿命1万h)
工艺 小、中、 成熟的旋转涂敷技术,喷墨技术正走向实用
大规模