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这些材料价格高得离谱，部分甚至比黄金贵好几倍！正是这些 “天价粉末”，让 OLED 屏幕呈现出细腻的画面与绚丽的色彩，它们究竟有何神奇之处，能卖出如此高价？
有机电致发光材料（红光材料），图片来源：AI生成
从偶然发现到
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点亮屏幕的技术突破
生活中我们对万物呈现的缤纷色彩早已司空见惯，其实这些色彩源于能够显色的有机材料（如花朵中的花青素、纺织染料中的偶氮化合物），它们的分子结构能够对光进行吸收或反射。
◁ 花朵中的花青素
▼ 纺织染料中的偶氮化合物
花朵和纺织染料的色彩来源于显色有机材料，图片来源网络
传统观念中，有机物往往被认为不导电，直到科学家发现部分有机材料（如碘掺杂聚乙炔、芳香烃类）能表现出介于金属导体与塑料绝缘体之间的导电性能，“有机半导体”由此诞生。
将这两种有机材料的特性关联起来，20世纪50至60年代，科学家们陆续发现了有机物在电场下发光的现象，证实了有机材料的电致发光潜力。
1963年，Martin Pope教授等人在给单晶蒽施加400V高压时，观察到蒽晶体发出微弱蓝光。这一发现为后续有机电致发光研究奠定了实验基础。
Martin Pope教授、邓青云博士发现有机物在电场下发光的现象。图片来源：AI生成，图片仅作示意。
1987年，柯达公司的邓青云博士在研究有机半导体材料时，将8-羟基喹啉铝与芳香胺材料制成双层结构器件，通上10V电压后，这个小小的器件意外地发出了1.5 cd/m²的亮度。
虽然亮度只有一点点，但这就像是在黑暗中点亮了一盏灯，使有机电致发光具备了实际应用的可能性，开启了OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）技术的大门。
目前采用的典型 OLED 器件通常为至少包含金属材料制作的阴、阳两个电极，以及有机材料制作的电子传输层（ETL）、发光层（EML）、空穴传输层（HTL）的多层器件结构。
经典的OLED器件结构，由上至下分别是：阴极、电子传输层、发光层、空穴传输层、阳极。图片来源：自己做的
OLED可以通过蒸镀或者喷墨打印工艺制备。身价堪比黄金的有机电致发光材料，主要用于制作发光层（EML）。而空穴传输层、电子传输层等其他有机功能层材料的成本相对较低。
OLED材料的发光
就像电子在发光层的“跳水表演”
给OLED器件通上电，原本站在 “地面”的电子（基态），在电场能量作用下，被推上不同高度的 “跳台”（激发态），开始“跳水表演”。跳台的高低是不同有机材料（分子）的特性。
电子从跳台跳下来（回到基态），就会“激起水花”（以光子的形式释放能量）。
跳台越高（激发态与基态的能量差越大），电子下落时释放的能量越猛，溅起的水花越急促（波长越短）——形成波长较短的蓝光（430-485 nm）。
跳台越低（激发态与基态的能量差越小），下落的力道越缓，放出的能量弱，水花越舒展（波长越长）——形成波长较长的红光（620-770 nm）。
不过，电子“跳水”释放光子的过程并非百分百高效。电子从激发态返回基态时，有可能没有“激起水花”——因各种原因“浪费”能量（比如变成热能散失），导致无法发光。
OLED材料将激发的电子成功转化为光子的比例——内量子效率（IQE），是衡量OLED材料性能的关键指标之一。
20世纪90年代，荧光材料率先实现应用，它只能利用单线态激子发光，但理论内量子效率最高仅为 25%（也就是仅有1/4的电子被激发后能发出光）。
为了突破效率瓶颈，科学家们又研发出磷光材料，这类第二代OLED材料能够利用三线态激子，将理论内量子效率提升至100%。典型的铱（Ir）配合物磷光材料的出现，极大地提高了 OLED 器件的发光效率，是现在OLED产业内主流的发光材料。
稀缺原料+复杂生产
02
成本想不高都难
OLED材料贵，首先“贵”在原料
目前OLED产业广泛采用磷光材料，其中红光和绿光材料的核心原料是一种稀有金属——铱。
铱金合金坯料，图片来源网络
全球铱一年产量才3吨左右，而且80%都用在 OLED 产业，供不应求导致价格水涨船高，市场价约为黄金的2-3倍。在红光和绿光材料里，铱的含量可达30%，单是这一项成本就让材料比黄金还贵了。
以美国企业UDC为例，作为OLED铱基发光材料的领军企业，其持续研发确保了技术领先地位，旗下材料价格甚至远超黄金。
尽管UDC所售材料单价远超黄金，但各大屏幕厂商为打造高性能显示面板，仍然争相购买，以致供不应求，价格居高不下。
OLED材料的生产过程更是极其复杂和严苛
OLED材料需要通过化学合成的方法制备，这过程中需要经过多步复杂反应。
常规的OLED材料，合成平均要经过6步有机反应，若每一步反应收率（原料变产品的转化率）按80%计算，6步后总收率为 (0.8)⁶≈26%，而实际还要更低一些，投入产出比十分有限。
而且，有机材料的纯度对其发光性能和器件寿命有着决定性的影响，每一步反应均需提纯。这些提纯过程不仅耗时耗力，而且会造成材料的大量损耗，进一步推高了生产成本。
最终的产品在供货前，还需在千级洁净间采用超高真空设备至少进行3次升华，才能将金属和卤素杂质从ppm级降至ppb级（十亿分之一），保证出品的材料纯度大于99.5%。因为每次升华都会损耗20%-30%的材料，生产1kg能用的高纯材料，往往需要消耗2-3kg粗原料。
发光材料新突破
03
第三代发光材料
你可能想象不到，OLED材料的分子结构能变着花样设计，合成配方并不固定，跟LED用的无机材料那种基本固定的配方完全不一样。
在OLED材料的发展历程中，科学家们为了持续提升显示产品性能，通过开发具有不同分子结构的材料，从而灵活调整发光颜色，提升效率和稳定性。
2010年前后，第三代OLED材料——有机热激活延迟荧光（TADF）材料应运而生。这类第三代材料不含贵金属，能利用环境中的热能，将三线态激子转化成能量稍高的单线态激子，进而使得荧光材料也能具有100%的内量子效率。
第一代、第二代、第三代OLED材料的典型化合物分子结构示意图，图片来源：自己做的
尽管目前磷光电致发光材料在商业领域中的地位依旧是不可动摇的，TADF材料作为新一代最具商业前景的发光材料，已经在OLED产业逐渐开始应用。
季华实验室致力于面向新一代显示与照明的关键OLED材料研发与产业化。季华实验室先进显示材料与检测装备研究团队，以OLED显示材料与墨水的国产化和低成本化为目标，发展服务于蒸镀和印刷工艺的成套OLED材料体系。
目前，季华实验室已经开发出了一系列具有自主知识产权的第三代TADF发光材料和功能材料，具有高效率、高色域以及长寿命等优势，并已经在国内龙头显示面板企业得到应用。
自主研发的第三代高色纯度TADF发光材料，图片来源：季华实验室
结语
这些会发光的“天价材料”，从1963年单晶蒽发出的那一缕微弱蓝光，到1987年邓青云博士手中1.5 cd/m²的 “黑暗明灯”，再到如今手机屏幕上流转的千万色彩，背后是几代科学家跨越半个多世纪的接力探索。
如今，那些曾被“天价”拒之门外的应用场景——更轻薄的折叠屏、更节能的曲面屏、可穿戴设备上的动态显示，正一步步走近普通人的生活。
相信在科学家们的持续探索下，这些会发光的神奇粉末，终将卸下 “天价” 标签，以更亲民、更普惠的姿态，点亮我们色彩斑斓的视觉未来。
撰稿：
李志强 季华实验室材料科学与技术研究部
赵令铵 季华实验室知识产权处
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