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光學工程
量子點LED技術

量子點LED(QLED)技術才是LED之王。Wicop、CSP無封裝技術想統領LED業界,分量還不夠。另外,OLED估計悲劇了,還沒來得及燦爛盛放,就要迎接QLED時代的來臨。

1981年,一種全新概念的納米級半導體發光粒子被發現,我們且稱作“量子點”(Quantum Dot,QD)。從發現到前一個10年的時間里,人們還僅僅在學術的角度研究它的性質,又過了10年的時間也基本上沒有找到它的應用領域。2000年以后,量子點制備技術的提高帶動了其應用領域的發展,尤其是量子點技術的光譜隨尺寸可調、斯托克斯位移大、發光效率高、發光穩定性好等一系列獨特的光學性能更是成為近年來研究的焦點,并取得了重大進展。目前,量子點生物技術首先在醫藥學上得到應用,量子點電視顯示屏已經出現,量子點LED(QLED)光源也在實驗室里誕生。

1、未來15年量子點LED將點亮全球

1879年,白熾燈走完了從實驗室到實用照明的最后一步,開創了人類電氣照明的新紀元,只用了短短的20年時間,白熾燈撕開夜幕,點亮了世界。

1938年,熒光燈橫空出世,人類進入了氣體放電照明時代,20年后,熒光燈將千家萬戶的夜晚照亮成白晝。1980年,三基色熒光燈的出現將人類帶入了裝飾照明時代。又是在20年后,節能燈成為最廉價的光源布滿全球5大洲。

1998年,世界上第一支實用的白光LED問世,15年后,LED正開始全面接管整個照明市場,LED點亮了21世紀。

2009年,第一個量子點LED(QLED)燈泡在美國誕生。2010年,中國人取得了量子點技術顛覆性的突破,成為QLED照明進入實用化的起點。

雖然昂貴的量子點材料現在還不可能進入大眾照明領域,但我們有理由相信:15年后的2030年,室內照明必將成為QLED的天下!

2、神奇的量子點 不可思議的納米晶體

量子點是一種納米晶體。其組成元素已經不僅僅局限于Ⅱ-Ⅵ族(BaS、CdTe等)或Ⅲ-Ⅴ族(GaAs、InGaAs)到現在的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族(AgInS2等)的幾種元素,隨著研究的深入,還有更多的體系組成將被開發出來。

量子點大多為無機化合物,其性能穩定、可在水中形成膠體,尺寸在1~20 nm之間,這相當于5~100個原子直徑的尺寸。 量子點的3個維度都在100 nm以下,從尺寸上講,量子點是準零維度的納米材料(見圖1)。在量子點所有的與激發和發光密切相關的特性中讓我們尤為感興趣的是表面效應、量子限域效應和尺寸效應。

圖1 量子點顯微鏡照片

 

2.1 量子點的表面效應

隨著構成量子點的原子數量的減少,粒徑也隨之減小,比表面積隨之增大。

在化學性質方面,由于大部分原子都位于其顆粒表面,又使得化學性質異常活潑,極易產生宏觀狀態條件下不能發生的化學反應。

在光學性質方面,其反射系數會隨著粒徑的減少而顯著降低。粒徑越小,則顏色越深,即納米顆粒的光吸收能力越強,呈現出寬頻帶強吸收光譜,直至成為黑色。

2.2 量子限域效應

量子點由少量的原子所構成,由于尺寸的限制,其內部電子在各方向上的運動都受到局限,不能再自由移動,這就是所謂的量子限域效應。正是這種效應導致了量子點會產生類似原子一樣的不連續電子能級結構,因此量子點又被稱為“人造原子”。這種“人造原子”在被激發時也不再有普通晶體的帶狀光譜,而具有了像原子一樣極窄的線狀光譜性質,其光譜是由帶間躍遷的一系列線譜組成。

2.3 量子尺寸效應

量子點最大的特點是能量間隙隨著晶粒的增大而改變,晶粒越大,則能量間隙越小,反之,能量間隙越大。也就是說,量子點越小,則發光的波長越短(藍移),量子點越大,則發光的波長越長(紅移)。根據量子點的尺寸效應,我們就可以運用改變晶粒尺寸的方法來改變發光光譜,而不再需要改變量子點的化學組成(見圖2)。

圖 2  不同粒徑量子點所呈現的照片

 

2.4 量子點LED 的發光形式

量子點是QLED發光的基本材料。實現QLED發光的主要有兩種形式:一是采用在GaN基LED中作為光轉換層,有效吸收藍光發射出波長在可見光范圍內精確可調的各色光;二是采用其電致發光形式,將其涂敷于薄膜電極之間而發光(見圖3)。

圖 3

 

3、歷史的回顧 從量子點到QLED

上世紀80年代初,美國貝爾實驗室的路易斯·布魯斯(Louis Brus)博士和前蘇聯約夫研究所的亞力山大·埃夫羅斯(Alexander Efros)博士以及維克多·克里莫夫(Victor I. Klimov)博士等多位研究者發現:粒徑不同硫化鎘顆粒在受激情況下會產生不同顏色的熒光。該效應發現了量子點大小與顏色之間的相互關系,為量子點從實驗室走向實踐應用鋪平了道路。

1998年,阿薩托斯(Alivisatos)和奈爾(Nie)兩個研究小組,首次將量子點生物熒光標記技術應用于活細胞體系。由此掀起了量子點的研究熱潮。物理學家當初研究量子點時,絕對不會想到量子點最先的應用是在生物醫學和醫藥領域,量子點技術的出現為某些疾病的診斷和新藥研究帶來了新的希望。

在1990~1993年之間,貝爾實驗室發明了“金屬有機-配位溶劑-高溫”技術,它以具有高毒性、非常不穩定的二甲基鎘作為鎘源,在300℃左右高溫下、在有機配位溶劑中合成高質量的硒化鎘。這對于整個量子點研究領域具有里程碑式意義。但是,這同時也給該領域留下來一個挑戰。他們用的原料,是從“金屬有機氣相沉積”借鑒而來,其中的二甲基鎘是爆炸性的,即使是室溫也不穩定,而且毒性很大,成本很高。沿著這樣的技術思路,導致在后來10年間,這個領域發展并不快。

2009年,美國尼克思照明的夏洛特將量子點的涂料涂在藍光LED上,在實驗室中制成了世界上第一個量子點LED燈泡——QLED燈。當時,所用材料是劇毒的鎘化物。

將無鎘技術引入量子點研究的是我國的彭笑剛教授。他基于對激發態合成技術的重新認識,采用了一些新的合成控制方法,得到了一些性能前所未有的量子點,從此,量子點技術進入了無毒環保研究階段。同時,他又發明了一種在QLED器件中插入1層納米絕緣層的技術,從而徹底解決了正、負載流子注入平衡的關鍵難點。這兩項技術的突破,從實驗上驗證了QLED實用化的可行性,為QLED在未來的顯示和照明領域扮演重要角色提供了理論和技術基礎。

2010年5月,在美國拉斯維加斯的世界燈展上,來自我國浙江大學的彭笑剛教授與其合作者推出兩種無公害的QLED系列產品,他的全新工藝理念標志著固態照明領域的顛覆性技術突破。這一突破性的技術成為QLED照明進入實用化的起點。

目前,QLED進入實用化的領域是彩色顯示屏。2014年9月,TCL公司率先推出中國第1臺型號為H9700的55 in量子點電視,到2014年底,彩電業興起一股量子點電視的熱潮。2015年1月,在美國CES國際消費電子展會上,長虹也展出號稱全球第1臺曲面量子點電視。2015年4月,TCL多媒體又發布了量子點電視新品TV+量子點曲面電視,并一舉奪得“中國家電艾普蘭創新獎”。這一切創新成就的出現都充分顯示了QLED的發展活力。

據了解,最初制造的量子點電視是含有劇毒鎘元素材料的,而現在剛上市的量子點電視大多不含鎘元素。

4、OLED的困惑 從希望到尷尬

有機物發光二極管(OLED)是鄧青云博士(他被譽為現代OLED之父)在1979年發現的。1994年日本科學家宣布了第1只白光有機發光二極管用于照明。2007年,一種15 cm×15 cm的大面積白光OLED被開發,當時的有效發光面積達到了12cm×12 cm,平均亮度達到852 cd/m2。2008年,歐司朗發表在玻璃基板上1 000 cd/ m2亮度的時候,光效達到46 lm/W,壽命超過了5 000h。

目前,用于照明的OLED面板面積以30 cm×30 cm為主流產品,也有達60 cm×60 cm以上的。亮度一般為1 000 nt以下,壽命宣稱達到了10 000 h以上。

OLED是一種基于有機薄膜的自有光源顯示屏技術,為電致發光光源。與液晶顯示技術相比,具有眾多的優點。如只有1 mm左右的超薄厚度、超輕、廣視角、自發光(不需要背景光源)、刷新速度快(是液晶的1 000倍)、高清晰、低能耗、低溫特性優(在-40 ℃下性能依然良好),可以實現柔性顯示(即屏幕可以卷曲)等,被認為是顯示技術的未來。到目前為止,全球各大顯示器制造商都在開發OLED產品。

過去20年,在改善基礎OLED材料整合方面,人們不斷地投入了許多的努力。雖然理論上可運用的小分子和高分子材料種類相當繁多,然而,有機材料的壽命、效率、色彩及目前最佳化制程條件仍受到多重參數的牽制,使得原本領先的OLED紅、藍、綠發光材質的開發受到阻礙。

與QLED的開發相比,OLED從彎曲到柔性,從光效到色純度,從壽命到價格,OLED都不占優勢。

 

第一,制造OLED時,需要使用1個“陰罩”,當屏幕尺寸變大時,陰罩板容易發生熱脹冷縮,會使得色彩等不夠精確。而QLED的制造過程不需要使用陰罩,因此不會出現精確度減少的問題。另外量子點還可懸停在液體中,并使用多種技術讓其沉積,包括將其噴墨打印在非常薄的、柔性或者透明的襯底上。

第二,OLED的光色的純度不足,其純色需用彩色過濾器才能產生,而QLED從一開始就能產生各種不同純色,也在將電子轉化為光子方面優于OLED,因此能效更高,制造成本更低。

第三,在同等畫質下,QLED的節能性有望達到OLED屏的2倍,發光率將提升30%~40%。同時QLED可以達到與無機半導體材料一樣的穩定性、可靠性。

綜上所述,QLED不但成為OLED強有力的競爭者,或者,更大膽一點說,QLED也可能是OLED的掘墓者。

5、QLED照明 優勢與挑戰并存

5.1 化學性能方面的優勢

在制備技術方面,QLED有以下3方面優勢。第一,因為構成QD的材料全部為無機物,使得它們對制造環境的要求不再苛刻,在有水氣或氧氣的環境中,比OLED更為穩定,穩定性比有機熒光體高幾個數量級;第二,它同時兼具高分子的溶解性以及磷光材料的高發光效率潛力;第三,因為納米晶體的直徑控制了QD的光學能隙,使得發光光色特性的判定及最佳化程序變得更簡化。

5.2 照明學方面的優勢

從近幾年的研究發現,與太陽光比較,現在的白光LED燈是有缺陷的,這種人造白光有很多的高能光子(即藍光過多)現象。已經有一些醫學證據表明藍光過多對人類健康的影響是不利的。

低色溫、大功率白光LED仍是商品化GaN基白光LED發展的總體趨勢。為適應這種趨勢,就要加快紅光熒光粉的研發進程,這對提升白光LED的顯色指數具有重要意義。然而,令人遺憾的是,到目前為止,所有紅色熒光粉的性能與藍、綠色熒光粉相比在光通量性能維持方面還相差甚遠,這是白光LED發展的最大瓶頸所在。

另外,現行白光LED發熱還比較明顯。QLED的白光,在原理上可以完全做到與理想照明光源一致,更加接近于自然光,并且發熱會進一步減少。

作為照明用的QLED,它有3個突出的優點:①能發射出全光譜,即涵蓋整個可見光和紅外光區;②它們能局限量子發光性質,并釋放出較小頻寬的色光,發射出的波長半寬度在20 nm以下,因而呈現出更加飽和的光色;③量子效率可達90%,以后還將會有更高的提升空間(見圖4)。

圖 4

 

5.3 價格方面的挑戰

從冷陰極到LED,從OLED到QLED,現代照明技術的飛躍都是從顯示技術開始的。因為從實驗室走向應用的初期階段,成本一向是很高的,用于照明肯定不能接受這種昂貴的價格,因為量子點仍然十分昂貴。即使是在低端,它們的成本也在幾百美元/g,最高可達1萬美元/g。

然而,當年世界上第1只白光LED出現時,天價的芯片和黃色熒光粉有多少人能想到在15年后會如此的便宜?LED能有現在的輝煌?如果量子點合成達到了LED光電性能的要求,價格再降到可以用于照明的水平,那么,量子點LED有望結合氮化鎵LED和OLED兩者的優勢成為下一代照明光源。

5.4 更多的改善空間

處于新興的研究應用領域,QLED 也還存在一些問題有待進一步研究。第一,目前的非鎘系量子點產品的光效與鎘系量子點產品尚有一定的差距;第二,其發光機理還不是很清楚,這就制約了新材料的開發進程,因此需要進一步深入研究;第三,從量子點到QLED 器件的應用轉換過程中發光猝滅現象比較嚴重,與GaN基的LED相比尚有一定的距離;第四,對量子點電致發光性能的研究還比較薄弱,加速這項研究將對未來新型QLED 面板燈的應用有非常重要的意義。

6、結束語

從第1只QLED燈點亮到現在,已經走過了6個年頭,各種研究和應用還剛剛起步,一些有實力的大學研究機構也紛紛加入到研究的隊伍中。QLED以其優越的性能使得企業家也看到了無限的商機,一些國際知名企業也在嘗試開發QLED產品。我們能看到的是:在5~10年內,QLED顯示屏的市場占有量將達到30%~50%以上;我們能想象到的是:在10~15年內,QLED將正式走進室內照明,占有率會達到20%~50%的水平。


 

 


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