LED之王：量子點(diǎn)LED

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2015-11-23

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1981年，一種全新概念的納米級(jí)半導(dǎo)體發(fā)光粒子被發(fā)現(xiàn)，我們且稱作“量子點(diǎn)”（Quantum Dot，QD）。從發(fā)現(xiàn)到前一個(gè)10年的時(shí)間里，人們還僅僅在學(xué)術(shù)的角度研究它的性質(zhì)，又過了10年的時(shí)間也基本上沒有找到它的應(yīng)用領(lǐng)域。2000年以后，量子點(diǎn)制備技術(shù)的提高帶動(dòng)了其應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是量子點(diǎn)技術(shù)的光譜隨尺寸可調(diào)、斯托克斯位移大、發(fā)光效率高、發(fā)光穩(wěn)定性好等一系列獨(dú)特的光學(xué)性能更是成為近年來研究的焦點(diǎn)，并取得了重大進(jìn)展。目前，量子點(diǎn)生物技術(shù)首先在醫(yī)藥學(xué)上得到應(yīng)用，量子點(diǎn)電視顯示屏已經(jīng)出現(xiàn)，量子點(diǎn)LED（QLED）光源也在實(shí)驗(yàn)室里誕生。

未來15年
量子點(diǎn)LED將點(diǎn)亮全球

1879年，白熾燈走完了從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)用照明的最后一步，開創(chuàng)了人類電氣照明的新紀(jì)元，照明產(chǎn)品，只用了短短的20年時(shí)間，白熾燈撕開夜幕，點(diǎn)亮了世界。

1938年，熒光燈橫空出世，人類進(jìn)入了氣體放電照明時(shí)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(xiàn)將人類帶入了裝飾照明時(shí)代。又是在20年后，節(jié)能燈成為最廉價(jià)的光源布滿全球5大洲。

1998年，世界上第一支實(shí)用的白光LED問世，15年后，LED正開始全面接管整個(gè)照明市場(chǎng)，LED點(diǎn)亮了21世紀(jì)。

2009年，第一個(gè)量子點(diǎn)LED（QLED）燈泡在美國(guó)誕生。2010年，中國(guó)人取得了量子點(diǎn)技術(shù)顛覆性的突破，成為QLED照明進(jìn)入實(shí)用化的起點(diǎn)。

雖然昂貴的量子點(diǎn)材料現(xiàn)在還不可能進(jìn)入大眾照明領(lǐng)域，但我們有理由相信：15年后的2030年，室內(nèi)照明必將成為QLED的天下！

神奇的量子點(diǎn)
不可思議的納米晶體

量子點(diǎn)是一種納米晶體。其組成元素已經(jīng)不僅僅局限于Ⅱ-Ⅵ族（BaS、CdTe等）或Ⅲ-Ⅴ族（GaAs、InGaAs）到現(xiàn)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(fā)出來。

量子點(diǎn)大多為無機(jī)化合物，醫(yī)院led照明，其性能穩(wěn)定、可在水中形成膠體，尺寸在1～20 nm之間，電工照明，這相當(dāng)于5~100個(gè)原子直徑的尺寸。 量子點(diǎn)的3個(gè)維度都在100 nm以下，從尺寸上講，量子點(diǎn)是準(zhǔn)零維度的納米材料（見圖1）。在量子點(diǎn)所有的與激發(fā)和發(fā)光密切相關(guān)的特性中讓我們尤為感興趣的是表面效應(yīng)、量子限域效應(yīng)和尺寸效應(yīng)。



2.1 量子點(diǎn)的表面效應(yīng)

隨著構(gòu)成量子點(diǎn)的原子數(shù)量的減少，粒徑也隨之減小，比表面積隨之增大。

在化學(xué)性質(zhì)方面，由于大部分原子都位于其顆粒表面，又使得化學(xué)性質(zhì)異�；顫�，極易產(chǎn)生宏觀狀態(tài)條件下不能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

在光學(xué)性質(zhì)方面，其反射系數(shù)會(huì)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(qiáng)，呈現(xiàn)出寬頻帶強(qiáng)吸收光譜，直至成為黑色。

2.2 量子限域效應(yīng)

量子點(diǎn)由少量的原子所構(gòu)成，由于尺寸的限制，其內(nèi)部電子在各方向上的運(yùn)動(dòng)都受到局限，不能再自由移動(dòng)，這就是所謂的量子限域效應(yīng)。正是這種效應(yīng)導(dǎo)致了量子點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生類似原子一樣的不連續(xù)電子能級(jí)結(jié)構(gòu)，因此量子點(diǎn)又被稱為“人造原子”。這種“人造原子”在被激發(fā)時(shí)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(zhì)，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(yīng)

量子點(diǎn)最大的特點(diǎn)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(diǎn)越小，則發(fā)光的波長(zhǎng)越短（藍(lán)移），量子點(diǎn)越大，則發(fā)光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)（紅移）。根據(jù)量子點(diǎn)的尺寸效應(yīng)，我們就可以運(yùn)用改變晶粒尺寸的方法來改變發(fā)光光譜，而不再需要改變量子點(diǎn)的化學(xué)組成（見圖2）。



2.4 量子點(diǎn)LED 的發(fā)光形式

量子點(diǎn)是QLED發(fā)光的基本材料。實(shí)現(xiàn)QLED發(fā)光的主要有兩種形式：一是采用在GaN基LED中作為光轉(zhuǎn)換層，有效吸收藍(lán)光發(fā)射出波長(zhǎng)在可見光范圍內(nèi)精確可調(diào)的各色光；二是采用其電致發(fā)光形式，LED照明工程，將其涂敷于薄膜電極之間而發(fā)光（見圖3）。



歷史的回顧
從量子點(diǎn)到QLED

上世紀(jì)80年代初，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的路易斯·布魯斯（Louis Brus）博士和前蘇聯(lián)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(fā)現(xiàn)：粒徑不同硫化鎘顆粒在受激情況下會(huì)產(chǎn)生不同顏色的熒光。該效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了量子點(diǎn)大小與顏色之間的相互關(guān)系，為量子點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵺`應(yīng)用鋪平了道路。

1998年，技術(shù)資訊，阿薩托斯（Alivisatos）和奈爾（Nie）兩個(gè)研究小組，首次將量子點(diǎn)生物熒光標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用于活細(xì)胞體系。由此掀起了量子點(diǎn)的研究熱潮。物理學(xué)家當(dāng)初研究量子點(diǎn)時(shí)，絕對(duì)不會(huì)想到量子點(diǎn)最先的應(yīng)用是在生物醫(yī)學(xué)和醫(yī)藥領(lǐng)域，量子點(diǎn)技術(shù)的出現(xiàn)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(shí)驗(yàn)室發(fā)明了“金屬有機(jī)-配位溶劑-高溫”技術(shù)，它以具有高毒性、非常不穩(wěn)定的二甲基鎘作為鎘源，在300℃左右高溫下、在有機(jī)配位溶劑中合成高質(zhì)量的硒化鎘。這對(duì)于整個(gè)量子點(diǎn)研究領(lǐng)域具有里程碑式意義。但是，這同時(shí)也給該領(lǐng)域留下來一個(gè)挑戰(zhàn)。他們用的原料，是從“金屬有機(jī)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(wěn)定，而且毒性很大，成本很高。沿著這樣的技術(shù)思路，導(dǎo)致在后來10年間，這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展并不快。

2009年，照明產(chǎn)品，美國(guó)尼克思照明的夏洛特將量子點(diǎn)的涂料涂在藍(lán)光LED上， led服裝照明，在實(shí)驗(yàn)室中制成了世界上第一個(gè)量子點(diǎn)LED燈泡——QLED燈。當(dāng)時(shí)，所用材料是劇毒的鎘化物。

將無鎘技術(shù)引入量子點(diǎn)研究的是我國(guó)的彭笑剛教授。他基于對(duì)激發(fā)態(tài)合成技術(shù)的重新認(rèn)識(shí)，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(diǎn)，從此，量子點(diǎn)技術(shù)進(jìn)入了無毒環(huán)保研究階段。同時(shí)，他又發(fā)明了一種在QLED器件中插入1層納米絕緣層的技術(shù)，從而徹底解決了正、負(fù)載流子注入平衡的關(guān)鍵難點(diǎn)。這兩項(xiàng)技術(shù)的突破，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了QLED實(shí)用化的可行性，為QLED在未來的顯示和照明領(lǐng)域扮演重要角色提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

2010年5月，在美國(guó)拉斯維加斯的世界燈展上，來自我國(guó)浙江大學(xué)的彭笑剛教授與其合作者推出兩種無公害的QLED系列產(chǎn)品，他的全新工藝?yán)砟顦?biāo)志著固態(tài)照明領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)突破。這一突破性的技術(shù)成為QLED照明進(jìn)入實(shí)用化的起點(diǎn)。

目前，QLED進(jìn)入實(shí)用化的領(lǐng)域是彩色顯示屏。2014年9月，TCL公司率先推出中國(guó)第1臺(tái)型號(hào)為H9700的55 in量子點(diǎn)電視，到2014年底，彩電業(yè)興起一股量子點(diǎn)電視的熱潮。2015年1月，在美國(guó)CES國(guó)際消費(fèi)電子展會(huì)上，長(zhǎng)虹也展出號(hào)稱全球第1臺(tái)曲面量子點(diǎn)電視。2015年4月，TCL多媒體又發(fā)布了量子點(diǎn)電視新品TV+量子點(diǎn)曲面電視，并一舉奪得“中國(guó)家電艾普蘭創(chuàng)新獎(jiǎng)”。這一切創(chuàng)新成就的出現(xiàn)都充分顯示了QLED的發(fā)展活力。

據(jù)了解，最初制造的量子點(diǎn)電視是含有劇毒鎘元素材料的，建筑照明，而現(xiàn)在剛上市的量子點(diǎn)電視大多不含鎘元素。

OLED的困惑
從希望到尷尬

有機(jī)物發(fā)光二極管（OLED）是鄧青云博士（他被譽(yù)為現(xiàn)代OLED之父）在1979年發(fā)現(xiàn)的。1994年日本科學(xué)家宣布了第1只白光有機(jī)發(fā)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(fā)，當(dāng)時(shí)的有效發(fā)光面積達(dá)到了12cm×12 cm，平均亮度達(dá)到852 cd/m。2008年，歐司朗發(fā)表在玻璃基板上1 000 cd/ m亮度的時(shí)候，光效達(dá)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(chǎn)品，也有達(dá)60 cm×60 cm以上的。亮度一般為1 000 nt以下，壽命宣稱達(dá)到了10 000 h以上。

OLED是一種基于有機(jī)薄膜的自有光源顯示屏技術(shù)，為電致發(fā)光光源。與液晶顯示技術(shù)相比，具有眾多的優(yōu)點(diǎn)。如只有1 mm左右的超薄厚度、超輕、廣視角、自發(fā)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(yōu)（在－40 ℃下性能依然良好），可以實(shí)現(xiàn)柔性顯示（即屏幕可以卷曲）等，被認(rèn)為是顯示技術(shù)的未來。到目前為止，全球各大顯示器制造商都在開發(fā)OLED產(chǎn)品。

過去20年，在改善基礎(chǔ)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(yùn)用的小分子和高分子材料種類相當(dāng)繁多，然而，有機(jī)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(shù)的牽制，使得原本領(lǐng)先的OLED紅、藍(lán)、綠發(fā)光材質(zhì)的開發(fā)受到阻礙。

與QLED的開發(fā)相比，OLED從彎曲到柔性，從光效到色純度，從壽命到價(jià)格，OLED都不占優(yōu)勢(shì)。

第一，制造OLED時(shí)，需要使用1個(gè)“陰罩”，LED天花燈，CCC認(rèn)證，當(dāng)屏幕尺寸變大時(shí)，陰罩板容易發(fā)生熱脹冷縮，會(huì)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(huì)出現(xiàn)精確度減少的問題。另外量子點(diǎn)還可懸停在液體中，并使用多種技術(shù)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(chǎn)生，而QLED從一開始就能產(chǎn)生各種不同純色，也在將電子轉(zhuǎn)化為光子方面優(yōu)于OLED，因此能效更高，制造成本更低。

第三，在同等畫質(zhì)下，QLED的節(jié)能性有望達(dá)到OLED屏的2倍，發(fā)光率將提升30%~40%。同時(shí)QLED可以達(dá)到與無機(jī)半導(dǎo)體材料一樣的穩(wěn)定性、可靠性。

綜上所述，QLED不但成為OLED強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，或者，更大膽一點(diǎn)說，QLED也可能是OLED的掘墓者。

QLED照明
優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)并存

5.1 化學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)

在制備技術(shù)方面，QLED有以下3方面優(yōu)勢(shì)。第一，因?yàn)闃?gòu)成QD的材料全部為無機(jī)物，使得它們對(duì)制造環(huán)境的要求不再苛刻，在有水氣或氧氣的環(huán)境中，比OLED更為穩(wěn)定，穩(wěn)定性比有機(jī)熒光體高幾個(gè)數(shù)量級(jí)；第二，它同時(shí)兼具高分子的溶解性以及磷光材料的高發(fā)光效率潛力；第三，因?yàn)榧{米晶體的直徑控制了QD的光學(xué)能隙，使得發(fā)光光色特性的判定及最佳化程序變得更簡(jiǎn)化。

5.2 照明學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)

從近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，與太陽(yáng)光比較，現(xiàn)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(lán)光過多）現(xiàn)象。已經(jīng)有一些醫(yī)學(xué)證據(jù)表明藍(lán)光過多對(duì)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(fā)展的總體趨勢(shì)。為適應(yīng)這種趨勢(shì)，就要加快紅光熒光粉的研發(fā)進(jìn)程，這對(duì)提升白光LED的顯色指數(shù)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(lán)、綠色熒光粉相比在光通量性能維持方面還相差甚遠(yuǎn)，這是白光LED發(fā)展的最大瓶頸所在。

另外，現(xiàn)行白光LED發(fā)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，LED射燈，更加接近于自然光，并且發(fā)熱會(huì)進(jìn)一步減少。

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



5.3 價(jià)格方面的挑戰(zhàn)

從冷陰極到LED，從OLED到QLED，現(xiàn)代照明技術(shù)的飛躍都是從顯示技術(shù)開始的。因?yàn)閺膶?shí)驗(yàn)室走向應(yīng)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(jià)格，因?yàn)榱孔狱c(diǎn)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(dá)1萬美元/g。

然而，當(dāng)年世界上第1只白光LED出現(xiàn)時(shí)，天價(jià)的芯片和黃色熒光粉有多少人能想到在15年后會(huì)如此的便宜？LED能有現(xiàn)在的輝煌？如果量子點(diǎn)合成達(dá)到了LED光電性能的要求，價(jià)格再降到可以用于照明的水平，那么，量子點(diǎn)LED有望結(jié)合氮化鎵LED和OLED兩者的優(yōu)勢(shì)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(yīng)用領(lǐng)域，QLED 也還存在一些問題有待進(jìn)一步研究。第一，目前的非鎘系量子點(diǎn)產(chǎn)品的光效與鎘系量子點(diǎn)產(chǎn)品尚有一定的差距；第二，其發(fā)光機(jī)理還不是很清楚，這就制約了新材料的開發(fā)進(jìn)程，因此需要進(jìn)一步深入研究；第三，從量子點(diǎn)到QLED 器件的應(yīng)用轉(zhuǎn)換過程中發(fā)光猝滅現(xiàn)象比較嚴(yán)重，與GaN基的LED相比尚有一定的距離；第四，廠房照明，對(duì)量子點(diǎn)電致發(fā)光性能的研究還比較薄弱，加速這項(xiàng)研究將對(duì)未來新型QLED 面板燈的應(yīng)用有非常重要的意義。

結(jié)束語

從第1只QLED燈點(diǎn)亮到現(xiàn)在，已經(jīng)走過了6個(gè)年頭，商業(yè)照明燈具，各種研究和應(yīng)用還剛剛起步，一些有實(shí)力的大學(xué)研究機(jī)構(gòu)也紛紛加入到研究的隊(duì)伍中。QLED以其優(yōu)越的性能使得企業(yè)家也看到了無限的商機(jī)，一些國(guó)際知名企業(yè)也在嘗試開發(fā)QLED產(chǎn)品。我們能看到的是：在5~10年內(nèi)，QLED顯示屏的市場(chǎng)占有量將達(dá)到30%~50%以上；我們能想象到的是：在10~15年內(nèi)，QLED將正式走進(jìn)室內(nèi)照明，LED射燈，占有率會(huì)達(dá)到20%~50%的水平。

 

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