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量子点LED技术成LED之王 未来15年将点亮全球

作者:佚名来源:光行天下 日期:2015年11月25日 10:40
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量子点LED(QLED)技术才是LED之王。Wicop、CSP无封装技术想统领LED业界,分量还不够。另外,OLED估计悲剧了,还没来得及灿烂盛放,就要迎接QLED时代的来临。

1981年,一种全新概念的纳米级半导体发光粒子被发现,我们且称作“量子点”(Quantum Dot,QD)。从发现到前一个10年的时间里,人们还仅仅在学术的角度研究它的性质,又过了10年的时间也基本上没有找到它的应用领域。2000年以后,量子点制备技术的提高带动了其应用领域的发展,尤其是量子点技术的光谱随尺寸可调、斯托克斯位移大、发光效率高、发光稳定性好等一系列独特的光学性能更是成为近年来研究的焦点,并取得了重大进展。目前,量子点生物技术首先在医药学上得到应用,量子点电视显示屏已经出现,量子点LED(QLED)光源也在实验室里诞生。

1、未来15年量子点LED将点亮全球

1879年,白炽灯走完了从实验室到实用照明的最后一步,开创了人类电气照明的新纪元,只用了短短的20年时间,白炽灯撕开夜幕,点亮了世界。

1938年,荧光灯横空出世,人类进入了气体放电照明时代,20年后,荧光灯将千家万户的夜晚照亮成白昼。1980年,三基色荧光灯的出现将人类带入了装饰照明时代。又是在20年后,节能灯成为最廉价的光源布满全球5大洲。

1998年,世界上第一支实用的白光LED问世,15年后,LED正开始全面接管整个照明市场,LED点亮了21世纪。

2009年,第一个量子点LED(QLED)灯泡在美国诞生。2010年,中国人取得了量子点技术颠覆性的突破,成为QLED照明进入实用化的起点。

虽然昂贵的量子点材料现在还不可能进入大众照明领域,但我们有理由相信:15年后的2030年,室内照明必将成为QLED的天下!

2、神奇的量子点 不可思议的纳米晶体

量子点是一种纳米晶体。其组成元素已经不仅仅局限于Ⅱ-Ⅵ族(BaS、CdTe等)或Ⅲ-Ⅴ族(GaAs、InGaAs)到现在的Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族(AgInS2等)的几种元素,随着研究的深入,还有更多的体系组成将被开发出来。

量子点大多为无机化合物,其性能稳定、可在水中形成胶体,尺寸在1~20 nm之间,这相当于5~100个原子直径的尺寸。 量子点的3个维度都在100 nm以下,从尺寸上讲,量子点是准零维度的纳米材料(见图1)。在量子点所有的与激发和发光密切相关的特性中让我们尤为感兴趣的是表面效应、量子限域效应和尺寸效应。

 



量子点显微镜照片

 

2.1 量子点的表面效应

随着构成量子点的原子数量的减少,粒径也随之减小,比表面积随之增大。

在化学性质方面,由于大部分原子都位于其颗粒表面,又使得化学性质异常活泼,极易产生宏观状态条件下不能发生的化学反应。

在光学性质方面,其反射系数会随着粒径的减少而显著降低。粒径越小,则颜色越深,即纳米颗粒的光吸收能力越强,呈现出宽频带强吸收光谱,直至成为黑色。

2.2 量子限域效应

量子点由少量的原子所构成,由于尺寸的限制,其内部电子在各方向上的运动都受到局限,不能再自由移动,这就是所谓的量子限域效应。正是这种效应导致了量子点会产生类似原子一样的不连续电子能级结构,因此量子点又被称为“人造原子”。这种“人造原子”在被激发时也不再有普通晶体的带状光谱,而具有了像原子一样极窄的线状光谱性质,其光谱是由带间跃迁的一系列线谱组成。

2.3 量子尺寸效应

量子点最大的特点是能量间隙随着晶粒的增大而改变,晶粒越大,则能量间隙越小,反之,能量间隙越大。也就是说,量子点越小,则发光的波长越短(蓝移),量子点越大,则发光的波长越长(红移)。根据量子点的尺寸效应,我们就可以运用改变晶粒尺寸的方法来改变发光光谱,而不再需要改变量子点的化学组成(见图2)。

2.4 量子点LED 的发光形式

量子点是QLED发光的基本材料。实现QLED发光的主要有两种形式:一是采用在GaN基LED中作为光转换层,有效吸收蓝光发射出波长在可见光范围内精确可调的各色光;二是采用其电致发光形式,将其涂敷于薄膜电极之间而发光(见图3)。

3、历史的回顾 从量子点到QLED

上世纪80年代初,美国贝尔实验室的路易斯·布鲁斯(Louis Brus)博士和前苏联约夫研究所的亚力山大·埃夫罗斯(Alexander Efros)博士以及维克多·克里莫夫(Victor I. Klimov)博士等多位研究者发现:粒径不同硫化镉颗粒在受激情况下会产生不同颜色的荧光。该效应发现了量子点大小与颜色之间的相互关系,为量子点从实验室走向实践应用铺平了道路。

1998年,阿萨托斯(Alivisatos)和奈尔(Nie)两个研究小组,首次将量子点生物荧光标记技术应用于活细胞体系。由此掀起了量子点的研究热潮。物理学家当初研究量子点时,绝对不会想到量子点最先的应用是在生物医学和医药领域,量子点技术的出现为某些疾病的诊断和新药研究带来了新的希望。

在1990~1993年之间,贝尔实验室发明了“金属有机-配位溶剂-高温”技术,它以具有高毒性、非常不稳定的二甲基镉作为镉源,在300℃左右高温下、在有机配位溶剂中合成高质量的硒化镉。这对于整个量子点研究领域具有里程碑式意义。但是,这同时也给该领域留下来一个挑战。他们用的原料,是从“金属有机气相沉积”借鉴而来,其中的二甲基镉是爆炸性的,即使是室温也不稳定,而且毒性很大,成本很高。沿着这样的技术思路,导致在后来10年间,这个领域发展并不快。

2009年,美国尼克思照明的夏洛特将量子点的涂料涂在蓝光LED上,在实验室中制成了世界上第一个量子点LED灯泡——QLED灯。当时,所用材料是剧毒的镉化物。

将无镉技术引入量子点研究的是我国的彭笑刚教授。他基于对激发态合成技术的重新认识,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点,从此,量子点技术进入了无毒环保研究阶段。同时,他又发明了一种在QLED器件中插入1层纳米绝缘层的技术,从而彻底解决了正、负载流子注入平衡的关键难点。这两项技术的突破,从实验上验证了QLED实用化的可行性,为QLED在未来的显示和照明领域扮演重要角色提供了理论和技术基础。

2010年5月,在美国拉斯维加斯的世界灯展上,来自我国浙江大学的彭笑刚教授与其合作者推出两种无公害的QLED系列产品,他的全新工艺理念标志着固态照明领域的颠覆性技术突破。这一突破性的技术成为QLED照明进入实用化的起点。

目前,QLED进入实用化的领域是彩色显示屏。2014年9月,TCL公司率先推出中国第1台型号为H9700的55 in量子点电视,到2014年底,彩电业兴起一股量子点电视的热潮。2015年1月,在美国CES国际消费电子展会上,长虹也展出号称全球第1台曲面量子点电视。2015年4月,TCL多媒体又发布了量子点电视新品TV+量子点曲面电视,并一举夺得“中国家电艾普兰创新奖”。这一切创新成就的出现都充分显示了QLED的发展活力。

据了解,最初制造的量子点电视是含有剧毒镉元素材料的,而现在刚上市的量子点电视大多不含镉元素。

4、OLED的困惑 从希望到尴尬

有机物发光二极管(OLED)是邓青云博士(他被誉为现代OLED之父)在1979年发现的。1994年日本科学家宣布了第1只白光有机发光二极管用于照明。2007年,一种15 cm×15 cm的大面积白光OLED被开发,当时的有效发光面积达到了12cm×12 cm,平均亮度达到852 cd/m2。2008年,欧司朗发表在玻璃基板上1 000 cd/ m2亮度的时候,光效达到46 lm/W,寿命超过了5 000h。

目前,用于照明的OLED面板面积以30 cm×30 cm为主流产品,也有达60 cm×60 cm以上的。亮度一般为1 000 nt以下,寿命宣称达到了10 000 h以上。

OLED是一种基于有机薄膜的自有光源显示屏技术,为电致发光光源。与液晶显示技术相比,具有众多的优点。如只有1 mm左右的超薄厚度、超轻、广视角、自发光(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、低温特性优(在-40 ℃下性能依然良好),可以实现柔性显示(即屏幕可以卷曲)等,被认为是显示技术的未来。到目前为止,全球各大显示器制造商都在开发OLED产品。

过去20年,在改善基础OLED材料整合方面,人们不断地投入了许多的努力。虽然理论上可运用的小分子和高分子材料种类相当繁多,然而,有机材料的寿命、效率、色彩及目前最佳化制程条件仍受到多重参数的牵制,使得原本领先的OLED红、蓝、绿发光材质的开发受到阻碍。

与QLED的开发相比,OLED从弯曲到柔性,从光效到色纯度,从寿命到价格,OLED都不占优势

第一,制造OLED时,需要使用1个“阴罩”,当屏幕尺寸变大时,阴罩板容易发生热胀冷缩,会使得色彩等不够精确。而QLED的制造过程不需要使用阴罩,因此不会出现精确度减少的问题。另外量子点还可悬停在液体中,并使用多种技术让其沉积,包括将其喷墨打印在非常薄的、柔性或者透明的衬底上。

第二,OLED的光色的纯度不足,其纯色需用彩色过滤器才能产生,而QLED从一开始就能产生各种不同纯色,也在将电子转化为光子方面优于OLED,因此能效更高,制造成本更低。

第三,在同等画质下,QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍,发光率将提升30%~40%。同时QLED可以达到与无机半导体材料一样的稳定性、可靠性。

综上所述,QLED不但成为OLED强有力的竞争者,或者,更大胆一点说,QLED也可能是OLED的掘墓者。

5、QLED照明 优势与挑战并存

5.1 化学性能方面的优势

在制备技术方面,QLED有以下3方面优势。第一,因为构成QD的材料全部为无机物,使得它们对制造环境的要求不再苛刻,在有水气或氧气的环境中,比OLED更为稳定,稳定性比有机荧光体高几个数量级;第二,它同时兼具高分子的溶解性以及磷光材料的高发光效率潜力;第三,因为纳米晶体的直径控制了QD的光学能隙,使得发光光色特性的判定及最佳化程序变得更简化。

5.2 照明学方面的优势

从近几年的研究发现,与太阳光比较,现在的白光LED灯是有缺陷的,这种人造白光有很多的高能光子(即蓝光过多)现象。已经有一些医学证据表明蓝光过多对人类健康的影响是不利的。

低色温、大功率白光LED仍是商品化GaN基白光LED发展的总体趋势。为适应这种趋势,就要加快红光荧光粉的研发进程,这对提升白光LED的显色指数具有重要意义。然而,令人遗憾的是,到目前为止,所有红色荧光粉的性能与蓝、绿色荧光粉相比在光通量性能维持方面还相差甚远,这是白光LED发展的最大瓶颈所在。

另外,现行白光LED发热还比较明显。QLED的白光,在原理上可以完全做到与理想照明光源一致,更加接近于自然光,并且发热会进一步减少。

作为照明用的QLED,它有3个突出的优点:①能发射出全光谱,即涵盖整个可见光和红外光区;②它们能局限量子发光性质,并释放出较小频宽的色光,发射出的波长半宽度在20 nm以下,因而呈现出更加饱和的光色;③量子效率可达90%,以后还将会有更高的提升空间(见图4)。

5.3 价格方面的挑战

从冷阴极到LED,从OLED到QLED,现代照明技术的飞跃都是从显示技术开始的。因为从实验室走向应用的初期阶段,成本一向是很高的,用于照明肯定不能接受这种昂贵的价格,因为量子点仍然十分昂贵。即使是在低端,它们的成本也在几百美元/g,最高可达1万美元/g。

然而,当年世界上第1只白光LED出现时,天价的芯片和黄色荧光粉有多少人能想到在15年后会如此的便宜?LED能有现在的辉煌?如果量子点合成达到了LED光电性能的要求,价格再降到可以用于照明的水平,那么,量子点LED有望结合氮化镓LED和OLED两者的优势成为下一代照明光源。

5.4 更多的改善空间

处于新兴的研究应用领域,QLED 也还存在一些问题有待进一步研究。第一,目前的非镉系量子点产品的光效与镉系量子点产品尚有一定的差距;第二,其发光机理还不是很清楚,这就制约了新材料的开发进程,因此需要进一步深入研究;第三,从量子点到QLED 器件的应用转换过程中发光猝灭现象比较严重,与GaN基的LED相比尚有一定的距离;第四,对量子点电致发光性能的研究还比较薄弱,加速这项研究将对未来新型QLED 面板灯的应用有非常重要的意义。

6、结束语

从第1只QLED灯点亮到现在,已经走过了6个年头,各种研究和应用还刚刚起步,一些有实力的大学研究机构也纷纷加入到研究的队伍中。QLED以其优越的性能使得企业家也看到了无限的商机,一些国际知名企业也在尝试开发QLED产品。我们能看到的是:在5~10年内,QLED显示屏的市场占有量将达到30%~50%以上;我们能想象到的是:在10~15年内,QLED将正式走进室内照明,占有率会达到20%~50%的水平。

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