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盘点2018年LED行业十大创新技术成果

2018-12-07 文章来源:中国照明网报道 阅读原文

  当前,我国正处于产业结构调整、经济增长方式转变的重要时期,依靠技术创新来推动产业的发展,已成为LED业内的共识。而LED产业也在政策、技术和市场的共同推动下实现了高速增长,产业规模日益壮大。

  回顾2018年,LED行业诸多技术取得了突破性发展。现LED网小编综合盘点了全球各地的一些LED相关的新技术及新应用信息,期望大家能够从中吸取应用创意养分,以创造出更多优秀的产品。

  红外宽谱光源阵列研究

  近日,国际半导体产业杂志Semiconductor Today报道了中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸课题组与中国科学院半导体研究所刘峰奇、王占国实验室合作研中红外宽谱光源阵列的最新成果。该成果发表在Optics Letters上。

  中红外宽谱光源基于半导体量子级联材料,光源的有源层由30个重的级联周期组成,各周期之间通过低掺杂的n型InGaAs分隔开。研究人员所设计的有源区能带结构如图1所示,它采用了双声子共振结构,一个周期的有源区包含四个耦合的应变补偿In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635As量子阱。这种结构通过两次光学声子辅助弛豫来实现更高效的低能级载流子抽运,从而增大粒子数反转,提高自发辐射效率。使用这种材料结构的宽谱光源具有阈值电流密度更低、输出功率更高等优势。

  图1:基于四阱耦合双声子共振的量子级联能带结构(来源:Semiconductor Today)

  为了获得抑激射实现超辐射发光所需要的低反射率(小于10-6),中红外宽谱光源器件尺寸一般比较大,因此很难备成集成的器件阵列结构。研究人员所设计的宽谱光源器件波导结构如图2所示,这是一种双沟道脊型分段波导器件结构,由直条端、倾斜条形区、J型波导三部分组成。这种波导结构通过两次反射率的突变,利用比较小的器件尺寸就满足了低反射率的要求。基于这一结构,研究人员备了一系列宽谱光源阵列,得到了室温连续输出功率2.4mW,谱宽199cm-1,远场发散角20°。中红外光源在大气通信、空间遥感、化学检测、医疗诊断等领域有着重要应用。该工作得到国家重点研发计划和自然科学基金的资助支持。

  图2:中红外量子级联宽谱光源器件阵列示意图

  左上:显微图像   右上:SEM图像

  有机发光二极管研究

  吉林大学化学学院、超分子结构与材料国家重点实验室李峰教授团队利用有机发光自由基材料备有机发光二极管,实现了近100%的量子效率,解决了传统荧光发光材料发光效率低的问题。该成果以吉林大学为第一完成单位在《自然》刊发。

  发光器件是显示与领域中的关键元件,和传统发光二极管(LED)相比,有机发光二极管(OLED)具有对比度高、超薄以及可弯曲等优点,在显示与领域拥有巨大的市场价值与应用前景。传统的有机发光二极管通电时理论上只有25%的能量可用于发光,如何将其余大部分能量转化为光子发光,一直是该研究领域近30年来的热点和难点。

  研究团队发现,具有独特单电子结构的有机发光自由基材料在通电时只产生双线态激子,理论上100%的双线态激子都能用于发光。用有机发光自由基材料备有机发光二极管,可以解决传统有机发光二极管发光效率不高的问题。通过不断改良材料及器件结构,团队开发出了高发光效率的自由基发光材料和发光器件。

  李峰介绍,当前应用于有机发光二极管的发光材料通常是荧光和磷光材料,但前者发光效率有限,后者需要资源稀缺的重金属,导致成本提高。相较之下,有机自由基材料属于廉价的有机化合物,在实现最大化电转光效率后又降低了成本。

  该项研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划和973计划、国家留学基金委访问学者项目和吉林大学培英工程计划的支持。

  钙钛矿LED

  据外媒报道,研究人员新研发的基于钙钛矿半导体的LED刷新了新的效率记录,可与最佳有机LED(OLED)媲美。

效率更高成本更低的钙钛矿LED面世

  与广泛用于高端消费电子产品的OLED相比,由剑桥大学的研究人员开发的基于钙钛矿的LED造成本更低,并且可以调整为通过可见光和具有较高颜色纯度的近红外光谱发光。

  研究人员对上述LED中的钙钛矿层进行的研究设计,实现了近100%的内部发光效率,开辟了其在显示器、和通信以及下一代太阳能电池等的未来应用前景。

  这些钙钛矿材料与那些用于造高效太阳能电池的材料相同,有朝一日可以取代商用硅太阳能电池。虽然当前已经开发出了基于钙钛矿的LED,但它们在将电能转化为光的过程中并不如传统的OLED那样有效。

  剑桥大学卡文迪什实验室的Dawei Di博士表示:“这种钙钛矿 - 聚合物结构有效地消除了非发光性损失,这是第一次在基于钙钛矿的设备中实现这种性能。通过这种混合结构,我们基本上可以防止电子和正电荷通过钙钛矿结构中的缺陷重新结合。”

  用于该LED器件的钙钛矿 - 聚合物共混物,被称为体异质结构,是由二维和三维钙钛矿成分和绝缘聚合物成。当超快激光射在该类聚合物结构上时,多对携带能量的电荷对以万亿分之一秒的速度从2-D区域移动到3-D区域:比LED中使用的早期层状钙钛矿结构快得多。随后,3-D区域中的分离电荷重新组合并发射出非常强烈的光。

  Di表示:“由于从2-D区域向3-D区域的能量迁移发生得如此之快,而且3-D区域中的电荷与聚合物的缺陷隔离,这些机可以缺陷的产生,从而有效防止能量损失。”

  该论文的第一作者Baodan Zhao表示:“在与显示器应用相关的电流密度下,这些器件的最佳外部量子效率高于20%,创造了钙钛矿LED的新记录,同时也与目前市场上最好的OLED的效率值相似。”

  虽然这种基于钙钛矿的LED在效率方面能媲美OLED,但如果要在消费电子产品中广泛采用,它们仍需要更好的稳定性。首次开发的钙钛矿LED只有几秒的寿命。而通过目前的研究开发的LED具有近50小时的半衰期,对于在短短四年内实现的改进是一个巨大的进展,但仍未达到商业应用所需的寿命,因此还将需要广泛的工业发展规划。Di指出:“了解该LED的退化机是未来不断改进的一大关键。”

  高效液基量子点LED

  土耳其伊斯坦布尔科克大学的研究人员研发出了高效LED,在该款LED中拥有悬浮在液体中的量子点。研究人员指出,量子点在从液体中取出然后固定成固体形式时其发射效率会降低。这种效率损失被称为基质效应。因此,研究人员通过将液体整合到LED中,进而消除了基质效应,最终得到了64lm/W的红、绿、蓝(RGB)发光效率,以及105lm/W的绿蓝(GB)白光发光效率.

  根据理论计算,液体QD-LED的发光效率可以达到200lm/W以上。研究人员还指出,流体介质的光学特性可以通过替换成另一种流体介质来改变,并且还可以通过控流体的混合比来调整光谱。

  由于受到基质效应的影响,液基量子点溶液可将发光效率提高50%以上。其次,随着量子点的量子产率增加,发射光子数量与吸收光子数量的比率显著提高,从而实现高效颜色转换以及更高的白光LED效率。

  研究人员对色彩转换光谱进行了额外的微调,以使其峰值近视觉函数的峰值。这种微调实现了更高光效的光放射。

  f-VLED低成本转移方法

  韩国KAIST研究团队为柔性垂直蓝色薄膜Micro LED(f-VLED)开发了一种低成本的生产方法。由材料科学和工程系的李教授Keon Jae Lee带领的研究团队开发了一种用于在塑料上造数千个蓝色氮化镓(GaN)Micro LED(厚度

韩国KAIST研发用于f-VLED的低成本转移方法

  蓝色GaN f-VLED实现了比横向Micro LED高三倍的光功率密度(大约30 mW/mm2)。此外,该团队还能够减少设备热量的产生,从而使投影设备的使用寿命延长了大约100,000小时。

  这种蓝色f-VLED可配合可穿戴设备适形地连到皮肤种,甚至是植入大脑。此外,该研发团队表示可以通过无线传输的电能为该Micro LED稳定供电。

  由于其非常低的功耗、更快的响应速度以及设计灵活性,预计Micro LED将取代AMOLED显示器。然而,要扩展到更大的显示器和电视,这种造技术将需要能够传输数百万个红色、蓝色和绿色Micro LEDs。

  Lee教授指出:“对于未来的Micro LED而言,薄膜转移、高效器件和互连的创新技术都是非常必要的。我们计划在今年年底之前展示智能手表尺寸的全彩色LED显示屏。”

  新型量子点

  瑞士研究团队发现铯铅卤化物(Caesium Lead Halide)的量子点可以使得LED更亮、点亮速度更快。量子点是一种奈米微晶体(Nanocrystal)半导体材质,其直径仅有2~10nm,相当于10~50个原子宽度而已。瑞士研究团队研发出的奈米微晶体是由铯铅卤化物组成,并以钙钛矿晶格(Perovskite Lattice)排列。

  苏黎世联邦理工学院教授Maksym Kovalenko表示,这种奈米微晶体受光子激发后可以快速发光。Kovalenko借由改变奈米微晶体的组成和大小,可以激发出不同波段的可见光,并应用于LED和显示器。

由蓝色激光激发的绿色发光钙钛矿量子点样品

  根据以往的研究,量子点在室温下被激发后,大约20十亿分之一秒(Nanoseconds)后发光;而铯铅卤化物量子点同样在室温下被激发后,大约只要十亿分之一秒就会发光。相较之下,铅铯卤化物量子点反应速度相当快。

  材料工程教授David Norris解释,利用光子(Photon)激发奈米微晶体可以使电子离开原来晶格的位置,产生空穴;而电子—电洞对(Electron-Hole Pair)处于激发态,若电子—电洞恢到基态(Ground State)才会发光。

  不过大部分的量子点材料皆会处于Dark State,也就无法吸收光子的状态,使得电子—电洞对无法恢到基态,因此发光时间受到了限而发生延迟。而铯铅卤化物量子点则不常有Dark State,因此可以立即发光。这也是为什么铅铯卤化物量子点反应速度快、被激发后的光也较亮。

  更便宜、更安全的LED

  美国俄勒冈州立大学的研究人员使用了一种比汽车电池酸还要强得多的“超强酸”,来提高由铜铟二硫化物成的“量子点”的性能。这一研究有望产生更便宜、更安全的LED。

  量子点在光学和电子学中使用已经有一段时间了。但由于铅和镉的毒性,它们的造成本很高,对于一些潜在的应用(如生物医学成像)来说,也是不安全的。

  俄勒冈州立大学化学工程教授Greg Herman表示说,“量子点可应用于各种产品和技术中,但对于大众消费使用来说,可能最重要的是改进LED”,“现在市场上就有使用量子点的发光纳米晶体电视。”

  这项最新研究发表在Materials Letters期刊上,在研究中,研究人员研究出了一种超强酸的处理方法,可以将无毒、非重金属量子点的光致发光提高到硒化镉相当的程度。

  Greg Herman还说:“这种超强酸处理过的量子点的光发射要好得多”,“现在仍然有一些问题需要解决,但我们已经证,它能够改善量子点的寿命以及提高量子效率。而且由于这些量子点无毒性,因此也有潜力用于生物医学应用领域。”

  超高纯稀土改性氧化铝

  由上海交通大学材料科学与工程学院研发团队自主研发的稀土改性高纯度蓝宝石原料中试项目正式投产,生产线首次产出5N(纯度大于99.999%)高纯氧化铝产品。高纯度氧化铝是铝产业的高端产品,又是人造蓝宝石的主要原材料,新项目弥补了国际稀土高纯铝备技术空白,也将使高纯铝产业和人造蓝宝石产业实现全线贯通。

  该研发团队拥有国内首套具有完全自主知识产权的超高纯铝提纯工艺及装备。团队负责人张佼教授表示,新技术将高纯度氧化铝提纯工艺和稀土新材料备技术完美融合,添加稀土后,产品不仅在韧性上有了很大提高,在色彩亮度和硬度上也实现了极大提升,现可备6N超高纯铝锭,并进行5N超高纯铝锭的规模化生产,为我国超高纯度氧化铝原料的批量生产奠定了坚实基础。

  据了解,以高纯铝水解备的纯度超过5N的高纯氧化铝,是生产LED衬底蓝宝石单晶片的主要原材料,全球超过90%的LED企业均采用蓝宝石作为衬底材料。此外,高纯度氧化铝还广泛应用于锂电池隔膜材料、高端荧光粉、催化剂、半导体陶瓷等。

  赛福尔新材料有限公司总经理潘天龙介绍说:“这种新产品以前市场上是没有的,我们的超高纯度铝锭填补了这项生产技术的空白,我们的上游是铝工业的产业,下游是人造蓝宝石晶体的产业,这一新产品首次实现了我国这两条产业的无缝对。下来,我们将会把产品逐步推向手机屏幕、相机镜头、高端陶瓷靶材等多个生产应用领域。”

  近红外钙钛矿LED

  由西北工业大学柔性电子研究院首席科学家、中国科学院院士黄维教授与南京工业大学先进材料研究院常务副院长王建浦教授所带领的团队利用低温溶液法,近日在钙钛矿发光层设计上提出了新思路,将近红外钙钛矿LED外量子效率提高到20.7%,再次刷新了世界纪录,其相关研究成果发表在Nature(《自然》)杂志上。

  LED是一种能够将电能转化成光能的半导体电子元件,具有节能、环保、安全和高亮度等特点,在日常生活和生产中得到了广泛应用。近年来兴起的钙钛矿发光二极管兼具无机LED和有机发光二极管(OLED)的优势,在低能耗、高亮度、大尺寸显示与领域具有广阔的应用前景。2016年该科研团队即提出钙钛矿维度调控创造钙钛矿发光二极管(LED)效率记录。

  对于许多长期从事钙钛矿LED研究的科学家们来说,唯有平整、覆盖率高、无显孔洞的钙钛矿薄膜才是实现高效率器件的基础。该科研团队此次在《自然》杂志上发表的题为“基于自发形成亚微米结构的钙钛矿发光二极管”的研究论文不仅打破这一观点,还报道了当前世界上最高的钙钛矿LED外量子效率。王建浦教授说,他们发现当钙钛矿晶粒像一个个麻将牌,互不相连且不规则地分布在衬底表面时,可以获得外量子效率达到20.7%的近红外钙钛矿发光二极管,与国际同行获得的13%外量子效率相比,提高了将近8个百分点,器件辐度达到390W sr-1 m-2,并且在100mA cm-2的电流密度下持续工作20个小时后效率才降低一半,性能远超目前热门的相近发光波段的OLED。

  据黄维院士介绍,该团队还与与浙江大学田鹤教授、戴道锌教授团队合作,发现这种钙钛矿发光层是由分散的钙钛矿晶粒和嵌入在晶粒之间的低折射率有机绝缘层组成的,并且这种结构可以进一步使器件顶电极形成高低起伏的褶皱结构,从而有效提升器件的出光效率。这一成果对钙钛矿LED的发展与应用具有重要的理论意义和实践意义,为进一步推进钙钛矿LED的产业化发展提供了全新思路和途径。”

  绿光钙钛矿LED器件

  绿色可见光钙钛矿LED器件的外量子效率达到20.3%,刷新了该领域的世界纪录!华侨大学魏展画教授团队提出了一种全新的薄膜备策略,并优化了LED器件结构,备出了全球领先的高亮度、高量子转换效率的LED器件,在钙钛矿电致发光领域取得了重大研究进展,推动我国向发展具有自主知识产权的、价格低廉的显示和器件产业迈出重要的一步。该研究成果发表在国际顶级学术期刊《自然》杂志上。

  近几年来,钙钛矿材料在电致发光领域的潜在应用开始引起人们的广泛关注,但是,受限于钙钛矿薄膜较差的成膜特性以及相对较低的荧光量子效率,其在发光、显示以及激光领域的应用发展一直比较缓慢。为了克服上述困难并提高器件电光转换效率,魏展画教授团队提出了一种全新的薄膜备策略:组分空间分布管理,通过构建全新半核壳结构,大幅减少了晶体内的非辐射合缺陷,提高了钙钛矿薄膜的发光效率;另一方面,通过在发光层和电子传输层间插入PMMA阻挡层,有效地改善了器件内的电子和空穴的注入速度匹配情况。通过上述优化,得到的钙钛矿LED器件的外量子转换效率高、稳定性较好。该研究成果已申请了国家和国际PCT专利。

  据魏展画教授介绍,钙钛矿LED作为平面自发光器件,具有质量轻、厚度薄、视角广、响应速度快、可用于柔性显示、使用温度范围广、构造和备工艺简单等优点,在屏幕显示(手机、电视、PC、VR和车载设备等)和绿色健康灯光(无蓝光伤害)等方面具有潜在的应用前景。

编辑:严志祥

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