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    盤點2018年LED行業十大創新技術成果

     作者:匿名 來源:網上搜集 瀏覽次數:967 添加時間:2018-12-12 11:23:50

        

    當前,我國正處于產業結構調整、經濟增長方式轉變的重要時期,依靠技術創新來推動產業的發展,已成為LED業內的共識。而LED產業也在政策、技術和市場的共同推動下實現了高速增長,產業規模日益壯大。

    回顧2018年,LED照明行業諸多技術取得了突破性發展,FOFweek半導體照明網小編綜合盤點了全球各地的一些LED相關的新技術及新應用信息,期望大家能夠從中吸取應用創意養分,以創造出更多優秀的產品。

    紅外寬譜光源陣列研究

    近日,國際半導體產業雜志Semiconductor Today報道了中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張子旸課題組與中國科學院半導體研究所劉峰奇、王占國實驗室合作研制中紅外寬譜光源陣列的最新成果。該成果發表在Optics Letters上。

    中紅外寬譜光源基于半導體量子級聯材料,光源的有源層由30個重復的級聯周期組成,各周期之間通過低摻雜的n型InGaAs分隔開。研究人員所設計的有源區能帶結構如圖1所示,它采用了雙聲子共振結構,一個周期的有源區包含四個耦合的應變補償In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635As量子阱。這種結構通過兩次光學聲子輔助弛豫來實現更高效的低能級載流子抽運,從而增大粒子數反轉,提高自發輻射效率。使用這種材料結構的寬譜光源具有閾值電流密度更低、輸出功率更高等優勢。

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    圖1:基于四阱耦合雙聲子共振的量子級聯能帶結構

    (來源:Semiconductor Today)

    為了獲得抑制激射實現超輻射發光所需要的低反射率(小于10-6),中紅外寬譜光源器件尺寸一般比較大,因此很難制備成集成的器件陣列結構。研究人員所設計的寬譜光源器件波導結構如圖2所示,這是一種雙溝道脊型分段波導器件結構,由直條端、傾斜條形區、J型波導三部分組成。這種波導結構通過兩次反射率的突變,利用比較小的器件尺寸就滿足了低反射率的要求;谶@一結構,研究人員制備了一系列寬譜光源陣列,得到了室溫連續輸出功率2.4mW,譜寬199cm-1,遠場發散角20°。中紅外光源在大氣通信、空間遙感、化學檢測、醫療診斷等領域有著重要應用。該工作得到國家重點研發計劃和自然科學基金的資助支持。

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    圖2:中紅外量子級聯寬譜光源器件陣列示意圖

    左上:顯微圖像 右上:SEM圖像

    有機發光二極管研究

    吉林大學化學學院、超分子結構與材料國家重點實驗室李峰教授團隊利用有機發光自由基材料制備有機發光二極管,實現了接近100%的量子效率,解決了傳統熒光發光材料發光效率低的問題。該成果以吉林大學為第一完成單位在《自然》刊發。

    發光器件是顯示與照明領域中的關鍵元件,和傳統發光二極管(LED)相比,有機發光二極管(OLED)具有對比度高、超薄以及可彎曲等優點,在顯示與照明領域擁有巨大的市場價值與應用前景。傳統的有機發光二極管通電時理論上只有25%的能量可用于發光,如何將其余大部分能量轉化為光子發光,一直是該研究領域近30年來的熱點和難點。

    研究團隊發現,具有獨特單電子結構的有機發光自由基材料在通電時只產生雙線態激子,理論上100%的雙線態激子都能用于發光。用有機發光自由基材料制備有機發光二極管,可以解決傳統有機發光二極管發光效率不高的問題。通過不斷改良材料及器件結構,團隊開發出了高發光效率的自由基發光材料和發光器件。

    李峰介紹,當前應用于有機發光二極管的發光材料通常是熒光和磷光材料,但前者發光效率有限,后者需要資源稀缺的重金屬,導致成本提高。相較之下,有機自由基材料屬于廉價的有機化合物,在實現最大化電轉光效率后又降低了成本。

    該項研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃和973計劃、國家留學基金委訪問學者項目和吉林大學培英工程計劃的支持。

    鈣鈦礦LED

    據外媒報道,研究人員新研發的基于鈣鈦礦半導體的LED刷新了新的效率記錄,可與最佳有機LED(OLED)媲美。

    效率更高成本更低的鈣鈦礦LED面世

    與廣泛用于高端消費電子產品的OLED相比,由劍橋大學的研究人員開發的基于鈣鈦礦的LED制造成本更低,并且可以調整為通過可見光和具有較高顏色純度的近紅外光譜發光。

    研究人員對上述LED中的鈣鈦礦層進行的研究設計,實現了接近100%的內部發光效率,開辟了其在顯示器、照明和通信以及下一代太陽能電池等的未來應用前景。

    這些鈣鈦礦材料與那些用于制造高效太陽能電池的材料相同,有朝一日可以取代商用硅太陽能電池。雖然當前已經開發出了基于鈣鈦礦的LED,但它們在將電能轉化為光的過程中并不如傳統的OLED那樣有效。

    劍橋大學卡文迪什實驗室的Dawei Di博士表示:“這種鈣鈦礦 - 聚合物結構有效地消除了非發光性損失,這是第一次在基于鈣鈦礦的設備中實現這種性能。通過這種混合結構,我們基本上可以防止電子和正電荷通過鈣鈦礦結構中的缺陷重新結合!

    用于該LED器件的鈣鈦礦 - 聚合物共混物,被稱為體異質結構,是由二維和三維鈣鈦礦成分和絕緣聚合物制成。當超快激光照射在該類聚合物結構上時,多對攜帶能量的電荷對以萬億分之一秒的速度從2-D區域移動到3-D區域:比LED中使用的早期層狀鈣鈦礦結構快得多。隨后,3-D區域中的分離電荷重新組合并發射出非常強烈的光。

    Di表示:“由于從2-D區域向3-D區域的能量遷移發生得如此之快,而且3-D區域中的電荷與聚合物的缺陷隔離,這些機制可以缺陷的產生,從而有效防止能量損失!

    該論文的第一作者Baodan Zhao表示:“在與顯示器應用相關的電流密度下,這些器件的最佳外部量子效率高于20%,創造了鈣鈦礦LED的新記錄,同時也與目前市場上最好的OLED的效率值相似!

    雖然這種基于鈣鈦礦的LED在效率方面能媲美OLED,但如果要在消費電子產品中廣泛采用,它們仍需要更好的穩定性。首次開發的鈣鈦礦LED只有幾秒的壽命。而通過目前的研究開發的LED具有接近50小時的半衰期,對于在短短四年內實現的改進是一個巨大的進展,但仍未達到商業應用所需的壽命,因此還將需要廣泛的工業發展規劃。Di指出:“了解該LED的退化機制是未來不斷改進的一大關鍵!

    高效液基量子點LED

    土耳其伊斯坦布爾科克大學的研究人員研發出了高效LED,在該款LED中擁有懸浮在液體中的量子點。研究人員指出,量子點在從液體中取出然后固定成固體形式時其發射效率會降低。這種效率損失被稱為基質效應。因此,研究人員通過將液體整合到LED中,進而消除了基質效應,最終得到了64lm/W的紅、綠、藍(RGB)發光效率,以及105lm/W的綠藍(GB)白光發光效率.

    根據理論計算,液體QD-LED的發光效率可以達到200lm/W以上。研究人員還指出,流體介質的光學特性可以通過替換成另一種流體介質來改變,并且還可以通過控制流體的混合比來調整光譜。

    由于受到基質效應的影響,液基量子點溶液可將發光效率提高50%以上。其次,隨著量子點的量子產率增加,發射光子數量與吸收光子數量的比率顯著提高,從而實現高效顏色轉換以及更高的白光LED效率。

    研究人員對色彩轉換光譜進行了額外的微調,以使其峰值接近視覺函數的峰值。這種微調實現了更高光效的光放射。

    f-VLED低成本轉移方法

    韓國KAIST研究團隊為柔性垂直藍色薄膜Micro LED(f-VLED)開發了一種低成本的生產方法。由材料科學和工程系的李教授Keon Jae Lee帶領的研究團隊開發了一種用于在塑料上制造數千個藍色氮化鎵(GaN)Micro LED(厚度<2μm)陣列的一次性轉移方法。

    韓國KAIST研發用于f-VLED的低成本轉移方法

    藍色GaN f-VLED實現了比橫向Micro LED高三倍的光功率密度(大約30 mW/mm2)。此外,該團隊還能夠減少設備熱量的產生,從而使投影設備的使用壽命延長了大約100,000小時。

    這種藍色f-VLED可配合可穿戴設備適形地連接到皮膚種,甚至是植入大腦。此外,該研發團隊表示可以通過無線傳輸的電能為該Micro LED穩定供電。

    由于其非常低的功耗、更快的響應速度以及設計靈活性,預計Micro LED將取代AMOLED顯示器。然而,要擴展到更大的顯示器和電視,這種制造技術將需要能夠傳輸數百萬個紅色、藍色和綠色Micro LEDs。

    Lee教授指出:“對于未來的Micro LED而言,薄膜轉移、高效器件和互連的創新技術都是非常必要的。我們計劃在今年年底之前展示智能手表尺寸的全彩色LED顯示屏!

    新型量子點

    瑞士研究團隊發現銫鉛鹵化物(Caesium Lead Halide)的量子點可以使得LED更亮、點亮速度更快。量子點是一種奈米微晶體(Nanocrystal)半導體材質,其直徑僅有2~10nm,相當于10~50個原子寬度而已。瑞士研究團隊研發出的奈米微晶體是由銫鉛鹵化物組成,并以鈣鈦礦晶格(Perovskite Lattice)排列。

    蘇黎世聯邦理工學院教授Maksym Kovalenko表示,這種奈米微晶體受光子激發后可以快速發光。Kovalenko借由改變奈米微晶體的組成和大小,可以激發出不同波段的可見光,并應用于LED和顯示器。

    由藍色激光激發的綠色發光鈣鈦礦量子點樣品

    根據以往的研究,量子點在室溫下被激發后,大約20十億分之一秒(Nanoseconds)后發光;而銫鉛鹵化物量子點同樣在室溫下被激發后,大約只要十億分之一秒就會發光。相較之下,鉛銫鹵化物量子點反應速度相當快。

    材料工程教授David Norris解釋,利用光子(Photon)激發奈米微晶體可以使電子離開原來晶格的位置,產生空穴;而電子—電洞對(Electron-Hole Pair)處于激發態,若電子—電洞恢復到基態(Ground State)才會發光。

    不過大部分的量子點材料皆會處于Dark State,也就無法吸收光子的狀態,使得電子—電洞對無法恢復到基態,因此發光時間受到了限制而發生延遲。而銫鉛鹵化物量子點則不常有Dark State,因此可以立即發光。這也是為什么鉛銫鹵化物量子點反應速度快、被激發后的光也較亮。

    更便宜、更安全的LED

    美國俄勒岡州立大學的研究人員使用了一種比汽車電池酸還要強得多的“超強酸”,來提高由銅銦二硫化物制成的“量子點”的性能。這一研究有望產生更便宜、更安全的LED。

    量子點在光學和電子學中使用已經有一段時間了。但由于鉛和鎘的毒性,它們的制造成本很高,對于一些潛在的應用(如生物醫學成像)來說,也是不安全的。

    俄勒岡州立大學化學工程教授Greg Herman表示說,“量子點可應用于各種產品和技術中,但對于大眾消費使用來說,可能最重要的是改進LED照明”,“現在市場上就有使用量子點的發光納米晶體電視!

    這項最新研究發表在Materials Letters期刊上,在研究中,研究人員研究出了一種超強酸的處理方法,可以將無毒、非重金屬量子點的光致發光提高到硒化鎘相當的程度。

    Greg Herman還說:“這種超強酸處理過的量子點的光發射要好得多”,“現在仍然有一些問題需要解決,但我們已經證明,它能夠改善量子點的壽命以及提高量子效率。而且由于這些量子點無毒性,因此也有潛力用于生物醫學應用領域!

    超高純稀土改性氧化鋁

    由上海交通大學材料科學與工程學院研發團隊自主研發的稀土改性高純度藍寶石原料中試項目正式投產,生產線首次產出5N(純度大于99.999%)高純氧化鋁產品。高純度氧化鋁是鋁產業的高端產品,又是人造藍寶石的主要原材料,新項目彌補了國際稀土高純鋁制備技術空白,也將使高純鋁產業鏈和人造藍寶石產業鏈實現全線貫通。

    該研發團隊擁有國內首套具有完全自主知識產權的超高純鋁提純工藝及裝備。團隊負責人張佼教授表示,新技術將高純度氧化鋁提純工藝和稀土新材料制備技術完美融合,添加稀土后,產品不僅在韌性上有了很大提高,在色彩亮度和硬度上也實現了極大提升,現可制備6N超高純鋁錠,并進行5N超高純鋁錠的規;a,為我國超高純度氧化鋁原料的批量生產奠定了堅實基礎。

    據了解,以高純鋁水解制備的純度超過5N的高純氧化鋁,是生產LED襯底藍寶石單晶片的主要原材料,全球超過90%的LED企業均采用藍寶石作為襯底材料。此外,高純度氧化鋁還廣泛應用于鋰電池隔膜材料、高端熒光粉、催化劑、半導體陶瓷等。

    賽福爾新材料有限公司總經理潘天龍介紹說:“這種新產品以前市場上是沒有的,我們的超高純度鋁錠填補了這項生產技術的空白,我們的上游是鋁工業的產業鏈,下游是人造藍寶石晶體的產業鏈,這一新產品首次實現了我國這兩條產業鏈的無縫對接。接下來,我們將會把產品逐步推向手機屏幕、相機鏡頭、高端陶瓷靶材等多個生產應用領域!

    近紅外鈣鈦礦LED

    由西北工業大學柔性電子研究院首席科學家、中國科學院院士黃維教授與南京工業大學先進材料研究院常務副院長王建浦教授所帶領的團隊利用低溫溶液法,近日在鈣鈦礦發光層設計上提出了新思路,將近紅外鈣鈦礦LED外量子效率提高到20.7%,再次刷新了世界紀錄,其相關研究成果發表在Nature(《自然》)雜志上。

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    LED是一種能夠將電能轉化成光能的半導體電子元件,具有節能、環保、安全和高亮度等特點,在日常生活和生產中得到了廣泛應用。近年來興起的鈣鈦礦發光二極管兼具無機LED和有機發光二極管(OLED)的優勢,在低能耗、高亮度、大尺寸顯示與照明領域具有廣闊的應用前景。2016年該科研團隊即提出鈣鈦礦維度調控創造鈣鈦礦發光二極管(LED)效率記錄。

    對于許多長期從事鈣鈦礦LED研究的科學家們來說,唯有平整、覆蓋率高、無明顯孔洞的鈣鈦礦薄膜才是實現高效率器件的基礎。該科研團隊此次在《自然》雜志上發表的題為“基于自發形成亞微米結構的鈣鈦礦發光二極管”的研究論文不僅打破這一觀點,還報道了當前世界上最高的鈣鈦礦LED外量子效率。王建浦教授說,他們發現當鈣鈦礦晶粒像一個個麻將牌,互不相連且不規則地分布在襯底表面時,可以獲得外量子效率達到20.7%的近紅外鈣鈦礦發光二極管,與國際同行獲得的13%外量子效率相比,提高了將近8個百分點,器件輻照度達到390W sr-1 m-2,并且在100mA cm-2的電流密度下持續工作20個小時后效率才降低一半,性能遠超目前熱門的相近發光波段的OLED。

    據黃維院士介紹,該團隊還與與浙江大學田鶴教授、戴道鋅教授團隊合作,發現這種鈣鈦礦發光層是由分散的鈣鈦礦晶粒和嵌入在晶粒之間的低折射率有機絕緣層組成的,并且這種結構可以進一步使器件頂電極形成高低起伏的褶皺結構,從而有效提升器件的出光效率。這一成果對鈣鈦礦LED的發展與應用具有重要的理論意義和實踐意義,為進一步推進鈣鈦礦LED的產業化發展提供了全新思路和途徑!

    綠光鈣鈦礦LED器件

    綠色可見光鈣鈦礦LED器件的外量子效率達到20.3%,刷新了該領域的世界紀錄!華僑大學魏展畫教授團隊提出了一種全新的薄膜制備策略,并優化了LED器件結構,制備出了全球領先的高亮度、高量子轉換效率的LED器件,在鈣鈦礦電致發光領域取得了重大研究進展,推動我國向發展具有自主知識產權的、價格低廉的顯示和照明器件產業邁出重要的一步。該研究成果發表在國際頂級學術期刊《自然》雜志上。

    近幾年來,鈣鈦礦材料在電致發光領域的潛在應用開始引起人們的廣泛關注,但是,受限于鈣鈦礦薄膜較差的成膜特性以及相對較低的熒光量子效率,其在發光、顯示以及激光領域的應用發展一直比較緩慢。為了克服上述困難并提高器件電光轉換效率,魏展畫教授團隊提出了一種全新的薄膜制備策略:組分空間分布管理,通過構建全新半核殼結構,大幅減少了晶體內的非輻射復合缺陷,提高了鈣鈦礦薄膜的發光效率;另一方面,通過在發光層和電子傳輸層間插入PMMA阻擋層,有效地改善了器件內的電子和空穴的注入速度匹配情況。通過上述優化,得到的鈣鈦礦LED器件的外量子轉換效率高、穩定性較好。該研究成果已申請了國家和國際PCT專利。

    據魏展畫教授介紹,鈣鈦礦LED作為平面自發光器件,具有質量輕、厚度薄、視角廣、響應速度快、可用于柔性顯示、使用溫度范圍廣、構造和制備工藝簡單等優點,在屏幕顯示(手機、電視、PC、VR和車載設備等)和綠色健康燈光照明(無藍光傷害)等方面具有潛在的應用前景。

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