量子點發光二極體之發展現況

 

刊登日期:2014/6/5
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量子點(Quantum Dots; QDs)本身擁有不錯的發光量子效率,加上可以藉由光激發光(Photoluminescence; PL)或電激發光(Electroluminescence; EL)的方式來放光,因此不論是與無機發光二極體LED的搭配或是以類似有機發光二極體OLED的結構來製作元件,量子點都被認為有很好的發展潛力。理論上,量子點放光光譜的半高寬(Full-Width at Half-Maximum; FWHM)很窄(30~40 nm),所以可以得到比較飽和的顏色(圖一),非常適合應用在平面顯示器上。另外,量子點可以藉由改變粒徑大小來調整發光波長,較小尺寸的量子點發光接近藍色,而較大尺寸的量子點發光則是接近紅光。例如CdSe量子點粒徑2.1 nm時發出藍光,粒徑5 nm時發出綠光,而粒徑10 nm時則發出紅光。


圖一、量子點有較窄的放光光譜,可以得到比較飽和的顏色

量子點的應用方法(PL/EL)
目前量子點技術應用於LCD顯示器與LED照明,主要是利用光激發光的原理,利用LED的光源來激發量子點,藉以得到其他顏色的光源。常見的白光LED主要是藍光LED搭配黃色YAG螢光粉,不過演色性(Color Rendering Index; CRI)並沒有很好,然而利用紅光與綠光的量子點搭配藍光LED,可以達到CRI大於90的高演色性白光LED光源,非常適合應用在照明上。在LCD顯示器方面,藉由使用高色純度的量子點與PL放光機制,可以彌補傳統LCD顯示器色飽和度不足的問題,提升NTSC數值至100%以上。而利用電激發光原理所製作的量子點發光二極體(QD-LEDs),以類似有機發光二極體(OLED)的結構來製作元件,在兩個電極間加入量子點,通電使其電激發光。量子點由於擁有較窄的半高寬以及適用塗佈製程等優點,非常適合以溶液製程製作發光二極體。以下主要針對量子點以電激發光(EL)模式來放光的情形進行說明。

EL式量子點發光二極體的發展概況
2. 元件結構
1994年加州大學柏克萊分校的Colvin等人在Nature期刊發表,利用CdSe量子點搭配導電高分子PPV所製作而成的有機無機混成電激發光元件(Hybrid Organic/Inorganic Electroluminescent Device),此元件是量子點利用電激發光原理的最早應用,在ITO陽極與Mg電極中間加入導電高分子PPV與量子點CdSe的結構來製作元件(圖三)。
3. 有機材料的電荷傳輸層
2002年,麻省理工學院的Coe等人發表利用小分子有機材料做為QD-LEDs的有機傳輸層,以類似有機發光二極體的結構來製作(圖四),此量子點發光二極體只有極少量的有機材料發光,主要是量子點的放光,元件外部量子效率有0.52%。從此之後,有許多的研究開始使用有機的電子與電洞傳輸材料來製作QDLEDs。
4. 近期文獻回顧
隨著QD-LEDs近20年的研究發展,外部量子效率逐漸提高,期刊文獻陸續發表一些不錯的成果。2009年,南韓三星尖端技術研究所(SAIT)發表全溶液製程的紅光QD-LED,1.9 V超低驅動電壓,最大亮度可以達到12,380 nits,而元件效率也有2.41 lm/W,另外該研究所也成功製作出4吋的單色AMQDLED (Active-Matrix Quantum Dot Light-Emitting Diode)顯示器,解析度320×240(圖五),Samsung當時發表這些優異的成果讓很多人眼睛為之一亮,認為量子點顯示器量產是有機會的,加上Samsung這幾年幾乎不公開其QD-LEDs元件效率與壽命表現,不禁讓人聯想是否商品化的腳步近了。在札幌舉辦的2013國際顯示器研討會(IDW’13)也有很多與QD-LEDs相關的演講……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文 


圖二、CuInS2量子點溶液PL及PL放光光譜

作者:葉翰政/工研院材化所
本文節錄自「工業材料雜誌330期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=11896 


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