量子點發光二極體的發展與應用

 

刊登日期:2015/5/5
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QD-LED發展歷程
2009年,擁有豐沛 OLED 資源的三星電子,發表了嶄新的傳輸層搭配。使用有機的TFB高分子做為電洞傳輸層,以及無機的 TiO2 奈米晶體顆粒做為電子傳輸層,如圖四所示。這樣的搭配使得 QD-LED 元件的 EQE 正式突破 1%大關,其使用的紅光 CdSe/CdS/ZnS 量子點有最高EQE約1.5%(@~600 nits, 4V)。並在 2011年報導了使用轉印法製作的全彩 QD-LED 顯示器,如圖五所示。

在 2012年之後,使用高分子電洞傳輸層與無機電子傳輸層的結構,在效率上有爆發性的成長。首先Kwak等人使用倒置式(Inverted)結構及 OLED 蒸鍍製程,且將 ZnO 取代 TiO2 成為新的電子傳輸層,最後藉由調整電洞傳輸材料,將R、G、B的效率分別提升至 7.3、5.8及 1.7% EQEmax,如圖六所示。


圖四、(a)三星電子發表的新載子傳輸層結構;(b)元件效率與亮度表現;(c)QD-LED顯示器

2013年,美國 NanoPhotonica 團隊在 SID 發表 RGB 三色 QD-LED 元件,進一步推升元件效率,達到 12、13.4、2.7% EQE@1,000 nits。其 R與 G的壽命分別為 200小時@4,000 nits 與 320小時@1,800 nits,如圖七所示。同年,Bawendi 團隊與 QD Vision 公司更使用倒置式結構,將紅光 QD-LED 元件推升至18% EQEmax,如圖八所示。

2014年,中國的彭曉剛等人於 Nature 期刊發表在量子點前後分別增加了 PVK 以及 PMMA 等材料,可以將紅光 QD-LED元件效率提升到20.5% EQEmax,半衰壽命為 10萬小時@100 nits,如圖九所示。

QD-LED於顯示與照明的應用
一般而言,用於顯示器的三原色半高寬需要較窄的分佈,以提升色純度及色域範圍。而用於照明發光光譜的半高寬則希望寬大,以覆蓋整個可見光範圍,提升演色性。其發光峰的差異可由圖十的示意圖看出。由於照明與顯示對於發光光譜的半高寬要求不同,在 OLED 中,需要改變不同化學成分的材料,或是引入 Micro-cavity 的光學過濾現象,才能達到同時應用於照明與顯示這兩種需求不同的應用。然而,對於量子點而言,不需要更改材料本身的成分,也不需要設計不同的元件結構以改變光學共振性質,只要改變量子點奈米顆粒的粒徑分佈。粒徑分佈範圍大者,放光半高寬較寬,分佈範圍小者,則半高寬窄,整體元件技術難度僅侷限於量子點的合成製備。


圖十一、使用CdSe/ZnS量子點,製作白光元件(a)元件結構;(b)材料相關能階;(c)白光元件發光光譜

OLED與QD-LED優劣比較
為了評估 EL模式的 QD-LED在未來和 OLED 技術競爭的可行性,本文蒐集了一些目前的發展現況,並節錄部分優缺點,羅列如表一所示。由於目前 QD-LED製程與溶液製程的 OLED 完全相同,所以面臨的量產化製程優缺點是極度相似的。其中 QD-LED 的優勢可能在於其成本較OLED 中含銥(Ir)的磷光材料便宜,但最大的缺點在於壽命太短
……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:廖鎔榆 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」341期,更多資料請見下方附檔。


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