量子點發光元件與顯示技術的應用

刊登日期:2016/6/5
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本文介紹量子點發光元件與其於顯示技術的應用。其內容涵蓋量子點材料的結構與特性,及量子點發光元件的結構、原理與技術的演進,並與現行有機發光元件於顯示技術進行比較,最後提出量子點發光元件在顯示應用的未來展望。

量子點材料
1. 發光原理
量子點是奈米尺度的半導體晶體,由於電子受限於量子尺度,造成量子點與傳統半導體材料的特性不同。當電子電洞對被侷限在量子點內,因量子點的大小接近量子點材料的物質波波長,電子在量子點內的能階被量化,並形成能隙(Band Gap),藉由改變量子點的大小,就可以改變材料的能隙,即可調整量子點所發出的光色,這種現象稱為量子侷限效應(Quantum  Confinement  Effect)。量子點越小,其能隙就越大,可以發出較短波長的光。除此之外,藉由改變量子點的組成材料,亦可得到不同的發光光色,如圖一所示。

圖一、利用合成出不同組成與大小的量子點,即可調配出各色全波段的量子點發光材料

3. 量子點的最大優點–色彩飽和度高
量子點最大的優勢便是其色彩飽和度高,結合紅綠藍三色量子點發光,則可以組合出極廣的色域,並應用在全彩的顯示上。在可見光區,量子點的發光頻譜極窄(例如,CdSe的PL發光頻譜半高寬(Fullwidth at Half Maximum; FWHM)約為 30~40 nm),相較於一般有機發光材料的發光頻譜(FWHM 約為 50~100nm)來得窄,如此的特性使量子點可以發出極為飽和的色彩,這樣的色彩在 CIE 色座標上對應的是貼近邊緣的顏色。

QLED元件技術
3. QLED元件技術之演進
在 QLED 近 20年的元件技術與效率提升中,除了量子點材料的品質提升外,也跟傳輸/注入層的選搭有很大的關係。最早的QLED 使用高分子有機材料做為載子傳輸層,當時元件使用,只有核心層 CdSe 的量子點與高分子有機材料作為雙層或混合層夾在電極之間,元件可發光但效率極低。

2002年美國 MIT Bulovic 教授與 Bawendi 教授研究團隊將單層量子點放在兩層小分子有機材料之間,並製作出外部量子效率為0.5% 的發光元件,此種結構中,載子傳輸層與量子點各司其職,載子傳輸層負責將載子導到量子點中,載子在量子點中復合放光。

然而,使用有機材料作為傳輸層的 QLED 效率仍偏低,因此後來亦有改用無機金屬氧化物作為電子電洞傳輸材料,一般可使用 ZnO 作為此種結構之 n型電子傳輸層,及 NiO 作為 p型的電洞傳輸層,使用這兩種材料製作出來的元件雖然可以達到較高的電流(可達到 4 A /cm2),但效率依然不彰(EQE < 0.1 %)。



圖七、佛羅里達大學/NanoPhotonica於2015年發表的紅綠藍三色單色QLED(a)結構與能階圖;(b)發光頻譜與點亮示意圖;(c)發光頻譜於CIE色座標上對應的顏色;(d)紅光QLED元件特性;(e)綠光QLED元件特性;(f)藍光QLED元件特性

QLED與 OLED於顯示應用上之比較
近年來,QLED的效率有著突破性的成長,讓人逐漸看到有實際應用於顯示技術上的潛力。由 QLED的元件結構、工作原理與元件特性來看,都與 OLED相近,因此……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:吳懿麟 、李國昶、李裕正 / 工研院顯示中心
★本文節錄自「工業材料雜誌」354期,更多資料請見下方附檔。


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