QLED發展演進

 

刊登日期:2021/4/5
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葉翰政/工研院材化所
 
量子點發光二極體(QLED)因擁有不錯的發光效率與色彩純度,被認為是理想的大面積平面顯示器技術。雖然量子點擁有良好的光致發光量子效率(PLQY),但如何有效地轉換成良好之電致發光(EL)的元件表現還是面臨到很多的挑戰。因此提升量子點發光二極體的可靠性是非常重要的。
 
【內文精選】
前 言
量子點(Quantum Dot; QD)擁有不錯的發光量子效率(Quantum Yield; QY),加上可以藉由電致發光(Electroluminescence; EL)或以光致發光(Photoluminescence; PL)的方式來放光,因此不論是以類似有機發光二極體(OLED)的結構來製作元件(量子點發光二極體(Quantum-Dot Light-Emitting Diode; QLED)),或是取代螢光粉與無機發光二極體(LED)搭配放光,量子點被認為有很好的發展潛能,相關研究也如雨後春筍般地爆發,QLED甚至被譽為是下一個接棒OLED的顯示技術。量子點是半導體奈米顆粒,又稱為奈米晶體(Nanocrystals),其擁有較窄的放光光譜半高寬(Full-Width at Half-Maximum; FWHM),應用在平面顯示器面板上可以得到色純度較飽和的顏色,提升顯示器的演色性(Color Rendering Index; CRI)(圖一)。
 
圖一、量子點有較窄的放光光譜,可以得到色純度較高的顏色,提升整體演色性
圖一、量子點有較窄的放光光譜,可以得到色純度較高的顏色,提升整體演色性
 
量子點的能隙(Energy Gap)與量子點的粒徑大小有關,量子點粒徑越小,侷限效應越強,量子點的能隙則會越大。因此,相同材料但不同粒徑尺寸的量子點,可以發出不同顏色的光。量子點經由合成反應時間來調整顆粒尺寸大小,藉此改變光色。粒徑較大的量子點會發出紅光,而粒徑較小的量子點則是發出藍光。例如:CdSe的量子點粒徑在10 nm時發出紅光,粒徑5 nm時發出綠光,而粒徑2 nm時則發出藍光。
 
QLED發展演進
3. 有機材料作為QLED電荷傳輸層
2002年,麻省理工學院的Coe與Bawendi等人發表利用小分子有機材料作為QLED的有機傳輸層材料,從圖四中可以看到,此元件把OLED的結構設計概念導入,並以分層方式製作。圖四(a)的元件結構因電洞跑太快導致QLED有電子傳輸層Alq3的放光;在圖四(b)結構設計加入TAZ作為電洞阻擋層,調整電子與電洞的傳輸平衡,因此可以看出調整過後的QLED元件發光主要是以量子點為主,只有少許有機材料放光。QLED在亮度2,000 nits的元件效率為1.6 cd/A,是當時QLED效率的世界紀錄。從此之後,有許多使用有機的電子與電洞傳輸材料製作QLED之研究。
 
8. 近期QLED文獻回顧
QLED經過這二十幾年的發展,在紅光、綠光、藍光(RGB)三色都有不錯的元件表現。其中紅光量子點為浙江大學彭笑剛教授團隊發表EQE為20.5%的紅光QLED元件,元件表現很好,已經跟AMOLED差不多了。其QLED元件結構使用傳統正結構來製作—ITO/PEDOT/Poly-TPD/PVK/QD/PMMA/ZnO/Ag,因ZnO會導致QLED元件電子傳輸太快,所以添加PMMA來降低電子傳輸能力,使得電子與電洞的傳輸較為平衡,讓激子可以在量子點放光,有助於元件效率的提升(圖八)。
 
綠光量子點為NanoPhotonica與佛羅里達大學一同發表的綠光QLED元件,QLED元件表現為82 cd/A、79.8 lm/W、EQE 21%。其QLED元件結構使用傳統正結構來製作—ITO/PEDOT/TFB/ZnCdSeS/PMMA/ZnO NPs/Al(圖九),添加PMMA來降低ZnO電子傳輸太快,使得電子與電洞的傳輸較為平衡,讓激子可以在量子點放光,提升QLED的元件表現,其中QLED元件的半衰壽命(LT50)可達10萬小時(起始亮度L0為100 nits,亮度從100 nits退到50 nits所經過的時間)。
 
藍光量子點為中國科學院發表的藍光QLED元件,QLED元件表現為14.1 cd/A、EQE 19.8%,EL放光Peak為468 nm,CIE座標(0.136, 0.078)。其QLED元件結構使用傳統正結構來製作—ITO/PEDOT/PVK/QD/ZnO/Al(圖十),量子點使用厚殼層的結構,厚殼層量子點的PLQY比薄殼好,電子傳輸層選擇小尺寸的ZnO奈米粒子,電洞注入與傳輸層使用Organic/Polymer的結構…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十、藍光QLED元件表現EQE可達19.8%
圖十、藍光QLED元件表現EQE可達19.8%
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》412期,更多資料請見下方附檔。

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