量子点发光二极管组件在显示器之应用

hx0999 · 发表于 2007-6-21 22:35:35

Greg Moeller & Seth Coe-Sullivan

一项结合量子点(quantum dots；QD)无机发光核心与熟知小分子有机LED架构的新技术正热烈开发中。QD-LEDs同时兼具高分子可溶特性、制程简易以及磷光材料的高发光效率潜力。

量子点(QUANTUM DOTS，QDs)，乃是应用在有机发光二极管组件(OLED)内的发光材料，系将小分子和高分子材料所具有的性能与制程的优势，整合成单一材料组合(material set)。小分子(SM-OLED)与高分子(PLED)等两种OLED技术，由于性能的限制与制程的瓶颈，导致其市场渗透率有所减缓。虽然消费者受到自发光显示器技术本身的视觉优势所吸引，以及制造商不断地看到液态制程的优势，然而性能及液态制程等优点却一直无法通过单一复合性OLED材料达成，所以彼此间的竞争技术不断地推陈出新。在本文中，我们在一个标准的OLED结构内，借助量子点的导入，可以达到具有高性能且又可套用在液态制程的单一平台。

组件性能
过去数十年，在改善基础OLED材料整合方面，人们不断地投入了许多的努力。虽然理论上，可运用的小分子和高分子材料种类相当繁多，然而，有机材料的寿命、效率、色彩及目前最佳化制程条件仍受到多重参数的牵制，使得原本领先的OLEDs红、蓝、绿发光材质的开发受到阻碍。
小分子与高分子OLED材料。早期的发展技术无法通过单一化的封装方式来展现SM-OLED与PLED发光材料所具有的独特优点。不过，在今天市场上相关商品种类中可以看出荧光性(Fluorescent)小分子产品已能呈现出高寿命及最佳化制程组合，而荧光SM-OLEDs也已应用在MP3播放器、手机、数码相机及苹果牌iPod的微显示器周边等处。而磷旋光性(Phosphorescent)小分子材料在效率方面，则是具有显著而领先的趋势，且具有近乎完美的内部量子效率。但是，在制程选择上，仅有高分子材料具有液态制程的关键优势，该制程使用的基板尺寸甚至超越第四代产品线(Gen 4)的要求。此外，QD则是通过改变发光层材料成份，将所有的关键性材料全部掺混在一起，藉以提升材料在OLED发展上的优势及组件的组织架构。
量子点(quantum dots)。以无机QDs作为发光层的复合性材料，不但同时具有小分子和高分子材料所具有的诱人特性外，同时还可降低OLED在严格封装上的要求。读者若想要了解QDs(图一)，也就是众所皆知的纳米晶体(nanocrystals)，只需具备量子力学原理及固态半导体物理的相关背景知识即可。
在大多数传统半导体组件中，电子和空穴可通过固定大小(一般来说约在10纳米等级)的粒子波函数来描述。在局限的QD系统内，这些波函数无法充分地延伸，与绝大部分的半导体相比，QD具有较高的能态。借助量子力学，我们可以计算出粒子在这样一个局限系统中的相对能量【若读者想要进一步了解，请参考Efros and Rosen, Ann. Rev. Mater. Sci. 30, 475 (2000)】；但藉由直觉判定，我们就足以了解此能量会随着系统局限程度的升高而增加。对于QDs而言，系统的局限程度取决于粒子的大小，因此，当QD的直径缩小，则对应的电子及空穴波函数的能量就会增加。所以，当QD的直径缩小的同时，再结合而形成的发光性电子─空穴对就会释放出更多的能量(更蓝的光)。
如图一的披覆层(overcoating shell)，我们可将它视为QD的表皮层来解释它的功能。由于QD晶体结构不具周期性，使得QD晶体表面必须加以碎裂，方可产生不同能阶的表面态(surface state)，但此举将形成非辐射性的松弛路径(relaxation pathways)，并降低发光效率，而披覆层则是可以缓和这些效应。当单晶结构中额外加入半导体表皮层，相邻于核心的键(dangling bonds)就会被填满。实际上，它们在更远离QD核心的新表面键结也被取而代之。使用一个能隙比核心材料更宽的半导体，电子波函数将更完整地被局限在核心之内。因此，波函数只有一小部份将与相邻键结及表面态重迭，进而产生具有更高发光量子效率的QD。
一个能发出饱和光色的量子点发光二极管(QD-LEDs)，其极窄的发光带也是因为量子局限的效应所造成。在大多数三维(3-D)半导体材料中，传导带可供给使用的能态密度上升得很快[g(E) ?E1/2]；但是，对一个理想化的零维度(zero-dimension)QD而言，g(E)就会变成一系列带宽极窄且不连续的状态。
被覆的配位基(capping ligands)使得QD在胶质悬浮液内能够维持稳定。在实务上来说，这意味着在QD增长到特定大小时，并不会从溶液中离析出来，且可利用液体制程技术使它们成膜。在电子组件方面，覆盖层的另一项重要角色则是将电荷传送到QD发光状态，以及稳定电子组件内部的结构形态。
因此，量子点同时兼具高分子的溶解性以及磷光材料的高发光效率潜力。又因为QDs是由无机材料所构成，使得它们在水气或氧气中，比同类的有机半导体更为稳定。此外，它们能局限量子发光性质，并释放出较小频宽的色光，因而呈现出更佳饱和的光色。最后，因为纳米晶体的直径控制了QD的光学能隙，使得发光光色特性的判定及最佳化程序变得更简化。事实上，目前QDs胶质悬浮液(即溶液)特性可归纳成下列几点：(1)能发射出全光谱，即涵盖整个可见光和红外光区(图二)，(2)稳定性比有机荧光体(lumophores)高过数个级数，(3)放射出的半高峰波长(FWHM)在20 nm以下，(4)量子效率可达90%，并且(5)搭配商业化的有机传输层，便可制成QD-LED组件。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 22:35:48

QD-LED组件结构
为了做出有效率的QD-LEDs，我们采用了一个与SM-OLED非常类似的组件结构(图三、图四)。在这个组件构造中，电子传输层、空穴传输层、空穴注入层以及空穴阻挡层等都扮演着与SM-OLED组件相似的角色。
在发光层方面乃是使用单层QD薄膜(monolayer)，而有别于一般使用在磷旋光性或荧光性OLEDs之主体/客体掺杂而成的发光层。单层薄膜组件的关键性主要在于QD分子间的电荷传输效率并不高，因而使得组件的驱动电压攀升，进而导致耗能的增加。然而这类单层薄膜表面的平整度对于整个显示画素(pixel)上的要求并不需要非常完美，而且这样的结果非但不影响组件的性质，对于后续的材料制程特性及接口监的粗糙瑕疵也具有相当的容忍性，这使得组件制造变得更加简单。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 22:35:59

QD-LED组件性质
QD-LEDs的理论性能极限和磷旋光性材料相同，而无机QDs稳定的特性意味着它具有显著寿命改善的潜力。QD-LED的红、蓝、绿之色饱和度可检视CIE色度坐标，相对于高清电视(High Definition Television，HDTV)标准颜色三角的位置来表示。
红色和绿色组件在HDTV标准之外，然而，蓝色QD-LED的CIE色坐标却恰好落在标准范围，所以在蓝色QD-LED的电致发光(EL)光谱会看到红光的尾翼。所有QD-LEDs三原色皆呈现出再现性、稳定、特性电流－电压(I-V)表现、3-5V的驱动电压及8-12V的工作电压。
与荧光性OLEDs(25 lm/W)相反，QD-LED的发光效率与磷旋光性OLEDs(100 lm/W)具有等效的理论极限，因此，QD-LEDs很有潜能成为另一种低耗能显示器的选择。同时具备液态制程特性及100-lm/W发光效率的组合，在所有OLED发光材料中是很独特的。此外，QDs的发光半衰期(数十奈秒)比传统的磷旋光性小分子(数百纳秒)快上十几倍，比起高亮度(1000 cd/m2)的显示器，它们的效率还是可以维持一定水平，而这也是与等离子显示器性能竞争的必备条件。QD-LEDs使得高亮度与寿命长(超过20,000小时)的组合成为可能，因而有别于LCDs、OLEDs及等离子显示器。
与有机荧光体相比，第二个造成QDs稳定度增加的效应就是OLED封装的要求降低。对于OLED显示器而言，一般都是以玻璃/玻璃或玻璃/金属等方式封装，但是许多公司(例如Vitex 和DuPont)正试图使用薄膜隔离层的方式，来消弭玻璃盖或金属盖板的使用，此举可以降低OLED近50%的厚度和重量。若要阻止水蒸气及氧气渗透，这些隔离层的要求便非常严苛，因此在过去多年仍旧难以达成这种要求。但使用对水气及氧气本来就很稳定的无机材质的QDs，这些要求就有可能不需要那么严苛了，这也将使得薄膜隔离层的封装技术易于导入。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 22:36:33

QD-LED组件制造
由于QDs适用于液态制程，所以高分子材料具有的制程优势，也同样适用于QDs。一些已经成功展示的制程技术包括相分离(phase separation)、喷墨打印(ink-jetting)、液滴涂布(drop-casting)及Langmuir-type等技术。
或许，以旋转涂膜法(spin casting)之相分离制造QD-LED组件技术是众所皆知，不过，相分离技术形成大面积而有规则性的胶质纳米晶粒QDs，则是已建构完成的方法。藉由芳香族有机材料及脂肪族包覆的QDs混合溶液，以旋转涂膜法，可以在一个步骤内形成QD薄膜。当溶剂干掉的时候，两种不同的材料将会分离，并在有机半导体接点的顶部形成想要的QD单层薄膜。藉由精确及重复性实验控制，生成的薄膜特性确实证明该相分离制程兼具简易性及和灵活度。这些实验参数，例如溶液浓度、溶剂比率、QD粒子大小分布及表面组成比等，均会影响薄膜形成的结构。而控制这些因素就可以产生高效率及色饱和度高的QD-LEDs。但是，该制程是利用旋转涂膜法，所以它只能做为单色显示器制程平台。
对全彩化显示器而言，假设材质或组件设计在没有先天条件的限制下，大家所期望的仍是一个能在单一平面将QD单层薄膜直接图样化，而喷墨打印技术便是达到这样的制程诉求。QD Vision已开发了其它新颖的制造技术将QD单层薄膜沉积图样化。这些新制程使得QD-LED显示器能够在快速及高产出量的过程中，制成大面积面板，也使得技术能够从今日实验室的等级，转入小量试产，最后达到量产阶段。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 22:36:46

结论
量子点具有增进OLED材料稳定性、寿命、效率及色彩纯度的潜力，同时，也能够使用溶液制程技术进行大面积组件的生产。以一个显示器技术而言，OLED不断地展露出兼具高性能以及配合大尺寸玻璃母板制程的潜力。虽然组件性能的改善需依靠新材料的开发，而基板尺寸的大小则主要受限于制造的技术。QD-LED提升了大部分OLED已建构好的基础结构，例如电流驱动背光板及周严的封装技术，而这两项技术在最近几年已有显著的突破。因此，在OLED的技术路线上，QD-LED仍旧扮演着一个极为重要的角色。

yongsina · 发表于 2011-4-25 07:12:11

量子点发光二极管组件在显示器之应用

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