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这两大新技术,将再次改变LED

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2020/9/11     浏览次数:    

最近,LED有哪些新技术进展,值得我们关注?

  台湾清华大学研发出喷墨印打印式可弯折Micro LED

  国立清华大学材料系陈学仕教授领导的研究团队创全球之先,用盐水为量子点材料「包膜」,不仅能抵抗水、氧侵蚀,还能均匀地用喷墨打印出比砂粒还小的微米级LED(Micro LED),印在塑胶膜上,就可造出各式可弯折的高解析手机、眼镜等屏幕。

很多人会将削切后的苹果泡在盐水里来防止它氧化变黑,但你知道泡盐水也能保护脆弱的量子点材料吗?国立清华大学材料系陈学仕教授领导的研究团队创全球之先,用盐水为量子点材料「包膜」,不仅能抵抗水、氧侵蚀,还能均匀地用喷墨打印出比砂粒还小的微米级LED(Micro LED),印在塑胶膜上,就可造出各式可弯折的高解析手机、眼镜等屏幕。

这项创新的研发成果,最近登上《美国化学学会应用材料与界面》(ACS Applied Materials&Interfaces)期刊封面,并且已申请美国及台湾专利。

为造出更高解析、高亮度、超轻薄、可弯曲、寿命长的显示器,以应用在扩增实境(AR)、虚拟实境(VR)眼镜、手表等穿戴式电子设备荧幕,苹果、三星及面板大厂无不投入巨资全力研发微米级LED,来取代目前的OLED。

  但要把上百万颗尺寸在100微米以下的微型LED排列在基板上,就牵涉到最困难的「巨量转移」技术。陈学仕教授指出,不少厂商采用「盖印章」的方法,把数百万红、绿、蓝3色的微型LED逐一搬移黏贴到基板上,但只要有几个小点没有黏到,荧幕就会出现坏点。

  于是有业者想到用喷墨打印的方式来排列微米级LED,以提高良率、节省成本。但陈教授指出,量子点溶液经喷墨打印机喷出后,液滴内部会产生对流,把材料推到外围,无法均匀分布,「就像不小心滴落的咖啡滴,中心颜色比较淡,外圈颜色则比较深,这就是所谓的咖啡环现象。」

 陈学仕教授研究团队决定在量子点溶液中加入盐水,也就是氯化钠溶液,成功将量子点包覆住,形成结晶,「就像把量子点抓回来,聚缩成均匀分布的一颗小点。」而经过「包膜」的量子点也更稳定,就像泡了盐水的苹果,不易受到水、氧的侵蚀。

  想出为量子点「泡盐水」点子的是研究团队成员之一的清华大学材料所何士融博士。他从显微摄影中观察到,没加盐水的量子点材料经喷墨打印机喷出后,四散为不规则形状;加了盐水后,量子点则会逐渐收缩聚合为一个均匀漂亮的晶体。

何士融博士说,加了盐水的量子点还可以喷出更小的液滴。他表示,目前量子点喷墨打印机的液滴尺寸大约是30到50微米,但加了盐水就可以喷出小至3.7微米的液滴,大约只有人类头发直径的1/20,分辨率更升级。

  新型LED设计,发光效率提升1000倍

  日前,由美国国家标准与技术研究所(NIST)牵头的科研小组开发了一种新型 LED 设计:“鳍式”LED(Fin LED),这种设计可以产生微瓦级的输出功率,比现有的纳米级 LED 和激光器高出约 1000 倍,可能是克服 LED 光源效率限制的关键一步。

  该研究小组还包括来自马里兰大学、伦斯勒理工学院和 IBM 托马斯 ·J· 沃森研究中心的多位科学家,论文发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上,LED 亮度的大幅提高以及产生激光的能力等特性,都有望使该技术产生更多衍生价值。

图|“鳍式”LED 像素设计包括发光的氧化锌“鳍”(紫色)、隔离介电材料(绿色)和金属触点(黄色)(来源:NIST)

  NIST 负责构思 LED 新设计的专家巴巴克 · 尼古巴赫(Babak Nikoobakht)说:“这是制造 LED 的全新架构,我们使用的材料与传统 LED 相同,区别在于它们的形状不同。”

  有意思的是,研究人员开发的新设计,最初并不是为了着手解决 “光效下降” 这个问题,他们原打算制造一种微型 LED,用于非常小的应用,例如 NIST 正在研究的芯片实验室技术。

  研究小组对 LED 发光部分进行了全新的构建:与常规 LED 所采用的平面设计不同,他们使用长而细的氧化锌线束(称为鳍片)构建了光源,每个鳍的长度仅约 5 微米,大约是人类头发平均宽度的十分之一,它们组成的鳍阵列看起来像一个微小的梳子,可以延伸到 1 厘米或更大的区域。

图|鳍式 LED 像素和阵列光学图像(来源:Science Advances)

  尼古巴赫说:“我们看到了鳍片的机会,因为我认为鳍片的细长形状和较大的侧面可以接收更多的电流。一开始我们只是想测试一下新设计的‘极限’,我们开始加大电流,想办法把它开到烧坏为止,但它总是越来越亮。”

  典型的面积小于平方微米的 LED 发光功率约为 22 纳瓦,但这种新型 LED 最多可产生 20 微瓦,将发光功率最高提升近 1000 倍。这表明该设计克服了 LED 的光效下降障碍,从而使光源更明亮。

  “这是我见过的最有效的解决方案之一。”南卡罗来纳大学电气工程教授格里戈里 · 西敏(Grigory Simin)评价说,学界和产业界多年来一直致力于提高 LED 的效率,而其他方法在应用于亚微米级的 LED 时通常会遇到技术问题,这种方法却做得很好。”

 图|在高电流密度下,鳍式 LED 过渡到鳍式激光器(来源:Science Advances)

  当在实验中不断加大电流时,研究小组又有了一个惊人发现。虽然 LED 起初在一定波长范围内发光,但其最终会缩小为深紫色的两个波长,他们的微型 LED 竟然变成了一个微小的激光器,实验记录到的电流密度为 1000 kA/cm 2,LED 转换为激光,亮度超过 20 微瓦。

  “将 LED 转换成激光需要很大的努力。通常,需要将 LED 耦合到谐振腔,谐振腔才能使光线反弹以产生激光。” 尼古巴赫说。“但鳍式设计可以独立完成全部工作。”微型激光器的应用也非常多,不仅在化学传感方面,而且在下一代手持式通信产品、高清显示器和消毒方面也是如此。

  尼古巴赫认为:“这种全新 LED 设计作为重要的构建基块具有很大的潜力。” “虽然这不是人们制造的最小的激光器,但它是一个非常明亮的激光器,且不存在效率下降的问题,将会大有用处。”

  研究结论中指出,这项发现令人鼓舞,代表了 LED 设计体系结构的重要一步,可以克服 LED 中的 “电流密度下降” 和“温度下降”效应,以最大化其每个像素可实现的输出功率。


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