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智慧生活設計事務所


2019年1月4日 星期五

New LED lighting technology brings the power of the Sun to hydroponics




來源: OFweek半导体照明网

當前,正處於產業結構調整、經濟成長方式轉變的重要時期,依靠技術創新來推動產業的發展,已成為LED業內的共識。而對岸的中國LED產業,也在他們的政策、技術和市場的共同推動下,實現了高速成長,產業規模日益壯大。

但,我們台灣呢?選舉過後,一堆政治人仍然不明白,今天的輸贏都不在政治,而是人民想改變;可悲的是,這些領導人從萊沒檢討過,台灣百工百業,完全沒有建立一套合乎世局的產業政策!

回顧2018年,LED照明行業諸多技術取得了突破性發展。小編綜合盤點了全球各地的一些LED相關的新技術,及新應用資訊,期望大家能夠從中吸取應用創意養分,以創造出更多優秀的產品。

紅外光寬譜光源陣列研究
近日,國際半導體產業雜誌Semiconductor Today,報導了對岸中國科學院蘇州奈米技術,與奈米仿生研究所張子暘課題組,與中國科學院半導體研究所劉峰奇、王佔國實驗室合作,研製中紅外光寬譜光源陣列的最新成果。該成果發表在Optics Letters上。

中紅外光寬譜光源基於半導體量子級聯材料,光源的有源層由30個重覆的級聯週期組成,各週期之間透過低摻雜的n型InGaAs分隔開。

研究人員所設計的有源區能帶結構如圖1所示,它採用了雙聲子共振結構,一個週期的有源區包含四個耦合的應變補償In0.678Ga0.322As/In0.365Al0.635As量子阱。

這種結構透過兩次光學聲子輔助弛豫,來實現更高效的低能級載流子抽運,從而增大粒子數反轉,提高自發輻射效率。使用這種材料結構的寬譜光源,具有臨界值電流密度更低、輸出功率更高等優勢。



1:基於四阱耦合雙聲子共振的量子級聯能帶結構(來源:Semiconductor Today


為了獲得抑制激射,實現超輻射發光所需要的低反射率(小於10-6),中紅外寬譜光源器件尺寸一般比較大,因此很難制備成整合的器件陣列結構。

研究人員所設計的寬譜光源器件,波導結構如圖2所示,這是一種雙溝道脊型分段波導器件結構,由直條端、傾斜條形區、J型波導三部分組成。

這種波導結構通過兩次反射率的突變,利用比較小的器件尺寸,就滿足了低反射率的要求。基於這一結構,研究人員製備了一系列寬譜光源陣列,得到了室溫連續輸出功率2.4mW,譜寬199cm-1,遠場發散角20°。中紅外光源在大氣通信、空間遙感、化學檢測、醫療診斷等領域有著重要應用。

該工作得到他們中國的國家重點研發計劃,和自然科學基金的資助支持。



2:中紅外量子級聯寬譜光源器件陣列示意圖 左上:顯微圖像   右上:SEM

有機發光二極管研究
吉林大學化學學院、超分子結構與材料國家重點實驗室李峰教授團隊,利用有機發光自由基材料,製備有機發光二極管,實現了接近100%的量子效率,解決了傳統螢光發光材料,發光效率低的問題。該成果以吉林大學為第一完成單位在《自然》刊發。

發光器件是顯示與照明領域中的關鍵元件,和傳統發光二極管(LED)相比,有機發光二極管(OLED)具有對比度高、超薄以及可彎曲等優點,在顯示與照明領域,擁有巨大的市場價值與應用前景。

傳統的有機發光二極管通電時,理論上只有25%的能量可用於發光,如何將其餘大部分能量轉化為光子發光,一直是該研究領域,近30年來的熱點和難點。

研究團隊發現,具有獨特單電子結構的有機發光自由基材料,在通電時只產生雙線態激子,理論上100%的雙線態激子都能用於發光。

用有機發光自由基材料製備有機發光二極管,可以解決傳統有機發光二極管,發光效率不高的問題。透過不斷改良材料及器件結構,團隊開發出了高發光效率的自由基發光材料,和發光器件。

李峰介紹,當前應用於有機發光二極管的發光材料,通常是螢光和磷光材料,但前者發光效率有限,後者需要資源稀缺的重金屬,導致成本提高。相較之下,有機自由基材料屬於廉價的有機化合物,在實現最大化電轉光效率後,又降低了成本。

該項研究得到了他們國家自然科學基金、科技部重點研發計劃和973計劃、國家留學基金委訪問學者項目,和吉林大學培英工程計劃的支持。

鈣鈦礦LED
據外媒報導,研究人員新研發的基於鈣鈦礦半導體的LED,刷新了新的效率記錄,可與最佳有機LED(OLED)媲美。


效率更高成本更低的钙钛矿LED面世


與廣泛用於高端消費電子產品的OLED相比,由劍橋大學的研究人員,開發的基於鈣鈦礦的LED製造成本更低,並且可以調整為通過可見光,和具有較高顏色純度的近紅外光譜發光。

研究人員對上述LED中的鈣鈦礦層,進行的研究設計,實現了接近100%的內部發光效率,開闢了其在顯示器、照明和通信,以及下一代太陽能電池等的未來應用前景。

這些鈣鈦礦材料,與那些用於製造高效太陽能電池的材料相同,有朝一日可以取代商用矽太陽能電池。雖然當前已經開發出了,基於鈣鈦礦的LED,但它們在將電能轉化為光的過程中,並不如傳統的OLED那樣有效。

劍橋大學卡文迪什實驗室的Dawei Di博士表示:「這種鈣鈦礦 - 聚合物結構,有效地消除了非發光性損失,這是第一次在基於鈣鈦礦的設備中,實現這種性能。透過這種混合結構,我們基本上可以防止,電子和正電荷通過鈣鈦礦結構中的缺陷,重新結合。」

用於該LED器件的鈣鈦礦 - 聚合物共混物,被稱為體異質結構,是由二維和三維鈣鈦礦成分,和絕緣聚合物製成。當超快雷射照射在該類聚合物結構上時,多對攜帶能量的電荷,對以萬億分之一秒的速度,從2-D區域移動到3-D區域:比LED中使用的早期層狀鈣鈦礦結構快得多。隨後,3-D區域中的分離電荷重新組合,並發射出非常強烈的光。

Di表示:「由於從2-D區域向3-D區域的能量遷移,發生得如此之快,而且3-D區域中的電荷與聚合物的缺陷隔離,這些機制可以缺陷的產生,從而有效防止能量損失。」

該論文的第一作者Baodan Zhao表示:「在與顯示器應用相關的電流密度下,這些器件的最佳外部量子效率高於20%,創造了鈣鈦礦LED的新記錄,同時也與目前市場上,最好的OLED的效率值相似。」

雖然這種基於鈣鈦礦的LED,在效率方面能媲美OLED,但如果要在消費電子產品中廣泛採用,它們仍需要更好的穩定性。首次開發的鈣鈦礦LED,只有幾秒的壽命。

而透過目前的研究開發的LED,具有接近50小時的半衰期,對於在短短四年內實現的改進,是一個巨大的進展,但仍未達到商業應用所需的壽命,因此還將需要廣泛的工業發展規劃。

Di指出:「瞭解該LED的退化機制,是未來不斷改進的一大關鍵。」

高效液基量子點LED
土耳其伊斯坦布爾科克大學的研究人員,研發出了高效LED,在該款LED中擁有懸浮在液體中的量子點。研究人員指出,量子點在從液體中,取出然後固定成固體形式時,其發射效率會降低。這種效率損失被稱為基質效應。

因此,研究人員透過將液體整合到LED中,進而消除了基質效應,最終得到了64lm/W的紅、綠、藍(RGB)發光效率,以及105lm/W的綠藍(GB)白光發光效率

根據理論計算,液體QD-LED的發光效率,可以達到200lm/W以上。研究人員還指出,流體介質的光學特性,可以透過替換,成另一種流體介質來改變,並且還可以過控制流體的混合比來調整光譜。

由於受到基質效應的影響,液基量子點溶液,可將發光效率提高50%以上。其次,隨著量子點的量子產率增加,發射光子數量,與吸收光子數量的比率顯著提高,從而實現高效顏色轉換,以及更高的白光LED效率。

研究人員對色彩轉換光譜,進行了額外的微調,以使其峰值接近視覺函數的峰值。這種微調實現了更高光效的光放射。

f-VLED低成本轉移方法
韓國KAIST研究團隊,為柔性垂直藍色薄膜Micro LED(f-VLED)開發了一種低成本的生產方法。由材料科學和工程系的李教授Keon Jae Lee,帶領的研究團隊開發了一種,用於在塑料上製造數千個藍色氮化鎵(GaN)Micro LED(厚度<2μm)陣列的一次性轉移方法。



韩国KAIST研发用于f-VLED的低成本转移方法


藍色GaN f-VLED實現了,比橫向Micro LED高三倍的光功率密度(大約30 mW/mm2)。此外,該團隊還能夠減少設備熱量的產生,從而使投影設備的使用壽命,延長了大約100,000小時。

這種藍色f-VLED可配合可穿戴設備,適形地連接到皮膚種,甚至是植入大腦。此外,該研發團隊表示,可以透過無線傳輸的電能,為該Micro LED穩定供電。

由於其非常低的功耗、更快的響應速度,以及設計靈活性,預計Micro LED將取代AMOLED顯示器。然而,要擴展到更大的顯示器和電視,這種製造技術將需要能夠傳輸數百萬個紅色、藍色和綠色Micro LEDs。

Lee教授指出:「對於未來的Micro LED而言,薄膜轉移、高效器件和互連的創新技術,都是非常必要的。我們計劃在今年年底之前,展示智慧手錶尺寸的全彩色LED顯示螢幕。」

新型量子點
瑞士研究團隊發現銫鉛鹵化物(Caesium Lead Halide)的量子點,可以使得LED更亮、點亮速度更快。量子點是一種奈米微晶體(Nanocrystal)半導體材質,其直徑僅有2~10nm,相當於10~50個原子寬度而已。瑞士研究團隊研發出的奈米微晶體,是由銫鉛鹵化物組成,並以鈣鈦礦晶格(Perovskite Lattice)排列。

蘇黎世聯邦理工學院教授Maksym Kovalenko表示,這種奈米微晶體,受光子激發後,可以快速發光。Kovalenko借由改變奈米微晶體的組成和大小,可以激發出不同波段的可見光,並應用於LED和顯示器。


由藍色x誒社激發的綠色發光鈣鈦礦量子點樣


根據以往的研究,量子點在室溫下被激發後,大約20十億分之一秒(Nanoseconds)後發光;而銫鉛鹵化物量子點,同樣在室溫下被激發後,大約只要十億分之一秒就會發光。相較之下,鉛銫鹵化物量子點反應速度相當快。

材料工程教授David Norris解釋,利用光子(Photon)激發奈米微晶體,可以使電子離開原來晶格的位置,產生空穴;而電子—電洞對(Electron-Hole Pair)處於激發態,若電子—電洞恢復到基態(Ground State)才會發光。

不過大部分的量子點材料,皆會處於Dark State,也就無法吸收光子的狀態,使得電子—電洞對無法恢復到基態,因此發光時間,受到了限制而發生延遲。而銫鉛鹵化物量子點,則不常有Dark State,因此可以立即發光。這也是為什麼鉛銫鹵化物量子點,反應速度快、被激發後的光也較亮。

更便宜、更安全的LED
美國俄勒岡州立大學的研究人員,使用了一種比汽車電池酸還要強得多的「超強酸」,來提高由銅銦二硫化物製成的「量子點」的性能。這一研究有望產生更便宜、更安全的LED。

量子點在光學和電子學中,使用已經有一段時間了。但由於鉛和鎘的毒性,它們的製造成本很高,對於一些潛在的應用(如生物醫學成像)來說,也是不安全的。

俄勒岡州立大學化學工程教授Greg Herman表示說,「量子點可應用於各種產品和技術中,但對於大眾消費使用來說,可能最重要的是改進LED照明」,「現在市場上就有使用量子點的發光奈米晶體電視。」

這項最新研究發表,在Materials Letters期刊上,在研究中,研究人員研究出了一種,超強酸的處理方法,可以將無毒、非重金屬量子點的光致發光,提高到硒化鎘相當的程度。

Greg Herman還說:「這種超強酸處理過的量子點的光發射,要好得多」,「現在仍然有一些問題需要解決,但我們已經證明,它能夠改善量子點的壽命,以及提高量子效率。而且由於這些量子點無毒性,因此也有潛力用於生物醫學應用領域。」

超高純稀土改性氧化鋁
由上海交通大學材料科學,與工程學院研發團隊,自主研發的稀土改性高純度藍寶石原料中,試項目正式投產,生產線首次產出5N(純度大於99.999%)高純氧化鋁產品。

高純度氧化鋁是鋁產業的高端產品,又是人造藍寶石的主要原材料,新項目彌補了國際稀土高純鋁制備技術空白,也將使高純鋁產業鏈,和人造藍寶石產業鏈實現全線貫通。

該研發團隊擁有首套,具有完全自主知識產權的超高純鋁提純工藝及裝備。團隊負責人張佼教授表示,新技術將高純度氧化鋁提純工藝和稀土新材料制備技術完美融合,添加稀土後,產品不僅在韌性上有了很大提高,在色彩亮度和硬度上,也實現了極大提升,現可製備6N超高純鋁錠,並進行5N超高純鋁錠的規模化生產,為超高純度氧化鋁原料的批量生產,奠定了堅實基礎。

據瞭解,以高純鋁水解制備的純度,超過5N的高純氧化鋁,是生產LED襯底藍寶石單晶片的主要原材料,全球超過90%的LED企業均採用藍寶石作為襯底材料。

此外,高純度氧化鋁還廣泛應用於鋰電池隔膜材料、高端螢光粉、催化劑、半導體陶瓷等。

對岸一家賽福爾新材料有限公司總經理潘天龍介紹說:「這種新產品以前市場上是沒有的,我們的超高純度鋁錠填補了這項生產技術的空白,我們的上游是鋁工業的產業鏈,下游是人造藍寶石晶體的產業鏈,這一新產品首次實現了這兩條產業鏈的無縫對接。接下來,我們將會把產品逐步推向手機螢幕、相機鏡頭、高端陶瓷靶材等多個生產應用領域。」

近紅外鈣鈦礦LED
由西北工業大學柔性電子研究院首席科學家、中國科學院院士黃維教授與南京工業大學先進材料研究院常務副院長王建浦教授所帶領的團隊,利用低溫溶液法,近日在鈣鈦礦發光層設計上提出了新思路,將近紅外鈣鈦礦LED外量子效率提高到20.7%,再次刷新了世界紀錄,其相關研究成果發表在Nature(《自然》)雜誌上。




LED是一種能夠將電能,轉化成光能的半導體電子元件,具有節能、環保、安全和高亮度等特點,在日常生活和生產中,得到了廣泛應用。

近年來興起的鈣鈦礦發光二極管,兼具無機LED和有機發光二極管(OLED)的優勢,在低能耗、高亮度、大尺寸顯示與照明領域,具有廣闊的應用前景。2016年該科研團隊即提出鈣鈦礦維度調控,創造鈣鈦礦發光二極管(LED)效率記錄。

對於許多長期,從事鈣鈦礦LED研究的科學家們來說,唯有平整、覆蓋率高、無明顯孔洞的鈣鈦礦薄膜,才是實現高效率器件的基礎。

該科研團隊此次在《自然》雜誌上,發表的題為「基於自發形成亞微米結構的鈣鈦礦發光二極管」的研究論文,不僅打破這一觀點,還報導了當前世界上,最高的鈣鈦礦LED外量子效率。

王建浦教授說,他們發現當鈣鈦礦晶粒,像一個個麻將牌,互不相連且不規則地分布在襯底表面時,可以獲得外量子效率達到20.7%的近紅外鈣鈦礦發光二極管,與國際同行獲得的13%外量子效率相比,提高了將近8個百分點,器件輻照度達到390W sr-1 m-2,並且在100mA cm-2的電流密度下,持續工作20個小時後,效率才降低一半,性能遠超目前熱門的相近發光波段的OLED。

據黃維院士介紹,該團隊還與與浙江大學田鶴教授、戴道鋅教授團隊合作,發現這種鈣鈦礦發光層,是由分散的鈣鈦礦晶粒,和嵌入在晶粒之間的低折射率有機絕緣層組成的,並且這種結構,可以進一步使器件頂電極形成高低起伏的褶皺結構,從而有效提升器件的出光效率。

這一成果對鈣鈦礦LED的發展與應用,具有重要的理論意義和實踐意義,為進一步推進鈣鈦礦LED的產業化發展,提供了全新思路和途徑。」

綠光鈣鈦礦LED器件
綠色可見光鈣鈦礦LED器件的外量子效率達到20.3%,刷新了該領域的世界紀錄!華僑大學魏展畫教授團隊,提出了一種全新的薄膜制備策略,並優化了LED器件結構,製備出了全球領先的高亮度、高量子轉換效率的LED器件,在鈣鈦礦電致發光領域取得了重大研究進展,推動向發展具有自主知識產權的、價格低廉的顯示和照明器件產業邁出重要的一步。該研究成果發表在國際頂級學術期刊《自然》雜誌上。

近幾年來,鈣鈦礦材料在電致發光領域的潛在應用,開始引起人們的廣泛關注,但是,受限於鈣鈦礦薄膜較差的成膜特性,以及相對較低的螢光量子效率,其在發光、顯示以及雷射領域的應用發展一直比較緩慢。

為了克服上述困難並,提高器件電光轉換效率,魏展畫教授團隊提出了一種全新的薄膜製備策略:組分空間分布管理,透過構建全新半核殼結構,大幅減少了晶體內的非輻射複合缺陷,提高了鈣鈦礦薄膜的發光效率;

另一方面,透過在發光層和電子傳輸層間,插入PMMA阻擋層,有效地改善了器件內的電子,和空穴的注入速度匹配情況。透過上述優化,得到的鈣鈦礦LED器件的外量子轉換效率高、穩定性較好。該研究成果,已申請了對岸國家和國際PCT專利。

據魏展畫教授介紹,鈣鈦礦LED作為平面自發光器件,具有質量輕、厚度薄、視角廣、響應速度快、可用於柔性顯示、使用溫度範圍廣、構造和製備工藝簡單等優點,在螢幕顯示(手機、電視、PC、VR和車載設備等)和綠色健康燈光照明(無藍光傷害)等方面具有潛在的應用前景。

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