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電致發光的有機與量子點發光二極體:最先進技術 Electroluminescent Organic and Quantum Dot LEDs: The State of the Art
Kathirgamanathan, P.
2015/03
Display Technology, Journal of
IEEE
1551-319X
10.1109/JDT.2015.2418279
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=7073586&newsearch=true&queryText=Electroluminescent%20Organic%20and%20Quantum%20Dot%20LEDs:%20The%20State%20of%20the%20Art
本文闡述了有機發光二極體技術應用在照明及顯示器上,影響程度越來越大的詳細的背景原因。之後,也對量子點應用在發光二極體上所面臨的挑戰及有機顯示器的發展提出討論。量子點獨特的物理和化學特性,導致狹窄的激發能帶和增加有機染料的穩定性,這意味著此項特性所具有的巨大潛力。
一、照明解決方案的發展歷史
照明解決的發展在過去150年以來一直由很多因素組成,像是降低成本、增加光輸出、更長的壽命和更有效率的元件都是使用環保可延續的材料。鎢絲燈泡的出現打破了以前在使用蠟燭和油燈的時代,由於它非常方便,現在只要開關一按室內就充滿著白光,它迅速成為首選的照明解決方案,並與電能結合,幾乎所有的建築都有鎢絲燈泡,但鎢絲燈泡並非完美的,它的燈具效率及低且會產生過多的熱,儘管如此,它容易製造、成本低意味著這將能使用一段時間,直到它的更高效的熒光燈(CFL) (50–60 lm/W cf. 8–10 lm/W)出現,熒光燈出現在1970年,此外其使用較低的能量和壽命能持續的更久,大約在800小時至5000小時之間,它們在住家和商業大樓早已無處不在,世界各國政府更以節能照明的新世代技術取代傳統的(所謂的白熾燈)燈泡。
儘管更節能,再節能的燈泡都還是會有自己的環境問題,包括有害物質-汞,這意味著許多製造和處理的過程必須被提起與控管,防止有害物質釋放到環境中,保護人體健康。因此各方簽署了聯合國的水俁公約,同意在2020年將一些含有汞成分的CFL禁止生產及出口。其結果是,第三代燈泡是不含汞的燈管,其也提供了進一步的效率改進(60-80流明/瓦),使得CFL燈泡在照明產業裡有很大的市場,因此截至目前為止都還在繼續使用。
LED燈泡的使用原理是電致發光(EL),雖然他一開始是被打算用光致發光(PL)的機制。PL是在描述在一材料裡,輻射衰變的一個過程;他比熒光或磷光還要更普遍,他描述的是一個特定態的放射: 分別為單重態或三重態。對於有機分子來說,熒光通常是由單重態裡最低的震動能階激發,而它則是所謂的自旋-允許躍遷,所以發生的很快,通常為奈秒的尺度。磷光,與熒光相反,他是發生在由激發單重態到激發三重態的系統後,此過程為自旋-禁阻躍遷,通常周期較長,在微秒到秒的時間範圍。
二、彩色顯示器科技
傳統科技在彩色顯示器使用CRT或LCD上有許多的限制,舉例來說,CRT比起LCD需要更高的功率,且其體積較龐大。在LCD的情況中,白光光源被用在背光源使用,而被放在子像素前面的液晶藉由其可變的角度來濾掉白光。而這個濾波片允許一個範圍波長在任何一時間適當地使它的顏色通過,因此造就了全彩的可能性。子像素的亮度是藉由對液晶通電與否而使得阻擋或是使光穿透過去來控制。而這種濾光機制使得LCD顯示器的出光角有較差的表現。
三、引入OLED技術推向市場:照明和顯示器
在Tang和VanSlyke使用蒸鍍機來蒸鍍約100奈米的8-羟基喹啉鋁薄膜(Alq3),和低電壓(~10伏特)的方式製程元件,有機EL才慢慢受到重視。
這一突破性的發展清楚地表明,考慮到效率和可靠性改進,明確能夠使用有機EL製造低成本、具可繞性、可使用在彩色和白光的顯示器。此外,要注意的是,這種方式的可能性隨著Burroughes等人製造類似的元件而出現,在此基礎上,可透過低成本的方式,旋塗溶液和隨後的熱處理來製造鑄件以形成共軛聚合物對苯乙炔(PPV)。用於PPV和聚芴的可溶液加工前驅物的開發,使這個簡單的發光二極體製程有潛在的吸引力。
四、OLED和QLED元件
  基本的OLED結構由一個或是多層的有機薄膜沉積在兩電極之間,而其中一個一定是透明的,在偏壓下電子從陰極注入,而電洞從陽極注入,有機材料在外加磁場的情形下,進行直到達到激發態導致輻射態而產生光。
元件的製作是以昇華沉積薄膜,且必須在真空下進行因此其設備與製作都比使用溶液沉積來的要昂貴,例如使用旋轉塗佈薄膜的厚度範圍在10到100奈米,發射層應具有高的量子效應,並有效的電荷傳輸。附加層通常加在陽極/陰極和有機層的電洞或電子傳輸層之間,考慮到基態和發光單層及周邊有機薄膜的激發態的能量對準,有效的方法就是製造臨界來減少之間的能量水平的障礙層,即在ETL和HTL應優化作為良好充電均衡裝置將具有更高的效率。提到QLEDs,我們考慮三種型態的OLED,也就是他的發射層是以聚合物為基底(PLED);螢光的小分子(例如: Alq3,OLEDs)或是有機金屬的螢光小分子(例如: Ir(ppy)3 , Ir(ppy)2 (acac) , PHOLEDs)。
五、結論與未來發展
  要將量子點商業化的最優先要做的事就是找到不使用Cd(鎘)的量子點,而是用以InP或CuInS2為基底的量子點,這兩種量子點已經顯示出他在這方面的優點,在原件上我們也可以看出再使用ZnO的核層與使用MgO的殼層是未來用來取代鎘量子點材料的發展重心,在這方面其有效的改善了量子點的缺點更進一步的優化元件的效率。Shen等人也發現到量子點的殼層厚度會影響到其載子注入和封閉,他們近期也發表了傳統的量子點元件結構在綠光上有19.7lm/w的能量轉換效率。
陳隆建
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