2020年全球十大LED光源創(chuàng)新器件盤點(diǎn)

2021-02-01

        自LED光源誕生以來，照明產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了一輪接一輪的科技變革，為照明用戶帶來了不同的燈光控制模式、不同的能源節(jié)約方式、不同的光生物特性功效……雖然LED光源技術(shù)革新帶來的惠民價(jià)值足以讓廣大照明科研工作者引以為傲，但全球各大科研機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位研發(fā)人員并沒有停下LED光源科技繼續(xù)創(chuàng)新的步伐。

        下面，中國(guó)照明網(wǎng)通過對(duì)2020年全球十大LED光源創(chuàng)新器件的展示與解讀，期待能為照明業(yè)界在產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新上帶來重要借鑒。

        一、金屬鹵化物鈣鈦礦LED

        6月，德國(guó)HZB研究中心和柏林洪堡大學(xué)(HU)的研究人員組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功生產(chǎn)出了由半導(dǎo)體化合物溶液印刷而成的金屬鹵化物鈣鈦礦功能發(fā)光二極管。

通過HZB和HU圖像印刷鈣鈦礦LED流程

        在該LED光源器件的制備過程中，研究人員使用了一種附著在基底上并觸發(fā)了隨后鈣鈦礦層的網(wǎng)格形成的鹽晶體作為引誘劑或催化劑，讓印刷在基材上的鹽樣前體快速、均勻地結(jié)晶，克服了以往不能從液態(tài)溶液中生產(chǎn)出高質(zhì)量LED半導(dǎo)體層的難關(guān)，創(chuàng)造出了比以前使用增材制造工藝所具有的更高的發(fā)光度和更好的電性能的印刷LED。

        通過HZB和HU研究人員的噴墨印刷制備工序，所產(chǎn)出的一、金屬鹵化物鈣鈦礦LED有望產(chǎn)生特別高的發(fā)光效率，提升照明產(chǎn)品光品質(zhì)的同時(shí)，還為日后更高光效LED光源電子組件的誕生提供技術(shù)借鑒。

        二、無熒光粉白色半極化LED

        同月，美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara，UCSB)研究團(tuán)隊(duì)與諾貝爾獎(jiǎng)得主中村修二共同開發(fā)出了一種制造無熒光粉白色半極化LED的新方法。該LED器件誕生后，可望將其作為背光源使用。

無熒光粉白色半極化LED各項(xiàng)參數(shù)示意圖

        研究過程中，研究團(tuán)隊(duì)在塊狀氮化鎵襯底上采用藍(lán)色量子阱(頂部)和黃色量子阱(底部)生長(zhǎng)出無熒光粉的白色I(xiàn)nGaN(銦鎵氮)LED，這些LED發(fā)射波長(zhǎng)峰值為427mn的藍(lán)光及560nm的黃光，輸出功能為0.9mW，克服了由熒光粉轉(zhuǎn)換而來的白色LED能量損耗及熱穩(wěn)定性下降等問題。

        研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，無熒光粉的高效LED作為背光源的前景可期，有望實(shí)現(xiàn)用于可見光通訊LiFi中的Micro LED。

        三、深藍(lán)色磷光OLED

        同月，韓國(guó)釜山國(guó)立大學(xué)(Busan National University)教授金圣浩(Jin Sung-ho)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種深藍(lán)色磷光OLED材料和裝置，與熒光材料相比，這種材料具有優(yōu)越的外部量子效率和現(xiàn)場(chǎng)照明特性。

        研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整摻雜濃度來優(yōu)化OLED發(fā)光層內(nèi)部電子和氣孔之間的濃度不平衡，解決了低亮度和效率問題。研究人員還通過控制發(fā)光層中的電子和氣孔的濃度，實(shí)現(xiàn)了24%的效率。

        該OLED材料和裝置的出現(xiàn)，填補(bǔ)了同類型器件效率及亮度低下的缺點(diǎn)，滿足NTSC的藍(lán)色標(biāo)準(zhǔn)，為照明及顯示產(chǎn)品的高品質(zhì)應(yīng)用帶來強(qiáng)大源動(dòng)力。

        四、遠(yuǎn)紅/近紅外光OLED

        7月，英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)、倫敦大學(xué)學(xué)院、倫敦納米技術(shù)中心、波蘭科學(xué)院有機(jī)化學(xué)研究所(波蘭華沙)和國(guó)家研究委員會(huì)納米結(jié)構(gòu)材料研究所(CNR-ISMN，Bologna，Italy)的科學(xué)家們創(chuàng)造了遠(yuǎn)紅/近紅外溶液處理的新型OLED。

用于VLC的發(fā)近紅外光的OLED結(jié)構(gòu)示意圖

        通過將設(shè)備集成到實(shí)時(shí)VLC裝置中，該OLED器件達(dá)到了超過1 Mb / s的無錯(cuò)誤傳輸速度，成功地?cái)U(kuò)展了帶寬，并為有機(jī)發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)了有史以來最快的數(shù)據(jù)速度。

        從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的角度來看，該OLED器件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率足以支持室內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，為新型物聯(lián)網(wǎng)(IoT)連接以及可穿戴和可植入生物傳感器技術(shù)創(chuàng)造了機(jī)遇。此外，由于有機(jī)發(fā)光二極管的活性層中沒有有毒的重金屬，擁有該OLED器件的新VLC裝置有望集成便攜式、可佩戴或可植入的有機(jī)生物傳感器。

        五、高效納米級(jí)LED

        8月，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)、馬里蘭大學(xué)和倫斯勒理工學(xué)院等高效科研人員開發(fā)出了一種具備產(chǎn)生激光能力的新型納米級(jí)發(fā)光二極管(LED)。該LED器件的亮點(diǎn)是其亮度，為傳統(tǒng)亞微米級(jí)LED的100~1000倍。

可作為微型激光器的高效納米級(jí)LED

        該LED器件制作過程中，雖然其使用的材料與傳統(tǒng)LED裝置相仿，但科研人員對(duì)其內(nèi)部架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并引入了氧化鋅翅片，利用該翅片細(xì)長(zhǎng)的形狀和較寬的側(cè)面或許能夠接收更多電流，讓改LED器件能發(fā)射出包括紫光至紫外光的明亮光線，產(chǎn)生高達(dá)20微瓦的功率，是一般小型LED的成百上千倍，成為了名副其實(shí)的微型激光器。

        該LED器件憑借著其高光效，在化學(xué)傳感、便攜式通信產(chǎn)品、高清顯示器和芯片級(jí)設(shè)備等方面都有重要應(yīng)用價(jià)值。

        六、高性能紅光QLED

        11月，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所和云南大學(xué)丁軍橋團(tuán)隊(duì)采用有機(jī)電子傳輸層來替代傳統(tǒng)的ZnO無機(jī)電子傳輸層，成功地組裝出高性能的紅光量子點(diǎn)發(fā)光二極管(QLED)。

高性能紅光QLED制備過程參數(shù)圖

        器件研制過程中，該研究團(tuán)隊(duì)選擇含氮雜環(huán)類化合物作為有機(jī)電子傳輸層，同時(shí)通過能帶工程，對(duì)中心核的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)中心核從苯環(huán)變到嘧啶和三嗪時(shí)，最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)能級(jí)從-2.28 eV增加到-2.79 eV和-3.07 eV，電子注入能力逐漸增強(qiáng)。最終，以三嗪為中心核的有機(jī)電子傳輸層TmPPPyTz實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的載流子平衡性，器件外量子效率(EQE)高達(dá)13.4%(18.8 cd/A，23.9 lm/W)，CIE色坐標(biāo)為(0.68，0.32)。

        該QLED器件的成功制備，將為照明及顯示產(chǎn)品光學(xué)品質(zhì)的提升帶來重要的應(yīng)用價(jià)值。

        七、高光效InGaN基橙—紅光LED

        同月，中國(guó)南昌大學(xué)的江風(fēng)益院士課題組研制出了最新的高光效InGaN基橙—紅光LED。

(a) 高光效橙光LED外延材料結(jié)構(gòu)示意圖與 (b) 其斷面TEM測(cè)試結(jié)果

        該LED器件研制過程中，課題組基于硅襯底氮化鎵技術(shù)，引入了銦鎵氮紅光量子阱與黃光量子阱交替生長(zhǎng)方法，并結(jié)合V形坑技術(shù)，從而大幅緩解了紅光量子阱中高In組分偏析問題，再依據(jù)V形p-n結(jié)和量子阱帶隙工程大幅提升了紅光量子阱中的輻射復(fù)合速率，讓制備出的InGaN基橙-紅光LED在發(fā)光波長(zhǎng)分別為594、608和621 nm時(shí)，功率轉(zhuǎn)換效率分別為30.1%、24.0%以及16.8%，光效相較于過往相同波段InGaN基LED整體提高了約十倍。

        該LED器件的成功研制，證明了InGaN材料在制作顯示應(yīng)用的紅光像素芯片上將有巨大潛力和美好的應(yīng)用前景。

        八、高光效硅基LED

        12月，美國(guó)麻省理工研究團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)出了一款高光效硅基LED，其亮度比其他同類器件亮度提升10倍。

        該LED器件的制作采用了正偏方法，同時(shí)將LED中PN結(jié)的組合方式進(jìn)行改變，將N區(qū)和P區(qū)從傳統(tǒng)的并列排放改為垂直疊放，讓二極管內(nèi)的電子及空穴遠(yuǎn)離表面和邊緣區(qū)域，防止電子將電能轉(zhuǎn)換為熱量，成功將硅材料的光電能量轉(zhuǎn)換效率提高，進(jìn)一步提升硅基LED的亮度，并降低了LED相關(guān)產(chǎn)品的制造成本。

        憑借著高亮度，該LED器件集成在CMOS芯片后，在近程傳感方面有更加廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

        九、全球最輕薄有機(jī)LED

        同月，英國(guó)圣安德魯斯大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院的科學(xué)家利用有機(jī)電致發(fā)光分子、金屬氧化物和具有生物兼容性的聚合物保護(hù)層，制造出了這種像日常保鮮膜一樣纖薄而柔韌的有機(jī)LED。迄今為止，該LED器件是全球最耐用、最輕、最薄的光源。

全球最輕薄的LED光源

        該光源憑借著極具力學(xué)的柔韌性，未來除了可應(yīng)用于移動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域之外，還可整合到工作臺(tái)表面、包裝和衣物內(nèi)，也用于可穿戴設(shè)備以及在生物醫(yī)學(xué)研究中用作植入物，研究大腦功能，讓其成為生物醫(yī)學(xué)和神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域的新工具，有望在臨床領(lǐng)域發(fā)揮作用。

        此外，該光源衍生出的新技術(shù)還可創(chuàng)建光學(xué)接口，將信息直接發(fā)送給視覺、聽覺或觸覺受損的患者的大腦。

        十、AlGaN基全結(jié)構(gòu)深紫外LED

        同樣在12月，中國(guó)北京大學(xué)、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院的合作者們成功打造了AlGaN基全結(jié)構(gòu)的深紫外LED，并以此為基礎(chǔ)制作了具有高功率密度的殺菌光源模組，在對(duì)新冠病毒的殺滅實(shí)驗(yàn)中取得優(yōu)異表現(xiàn)。

        該LED器件的研制工作覆蓋了上游材料外延、中游芯片設(shè)計(jì)制備、下游器件與模組封裝等全產(chǎn)業(yè)鏈范圍，第一步在外延端基于納米級(jí)圖形化襯底和高溫MOCVD技術(shù)，獲得了高晶體質(zhì)量的AlGaN基深紫外LED外延結(jié)構(gòu);第二步在中游流片端通過設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)與摸索電極工藝實(shí)現(xiàn)高電流注入效率與高出光效率;第三步在下游通過利用AlN陶瓷基板，優(yōu)化封裝工藝與電路設(shè)計(jì)，制成穩(wěn)定性優(yōu)異的高功率殺菌模組。

        通過三步驟相互配合，所組裝出的高功率密度深紫外殺菌光源在中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物科學(xué)研究所BSL-3級(jí)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了對(duì)新冠病毒1秒的瞬間殺滅，在與空白對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)中，輻照組結(jié)果顯示超過99.99%的新冠病毒被徹底殺滅。

        該LED器件憑借著優(yōu)異的殺菌性能，不僅在短期內(nèi)為緩解新冠疫情顯現(xiàn)了巨大潛力，更為未來深紫外殺菌行業(yè)提供了新的發(fā)展思路。

        不斷完善的性能、不斷延伸的應(yīng)有領(lǐng)域、不斷提升的科技含量……作為照明產(chǎn)業(yè)的“大腦”，每一個(gè)LED光源器件創(chuàng)新之作的誕生，都將對(duì)照明行業(yè)的發(fā)展帶來變革性的推動(dòng)，也將激勵(lì)著更多的照明人投身科技創(chuàng)新，為全球照明事業(yè)的健康發(fā)展注入更多知識(shí)與智慧的力量。

來源：中國(guó)照明網(wǎng)原創(chuàng)    作者：嚴(yán)志祥