นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาแหล่งกำเนิดแสงที่เทียบได้กับดวงอาทิตย์

แนวทางการปรับแต่งที่สำคัญและรายละเอียดทางเทคนิคของหลอดไฟ LED QLED แบบบางพิเศษ

เทคโนโลยี QLED นี้ ซึ่งได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร *ACS Applied Materials & Interfaces* ประสบความสำเร็จอย่างมากในการออกแบบโครงสร้างบางเฉียบที่ตรงกับสเปกตรัมของแสงอาทิตย์อย่างแม่นยำ และให้ความสว่างสูงด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ำ กระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพนั้นเกี่ยวข้องกับสี่ด้านหลัก ได้แก่ การสังเคราะห์ควอนตัมดอท การจับคู่สเปกตรัม โครงสร้างอุปกรณ์ และกระบวนการผลิต ผ่านการปรับปรุงอุปกรณ์ 26 ครั้ง ปัญหาสำคัญ เช่น การจับคู่สเปกตรัม การควบคุมการใช้พลังงาน และความเสถียรของความสว่าง ได้รับการแก้ไขอย่างค่อยเป็นค่อยไป เส้นทางการเพิ่มประสิทธิภาพโดยละเอียดมีดังนี้:

I. การสังเคราะห์และการดัดแปลงระบบวัสดุควอนตัมดอทอย่างแม่นยำ

เนื่องจากควอนตัมดอทเป็นหน่วยเปล่งแสงหลักของ QLED ขนาด องค์ประกอบ และการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของควอนตัมดอทจึงมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการส่องสว่าง ความบริสุทธิ์ของสเปกตรัม และความบริสุทธิ์ของสี ทำให้ควอนตัมดอทเป็นขั้นตอนการปรับแต่งที่สำคัญที่สุด

การสังเคราะห์ควอนตัมดอทหลากสีแบบกำหนดทิศทาง

ทีมวิจัยได้พัฒนาวิธีการสังเคราะห์แบบกำหนดทิศทางสำหรับควอนตัมดอทสีพื้นฐานสี่สี ได้แก่ สีแดง สีน้ำเงิน สีเขียว และสีเหลือง

จุดควอนตัมสีแดง: ด้วยการควบคุมขนาดแกนกลางของโครงสร้างแกน-เปลือกแคดเมียมเซเลไนด์/ซิงค์ซัลไฟด์ (CdSe/ZnS) ให้มีขนาด 6-8 นาโนเมตร และปรับความหนาของเปลือกให้เหมาะสมที่ 1-2 ชั้นอะตอมเดี่ยว ทำให้ได้การเปล่งแสงในช่วงแคบ 620-650 นาโนเมตร (FWHM < 25 นาโนเมตร) ซึ่งช่วยปรับปรุงความบริสุทธิ์ของแสงสีแดงและผลผลิตควอนตัมการเปล่งแสง (เป้าหมายมากกว่า 95%)

จุดควอนตัมสีน้ำเงิน: การใช้ระบบอินเดียมแกลเลียมไนไตรด์/ซิงค์ซัลไฟด์ (InGaN/ZnS) ช่วยแก้ปัญหาการลดทอนการเรืองแสงของจุดควอนตัมสีน้ำเงินแบบดั้งเดิม โดยการควบคุมอัตราส่วนของส่วนประกอบอินเดียม (15%-20%) ทำให้ความยาวคลื่นการปล่อยแสงคงที่ที่ 450-470 นาโนเมตร ในขณะเดียวกันก็ลดค่า FWHM ของการปล่อยแสงสีน้ำเงินและลดการระคายเคืองต่อดวงตาให้น้อยที่สุด

จุดควอนตัมสีเขียว: ใช้แคดเมียมซิงค์ซัลไฟด์/ซิงค์ซัลไฟด์/... ซิงค์ซัลไฟด์ (ZnCdSe/ZnS) มีโครงสร้างแบบแกนและเปลือก อัตราส่วนซิงค์ต่อแคดเมียมที่เหมาะสม (Zn:Cd=7:3) จะล็อกความยาวคลื่นการปล่อยแสงไว้ในช่วง 520-540 นาโนเมตร ช่วยเพิ่มความอิ่มตัวของสีเขียว จุดควอนตัมสีเหลือง: ใช้โครงสร้างคอมโพสิตที่เป็นนวัตกรรมใหม่ โดยผสมผสานจุดควอนตัมสีแดงและสีเขียวเข้าด้วยกัน โดยการปรับอัตราส่วนโมลของจุดควอนตัมสีแดงและสีเขียว (1:3 ถึง 1:5) ทำให้ได้การปล่อยแสงสีเหลืองที่แม่นยำในช่วง 580-600 นาโนเมตร หลีกเลี่ยงประสิทธิภาพการส่องสว่างต่ำของจุดควอนตัมสีเหลืองเดี่ยว

การปรับปรุงคุณสมบัติของสารเคลือบซิงค์ซัลไฟด์

เพื่อแก้ไขปัญหาการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากข้อบกพร่องบนพื้นผิวของควอนตัมดอต ทีมวิจัยได้เคลือบพื้นผิวของควอนตัมดอตทั้งสี่ประเภทด้วยชั้นเคลือบซิงค์ซัลไฟด์ (ZnS) ที่บางมาก:

พวกเขาปรับอุณหภูมิการตกตะกอน (180-220℃) และอัตราการหยดของสารตั้งต้น (0.5-1 มล./ชม.) ให้เหมาะสม เพื่อสร้างชั้นโมโนเลเยอร์ของ ZnS ที่สม่ำเสมอ (หนาประมาณ 0.5 นาโนเมตร) ซึ่งปกคลุมข้อบกพร่องบนพื้นผิวของควอนตัมดอตได้อย่างสมบูรณ์

จากการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของความหนาของสารเคลือบที่แตกต่างกัน พวกเขาได้กำหนดรูปแบบการปรับปรุงที่เหมาะสมที่สุด นั่นคือ การเคลือบที่บางมาก + ความเป็นผลึกสูง ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบของการดับแสงของสารเคลือบต่อการเรืองแสงของควอนตัมดอต ในขณะเดียวกันก็ช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางเคมีและประสิทธิภาพการขนส่งอิเล็กตรอนของควอนตัมดอต

II. การควบคุมอัตราส่วนสเปกตรัมแสงอาทิตย์อย่างแม่นยำ

เป้าหมายหลักของ QLED คือการจำลองสเปกตรัมของแสงอาทิตย์ และกุญแจสำคัญอยู่ที่การปรับอัตราส่วนโมลของควอนตัมดอทสี่สีให้เหมาะสม ซึ่งเป็นปัจจัยหลักในการจับคู่สเปกตรัม

การสร้างแบบจำลองการจับคู่สเปกตรัม: จากข้อมูลสเปกตรัมแสงอาทิตย์มาตรฐาน AM1.5G ทีมงานได้สร้างแบบจำลองการจับคู่สเปกตรัม โดยใช้ค่าความคล้ายคลึงทางสเปกตรัม " (อุณหภูมิสีสัมพันธ์ CCT≈5500K ดัชนีการแสดงสี CRI≥98)" เป็นดัชนีการปรับให้เหมาะสมหลัก และสร้างฟังก์ชันการจับคู่ระหว่างความเข้มของการเรืองแสงของควอนตัมดอททั้งสี่กับแถบสเปกตรัมแสงอาทิตย์ที่สอดคล้องกัน

นี่คือเวอร์ชันที่ 26 ของการปรับอัตราส่วนสีของอุปกรณ์:

โดยใช้สัดส่วนโมลาร์ของ "แดง:น้ำเงิน:เขียว:เหลือง" เป็นตัวแปรในการปรับให้เหมาะสม ได้ทำการทดสอบแบบวนซ้ำโดยใช้การไล่ระดับ ในแต่ละรอบการวนซ้ำจะปรับสัดส่วนให้เหมาะสมขึ้น 5%-10% ค่อยๆ เข้าใกล้สเปกตรัมแสงอาทิตย์ในอุดมคติ:

เวอร์ชันเริ่มต้น: เมื่อใช้สัดส่วนของอุปกรณ์แสดงผลแบบดั้งเดิม (แดง:น้ำเงิน:เขียว:เหลือง = 2:3:3:2) ความคล้ายคลึงของสเปกตรัมอยู่ที่เพียง 82% โดยมีสัดส่วนของแสงสีน้ำเงินสูงเกินไป (ความเข้มของการส่องสว่างของแถบแสงสีน้ำเงินเกินกว่าสเปกตรัมของแสงอาทิตย์ถึง 15%);

การปรับปรุงในระยะกลาง: ค่อยๆ ลดสัดส่วนของควอนตัมดอทสีน้ำเงินและเพิ่มสัดส่วนของควอนตัมดอทสีแดง เมื่อปรับอัตราส่วนเป็น แดง:น้ำเงิน:เขียว:เหลือง = 4:1:2:3 ความคล้ายคลึงของสเปกตรัมดีขึ้นเป็น 92% แต่เฉดสีแดงมืดเกินไป

เวอร์ชันที่ปรับปรุงขั้นสุดท้าย: ด้วยการปรับสัดส่วนของแต่ละสีอย่างละเอียด (แดง:น้ำเงิน:เขียว:เหลือง = 4.2:0.8:2.1:2.9) ทำให้ได้ความคล้ายคลึงทางสเปกตรัมถึง 96% โดยมีสีแดงเป็นสีหลัก (แสงสีแดงคิดเป็นประมาณ 45%) และสัดส่วนของแสงสีน้ำเงินลดลงเหลือเพียงเศษส่วนของสเปกตรัมแสงอาทิตย์ ภายใน 5% สามารถหลีกเลี่ยงข้อเสียของแสงสีน้ำเงินที่มากเกินไปของ LED แบบดั้งเดิมได้อย่างสมบูรณ์แบบ ในขณะเดียวกันก็ให้ค่าอุณหภูมิสีใกล้เคียงกับแสงแดดธรรมชาติ (CCT=5400±100K) และดัชนีการแสดงสีที่สูงกว่า 98 ซึ่งเหนือกว่าอุปกรณ์ให้แสงสว่างแบบดั้งเดิม (ดัชนีการแสดงสีของ LED แบบดั้งเดิมส่วนใหญ่อยู่ที่ 80-90)

III. การออกแบบโครงสร้างอุปกรณ์บางเฉียบและประสิทธิภาพสูง

คุณสมบัติบางเฉียบของ QLED ไม่เพียงแต่เป็นความก้าวหน้าในด้านรูปทรงเท่านั้น แต่ยังเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานและลดแรงดันไฟฟ้าในการขับเคลื่อน ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการเพิ่มประสิทธิภาพทั้งด้านประสิทธิภาพและรูปทรงไปพร้อมกัน ด้วยการปรับปรุงกระบวนการการตกตะกอนและการผสมผสานโครงสร้างหลายชั้น

การเพิ่มประสิทธิภาพการเลือกพื้นผิวและชั้นการทำงาน

วัสดุรองรับ: ใช้แผ่นกระจกอินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ความเข้มข้นของพาหะ (5×10²⁰cm⁻³) และความต้านทานต่อพื้นที่ (15Ω/□) ของชั้น ITO ได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยใช้การสปัตเตอร์แบบแมกเนตรอน ซึ่งช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าและการส่งผ่านแสงของวัสดุรองรับ (การส่งผ่านแสง ≥95%) ในขณะเดียวกันก็ลดความต้านทานที่ส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุรองรับและชั้นฟังก์ชันลง

ชั้นนำส่งอิเล็กตรอน: แทนที่จะใช้สารประกอบออกไซด์อนินทรีย์แบบดั้งเดิม (เช่น TiO₂) จะเลือกใช้สารประกอบออกไซด์โลหะที่มีความคล่องตัวของพาหะสูง (เช่น ZnO:Al, AZO) โดยเตรียมชั้นบางพิเศษที่มีความหนา 5-10 นาโนเมตรโดยใช้กระบวนการการสะสมชั้นอะตอม (ALD) เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการขนส่งอิเล็กตรอนและลดการสะสมประจุที่ส่วนต่อประสาน

ชั้นนำส่งประจุบวก: ใช้ระบบคอมโพสิตพอลิเมอร์นำไฟฟ้า (เช่น PEDOT:PSS/โพลีไตรฟีนิลอะมีน, PTPA) โดยปรับความเข้มข้นของการเจือปนพอลิเมอร์ให้เหมาะสม (5%-8%) เพื่อเพิ่มความคล่องตัวของประจุบวกให้สูงกว่า 10⁻³ cm²/(V・s) ในขณะเดียวกันก็ลดความหนาของชั้นนำส่งประจุบวกให้เหลือ 8-12 นาโนเมตร ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากการดูดซับแสง

การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการตกตะกอนสำหรับโครงสร้างหลายชั้นบางเฉียบ

ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการสร้างชั้นควอนตัมดอทและชั้นขนส่งด้วยความแม่นยำระดับนาโนเมตร โดยใช้กระบวนการผสมผสานระหว่างการเคลือบแบบหมุน การอบ และการสปัตเตอร์:

ชั้นเปล่งแสงควอนตัมดอท: การใช้การเคลือบแบบหมุนเหวี่ยงด้วยความเร็วในการหมุนที่ควบคุมได้ 3000-4000 รอบ/นาที และเวลาในการเคลือบแบบหมุนเหวี่ยง 30-60 วินาที ร่วมกับการอบอ่อนที่อุณหภูมิต่ำ (120-150℃, 10-15 นาที) ทำให้เกิดฟิล์มบางของชั้นควอนตัมดอทที่มีความสม่ำเสมอและหนาแน่น โดยมีความหนาขั้นสุดท้ายที่ควบคุมได้ที่ 20-30 นาโนเมตร ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำหรับรูปแบบ QLED ที่บางเป็นพิเศษ

การปรับโครงสร้างโดยรวมให้เหมาะสม: เมื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพของโครงสร้างควอนตัมดอทแบบชั้นเดียวและหลายชั้น ในที่สุดก็พบว่าโครงสร้างแบบเรียงซ้อนของชั้นควอนตัมดอทสีแดง/เขียว/เหลือง + ชั้นควอนตัมดอทสีน้ำเงิน เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด โดยการใช้ชั้นตัวคั่น (ความหนา < 5 นาโนเมตร) ช่วยหลีกเลี่ยงการรบกวนของพลังงานระหว่างควอนตัมดอทสีต่างๆ ในขณะที่ควบคุมความหนาโดยรวมของอุปกรณ์ให้อยู่ในระดับหลายสิบนาโนเมตร (ความหนาของโครงสร้างหลัก ≤ 50 นาโนเมตร) ซึ่งเล็กกว่า LED แบบดั้งเดิมมาก (ระดับไมโครเมตร)

IV. การเพิ่มประสิทธิภาพการขับเคลื่อนและการประหยัดพลังงาน แรงดันไฟฟ้าต่ำ ความสว่างสูง และการใช้พลังงานต่ำ เป็นตัวชี้วัดหลักในการใช้งาน QLED ทีมงานได้ทำการเพิ่มประสิทธิภาพโดยมุ่งเน้นไปที่แรงดันไฟฟ้าในการขับเคลื่อน ความสว่าง และการประหยัดพลังงาน:

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าขับเคลื่อนอย่างแม่นยำ

การเพิ่มประสิทธิภาพการจับคู่ระดับพลังงานของอินเทอร์เฟซสำหรับแต่ละชั้นการทำงาน: โดยการควบคุมฟังก์ชันงานของชั้นการขนส่งอิเล็กตรอน (4.0-4.2 eV) และระดับพลังงานแถบนำไฟฟ้าของควอนตัมดอต (3.8-4.0 eV) และระดับพลังงานแถบวาเลนซ์ของชั้นการขนส่งโฮล (5.0-5.2 eV) และระดับพลังงานแถบวาเลนซ์ของควอนตัมดอต (5.3-5.5 eV) จะทำให้สามารถฉีดและรวมตัวพาประจุได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดอุปสรรคในการฉีดพาหะลง

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพการทดสอบด้วยแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน: เริ่มจาก 5V แรงดันไฟฟ้าถูกเพิ่มขึ้นทีละน้อย และบันทึกการเปลี่ยนแปลงความสว่าง พบว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าถึง 11.5V ความสว่างของอุปกรณ์ถึงจุดอิ่มตัว (ความสว่างสูงสุด ≥100,000 cd/m² ซึ่งสูงกว่า 10,000-50,000 cd/m² ของ LED แบบดั้งเดิมมาก) และไม่มีปรากฏการณ์การลดความสว่างที่เห็นได้ชัด ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า 11.5V เป็นแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุด ความสำเร็จครั้งสำคัญในด้านแรงดันไฟฟ้าต่ำ ความสว่างสูง โดยการปรับแรงดันไฟฟ้าให้เหมาะสม

การสร้างสมดุลที่เหมาะสมระหว่างประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความเสถียร

การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน: โดยใช้ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (lm/W) เป็นตัวชี้วัด ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของ QLED ได้รับการปรับปรุงให้สูงกว่า 150lm/W โดยการเพิ่มประสิทธิภาพผลผลิตควอนตัมการส่องสว่าง (เป้าหมาย ≥90%) และประสิทธิภาพการฉีดพาหะ (เป้าหมาย ≥95%) ของควอนตัมดอท ซึ่งแสดงถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับหลอดไฟไส้แบบดั้งเดิม (15lm/W) และ LED แบบดั้งเดิม (100lm/W)

การเพิ่มประสิทธิภาพความเสถียร: เพื่อแก้ไขปัญหาการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนจากน้ำ/ออกซิเจนของควอนตัมดอท จึงได้มีการเคลือบฟิล์มป้องกันโพลีอิไมด์ (PI) บางพิเศษลงบนพื้นผิวของอุปกรณ์ ในขณะเดียวกัน กระบวนการห่อหุ้มอุปกรณ์ก็ได้รับการปรับให้เหมาะสม (การห่อหุ้มด้วยสุญญากาศ การซึมผ่านของน้ำ/ออกซิเจน <10⁻³ กรัม/(ตร.ม.・วัน)) ซึ่งช่วยเพิ่มอายุการใช้งาน T95 ของอุปกรณ์ (เวลาที่ความสว่างลดลงเหลือ 95% ของค่าเริ่มต้น) ให้มากกว่า 5000 ชั่วโมง ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานจริงของอุปกรณ์ให้แสงสว่าง

การเพิ่มประสิทธิภาพแบบวนซ้ำหลายเวอร์ชัน: สำหรับอุปกรณ์เวอร์ชัน 26 อัตราการลดลงของความสว่างของอุปกรณ์ที่มีอัตราส่วนและโครงสร้างต่างกันได้รับการทดสอบหลังจากใช้งานต่อเนื่อง 1,000 ชั่วโมง อุปกรณ์ที่มีอัตราการลดลง > จาก 10% ของเวอร์ชันทั้งหมด ได้รับการคัดเลือกในที่สุด ซึ่งเป็นโซลูชันที่ดีที่สุด " ความสว่างสูง + การใช้พลังงานต่ำ + อายุการใช้งานยาวนาน "

ผลลัพธ์การปรับปรุงประสิทธิภาพและโอกาสในการประยุกต์ใช้

ด้วยการปรับปรุงประสิทธิภาพในหลายมิติและหลายด้านดังที่กล่าวมาข้างต้น ไฟ LED บางเฉียบ QLED จึงได้บรรลุความก้าวหน้าครั้งสำคัญสามประการในที่สุด:

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพ: ความสว่างสูงสุด (≥100000 cd/m²) ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำเพียง 11.5 V, ความคล้ายคลึงทางสเปกตรัม 96%, ดัชนีการแสดงสี (CRI) ≥98, ปริมาณแสงสีฟ้าต่ำมาก, ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ≥150 lm/W และความหนาโดยรวมเพียงไม่กี่สิบนาโนเมตร

สถานการณ์การใช้งาน: ไม่เพียงแต่สามารถใช้แทนอุปกรณ์ให้แสงสว่างแบบดั้งเดิมเพื่อให้ได้แสงธรรมชาติที่ช่วยถนอมสายตาเท่านั้น แต่ยังสามารถขยายไปสู่จอแสดงผลแบบยืดหยุ่น (ใช้งานร่วมกับวัสดุพื้นผิวแบบยืดหยุ่นได้) แสงสว่างสำหรับการปลูกพืช (ควบคุมสเปกตรัมอย่างแม่นยำเพื่อส่งเสริมการสังเคราะห์แสงของพืช) และแสงสว่างเพื่อสุขภาพและการแพทย์ (ปรับสเปกตรัมตามความต้องการของมนุษย์)

ศักยภาพในการพัฒนาอุตสาหกรรม: กระบวนการสังเคราะห์ควอนตัมดอทและการเคลือบชั้นบางพิเศษที่ใช้เป็นการต่อยอดจากกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่เดิม ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์การผลิตราคาแพง และสามารถนำไปผลิตในปริมาณมากได้ ซึ่งคาดว่าจะผลักดันอุตสาหกรรมแสงสว่างและจอแสดงผลไปสู่การพัฒนาที่ให้แสงธรรมชาติมากขึ้น ปกป้องดวงตาได้ดีขึ้น และมีความยืดหยุ่นมากขึ้น

หลักการสำคัญของการปรับปรุงประสิทธิภาพนี้คือ การกำหนดเป้าหมายหลักคือการจับคู่สเปกตรัมแสงอาทิตย์ และเชื่อมโยงองค์ประกอบสำคัญสี่ประการ ได้แก่ วัสดุควอนตัมดอท อัตราส่วนสเปกตรัม โครงสร้างอุปกรณ์ และประสิทธิภาพการขับเคลื่อน โดยผ่านการทดลองและปรับปรุงซ้ำๆ ควบคู่กับการควบคุมพารามิเตอร์อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถแก้ไขปัญหาของ LED แบบดั้งเดิม เช่น สเปกตรัมที่ไม่เป็นธรรมชาติ แสงสีฟ้ามากเกินไป และแรงดันไฟฟ้าในการขับเคลื่อนสูง และเป็นแนวทางทางเทคนิคที่สามารถทำซ้ำได้สำหรับการพัฒนา LED ที่บางเฉียบอย่างก้าวกระโดด