LED業(yè)有哪些新的技術(shù)突破？

技術(shù)創(chuàng)新和突破是行業(yè)發(fā)展的第一生產(chǎn)力。近期，LED業(yè)有哪些新的技術(shù)突破？

有機(jī)全色激光顯示方面獲得突破！

激光顯示具有全色域、高亮度、極限高清、真3D等顛覆性優(yōu)勢，是繼陰極射線顯示、液晶顯示、LED顯示之后的下一代技術(shù)。激光顯示已經(jīng)在激光電視、激光影院等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商品化。然而，這種利用投影三基色激光的方式限制了激光顯示在手機(jī)等平板領(lǐng)域的應(yīng)用。將紅綠藍(lán)三色的微納激光作為單個(gè)像素，構(gòu)建主動(dòng)發(fā)光的全色激光陣列作為顯示面板，是發(fā)展平板激光顯示的關(guān)鍵。

在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下，中國科學(xué)院光化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙永生研究員課題組科研人員多年來一直致力于有機(jī)微納激光材料與器件方面的研究，在有機(jī)微納諧振腔結(jié)構(gòu)的可控組裝（J. Am. Chem. Soc.2011,133,7276-7279；Chem. Soc. Rev.2014,43, 4325-4340），有機(jī)微納激光材料的激發(fā)態(tài)過程（Acc. Chem. Res.2016,49, 1691-1700;J. Am. Chem. Soc.2016,138, 1118-1121;Angew. Chem. Int. Ed.2018,57, 3108-3112;J. Am. Chem. Soc.2018,140, 13147-13150），以及有機(jī)柔性微納激光陣列（J. Am. Chem. Soc.2015,137, 62-65;Science Advances2015,1, e1500257；J. Am. Chem. Soc.2016,138, 2122-2125;Science Advances2017,3, e1700225）等方面開展了系統(tǒng)的研究工作。

圖1有機(jī)全色激光顯示面板的構(gòu)筑

（a）通過超聲振動(dòng)輔助噴墨打印法制備有機(jī)RGB微激光像素陣列的示意圖；（b）大面積有序陣列結(jié)構(gòu)的照片；（c-d）顯示的RGB像素陣列的顯微鏡圖像及單個(gè)像素放大圖；（e）紫外光照射（330-380 nm）下單個(gè)RGB像素的熒光顯微圖像。

最近，研究人員充分發(fā)揮有機(jī)材料在溶液加工方面的優(yōu)勢，利用噴墨打印的方式精準(zhǔn)構(gòu)建了紅綠藍(lán)微納激光陣列作為顯示面板（圖1），實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)發(fā)光激光顯示，解決了當(dāng)前激光投影顯示無法用于手機(jī)、平板、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的問題。在制得的面板上，每個(gè)像素點(diǎn)都由三個(gè)獨(dú)立的紅綠藍(lán)激光器組成。遠(yuǎn)場圖像表明，這樣制備的像素點(diǎn)具有良好的混色效果，且色域覆蓋范圍超過標(biāo)準(zhǔn)RGB空間的45%（圖4）。

圖2 單個(gè)像素產(chǎn)生的RGB激光

（a-c）不同功率激光對(duì)單個(gè)微半球進(jìn)行光致激發(fā)的熒光光譜及圖像；（d-f）425、555和606 nm處熒光強(qiáng)度隨激光功率的變化，折線處顯示其激射閾值分別為39.6、80.0和33.4 μJ cm-2。

在一塊3×5陣列面板上實(shí)現(xiàn)了三原色的數(shù)字顯示，通過顏色混合可以得到其他的各種顏色。除數(shù)字外，該面板還能夠?qū)崿F(xiàn)所有字母的混色顯示。進(jìn)一步地，選用較大面積的陣列面板能夠動(dòng)態(tài)顯示更加復(fù)雜的圖案。利用這種主動(dòng)發(fā)光的激光面板還可以實(shí)現(xiàn)圖案的動(dòng)態(tài)顯示，用于信息滾動(dòng)播出，視頻播放等。

圖3 打印像素陣列中的全彩可調(diào)激光

（a）RGB像素中不同半球組合激射的光譜和相應(yīng)的熒光圖像；（b）從（a）中激光光譜提取的色度；（c）由不同RGB微半球組成的像素陣列的“ICCAS”圖案的遠(yuǎn)場照片。

圖4 全色激光顯示

（a）可編程的全彩激光顯示的示意圖；（b）基于3×5的RGB像素陣列的多色阿拉伯?dāng)?shù)字顯示。顯微鏡圖像（左列）和光致發(fā)光圖像（右三列）；（c-e）在相同的面板上交替顯示三種顏色分布不同的蝴蝶圖像（44×44像素，對(duì)角線2.2 cm）。

該工作為發(fā)展高性能、易加工的平板激光顯示及照明器件提供了一種可行的解決方案。相關(guān)工作發(fā)表在Nature Communications2019,10, 870。

電極反轉(zhuǎn)的LED：可用于冷卻未來計(jì)算機(jī)

近日，美國密歇根大學(xué)的研究人員們?nèi)〉靡豁?xiàng)新研究成果，它竟然與物理學(xué)普通假設(shè)相反。他們利用了一個(gè)“電極反轉(zhuǎn)”的發(fā)光二極管（LED），冷卻另一個(gè)距離僅為納米級(jí)的設(shè)備。該校機(jī)械工程系教授 Pramod Reddy與Edgar Meyhofer共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。這項(xiàng)研究于2月14日發(fā)表在《自然》期刊上。

該方法有望為未來的微處理器帶來新型固態(tài)冷卻技術(shù)。微處理器包含了許多封裝在狹小空間中的晶體管，而現(xiàn)有的技術(shù)無法足夠快速地為它們散熱。

Reddy表示：“我們演示了第二種采用光子冷卻設(shè)備的方法?！钡谝环N方法：激光冷卻，是基于2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Arthur Ashkin 的基礎(chǔ)工作。

取而代之的是，研究人員們利用了熱輻射的化學(xué)勢（舉例來說，這個(gè)概念更常用于解釋電池如何工作）。Meyhofer表示：“即使在今天，許多人都認(rèn)為輻射的化學(xué)勢為零。但是追溯到上世紀(jì)八十年代，那時(shí)的理論研究表明，在某些條件下，情況并非如此?！?/p>

當(dāng)放入某一設(shè)備中時(shí)，電池中的化學(xué)勢會(huì)驅(qū)動(dòng)電流。在電池內(nèi)部，金屬離子想要流向另一端，因?yàn)檫@樣它們可以釋放一些能量（化學(xué)勢能），而我們將這種能量用作發(fā)電。電磁輻射，包括可見光和紅外線熱輻射，通常不具有這種勢能。

機(jī)械工程系研究員、這項(xiàng)研究領(lǐng)導(dǎo)作者Linxiao Zhu 表示：“通常對(duì)于熱輻射來說，強(qiáng)度只依賴于溫度，但是實(shí)際上我們還有另一種控制這種輻射的方法，它使得我們研究的冷卻成為可能?！?/p>

這種方法是“電”。理論上，在紅外線LED上反轉(zhuǎn)正負(fù)電氣連接，不僅不會(huì)阻止它發(fā)光，實(shí)際上還會(huì)抑制它原本應(yīng)該產(chǎn)生的熱輻射，因?yàn)檫@是在室溫條件下進(jìn)行的。

Reddy表示：“LED，經(jīng)過這種反轉(zhuǎn)偏置的方法處理，表現(xiàn)得就像處于較低的溫度。”然而，測量這種冷卻并證明發(fā)生了令人感興趣的事情，是非常復(fù)雜的過程。

為了讓足量的紅外線從某個(gè)物體進(jìn)入LED，這個(gè)物體必須與LED離得非常近，距離低于紅外線的單個(gè)波長。這就需要采用“近場”或者“倏逝波耦合”效應(yīng)，這樣才能使得更多的紅外線光子（光粒子），穿過待冷卻的物體進(jìn)入LED中。

Reddy 和 Meyhofer 的團(tuán)隊(duì)在這方面具有一定優(yōu)勢，因?yàn)樗麄冞^去一直在加熱和冷卻納米器件，將它們放置到只有幾十納米的距離，這個(gè)距離不足頭發(fā)絲寬度的千分之一。在如此緊密的距離下，一個(gè)原本不會(huì)從待冷卻的物體中逃脫的光子，就會(huì)進(jìn)入LED，好像它們之間幾乎沒有空隙存在。團(tuán)隊(duì)使用了超低振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室中可以相隔距離為納米級(jí)的物體，原因在于諸如建筑物中其他人的腳步聲之類的振動(dòng)會(huì)大大減弱。

下圖所示：Linxiao Zhu 展示了具有熱量計(jì)和光電二極管的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。這個(gè)系統(tǒng)可以抑制房間和建筑中的振動(dòng)，穩(wěn)定地保持兩個(gè)納米物體之間相距55納米。

（圖片來源：Joseph Xu）

團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建一個(gè)微型熱量計(jì)證明了這一原理。這個(gè)微型熱量計(jì)，是一種可測量能量變化的設(shè)備，并緊靠著尺寸如同一粒米的微型LED放置。這兩個(gè)設(shè)備持續(xù)地發(fā)射和接收來自彼此以及環(huán)境中其他地方的熱光子。

密歇根大學(xué)的團(tuán)隊(duì)修改后的尺寸如同一粒米的近紅外光電二極管的電子顯微鏡圖片。（圖片來源：Linxiao Zhu）

密歇根大學(xué)的團(tuán)隊(duì)制造熱量計(jì)的電子顯微鏡圖片，它可以感知面積可跨越80納米。（圖片來源：Linxiao Zhu）

Meyhofer表示：“室溫下的任何物體都會(huì)發(fā)光。夜視相機(jī)基本上就是在捕捉來自溫暖物體的紅外光?！钡且坏㎜ED被反轉(zhuǎn)偏置，它開始成為一個(gè)非常低溫的物體，吸收來自熱量計(jì)的光子。同時(shí)，空隙防止了熱量通過傳導(dǎo)返回?zé)崃坑?jì)，從而產(chǎn)生冷卻效果。

團(tuán)隊(duì)演示了每平方米6瓦特的冷卻效果。理論上來說，這種效應(yīng)可以產(chǎn)生相當(dāng)于每平方1000瓦特（大約等于地球表面太陽光的功率）的冷卻效果。

這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于未來的智能手機(jī)和其他計(jì)算機(jī)設(shè)備來說非常重要。隨著在越來越小的設(shè)備中蘊(yùn)藏著越來越強(qiáng)大的計(jì)算功率，處理器散熱能力開始限制給定空間中可容納的計(jì)算功率。

隨著這種方法的效率以及冷卻速率的提升，科學(xué)家們希望這種現(xiàn)象成為一種從設(shè)備中的微處理器快速吸收熱量的方法。因?yàn)榧{米尺度的間隔物能在微處理器和LED之間提供隔離，所以這種方法甚至可以應(yīng)用到智能手機(jī)中，改善其散熱。（來源于：IntelligentThings）

仿制螢火蟲結(jié)構(gòu)，提高LED發(fā)光率

美國賓州州立大學(xué)（Pennsylvania State University，簡稱“Penn State”）的研究員發(fā)現(xiàn)通過仿制螢火蟲的發(fā)光結(jié)構(gòu)能夠提高LED發(fā)光效率。

賓州州立大學(xué)電子工程專家Stuart (Shizhuo) Yin指出，目前大多數(shù)商用LED發(fā)光效率僅約50%，如何提高所謂的LED光提取效率是研究的關(guān)鍵之一，他們著重于研究如何從LED中提取光線。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，光線在向后反射時(shí)會(huì)消失，所以螢火蟲與LED在釋放光線上面臨相似的挑戰(zhàn)。對(duì)于LED，其中一個(gè)解決方案就是在其表面創(chuàng)建微結(jié)構(gòu)，使其有紋理，進(jìn)而發(fā)射出更多的光線。但是，大多數(shù)LED表面的微結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，每一邊的傾斜角度一樣。

螢火蟲的“燈籠”也有微結(jié)構(gòu)，然而，研究員發(fā)現(xiàn)這些微結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱的，其中一邊傾斜的角度不同。他們還發(fā)現(xiàn)其它會(huì)發(fā)光的昆蟲都有相似的結(jié)構(gòu)。鑒于此，他們決定在LED表面嘗試創(chuàng)建類似的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

有不對(duì)稱金字塔微結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石襯底（來源：Penn State）

研究員成功地在LED表面創(chuàng)建了不對(duì)稱微觀金字塔結(jié)構(gòu)，以兩種方式提高了光提取效率。首先，不對(duì)稱的金字塔結(jié)構(gòu)表面積較大，促進(jìn)光與表面進(jìn)行更多的交互作用，使得更少的光線被吸收。之后，當(dāng)光線碰到不對(duì)稱金字塔結(jié)構(gòu)的兩個(gè)不同的傾斜角時(shí)，光反射有更大的隨機(jī)性，這意味著光線反射更多。

對(duì)稱與不對(duì)稱結(jié)構(gòu)發(fā)光效率對(duì)比（來源：Penn State）

通過采用這種方法，LED光提取效率提高到90%。該研究團(tuán)隊(duì)為此項(xiàng)研究申請(qǐng)了專利，并表示，他們正在尋求與相關(guān)的制造商進(jìn)行合作，共同推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化。

據(jù)悉，這項(xiàng)研究結(jié)果已發(fā)表在《Optik》雜志上。

2019年十大突破性技術(shù)

日前，《麻省理工科技評(píng)論》正式揭曉2019年“十大突破性技術(shù)”（10 Breakthrough Technologies），今年上榜的“十大突破性技術(shù)”分別是：靈巧機(jī)器人、核能新浪潮、、早產(chǎn)預(yù)測、腸道探測藥片、定制癌癥疫苗、人造肉漢堡、捕獲二氧化碳、可穿戴心電儀、無下水道衛(wèi)生間和流利對(duì)話的 AI 助手。