LED業(yè)有哪些新的技術突破？

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

有機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。激光顯示已經(jīng)在激光電視、激光影院等領域實現(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等平板領域的應用。將紅綠藍三色的微納激光作為單個像素，構建主動發(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鍵。

在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院戰(zhàn)略先導專項的支持下，中國科學院光化學重點實驗室趙永生研究員課題組科研人員多年來一直致力于有機微納激光材料與器件方面的研究，在有機微納諧振腔結構的可控組裝（J. Am. Chem. Soc.2011,133,7276-7279；Chem. Soc. Rev.2014,43, 4325-4340），有機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有機全色激光顯示面板的構筑

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

最近，研究人員充分發(fā)揮有機材料在溶液加工方面的優(yōu)勢，利用噴墨打印的方式精準構建了紅綠藍微納激光陣列作為顯示面板（圖1），實現(xiàn)了主動發(fā)光激光顯示，解決了當前激光投影顯示無法用于手機、平板、可穿戴設備等領域的問題。在制得的面板上，每個像素點都由三個獨立的紅綠藍激光器組成。遠場圖像表明，這樣制備的像素點具有良好的混色效果，且色域覆蓋范圍超過標準RGB空間的45%（圖4）。

圖2 單個像素產(chǎn)生的RGB激光

（a-c）不同功率激光對單個微半球進行光致激發(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，該面板還能夠實現(xiàn)所有字母的混色顯示。進一步地，選用較大面積的陣列面板能夠動態(tài)顯示更加復雜的圖案。利用這種主動發(fā)光的激光面板還可以實現(xiàn)圖案的動態(tài)顯示，用于信息滾動播出，視頻播放等。

圖3 打印像素陣列中的全彩可調激光

（a）RGB像素中不同半球組合激射的光譜和相應的熒光圖像；（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數(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。相關工作發(fā)表在Nature Communications2019,10, 870。

電極反轉的LED：可用于冷卻未來計算機

近日，美國密歇根大學的研究人員們?nèi)〉靡豁椥卵芯砍晒?，它竟然與物理學普通假設相反。他們利用了一個“電極反轉”的發(fā)光二極管（LED），冷卻另一個距離僅為納米級的設備。該校機械工程系教授 Pramod Reddy與Edgar Meyhofer共同領導了這項研究。這項研究于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。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年諾貝爾物理學獎獲得者Arthur Ashkin 的基礎工作。

取而代之的是，研究人員們利用了熱輻射的化學勢（舉例來說，這個概念更常用于解釋電池如何工作）。Meyhofer表示：“即使在今天，許多人都認為輻射的化學勢為零。但是追溯到上世紀八十年代，那時的理論研究表明，在某些條件下，情況并非如此?！?/p>

當放入某一設備中時，電池中的化學勢會驅動電流。在電池內(nèi)部，金屬離子想要流向另一端，因為這樣它們可以釋放一些能量（化學勢能），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。

機械工程系研究員、這項研究領導作者Linxiao Zhu 表示：“通常對于熱輻射來說，強度只依賴于溫度，但是實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上反轉正負電氣連接，不僅不會阻止它發(fā)光，實際上還會抑制它原本應該產(chǎn)生的熱輻射，因為這是在室溫條件下進行的。

Reddy表示：“LED，經(jīng)過這種反轉偏置的方法處理，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，是非常復雜的過程。

為了讓足量的紅外線從某個物體進入LED，這個物體必須與LED離得非常近，距離低于紅外線的單個波長。這就需要采用“近場”或者“倏逝波耦合”效應，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入LED中。

Reddy 和 Meyhofer 的團隊在這方面具有一定優(yōu)勢，因為他們過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，一個原本不會從待冷卻的物體中逃脫的光子，就會進入LED，好像它們之間幾乎沒有空隙存在。團隊使用了超低振動實驗室，在這個實驗室中可以相隔距離為納米級的物體，原因在于諸如建筑物中其他人的腳步聲之類的振動會大大減弱。

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

（圖片來源：Joseph Xu）

團隊通過構建一個微型熱量計證明了這一原理。這個微型熱量計，是一種可測量能量變化的設備，并緊靠著尺寸如同一粒米的微型LED放置。這兩個設備持續(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。

密歇根大學的團隊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）

密歇根大學的團隊制造熱量計的電子顯微鏡圖片，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發(fā)光。夜視相機基本上就是在捕捉來自溫暖物體的紅外光。”但是一旦LED被反轉偏置，它開始成為一個非常低溫的物體，吸收來自熱量計的光子。同時，空隙防止了熱量通過傳導返回熱量計，從而產(chǎn)生冷卻效果。

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

這項技術對于未來的智能手機和其他計算機設備來說非常重要。隨著在越來越小的設備中蘊藏著越來越強大的計算功率，處理器散熱能力開始限制給定空間中可容納的計算功率。

隨著這種方法的效率以及冷卻速率的提升，科學家們希望這種現(xiàn)象成為一種從設備中的微處理器快速吸收熱量的方法。因為納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用到智能手機中，改善其散熱。（來源于：IntelligentThings）

仿制螢火蟲結構，提高LED發(fā)光率

美國賓州州立大學（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)光結構能夠提高LED發(fā)光效率。

賓州州立大學電子工程專家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鍵之一，他們著重于研究如何從LED中提取光線。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，光線在向后反射時會消失，所以螢火蟲與LED在釋放光線上面臨相似的挑戰(zhàn)。對于LED，其中一個解決方案就是在其表面創(chuàng)建微結構，使其有紋理，進而發(fā)射出更多的光線。但是，大多數(shù)LED表面的微結構是對稱的，每一邊的傾斜角度一樣。

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

有不對稱金字塔微結構的藍寶石襯底（來源：Penn State）

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

對稱與不對稱結構發(fā)光效率對比（來源：Penn State）

通過采用這種方法，LED光提取效率提高到90%。該研究團隊為此項研究申請了專利，并表示，他們正在尋求與相關的制造商進行合作，共同推動這項技術的商業(yè)化。

據(jù)悉，這項研究結果已發(fā)表在《Optik》雜志上。

2019年十大突破性技術

日前，《麻省理工科技評論》正式揭曉2019年“十大突破性技術”（10 Breakthrough Technologies），今年上榜的“十大突破性技術”分別是：靈巧機器人、核能新浪潮、、早產(chǎn)預測、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)生間和流利對話的 AI 助手。