滿足駕駛艙夜視兼容的底發射量子點LED器件

于德魯,翟保才,慎邦威,楊馥瑞,許 鍵，2

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2. Department of Engineering Science and Mechanics Penn State University，Pennsylvania 16802，USA)

引言

飛行員在夜間飛行時需配備夜視儀，為保證微光夜視儀的正常使用，飛機駕駛艙內光源、指示燈、顯示屏等一些發光設備必須與夜視成像系統(NVIS)相兼容，即夜視兼容。也就是說飛機駕駛艙內的發光部件發出的光不可對夜視成像系統的感應波段產生干擾，否則會產生圖像模糊、閃光等嚴重后果，甚至會使夜視儀損壞或飛行員眼睛損傷。夜視成像系統的響應波段主要是在近紅外區。發光二極管(LED)正逐步取代傳統光源，但現有的普通商用外延型LED在近紅外區有較高能量輻射，會對夜視成像系統產生干擾，無法直接應用于飛機駕駛艙。為了達到夜視兼容的目的，現今廣泛使用的方法是在外延型LED表面額外增加一層濾光片來消除多余的能量，但該方法具有成本高、制備工藝復雜、低出光效率、使用不方便等缺點[1-3]。此外，受材料和工藝限制，普通外延型LED的發射光譜可控性差。因此迫切需要開發適用于航空照明領域的新型無濾光片夜視兼容性器件。

量子點(QDs)材料又稱半導體納米晶體，是一種新型發光材料，通過調節量子點的化學組分及其尺寸大小與表面形貌，可以制備發射不同波長的量子點材料，其波長范圍可涵蓋整個紫外可見光紅外(0～3μm)光譜。而且用量子點材料制備的底發射LED器件的光譜半寬度很窄(小于30nm)，其色純度較高，由于其獨特的器件特性，其輻射光譜在大于625nm 的波長范圍內輻射復合發光的光子數目很少，這部分數量極少的光子，被夜視儀的探測器吸收產生較小的光電流，可以保證夜視儀正常應用，減少飛行員由于不良夜視兼容器件帶來的視覺損傷及操作誤判，大幅降低飛行事故的發生率。隨著量子點材料發光效率的逐步提升，其壽命也逐步增長，將來量子點LED必會應用到駕駛艙照明與顯示器件中，此外，量子點LED制程與有機LED(OLED)兼容，將來可以實現柔性顯示，在狹小的駕駛艙內部會有廣闊的應用空間，因此研究量子點LED的夜視兼容特性具有重大的軍用及民用價值。

1 量子點材料特點、器件結構與制備

1.1 量子點材料特點

量子點大多是由Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅵ族元素組成的準零維納米材料，其外觀為極小的點狀物，三維尺寸都在1～10nm，因此具有顯著的量子限域效應，其能帶結構既不同于普通晶體的連續能帶結構，也不同于分子特性的分立能級結構，而是介于兩者之間，如圖1所示。不同尺寸的量子點能帶分立程度不同，這是由載流子量子限域程度不同造成的，量子點越小，波函數的能量越大，量子點限域程度越大，因此不同尺寸的量子點材料在復合發光時就會發出不同波長的光[4-5]。量子點發光材料多為核殼結構，核尺寸較小，表面具有不飽和鍵，殼層(外層的配位體)的作用是使這些鍵飽和，殼層使得量子點在膠體溶液中保持穩定，不會從溶液中析出，適合旋涂成膜。

圖1 大尺寸(左)與小尺寸(右)半導體納米晶體的能級結構示意圖Fig.1 Band gap of the large size (left) and small size (right) of semiconductor nanocrystals

1.2 器件結構

量子點LED基本組成包括陰極、電子傳輸層、發光層、空穴傳輸層、空穴注入層，陽極。量子點LED各層材料的選取直接影響器件的性能。圖2為本文用于研究的器件結構，是一種典型的底發射器件結構，該結構可用于駕駛艙顯示屏，也可用于駕駛艙的普通照明以及各種操控指示燈、輔助照明燈等。選取銦錫氧化物(ITO)導電玻璃作為基底，ITO導電膜為陽極。聚(3,4-乙撐二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)是一種導電率很高的聚合物，加入該層目的是為了使ITO導電膜的功函數與空穴傳輸層的功函數更加匹配，減小界面勢壘，以便于空穴傳輸，同時增加ITO薄膜及空穴傳輸層的附著特性，提供一個平滑表面，降低各膜層表面的針孔或缺陷帶來的非輻射復合發生幾率，提高光效。聚三苯胺(Poly-TPD)導電性很好，同時它的能級結構能很好的和PEDOT：PSS銜接，因此十分適合做空穴傳輸層。量子點發光層為硫化鋅/硒化鎘(CdSe/ZnS)核殼型量子點材料，該層材料決定了器件的發光波長及顏色。納米氧化鋅(ZnO)是一種新型無機納米材料，它具有高透明性和高分散性等優點，用納米氧化鋅作為器件的電子傳輸層可以提高電子注入及傳輸效率，降低開啟電壓，提高器件亮度[6-8]。2011年，佛羅里達大學材料科學與工程學院在《自然光子學》雜志上報道了利用納米氧化鋅制備的量子點LED器件的亮度高達56000cd/m2[9]，該亮度足以滿足照明與顯示行業所要求的亮度。由于量子點LED為電流注入型器件，我們可以通過多個TFT來精確控制其電流，實現駕駛艙內部的夜視兼容照明與顯示。

圖2 本研究所用底發射量子點LED結構Fig.2 Structure of the bottom-emitting quantum dot LED used in research

1.3 器件制備

采用旋涂法制備器件，膜層厚度主要由溶液濃度、溶液粘附性以及勻膠機轉速決定，故應合理調節轉速與溶液濃度。首先將ITO玻璃用丙酮、甲醇及乙醇進行兩到三次超聲清洗，并用高純氮氣吹干，這樣有利于器件的發光均勻性。用勻膠機將PEDOT：PSS(30nm)以2000轉/分的速度旋涂在ITO導電膜表面，以150度加熱烘烤15分鐘,該過程可在大氣環境完成。然后將樣品放入氮氣手套箱(H2O≤1ppm，O2≤5ppm)。在手套箱中，以1000轉/分的速度將poly-TPD氯苯溶液旋涂到樣品表面，并在120度下加熱30分鐘成膜(40nm)。然后在樣品表面將量子點甲苯溶液(5mg/ml)旋涂在樣品表面，并在80度下加熱30分鐘。本文分別選取575nm和608nm的CdSe/ZnS核殼型量子點材料作為黃光和紅光器件的發光層，對于5mg/ml的量子點甲苯溶液轉速以800轉/分為宜，此時量子點發光層為4～8單層，此時發光效率較高，同時亮度也適合夜視器件，層數過多將導致開啟電壓升高，層數過少將使得輻射復合效率下降。接下來旋涂納米氧化鋅溶液，轉速為1000轉/分，在80度下加熱30分鐘成膜(25nm)。最后利用真空鍍膜技術形成陰極(Mg:Ag、Liq:Ag等合金電極)，陰極可以選擇共蒸、混蒸等，可以得到不同光效的器件，本文選用金屬鋁作為陰極。圖3為所制備器件發光圖。

圖3 底發射量子點LED發光圖Fig.3 Luminous figure of bottom-emitting quantum dot LED

2 底發射量子點LED器件的測試與分析

為了保證駕駛艙可見光不對夜視成像系統干擾，需在夜視系統安裝物鏡濾光片以消除發光設備可見光的影響。物鏡濾光片可以分為兩種，分別是A類(Class A)和B類(Class B)，其最大透光波段分別為625～930nm和665～930nm[10]，本文主要針對B類設備對器件的夜視兼容NR值進行了測量。目前并沒有專門針對航空應用的照明標準，參考我國軍標及美國軍用標準[11,12]，對所制備器件的光譜特性、伏安特性、夜視兼容NR值和夜視兼容NR值進行測試和分析。所用測試設備為OL770-NVS夜視測試系統和吉時利半導體分析儀。OL770-NVS夜視測試系統具有低雜散光、高光譜解析度、高靈敏度、高動態范圍等特點，運用該測試系統測量的結果誤差較小，可以對兩種器件的夜視兼容NR值進行快速、準確的測量。吉時利半導體分析儀具有高精度、快速測量、誤差小等優點，適合半導體光電器件的伏安特性測試。

2.1 器件光譜特性及伏安特性

圖4、圖5分別為所制備黃光(575nm)和紅光(608nm)器件的輻亮度光譜(N(λ))圖，可以發現兩種器件在不同電壓下，峰值波長均與所選量子點材料的標準波長基本無差別，說明器件中非量子點層只起到電子和空穴傳輸的作用，量子點層決定器件的發光波長與顏色特性。隨著電壓的不斷增加，光譜曲線不斷上移，在器件的正常工作電壓范圍內，兩種器件的近紅外輻射均低于1E-9 W/(sr×cm2×nm)，在近紅外波段有很低的能量輻射，該部分能量對普通夜視儀干擾極小。此外兩種器件的光譜較傳統外延型單色LED窄，單色性好，更適合作為高顯色要求的航空照明領域。使用半導體分析儀可以測得兩種器件的伏安特性曲線，如圖6、圖7所示，黃光(575nm)量子點LED器件的開啟電壓近似為1.6V,紅光(608nm)量子點LED器件的開啟電壓近似為2.0V，符合低電壓控制、低能耗的要求。

圖4 不同電壓下黃光(575nm)量子點LED輻亮度光譜圖(自下而上器件驅動電壓依次為2.5V、3.0V、3.5V、4.0V)Fig.4 Radiance spectra of yellow (575nm) quantum dot LED under different voltages(The driving voltage of the device are 2.5V、3.0V、3.5V、4.0V respectively from the bottom up)

圖5 不同電壓下紅光(608nm)量子點LED輻亮度光譜圖(自下而上供電電壓依次為4.0V、4.5V、5.0V、5.5V)Fig.5 Radiance spectra of red (608nm) quantum dot LED under different voltages(The driving voltage of the device are 4.0V、4.5V、5.0V、5.5V respectively from the bottom up)

圖6 黃光(575nm)量子點LED伏安特性曲線Fig.6 Volt-ampere characteristic curve of yellow(575nm) quantum dot LED

圖7 紅光(608nm)量子點LED伏安特性曲線Fig.7 Volt-ampere characteristic curve of red(608nm) quantum dot LED

2.2 器件的光譜輻亮度夜視兼容NR值

光譜輻亮度夜視兼容NR值是衡量駕駛艙照明系統夜視兼容特性的最重要指標，該值反映了發光器件與夜視系統響應光譜區域交疊的大小，需要將NR值限定在特定范圍內才能保證照明設備對夜視成像系統具有較小的干擾。NR值的定義如下：

(1)

其中GAorB(λ)為A類或B類設備的相對NVIS響應；N(λ)為器件的輻亮度光譜，其單位為W/(sr×cm2×nm)對應圖4與圖5；S為亮度比例因子，即標準亮度值與器件亮度值的比值[13]。依據標準，對于警告燈、主注意燈、應急出口燈等，夜視黃光和紅光的夜視兼容NRB值需滿足NRB≤1.4E-7 W/(sr×cm2)。測量結果如表1及表2所示，可以發現不同電壓下兩器件的NRB值均在標準要求的范圍內，且隨著供電電壓的增加，其NRB值成下降趨勢，其原因是隨著供電電壓的增加，其輻亮度光譜N(λ)不斷增大，同時器件亮度不斷增大，器件亮度的增大會導致亮度比例因子S不斷減小，S的減小對整個NRB值影響超過N(λ)增大對它的影響，導致NRB成下降趨勢。

表1 黃光(575nm)量子點LED的夜視兼容NRB值Table 1 Night vision compatible NRB values of yellow(575nm) quantum dot LED

表2 紅光(608nm)量子點LED的夜視兼容NRB值Table 2 Night vision compatible NRB values of red(608nm) quantum dot LED

2.3 器件色坐標

色度是衡量夜視兼容特性的另一個重要指標，飛機駕駛艙內各種儀表、指示燈、控制裝置等的照明顏色均需在色度圖的指定區域，發光器件色度的好壞直接影響飛行員對操作指令的判斷，因此器件色度需要嚴格滿足要求。器件的色坐標應滿足下式

(2)

圖8 1976UCS夜視兼容色度圖Fig.8 Chromaticity diagram of UCS NVIS compatible lighting in 1976

表3 黃光(575nm)量子點LED的色坐標Table 3 Color Coordinates of yellow(575nm) quantum dot LED

表4 紅光(608nm)量子點LED的色坐標Table 4 Color Coordinates of red (608nm)quantum dot LED

2.4 數據分析與總結

由以上數據可知，基于ZnS/CdSe核殼量子點材料作為發光層、納米氧化鋅作為電子傳輸層、聚合物Poly-TPD作為空穴傳輸層及PEDOT作為空穴注入層制備的底發射黃光和紅光量子點LED的器件在近紅外區具有較低的光譜能量輻射，因此器件具有較低的光譜輻亮度夜視兼容NR值，測試表明黃光器件和紅光器件的夜視兼容NR值均在標準NR值要求的范圍內。同時由器件的伏安曲線可以發現器件具有較低的開啟電壓，易控制，功耗低。兩種量子點器件的色坐標也均滿足夜視兼容要求。因此本文認為該類底發射量子點LED在無濾光片情況下就可以滿足飛機駕駛艙夜視兼容的要求，可用于飛機駕駛艙內的警告燈、指示燈、輔助照明燈、顯示屏等，將來有望取代傳統依靠濾光片的夜視兼容照明系統。

3 結束語

本文通過對量子點LED的制備、測試與分析，發現其在航空照明領域有極高的潛在應用價值。雖然量子點LED的研究已取得重大進展，但該類新型LED也存在很多問題待解決。首先量子點LED的外量子效率還是比較低的；其次量子點LED的壽命還不能和傳統LED相比擬。另外，本文用于制備量子點LED的方法僅適合實驗室，并不適合工業生產，用于量子點發光器件的各層材料合成技術也有待進一步提高，雖然有些廠家已投入生產，但大都存在合成效率低和合成質量不高、耗時長、效率低等問題。接下來的研究重點是進一步提高器件的發光效率和壽命，提高器件穩定性，同時改善材料合成方法和器件制備方法，尋找適合工業化生產的方法。相信隨著科技的不斷進步，上述問題會得到根本性的解決，到時量子點LED將不僅用于飛機駕駛艙的夜視兼容照明系統，也會大量應用在其他領域。

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