蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)工程師首次成功研發(fā)出了超純綠光。新的發(fā)光二極管將為電視和智能手機(jī)的新一代超高清顯示屏提供顯著提升的色質(zhì)。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)工程師Chih-Jen Shih對此次突破非常滿意，他表示：“到目前為止，沒有人成功地生產(chǎn)出像我們這樣純的綠光。”

該超薄可彎曲的發(fā)光二極管(LED)以明亮的綠色色調(diào)顯示了三個(gè)字母“ETH”。

Shih的研究進(jìn)展明顯，特別是在下一代用于電視和智能手機(jī)的超高分辨率顯示器方面。電子設(shè)備首先必須能夠產(chǎn)生超純紅色、藍(lán)色和綠色光，以便下一代顯示器能夠顯示更清晰、更豐富的細(xì)節(jié)以及更精細(xì)顏色范圍的圖像。在大多數(shù)情況下，紅色和藍(lán)色光線已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn);然而，綠光卻已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)極限。

這主要是由于人感覺的差異;因?yàn)橄啾燃t色和藍(lán)色色調(diào)而言，人眼能夠區(qū)分更多的中間綠色色調(diào)。此次研究報(bào)告的共同主要作者Sudhir Kumar表示：“這使得超純綠色的工藝流程非常復(fù)雜，進(jìn)而在開發(fā)技術(shù)和材料方面給我們帶來了巨大挑戰(zhàn)。”

純度高達(dá)99%的綠色

從定義超高清規(guī)范的ITU Rec.2020國際標(biāo)準(zhǔn)中可以清楚地看出，Shih研發(fā)的超綠光在下一代顯示器的發(fā)展中取得了極大的進(jìn)步。該國際標(biāo)準(zhǔn)定義了超高分辨率(稱為“Ultra HD”)顯示器的技術(shù)要求，為進(jìn)一步研究和開發(fā)提供了基本框架。這些要求還包括肉眼可見的顏色質(zhì)量的改善。該標(biāo)準(zhǔn)提供了顯示器可以再現(xiàn)的顏色標(biāo)度，因此提供了更廣泛的色彩范圍。

超純綠色在擴(kuò)展顏色范圍或色域方面起著關(guān)鍵作用。最終，通過三種基色(紅色、藍(lán)色和綠色)的技術(shù)混合創(chuàng)造了新的色調(diào)?；郊?，屏幕可以顯示的色調(diào)范圍就越廣。Shih研發(fā)的新LED達(dá)到了Rec.2020國際標(biāo)準(zhǔn)的97%至99%。相比之下，目前市面上最純的彩色電視機(jī)顯示屏平均只有73.11%到77.72%，沒有超過80%的。

廉價(jià)、可生產(chǎn)的LED技術(shù)

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院功能材料工程教授Wendelin Stark，以及韓國和臺灣的研究人員也為該項(xiàng)目做出了貢獻(xiàn)。Shih不僅在研究成果方面取得了突破，而且在材料和方法上也取得了突破。他和他的同事們已經(jīng)開發(fā)出了一種超薄的可彎曲發(fā)光二極管，能夠在簡單室溫中發(fā)射出純綠光。Shih表示，這是該項(xiàng)目突破的第二個(gè)方面。因?yàn)榈侥壳盀橹?，通過LED技術(shù)產(chǎn)生純光需要使用高溫工藝，這一突破起碼也處于同等重要的地位。此次研究報(bào)告主要共同作者Jakub Jagielski指出：“因?yàn)槲覀兡軌蛟谑覝叵聦?shí)現(xiàn)整個(gè)過程，所以我們?yōu)槲磥沓G色發(fā)光二極管的簡單、低成本工業(yè)生產(chǎn)帶來了機(jī)遇。”

更準(zhǔn)確地說，Shih及其團(tuán)隊(duì)利用納米材料進(jìn)一步開發(fā)了該LED技術(shù)。發(fā)光二極管通常包含將通過該二極管的電流轉(zhuǎn)換成輻射光的半導(dǎo)體晶體。原料通常是氮化銦鎵(InGaN);然而，該材料卻不具有用于生產(chǎn)超純綠光的理想特性。所以Shih的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而使用了鈣鈦礦，這種材料也能用于太陽能電池的生產(chǎn)，并且可以相對高效地將電力轉(zhuǎn)換成光。Shih指出，這種材料非常便宜，還能使整個(gè)制造過程簡單快速-化學(xué)清潔鈣鈦礦只需半小時(shí)，之后就可以使用。

Shih研發(fā)的發(fā)光二極管中的鈣鈦礦材料的厚度小于4.8納米。這也是非常重要的一個(gè)因素，因?yàn)轭伾|(zhì)量取決于使用的納米晶體的厚度和形式。為了達(dá)到所需的純綠色，晶體的厚度應(yīng)該恰恰好，不能太厚也不能太薄。這些柔性的超薄發(fā)光二極管能像紙張一樣彎曲。因此，可以使用例如現(xiàn)有的卷到卷工藝廉價(jià)且快速地開展生產(chǎn)。Shih表示，此次進(jìn)展也將有利于未來的工業(yè)生產(chǎn)。

下一步目標(biāo)：提高LED效率

然而，要實(shí)現(xiàn)超綠色發(fā)光二極管的首個(gè)工業(yè)應(yīng)用還需時(shí)日。Shih團(tuán)隊(duì)的下一步計(jì)劃首先是提升效率。當(dāng)前他所研發(fā)的LED在將電轉(zhuǎn)換成光時(shí)效率達(dá)到3%，而相比之下，目前市面上的電視屏幕效率值為5%至10%。Shih希望下一個(gè)版本的效率會提高6%到7%。此外，他還發(fā)現(xiàn)了其LED使用壽命提升的潛力。目前，該LED發(fā)光時(shí)間僅有兩小時(shí)，而市面上的顯示屏能使用好多年。