新型超纯绿光LED 极大提升显示性能

苏黎世联邦理工学院化学工程师首次成功研发出了超纯绿光。新的发光二极管将为电视和智能手机的新一代超高清显示屏提供显著提升的色质。

苏黎世联邦理工学院化学工程师Chih-Jen Shih对此次突破非常满意，他表示：“到目前为止，没有人成功地生产出像我们这样纯的绿光。”

该超薄可弯曲的发光二极管(LED)以明亮的绿色色调显示了三个字母“ETH”。

Shih的研究进展明显，特别是在下一代用于电视和智能手机的超高分辨率显示器方面。电子设备首先必须能够产生超纯红色、蓝色和绿色光，以便下一代显示器能够显示更清晰、更丰富的细节以及更精细颜色范围的图像。在大多数情况下，红色和蓝色光线已经可以实现;然而，绿光却已经达到了技术极限。

这主要是由于人感觉的差异;因为相比红色和蓝色色调而言，人眼能够区分更多的中间绿色色调。此次研究报告的共同主要作者Sudhir Kumar表示：“这使得超纯绿色的工艺流程非常复杂，进而在开发技术和材料方面给我们带来了巨大挑战。”

纯度高达99%的绿色

从定义超高清规范的ITU Rec.2020国际标准中可以清楚地看出，Shih研发的超绿光在下一代显示器的发展中取得了极大的进步。该国际标准定义了超高分辨率(称为“Ultra HD”)显示器的技术要求，为进一步研究和开发提供了基本框架。这些要求还包括肉眼可见的颜色质量的改善。该标准提供了显示器可以再现的颜色标度，因此提供了更广泛的色彩范围。

超纯绿色在扩展颜色范围或色域方面起着关键作用。最终，通过三种基色(红色、蓝色和绿色)的技术混合创造了新的色调。基色越纯，屏幕可以显示的色调范围就越广。Shih研发的新LED达到了Rec.2020国际标准的97%至99%。相比之下，目前市面上最纯的彩色电视机显示屏平均只有73.11%到77.72%，没有超过80%的。

廉价、可生产的LED技术

苏黎世联邦理工学院功能材料工程教授Wendelin Stark，以及韩国和台湾的研究人员也为该项目做出了贡献。Shih不仅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。他和他的同事们已经开发出了一种超薄的可弯曲发光二极管，能够在简单室温中发射出纯绿光。Shih表示，这是该项目突破的第二个方面。因为到目前为止，通过LED技术产生纯光需要使用高温工艺，这一突破起码也处于同等重要的地位。此次研究报告主要共同作者Jakub Jagielski指出：“因为我们能够在室温下实现整个过程，所以我们为未来超绿色发光二极管的简单、低成本工业生产带来了机遇。”

更准确地说，Shih及其团队利用纳米材料进一步开发了该LED技术。发光二极管通常包含将通过该二极管的电流转换成辐射光的半导体晶体。原料通常是氮化铟镓(InGaN);然而，该材料却不具有用于生产超纯绿光的理想特性。所以Shih的团队转而使用了钙钛矿，这种材料也能用于太阳能电池的生产，并且可以相对高效地将电力转换成光。Shih指出，这种材料非常便宜，还能使整个制造过程简单快速-化学清洁钙钛矿只需半小时，之后就可以使用。

Shih研发的发光二极管中的钙钛矿材料的厚度小于4.8纳米。这也是非常重要的一个因素，因为颜色质量取决于使用的纳米晶体的厚度和形式。为了达到所需的纯绿色，晶体的厚度应该恰恰好，不能太厚也不能太薄。这些柔性的超薄发光二极管能像纸张一样弯曲。因此，可以使用例如现有的卷到卷工艺廉价且快速地开展生产。Shih表示，此次进展也将有利于未来的工业生产。

下一步目标：提高LED效率

然而，要实现超绿色发光二极管的首个工业应用还需时日。Shih团队的下一步计划首先是提升效率。当前他所研发的LED在将电转换成光时效率达到3%，而相比之下，目前市面上的电视屏幕效率值为5%至10%。Shih希望下一个版本的效率会提高6%到7%。此外，他还发现了其LED使用寿命提升的潜力。目前，该LED发光时间仅有两小时，而市面上的显示屏能使用好多年。