满足驾驶舱夜视兼容的底发射量子点LED器件

于德鲁,翟保才,慎邦威,杨馥瑞,许 键，2

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2. Department of Engineering Science and Mechanics Penn State University，Pennsylvania 16802，USA)

引言

飞行员在夜间飞行时需配备夜视仪，为保证微光夜视仪的正常使用，飞机驾驶舱内光源、指示灯、显示屏等一些发光设备必须与夜视成像系统(NVIS)相兼容，即夜视兼容。也就是说飞机驾驶舱内的发光部件发出的光不可对夜视成像系统的感应波段产生干扰，否则会产生图像模糊、闪光等严重后果，甚至会使夜视仪损坏或飞行员眼睛损伤。夜视成像系统的响应波段主要是在近红外区。发光二极管(LED)正逐步取代传统光源，但现有的普通商用外延型LED在近红外区有较高能量辐射，会对夜视成像系统产生干扰，无法直接应用于飞机驾驶舱。为了达到夜视兼容的目的，现今广泛使用的方法是在外延型LED表面额外增加一层滤光片来消除多余的能量，但该方法具有成本高、制备工艺复杂、低出光效率、使用不方便等缺点[1-3]。此外，受材料和工艺限制，普通外延型LED的发射光谱可控性差。因此迫切需要开发适用于航空照明领域的新型无滤光片夜视兼容性器件。

量子点(QDs)材料又称半导体纳米晶体，是一种新型发光材料，通过调节量子点的化学组分及其尺寸大小与表面形貌，可以制备发射不同波长的量子点材料，其波长范围可涵盖整个紫外可见光红外(0～3μm)光谱。而且用量子点材料制备的底发射LED器件的光谱半宽度很窄(小于30nm)，其色纯度较高，由于其独特的器件特性，其辐射光谱在大于625nm 的波长范围内辐射复合发光的光子数目很少，这部分数量极少的光子，被夜视仪的探测器吸收产生较小的光电流，可以保证夜视仪正常应用，减少飞行员由于不良夜视兼容器件带来的视觉损伤及操作误判，大幅降低飞行事故的发生率。随着量子点材料发光效率的逐步提升，其寿命也逐步增长，将来量子点LED必会应用到驾驶舱照明与显示器件中，此外，量子点LED制程与有机LED(OLED)兼容，将来可以实现柔性显示，在狭小的驾驶舱内部会有广阔的应用空间，因此研究量子点LED的夜视兼容特性具有重大的军用及民用价值。

1 量子点材料特点、器件结构与制备

1.1 量子点材料特点

量子点大多是由Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅵ族元素组成的准零维纳米材料，其外观为极小的点状物，三维尺寸都在1～10nm，因此具有显著的量子限域效应，其能带结构既不同于普通晶体的连续能带结构，也不同于分子特性的分立能级结构，而是介于两者之间，如图1所示。不同尺寸的量子点能带分立程度不同，这是由载流子量子限域程度不同造成的，量子点越小，波函数的能量越大，量子点限域程度越大，因此不同尺寸的量子点材料在复合发光时就会发出不同波长的光[4-5]。量子点发光材料多为核壳结构，核尺寸较小，表面具有不饱和键，壳层(外层的配位体)的作用是使这些键饱和，壳层使得量子点在胶体溶液中保持稳定，不会从溶液中析出，适合旋涂成膜。

图1 大尺寸(左)与小尺寸(右)半导体纳米晶体的能级结构示意图Fig.1 Band gap of the large size (left) and small size (right) of semiconductor nanocrystals

1.2 器件结构

量子点LED基本组成包括阴极、电子传输层、发光层、空穴传输层、空穴注入层，阳极。量子点LED各层材料的选取直接影响器件的性能。图2为本文用于研究的器件结构，是一种典型的底发射器件结构，该结构可用于驾驶舱显示屏，也可用于驾驶舱的普通照明以及各种操控指示灯、辅助照明灯等。选取铟锡氧化物(ITO)导电玻璃作为基底，ITO导电膜为阳极。聚(3,4-乙撑二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)是一种导电率很高的聚合物，加入该层目的是为了使ITO导电膜的功函数与空穴传输层的功函数更加匹配，减小界面势垒，以便于空穴传输，同时增加ITO薄膜及空穴传输层的附着特性，提供一个平滑表面，降低各膜层表面的针孔或缺陷带来的非辐射复合发生几率，提高光效。聚三苯胺(Poly-TPD)导电性很好，同时它的能级结构能很好的和PEDOT：PSS衔接，因此十分适合做空穴传输层。量子点发光层为硫化锌/硒化镉(CdSe/ZnS)核壳型量子点材料，该层材料决定了器件的发光波长及颜色。纳米氧化锌(ZnO)是一种新型无机纳米材料，它具有高透明性和高分散性等优点，用纳米氧化锌作为器件的电子传输层可以提高电子注入及传输效率，降低开启电压，提高器件亮度[6-8]。2011年，佛罗里达大学材料科学与工程学院在《自然光子学》杂志上报道了利用纳米氧化锌制备的量子点LED器件的亮度高达56000cd/m2[9]，该亮度足以满足照明与显示行业所要求的亮度。由于量子点LED为电流注入型器件，我们可以通过多个TFT来精确控制其电流，实现驾驶舱内部的夜视兼容照明与显示。

图2 本研究所用底发射量子点LED结构Fig.2 Structure of the bottom-emitting quantum dot LED used in research

1.3 器件制备

采用旋涂法制备器件，膜层厚度主要由溶液浓度、溶液粘附性以及匀胶机转速决定，故应合理调节转速与溶液浓度。首先将ITO玻璃用丙酮、甲醇及乙醇进行两到三次超声清洗，并用高纯氮气吹干，这样有利于器件的发光均匀性。用匀胶机将PEDOT：PSS(30nm)以2000转/分的速度旋涂在ITO导电膜表面，以150度加热烘烤15分钟,该过程可在大气环境完成。然后将样品放入氮气手套箱(H2O≤1ppm，O2≤5ppm)。在手套箱中，以1000转/分的速度将poly-TPD氯苯溶液旋涂到样品表面，并在120度下加热30分钟成膜(40nm)。然后在样品表面将量子点甲苯溶液(5mg/ml)旋涂在样品表面，并在80度下加热30分钟。本文分别选取575nm和608nm的CdSe/ZnS核壳型量子点材料作为黄光和红光器件的发光层，对于5mg/ml的量子点甲苯溶液转速以800转/分为宜，此时量子点发光层为4～8单层，此时发光效率较高，同时亮度也适合夜视器件，层数过多将导致开启电压升高，层数过少将使得辐射复合效率下降。接下来旋涂纳米氧化锌溶液，转速为1000转/分，在80度下加热30分钟成膜(25nm)。最后利用真空镀膜技术形成阴极(Mg:Ag、Liq:Ag等合金电极)，阴极可以选择共蒸、混蒸等，可以得到不同光效的器件，本文选用金属铝作为阴极。图3为所制备器件发光图。

图3 底发射量子点LED发光图Fig.3 Luminous figure of bottom-emitting quantum dot LED

2 底发射量子点LED器件的测试与分析

为了保证驾驶舱可见光不对夜视成像系统干扰，需在夜视系统安装物镜滤光片以消除发光设备可见光的影响。物镜滤光片可以分为两种，分别是A类(Class A)和B类(Class B)，其最大透光波段分别为625～930nm和665～930nm[10]，本文主要针对B类设备对器件的夜视兼容NR值进行了测量。目前并没有专门针对航空应用的照明标准，参考我国军标及美国军用标准[11,12]，对所制备器件的光谱特性、伏安特性、夜视兼容NR值和夜视兼容NR值进行测试和分析。所用测试设备为OL770-NVS夜视测试系统和吉时利半导体分析仪。OL770-NVS夜视测试系统具有低杂散光、高光谱解析度、高灵敏度、高动态范围等特点，运用该测试系统测量的结果误差较小，可以对两种器件的夜视兼容NR值进行快速、准确的测量。吉时利半导体分析仪具有高精度、快速测量、误差小等优点，适合半导体光电器件的伏安特性测试。

2.1 器件光谱特性及伏安特性

图4、图5分别为所制备黄光(575nm)和红光(608nm)器件的辐亮度光谱(N(λ))图，可以发现两种器件在不同电压下，峰值波长均与所选量子点材料的标准波长基本无差别，说明器件中非量子点层只起到电子和空穴传输的作用，量子点层决定器件的发光波长与颜色特性。随着电压的不断增加，光谱曲线不断上移，在器件的正常工作电压范围内，两种器件的近红外辐射均低于1E-9 W/(sr×cm2×nm)，在近红外波段有很低的能量辐射，该部分能量对普通夜视仪干扰极小。此外两种器件的光谱较传统外延型单色LED窄，单色性好，更适合作为高显色要求的航空照明领域。使用半导体分析仪可以测得两种器件的伏安特性曲线，如图6、图7所示，黄光(575nm)量子点LED器件的开启电压近似为1.6V,红光(608nm)量子点LED器件的开启电压近似为2.0V，符合低电压控制、低能耗的要求。

图4 不同电压下黄光(575nm)量子点LED辐亮度光谱图(自下而上器件驱动电压依次为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)

图5 不同电压下红光(608nm)量子点LED辐亮度光谱图(自下而上供电电压依次为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)

图6 黄光(575nm)量子点LED伏安特性曲线Fig.6 Volt-ampere characteristic curve of yellow(575nm) quantum dot LED

图7 红光(608nm)量子点LED伏安特性曲线Fig.7 Volt-ampere characteristic curve of red(608nm) quantum dot LED

2.2 器件的光谱辐亮度夜视兼容NR值

光谱辐亮度夜视兼容NR值是衡量驾驶舱照明系统夜视兼容特性的最重要指标，该值反映了发光器件与夜视系统响应光谱区域交叠的大小，需要将NR值限定在特定范围内才能保证照明设备对夜视成像系统具有较小的干扰。NR值的定义如下：

(1)

其中GAorB(λ)为A类或B类设备的相对NVIS响应；N(λ)为器件的辐亮度光谱，其单位为W/(sr×cm2×nm)对应图4与图5；S为亮度比例因子，即标准亮度值与器件亮度值的比值[13]。依据标准，对于警告灯、主注意灯、应急出口灯等，夜视黄光和红光的夜视兼容NRB值需满足NRB≤1.4E-7 W/(sr×cm2)。测量结果如表1及表2所示，可以发现不同电压下两器件的NRB值均在标准要求的范围内，且随着供电电压的增加，其NRB值成下降趋势，其原因是随着供电电压的增加，其辐亮度光谱N(λ)不断增大，同时器件亮度不断增大，器件亮度的增大会导致亮度比例因子S不断减小，S的减小对整个NRB值影响超过N(λ)增大对它的影响，导致NRB成下降趋势。

表1 黄光(575nm)量子点LED的夜视兼容NRB值Table 1 Night vision compatible NRB values of yellow(575nm) quantum dot LED

表2 红光(608nm)量子点LED的夜视兼容NRB值Table 2 Night vision compatible NRB values of red(608nm) quantum dot LED

2.3 器件色坐标

色度是衡量夜视兼容特性的另一个重要指标，飞机驾驶舱内各种仪表、指示灯、控制装置等的照明颜色均需在色度图的指定区域，发光器件色度的好坏直接影响飞行员对操作指令的判断，因此器件色度需要严格满足要求。器件的色坐标应满足下式

(2)

图8 1976UCS夜视兼容色度图Fig.8 Chromaticity diagram of UCS NVIS compatible lighting in 1976

表3 黄光(575nm)量子点LED的色坐标Table 3 Color Coordinates of yellow(575nm) quantum dot LED

表4 红光(608nm)量子点LED的色坐标Table 4 Color Coordinates of red (608nm)quantum dot LED

2.4 数据分析与总结

由以上数据可知，基于ZnS/CdSe核壳量子点材料作为发光层、纳米氧化锌作为电子传输层、聚合物Poly-TPD作为空穴传输层及PEDOT作为空穴注入层制备的底发射黄光和红光量子点LED的器件在近红外区具有较低的光谱能量辐射，因此器件具有较低的光谱辐亮度夜视兼容NR值，测试表明黄光器件和红光器件的夜视兼容NR值均在标准NR值要求的范围内。同时由器件的伏安曲线可以发现器件具有较低的开启电压，易控制，功耗低。两种量子点器件的色坐标也均满足夜视兼容要求。因此本文认为该类底发射量子点LED在无滤光片情况下就可以满足飞机驾驶舱夜视兼容的要求，可用于飞机驾驶舱内的警告灯、指示灯、辅助照明灯、显示屏等，将来有望取代传统依靠滤光片的夜视兼容照明系统。

3 结束语

本文通过对量子点LED的制备、测试与分析，发现其在航空照明领域有极高的潜在应用价值。虽然量子点LED的研究已取得重大进展，但该类新型LED也存在很多问题待解决。首先量子点LED的外量子效率还是比较低的；其次量子点LED的寿命还不能和传统LED相比拟。另外，本文用于制备量子点LED的方法仅适合实验室，并不适合工业生产，用于量子点发光器件的各层材料合成技术也有待进一步提高，虽然有些厂家已投入生产，但大都存在合成效率低和合成质量不高、耗时长、效率低等问题。接下来的研究重点是进一步提高器件的发光效率和寿命，提高器件稳定性，同时改善材料合成方法和器件制备方法，寻找适合工业化生产的方法。相信随着科技的不断进步，上述问题会得到根本性的解决，到时量子点LED将不仅用于飞机驾驶舱的夜视兼容照明系统，也会大量应用在其他领域。

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