ナノクリスタルのエレクトロルミネセンス
調節可能な発光を持つナノクリスタルのLED ――― エレクトロルミネセンスの新たな可能性
既存半導体の性質による限界があるため、発光ダイオード（LED）のアプリケーションは制限されてきました。第一の制限は、発光波長の調節ができないことです。半導体の材質によって発光波長色は決まっており、容易に変更することはできません。既存半導体ではバンドギャップが固定されているためにこの制限が発生しており、発光する光子のエネルギーが固定され、多くの産業で期待されている波長(555nm等)の多くは、事実上使用できません。第二に、フレキシビリティの欠如です。既存半導体のLEDは、大型で高価なウェーハーから製造し、あらかじめ決定した形状に切り出します。このウェーハーを曲げたり、形状を変更するのは不可能であり、応用分野や方法は制限されます。
標準外の波長を利用するアプリケーションや、アプリケーション環境の利用が制限されるため、LEDは広範囲の市場に完全には浸透できていません。通常の白熱灯に比較して高効率を達成できればLEDベースのライトには圧倒的な需要があります。上記で述べた波長の制限のように、半導体の材質そのものの性質により、高品質の白色ライトは実現が困難です。エヴィデント社はこのような問題への解決策を提案します。
ナノクリスタル： さらにフレキシブルな形状
エヴィデント社の特殊な半導体ナノクリスタルは、広範囲の可視光及び赤外の光を発光するように調節可能で、形状や溶剤もフレキシブルに選択できるので、標準的なLEDを越える性能を実現し、既存LEDの欠点を完全に改善します。このようなユニークなエレクトロルミネセンスの特長は、ナノクリスタルの非常に小さいサイズ（直径 2-10nm）に起因しています。このようなナノスケールサイズでは、量子構造によって、半導体材料は既存のバルク素材とは異なる機能を持ちます。例えば、数個の原子をナノクリスタルに加えたり、取り除くだけでバンドギャップを調節することが可能になります。また、粒径が小さいために、形状の自由度が高くなり、基材、薄膜、フィルム、水溶性、ゲル、インク、３次元アレーなどの形状に成形することができます。ナノクリスタルの粒径を変更することで、エヴィデント社はその波長色をコントロールすることに成功し、自然界の制限を打ち破りました。
既存LEDのしくみ
既存のLED技術では、調節不可能なエレクトロルミネセンス発光は半導体のp-n接続によって生まれています。電流がその接合を通る際に、電子はバンドギャップを越えて伝導帯に励起します。電子は接合部から拡散し、バンドギャップを越えて価電子帯に戻り、バンドギャップエネルギーに対応する波長の光を発光します。この発光方法では、例え変更ができなくても、それぞれの半導体材料固有のシャープなスペクトルの発光が得られ、電力を効率よく光に変換することができます。その後、必要に応じレンズ、フィルタ、その他の光装置経由で電送可能です。
さらに高性能 ナノクリスタルによるLED
QLED （Quantum LED）は、ナノクリスタルのネットワークで構成され、仕組みは既存のLEDと似ていますが、より多方面で使用することができます。電流は、QLEDでも量子ドットネットワークを流れますが、既存半導体のようなエネルギー帯ではなく、電流は、ナノクリスタル特有の、分断されたエネルギー帯を通過することになります。ナノクリスタルの、区分けエネルギー帯の性質は、エネルギーが価電子帯と導電体の間（バンドギャップ）を、原子一個を操作することで変更できることを意味します。QLEDナノクリスタルの粒径を前もって決めておくことにより、指定した色に適した波長に発光光子を固定します。例え、自然界には存在しない波長色であっても、ナノクリスタルでだけ可能です。さらに、非常に小さい粒径で、形状の自由度が高いため、ナノクリスタルは必要とされるほとんどの媒体に混入可能です。（例： 塗料、水、プラスチックなど。）
ナノクリスタルエレクトロルミネセンスの利点
ナノクリスタルのエレクトロルミネセンスデバイスとしての利用には、更にメリットがあります。第一に、既存半導体系で製造される白色ＬＥＤに比較し、高品質で低コストの白色ライトを実現する可能性です。赤、緑、青を発光するナノクリスタルを混ぜ合わせ、要求されるスペクトルの特長を満たす半導体コンポジットを製造することにより実現が可能です。これは既存半導体では不可能です。第二のメリットは、このアプローチにおける低コストです。既存半導体は、製造に細心の注意が要求される大型の高価なウェーハを正確に切断し、その上に生成されます。ナノクリスタルは、コロイド性質によって大量バッチで容易に生成し、最終的な形状に簡単に成形可能です。
ナノクリスタルの安定性
エヴィデント社独自の特殊なコアシェル技術によって、ＱＬＥＤ及びナノクリスタルは、総じて安定性に優れ、様々な環境下で高い量子効率と光度を長期間保ちます。ＱＬＥＤは、有機蛍光色素を用いて発光を得る有機EL(OLED)に比較して大きなメリットがあります。発光波長が調節できないことに加え、有機ELはQLEDに比較して光安定性が劣り、寿命も短いためです。
ナノクリスタルエレクトロルミネセンスの経済的継続性
QLEDは、調節可能な発光波長、形状やアプリケーションの自由度、低コスト、光安定性など、大きなメリットを実現します。米国の発電市場の１８パーセントを占める照明での電力消費は、資源を大量に消費します。効率を大幅に向上させることができれば、燃料資源と費用の両方をこれまでにない規模で縮小する可能性を示唆しています。
