详解量子点显示技术发展进程

从上世纪70年代起，量子点技术问世。随着之后几十年世界范围的科学家对量子点技术研究的不断深入，产业化进程也取得了越来越多的进展。近年来量子点技术在显示领域有不小的突破，并凭借其优异的显示性能，得到世人的青睐和显示厂商的重视。

 

 

图1 量子点结构及其生产过程原理图

 

什么是量子点显示？

 

量子点（图1-3）是粒径小于或接近激子波尔半径的半导体纳米晶体。量子点三个维度的尺度通常在10nm以下，内部的电子和空穴在各个方向上的运动均受到限制，量子限域效应（quantum confinement effect）十分明显。由于电子和空穴被量子限域，量子点具有分立的能级结构。这种分立的能级结构使得量子点具有独特的光学性质。

 

通常说来，量子点是由锌、镉、硒和硫原子组合而成。每当受到光或电的刺激，量子点便会发出有色光线，光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定（图4），这一特性使得量子点能够改变光源发出的光线颜色。

 

量子点的发光峰窄、发光颜色随自身尺寸可调、发光效率高，非常适合用作显示器件的发光材料。量子点在显示技术领域的应用主要包括两个方面：基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管显示技术（Quantum Dots Light Emitting Diode Displays,QLED）；基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术（Quantum Dots-Backlight Unit,QD-BLU）。

 

 

图2 量子点的核心结构

 

图3 量子点的体积非常的小（纳米级别）

 

图4 量子点的大小与发出光线光谱的关系

 

量子点发展历程及现状

 

20世纪70年代早期，由于半导体外延生长技术的发展，使得纳米结构的制备成为可能。首先，被称为量子阱（Quantum Wells,QW）的薄层二维纳米结构被合成出来，并被广泛研究。这种纳米薄层结构由两种不同的半导体材料相间排列形成，电子和空穴被限制在几纳米厚度的薄层中，具有明显的限域效应。通过调整组成成分比例，量子阱的禁带宽度（Band Gap）可以发生改变。

 

八九十年代，世界多国展开对量子点技术的研究，并取得了明显进展。近年来，量子点产业化的步伐加快，多家企业的产品纷纷亮相。

 

2002年，麻省理工学院的Seth Coe等人，以有机层和单层量子点的三明治夹层结构作为量子点发光二极管，其中有机层作为电子和空穴传输层，量子点作为电致发光层，发光效率可以达到0.5%。

 

2005年，Muller等人通过在真空沉积的n-GaN和p-GaN层之间夹合单层CdSe/ZnS量子点层，构造了全无机的QLED。

 

2010年，QD vision与美国Nexxus Lighting合作推出量子点照明灯具。在这种灯具中，量子点膜片被覆盖在蓝光LED芯片表面，将LED芯片的蓝光转化成红光。

 

2011年Nanosys公司以蓝光LED激发量子点发光薄膜作为背光源，开发了色域达到80%NTSC的47英寸全高清LCD电视。

 

2011年，三星电子以有机层和无机层，分别作为量子点发光层的电子和空穴传输层，制备得到了量子点发光二极管。通过转印法对量子点薄膜图形化，三星电子公司制作了4英寸全彩有源矩阵QLED显示器件原型产品。三星研究人员首先将量子点溶液涂在硅板上，然后蒸发，再将突起部分进行压制成量子点层，去掉表层后转压到玻璃基板或塑料基板上，该过程就实现了量子点到基板的转移。其研究人员表示已经使用玻璃基板或可弯曲塑料基板实现了显示屏原型机的生产。

 

但就目前全球关于量子点在显示方面的应用上，用于液晶面板背光部分的量子点薄膜似乎比量子点直接做成显示屏进步的要快一些。从2013年开始，量子点显示技术应用于液晶显示器（LCD）面板，在其背光模块与液晶盒之间装配量子点薄膜（图5），并应用于高色域电视、平板电脑上，获得了更广的色域和更低的功耗。众多整机厂也将应用量子点技术的产品做为未来的一个利润增长点。

 

 

图5 量子点薄膜在液晶面板中的应用示意图

 

索尼在2013年6月推出了在背光源中采用量子点技术的液晶电视高端机型；亚马逊也于2013年10月推出了液晶屏背光源采用量子点的平板电脑。

 

美国专利和商标局2014年初通过了一项苹果在2012年申请的被称为“拥有分色滤光器的量子点增强显示器”专利，专利中详细介绍了量子点技术，以及这种技术如何应用在像iPhone这样的移动设备上。

 

在国内的面板企业方面，如京东方、华星光电、龙腾光电等都有量子点技术的相关研发、生产。8月24日，京东方在投资者互动平台上表示，目前公司的量子点背光技术研发进展顺利，即将导入量产。龙腾光电生产的使用了量子点薄膜的液晶面板，呈现更加优异的显示效果。TCL携其量子点技术的液晶电视亮相本年度的IFA，并荣获了量子点显示技术金奖。

 

此外，三星、LG、海信、优派、冠捷等已推出或即将推出各自应用量子点技术的液晶显示产品。

 

近年来虽然有多家企业涉及量子点显示的研究，但目前量子点显示相关的专利主要还是掌握在Nanosys公司手上，该公司共握有超过300项相关专利，三星电子为该公司的主要投资者之一。全球三大量子点材料制造商英国Nanoco、德国Nanosys及美国QDVision在量子点显示技术方面的研究和技术处于领先水平。

 

英国量子点材料供应商Nanoco在无镉技术方面与美国陶氏化学（Dow Chemical Company）合作，布局量子点市场。两公司合作试制的使用无镉（Cd）量子点的液晶显示器，于2014年6月2日在 “SID 2014”期间进行了展示。

 

 

图6 Nanosys QDEF产品的光谱表现

 

据Nanoco公司的创始人、首席技术官NigelPickett介绍，该公司的核心技术——完全不含毒性元素镉(Cd)的“CFQD”(无镉量子点)的产量还仅限于每年几千克的水平，还不足以满足以液晶面板为中心日益扩大的市场需求，必须建立起大规模生产体制，因此该公司与陶氏化学签订了排他性授权协议，目的是利用陶氏化学在化学领域的生产能力和供应链，为今后的市场扩大做准备。合作双方所使用的技术是将薄膜之间夹有量子点的片状材料贴在背光源与液晶面板之间的“On-Surface”方式。鉴于量子点材料的稳定性和容易嵌入液晶面板的特性，采用了On-Surface方式的目的是赢得市场。

 

就将量子点用于液晶显示器的技术而言，美国QD Vision公司的技术已由索尼采用，美国3M公司和Nanosys公司的技术已由亚马逊（Amazon.com）采用。而以“无镉”为卖点的陶氏化学的技术还没有固定的大客户。

 

量子点技术现状分析

 

量子点在显示技术领域的应用主要包括两个方面：基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管显示技术和基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术。两个方面都极具优异性。前者应用，未来有机会直接做显示器件，制造极薄、极轻的显示屏，甚至有人认为未来其技术的完善，将威胁到OLED技术的地位。

 

 

图7 3M QDEF结构示意图

 

在液晶面板背光方面的应用上，目前的做法是将量子点薄膜置于蓝光LED背光和液晶盒之间。当蓝光穿过时，部分蓝光转化为红光和绿光，从而产生红、绿、蓝三色光。这种结构存在的劣势是：由于LED发热的缘故，量子点的效率和寿命会受到影响。3M的QDEF，应用独特的结构设计，可有效减弱热量对量子点的影响（图7）。屏障层（barrier film）是透明、柔性的超薄膜，厚度仅55 μm，可有效防止水、氧的入侵，可使水氧穿透率少于1 × 10-3 g/m2/day，且比玻璃材质更加轻薄、柔韧性更好、更具抗撞击性。但就其寿命来讲，QDEF目前仅有两三万小时，未来3M希望可使其达到7万小时，以满足下游客户的需求。

 

无论是液晶面板厂还是整机厂商，都将应用了量子点薄膜的液晶显示产品定位为高端产品、未来一段时间的方向性产品，并以其高色域和低功耗为卖点。

 

 

LCD亮度对比（白光LED VS 量子点）

 

未来趋势预测

 

在量子点未来应用方面，多家机构均表达出较乐观的态度。据NPD DisplaySearch的数据显示，2015年，量子点显示在智能手机液晶面板中的渗透率将达3%，到2020年将增至26%；在平板电脑用液晶面板中的渗透率，将从2015年的2%增至2020年的15%；在液晶电视用面板方面，2015年其渗透率将小于1%，而到2020年有望增至9%（图8）。

 

 

图8 量子点液晶面板市场增长预测

 

另据Allied Market Research报告数据显示，2013年全球量子点显示市场达31600万美元，预计2020年将达50. 4亿美元，2014-2020年的年复合增长率将达29.9%。

 

Displaybank预估，背光源采量子点（Quantum Dot）技术的显示产品产值，可望从2013年的千万美元，成长至2020年的2亿美元，年平均成长110%。Displaybank推算，量子点显示产品出货量，将从2013年的50万台，扩充至2023年的8700万台，年平均增长率达109%。

 

量子点技术，无论是做为背光，还是直接做为显示屏，都有待于继续完善，如何提升其产能、无镉化、延长寿命等多方面均需各方的努力。但我们还是相信，未来量子点显示会有更加出色的表现，一旦技术成熟，将迎来一场显示产业的大变革。未来十年，或将迎来量子点显示的时代。