量子点显示——中国显示行业“换道超车”的曙光

2016-12-20金一政彭笑刚

浙江大学学报（理学版） 2016年6期

关键词：浙江大学器件量子

金一政，彭笑刚

(1. 浙江大学化学系高新材料化学中心，浙江杭州 310027；2. 浙江大学化学系硅材料国家重点实验室，浙江杭州 310027)

量子点显示
——中国显示行业“换道超车”的曙光

金一政1,2，彭笑刚1*

(1. 浙江大学化学系高新材料化学中心，浙江杭州 310027；2. 浙江大学化学系硅材料国家重点实验室，浙江杭州 310027)

用量子点进行显示具有高性能、低成本等优势.作为一项“颠覆性技术”，量子点显示将在显示行业掀起一场技术革命，为我国显示产业突破国外技术和专利封锁，占据产业科技制高点，实现“换道超车”提供了良好的契机.主要介绍了量子点发光显示关键材料与器件研究的相关进展，以及其在中国显示行业的应用现状与前景.

量子点；显示；发光二极管；溶液加工；色纯度

1 项目及背景

量子点是人类有史以来最优秀的发光材料.量子点显示将为显示行业带来一场技术革命，可望实现高性能、低成本显示.2016年8月，由浙江大学牵头，纳晶科技股份有限公司、TCL集团、福州大学、东南大学、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中科院北京化学所、深圳市华星光电技术有限公司、武汉华星光电技术有限公司等单位共同参与的国家重点研发计划项目“量子点发光显示关键材料与器件研究”正式立项.

溶液量子点是一种可溶液加工，尺寸在量子限域内的无机半导体纳米晶体.量子点具有优异的光学特性：全光谱发光、峰位连续可调、色纯度高、稳定性好，有望成为至今为止最优秀的发光和光电材料.第一代量子点显示技术——液晶(LCD)屏中的量子点背光源模组已经实现商业化生产.利用其优异的光致发光性能，用量子点取代传统的荧光粉，极大地提升了显示屏的色域.量子点在背光源模组中的应用表明，显示屏色域可从72%NTSC提升至110%NTSC.这是传统LCD难以企及的高度，也超越了以有机分子为发光中心的有机发光二极管(OLED)屏幕.2014底，国内电视厂商海信、TCL等宣布第一代量子点电视上市；2015年1月，三星在CES上宣布全新量子点曲面电视SUHD TV上市；2015年中期飞利浦(台湾冠捷)推出了量子点电视和量子点显示器.IHS数据显示，2015年量子点电视销量超过百万台.“量子点”已成为2014～2016年电视行业的TOP关键词.

量子点显示的下一发展目标是彻底摆脱LCD屏技术路线，开发有源矩阵量子点发光二极管(AM-QLED)显示器件.这种全新的显示技术将以QLED阵列作为高精度的红绿蓝三基色像素，即每一个像素都是一个独立的QLED，并通过薄膜晶体管(TFT)阵列控制驱动电压，从而实现高分辨的主动发光控制.相较于背光源-LCD屏，主动发光的AM-QLED屏在黑色表现、高亮度条件等场景下的显示效果更加突出、功耗更小、可适应的温度范围更宽广，并可以制备色域高达NTSC130%的显示屏，超OLED屏约NTSC90%；QLED以更为稳定的无机晶体为发光中心，因而有潜力克服OLED稳定性不足的缺陷.更重要的是，AM-QLED屏的加工是以低成本的溶液制程为基础，而且可与柔性塑料结合，并以其为衬底，从而在提供极大自由度的同时，可降低显示屏的成本.然而，实现这一技术路线的一些关键难题尚无答案，包括：对量子点电致激发态和合成化学之间联系的理解不够；蓝光QLED原型器件的效率和寿命亟待提升；对采用喷墨打印工艺制备QLED阵列关键工艺的积累尚不足；大屏QLED显示器件仍是空白等.

从发展历史和趋势看，量子点显示是新材料与高科技产业结合的典型案例.原创理论往往来自于大学，新技术离不开大学的支持.因此，各国科研机构和产业界相互联合，建立了各自的产学研联盟，有MIT支持的QD Version、Berkeley支持的NnaoSys、浙江大学-纳晶科技股份有限公司、韩国三星-首尔大学-韩国技术研究院等，各联盟相互竞争的局面业已形成.

2 研究进展

彭笑刚教授发明的“绿色量子点合成路线”(1999～2009在Arkansas大学期间的工作)[1-2]，已成为目前量子点合成化学的主流技术.凭借该技术可以极低的成本、极简单的设备，制得发光性能更优、更可控的量子点.以此技术为基础，在美国成立了NN-Lab公司.2009年彭笑刚教授回国，全职加盟浙江大学，参与创办了纳晶科技股份有限公司.鉴于“绿色量子点合成路线”的关键专利，经美国政府批准，纳晶科技洽购了NN-Labs公司，包含与公司相关的所有专利与技术.2014年，彭笑刚教授提出了“量子点激发态性质的合成控制”路线.在“尺寸与形貌单分散”的基础上叠加了“光学和光电性质单分散”，其标志性成果有：合成激发态单通道衰变、100%辐射复合、非闪烁发光的量子点等[3]，将溶液量子点合成化学推上了一个新台阶，达到了国际领先水平，极大推进了我国在量子点材料领域的研究进展.在此基础上，彭笑刚与金一政课题组合作，制备了高性能红光量子点发光二极管[4]，其效率和寿命与OLED相当，其中有些指标如色纯度、开启电压、效率滚降等甚至优于OLED(见图1).该成果已入选2014年中国科学十大进展和“十二五”国家科技创新成就展.自此，在国际显示行业掀起了一股追求QLED显示的热潮.2015年，彭笑刚提出“熵配体”概念[5]，从而从根本上解决了包括量子点在内的无机纳米晶体在常见有机溶剂中的低溶解度问题.目前，浙江大学和纳晶科技股份有限公司通过共建实验室，形成了紧密的产学研联盟，并与国内显示业龙头企业TCL、海信等合作，共同参与国际竞争.

图1 溶液加工的新型绝缘层插入QLED与MIT-QD Vision QLEDFig.1 Comparing the EQE of insulator inserted new QLED device based on solution-process with MIT-QD(真空蒸镀空穴注入层)在不同电流下的EQE(右边纵轴).Vision QLED device(HTL with vacuum deposition)at different current densities (right ordinate).注小点为其他实验室报道的QLED的最大EQE值.

3 展望与目标

量子点显示领域已呈中、美、韩三强鼎立的局面，竞争激烈，鹿死谁手尚未可知.值得庆幸的是，我国在核心材料、原型器件以及制程方面有一定的先发优势.

显示行业是关乎国计民生的基础产业.然而，在过去的30年中，我国大陆的光电显示技术长期落后于日、韩，以及台湾地区.从早期的CRT到现在主流的LCD，无论是材料、设备、制程还是知识产权均受制于海外企业.可以预计，未来5～10年将呈LCD和电致发光显示(包括OLED和QLED)拉锯并存的局面.目前，在OLED上韩国为第一阵营，我国仍处于追赶的位置.

量子点显示技术作为一项“颠覆性技术”，为我国显示产业突破国外技术路线的专利封锁，实现“换道超车”提供了良好的契机.我们期待在国家重点研发计划的支持下，从源头创新，攻坚克难，努力攻克量子点显示的关键难题，建立从覆盖材料、器件结构到生产装备和工艺的全产业链自主知识产权体系，增强我国量子点显示技术的国际竞争力，生产具有自主知识产权的高性能、低成本的显示器件，为我国显示产业实现“换道超车”，走在世界前列奠定理论和实践基础.

[1] PENG Z A, PENG Xiaogang. Formation of high-qual-ity CdTe, CdSe, and CdS nanocrystals using CdO as precursor[J]. Journal of the American Chemical Society, 2001,123(1):183-184.

[2] PENG Z A，PENG Xiaogang. Mechanisms of the shape evolution of CdSe nanocrystals[J]. Journal of The American Chemical Society, 2001,123(7):1389-1395.

[3] QIN Haiyan, NIU Yuan, MENG Renyang, et al. Single-dot spectroscopy of zinc-blende CdSe/CdS core/shell nanocrystals: Nonblinking and correlation with ensemble measurements[J]. Journal of the American Chemical Society, 2014,136(1):179-187.

[4] DAI Xingliang, ZHANG Zhenxing, JIN Yizheng， et al. Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots[J]. Nature, 2014,515(7525):96-99.

[5] YANG Yu， QIN Haiyan, JIANG Maowei， et al. Entropic ligands for nanocrystals: From unexpected solution properties to outstanding processability[J]. Nano Letters, 2016,16(4):2133-2138.

JIN Yizheng1,2, PENG Xiaogang1

(1.CenterforChemistryofHigh-Performance&NovelMaterials,DepartmentofChemistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China; 2.StateKeyLaboratoryofSiliconMaterials,DepartmentofChemistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Quantum-dots based display technology-The opportunity for Chinese display industry. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2016,43(6):635-637

The use of quantum dot, the best emissive materials ever made in history, is revolutionary in display industry, which may lead to a new generation of high-performance and low-cost display devices. The development of quantum-dot based display technology in China shall make China have a leading position in the competition of next-generation display technologies. This paper mainly introduces the research progress and application prospect of the key materials and devices of quantum dot based display technology.

quantum dots; display; light-emitting diodes; solution-processed; color purity