量子点显示：让“视界”更精彩

宋延林 徐文涛 郭志杰

1 量子点材料发展及应用探索

现代显示器技术经历了阴极射线显像管（Cathode Ray Tube，CRT）显示器、液晶显示器和自主发光显示器几个阶段，目前的主流产品仍是液晶显示器。在第3代显示器中，有机电激光显示（OrganicLight—Emitting Diode，OLED）已经初步实现产业化，Micro—LED虽异军突出但尚有产业化瓶颈未突破。第3代显示器有许多优点，例如自主发光、低功耗、轻薄柔、高清、广色域、健康护眼等。其中，广色域决定了显示器具有较高的色彩表现力，这一指标是消费者选择产品时考虑的重要因素。目前，主流的液晶显示器色域一般在NTSC值70%左右，自主发光的OLED显示器色域可以达到100%（图1）。因此，研究如何提高LCD的色域，对提高其产品竞争力至关重要。

提高液晶显示器的色域主要通过改善背光源来实现，例如采用氟化物和氮化物荧光粉，可以将色域提高至80%～90%。然而，氟化物荧光粉存在不耐湿、不耐高温的缺点。目前，对于这些缺陷只能通过涂层（coating）技术来延缓湿度、温度对粉体的破坏，无法彻底解决，这就使得氟化物在广色域LCD中的应用很受限制。

量子点（Quantum Dots，QDs）由有限数目的原子组成，3个维度的尺寸均在费米波长附近，电子在3个方向上的运动受到限制，量子限域效应非常显著。一般为IIB—VIA或IIIA—VA族元素组成，通常尺寸在1～20nm之间，用于发光的量子点尺寸一般在2～8nm之间。量子点材料具有发射波长窄、波长可调等特点，近年来被应用于LCD背光源领域，可以将色域提升至100%以上。

早在20世纪80年代初，科学家就发现了量子点材料并开始研究其应用。1981年，前苏联科学家Efros和Ekimov就发现了半导体纳米晶的量子尺寸效应。1983年，美国贝尔实验室的Brus首次报道了硫化镉（CdS）纳米晶具有尺寸效应等相关的性质，拉开了量子点研究的序幕，虽然“量子点”这一名称是数年后耶鲁大学物理学家马克里德正式赋予的。在以后的数年中，研究者将精力集中于如何制备大小均一的量子点、如何提高量子点的量子效率和稳定性，以及无镉多元量子点材料的研究，这些研究为量子点的商业化应用奠定了基础。时至今日，应用于发光的量子点材料家族逐渐壮大，已经涵盖了硒化镉（CdSe）、磷化铟（InP）、钙钛矿等几大体系。

自量子点材料被发现后，人们就开始思考其应用价值，科学家探索了量子点材料在LED、太阳能电池以及生命科学方面的应用。2009年，美国尼克思照明的夏洛特将量子点的涂料涂在蓝光LED上，在实验室中制成了世界上第一个量子点LED灯，正式开启了量子点的商业化应用探索。然而量子点照明的商业化并不顺利，价格昂贵、寿命短、产业链不成熟，使得量子点照明的商业化停滞不前。

量子点具有独特的光化学性质，在药物筛选、免疫分析和检测、活体成像、肿瘤的诊断与治疗等领域具有极大的应用前景。量子点的光稳定性远高于传统的有机染料分子，经过表面包覆处理后，其抗光漂白能力和光稳定性进一步提高。1998年Alivisatos等最早提出了量子点作为生物标记物的思想，其优异的荧光性能将为生命科学技术带来新的突破，从而拉开了量子点在生命科学中应用的序幕。目前，市面上已经有多家公司开展量子点在生命科学领域的产品开发，陆续有相关产品面世。

2 量子点显示应用

量子点材料用于显示的技术分为2个层面：电致发光和光致发光。量子点光致发光主要是指量子点背光技术，先后出现了3种产品形态：量子点是封在LED里头（On—chip）、封在玻璃管置于导光板旁边（On—edge）和做成一层薄膜放在背光模组里 （On—surface）（详见图2）。On—chip是将量子点油墨涂敷在蓝光芯片上直接做成白光量子点光源，其好处是量子点粉体用量最少，但其弊端也非常明显，蓝光芯片工作时产生的热量会使量子点的寿命大幅降低，无法达到商业化应用。On—edge方式即为量子点管技术，是将量子点粉体封装在玻璃管中，装配在模组导光板入光侧面。这种方式克服了量子点直接与高温LED接触的问题，寿命大大延长，早期的量子点电视多采用这种方式。然而，这种方式并不適合大规模推广，原因在于量子点管比较脆、很容易破损，且安装在导光板侧面需要额外的空间，必须重新进行产品设计，因而终端用户的阻力很大。

2011年前后，Nanosys与3M联合开发，将量子点材料包覆在2层阻隔膜之间得到量子点膜，装配时放在导光板或扩散板上面，即所谓的On— surface。量子点膜在空间上远离LED灯，且与模组制造工艺兼容度高，因而受到下游厂家的青睐。量子点材料发出的红光域绿光半峰宽非常窄（一般可达25～30nm），即红光和绿光非常纯正。根据色度学原理，三基色越纯度越高，显示器的色域越宽，参见图3。

量子点电致发光应用即量子点发光二极管（QLED，）其器件结构和发光原理与OLED类似，电子和空穴经由载流子传输层注入到量子点发光层进行辐射复合发光。量子点是无机纳米晶材料，制作发光层时无法像OLED一样采取真空蒸镀工艺，只能采用湿法制程来实现，例如喷墨打印以及黄光工艺。QLED目前还处于实验室开发阶段，距离大规模量产应用还需要较长时间。

3 量子点膜产业发展情况

量子点膜问世之初，并未受到产业界的青睐。第一，当时价格昂贵，每平米价格高达100多美元，终端厂商无法接受；第二，产品的性能及信赖性有待提高；第三，产业链不成熟，终端厂商对量子点膜产品及如何应用不了解。随着量子点合成及涂布工艺的改善，特别是国内厂商开始涉足量子点膜生产。产品的外观、性能、信赖性以及价格逐步跨过下游厂商的门槛，量子点膜逐渐成为量子点显示厂商的首选和主流产品。

当前量子点膜都采用三明治结构：2层水氧阻隔膜中间夹着量子点层（图4）。量子点层中含有红色和绿色量子点，蓝光激发产生红光和绿光，与LED自身蓝光复合形成白光。由于量子点材料发光半峰宽比较窄（通常30nm左右），这意味着与荧光粉LED背光相比，量子点背光的红色和绿色更纯正。依据色度学原理不难理解，RGB三基色光谱的半峰宽越窄，三基色的纯度越高，其显示的色域也更宽。一般采用YAG荧光粉的LCD，色域值只有70%（NTSC），而采用量子点膜的LCD色域值可以达到110%（NTSC），高于目前OLED电视的色域值。因此，无论是要与OLED显示器竞争，还是液晶显示行业内部的竞争，都有必要采用量子点技术提高色域、改善显示效果。

量子点膜可以应用于TV、商业显示器、电子黑板、笔记本电脑、PAD、车载显示等领域。以量子点液晶TV为例，其背光结构分为直下式和侧入式。中高端TV通常采用侧入式背光结构，引入量子点膜技术后，其一般结构为“反射片/导光板/量子点膜/BEF/DBEF/上扩散片/液晶cell”。由于要采用蓝光激发，原来的白光LED灯条需要更换成蓝光LED灯条，一般推荐主波长区间在445～450nm范围内的蓝光LED灯条。量子点液晶显示器的产业链与传统的液晶显示器基本相同，其模组生产工艺也和传统液晶显示器基本一致，主要区别是在模组结构上增加一片量子点膜。采用量子点膜对传统LCD进行性能升级相对比较简单，成本增加也比较低，显示器色域可以达到110%甚至更高，从而以较低的成本实现了显示性能的大幅提升。

量子点膜产业链主要包括上游量子点材料、高阻隔膜及UV胶水，中游量子点膜涂布和模切，下游TV、笔记本电脑、手机、桌面显示器、大尺寸电子黑板等（图5）。

3.1 量子点粉体行业状况

量子点粉体是量子点膜核心材料之一，最早从事量子点粉体研究的公司包括QD Vision、Nanosys和Nanoco。Nanoco从成立之初就致力于无镉量子点开发及应用，QD—Vision于2013年率先实现了量子点电视应用，采用的是量子点管技术，Nanosys是三明治结构量子点膜的发明者。

国内量子点粉体开发企业包括纳晶科技股份有限公司（以下简称“纳晶科技”）、苏州星烁纳米科技有限公司、广东普加福光电科技有限公司、北京北达聚邦科技有限公司、厦门玻尔有限科技公司等十余家公司，但真正能够批量生产、性能稳定且达到目前产品要求的并不多。除此之外，南京理工大学、北京理工大学等科研院所也在开发量子点材料。

3.2 高阻隔膜行业状况

量子点粉体对水和氧气敏感，因此需要采用高阻隔膜进行封装。高阻隔膜是一种能够阻隔水和氧气的功能膜，主要应用于食品药品包装、电子器件封装、OLED封装、光伏电池封装等领域。

水氧阻隔膜的关键性能指标是水汽和氧气阻隔效率，不同领域对阻隔效率的要求不同。在量子点膜应用上，一般要求水汽阻隔效率达到10-1～10-3g/（m2/d）。除了阻隔效率外，量子点膜对阻隔膜光学性能、表面机械性能、高温收缩性能等都有明确要求。

目前国外高阻隔膜企业主要包括三菱化学株式会社、三井化学株式会社、凸版印刷株式会社等，国内相关企业包括万顺新材、康得新复合材料集团股份有限公司（以下简称“康得新”）、宁波安特弗新材料科技有限公司等。量子点膜生产企业在选用阻隔膜时，会综合考虑阻隔效率、产品一致性、产品价格、供应链周期等因素。

3.3 量子点膜成品行业状况

量子点膜的批量生产一般采用卷对卷涂布技术，涉及的关键工艺包括量子点油墨制备、涂布与光固化。根据性能要求按照一定的配比将量子点粉体和UV预聚体等原料充分混合，得到量子点油墨。量子点油墨制备完成后，通过精密涂布设备涂覆在水氧阻隔膜上面，然后再覆盖另一层水氧阻隔膜，最后经过UV固化得到量子点膜成品。精密涂布对量子点膜产品性能非常关键，会影响量子点膜亮度和色坐标均匀性、外观等，因此量子点膜加工企业一般都有较强的涂布设备、技术和人才积累。目前国外量子点膜制造企业主要有三星电子、日立化成株式會社（以下简称“日立化成”），国内企业主要包括北京中科纳通电子技术有限公司（以下简称“中科纳通”）、南通惟怡新材料科技有限公司（以下简称“惟怡科技”）、宁波激智科技股份有限公司（以下简称“激智科技”）、纳晶科技、华威新材料有限公司（以下简称“华威新材料”）等。

3.3.1 Nanosys公司

Nanosys总部位于美国硅谷，从事量子点材料的合成与生产。目前，该公司主要通过专利授权向量子点膜加工企业提供粉体，合作客户如激智科技、惟怡科技等公司。

3.3.2 QD Vision

QD Vision是2004年在美国成立的一家量子点材料企业，主要是开发量子点粉体材料，2016年被三星公司收购。三星收购QD Vision以后，也进行量子点膜的加工，但基本都是内部供给三星。

3.3.3 Nanoco

Nanoco是英国曼彻斯特大学孵化的一家企业，主要开发无镉量子点膜，应用于照明、光伏和显示行业。Nanoco积极与日本、台湾、中国大陆企业合作，共同开发无镉量子点膜等产品，合作公司包括华宏新技股份有限公司、康得新等。

3.3.4 3M公司

3M公司创建于1902年，总部设在美国明尼苏达州的圣保罗市，是世界著名的产品多元化跨国企业。3M在树脂材料、涂布技术有多年积累，与Nanosys公司合作开发出量子点膜产品。由于量子点膜市场主要集中在中国、韩国、台湾等国家和地区，3M的产品价格、技术服务很难满足客户需求，目前推广比较困难。

3.3.5 日立化成