量子点显示的技术基础有两个层面:电致发光与光致发光

李倩 发表于 2018-07-12 16:18:53 收藏 已收藏
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量子点显示的技术基础有两个层面:电致发光与光致发光

李倩 发表于 2018-07-12 16:18:53

统计数据显示,2017年全球TV面板的出货数量达2.62亿片,出货面积为1.38亿平方米。2018年,TV市场竞争日趋白热化和焦灼化。以三星和TCL为代表的量子点电视阵营雄心勃勃,LG主导的OLED电视阵营更不甘示弱,两大技术路线的竞争甚嚣尘上。虽然Micro-LED技术尚未成熟,但三星在CES展上发布的146寸Micro-LED电视“The Wall”也是赚足了眼球。从一定意义上讲,平板显示产业的战国时代已悄然来临。

从本质上讲,当前量子点电视与OLED电视的竞争仍属于液晶显示与OLED显示的竞争。量子点显示的技术基础有两个层面:电致发光与光致发光。所谓电致发光,就是量子点材料在电场驱动下发出不同颜色的光,基于此可以制备量子点发光二极管(QLED)。QLED的显示原理与OLED类似,然而囿于量子点材料的特性,QLED器件只能通过喷墨打印等湿法工艺来制备,目前在设备、工艺等方面的瓶颈尚未突破,因而QLED真正产业化尚需时日。目前商业化的量子点显示器是基于光致发光原理,属于量子点背光技术(QD-BLU)与液晶显示相结合的产物,即量子点背光液晶显示器(QD-LCD)。

早在上世纪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、磷化铟、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。

量子点显示的产业化探索始于本世纪初,由此诞生了QD-Vision(2016年被三星收购)、Nanosys和Nanoco三大量子点巨头。三家的发展各具特色: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,采用的是量子点管技术;与QD-Vision师出同门的Nanosys专利布局深远,是量子点膜的发明者。在量子点背光技术中,先后出现了三种产品形态:On-chip、On-edge和On-surface。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,这种方式并不适合大规模推广。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。Nanosys与3M联合开发,将量子点材料包覆在两层PET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,且与当前模组制造工艺兼容度高,因而受到下游厂家的青睐。

量子点液晶显示大事记

量子点膜邂逅LCD:让“视界”更精彩

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多美金,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。

量子点膜结构示意图

当前量子点膜都采用三明治结构:两层水氧阻隔膜中间夹着量子点层。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、笔电、PAD、车载显示及手机等领域。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。

目前业界领头羊三星把量子点技术作为战略性发展方向,近日三星显示为8.5代线QD-OLED 生产打造试验线。这也是为打破大尺寸事业LCD技术的限制,为次世代显示技术做准备。

我国政府也非常重视新材料产业的发展,近年来,工信部、发改委、科技部等多部委相继发布了新材料产业、战略性新兴产业发展规划及科技发展规划。今年6月,国家新材料产业发展战略咨询委员会发布了《2017十三五新材料技术发展报告》。报告中指出功能性光学薄膜作为重要的新材料,近年来受到了国家相关政策的关注与支持。我国科技部制定的《“十三五”材料领域科技创新专项规划》中要求大力发展新型显示技术,并将TFT 等印刷显示关键材料与技术作为发展重点之一。此外,国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中的新材料提质和协同应用工程专栏中明确提出加快制定光学功能薄膜标准,完善节能环保用功能性膜材料配套标准。

国内量子点阵营TCL也是在其高端到中端X系列和C系列都在延续量子点配置,而旗下华星光电和工研院也积极的布局投资光致发光的QLED技术。海信虽在海外项目中开始导入OLED机种,但在国内项目中高端系列依然坚持着量子点。

风行、乐视、微鲸、康佳线上品牌均在采用量子点技术。量子点技术从一开始的高端旗舰机种延伸至中低端全线系列,并趋向于标配化也是得益于国内量子点上游的蓬勃发展。

中科纳通:量子点膜后起之秀

国内光电显示领域电子材料先行者。经过6年的不断探索,现已初步形成“浆”、“胶”“膜”三大产品线,涵盖数十种电子材料产品。产品应用于触控、显示、LED照明、电磁屏蔽、电热等领域。尤其在显示领域,中科纳通提早布局,开发的产品已应用于面板玻璃减薄、液晶显示模组、OLED硬屏保护以及量子点背光源等场合。

作为一家中科院技术背景的企业,中科纳通在量子点膜开发方面得到了中科院化学所、联想集团的大力支持。中科院化学所及中科纳通技术团队早在2013年就开始关注量子点技术,并开始做相关技术和产品预研。目前,公司已经在量子点油墨开发、量子点膜耐水氧性能、量子点膜新型结构及器件结构改善等方面申请核心专利5项。在量子点粉体方面,中科纳通与国内外厂家采取联合开发等模式,保障了粉体供应的安全和稳定,同时也在积极验证导入无镉量子点。结合不同的应用场景及客户需求,现已开发出QD350、QD155及QD105三大系列产品,产品最大幅宽达为1200mm,可以支持86寸量子点电视。凭借在量子点材料供应、量子点油墨配方、涂布工艺控制方面的独特优势,我们快速配合客户做定制化开发,产品得到了多家大客户的赞赏和认可。

“纳四海英才,通产业之巅”。中科纳通自成立之日起一直坚守这一理念,致力于成为一家专业的电子材料公司。在显示领域,中科纳通未来三年会加强量子点膜等产品的开发与推广,为液晶模组及终端客户提供高性能的产品和解决方案,助力液晶显示在当前平面显示器激烈的竞争格局中焕发生机、大放异彩。

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