量子点显示技术的最新前沿

在谈*新前沿之前，我们先来回顾一些历史……

2013年发布的Kindle Fire HDX平板电脑将显示器行业引入量子点增强膜（QDEF），这是量子点在显示器中的首批商业用途之一。

两年后，在2015年，三星将首款采用无镉量子点增强膜的显示器带入了高端电视市场。

从那时起，量子点技术已稳步进入主流市场，目前世界上大多数顶级显示器制造商都有数十种相关产品可供购买。因此，消费者现在可以购买采用量子点技术增强的液晶电视，其成本仅为同等尺寸OLED电视的一半。

除电视外，显示器现在还采用量子点增强膜制作，其中包括三星，宏碁和华硕等多款针对游戏和创意专业市场的型号。现在显示器行业已接受了使用QDEF，特别是在主流电视和监视器产品上，新的量子点技术实现方式正准备进一步提高显示器的性能和质量。

量子点是微小的半导体粒子，其发射的光具有窄的光谱形状并且波长取决于它们的尺寸。这两个特性使量子点成为显示器的理想材料。与显示器的其他发光技术相比，量子点能够提供更大范围的纯色。正是这个原因使显示器能够再现更大的色域。

例如，通过蓝光和流媒体录制和控制的UltraHD内容依赖于BT.2020色域标准。这种新的颜色规格旨在捕捉自然界中99％以上的颜色，以获得真实逼真的图像。目前，大多数显示器采用基于磷光体的白色LED，并依靠滤色器为RGB子像素创建三种原色：红色，绿色和蓝色。

然而，即使在过滤之后，这些磷光体也具有有限的波长可调性和相对宽的光谱分布。因此，许多广告宣传为具有宽色域的显示器实现了不到80％的BT.2020覆盖率。尽管OLED显示器与传统LCD相比具有更好的色纯度，但仅限于较小的色域，例如DCI-P3，因为OLED材料的发射光谱对于高BT.2020色域覆盖仍然太宽。另一方面，量子点具有独特的波长可调性和色纯度，使其能够提供超过90％的BT.2020 UltraHD颜色标准（见下图）。

▲当前显示技术的色域覆盖率图表

QDEF，镉和无镉QD

量子点如果没有其他属性，如效率，稳定性和制造可扩展性，那仅仅是实验室的新奇事物。此外，如果要广泛采用量子点，则需要将量子点容易地集成到当前的制造操作中，而且需要对显示系统设计的影响最小。为此，Nanosys与主要显示器制造商密切合作，开发上述QDEF，这是一种具有薄量子点层的光学薄膜，这是一种简单的「插入式」产品，不需要任何线路改装或制造工艺变更。

QDEF设计用于替代LCD背光中现有的扩散膜，将红色和绿色量子点结合在一个薄的半透明薄片中。当被来自蓝色LED的光激发时，量子点发出绿色和红色波长的光。这种绿色和红色光与蓝色LED灯的一部分相结合，提供由高度饱和的红色，绿色和蓝色光组成的白光。

结合到消费者显示器中的第*种量子点是基于元素镉的。当时，这种是唯*具有所需效率和稳定性的量子点。由于镉是有害物质（RoHS指令约束的物质），许多制造商都在犹豫要不要使用量子点。因此研究人员在改善无镉量子点的性质方面，做了广泛工作。然而，无镉量子点的发射光谱比镉基点的发射光谱宽，因此这些显示器只能覆盖较小的DCI-P3色域。

最近，性能差距已大大缩小，如表1所示。无镉和无镉量子点的高量子产率使得光学效率高。此外，与其他磷光体或OLED技术相比，Nanosys无镉量子点的窄发射光谱已经提供了更大的BT.2020色域覆盖率。

表1：  来自Nanosys的生产级量子点（镉基和无镉）的颜色和量子产率的性质如下所示。BT.2020色域覆盖范围适用于使用QDEF的LCD。

持续改进稳定性使QDEF可用于更高亮度的显示器。这极大地改善了QDEF增强型LCD上显示的高动态范围（HDR）内容的效果。此外，还可以利用这些稳定性改进减少对水氧阻隔的需求，从而降低量子点实施的成本。

基于商业显示器厂家已验证通过的量子点性能，Nanosys和Hansol Chemical等量子点制造商已经扩大了生产足够量子点的能力，以供应数百万平方米的显示面积。根据显示器制造商的需要，发射波长也可以在绿色和红色的宽波长范围内做到单纳米精度调节。

量子点的新实现方案

尽管通过QDEF使用量子点实现了QD的色彩性能，但是这些显示器仍然依赖于传统的LCD模块，这些模块本质上是低效的。所有LCD背光都会产生白光，然后进行过滤以创建红色，绿色和蓝色子像素。量子点有助于优化该系统，通过仅产生背光中显示器所需的红色，绿色和蓝色光来减少浪费。尽管如此，彩色滤光片可阻挡约三分之二的光线。

为了避免这种低效率，可以使用量子点显示的新实现方案：量子点颜色转换层（QDCC）。由于量子点如此之小，致密的薄层量子点可以取代传统LCD模块中的滤色器，并在图像的平面上产生光。

与传统LCD的白光相反，在这种装置中，背光仅提供蓝光。蓝色子像素可以简单地以最小的损耗通过蓝光。绿色和红色子像素各自具有一层量子点而不是吸收滤色器，吸收蓝光并分别将其下转换为绿光和红光。每个绿色和红色子像素不仅仅发射所需的颜色（并因此为显示器提供初级的饱和色），每个子像素的光通量原则上可以比常规LCD中的高得多。除了显着的效率提高之外，具有QDCC层的LCD可以具有更宽的视角，因为QDCC层产生的光位于显示器的前面。

虽然效益显着，但将QDCC层结合到LCD中会带来一些复杂性。由于从QDCC层发射的光是非偏振的和各向同性的，这需要改变LCD模块的结构。传统LCD模块中的第二偏振器位于滤色器之后，但是具有QDCC层后，它必须「在单元内」移动。此外，穿过蓝色子像素的蓝光将需要某种形式的散射，否则会有角度色移。最后，在绿色或红色子像素中泄漏的任何蓝光都会使色点饱和，因此QDCC层需要吸收100％的蓝色激发光。

QDCC层不限于LCD。它们还可用于在单色蓝色OLED或microLED阵列上创建绿色和红色子像素（下图）。这种具有QDCC层的显示器提供了单独像素控制的优点，同时仅需要单色发射器层，这极大地简化了制造过程。这种新型混合显示器将电致发光（完美黑色和宽视角）的优势与无机发射器相结合，实现高亮度，饱和色彩，稳定性和低成本。

▲QDCC层可以结合到LCD中，如顶行所示，并结合到OLED或microLED显示器中，如底行所示。

新挑战

为了使QDCC层成为可行的显示技术，它们必须具有几个额外的光学和物理特性。作为LCD面板中的滤色器替代品，QDCC层必须薄到大约6到10微米才能与当前的LCD技术兼容。虽然使用带有OLED或microLED阵列的QDCC可以支持更厚的层，但优选保持QDCC薄。正如我们将在下一节中看到的，薄涂层的要求对量子点的必要光学性质具有深远的影响。

在所有格式中，QDCC层必须被图案化。这可以通过光刻工艺或通过喷墨印刷来完成。每种方法都有其优点和缺点。光刻技术可以产生比喷墨印刷小得多的特征（5微米vs50微米）。另一方面，喷墨印刷在材料利用方面更有效。对于这两种情况，量子点都需要与过程兼容。

这意味着必须将量子点配制成光致抗蚀剂或墨水溶液。这些材料必须在空气中稳定，以利用现有的制造设备。在不用于制造QDEF的各种热处理和化学处理步骤中，它们也必须是稳定的。这对量子点提出了更严格的稳定性要求。最后，为了符合RoHS限制要求(系统的任何均匀层含有少于百万分之100的镉)，QDCC层必须由完全无镉的量子点制成。

就光学性质而言，QDCC层必须产生有效的，高度饱和的光输出。由于量子点自吸收它们发射的一部分光，因此高浓度QDCC层中的再吸收损失降低了整个层的光学效率。因此，量子点的内在量子产率是关键的。

实现纯色的另一个要求是QDCC层吸收所有激发光。利用优化的峰值发射波长，如果所有蓝色激发光被吸收，具有QDCC层的显示器可以实现大于95％的BT.2020色域覆盖。然而，1％的蓝光通过每个转换层泄漏，BT.2020色域覆盖率约为86％（见下图）。这种色点的去饱和对于红色转换层尤其明显。尽管绿色转换层可以承受更多的蓝光泄漏，同时保持高色彩饱和度，但使用QDCC层的显示器的蓝光泄漏仍然必须低于1％，以实现至少与传统LCD（运用QDEF）一样高的色域覆盖率。

▲蓝光泄漏对色域覆盖率有显着影

转换层的蓝光吸收与层中的量子点的数量直接相关。这由层的厚度和层中的量子点的浓度决定。如前所述，该层的厚度受制造要求的限制。

量子点的最大浓度受到几个因素的限制。在非常高的浓度下，量子点可能聚集，这降低了量子效率。对于QD油墨配方，量子点的浓度对油墨的粘度具有强烈影响。这将影响与现有喷墨喷嘴，打印设备和处理技术的兼容性。由于量子点强烈吸收紫外线，因此紫外光固化油墨的固化性能也会在高量子点浓度下受到影响。量子点光刻胶也具有相同的UV固化约束。此外，高量子点浓度会影响光刻工艺中的其他步骤，例如显影和可图案化。

由于这些厚度和浓度限制，传统的无Cd量子点难以达到必要的蓝光吸收水平。一种解决方案是在量子点转换层的顶部应用简单的单色蓝色吸收滤光器。虽然这可以在不显着降低光学效率的情况下完成，但它确实引入了额外的处理步骤并因此引入了制造复杂性。为了避免必须使用额外的过滤层，优选的解决方案是增加量子点本身的固有吸收。这不仅改善了色域性能，而且还具有通过需要更少量子点来降低显示成本的潜力。

固有吸收是激发和发射波长之间的能态数量的函数。在450nm激发和525nm发射之间的能量间隔仅为300meV（毫电子伏特），而450nm激发和628nm发射之间的能量间隔超过700meV。因此，由于导带中可用状态的数量较少，因此增加绿点的固有吸收特别具有挑战性。诸如修改量子点的核 - 壳结构或使用基于其他元素替代的技术，已经显示出增加固定厚度QDCC层的蓝色吸收的前景，如表2所示。

表2：  增加绿色QDCC层的相对蓝色吸收的结果如下所示。

通过对无镉量子点的这些额外改进，Nanosys和合作者已经使用光致抗蚀剂和喷墨印刷证明了图案化的QDCC层。图4显示了Nanosys和墨水制造商DIC展示的具有280μm×80μm子像素的RGB打印阵列。绿色和红色子像素包含热固化量子点墨水，而蓝色子像素包含散射介质以更好地匹配发射的角度分布。

▲喷墨印刷的QDCC层结合到图案化

转向商业化

尽管如此，量子点颜色转换层只是最终显示中的一个组件。需要开发辅助技术以实现这种新显示平台的全部潜力。将QDCC层应用于LCD的一个重要挑战与偏振器的配置有关。在传统的LCD中，液晶层和滤色器（CF）层都夹在交叉偏振器之间。在这种配置中，偏振器可以容易地层压到LC玻璃单元的两侧，其包围LC和CF层。该CF层不能简单地用QDCC层代替，因为来自量子点的光发射是非偏振的，因此会干扰LC切换。

在这种情况下，QDCC层必须重新定位在交叉偏振器之外。显示操作的基本要求之一是将开关组件尽可能靠近CF或QDCC层，以最小化光学串扰。结果，为了在LCD中使用QDCC层，需要薄的单元内偏振器。目前正在开发高效的单元内偏振器，但尚未达到商业化。

对于采用QDCC技术的基于OLED的显示器，偏振器不是问题。然而，该设计要求所有光最初由蓝色OLED发射器产生。目前，蓝色OLED发光体在所有颜色中具有最低效率和最短寿命。虽然他们的性能水平足够高，但是需要解决蓝色OLED的效率和寿命问题，才能被普遍运用。

与OLED蓝色发光体相比，无机LED光源效率高且稳定性更高。因此，QDCC层和单色蓝色microLED阵列的组合可以是用于显示应用的强大组合。使用QDCC层无需单独的红色和绿色LED来制作全彩色显示器，这是microLED显示器的主要技术挑战之一。虽然单色microLED阵列的挑战仍然存在，但使用QDCC层有可能加速商业microLED显示器的发展潜力。

总之，量子点颜色转换层可以为LCD，OLED和microLED显示器提供高效率，更好的颜色和低成本，以及每种特定技术的额外优势。无镉量子点的光学性质和稳定性的改进，以及工艺技术的进步，使QDCC层非常接近商业化。面板制造商在互补技术方面的进一步发展，使量子点显示的新实现方案处于商业化的最后阶段。

责编：邓蕊玲