一文看懂量子点显示技术及相关量产工艺

   量子点膜

   量子点膜是目前量子点显示商业化最成熟的产品，市面上大部分的量子点电视和显示设备均采用量子点膜。量子点膜采用“三明治”结构，在量子点层的上下两个表面覆盖有水氧阻隔膜，如下图所示。产品应用于液晶显示屏的背光模组中，放置在导光板（或直下式中扩散板）上方，与蓝光LED组合能够产生拥有尖锐峰形的红绿蓝光源，能有效提升液晶显示器的色域，可广泛应用于电视、显示器、平板和手机等终端产品。

   普通液晶显示器采用普通白光LED作为背光源，其光谱在红绿波段互相干扰，如下图所示，经过滤色片后，RGB三色的半峰宽很宽，这使得液晶显示器的色纯度低，色域也偏低，一般在75%NTSC左右。

   量子点膜的基本原理是背光模组中的蓝光LED发出蓝光，蓝光经过量子点膜时，部分蓝光被量子点转换成绿光和红光，未被转换的蓝光和量子点发出的绿光、红光一起组成白光，成为液晶显示屏的光源，其光谱在红绿蓝三色的半峰宽非常窄，如下图所示，经过滤光片后出射的R、G和B三色的半峰宽也很窄，显示器的单色色纯度非常高。

   因此，量子点色膜可以使液晶显示屏的色域从目前的75%NTSC左右提高到*高130%NTSC。

   量子点涂布胶

   量子点薄膜的制造采用涂布的方法，先将红色量子点和绿色量子点按照一定的比例与涂布胶混合均匀得到量子点涂布胶，然后通过大型涂布机将量子点涂布胶均匀涂布在两片高阻隔膜的中间。因此，量子点涂布胶是整个量子点薄膜技术的核心，它与量子点薄膜的亮度、色域和耐老化性能直接相关。厦门玻尔科技在高性能量子点材料的设计、合成和批量化生产领域，是国内同业领先企业，同时结合团队丰富的树脂胶水配方设计经验，根据市场需求，开发出两类量子点涂布胶：光固化和热固化类型，产品特性和参数如下表所示：

   1、光固化量子点涂布胶

   产品特性和参数如下：

    a、红色量子点发射峰：625~635 nm可调，±1nm

    b、绿色量子点发射峰：525~535 nm可调，±1nm

    c、量子点材料半峰宽：26~30 nm

    d、每公斤胶水可涂面积：10㎡左右

    e、要求涂层厚度：40~80μm左右

    f、粘度：700~1500cps可调

    g、收缩率：4%

    h、固化条件：UV固化，3200mJ/cm²

    i、粘结强度：剥离力＞5 N/25mm

    j、涂布基材要求：水氧阻隔膜（WVTR要求0.01g/㎡/day）

   2、热固化量子点涂布胶

   目前市场上，量子点薄膜的涂布胶解决方案均为UV光固化方案，由于UV光固化胶中光引发剂与量子点的兼容性很差，使得量子点在此种涂布胶中的最大分散量很低，为了能够将足够的蓝光转化为红光和绿光，必须提高量子点薄膜中量子点涂层的厚度，厚度一般为80~100微米左右。由于采用UV光固化方案的量子点薄膜生产流程为涂布——复合——UV光固化，与一般光学膜的涂布流程不同，所以光学膜生产厂商需要对原有设备进行改造或者重新订购设备，阻力较大。

   玻尔科技针对光学膜生产厂商的要求，开发出热固化解决方案，该方案的生产流程为涂布——固化——复合，因此光学膜生产厂家无须新购设备，即可迅速切入量子点薄膜市场。该解决方案采用热固化胶作为量子点材料的分散胶，可以极大提高量子点在胶水中的最大分散量，因此可以将薄膜的厚度降低到仅18微米，因此也非常有利于生产适用于手机的超薄量子点薄膜（总厚度小于70微米厚度）。

   产品特点和参数如下：

    a、红色量子点发射峰：625~635 nm可调，±1 nm

    b、绿色量子点发射峰：525~535 nm可调，±1 nm

    c、量子点材料半峰宽：26~30 nm

    d、每公斤胶水可涂面积：10 ㎡左右

    e、要求涂层厚度：18~30 μm

    f、涂布胶固含：30%左右

    g、固化条件：110℃，3 min

    h、粘度：250~300 cps

    i、粘接强度：剥离力＞5 N/25mm

    j、涂布基材要求：水氧阻隔膜（WVTR要求0.01g/㎡/day）

   量子点尺寸连续可调，可实现蓝色到绿色、到黄色、到橙色、到红色的发射，色彩精准而且纯净。其色彩效果如果按照*高的BT．2020标准算，苹果手机也只有50％左右，既有一半的颜色显示不出来，但量子点可以做到100％的色域。对应于超高清蓝光标准高色域的要求遥，量子点显示有能力还原我们所能感知的所有颜色

   量子点光刻胶

   量子点显示应用的*新发展之一是QD彩色滤光片（QDCF），其中量子点粒子被分散在光刻胶中，然后被图案化以替换子像素中的有色染料。量子点彩色滤光片中的每个像素点由3个次像素点构成，分别喷墨印刷上红色量子点、绿色量子点和扩散粒子。基本原理如图所示，在蓝背光的激发下，量子点彩色滤光片可发出色纯度非常高的三原色，从而提升显示色域。与传统滤色器模型的不同之处在于量子点的作用类似于有源元件，QDCF在转换通过它的光，而不是阻挡光。

   QDCF方法有以下好处：

   （1）更宽的视角，因为QD被放置得更靠近屏幕并且它们在所有方向上发光

   （2）更广泛的色域，因为量子点发出纯净的可调光

   （3）更薄的显示，因为QDCF面板的组件更少

   （4）而且显示效率提高约50％，这是因为量子点比传统的彩色滤光片通过更多的光。

   量子点彩色滤光片需要进行图案化，实现方法有有两种：光刻工艺和喷墨打印工艺。每种方法都有其优点和缺点。光刻可以产生比喷墨打印小得多的图案，可以小到5微米，而喷墨打印能实现的最小图案为50微米。但是，喷墨打印也有好处，在材料利用方面更有效。对于这两种工艺，量子点都需要与工艺过程兼容。这意味着必须将量子点配制成光刻胶或墨水溶液。这些材料必须在空气中稳定，才能利用现有的制造设备生产。而且也要求它们在这两种工艺中所涉及到的各种热处理和化学处理步骤中，也必须是稳定的。这对量子点的稳定性提出了更高的要求。

   我司开发成功的量子点光刻胶的性能参数如下：

   客户使用我司量子点光刻胶制备的量子点像素点如下图所示。

   量子点显示方案

   什么是量子点显示？

   量子点（QD）显示器是使用荧光半导体纳米晶体（也称为量子点）作为面板架构的一部分来产生单色光以提供可调原色并提高屏幕效率和性能的装置。

   这可以通过两种基本方式实现：

    1、光致发光（PL）-其中量子点由光源激活，例如在LED背光液晶显示器中，量子点由蓝背光激活。

    2、电致发光（EL）-其中量子点嵌入每个像素中并通过电流激活和控制。

   量子点显示器提供一系列优势，包括：

    （1）高动态范围（HDR）支持，因为它们具有高峰值亮度特性

    （2）由于出色的色彩饱和度和宽色域输出，能够实现最接近BT 2020色彩空间

    （3）低功耗和提高效率

    （4）能够最大化色彩体积和对比度，以获得*佳观看体验

   I.光致发光QD显示器（QD-PL）

   现在流行的技术在其光致发光（PL）模式，QD粒子的光发射由LED背光触发。这些显示器称为QD-PL型显示器。

   有许多方法可以实现量子点光致发光QD-PL：

   1.芯片内部（in-chip）

   2.芯片上面（on-chip）

   3.表面（on-panel or on-surface）

    a、量子点薄膜（QDEF）

    b、量子点玻璃导光板（QDOG）

   4.面板内部（in-panel）

    即量子点彩色滤光片（QDCF）

   1、芯片内部（QD in-chip）

   QD技术最初的应用方法之一是将量子点嵌入芯片中。该技术从未投入量产，因为量子点距离LED芯片太近，会暴露在超过200ºC的高温下，这直接影响QD的稳定性和可靠性。虽然芯片内方法是最经济高效的，但高温会损害量子点的性能。一些公司在研发耐高温的QD技术，可承受高达260ºC的温度，目标是征服照明业。这种方案的另一个挑战是容易被水和湿气损坏的量子点与树脂之间的相容性，相容性不好会导致所谓的中毒效应和QD聚集。

   2、芯片上面（QD on-chip）

   在显示面板内安排量子点的另一种方法是在芯片上，其中QD被放置在圆柱形QD-聚合物复合材料中 - 被称为“量子轨” 。在这种情况下，即使采用封装工艺和背光重新设计，量子点仍然太靠近热源以维持性能。QD在此位置仍距离LED封装太近，温度可达到100ºC。索尼在其2013年推出的QD电视中使用了这项技术。产品在第二年就被召回了，很可能是因为耐热性差。

图片来源：三星显示器公司

   3、表面（on-panel or on-surface）

   a、量子点薄膜（QDEF）

   当前市面上大部分QD电视都使用量子点薄膜（QDEF）。量子点薄膜是三明治结构，上下两层为水氧阻隔膜，中间为量子点聚合物薄膜。量子点薄膜放置在导光板上面，从而远离LED封装，让QD所处的环境温度下降。量子点薄膜里面包含红色和绿色QD，其原理为背光模组中的蓝光LED发出蓝光，蓝光经过量子点薄膜时，一部分蓝光被红色量子点转换成红光，一部分蓝光被绿色量子点转换成绿光，未被转换的蓝光和量子点发出的绿光、红光一起组成白光，成为液晶显示屏的背光源。

   通过将QD颗粒放置远离光源，消除了热暴露的风险。然而，这种方法需要大量的量子点颗粒，这决定了相对高的制造成本。

   b、量子点玻璃导光板（QDOG）

   量子点玻璃导光板是在玻璃光导板的表面涂布量子点聚合物涂层。这种方案不仅提供了QDEF的优点，同时避免了设计间隙，可以实现厚度小于5 mm的。QDOG方案虽然省去了两张价格昂贵的水氧阻隔膜，但是增加了价格昂贵的玻璃导光板，目前的成本较QDEF高。

图片来源：三星显示器公司

   4、面板内部（in-panel）

   量子点彩色滤光片（QDCF）

   量子点显示应用的*新发展之一是QD彩色滤光片（QDCF），其中量子点粒子被分散在光刻胶中，然后被图案化以替换子像素中的有色染料。量子点彩色滤光片中的每个像素点由3个次像素点构成，分别喷墨印刷上红色量子点、绿色量子点和扩散粒子。基本原理如图所示，在蓝背光的激发下，量子点彩色滤光片可发出色纯度非常高的三原色，从而提升显示色域。与传统滤色器模型的不同之处在于量子点的作用类似于有源元件，QDCF在转换通过它的光，而不是阻挡光。

   QDCF方法有以下好处：

    a、更宽的视角，因为QD被放置得更靠近屏幕并且它们在所有方向上发光

    b、更广泛的色域，因为量子点发出纯净的可调光

    c、更薄的显示，因为QDCF面板的组件更少

    d、而且显示效率提高约50％，这是因为量子点比传统的彩色滤光片通过更多的光。

   II.电致发光QD显示器（QD-EL）

   量子点利用的电致发光方法是基于每个像素中的量子点，通过电流使其发光。这些显示器称为QD-EL型显示器。

图片来源：三星显示器公司

   当采用这种电致发光机制时，量子点材料被放置在阳极和阴极之间，每个子像素包含红色，绿色和蓝色QD。

图片来源：三星显示器公司

   这种方法提供了很多好处：

    a、非常宽的色域 - 因为量子点在窄光谱中发光并且可以很好地调节

    b、高对比度 - 因为每个像素都可以独立控制

    c、低功耗时的高亮度 - 无需背光，无液晶层，无需滤色器

    d、超高分辨率

    e、不会烧屏，因为没有用有机材料

    f、设计灵活性 - 由于没有背光，这种机制使该技术可用于灵活，可折叠，可卷曲和透明的显示器

    g、与OLED相比，制造成本更低 - QD的图案化使用喷墨印刷的设备，而不是使用昂贵且缓慢的蒸发设备

   不过这项新技术带来了一系列挑战，要实现这种方案还需要较长一段时间。

   总而言之，以下是量子点技术的路线图：

图片来源：三星显示器公司

   目前采用量子点膜技术的光致发光技术是目前量子点显示中成熟可靠的技术。传统LCD显示屏只要将背光中白色LED光源更换为蓝色LED光源和添加上一层纳米量子点的薄膜就可以达到卓越的色彩表达能力。

   总的来说，量子点显示技术的优势可以概括为“高、纯、久”三大方面。“高”就是色域高，色域覆盖率达110％NTSC；“纯”就是颜色纯，色彩纯净度比普通LED提升约58．3％，精准呈现大自然色彩；“久”就是色彩久，稳定的无机纳米材料的量子点能够保证色彩恒久不褪色，色彩持久稳定可达60000小时。

   由于量子点粒径在1~10nm之间，比表面积非常大，氧气和水汽容易对量子点表面产生破坏，导致荧光猝灭，因此量子点薄膜需要采用两层高阻隔膜和特殊高分子聚合材料包裹量子点以形成三明治结构，量子点膜是由PET原膜，量子点层，隔氧阻水的阻隔层以及纳米微结构表层材料组成的多层复合材料。

   量子点薄膜结构显示出最外层是具有光学微纳结构的表层，它具有减少牛顿环的支撑作用和增加蓝光折返路径以及均光的三重作用，上下两层PET是基材层。PET基材内侧有隔氧阻水的SiO2涂层。中间的量子点材料层由量子点、高分子聚合物以及其他配方料组成。量子点薄膜有个其他光学膜没有的特殊指标---无效边际，主要是量子点薄膜层在自由空气中随着时间的推移索产生的量子点发光失效，该指标在今天强调超窄边框的大环境下有着特殊意义。量子点薄膜在经过双85环测超过500小时的情况下，无效边际仍然小于0.2mm，它对于未来手机上的无边框设计具有重大意义。

   量子点显示应用中，原本背光模组里的白光LED换成蓝光LED，并没有蓝光量子点，一切的关键都在红光、绿光量子点上。量子点使用约2/3的蓝光产生红光和绿光。

   为了使量子点显示器达到各个性能指标，更准确的呈现所表现的色彩，充分发挥量子点显示的优势，就需要对量子点层做精细的配方工作，来配合不同机种中的蓝色背光模组和液晶panel，以使整体量子点显示屏达到合适的色坐标。同时量子点层的厚度均匀度也是影响量子点显示效果的关键指标，所以量子点层厚度的控制就显得非常重要了。

   在量子点膜生产中要保持量子点本身不受外界条件的破坏，保持原有的荧光效率和稳定性，利用阻隔膜生产三明治结构的量子点膜就成为现实条件下的唯*选择。

   量子点材料由于其特殊的性能对水汽和氧气的敏感性，从而不得不采用高阻隔薄膜进行结构性封装，在涂布时不仅要考虑涂层厚度的控制，还要考虑复合成三明治结构以后的总厚度。目前量子点薄膜涂层厚度一般在50-100um左右，这种比较大的涂布量可以采用逗号、辊涂和狭缝等几种方式。

   逗号涂布，在目前国内加工工艺基础上针对600mm以下尺寸，刮刀的精度可以保证在1-2um左右，放大到大尺寸量子点薄膜的65英寸需求，在1500mm宽度上的不均匀度会达到5-10um的误差，这个厚度差会直接影响到色坐标XY的值超出标准范围，对于客户要求色坐标误差不得大于0.5%的公差来说还是太大了。另外量子点胶水易于结块和沉淀，逗号涂布很难处理掉异物和纵向拉丝的问题。

   同样，辊涂方式也存在多种致命的问题。

   比较理想的涂布方式是狭缝涂布。狭缝涂布是其操作原理是将流体以一定量泵打入一能将流体均匀展开的模具。它是一个封闭的系统，其次它是通过精密计量泵来对涂布材料进行预先计量。正是基于这两点，狭缝涂布方式具有其他涂布所不具备的一些优势：涂层重量和整体分布更均匀；易于在厚涂层和薄涂层工艺间切换；最大限度地减少了挥发性排放、涂层污染、原料浪费，以及工作场所混乱程度。

   由于涂布精度高，挤出量可以通过精密计量泵体的动力马达转速控制，实现一个闭环回路。在系统张力恒定的情况下，狭缝涂布头的送胶电机的转速是量子点膜厚度的函数。通过在线实时检测量子点膜厚度，经过相关计算，反馈到狭缝涂布头的送胶电机，通过改变送胶电机转速，可以精确控制量子点膜厚度。

   量子点膜生产路线图：

   在两层膜之间灌夹量子点材料聚合物胶时采用狭缝涂布头。

   在两层薄膜阻隔层之间涂布具有量子点材料聚合物涂料的时候，在保持胶粘度不变的情况下，涂胶量的大小直接影响最终量子点膜的厚度。通过在线测量特征部位处量子点膜的厚度，反馈到涂胶量，可以建立厚度和涂胶量的闭环响应，从而精确控制量子点膜的厚度。

   控制送胶电机转速即可控制流经狭缝涂布头的胶量，进一步精确控制量子点膜厚度

   最终产品分段做整长度测量结果统计：（表）

   从数据分析，厚度在长度方向有按间隔状均匀性分布，总体厚度误差+/- 2um @ 总厚300 um，以及±1um @ 75um，色坐标偏差小于0.2%。

   综上所述，除了具备精密紫外成型设备的制造基础，再结合精密涂布经验，采用狭缝涂布技术和在线厚度测量闭环反馈技术，有效控制量子点涂层厚度，达到量子点膜的均一性指标达到国际先进水平。另外在光学微纳结构设计上，通过薄膜表面结构达到增加光线的折返以提高量子点的激发效率，可以更好的提升光效等各项功能指标。