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文/张振星、陈超、康永印，纳晶科技股份有限公司
自2013年索尼推出全球首款量子点电视以来，凭借着量子点特有的色彩表现能力，量子点显示已从电视拓展到了显示器、笔电、平板、车载、VR 等诸多应用场景。同时，为了满足人们好“色”的眼光，把屏幕画质变得“更好看、更养眼”，量子点显示技术也一直在进行更新迭代，产品形态从量子点管演变为量子点膜，再到量子点色彩转换片和即将到来的量子点电致发光显示技术（QLED）……科学家和工程师们在量子点显示技术路上的探索从未停止。
QLED是一种基于量子点电致发光原理的主动发光显示技术，具有超薄、高色域、可柔性、高对比度等特点，可为消费者带来无与伦比的画质体验，无疑是眼下量子点阵营中最引人注目的技术方向，又被称为下一代显示技术。
1、量子点材料（Quantum Dots）
量子点是尺寸在1 nm-100 nm之间，具有“量子限域效应”的半导体纳米晶。所谓“量子限域效应”，指的是半导体或金属材料的尺寸小于其激子波尔半径时，原本接近连续的能带会转化为离散的能级分布。量子点通常有两部分组成：无机发光中心和表面配体（如图 1 所示）。无机发光中心主要由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族的元素组成，包括CdSe、CdS、ZnSe、ZnS和InP等。表面配体通常是有机材料，通过更换配体材料能使其溶于各种不同的有机溶剂中。可应用于发光二极管、太阳能电池、催化、生物医学等领域的基础研究和应用开发。
图1 量子点结构组成（左）及各种发光颜色量子点溶液（右）
2、量子点显示技术
量子点显示技术主要有两条技术路线：光致发光和电致发光。
光致发光量子点显示技术（QD-LCD）
目前商业化的量子点显示产品主要基于光致发光原理，属于量子点背光技术与液晶显示相结合的产物，其发展历程如图2所示。早期，QD材料采用玻璃密封保护，制造出具有高稳定性的QD-玻璃管，应用于显示领域，实现高色域的显示效果。
图2 光致发光量子点显示技术的发展历程（从左到右依次为量子点管、量子点膜、量子点扩散板、量子点原位封装）
然而，量子点管形态固化，对规格的需求往往需要定制开发，通用性较弱，因此很快就被市场所淘汰[1]。为实现显示设备的轻薄、便携、窄边框等特点，技术逐步发展为量子点膜，其用昂贵的阻隔膜做上下保护，与QD胶水组成三明治结构，提高本身可靠性。将量子点膜片形态应用在液晶显示器的背光部分，可显著提升屏幕画面的色彩饱和度、立体感和清晰度，大幅改善图像质量，广泛应用于电视、显示器、笔电、平板、车载、VR等领域，是目前市场上量子点光致发光显示技术中最成熟且主流的方案。
除了膜之外，QD还能应用在扩散板、导光板等其他显示组件中。目前量子点扩散板采用熔融共挤技术，生产效率高，成本低，在中低端产品中具备较大的市场潜力。此外，QD还可直接原位封装在LED上，可将量子点效率最大化。但此种方式要求量子点材料在高温环境保持稳定，实现难度较大，若能商业化，将会是一个超规模的应用。
电致发光量子点显示技术（QLED）
基于电致发光过程的QLED技术最早于1994年首次被加州大学伯克利分校的Colvin等人在Nature上报道[2]。2008年胶体ZnO纳米晶作为器件的电子传输层的出现，成为了QLED器件的性能突破的转折点。QLED器件性能开始真正进入高速发展期。2014年，浙大彭笑刚教授与金一政课题组合作在Nature上报道了高性能红光 QLED器件[3]，其外量子效率和寿命分别达到20%和10万小时（T50@100nit）左右，相关成果入选“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，产业界看到了QLED技术在显示产业中大规模应用的前景，科学家和工程师对QLED技术的热情空前高涨。短短7年间，人们已经将QLED器件三色发光效率、工作稳定性和寿命等关键参数已经基本满足商业化产品对性能的要求。
量子点发光二极管通常由阳极、空穴注入/传输层、量子点发光层、电子注入/传输层和阴极这五部分组成。QLED的工作原理是在外加电压的驱动下，空穴从阳极注入，电子从阴极注入，通过各自的传输层运输后到达量子点，形成激子复合发光（如图3所示）。QLED的结构和原理都较为简单，但真正要将其性能做好却不是一件容易的事。
图3 QLED 结构及工作原理（左）和红绿蓝三色发光图（右）
目前，人们通过不断地探索和试验，例如调节量子点的结构成分组成[4]，加入界面修饰层[3]或者对传输层材料进行掺杂改良以改善电子/空穴注入和传输平衡等一系列方式不断提升QLED器件的性能。
QLED作为下一代的新型显示技术，优势显著。从色域角度，由于极致的窄半峰宽和发光波长随尺寸可调，QLED理论能达到140%NTSC色域，远高于OLED的 100%NTSC和LCD的72%NTSC, 能更好地呈现出自然的色彩，给未来元宇宙等超高清显示领域提供强有力的技术支撑。
在对比度方面，由于QLED和OLED都是基于自发光的技术，在对比度上会显著优于基于被动发光的传统液晶显示技术，能够为显示设备提供更为纯正的黑场显示效果。在产品形态上，QLED技术和OLED拥有相似的器件结构，都可以实现超薄和柔性等特征。从能耗角度考虑，按照从低到高排列，几种技术的能耗水平依次是 QLED（低）＜OLED（中）＜LCD（高）；QLED相比于OLED来说，相同亮度下需要的驱动电压更低，因此所需的能耗低；LCD因其是背光技术，白光转化成单一颜色的光需要过滤大量的其他光能量，因此能耗较高。
LCD，OLED，QLED 技术的参数对比如表 1所示：
表1 量子点技术与其他技术的参数对比表
综上所述，QLED技术有着诸多的性能优点，但受限于技术起步较晚；产业配套不够完善比如面向量产化的打印设备，导致当前QLED技术在产业化进展方面暂时落后于LCD和OLED技术。
近些年，喷墨打印技术被认为是基于溶液法加工量产制备大尺寸QLED显示设备最为可行的一种技术路径。喷墨打印技术是一种与基底非接触、不需要掩膜板的液相成膜技术（如图4所示），通过对墨滴落点的精确控制能够实现在相应的基底上制备出任何图案薄膜的功能是一种典型的增材制造方式，关键材料利用率大于 90%。喷墨打印技术已经被广泛地应用在各种溶液成膜技术中，它不需要掩膜板的特点使其在大面积显示制造技术中有着先天的优势。同时喷墨打印生产设备成本以及生产过程中能耗和材料损耗也明显低于OLED 使用的蒸镀技术。
图4 量子点喷墨打印示意图（左）及打印成的红绿蓝三色像素 ( 右 )
印刷显示制造技术当前主要的技术攻关，集中在以下几个方向：
①量子点墨水的开发。量子点表面的配体结构决定了其在不同溶剂中的溶解度和稳定性，而溶剂的表面张力、粘度以及挥发速度等特性又决定了喷墨打印过程中墨滴的形成和运动轨迹以及最终量子点薄膜的成膜质量。
②打印工艺的开发。为了达到高精度打印，必须控制打印过程中墨滴的形态和轨迹，让墨滴精确落入像素点内并消除墨滴飞行过程中的卫星斑。打印过程控制也是取得像素点内部与像素点之间的一致性和均匀性的关键步骤。另外，多喷头打印的工艺下各喷头之间的窜扰问题也需要密切关注。
3、小结
QLED，量子点电致发光显示技术从概念的提出到实验室研究，再到关键工程技术的积累和突破已经走过了30年的历史，在众多科学家和工程师的努力下距离产业化只有一步之遥。当前也是显示产业发展的黄金时期，8K、广色域、元宇宙、人机交互等市场需求以及应用场景的出现，在这Display everywhere的时代，以QLED为代表的新型显示技术迎来空前的发展黄金时期，此为天时。
在CRT和液晶显示时代，经过国内产业先驱和前辈的不懈努力，不论在需求侧还是在供给侧，我国已经发展成全球最大的显示产业大国，QLED技术在中国拥有最佳的生长土壤，此为地利。
我国在量子点材料领域有长期的技术开发经验，从学术界到产业界具备一大批优秀的科学家和骨干工程师，尤其是在2016年科技部将量子点材料列为战略性先进电子材料进行专项攻关之后，有效地整合了高校、研究院的科研力量以及产业实体之间的人才力量，解决了一大批关键技术问题的同时有效整合了人才队伍，此为人和。
在天时、地利、人和的共同作用下，相信QLED技术的产业化将继续保持高速发展的趋势，在不久的将来走向实用化，并成为显示产业中一项主流的技术。
作者简介
张振星，纳晶科技股份有限公司纳晶研究院光电研发部高级研究员，主要负责 QLED 技术研发及市场分析；
陈超，高级研究员兼战略发展中心主任，主要负责 QLED 技术产业化及科技、产业技术项目合作；
康永印，纳晶研究院技术总监，正高级工程师，主要负责量子点显示应用开发。
参考文献
1. 姜明宵，王 丹，邱 云，等 . 量子点显示及其技术趋势 [J]. 光电子技术，2019，39(1)：48-51
2. VL Colvin，et al . Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer [J].Nature，1994，370(6488): 354-357.
3. X. Dai，et al . Solution-processed, highperformance light-emitting diodes based on quantum dots [J]. Nature，2014，515: 96-99.
4. Y. Yang，et al . High-effciency lightemitting devices based on quantum dots with tailored nanostructures [J]. Nature photonics， 2015，9(4)：259-266. |
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