量子点显示技术进展

 从量子点材料的发光特性出发，介绍了量子点材料在显示领域的应用优势——性能较为稳定、寿命和水氧耐受性较OLED 均有改善，进而对以量子点本身作为发光材料的新型显示器件的结构及其材料、制备工艺等方面的研究进展进行了介绍。

 

 

1、量子点材料

 

量子点显示之所以在近期能够成为热点话题，主要是因为量子点材料在显示方面体现出来的一些特性。

 

量子点是一种新颖的纳米材料，直径一般介于1~20 nm之间。量子点呈现一种把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构，由于电子和空穴被量子限域，受激后可以发射荧光。目前，量子点材料通常使用硒、镉等元素并常采用一种核- 壳结构，如图1所示。

 

图1 量子点常用元素及核- 壳结构

 

量子点发光的特点主要有以下三点：

 

（1）量子点发光材料具有良好的非线性特性，发射光谱宽度较窄，其半高宽度一般为20~30 nm，故可产生高纯度的不同颜色光，且多色量子点共同使用时不易出现光谱交叠；

 

（2）量子点越小，受激发光越蓝，量子点越大，受激发光频率越红。 因此，仅仅通过改变量子点发光材料尺寸，就可以使其发光范围覆盖整个可见光区域，而不像在其他显示器件中必需使用不同的材料。

 

（3）基于同样的原因，量子点发光材料能够覆盖较大的色域（>100% NTSC），有着较强的色彩表现能力。另外，量子点发光材料还具有光化学稳定性好、荧光寿命长等特点，是一种理想的发光材料。

 

国内外有很多机构在进行量子点材料的开发，根据已经发表的成果，RGB（红绿蓝）三原色量子点材料的相关参数可参考表1。目前，绿色的转换效率最好，蓝色相对较差。

 

表1  量子点材料相关参数表

 

量子点材料目前主要是硒化镉（CdSe）系和磷化铟（InP）系，多用化学方法进行合成。相比较而言，CdSe在效率和色域方面要优于InP，不过由于镉的使用受到欧盟RoHS标准的限制，因此开发稳定性好的无镉量子点材料已经成为亟待解决的问题，当然，也可以采取混合材料的方式降低镉的含量。目前，三星在其量子点背光电视SUHD TV产品中使用了来自Nanosys的无镉量子点材料。

 

 

2、量子点显示器件

 

量子点显示器件（QLED）是指用量子点材料本身作为发光材料的一种器件，发光机理为电致发光。而在目前市场上销售的量子点电视等产品中，量子点材料是作为背光源的光转换材料来使用的，其发光机理为光致发光。

 

QLED在结构上与我们常说的OLED比较相似，都是层叠结构，可以包括注入层、传输层和发光层等（如图2）。最重要的不同是在发光材料层中，QLED使用的是无机物的量子点材料。相对于OLED的有机材料，QLED具备了性能较为稳定的特点，在一些器件特性如寿命、水氧耐受性等方面都有改善。另外，由于量子点材料本身的特性，QLED器件具有主动发光、发光效率高、响应速度快、光谱可调、色域更高等优点。

 

图2  QLED器件结构

 

在量子点作为背光源的显示器件中，由于受前置部件（如滤光片等）的透光特性的影响，以上特点不能充分发挥；只有在使用量子点材料本身直接发光的QLED器件中才能得到最好的呈现。当然，作为QLED器件组成部分的其他材料层，特别是注入层的传输效率，对器件效率的提升也有很重要的作用。

 

在QLED器件的开发历史中国内外都有一些进展，但总体上还都处于原理性样机阶段。三星于2011年率先开发出全球首款彩色量子点显示屏；2013年，QD Visionf发布了效率达到25 lm/W的红色QLED；2014年，浙江大学彭笑刚教授等人研发出了寿命超过10万小时的深红色QLED器件；福州大学也有4英寸的样机。

 

近期，QLED器件的研究逐渐升温，在2016年5月底结束的国际信息显示学会SID的论坛上，有5个时段的内容与QLED有关，共有37篇文章发表，其中电致发光QLED器件相关的有15篇。包括国外的NanoPhotonica、汉城国立大学、国内的纳晶科技、南方科技大学、福州大学等，都发表了各自有关的研究成果。根据 NanoPhotonica在 SID上发表的数 据，其QLED器件的基本技术参数见表2。

 

表2  QLED器件相关参数表

 

考虑到量子点材料细小且可溶性好的特性，器件RGB结构相同，QLED器件可采用印刷工艺来实现，具有简单、成本低、可制成柔性器件等优点，也易于进行大尺寸器件的制备。

 

根据江苏纳米创新中心网站消息，苏州纳米所在量子点墨水的调配及打印成膜质量上取得了较大的突破，已成功实现喷墨打印量子点电致发光，在低于9 V的电压驱动下，发光亮度超过4000 cd/平方米（图3），这初步证明采用喷墨打印技术制备量子点器件是可行的，下一步的目标是实现印刷量子点的显示器件。汉城国立大学也用喷墨打印工艺制备了红色的QLED器件。

 

图3  喷墨打印示意及量子点发光图形

 

作为潜在的新一代显示技术的候选，QLED也深受相关企业和国家政府的重视。

 

根据韩国相关媒体报道，三星在近期提出了基于QLED器件开发的“Beyond OLED”战略， 计划在2017年前完成QLED量产技术，2020年将开始制造不需要LCD屏的QLED TV。

 

我国政府在近期公布的科技部“十三五”项目中，对量子点器件的开发给予了支持：在战略性先进电子材料重大专项中，开展量子点发光显示关键材料与器件研究。

 

研究内容包括：高光效低成本红、绿、蓝量子点材料及新一代无镉量子点材料制备技术；高性能载流子注入传输材料制备技术；适合印刷工艺的量子点分散核心工艺和量子点INK体系；量子点电致发光显示器件结构优化设计技术；开发全彩印刷QLED器件制作工艺与封装工艺。

 

考核指标方面则提出：印刷QLED红光材料、绿光材料和蓝光材料半峰宽分别<30 nm、<30 nm 和<25 nm；发光效率分别>18 cd/A、>70 cd/A和>7 cd/A；在1000 cd/平方米下半衰寿命分别>1万小时、>1万小时和>3千小时；成果应用到后续器件工艺中，印刷QLED器件尺寸>30英寸，分辨率3840×2160，亮度>250 cd/m2，显示色域>100% NTSC，寿命>1万小时。

 

为实现上述目标，要突破的关键技术有：开发高质量、波长大于460 nm蓝色量子点材料的合成；研究适合打印技术的QLED器件结构并获取高质量器件；研究适合打印的量子点墨水及打印工艺；研究失效机理并开发出合适寿命的器件。TCL作为重要的一员参与到该项目中，目标是完成对角线约为78 cm（31英寸）的UHD 彩色QLED。

 

虽然很有挑战，但我们有理由相信，QLED或许是显示产业的下一个“风口”。