2013年發(fā)布的Kindle Fire HDX平板電腦將顯示器行業(yè)引入量子點(diǎn)增強(qiáng)膜（QDEF），這是量子點(diǎn)在顯示器中的首批商業(yè)用途之一。
兩年后，在2015年，三星將首款采用無(wú)鎘量子點(diǎn)增強(qiáng)膜的顯示器帶入了高端電視市場(chǎng)。
從那時(shí)起，量子點(diǎn)技術(shù)已穩(wěn)步進(jìn)入主流市場(chǎng)，目前世界上大多數(shù)頂級(jí)顯示器制造商都有數(shù)十種相關(guān)產(chǎn)品可供購(gòu)買(mǎi)。因此，消費(fèi)者現(xiàn)在可以購(gòu)買(mǎi)采用量子點(diǎn)技術(shù)增強(qiáng)的液晶電視，其成本僅為同等尺寸OLED電視的一半。
除電視外，顯示器現(xiàn)在還采用量子點(diǎn)增強(qiáng)膜制作，其中包括三星，宏碁和華碩等多款針對(duì)游戲和創(chuàng)意專業(yè)市場(chǎng)的型號(hào)?，F(xiàn)在顯示器行業(yè)已接受了使用QDEF，特別是在主流電視和監(jiān)視器產(chǎn)品上，新的量子點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式正準(zhǔn)備進(jìn)一步提高顯示器的性能和質(zhì)量。
量子點(diǎn)是微小的半導(dǎo)體粒子，其發(fā)射的光具有窄的光譜形狀并且波長(zhǎng)取決于它們的尺寸。這兩個(gè)特性使量子點(diǎn)成為顯示器的理想材料。與顯示器的其他發(fā)光技術(shù)相比，量子點(diǎn)能夠提供更大范圍的純色。正是這個(gè)原因使顯示器能夠再現(xiàn)更大的色域。
例如，通過(guò)藍(lán)光和流媒體錄制和控制的UltraHD內(nèi)容依賴于BT.2020色域標(biāo)準(zhǔn)。這種新的顏色規(guī)格旨在捕捉自然界中99％以上的顏色，以獲得真實(shí)逼真的圖像。目前，大多數(shù)顯示器采用基于磷光體的白色LED，并依靠濾色器為RGB子像素創(chuàng)建三種原色：紅色，綠色和藍(lán)色。
然而，即使在過(guò)濾之后，這些磷光體也具有有限的波長(zhǎng)可調(diào)性和相對(duì)寬的光譜分布。因此，許多廣告宣傳為具有寬色域的顯示器實(shí)現(xiàn)了不到80％的BT.2020覆蓋率。盡管OLED顯示器與傳統(tǒng)LCD相比具有更好的色純度，但僅限于較小的色域，例如DCI-P3，因?yàn)镺LED材料的發(fā)射光譜對(duì)于高BT.2020色域覆蓋仍然太寬。另一方面，量子點(diǎn)具有獨(dú)特的波長(zhǎng)可調(diào)性和色純度，使其能夠提供超過(guò)90％的BT.2020 UltraHD顏色標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)下圖）。
▲當(dāng)前顯示技術(shù)的色域覆蓋率圖表
QDEF，鎘和無(wú)鎘QD
量子點(diǎn)如果沒(méi)有其他屬性，如效率，穩(wěn)定性和制造可擴(kuò)展性，那僅僅是實(shí)驗(yàn)室的新奇事物。此外，如果要廣泛采用量子點(diǎn)，則需要將量子點(diǎn)容易地集成到當(dāng)前的制造操作中，而且需要對(duì)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響最小。為此，Nanosys與主要顯示器制造商密切合作，開(kāi)發(fā)上述QDEF，這是一種具有薄量子點(diǎn)層的光學(xué)薄膜，這是一種簡(jiǎn)單的「插入式」產(chǎn)品，不需要任何線路改裝或制造工藝變更。
QDEF設(shè)計(jì)用于替代LCD背光中現(xiàn)有的擴(kuò)散膜，將紅色和綠色量子點(diǎn)結(jié)合在一個(gè)薄的半透明薄片中。當(dāng)被來(lái)自藍(lán)色LED的光激發(fā)時(shí)，量子點(diǎn)發(fā)出綠色和紅色波長(zhǎng)的光。這種綠色和紅色光與藍(lán)色LED燈的一部分相結(jié)合，提供由高度飽和的紅色，綠色和藍(lán)色光組成的白光。
結(jié)合到消費(fèi)者顯示器中的第一種量子點(diǎn)是基于元素鎘的。當(dāng)時(shí)，這種是唯一具有所需效率和穩(wěn)定性的量子點(diǎn)。由于鎘是有害物質(zhì)（RoHS指令約束的物質(zhì)），許多制造商都在猶豫要不要使用量子點(diǎn)。因此研究人員在改善無(wú)鎘量子點(diǎn)的性質(zhì)方面，做了廣泛工作。然而，無(wú)鎘量子點(diǎn)的發(fā)射光譜比鎘基點(diǎn)的發(fā)射光譜寬，因此這些顯示器只能覆蓋較小的DCI-P3色域。
最近，性能差距已大大縮小，如表1所示。無(wú)鎘和無(wú)鎘量子點(diǎn)的高量子產(chǎn)率使得光學(xué)效率高。此外，與其他磷光體或OLED技術(shù)相比，Nanosys無(wú)鎘量子點(diǎn)的窄發(fā)射光譜已經(jīng)提供了更大的BT.2020色域覆蓋率。
表1： 來(lái)自Nanosys的生產(chǎn)級(jí)量子點(diǎn)（鎘基和無(wú)鎘）的顏色和量子產(chǎn)率的性質(zhì)如下所示。BT.2020色域覆蓋范圍適用于使用QDEF的LCD。
持續(xù)改進(jìn)穩(wěn)定性使QDEF可用于更高亮度的顯示器。這極大地改善了QDEF增強(qiáng)型LCD上顯示的高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）內(nèi)容的效果。此外，還可以利用這些穩(wěn)定性改進(jìn)減少對(duì)水氧阻隔的需求，從而降低量子點(diǎn)實(shí)施的成本。
基于商業(yè)顯示器廠家已驗(yàn)證通過(guò)的量子點(diǎn)性能，Nanosys和Hansol Chemical等量子點(diǎn)制造商已經(jīng)擴(kuò)大了生產(chǎn)足夠量子點(diǎn)的能力，以供應(yīng)數(shù)百萬(wàn)平方米的顯示面積。根據(jù)顯示器制造商的需要，發(fā)射波長(zhǎng)也可以在綠色和紅色的寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)做到單納米精度調(diào)節(jié)。
量子點(diǎn)的新實(shí)現(xiàn)方案
盡管通過(guò)QDEF使用量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了QD的色彩性能，但是這些顯示器仍然依賴于傳統(tǒng)的LCD模塊，這些模塊本質(zhì)上是低效的。所有LCD背光都會(huì)產(chǎn)生白光，然后進(jìn)行過(guò)濾以創(chuàng)建紅色，綠色和藍(lán)色子像素。量子點(diǎn)有助于優(yōu)化該系統(tǒng)，通過(guò)僅產(chǎn)生背光中顯示器所需的紅色，綠色和藍(lán)色光來(lái)減少浪費(fèi)。盡管如此，彩色濾光片可阻擋約三分之二的光線。
為了避免這種低效率，可以使用量子點(diǎn)顯示的新實(shí)現(xiàn)方案：量子點(diǎn)顏色轉(zhuǎn)換層（QDCC）。由于量子點(diǎn)如此之小，致密的薄層量子點(diǎn)可以取代傳統(tǒng)LCD模塊中的濾色器，并在圖像的平面上產(chǎn)生光。
與傳統(tǒng)LCD的白光相反，在這種裝置中，背光僅提供藍(lán)光。藍(lán)色子像素可以簡(jiǎn)單地以最小的損耗通過(guò)藍(lán)光。綠色和紅色子像素各自具有一層量子點(diǎn)而不是吸收濾色器，吸收藍(lán)光并分別將其下轉(zhuǎn)換為綠光和紅光。每個(gè)綠色和紅色子像素不僅僅發(fā)射所需的顏色（并因此為顯示器提供初級(jí)的飽和色），每個(gè)子像素的光通量原則上可以比常規(guī)LCD中的高得多。除了顯著的效率提高之外，具有QDCC層的LCD可以具有更寬的視角，因?yàn)镼DCC層產(chǎn)生的光位于顯示器的前面。
雖然效益顯著，但將QDCC層結(jié)合到LCD中會(huì)帶來(lái)一些復(fù)雜性。由于從QDCC層發(fā)射的光是非偏振的和各向同性的，這需要改變LCD模塊的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)LCD模塊中的第二偏振器位于濾色器之后，但是具有QDCC層后，它必須「在單元內(nèi)」移動(dòng)。此外，穿過(guò)藍(lán)色子像素的藍(lán)光將需要某種形式的散射，否則會(huì)有角度色移。最后，在綠色或紅色子像素中泄漏的任何藍(lán)光都會(huì)使色點(diǎn)飽和，因此QDCC層需要吸收100％的藍(lán)色激發(fā)光。
QDCC層不限于LCD。它們還可用于在單色藍(lán)色OLED或microLED陣列上創(chuàng)建綠色和紅色子像素（下圖）。這種具有QDCC層的顯示器提供了單獨(dú)像素控制的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)僅需要單色發(fā)射器層，這極大地簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。這種新型混合顯示器將電致發(fā)光（完美黑色和寬視角）的優(yōu)勢(shì)與無(wú)機(jī)發(fā)射器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高亮度，飽和色彩，穩(wěn)定性和低成本。
▲QDCC層可以結(jié)合到LCD中，如頂行所示，并結(jié)合到OLED或microLED顯示器中，如底行所示。
新挑戰(zhàn)
為了使QDCC層成為可行的顯示技術(shù)，它們必須具有幾個(gè)額外的光學(xué)和物理特性。作為L(zhǎng)CD面板中的濾色器替代品，QDCC層必須薄到大約6到10微米才能與當(dāng)前的LCD技術(shù)兼容。雖然使用帶有OLED或microLED陣列的QDCC可以支持更厚的層，但優(yōu)選保持QDCC薄。正如我們將在下一節(jié)中看到的，薄涂層的要求對(duì)量子點(diǎn)的必要光學(xué)性質(zhì)具有深遠(yuǎn)的影響。
在所有格式中，QDCC層必須被圖案化。這可以通過(guò)光刻工藝或通過(guò)噴墨印刷來(lái)完成。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。光刻技術(shù)可以產(chǎn)生比噴墨印刷小得多的特征（5微米vs50微米）。另一方面，噴墨印刷在材料利用方面更有效。對(duì)于這兩種情況，量子點(diǎn)都需要與過(guò)程兼容。
這意味著必須將量子點(diǎn)配制成光致抗蝕劑或墨水溶液。這些材料必須在空氣中穩(wěn)定，以利用現(xiàn)有的制造設(shè)備。在不用于制造QDEF的各種熱處理和化學(xué)處理步驟中，它們也必須是穩(wěn)定的。這對(duì)量子點(diǎn)提出了更嚴(yán)格的穩(wěn)定性要求。最后，為了符合RoHS限制要求(系統(tǒng)的任何均勻?qū)雍猩儆诎偃f(wàn)分之100的鎘)，QDCC層必須由完全無(wú)鎘的量子點(diǎn)制成。
就光學(xué)性質(zhì)而言，QDCC層必須產(chǎn)生有效的，高度飽和的光輸出。由于量子點(diǎn)自吸收它們發(fā)射的一部分光，因此高濃度QDCC層中的再吸收損失降低了整個(gè)層的光學(xué)效率。因此，量子點(diǎn)的內(nèi)在量子產(chǎn)率是關(guān)鍵的。
實(shí)現(xiàn)純色的另一個(gè)要求是QDCC層吸收所有激發(fā)光。利用優(yōu)化的峰值發(fā)射波長(zhǎng)，如果所有藍(lán)色激發(fā)光被吸收，具有QDCC層的顯示器可以實(shí)現(xiàn)大于95％的BT.2020色域覆蓋。然而，1％的藍(lán)光通過(guò)每個(gè)轉(zhuǎn)換層泄漏，BT.2020色域覆蓋率約為86％（見(jiàn)下圖）。這種色點(diǎn)的去飽和對(duì)于紅色轉(zhuǎn)換層尤其明顯。盡管綠色轉(zhuǎn)換層可以承受更多的藍(lán)光泄漏，同時(shí)保持高色彩飽和度，但使用QDCC層的顯示器的藍(lán)光泄漏仍然必須低于1％，以實(shí)現(xiàn)至少與傳統(tǒng)LCD（運(yùn)用QDEF）一樣高的色域覆蓋率。
▲藍(lán)光泄漏對(duì)色域覆蓋率有顯著影
轉(zhuǎn)換層的藍(lán)光吸收與層中的量子點(diǎn)的數(shù)量直接相關(guān)。這由層的厚度和層中的量子點(diǎn)的濃度決定。如前所述，該層的厚度受制造要求的限制。
量子點(diǎn)的最大濃度受到幾個(gè)因素的限制。在非常高的濃度下，量子點(diǎn)可能聚集，這降低了量子效率。對(duì)于QD油墨配方，量子點(diǎn)的濃度對(duì)油墨的粘度具有強(qiáng)烈影響。這將影響與現(xiàn)有噴墨噴嘴，打印設(shè)備和處理技術(shù)的兼容性。由于量子點(diǎn)強(qiáng)烈吸收紫外線，因此紫外光固化油墨的固化性能也會(huì)在高量子點(diǎn)濃度下受到影響。量子點(diǎn)光刻膠也具有相同的UV固化約束。此外，高量子點(diǎn)濃度會(huì)影響光刻工藝中的其他步驟，例如顯影和可圖案化。
由于這些厚度和濃度限制，傳統(tǒng)的無(wú)Cd量子點(diǎn)難以達(dá)到必要的藍(lán)光吸收水平。一種解決方案是在量子點(diǎn)轉(zhuǎn)換層的頂部應(yīng)用簡(jiǎn)單的單色藍(lán)色吸收濾光器。雖然這可以在不顯著降低光學(xué)效率的情況下完成，但它確實(shí)引入了額外的處理步驟并因此引入了制造復(fù)雜性。為了避免必須使用額外的過(guò)濾層，優(yōu)選的解決方案是增加量子點(diǎn)本身的固有吸收。這不僅改善了色域性能，而且還具有通過(guò)需要更少量子點(diǎn)來(lái)降低顯示成本的潛力。
固有吸收是激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)之間的能態(tài)數(shù)量的函數(shù)。在450nm激發(fā)和525nm發(fā)射之間的能量間隔僅為300meV（毫電子伏特），而450nm激發(fā)和628nm發(fā)射之間的能量間隔超過(guò)700meV。因此，由于導(dǎo)帶中可用狀態(tài)的數(shù)量較少，因此增加綠點(diǎn)的固有吸收特別具有挑戰(zhàn)性。諸如修改量子點(diǎn)的核 - 殼結(jié)構(gòu)或使用基于其他元素替代的技術(shù)，已經(jīng)顯示出增加固定厚度QDCC層的藍(lán)色吸收的前景，如表2所示。
表2： 增加綠色QDCC層的相對(duì)藍(lán)色吸收的結(jié)果如下所示。
通過(guò)對(duì)無(wú)鎘量子點(diǎn)的這些額外改進(jìn)，Nanosys和合作者已經(jīng)使用光致抗蝕劑和噴墨印刷證明了圖案化的QDCC層。圖4顯示了Nanosys和墨水制造商DIC展示的具有280μm×80μm子像素的RGB打印陣列。綠色和紅色子像素包含熱固化量子點(diǎn)墨水，而藍(lán)色子像素包含散射介質(zhì)以更好地匹配發(fā)射的角度分布。
▲噴墨印刷的QDCC層結(jié)合到圖案化
轉(zhuǎn)向商業(yè)化
盡管如此，量子點(diǎn)顏色轉(zhuǎn)換層只是最終顯示中的一個(gè)組件。需要開(kāi)發(fā)輔助技術(shù)以實(shí)現(xiàn)這種新顯示平臺(tái)的全部潛力。將QDCC層應(yīng)用于LCD的一個(gè)重要挑戰(zhàn)與偏振器的配置有關(guān)。在傳統(tǒng)的LCD中，液晶層和濾色器（CF）層都夾在交叉偏振器之間。在這種配置中，偏振器可以容易地層壓到LC玻璃單元的兩側(cè)，其包圍LC和CF層。該CF層不能簡(jiǎn)單地用QDCC層代替，因?yàn)閬?lái)自量子點(diǎn)的光發(fā)射是非偏振的，因此會(huì)干擾LC切換。
在這種情況下，QDCC層必須重新定位在交叉偏振器之外。顯示操作的基本要求之一是將開(kāi)關(guān)組件盡可能靠近CF或QDCC層，以最小化光學(xué)串?dāng)_。結(jié)果，為了在LCD中使用QDCC層，需要薄的單元內(nèi)偏振器。目前正在開(kāi)發(fā)高效的單元內(nèi)偏振器，但尚未達(dá)到商業(yè)化。
對(duì)于采用QDCC技術(shù)的基于OLED的顯示器，偏振器不是問(wèn)題。然而，該設(shè)計(jì)要求所有光最初由藍(lán)色OLED發(fā)射器產(chǎn)生。目前，藍(lán)色OLED發(fā)光體在所有顏色中具有最低效率和最短壽命。雖然他們的性能水平足夠高，但是需要解決藍(lán)色OLED的效率和壽命問(wèn)題，才能被普遍運(yùn)用。
與OLED藍(lán)色發(fā)光體相比，無(wú)機(jī)LED光源效率高且穩(wěn)定性更高。因此，QDCC層和單色藍(lán)色microLED陣列的組合可以是用于顯示應(yīng)用的強(qiáng)大組合。使用QDCC層無(wú)需單獨(dú)的紅色和綠色LED來(lái)制作全彩色顯示器，這是microLED顯示器的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。雖然單色microLED陣列的挑戰(zhàn)仍然存在，但使用QDCC層有可能加速商業(yè)microLED顯示器的發(fā)展?jié)摿Α?span style="display:none">LgmLED顯示屏廠家|江蘇迷你光電有限公司
總之，量子點(diǎn)顏色轉(zhuǎn)換層可以為L(zhǎng)CD，OLED和microLED顯示器提供高效率，更好的顏色和低成本，以及每種特定技術(shù)的額外優(yōu)勢(shì)。無(wú)鎘量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性的改進(jìn)，以及工藝技術(shù)的進(jìn)步，使QDCC層非常接近商業(yè)化。面板制造商在互補(bǔ)技術(shù)方面的進(jìn)一步發(fā)展，使量子點(diǎn)顯示的新實(shí)現(xiàn)方案處于商業(yè)化的最后階段。
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