王倩 宮學(xué)源

顯示產(chǎn)品是信息時代的“交互窗口”。未來，隨著5G和人工智能等技術(shù)的普及，顯示產(chǎn)品市場規(guī)模仍將持續(xù)增長，對新型顯示技術(shù)、新型顯示材料的需求也會不斷提升。近年來，量子點顯示以其較高的色域及較為成熟的材料產(chǎn)業(yè)化能力成為新型顯示的主力軍，并在生物、新能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出較大應(yīng)用前景，成為國內(nèi)外重點關(guān)注的新材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域之一。2020年，全球電視出貨量受到新冠肺炎疫情抑制，預(yù)估年衰退5.8%，達2.052億臺。但受惠于“宅經(jīng)濟”需求發(fā)酵，量子點產(chǎn)品呈現(xiàn)逆勢增長趨勢，預(yù)計全年出貨量年增長41.8%，達827萬臺。本文將簡要介紹量子點材料技術(shù)原理及其在顯示領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢。

1 量子點顯示材料性能卓越，未來應(yīng)用前景廣闊

1.1 量子點顯示材料簡介

量子點材料于20世紀80年代被首次發(fā)現(xiàn)，Brus等人觀察到納米CdS晶粒小于其激子波爾半徑時，隨著尺寸的變化表現(xiàn)不同的發(fā)光性質(zhì)，該類材料隨后被稱為量子點。根據(jù)量子物理理論，量子點尺寸越小，能量E越大，對應(yīng)的發(fā)光波長越短（藍移），如圖1所示。

量子點的形態(tài)一般為直徑在2～20nm之間的球形或類球形，通過調(diào)控量子點的尺寸可以實現(xiàn)不同光色的發(fā)射。量子點材料主要由ⅡB—ⅥA、ⅢA—ⅤA或者ⅣA—ⅥA族元素構(gòu)成，如圖2所示。常見的量子點材料有硫化鎘（CdS）量子點、碲化鎘（CdTe）量子點、硒化鎘（CdSe）量子點、硅量子點、鍺量子點、硒化鋅（ZnSe）量子點、硫化鉛（PbS）量子點、硒化鉛（PbSe）量子點、磷化銦（InP）量子點等。量子點的發(fā)光光譜因材料的結(jié)構(gòu)、尺寸等因素而處于不同波段，如ZnS量子點發(fā)光光譜基本涵蓋紫外區(qū)，CdSe量子點發(fā)光光譜基本涵蓋可見光區(qū)域，而PbSe量子點發(fā)光光譜基本涵蓋紅外區(qū)。

目前發(fā)展時間長、比較成熟的材料是以CdSe為核心的核殼類量子點，這類量子點具有較窄的發(fā)光半峰寬（FWHM<30nm），較高的量子產(chǎn)率（>90%），良好的藍光吸收，較好對空氣以及光照穩(wěn)定性。鈣鈦礦量子點是近期研究比較熱門的材料，主要包括APbX3（A=Cs、MA，X=Cl、Br、I）等材料類型，具有優(yōu)異的發(fā)光特性，極窄的發(fā)光半峰寬（FWHM<20nm），較高的量子產(chǎn)率（>70%），優(yōu)異的藍光吸收，但在穩(wěn)定性上還需要很大提升。以上2種量子點材料雖然具有較好的發(fā)光特性，但其共同的缺點就是具有重金屬毒性（鎘、鉛），鑒于歐盟的RoHS標準限制，未來開發(fā)無鎘無鉛的量子點材料更符合環(huán)保趨勢要求。

1.2 量子點顯示材料的主要性質(zhì)

由于量子點的限域效應(yīng)，載流子在3個方向上的運動受勢壘約束，使得連續(xù)的能帶變成具有分子特性的分離能級結(jié)構(gòu)。這種分離能級結(jié)構(gòu)賦予量子點材料量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)、限域效應(yīng)、Stark效應(yīng)等性質(zhì)，并具有以下幾點獨特的光電性質(zhì)：

①發(fā)光光譜可調(diào)：通過改變量子點的化學(xué)組成和尺寸可以控制量子點的發(fā)射光譜紅移或藍移；

②光穩(wěn)定性好：量子點具有很好的光穩(wěn)定性，耐光漂白；

③檢測操作簡便：量子點可用同一激發(fā)光源對不同量子點同步多色標記，較有機熒光染料標記操作簡便，數(shù)據(jù)易分析；

④較大斯托克斯位移：量子點發(fā)射光譜與激發(fā)光譜不易重疊，熒光光譜信號易于檢測；

⑤生物相容性好：化學(xué)修飾后的量子點可進行特異性連接，細胞毒性低，可用于活體標記和檢測；

⑥熒光壽命長：量子點的熒光壽命可持續(xù)數(shù)十納秒（20～50ns），硅量子點的熒光壽命則可持續(xù)超過100μs，是有機熒光染料的數(shù)十倍。

1.3 量子點材料的應(yīng)用領(lǐng)域

量子點因具有獨特的電學(xué)性能和光學(xué)性能，在生命科學(xué)、醫(yī)療器械、顯示、光子探測器/傳感器、太陽能電池、激光器、照明（LED）解決方案、電池和儲能系統(tǒng)、晶體管等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，量子點在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可作為熒光探針輔助生物醫(yī)學(xué)研究；在顯示領(lǐng)域可作為發(fā)光材料制備量子點顯示器；在能源領(lǐng)域可作為太陽能電池材料提高光電轉(zhuǎn)換效率；現(xiàn)階段，量子點在生物醫(yī)學(xué)和顯示領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)逐漸成熟，而太陽能電池領(lǐng)域仍有待深入研究。

1.3.1 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

量子點全面具備理想的熒光探針所應(yīng)滿足得以下4點要求：足夠的穩(wěn)定性；具有水溶性；低毒或無毒，不損傷細胞；熒光強度高且檢測方便。與傳統(tǒng)熒光染料相比，更有利于研究人員開展細胞檢測。目前，量子點標記已廣泛應(yīng)用于微流控芯片免疫分析。量子點特殊的光學(xué)性質(zhì)使得它在基因組學(xué)、生物化學(xué)、細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、藥物篩選、生物大分子相互作用、蛋白質(zhì)組學(xué)等研究中有極大的應(yīng)用前景。

1.3.2 顯示領(lǐng)域

20世紀60年代以來，顯示技術(shù)的發(fā)展路徑層出不窮，分別經(jīng)歷了顯像管技術(shù)、等離子技術(shù)、液晶技術(shù)（LCD）、OLED技術(shù)、Micro LED、Mini LED及量子點背光技術(shù)（QD—LCD）等發(fā)展階段。目前，LCD電視仍為市場主流，但是已逐漸難以滿足人們對視覺效果的追求，OLED和QD—LCD成為2大主流新型顯示技術(shù)，其中QD—LCD可實現(xiàn)>100% NTSC色域，高于其他顯示器件的色彩還原力，且能能夠滿足當前用戶對電視尺寸大、超薄、超輕的要求，產(chǎn)品主要應(yīng)用于大屏幕電視領(lǐng)域。

2 量子點顯示技術(shù)嶄露頭角，研發(fā)迭代正在加速

2.1 量子點顯示技術(shù)的發(fā)展歷程

量子點顯示是量子點發(fā)展最為迅速的應(yīng)用方向。從技術(shù)的演進角度，量子點顯示技術(shù)可分為3個階段，詳見圖3。

量子點顯示的發(fā)展歷程可分為4個階段：

第1階段主要為20世紀七八十年代，量子點材料被初步發(fā)現(xiàn)并逐步開展相關(guān)研究；

第2階段20世紀90年代，研究人員將量子點首次制備成發(fā)光二極管，開啟量子點應(yīng)用研發(fā)；

第3階段為2000—2012年，量子點在多個領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)受到廣泛關(guān)注，如顯示、醫(yī)學(xué)、太陽能電池、傳感器等；

第4階段為2013年至今，量子點材料在顯示領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段，量子點背光LCD電視應(yīng)用成熟，市場占有率逐步提升，電致發(fā)光量子點（QLED）研發(fā)逐步深入。

QLED顯示是未來量子點材料的發(fā)展方向。QLED顯示與OLED類似，無需背光源和彩色濾光片即可實現(xiàn)超高色域顯示。相比于OLED材料，量子點無機材料有望實現(xiàn)更高的穩(wěn)定性、柔性及印刷顯示，QLED被顯示領(lǐng)域寄予厚望。目前，量子點顯示技術(shù)以光致發(fā)光量子點背光技術(shù)為主，電致發(fā)光量子點顯示技術(shù)仍存在研發(fā)瓶頸。

2.2 量子點材料的封裝及顯示原理

量子點顯示與OLED在工作機制上存在差異，OLED的工作機理詳見圖4（a），能量轉(zhuǎn)移發(fā)生在主體和客體之間；量子點發(fā)光的詳見工作機理圖4（b），則包括電荷的注入、傳輸、激子的形成與復(fù)合。激子是高能體系，電子處在激發(fā)態(tài)，空穴處在基態(tài)。為了更好地使激子釋放能量，需要從器件角度平衡電子和空穴。因此，量子點結(jié)構(gòu)、配體、器件結(jié)構(gòu)等因素對量子點顯示器件的性能影響重大。

液晶顯示技術(shù)以藍光LED激發(fā)黃色（或紅、綠雙色）液晶材料形成白光光源，量子點材料可替代傳統(tǒng)熒光粉應(yīng)用在液晶顯示器中。由于量子點材料較熒光粉具有更窄的發(fā)射光譜（如圖5），發(fā)出的顏色純度較高，從而達到高色域顯示。光致發(fā)光量子點顯示技術(shù)可分為量子點LED、量子點管、量子點膜和量子點彩膜型。

2.2.1 量子點LED型

量子點LED型將藍光LED芯片與紅色、綠色量子點材料聯(lián)合封裝成白光LED，這種量子點器件與傳統(tǒng)液晶顯示模組相同，量子點材料用量少，成本低，色域為82%～90% NTSC之間（如圖6）。但量子點材料容易受到藍光LED芯片的熱猝滅，量子點發(fā)光效率和壽命較低，因此該結(jié)構(gòu)信賴性仍然存在問題。

2.2.2 量子點管

量子點管是將紅、綠量子點材料封裝于玻璃管中，并由藍光LED激發(fā)量子點共同形成白光進入導(dǎo)光板。該結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化對量子點材料的密封性及熱猝滅效應(yīng)，顯示器件具有較好的穩(wěn)定性和信賴性。但由于形態(tài)固化，量子點管難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，并且存在應(yīng)用困難、成本高等特點，在市場上已逐漸被量子點膜方案替代。

2.2.3 量子點膜型

量子點膜是將量子點材料封裝進具有阻水隔氧性能的2層透明薄膜中，阻隔膜之間為量子點層，形成QDEF膜片。阻隔膜可以保護量子點層免受水氧的侵蝕，延緩量子點的猝滅，可極大提高量子點作為顯示材料的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。以紅、綠光量子點制備成使QDEF膜，并用側(cè)邊藍光LED通過導(dǎo)光板產(chǎn)生藍光面光源激發(fā)該膜發(fā)出白光（如圖8），以該結(jié)構(gòu)組裝的顯示器件色域可達110% NTSC左右。在該結(jié)構(gòu)方案中，QDEF獨立成膜，與導(dǎo)光板而非LED光源直接接觸，其溫度接近室溫，大大減少量子點的熱猝滅效應(yīng)，穩(wěn)定性顯著提高。

2.2.4 量子點彩膜型

量子點彩膜型是用紅、綠量子點材料替換液晶顯示屏中的紅綠色彩膜，藍色子像素背光直接透過，紅、綠子像素由藍光激發(fā)得到白光（如圖9）。傳統(tǒng)彩膜是以色阻材料過濾白色背光，而量子點彩膜不需要濾光，具有較高的理論光效。量子點彩膜型結(jié)構(gòu)具有較高集成度和光效，但制造工藝難度高，且需采用超薄偏光片，成本較高，短期內(nèi)較難實現(xiàn)產(chǎn)品化。

其他新型量子點背光技術(shù)還有量子點槽結(jié)構(gòu)背光技術(shù)、量子點棒技術(shù)、量子點擴散板技術(shù)、量子點網(wǎng)點微結(jié)構(gòu)技術(shù)等，這些技術(shù)各有優(yōu)勢。采用量子點膜的QD—LCD結(jié)構(gòu)方案中，僅僅需要將LCD的白光LED改為藍光LED，其他結(jié)構(gòu)微調(diào)即可實現(xiàn)。該方案升級成本低，易于產(chǎn)業(yè)化推廣，是市場應(yīng)用中最成熟的方案，已成為量子點電視封裝的主流方案。

3 量子點顯示加速普及，市場競爭漸趨激烈

在量子點相關(guān)企業(yè)和顯示廠商的積極推動下，電視生產(chǎn)商三星、TCL、海信等紛紛布局量子點電視，量子點電視在2017年加速普及。量子點電視成為高端電視新風(fēng)向，成為盡人皆知的高端創(chuàng)新顯示技術(shù)產(chǎn)品。如今越來越多新型顯示技術(shù)層出不窮，手機也多數(shù)轉(zhuǎn)為使用OLED屏幕，但量子點在電視大屏領(lǐng)域依然是三星、TCL等企業(yè)的重中之重，帶動量子點顯示產(chǎn)業(yè)鏈上下游蓬勃發(fā)展。

3.1 量子點顯示產(chǎn)業(yè)鏈

量子點顯示產(chǎn)業(yè)鏈上游主要為量子點材料和阻隔膜供應(yīng)商（如圖10），量子點材料、阻隔膜等量子點膜關(guān)鍵原材料的設(shè)計和生產(chǎn)，代表性公司Nanosys和3M；中游為量子點膜公司，通過系統(tǒng)設(shè)計量子點、量子點膠、阻隔膜的匹配設(shè)計，完成量子點光學(xué)膜的涂布和復(fù)合制模工藝及穩(wěn)定性評價，代表性公司3M、激智科技，納晶科技等；下游為終端電視廠，通過將量子點膜與電視背光組件的組裝，完成量子點電視的設(shè)計、生產(chǎn)和銷售，代表性公司三星、TCL和海信。

3.2 量子點顯示產(chǎn)業(yè)市場空間

目前，以量子點膜結(jié)構(gòu)的QD—LCD顯示技術(shù)已得到市場的廣泛接受和認可，該方案不僅擁有更好的色彩表現(xiàn)，而且相比于OLED顯示技術(shù)在成本、壽命方面具有顯著優(yōu)勢。在量子點顯示產(chǎn)業(yè)鏈上下游共同推動下，量子點電視在2017年加速普及，經(jīng)過幾年的發(fā)展，2019年量子點電視的全年銷量超過700萬臺。2020年伊始，華為、小米相繼推出首款量子點電視。集邦咨詢光電研究中心最新研究報告顯示，2020年全球電視出貨動能受到新冠肺炎疫情抑制，預(yù)估年衰退5.8%，達2.052億臺。2020年雖然疫情導(dǎo)致全球電視出貨規(guī)模縮減，但量子點產(chǎn)品則受惠于“宅經(jīng)濟”需求發(fā)酵，呈逆勢增長趨勢，量子點電視預(yù)計出貨量年增長41.8%，達827萬臺，三星銷量為530萬臺左右，占據(jù)市場主要份額。但由于量子點電視整體的市場滲透率尚不足5%，未來市場空間巨大。據(jù)HISMarkit的預(yù)測數(shù)據(jù)，2025年量子點電視出貨量將達到1.35億臺，將為量子點顯示上下游產(chǎn)業(yè)鏈如量子點膜、量子點和水汽阻隔膜和光學(xué)膜等產(chǎn)品帶來巨大增長動力。預(yù)計到2025年全球量子點膜的市場規(guī)模將提升到15億美元。

3.3 量子點顯示產(chǎn)業(yè)主要公司

2014—2015年間，三星、TCL、夏普、LG、海信等頭部顯示巨頭先后發(fā)布量子點電視，量子點技術(shù)開始進入公眾視野。目前，全球量子點市場的主要廠商包括韓國三星、LG，美國的Nanosys、QD Laser、NN—Labs和Ocean Nano Tech，以及英國的Nanoco等。

其中，三星電子在量子點領(lǐng)域具有絕對的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，擁有量子點材料、量子點膜及多種量子點電視型產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)。三星電子以高端量子點顯示產(chǎn)品定位，已成為量子點電視領(lǐng)域的老大。QD Vision是世界領(lǐng)先的先進顯示和照明解決方案的納米材料產(chǎn)品公司，在20世紀90年代就開展商業(yè)化量子點顯示材料，擁有節(jié)能環(huán)保、充分滿足下一代色彩標準的先進顯示材料。2013年，索尼（Sony）公司推出的首臺量子點電視就是應(yīng)用QD Vision的量子點管技術(shù)。2016年，QD Vision瀕臨倒閉，量子點顯示產(chǎn)業(yè)面臨較大的不確定性，三星電子緊急出手，于2016年11月決定收購QD Vision，交易價約7000萬美元，彰顯了三星在量子點顯示領(lǐng)域的決心，同時確定了三星在量子點面板技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢達到近乎壟斷的地步。三星電子2019年售出了540萬臺基于量子點的QLED電視（圖11），表現(xiàn)超過了其年度目標。三星預(yù)計2020年的銷量將翻一番，達到1000萬臺。

4 量子點顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的挑戰(zhàn)與機遇

盡管量子點顯示產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅猛，但量子點材料及量子點膜技術(shù)壁壘較高，產(chǎn)業(yè)鏈存在較多技術(shù)難點需要攻克。量子點顯示產(chǎn)業(yè)的主要挑戰(zhàn)來自于產(chǎn)業(yè)上下游仍存在的技術(shù)挑戰(zhàn)和層出不窮的新型顯示帶來的市場挑戰(zhàn)。

4.1 技術(shù)挑戰(zhàn)與機遇

目前量子點光學(xué)膜量產(chǎn)的主要技術(shù)難點在于量子點的合成、量子點光學(xué)膜的制備工藝及高阻隔膜的技術(shù)發(fā)展。由于技術(shù)壁壘的導(dǎo)致量子點膜價格居高不下，成為限制量子點顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素之一。

納米量子點材料的合成與獲取是整個量子點顯示產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)難度最高的一個環(huán)節(jié)。目前全球擁有量子點材料及應(yīng)用核心專利的公司有英國Nanoco、美國Nanosys、QD Vision、杭州納晶科技、華星光電、蘇州星爍納米、TCL集團、京東方等。由于技術(shù)壁壘較高，每家公司量子合成方法技術(shù)特點不同。國外起步較早，已有的經(jīng)典量子點材料的核心專利仍然基本上被國外壟斷。隨著我國科研和產(chǎn)業(yè)人員的研發(fā)和應(yīng)用的不斷深入，我國已在全球范圍內(nèi)建立較強的競爭力。

量子點電致發(fā)光顯示技術(shù)或?qū)⒊蔀轱@示產(chǎn)業(yè)的新戰(zhàn)場。隨著量子點技術(shù)的發(fā)展，量子點顯示必將從光致發(fā)光走向電致發(fā)光，真正成為自發(fā)光顯示的QLED。相比LCD屏，主動發(fā)光的AMQLED（主動式電致量子點發(fā)光顯示）屏在黑色表現(xiàn)、高亮度條件等場景的顯示效果更突出，功耗更小，同時規(guī)避了液晶顯示產(chǎn)品固有的漏光、可視角度差、響應(yīng)速度慢等問題。在新型顯示領(lǐng)域，無機量子點半導(dǎo)體材料有望成為相比于OLED更穩(wěn)定的長壽命材料，兼具較高色域和低成本特點。但AMQLED技術(shù)難度較高，仍處于實驗研究階段，目前尚未實現(xiàn)商業(yè)化。

4.2 市場機遇與挑戰(zhàn)

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)ζ聊伙@示需求與具增，人類社會已從“萬物互聯(lián)”到“萬物顯示”時代，新型顯示因此成為創(chuàng)新領(lǐng)域最蓬勃發(fā)展的產(chǎn)業(yè)方向之一。近年來，新型顯示技術(shù)競相發(fā)展，業(yè)界在LCD、OLED、激光顯示、MicroLED、MiniLED、量子點等技術(shù)領(lǐng)域均已積極布局，并在8K超高清、3D顯示、柔性顯示、透明顯示等方面取得了顯著進步。其中，量子點電視上市數(shù)年，經(jīng)受住廣大消費者的考驗，量子點背光技術(shù)成為目前最好的高色域解決方案。

從技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)整合的緊密程度來看，量子點陣營起步早，比OLED陣營的實力相對略勝一籌，但量子點電視的主要的威脅仍主要來自O(shè)LED電視的滲透加速。根據(jù)Omdia的市場研究報告，截至2020年9月底，全球OLED電視的累計出貨量達到1 032萬臺，首次突破1 000萬臺。OLED由于具有柔性優(yōu)勢，得到顯示產(chǎn)業(yè)的廣泛關(guān)注和大力發(fā)展，維信諾、深天馬、京東方等紛紛上馬AMOLED產(chǎn)線，隨著研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的深入，一旦OLED的良品率和燒屏問題得到良好解決，或?qū)⒂绊懥孔狱c顯示在新型顯示產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢地位。但由于顯示市場空間巨大，未來的新型顯示產(chǎn)業(yè)將呈現(xiàn)出多種技術(shù)互補的競爭格局。