摘要：量子點(diǎn)發(fā)光分為光致和電致兩種方式，在顯示領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣泛應(yīng)用前景。文章研究了量子點(diǎn)LCD和QD-LED兩種新型顯示技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法，提出了量子點(diǎn)電視的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，給出了熊貓55吋量子點(diǎn)LCD樣機(jī)實(shí)測(cè)色域相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比量子點(diǎn)LCD與OLED，QD-LED與OLED及LCD這幾種顯示方式的主要性能展現(xiàn)了量子點(diǎn)顯示技術(shù)的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：量子點(diǎn)；QD-LED；廣色域；電致發(fā)光；光致發(fā)光；圖像顯示 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TN873 文章編號(hào)：1009-2374（2017）05-0022-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.011

1 概述

通過(guò)在GaN基藍(lán)光LED（波長(zhǎng)450～470nm）上覆蓋一層淡黃色熒光粉涂層可以產(chǎn)生白光。當(dāng)LED芯片加電后發(fā)出的藍(lán)光通過(guò)熒光涂層后會(huì)有一部分藍(lán)光被高效地轉(zhuǎn)換成具有較寬光譜（光譜中心約為580nm）的黃光。該黃光再混合LED自身的藍(lán)光后色澤呈現(xiàn)出較窄色域的白光。目前，大部分白光LED都是采用這種方式制成的。隨后又成功研制出基于有機(jī)物的電致發(fā)光顯示器件（OLED）。OLED在裝置壽命、效率以及亮度等性能上經(jīng)過(guò)重大改良后已經(jīng)步入市場(chǎng)，但存在亮度較低、壽命較短以及封裝材料昂貴的等缺點(diǎn)。

2002年，美國(guó)麻省理工大學(xué)Coe等人，首次把有機(jī)材料和高效發(fā)光的無(wú)機(jī)納米晶體相結(jié)合構(gòu)建成一種新型發(fā)光器件。量子點(diǎn)材料具有發(fā)光光譜可調(diào)、半峰全寬窄、發(fā)光效率高、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 量子點(diǎn)及量子點(diǎn)顯示

量子點(diǎn)是一種半導(dǎo)體納米晶體，在空間三個(gè)維度的尺存通常小于20nm，內(nèi)部量子限域效應(yīng)十分明顯，電子和空穴被量子限域，具有分立的能級(jí)結(jié)構(gòu)，使得量子點(diǎn)具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。受到光或電的激發(fā)后，量子點(diǎn)便會(huì)發(fā)光，量子點(diǎn)產(chǎn)生光的顏色由它的組成材料和形狀大小決定。這一特性使其能夠改變發(fā)光的顏色。以CdSe/ZnS量子點(diǎn)為例，當(dāng)發(fā)光核的尺寸從2.5nm增加到6.3nm時(shí)，對(duì)應(yīng)發(fā)射峰的波長(zhǎng)會(huì)從480nm改變到640nm，光譜顏色也會(huì)由藍(lán)色逐漸變?yōu)樯罴t色。典型的量子點(diǎn)發(fā)光頻譜波長(zhǎng)范圍如圖1所示。目前，由鋅、鎘、硒和硫等原子組合而成的量子點(diǎn)材料技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段。

量子點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單歸納如下：（1）發(fā)光的頻譜覆蓋范圍寬，從可見(jiàn)光波段延伸至紅外波段；（2）光學(xué)性能比有機(jī)材料穩(wěn)定；（3）發(fā)光的半峰全寬（FWHM）可小于20nm；（4）量子效率可達(dá)到90%；（5）與傳輸層有機(jī)材料混合后可以制作QD-LED。

目前，量子點(diǎn)在顯示技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)方式大體可分為電致發(fā)光（EL）和光致發(fā)光（PL）兩大類(lèi)，主要包括以下三個(gè)應(yīng)用方面：（1）基于光致發(fā)光特性的量子點(diǎn)背光源（QBLU）；（2）基于光致發(fā)光特性的量子點(diǎn)分色濾光器（QDCF）；（3）基于電致發(fā)光特性的量子點(diǎn)發(fā)光二極管顯示（QD-LED）。

以上三個(gè)方面的應(yīng)用在顯示性能上各具優(yōu)點(diǎn)。特別是QD-LED，可以直接做成顯示器件，制造出極薄、極輕的顯示屏，其性能將超越OLED顯示屏。

3 量子點(diǎn)LCD顯示

QBLU技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中是將藍(lán)光LED芯片結(jié)合量子點(diǎn)材料后產(chǎn)生白色背光，由此制成的液晶顯示器被稱(chēng)為量子點(diǎn)LCD。在LCD顯示器中使用量子點(diǎn)PL技術(shù)可以明顯提高圖像的彩色性能，該技術(shù)一般被稱(chēng)作第一代量子點(diǎn)顯示技術(shù)。如表1所示，量子點(diǎn)LCD與OLED顯示器相比，在圖像色彩性能以及產(chǎn)品成熟度等方面具有優(yōu)勢(shì)。

3.1 量子點(diǎn)背光源技術(shù)

量子點(diǎn)QBLU技術(shù)基于PL特性產(chǎn)生白光背光源。在外界光源激發(fā)下，量子點(diǎn)層電子吸收激發(fā)光的光子能量復(fù)合發(fā)光。這種量子點(diǎn)PL白光大致有以下兩種實(shí)現(xiàn)方案：（1）直接白光機(jī)制：指發(fā)光層中只有一種發(fā)光量子點(diǎn)，經(jīng)紫外LED芯片發(fā)出的紫外光激發(fā)后發(fā)出多種顏色的光，直接復(fù)合產(chǎn)生白光。該機(jī)制中量子點(diǎn)的發(fā)光效率較低，尚未實(shí)現(xiàn)最終應(yīng)用；（2）顏色轉(zhuǎn)換機(jī)制：一般是指用藍(lán)光激發(fā)紅、綠量子點(diǎn)后制備成白光。顏色轉(zhuǎn)換產(chǎn)生白光是由LED芯片發(fā)出的藍(lán)光部分被量子點(diǎn)吸收轉(zhuǎn)變成綠光和紅光，再利用RGB三基色配色原理與剩余藍(lán)光復(fù)合形成白光。

如圖2所示，目前在液晶顯示背光模組中通過(guò)顏色轉(zhuǎn)換方式使用QBLU技術(shù)常見(jiàn)的方法有以下三種：（1）On-Chip方式：直接將量子點(diǎn)材料放在藍(lán)色LED芯片上；（2）On-Edge方式：將量子點(diǎn)密封在細(xì)玻璃管中并安裝在背光模組導(dǎo)光板邊緣的背光入口處；（3）On-Surface方式：將中間夾有量子點(diǎn)材料的片狀薄膜加在導(dǎo)光板或擴(kuò)散板與液晶面板之間。

通過(guò)對(duì)色轉(zhuǎn)換效率、光提取效率、波長(zhǎng)利用效率等特性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，業(yè)界普遍認(rèn)為On-Surface方式最佳。圖3是美國(guó)3M公司的QDEF結(jié)構(gòu)示意圖。從該圖中可以看到，為了增加阻隔水汽和氧氣功能，QDEF雙面都貼合了透明、超薄、柔性的阻隔膜。此外，在QDEF兩面外層還增加了anti-blocking層以增強(qiáng)膜片的抗劃傷性能。圖4是使用QDEF膜片的典型的量子點(diǎn)LCD顯示器的背光模組內(nèi)部架構(gòu)示意圖。

3.2 量子點(diǎn)液晶面板

目前，在LCD顯示產(chǎn)品中，通常采用白光LED背光源+普通彩色濾光片（CF）與面板上的液晶盒配合形成彩色顯示。該方式的顯示色域范圍較窄，一般只能達(dá)到70%的NTSC。研究表明，采用波長(zhǎng)更短的藍(lán)光LED芯片或是增加CF的厚度改變色阻可以改善LCD的色域，但是與光透率之間存在著此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，受到顯示器的光學(xué)指標(biāo)和綜合成本等設(shè)計(jì)因素的限制。

使用量子點(diǎn)材料制成的彩色濾光片（QDCF），用于液晶面板可有效提升顯示圖像的色飽和度與色域。液晶面板上每個(gè)像素中具有若干個(gè)子像素（一般分為R、G、B），每個(gè)子像素對(duì)應(yīng)的區(qū)域傳輸一種顏色。在QDCF上對(duì)應(yīng)單個(gè)子像素的子區(qū)域，可以使用量子點(diǎn)材料，被激發(fā)后量子點(diǎn)材料產(chǎn)生的光譜與對(duì)應(yīng)的子像素的顏色相

一致。

以純藍(lán)LED作為背光源為例，量子點(diǎn)液晶面板的制作可以借由CF現(xiàn)有的黃光制程或結(jié)合干法蝕刻制程將含有表面修飾的紅色、綠色量子點(diǎn)的樹(shù)脂組合物制作得到具有精細(xì)圖形結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)層。用該方法實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)液晶面板制成的具體步驟如圖5所示，具有原料制備及制作工藝簡(jiǎn)單、圖形解析度高、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，縮短制程時(shí)間，降低制造成本。

盡管以上PL型量子點(diǎn)顯示技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出不俗的性能優(yōu)勢(shì)，但它們的發(fā)光機(jī)理都是基于液晶面板通過(guò)背光激發(fā)量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。它們并非是真正意義上的量子點(diǎn)顯示，僅是一種過(guò)渡方式。

4 QD-LED技術(shù)

QD-LED是將量子點(diǎn)材料作為發(fā)光層制備的一種電致發(fā)光器件，是一種真正意義上的量子點(diǎn)顯示，被稱(chēng)為第二代量子點(diǎn)顯示技術(shù)。

QD-LED內(nèi)部的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于OLED，其常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。QD-LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括陽(yáng)極、空穴注入層/傳輸層、量子點(diǎn)發(fā)光層、電子傳輸層和陰極等。其中，陽(yáng)極是由透明導(dǎo)電的電極構(gòu)成，陰極是用導(dǎo)電金屬做成，發(fā)光層是由量子點(diǎn)材料組成。QD-LED中的電子/空穴傳輸層以及空穴注入層的作用與在OLED中的也很相似。為了降低發(fā)光的閾值電壓減少能耗，QD-LED中的發(fā)光層不同于OLED，使用的是單層量子點(diǎn)。發(fā)光層使用單層結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)量子點(diǎn)沒(méi)有完美品質(zhì)的要求，允許存有一些缺陷，從而簡(jiǎn)化了QD-LED的制備工藝。

QD-LED的發(fā)光原理大致分為三個(gè)過(guò)程，即：（1）載流子注入過(guò)程；（2）載流子傳輸過(guò)程；（3）載流子復(fù)合和輻射衰減過(guò)程。目前，QD-LED發(fā)光效率已基本接近了OLED的水平，實(shí)現(xiàn)了20%以上的外量子效率，達(dá)到商業(yè)應(yīng)用水平。與OLED相比，QD-LED還具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）QD-LED的發(fā)光層單層量子點(diǎn)可以由膠體溶液制成，具有制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)；（2）量子點(diǎn)材料是無(wú)機(jī)物，它與有機(jī)材料相比，更具抗水/氧侵蝕的能力，對(duì)QD-LED的封裝要求明顯低于OLED。

QD-LED是繼LCD和OLED之后的新一代顯示技術(shù)。表2將這三種顯示技術(shù)的主要性能進(jìn)行了對(duì)比。從該表數(shù)據(jù)中不難看出：QD-LED的顯示性能不僅全面超越LCD，在色域范圍、功耗、壽命等方面也優(yōu)于OLED。

雖然QD-LED器件中傳輸層使用有機(jī)材料具有很好的光電特性，但是用無(wú)機(jī)材料取代有機(jī)材料作為傳輸層已經(jīng)成為新興的QD-LED研究趨勢(shì)，當(dāng)前的重點(diǎn)工作主要是研究使用無(wú)機(jī)材料作為傳輸層材料。這主要是因?yàn)椋海?）有機(jī)材料的缺點(diǎn)限制了QD-LED的發(fā)展，若沒(méi)有高性能的密封層，有機(jī)器件的壽命較短；（2）無(wú)機(jī)材料的性能相對(duì)于有機(jī)材料更加穩(wěn)定。

目前，韓國(guó)LG與美國(guó)QD Vision公司合作，已經(jīng)成功研制出小尺寸QD-LED有源矩陣顯示屏。韓國(guó)三星電子綜合技術(shù)院利用新概念的圖案方式成功研制出全球第一臺(tái)全彩量子點(diǎn)顯示器（4吋，分辨率為320×240）。我國(guó)中科院化學(xué)所有機(jī)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，采用具有核殼結(jié)構(gòu)的CdSe/ZnS和CdSe/CdS/ZnS量子已經(jīng)成功制備出了紅、橙、黃、綠四種顏色光的QD-LED器件。

5 量子點(diǎn)電視色域標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)量

5.1 國(guó)內(nèi)首個(gè)量子點(diǎn)電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

由中國(guó)電子視像行業(yè)協(xié)會(huì)組織熊貓、TCL、天津三星等9家單位共同制定了國(guó)內(nèi)首個(gè)量子點(diǎn)電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《量子點(diǎn)技術(shù)電視接收機(jī)色彩性能評(píng)價(jià)規(guī)范》。該規(guī)范提供了量子點(diǎn)技術(shù)電視接收機(jī)的性能評(píng)價(jià)要求。

該規(guī)范定義了量子點(diǎn)電視接收機(jī)色域覆蓋率，即在CIE1976色空間坐標(biāo)系色度圖上三基色（R、G、B）色度點(diǎn)組成的三角形色域面積S，與Rec.2020標(biāo)準(zhǔn)色域軌跡面積（0.1118）的百分比C。分別用以下公式計(jì)算三基色色域面積S及色域覆蓋率C：

該規(guī)范對(duì)量子點(diǎn)電視接收機(jī)的部分彩色性能、使用壽命和響應(yīng)時(shí)間做出了規(guī)定，具體技術(shù)要求如表3所示：

5.2 新一代廣色域視頻標(biāo)準(zhǔn)ITU-RBT.2020

2012年國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）推出了ITU-RBT.2020建議書(shū)（或稱(chēng)Rec.2020標(biāo)準(zhǔn)）以適應(yīng)超高清、高動(dòng)態(tài)顯示（HDR）技術(shù)以及顯示設(shè)備的不斷發(fā)展的需要。

Rec.2020分別定義了波長(zhǎng)為630nm、532nm和467nm的紅、綠、藍(lán)三基色作為基色標(biāo)準(zhǔn)，它幾乎可以準(zhǔn)確地顯示當(dāng)前所有推行的色域范圍的內(nèi)容。Rec.2020將色彩信號(hào)位深提升至12位，這對(duì)于影像在色彩層次與過(guò)渡方面的增強(qiáng)起到了關(guān)鍵的作用?？傊琑ec.2020規(guī)定了一個(gè)廣闊的色域范圍，已經(jīng)開(kāi)始被廣泛引用在新一代的圖像標(biāo)準(zhǔn)中。

5.3 熊貓55吋量子點(diǎn)LCD電視色域

中電熊貓?jiān)?017年美國(guó)CES展上發(fā)布了一款55吋量子點(diǎn)LCD電視。與普通LCD電視相比較，其圖像彩色性能大幅提升，色域范圍已經(jīng)超過(guò)70%的Rec.2020，接近110%的NTSC。該樣機(jī)圖像表現(xiàn)力在展會(huì)上獲得了好評(píng)。圖7是該樣機(jī)實(shí)測(cè)色域數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)NTSC對(duì)比圖，圖8是該樣機(jī)實(shí)測(cè)RGB三基色發(fā)射頻譜半峰全寬波形和數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

量子點(diǎn)顯示作為一項(xiàng)更新?lián)Q代技術(shù)，為我國(guó)顯示產(chǎn)業(yè)突破國(guó)外技術(shù)路線的專(zhuān)利封鎖，實(shí)現(xiàn)“換道超車(chē)”提供了良好的契機(jī)。我國(guó)在量子點(diǎn)顯示領(lǐng)域已取得令人鼓舞的成績(jī)，已經(jīng)開(kāi)始建立從覆蓋材料、器件結(jié)構(gòu)到生產(chǎn)工藝和裝備具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全產(chǎn)業(yè)鏈體系，增強(qiáng)了國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，為我國(guó)顯示產(chǎn)業(yè)走向世界前列奠定了

基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：劉明（1974-），男，南京中電熊貓家電有限公司研發(fā)中心高級(jí)工程師，碩士，研究方向：新一代平板顯示智能影音系統(tǒng)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）