在談*新前沿之前，我們先來回顧一些歷史……

2013年發布的Kindle Fire HDX平板電腦將顯示器行業引入量子點增強膜（QDEF），這是量子點在顯示器中的首批商業用途之一。

兩年后，在2015年，三星將首款采用無鎘量子點增強膜的顯示器帶入了高端電視市場。

從那時起，量子點技術已穩步進入主流市場，目前世界上大多數頂級顯示器制造商都有數十種相關產品可供購買。因此，消費者現在可以購買采用量子點技術增強的液晶電視，其成本僅為同等尺寸OLED電視的一半。

除電視外，顯示器現在還采用量子點增強膜制作，其中包括三星，宏碁和華碩等多款針對游戲和創意專業市場的型號。現在顯示器行業已接受了使用QDEF，特別是在主流電視和監視器產品上，新的量子點技術實現方式正準備進一步提高顯示器的性能和質量。

量子點是微小的半導體粒子，其發射的光具有窄的光譜形狀并且波長取決于它們的尺寸。這兩個特性使量子點成為顯示器的理想材料。與顯示器的其他發光技術相比，量子點能夠提供更大范圍的純色。正是這個原因使顯示器能夠再現更大的色域。

例如，通過藍光和流媒體錄制和控制的UltraHD內容依賴于BT.2020色域標準。這種新的顏色規格旨在捕捉自然界中99％以上的顏色，以獲得真實逼真的圖像。目前，大多數顯示器采用基于磷光體的白色LED，并依靠濾色器為RGB子像素創建三種原色：紅色，綠色和藍色。

然而，即使在過濾之后，這些磷光體也具有有限的波長可調性和相對寬的光譜分布。因此，許多廣告宣傳為具有寬色域的顯示器實現了不到80％的BT.2020覆蓋率。盡管OLED顯示器與傳統LCD相比具有更好的色純度，但僅限于較小的色域，例如DCI-P3，因為OLED材料的發射光譜對于高BT.2020色域覆蓋仍然太寬。另一方面，量子點具有獨特的波長可調性和色純度，使其能夠提供超過90％的BT.2020 UltraHD顏色標準（見下圖）。

▲當前顯示技術的色域覆蓋率圖表

QDEF，鎘和無鎘QD

量子點如果沒有其他屬性，如效率，穩定性和制造可擴展性，那僅僅是實驗室的新奇事物。此外，如果要廣泛采用量子點，則需要將量子點容易地集成到當前的制造操作中，而且需要對顯示系統設計的影響最小。為此，Nanosys與主要顯示器制造商密切合作，開發上述QDEF，這是一種具有薄量子點層的光學薄膜，這是一種簡單的「插入式」產品，不需要任何線路改裝或制造工藝變更。

QDEF設計用于替代LCD背光中現有的擴散膜，將紅色和綠色量子點結合在一個薄的半透明薄片中。當被來自藍色LED的光激發時，量子點發出綠色和紅色波長的光。這種綠色和紅色光與藍色LED燈的一部分相結合，提供由高度飽和的紅色，綠色和藍色光組成的白光。

結合到消費者顯示器中的第*種量子點是基于元素鎘的。當時，這種是唯*具有所需效率和穩定性的量子點。由于鎘是有害物質（RoHS指令約束的物質），許多制造商都在猶豫要不要使用量子點。因此研究人員在改善無鎘量子點的性質方面，做了廣泛工作。然而，無鎘量子點的發射光譜比鎘基點的發射光譜寬，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。無鎘和無鎘量子點的高量子產率使得光學效率高。此外，與其他磷光體或OLED技術相比，Nanosys無鎘量子點的窄發射光譜已經提供了更大的BT.2020色域覆蓋率。

表1：  來自Nanosys的生產級量子點（鎘基和無鎘）的顏色和量子產率的性質如下所示。BT.2020色域覆蓋范圍適用于使用QDEF的LCD。

持續改進穩定性使QDEF可用于更高亮度的顯示器。這極大地改善了QDEF增強型LCD上顯示的高動態范圍（HDR）內容的效果。此外，還可以利用這些穩定性改進減少對水氧阻隔的需求，從而降低量子點實施的成本。

基于商業顯示器廠家已驗證通過的量子點性能，Nanosys和Hansol Chemical等量子點制造商已經擴大了生產足夠量子點的能力，以供應數百萬平方米的顯示面積。根據顯示器制造商的需要，發射波長也可以在綠色和紅色的寬波長范圍內做到單納米精度調節。

量子點的新實現方案

盡管通過QDEF使用量子點實現了QD的色彩性能，但是這些顯示器仍然依賴于傳統的LCD模塊，這些模塊本質上是低效的。所有LCD背光都會產生白光，然后進行過濾以創建紅色，綠色和藍色子像素。量子點有助于優化該系統，通過僅產生背光中顯示器所需的紅色，綠色和藍色光來減少浪費。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，可以使用量子點顯示的新實現方案：量子點顏色轉換層（QDCC）。由于量子點如此之小，致密的薄層量子點可以取代傳統LCD模塊中的濾色器，并在圖像的平面上產生光。

與傳統LCD的白光相反，在這種裝置中，背光僅提供藍光。藍色子像素可以簡單地以最小的損耗通過藍光。綠色和紅色子像素各自具有一層量子點而不是吸收濾色器，吸收藍光并分別將其下轉換為綠光和紅光。每個綠色和紅色子像素不僅僅發射所需的顏色（并因此為顯示器提供初級的飽和色），每個子像素的光通量原則上可以比常規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，因為QDCC層產生的光位于顯示器的前面。

雖然效益顯著，但將QDCC層結合到LCD中會帶來一些復雜性。由于從QDCC層發射的光是非偏振的和各向同性的，這需要改變LCD模塊的結構。傳統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」移動。此外，穿過藍色子像素的藍光將需要某種形式的散射，否則會有角度色移。最后，在綠色或紅色子像素中泄漏的任何藍光都會使色點飽和，因此QDCC層需要吸收100％的藍色激發光。

QDCC層不限于LCD。它們還可用于在單色藍色OLED或microLED陣列上創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像素控制的優點，同時僅需要單色發射器層，這極大地簡化了制造過程。這種新型混合顯示器將電致發光（完美黑色和寬視角）的優勢與無機發射器相結合，實現高亮度，飽和色彩，穩定性和低成本。

▲QDCC層可以結合到LCD中，如頂行所示，并結合到OLED或microLED顯示器中，如底行所示。

新挑戰

為了使QDCC層成為可行的顯示技術，它們必須具有幾個額外的光學和物理特性。作為LCD面板中的濾色器替代品，QDCC層必須薄到大約6到10微米才能與當前的LCD技術兼容。雖然使用帶有OLED或microLED陣列的QDCC可以支持更厚的層，但優選保持QDCC薄。正如我們將在下一節中看到的，薄涂層的要求對量子點的必要光學性質具有深遠的影響。

在所有格式中，QDCC層必須被圖案化。這可以通過光刻工藝或通過噴墨印刷來完成。每種方法都有其優點和缺點。光刻技術可以產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。對于這兩種情況，量子點都需要與過程兼容。

這意味著必須將量子點配制成光致抗蝕劑或墨水溶液。這些材料必須在空氣中穩定，以利用現有的制造設備。在不用于制造QDEF的各種熱處理和化學處理步驟中，它們也必須是穩定的。這對量子點提出了更嚴格的穩定性要求。最后，為了符合RoHS限制要求(系統的任何均勻層含有少于百萬分之100的鎘)，QDCC層必須由完全無鎘的量子點制成。

就光學性質而言，QDCC層必須產生有效的，高度飽和的光輸出。由于量子點自吸收它們發射的一部分光，因此高濃度QDCC層中的再吸收損失降低了整個層的光學效率。因此，量子點的內在量子產率是關鍵的。

實現純色的另一個要求是QDCC層吸收所有激發光。利用優化的峰值發射波長，如果所有藍色激發光被吸收，具有QDCC層的顯示器可以實現大于95％的BT.2020色域覆蓋。然而，1％的藍光通過每個轉換層泄漏，BT.2020色域覆蓋率約為86％（見下圖）。這種色點的去飽和對于紅色轉換層尤其明顯。盡管綠色轉換層可以承受更多的藍光泄漏，同時保持高色彩飽和度，但使用QDCC層的顯示器的藍光泄漏仍然必須低于1％，以實現至少與傳統LCD（運用QDEF）一樣高的色域覆蓋率。

▲藍光泄漏對色域覆蓋率有顯著影

轉換層的藍光吸收與層中的量子點的數量直接相關。這由層的厚度和層中的量子點的濃度決定。如前所述，該層的厚度受制造要求的限制。

量子點的最大濃度受到幾個因素的限制。在非常高的濃度下，量子點可能聚集，這降低了量子效率。對于QD油墨配方，量子點的濃度對油墨的粘度具有強烈影響。這將影響與現有噴墨噴嘴，打印設備和處理技術的兼容性。由于量子點強烈吸收紫外線，因此紫外光固化油墨的固化性能也會在高量子點濃度下受到影響。量子點光刻膠也具有相同的UV固化約束。此外，高量子點濃度會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，傳統的無Cd量子點難以達到必要的藍光吸收水平。一種解決方案是在量子點轉換層的頂部應用簡單的單色藍色吸收濾光器。雖然這可以在不顯著降低光學效率的情況下完成，但它確實引入了額外的處理步驟并因此引入了制造復雜性。為了避免必須使用額外的過濾層，優選的解決方案是增加量子點本身的固有吸收。這不僅改善了色域性能，而且還具有通過需要更少量子點來降低顯示成本的潛力。

固有吸收是激發和發射波長之間的能態數量的函數。在450nm激發和525nm發射之間的能量間隔僅為300meV（毫電子伏特），而450nm激發和628nm發射之間的能量間隔超過700meV。因此，由于導帶中可用狀態的數量較少，因此增加綠點的固有吸收特別具有挑戰性。諸如修改量子點的核 - 殼結構或使用基于其他元素替代的技術，已經顯示出增加固定厚度QDCC層的藍色吸收的前景，如表2所示。

表2：  增加綠色QDCC層的相對藍色吸收的結果如下所示。

通過對無鎘量子點的這些額外改進，Nanosys和合作者已經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墨水，而藍色子像素包含散射介質以更好地匹配發射的角度分布。

▲噴墨印刷的QDCC層結合到圖案化

轉向商業化

盡管如此，量子點顏色轉換層只是最終顯示中的一個組件。需要開發輔助技術以實現這種新顯示平臺的全部潛力。將QDCC層應用于LCD的一個重要挑戰與偏振器的配置有關。在傳統的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，其包圍LC和CF層。該CF層不能簡單地用QDCC層代替，因為來自量子點的光發射是非偏振的，因此會干擾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關組件盡可能靠近CF或QDCC層，以最小化光學串擾。結果，為了在LCD中使用QDCC層，需要薄的單元內偏振器。目前正在開發高效的單元內偏振器，但尚未達到商業化。

對于采用QDCC技術的基于OLED的顯示器，偏振器不是問題。然而，該設計要求所有光最初由藍色OLED發射器產生。目前，藍色OLED發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，但是需要解決藍色OLED的效率和壽命問題，才能被普遍運用。

與OLED藍色發光體相比，無機LED光源效率高且穩定性更高。因此，QDCC層和單色藍色microLED陣列的組合可以是用于顯示應用的強大組合。使用QDCC層無需單獨的紅色和綠色LED來制作全彩色顯示器，這是microLED顯示器的主要技術挑戰之一。雖然單色microLED陣列的挑戰仍然存在，但使用QDCC層有可能加速商業microLED顯示器的發展潛力。

總之，量子點顏色轉換層可以為LCD，OLED和microLED顯示器提供高效率，更好的顏色和低成本，以及每種特定技術的額外優勢。無鎘量子點的光學性質和穩定性的改進，以及工藝技術的進步，使QDCC層非常接近商業化。面板制造商在互補技術方面的進一步發展，使量子點顯示的新實現方案處于商業化的最后階段。

責編：鄧蕊玲