一文看懂量子點顯示技術及相關量產工藝

   量子點膜

   量子點膜是目前量子點顯示商業化最成熟的產品，市面上大部分的量子點電視和顯示設備均采用量子點膜。量子點膜采用“三明治”結構，在量子點層的上下兩個表面覆蓋有水氧阻隔膜，如下圖所示。產品應用于液晶顯示屏的背光模組中，放置在導光板（或直下式中擴散板）上方，與藍光LED組合能夠產生擁有尖銳峰形的紅綠藍光源，能有效提升液晶顯示器的色域，可廣泛應用于電視、顯示器、平板和手機等終端產品。

   普通液晶顯示器采用普通白光LED作為背光源，其光譜在紅綠波段互相干擾，如下圖所示，經過濾色片后，RGB三色的半峰寬很寬，這使得液晶顯示器的色純度低，色域也偏低，一般在75%NTSC左右。

   量子點膜的基本原理是背光模組中的藍光LED發出藍光，藍光經過量子點膜時，部分藍光被量子點轉換成綠光和紅光，未被轉換的藍光和量子點發出的綠光、紅光一起組成白光，成為液晶顯示屏的光源，其光譜在紅綠藍三色的半峰寬非常窄，如下圖所示，經過濾光片后出射的R、G和B三色的半峰寬也很窄，顯示器的單色色純度非常高。

   因此，量子點色膜可以使液晶顯示屏的色域從目前的75%NTSC左右提高到*高130%NTSC。

   量子點涂布膠

   量子點薄膜的制造采用涂布的方法，先將紅色量子點和綠色量子點按照一定的比例與涂布膠混合均勻得到量子點涂布膠，然后通過大型涂布機將量子點涂布膠均勻涂布在兩片高阻隔膜的中間。因此，量子點涂布膠是整個量子點薄膜技術的核心，它與量子點薄膜的亮度、色域和耐老化性能直接相關。廈門玻爾科技在高性能量子點材料的設計、合成和批量化生產領域，是國內同業領先企業，同時結合團隊豐富的樹脂膠水配方設計經驗，根據市場需求，開發出兩類量子點涂布膠：光固化和熱固化類型，產品特性和參數如下表所示：

   1、光固化量子點涂布膠

   產品特性和參數如下：

    a、紅色量子點發射峰：625~635 nm可調，±1nm

    b、綠色量子點發射峰：525~535 nm可調，±1nm

    c、量子點材料半峰寬：26~30 nm

    d、每公斤膠水可涂面積：10㎡左右

    e、要求涂層厚度：40~80μm左右

    f、粘度：700~1500cps可調

    g、收縮率：4%

    h、固化條件：UV固化，3200mJ/cm2

    i、粘結強度：剝離力＞5 N/25mm

    j、涂布基材要求：水氧阻隔膜（WVTR要求0.01g/㎡/day）

   2、熱固化量子點涂布膠

   目前市場上，量子點薄膜的涂布膠解決方案均為UV光固化方案，由于UV光固化膠中光引發劑與量子點的兼容性很差，使得量子點在此種涂布膠中的最大分散量很低，為了能夠將足夠的藍光轉化為紅光和綠光，必須提高量子點薄膜中量子點涂層的厚度，厚度一般為80~100微米左右。由于采用UV光固化方案的量子點薄膜生產流程為涂布——復合——UV光固化，與一般光學膜的涂布流程不同，所以光學膜生產廠商需要對原有設備進行改造或者重新訂購設備，阻力較大。

   玻爾科技針對光學膜生產廠商的要求，開發出熱固化解決方案，該方案的生產流程為涂布——固化——復合，因此光學膜生產廠家無須新購設備，即可迅速切入量子點薄膜市場。該解決方案采用熱固化膠作為量子點材料的分散膠，可以極大提高量子點在膠水中的最大分散量，因此可以將薄膜的厚度降低到僅18微米，因此也非常有利于生產適用于手機的超薄量子點薄膜（總厚度小于70微米厚度）。

   產品特點和參數如下：

    a、紅色量子點發射峰：625~635 nm可調，±1 nm

    b、綠色量子點發射峰：525~535 nm可調，±1 nm

    c、量子點材料半峰寬：26~30 nm

    d、每公斤膠水可涂面積：10 ㎡左右

    e、要求涂層厚度：18~30 μm

    f、涂布膠固含：30%左右

    g、固化條件：110℃，3 min

    h、粘度：250~300 cps

    i、粘接強度：剝離力＞5 N/25mm

    j、涂布基材要求：水氧阻隔膜（WVTR要求0.01g/㎡/day）

   量子點尺寸連續可調，可實現藍色到綠色、到黃色、到橙色、到紅色的發射，色彩精準而且純凈。其色彩效果如果按照*高的BT．2020標準算，蘋果手機也只有50％左右，既有一半的顏色顯示不出來，但量子點可以做到100％的色域。對應于超高清藍光標準高色域的要求遙，量子點顯示有能力還原我們所能感知的所有顏色

   量子點光刻膠

   量子點顯示應用的*新發展之一是QD彩色濾光片（QDCF），其中量子點粒子被分散在光刻膠中，然后被圖案化以替換子像素中的有色染料。量子點彩色濾光片中的每個像素點由3個次像素點構成，分別噴墨印刷上紅色量子點、綠色量子點和擴散粒子。基本原理如圖所示，在藍背光的激發下，量子點彩色濾光片可發出色純度非常高的三原色，從而提升顯示色域。與傳統濾色器模型的不同之處在于量子點的作用類似于有源元件，QDCF在轉換通過它的光，而不是阻擋光。

   QDCF方法有以下好處：

   （1）更寬的視角，因為QD被放置得更靠近屏幕并且它們在所有方向上發光

   （2）更廣泛的色域，因為量子點發出純凈的可調光

   （3）更薄的顯示，因為QDCF面板的組件更少

   （4）而且顯示效率提高約50％，這是因為量子點比傳統的彩色濾光片通過更多的光。

   量子點彩色濾光片需要進行圖案化，實現方法有有兩種：光刻工藝和噴墨打印工藝。每種方法都有其優點和缺點。光刻可以產生比噴墨打印小得多的圖案，可以小到5微米，而噴墨打印能實現的最小圖案為50微米。但是，噴墨打印也有好處，在材料利用方面更有效。對于這兩種工藝，量子點都需要與工藝過程兼容。這意味著必須將量子點配制成光刻膠或墨水溶液。這些材料必須在空氣中穩定，才能利用現有的制造設備生產。而且也要求它們在這兩種工藝中所涉及到的各種熱處理和化學處理步驟中，也必須是穩定的。這對量子點的穩定性提出了更高的要求。

   我司開發成功的量子點光刻膠的性能參數如下：

   客戶使用我司量子點光刻膠制備的量子點像素點如下圖所示。

   量子點顯示方案

   什么是量子點顯示？

   量子點（QD）顯示器是使用熒光半導體納米晶體（也稱為量子點）作為面板架構的一部分來產生單色光以提供可調原色并提高屏幕效率和性能的裝置。

   這可以通過兩種基本方式實現：

    1、光致發光（PL）-其中量子點由光源激活，例如在LED背光液晶顯示器中，量子點由藍背光激活。

    2、電致發光（EL）-其中量子點嵌入每個像素中并通過電流激活和控制。

   量子點顯示器提供一系列優勢，包括：

    （1）高動態范圍（HDR）支持，因為它們具有高峰值亮度特性

    （2）由于出色的色彩飽和度和寬色域輸出，能夠實現最接近BT 2020色彩空間

    （3）低功耗和提高效率

    （4）能夠最大化色彩體積和對比度，以獲得*佳觀看體驗

   I.光致發光QD顯示器（QD-PL）

   現在流行的技術在其光致發光（PL）模式，QD粒子的光發射由LED背光觸發。這些顯示器稱為QD-PL型顯示器。

   有許多方法可以實現量子點光致發光QD-PL：

   1.芯片內部（in-chip）

   2.芯片上面（on-chip）

   3.表面（on-panel or on-surface）

    a、量子點薄膜（QDEF）

    b、量子點玻璃導光板（QDOG）

   4.面板內部（in-panel）

    即量子點彩色濾光片（QDCF）

   1、芯片內部（QD in-chip）

   QD技術最初的應用方法之一是將量子點嵌入芯片中。該技術從未投入量產，因為量子點距離LED芯片太近，會暴露在超過200oC的高溫下，這直接影響QD的穩定性和可靠性。雖然芯片內方法是最經濟高效的，但高溫會損害量子點的性能。一些公司在研發耐高溫的QD技術，可承受高達260oC的溫度，目標是征服照明業。這種方案的另一個挑戰是容易被水和濕氣損壞的量子點與樹脂之間的相容性，相容性不好會導致所謂的中毒效應和QD聚集。

   2、芯片上面（QD on-chip）

   在顯示面板內安排量子點的另一種方法是在芯片上，其中QD被放置在圓柱形QD-聚合物復合材料中 - 被稱為“量子軌” 。在這種情況下，即使采用封裝工藝和背光重新設計，量子點仍然太靠近熱源以維持性能。QD在此位置仍距離LED封裝太近，溫度可達到100oC。索尼在其2013年推出的QD電視中使用了這項技術。產品在第二年就被召回了，很可能是因為耐熱性差。

圖片來源：三星顯示器公司

   3、表面（on-panel or on-surface）

   a、量子點薄膜（QDEF）

   當前市面上大部分QD電視都使用量子點薄膜（QDEF）。量子點薄膜是三明治結構，上下兩層為水氧阻隔膜，中間為量子點聚合物薄膜。量子點薄膜放置在導光板上面，從而遠離LED封裝，讓QD所處的環境溫度下降。量子點薄膜里面包含紅色和綠色QD，其原理為背光模組中的藍光LED發出藍光，藍光經過量子點薄膜時，一部分藍光被紅色量子點轉換成紅光，一部分藍光被綠色量子點轉換成綠光，未被轉換的藍光和量子點發出的綠光、紅光一起組成白光，成為液晶顯示屏的背光源。

   通過將QD顆粒放置遠離光源，消除了熱暴露的風險。然而，這種方法需要大量的量子點顆粒，這決定了相對高的制造成本。

   b、量子點玻璃導光板（QDOG）

   量子點玻璃導光板是在玻璃光導板的表面涂布量子點聚合物涂層。這種方案不僅提供了QDEF的優點，同時避免了設計間隙，可以實現厚度小于5 mm的。QDOG方案雖然省去了兩張價格昂貴的水氧阻隔膜，但是增加了價格昂貴的玻璃導光板，目前的成本較QDEF高。

圖片來源：三星顯示器公司

   4、面板內部（in-panel）

   量子點彩色濾光片（QDCF）

   量子點顯示應用的*新發展之一是QD彩色濾光片（QDCF），其中量子點粒子被分散在光刻膠中，然后被圖案化以替換子像素中的有色染料。量子點彩色濾光片中的每個像素點由3個次像素點構成，分別噴墨印刷上紅色量子點、綠色量子點和擴散粒子?；驹砣鐖D所示，在藍背光的激發下，量子點彩色濾光片可發出色純度非常高的三原色，從而提升顯示色域。與傳統濾色器模型的不同之處在于量子點的作用類似于有源元件，QDCF在轉換通過它的光，而不是阻擋光。

   QDCF方法有以下好處：

    a、更寬的視角，因為QD被放置得更靠近屏幕并且它們在所有方向上發光

    b、更廣泛的色域，因為量子點發出純凈的可調光

    c、更薄的顯示，因為QDCF面板的組件更少

    d、而且顯示效率提高約50％，這是因為量子點比傳統的彩色濾光片通過更多的光。

   II.電致發光QD顯示器（QD-EL）

   量子點利用的電致發光方法是基于每個像素中的量子點，通過電流使其發光。這些顯示器稱為QD-EL型顯示器。

圖片來源：三星顯示器公司

   當采用這種電致發光機制時，量子點材料被放置在陽極和陰極之間，每個子像素包含紅色，綠色和藍色QD。

圖片來源：三星顯示器公司

   這種方法提供了很多好處：

    a、非常寬的色域 - 因為量子點在窄光譜中發光并且可以很好地調節

    b、高對比度 - 因為每個像素都可以獨立控制

    c、低功耗時的高亮度 - 無需背光，無液晶層，無需濾色器

    d、超高分辨率

    e、不會燒屏，因為沒有用有機材料

    f、設計靈活性 - 由于沒有背光，這種機制使該技術可用于靈活，可折疊，可卷曲和透明的顯示器

    g、與OLED相比，制造成本更低 - QD的圖案化使用噴墨印刷的設備，而不是使用昂貴且緩慢的蒸發設備

   不過這項新技術帶來了一系列挑戰，要實現這種方案還需要較長一段時間。

   總而言之，以下是量子點技術的路線圖：

圖片來源：三星顯示器公司

   目前采用量子點膜技術的光致發光技術是目前量子點顯示中成熟可靠的技術。傳統LCD顯示屏只要將背光中白色LED光源更換為藍色LED光源和添加上一層納米量子點的薄膜就可以達到卓越的色彩表達能力。

   總的來說，量子點顯示技術的優勢可以概括為“高、純、久”三大方面?！案摺本褪巧蚋撸蚋采w率達110％NTSC；“純”就是顏色純，色彩純凈度比普通LED提升約58．3％，精準呈現大自然色彩；“久”就是色彩久，穩定的無機納米材料的量子點能夠保證色彩恒久不褪色，色彩持久穩定可達60000小時。

   由于量子點粒徑在1~10nm之間，比表面積非常大，氧氣和水汽容易對量子點表面產生破壞，導致熒光猝滅，因此量子點薄膜需要采用兩層高阻隔膜和特殊高分子聚合材料包裹量子點以形成三明治結構，量子點膜是由PET原膜，量子點層，隔氧阻水的阻隔層以及納米微結構表層材料組成的多層復合材料。

   量子點薄膜結構顯示出最外層是具有光學微納結構的表層，它具有減少牛頓環的支撐作用和增加藍光折返路徑以及均光的三重作用，上下兩層PET是基材層。PET基材內側有隔氧阻水的SiO2涂層。中間的量子點材料層由量子點、高分子聚合物以及其他配方料組成。量子點薄膜有個其他光學膜沒有的特殊指標---無效邊際，主要是量子點薄膜層在自由空氣中隨著時間的推移索產生的量子點發光失效，該指標在今天強調超窄邊框的大環境下有著特殊意義。量子點薄膜在經過雙85環測超過500小時的情況下，無效邊際仍然小于0.2mm，它對于未來手機上的無邊框設計具有重大意義。

   量子點顯示應用中，原本背光模組里的白光LED換成藍光LED，并沒有藍光量子點，一切的關鍵都在紅光、綠光量子點上。量子點使用約2/3的藍光產生紅光和綠光。

   為了使量子點顯示器達到各個性能指標，更準確的呈現所表現的色彩，充分發揮量子點顯示的優勢，就需要對量子點層做精細的配方工作，來配合不同機種中的藍色背光模組和液晶panel，以使整體量子點顯示屏達到合適的色坐標。同時量子點層的厚度均勻度也是影響量子點顯示效果的關鍵指標，所以量子點層厚度的控制就顯得非常重要了。

   在量子點膜生產中要保持量子點本身不受外界條件的破壞，保持原有的熒光效率和穩定性，利用阻隔膜生產三明治結構的量子點膜就成為現實條件下的唯*選擇。

   量子點材料由于其特殊的性能對水汽和氧氣的敏感性，從而不得不采用高阻隔薄膜進行結構性封裝，在涂布時不僅要考慮涂層厚度的控制，還要考慮復合成三明治結構以后的總厚度。目前量子點薄膜涂層厚度一般在50-100um左右，這種比較大的涂布量可以采用逗號、輥涂和狹縫等幾種方式。

   逗號涂布，在目前國內加工工藝基礎上針對600mm以下尺寸，刮刀的精度可以保證在1-2um左右，放大到大尺寸量子點薄膜的65英寸需求，在1500mm寬度上的不均勻度會達到5-10um的誤差，這個厚度差會直接影響到色坐標XY的值超出標準范圍，對于客戶要求色坐標誤差不得大于0.5%的公差來說還是太大了。另外量子點膠水易于結塊和沉淀，逗號涂布很難處理掉異物和縱向拉絲的問題。

   同樣，輥涂方式也存在多種致命的問題。

   比較理想的涂布方式是狹縫涂布。狹縫涂布是其操作原理是將流體以一定量泵打入一能將流體均勻展開的模具。它是一個封閉的系統，其次它是通過精密計量泵來對涂布材料進行預先計量。正是基于這兩點，狹縫涂布方式具有其他涂布所不具備的一些優勢：涂層重量和整體分布更均勻；易于在厚涂層和薄涂層工藝間切換；最大限度地減少了揮發性排放、涂層污染、原料浪費，以及工作場所混亂程度。

   由于涂布精度高，擠出量可以通過精密計量泵體的動力馬達轉速控制，實現一個閉環回路。在系統張力恒定的情況下，狹縫涂布頭的送膠電機的轉速是量子點膜厚度的函數。通過在線實時檢測量子點膜厚度，經過相關計算，反饋到狹縫涂布頭的送膠電機，通過改變送膠電機轉速，可以精確控制量子點膜厚度。

   量子點膜生產路線圖：

   在兩層膜之間灌夾量子點材料聚合物膠時采用狹縫涂布頭。

   在兩層薄膜阻隔層之間涂布具有量子點材料聚合物涂料的時候，在保持膠粘度不變的情況下，涂膠量的大小直接影響最終量子點膜的厚度。通過在線測量特征部位處量子點膜的厚度，反饋到涂膠量，可以建立厚度和涂膠量的閉環響應，從而精確控制量子點膜的厚度。

   控制送膠電機轉速即可控制流經狹縫涂布頭的膠量，進一步精確控制量子點膜厚度

   最終產品分段做整長度測量結果統計：（表）

   從數據分析，厚度在長度方向有按間隔狀均勻性分布，總體厚度誤差+/- 2um @ 總厚300 um，以及±1um @ 75um，色坐標偏差小于0.2%。

   綜上所述，除了具備精密紫外成型設備的制造基礎，再結合精密涂布經驗，采用狹縫涂布技術和在線厚度測量閉環反饋技術，有效控制量子點涂層厚度，達到量子點膜的均一性指標達到國際先進水平。另外在光學微納結構設計上，通過薄膜表面結構達到增加光線的折返以提高量子點的激發效率，可以更好的提升光效等各項功能指標。