量子點(diǎn)顯示——中國(guó)顯示行業(yè)“換道超車(chē)”的曙光

金一政， 彭笑剛

(1. 浙江大學(xué) 化學(xué)系 高新材料化學(xué)中心， 浙江 杭州 310027；2. 浙江大學(xué) 化學(xué)系 硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310027)

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量子點(diǎn)顯示
——中國(guó)顯示行業(yè)“換道超車(chē)”的曙光

金一政1,2， 彭笑剛1*

(1. 浙江大學(xué) 化學(xué)系 高新材料化學(xué)中心， 浙江 杭州 310027；2. 浙江大學(xué) 化學(xué)系 硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310027)

用量子點(diǎn)進(jìn)行顯示具有高性能、低成本等優(yōu)勢(shì).作為一項(xiàng)“顛覆性技術(shù)”，量子點(diǎn)顯示將在顯示行業(yè)掀起一場(chǎng)技術(shù)革命，為我國(guó)顯示產(chǎn)業(yè)突破國(guó)外技術(shù)和專利封鎖，占據(jù)產(chǎn)業(yè)科技制高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“換道超車(chē)”提供了良好的契機(jī).主要介紹了量子點(diǎn)發(fā)光顯示關(guān)鍵材料與器件研究的相關(guān)進(jìn)展，以及其在中國(guó)顯示行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景.

量子點(diǎn)；顯示；發(fā)光二極管；溶液加工；色純度

1 項(xiàng)目及背景

量子點(diǎn)是人類有史以來(lái)最優(yōu)秀的發(fā)光材料.量子點(diǎn)顯示將為顯示行業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)技術(shù)革命，可望實(shí)現(xiàn)高性能、低成本顯示.2016年8月，由浙江大學(xué)牽頭，納晶科技股份有限公司、TCL集團(tuán)、福州大學(xué)、東南大學(xué)、中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、中科院北京化學(xué)所、深圳市華星光電技術(shù)有限公司、武漢華星光電技術(shù)有限公司等單位共同參與的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“量子點(diǎn)發(fā)光顯示關(guān)鍵材料與器件研究”正式立項(xiàng).

溶液量子點(diǎn)是一種可溶液加工，尺寸在量子限域內(nèi)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米晶體.量子點(diǎn)具有優(yōu)異的光學(xué)特性：全光譜發(fā)光、峰位連續(xù)可調(diào)、色純度高、穩(wěn)定性好，有望成為至今為止最優(yōu)秀的發(fā)光和光電材料.第一代量子點(diǎn)顯示技術(shù)——液晶(LCD)屏中的量子點(diǎn)背光源模組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn).利用其優(yōu)異的光致發(fā)光性能，用量子點(diǎn)取代傳統(tǒng)的熒光粉，極大地提升了顯示屏的色域.量子點(diǎn)在背光源模組中的應(yīng)用表明，顯示屏色域可從72%NTSC提升至110%NTSC.這是傳統(tǒng)LCD難以企及的高度，也超越了以有機(jī)分子為發(fā)光中心的有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)屏幕.2014底，國(guó)內(nèi)電視廠商海信、TCL等宣布第一代量子點(diǎn)電視上市；2015年1月，三星在CES上宣布全新量子點(diǎn)曲面電視SUHD TV上市；2015年中期飛利浦(臺(tái)灣冠捷)推出了量子點(diǎn)電視和量子點(diǎn)顯示器.IHS數(shù)據(jù)顯示，2015年量子點(diǎn)電視銷(xiāo)量超過(guò)百萬(wàn)臺(tái).“量子點(diǎn)”已成為2014～2016年電視行業(yè)的TOP關(guān)鍵詞.

量子點(diǎn)顯示的下一發(fā)展目標(biāo)是徹底擺脫LCD屏技術(shù)路線，開(kāi)發(fā)有源矩陣量子點(diǎn)發(fā)光二極管(AM-QLED)顯示器件.這種全新的顯示技術(shù)將以QLED陣列作為高精度的紅綠藍(lán)三基色像素，即每一個(gè)像素都是一個(gè)獨(dú)立的QLED，并通過(guò)薄膜晶體管(TFT)陣列控制驅(qū)動(dòng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)高分辨的主動(dòng)發(fā)光控制.相較于背光源-LCD屏，主動(dòng)發(fā)光的AM-QLED屏在黑色表現(xiàn)、高亮度條件等場(chǎng)景下的顯示效果更加突出、功耗更小、可適應(yīng)的溫度范圍更寬廣，并可以制備色域高達(dá)NTSC130%的顯示屏，超OLED屏約NTSC90%；QLED以更為穩(wěn)定的無(wú)機(jī)晶體為發(fā)光中心，因而有潛力克服OLED穩(wěn)定性不足的缺陷.更重要的是，AM-QLED屏的加工是以低成本的溶液制程為基礎(chǔ)，而且可與柔性塑料結(jié)合，并以其為襯底，從而在提供極大自由度的同時(shí)，可降低顯示屏的成本.然而，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)路線的一些關(guān)鍵難題尚無(wú)答案，包括：對(duì)量子點(diǎn)電致激發(fā)態(tài)和合成化學(xué)之間聯(lián)系的理解不夠；藍(lán)光QLED原型器件的效率和壽命亟待提升；對(duì)采用噴墨打印工藝制備QLED陣列關(guān)鍵工藝的積累尚不足；大屏QLED顯示器件仍是空白等.

從發(fā)展歷史和趨勢(shì)看，量子點(diǎn)顯示是新材料與高科技產(chǎn)業(yè)結(jié)合的典型案例.原創(chuàng)理論往往來(lái)自于大學(xué)，新技術(shù)離不開(kāi)大學(xué)的支持.因此，各國(guó)科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界相互聯(lián)合，建立了各自的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，有MIT支持的QD Version、Berkeley支持的NnaoSys、浙江大學(xué)-納晶科技股份有限公司、韓國(guó)三星-首爾大學(xué)-韓國(guó)技術(shù)研究院等，各聯(lián)盟相互競(jìng)爭(zhēng)的局面業(yè)已形成.

2 研究進(jìn)展

彭笑剛教授發(fā)明的“綠色量子點(diǎn)合成路線”(1999～2009在Arkansas大學(xué)期間的工作)[1-2]，已成為目前量子點(diǎn)合成化學(xué)的主流技術(shù).憑借該技術(shù)可以極低的成本、極簡(jiǎn)單的設(shè)備，制得發(fā)光性能更優(yōu)、更可控的量子點(diǎn).以此技術(shù)為基礎(chǔ)，在美國(guó)成立了NN-Lab公司.2009年彭笑剛教授回國(guó)，全職加盟浙江大學(xué)，參與創(chuàng)辦了納晶科技股份有限公司.鑒于“綠色量子點(diǎn)合成路線”的關(guān)鍵專利，經(jīng)美國(guó)政府批準(zhǔn)，納晶科技洽購(gòu)了NN-Labs公司，包含與公司相關(guān)的所有專利與技術(shù).2014年，彭笑剛教授提出了“量子點(diǎn)激發(fā)態(tài)性質(zhì)的合成控制”路線.在“尺寸與形貌單分散”的基礎(chǔ)上疊加了“光學(xué)和光電性質(zhì)單分散”，其標(biāo)志性成果有：合成激發(fā)態(tài)單通道衰變、100%輻射復(fù)合、非閃爍發(fā)光的量子點(diǎn)等[3]，將溶液量子點(diǎn)合成化學(xué)推上了一個(gè)新臺(tái)階，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，極大推進(jìn)了我國(guó)在量子點(diǎn)材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展.在此基礎(chǔ)上，彭笑剛與金一政課題組合作，制備了高性能紅光量子點(diǎn)發(fā)光二極管[4]，其效率和壽命與OLED相當(dāng)，其中有些指標(biāo)如色純度、開(kāi)啟電壓、效率滾降等甚至優(yōu)于OLED(見(jiàn)圖1).該成果已入選2014年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展和“十二五”國(guó)家科技創(chuàng)新成就展.自此，在國(guó)際顯示行業(yè)掀起了一股追求QLED顯示的熱潮.2015年，彭笑剛提出“熵配體”概念[5]，從而從根本上解決了包括量子點(diǎn)在內(nèi)的無(wú)機(jī)納米晶體在常見(jiàn)有機(jī)溶劑中的低溶解度問(wèn)題.目前，浙江大學(xué)和納晶科技股份有限公司通過(guò)共建實(shí)驗(yàn)室，形成了緊密的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，并與國(guó)內(nèi)顯示業(yè)龍頭企業(yè)TCL、海信等合作，共同參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng).

圖1 溶液加工的新型絕緣層插入QLED與MIT-QD Vision QLEDFig.1 Comparing the EQE of insulator inserted new QLED device based on solution-process with MIT-QD(真空蒸鍍空穴注入層)在不同電流下的EQE(右邊縱軸).Vision QLED device(HTL with vacuum deposition)at different current densities (right ordinate).注 小點(diǎn)為其他實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的QLED的最大EQE值.

3 展望與目標(biāo)

量子點(diǎn)顯示領(lǐng)域已呈中、美、韓三強(qiáng)鼎立的局面，競(jìng)爭(zhēng)激烈，鹿死誰(shuí)手尚未可知.值得慶幸的是，我國(guó)在核心材料、原型器件以及制程方面有一定的先發(fā)優(yōu)勢(shì).

顯示行業(yè)是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè).然而，在過(guò)去的30年中，我國(guó)大陸的光電顯示技術(shù)長(zhǎng)期落后于日、韓，以及臺(tái)灣地區(qū).從早期的CRT到現(xiàn)在主流的LCD，無(wú)論是材料、設(shè)備、制程還是知識(shí)產(chǎn)權(quán)均受制于海外企業(yè).可以預(yù)計(jì)，未來(lái)5～10年將呈LCD和電致發(fā)光顯示(包括OLED和QLED)拉鋸并存的局面.目前，在OLED上韓國(guó)為第一陣營(yíng)，我國(guó)仍處于追趕的位置.

量子點(diǎn)顯示技術(shù)作為一項(xiàng)“顛覆性技術(shù)”，為我國(guó)顯示產(chǎn)業(yè)突破國(guó)外技術(shù)路線的專利封鎖，實(shí)現(xiàn)“換道超車(chē)”提供了良好的契機(jī).我們期待在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，從源頭創(chuàng)新，攻堅(jiān)克難，努力攻克量子點(diǎn)顯示的關(guān)鍵難題，建立從覆蓋材料、器件結(jié)構(gòu)到生產(chǎn)裝備和工藝的全產(chǎn)業(yè)鏈自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，增強(qiáng)我國(guó)量子點(diǎn)顯示技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能、低成本的顯示器件，為我國(guó)顯示產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“換道超車(chē)”，走在世界前列奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ).

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[3] QIN Haiyan, NIU Yuan, MENG Renyang, et al. Single-dot spectroscopy of zinc-blende CdSe/CdS core/shell nanocrystals: Nonblinking and correlation with ensemble measurements[J]. Journal of the American Chemical Society, 2014,136(1):179-187.

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[5] YANG Yu， QIN Haiyan, JIANG Maowei， et al. Entropic ligands for nanocrystals: From unexpected solution properties to outstanding processability[J]. Nano Letters, 2016,16(4):2133-2138.

JIN Yizheng1,2, PENG Xiaogang1

(1.CenterforChemistryofHigh-Performance&NovelMaterials,DepartmentofChemistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China; 2.StateKeyLaboratoryofSiliconMaterials,DepartmentofChemistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Quantum-dots based display technology-The opportunity for Chinese display industry. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2016,43(6):635-637

The use of quantum dot, the best emissive materials ever made in history, is revolutionary in display industry, which may lead to a new generation of high-performance and low-cost display devices. The development of quantum-dot based display technology in China shall make China have a leading position in the competition of next-generation display technologies. This paper mainly introduces the research progress and application prospect of the key materials and devices of quantum dot based display technology.

quantum dots; display; light-emitting diodes; solution-processed; color purity

2016-08-22.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2016YFB0401600).

金一政(1982-)，ORCID:http://orcid.org/0000-0001-6456-6773,男，博士，教授，主要從事材料化學(xué)、器件工程與器件物理研究.

*通信作者，ORCID:http://orcid:org/0000-0001-5288-9700,E-mail:xpeng@zju.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2016.06.002

TN 311+.5

B

1008-9497(2016)06-635-03