量子點圖像顯示關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)

摘要：量子點發(fā)光分為光致和電致兩種方式，在顯示領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢和廣泛應(yīng)用前景。文章研究了量子點LCD和QD-LED兩種新型顯示技術(shù)和實現(xiàn)方法，提出了量子點電視的相關(guān)技術(shù)標準，給出了熊貓55吋量子點LCD樣機實測色域相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對比量子點LCD與OLED，QD-LED與OLED及LCD這幾種顯示方式的主要性能展現(xiàn)了量子點顯示技術(shù)的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：量子點；QD-LED；廣色域；電致發(fā)光；光致發(fā)光；圖像顯示 文獻標識碼：A

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

1 概述

通過在GaN基藍光LED（波長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)出的藍光通過熒光涂層后會有一部分藍光被高效地轉(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)過重大改良后已經(jīng)步入市場，但存在亮度較低、壽命較短以及封裝材料昂貴的等缺點。

2002年，美國麻省理工大學(xué)Coe等人，首次把有機材料和高效發(fā)光的無機納米晶體相結(jié)合構(gòu)建成一種新型發(fā)光器件。量子點材料具有發(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。

2 量子點及量子點顯示

量子點是一種半導(dǎo)體納米晶體，在空間三個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，具有分立的能級結(jié)構(gòu)，使得量子點具有獨特的光學(xué)性質(zhì)。受到光或電的激發(fā)后，量子點便會發(fā)光，量子點產(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量子點為例，當(dāng)發(fā)光核的尺寸從2.5nm增加到6.3nm時，對應(yīng)發(fā)射峰的波長會從480nm改變到640nm，光譜顏色也會由藍色逐漸變?yōu)樯罴t色。典型的量子點發(fā)光頻譜波長范圍如圖1所示。目前，由鋅、鎘、硒和硫等原子組合而成的量子點材料技術(shù)已經(jīng)進入應(yīng)用階段。

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

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

以上三個方面的應(yīng)用在顯示性能上各具優(yōu)點。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LCD顯示

QBLU技術(shù)在實際應(yīng)用中是將藍光LED芯片結(jié)合量子點材料后產(chǎn)生白色背光，由此制成的液晶顯示器被稱為量子點LCD。在LCD顯示器中使用量子點PL技術(shù)可以明顯提高圖像的彩色性能，該技術(shù)一般被稱作第一代量子點顯示技術(shù)。如表1所示，量子點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。

3.1 量子點背光源技術(shù)

量子點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PL白光大致有以下兩種實現(xiàn)方案：（1）直接白光機制：指發(fā)光層中只有一種發(fā)光量子點，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。該機制中量子點的發(fā)光效率較低，尚未實現(xiàn)最終應(yīng)用；（2）顏色轉(zhuǎn)換機制：一般是指用藍光激發(fā)紅、綠量子點后制備成白光。顏色轉(zhuǎn)換產(chǎn)生白光是由LED芯片發(fā)出的藍光部分被量子點吸收轉(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顏色轉(zhuǎn)換方式使用QBLU技術(shù)常見的方法有以下三種：（1）On-Chip方式：直接將量子點材料放在藍色LED芯片上；（2）On-Edge方式：將量子點密封在細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：將中間夾有量子點材料的片狀薄膜加在導(dǎo)光板或擴散板與液晶面板之間。

通過對色轉(zhuǎn)換效率、光提取效率、波長利用效率等特性指標進行評價，業(yè)界普遍認為On-Surface方式最佳。圖3是美國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層以增強膜片的抗劃傷性能。圖4是使用QDEF膜片的典型的量子點LCD顯示器的背光模組內(nèi)部架構(gòu)示意圖。

3.2 量子點液晶面板

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，一般只能達到70%的NTSC。研究表明，采用波長更短的藍光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的關(guān)系，受到顯示器的光學(xué)指標和綜合成本等設(shè)計因素的限制。

使用量子點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。液晶面板上每個像素中具有若干個子像素（一般分為R、G、B），每個子像素對應(yīng)的區(qū)域傳輸一種顏色。在QDCF上對應(yīng)單個子像素的子區(qū)域，可以使用量子點材料，被激發(fā)后量子點材料產(chǎn)生的光譜與對應(yīng)的子像素的顏色相

一致。

以純藍LED作為背光源為例，量子點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、綠色量子點的樹脂組合物制作得到具有精細圖形結(jié)構(gòu)的量子點層。用該方法實現(xiàn)量子點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單、圖形解析度高、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點，縮短制程時間，降低制造成本。

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

4 QD-LED技術(shù)

QD-LED是將量子點材料作為發(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顯示，被稱為第二代量子點顯示技術(shù)。

QD-LED內(nèi)部的結(jié)構(gòu)類似于OLED，其常見的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。QD-LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括陽極、空穴注入層/傳輸層、量子點發(fā)光層、電子傳輸層和陰極等。其中，陽極是由透明導(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。發(fā)光層使用單層結(jié)構(gòu)時對量子點沒有完美品質(zhì)的要求，允許存有一些缺陷，從而簡化了QD-LED的制備工藝。

QD-LED的發(fā)光原理大致分為三個過程，即：（1）載流子注入過程；（2）載流子傳輸過程；（3）載流子復(fù)合和輻射衰減過程。目前，QD-LED發(fā)光效率已基本接近了OLED的水平，實現(xiàn)了20%以上的外量子效率，達到商業(yè)應(yīng)用水平。與OLED相比，QD-LED還具有以下優(yōu)點：（1）QD-LED的發(fā)光層單層量子點可以由膠體溶液制成，具有制備過程簡單、成本低等優(yōu)點；（2）量子點材料是無機物，它與有機材料相比，更具抗水/氧侵蝕的能力，對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)的主要性能進行了對比。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材料具有很好的光電特性，但是用無機材料取代有機材料作為傳輸層已經(jīng)成為新興的QD-LED研究趨勢，當(dāng)前的重點工作主要是研究使用無機材料作為傳輸層材料。這主要是因為：（1）有機材料的缺點限制了QD-LED的發(fā)展，若沒有高性能的密封層，有機器件的壽命較短；（2）無機材料的性能相對于有機材料更加穩(wěn)定。

目前，韓國LG與美國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全彩量子點顯示器（4吋，分辨率為320×240）。我國中科院化學(xué)所有機實驗室的研究人員，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 量子點電視色域標準及測量

5.1 國內(nèi)首個量子點電視行業(yè)標準

由中國電子視像行業(yè)協(xié)會組織熊貓、TCL、天津三星等9家單位共同制定了國內(nèi)首個量子點電視行業(yè)標準《量子點技術(shù)電視接收機色彩性能評價規(guī)范》。該規(guī)范提供了量子點技術(shù)電視接收機的性能評價要求。

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

該規(guī)范對量子點電視接收機的部分彩色性能、使用壽命和響應(yīng)時間做出了規(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準ITU-RBT.2020

2012年國際電信聯(lián)盟（ITU）推出了ITU-RBT.2020建議書（或稱Rec.2020標準）以適應(yīng)超高清、高動態(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分別定義了波長為630nm、532nm和467nm的紅、綠、藍三基色作為基色標準，它幾乎可以準確地顯示當(dāng)前所有推行的色域范圍的內(nèi)容。Rec.2020將色彩信號位深提升至12位，這對于影像在色彩層次與過渡方面的增強起到了關(guān)鍵的作用。總之，Rec.2020規(guī)定了一個廣闊的色域范圍，已經(jīng)開始被廣泛引用在新一代的圖像標準中。

5.3 熊貓55吋量子點LCD電視色域

中電熊貓在2017年美國CES展上發(fā)布了一款55吋量子點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70%的Rec.2020，接近110%的NTSC。該樣機圖像表現(xiàn)力在展會上獲得了好評。圖7是該樣機實測色域數(shù)據(jù)與標準NTSC對比圖，圖8是該樣機實測RGB三基色發(fā)射頻譜半峰全寬波形和數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

量子點顯示作為一項更新?lián)Q代技術(shù)，為我國顯示產(chǎn)業(yè)突破國外技術(shù)路線的專利封鎖，實現(xiàn)“換道超車”提供了良好的契機。我國在量子點顯示領(lǐng)域已取得令人鼓舞的成績，已經(jīng)開始建立從覆蓋材料、器件結(jié)構(gòu)到生產(chǎn)工藝和裝備具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全產(chǎn)業(yè)鏈體系，增強了國際競爭力，為我國顯示產(chǎn)業(yè)走向世界前列奠定了

基礎(chǔ)。

參考文獻

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作者簡介：劉明（1974-），男，南京中電熊貓家電有限公司研發(fā)中心高級工程師，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）