摘要：本文阐述了量子点的概念，总结了当前主要的量子点显示技术，包括量子点背光源（光致发光）和量子点发光二极管（电致发光）显示技术。其中，用于背光源的量子点技术主要有量子点膜、量子点扩散板以及量子点透镜，文章综合比较了各自的性能。

一、量子点的概念及原理

量子点是一种纳米级别的溶液半导体纳米晶体，尺寸在1-20nm。通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光场，它们会发出特定频率的光，发光频率会随着；量子点尺寸的改变而变化，因而通过调节这种纳米半导体的尺寸就可以控制其发出的光的颜色。图1展示了量子点形貌、发光原理、发光波长与尺寸的关系。

图1：量子点形貌、发光原理、发光波长与尺寸的关系。

量子点具备以下特性：1、可通过尺寸控制的发射波长/颜色；2、高饱和发射光谱；3、高发射效率；4、高热/光稳定性；5、具有宽的激发谱和窄的发射谱；5、可溶液加工。量子点材料的优异性能使其应用于显示领域。

二、量子点显示技术

量子点在显示技术领域的应用主要包括两个方面：基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术（QD-BLU）；基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管显示技术（QLED）。目前市场上出售的所谓的“量子点电视”，均是搭载了量子点膜的液晶电视，其本质仍为液晶电视。目前量子点电视正在成为市场主流，据统计，2020年量子点显示设备出货量1200万台，未来三年量子点材料的用量超过8500万平方米，这些数据表明，量子点技术将成为电视机的标配，而我国是国际显示设备生产的基地，量子点材料的研发和生产具有很大的优势，因此市场潜力巨大。

（一）、量子点背光源技术

有别于传统液晶显示的是，量子点显示以蓝光LED为光源，量子点薄膜在蓝光激发下会激发出纯正的绿光和红光，进而混合蓝光形成高质量的白光，这种特殊的纳米技术实现了显示器的高色域覆盖，还原了色彩。目前采用量子点膜技术的光致发光技术是目前量子点显示中成熟可靠的技术。传统LCD显示屏只要将背光中白色LED光源更换为蓝色LED光源和添加上一层纳米量子点的薄膜就可以达到卓越的色彩表达能力。图2为普通白色LED背光源以及量子点LED背光源的色彩对比示意图。图3为量子点膜在LCD显示器中的位置以及色域范围。

图2：普通白色LED背光源以及量子点LED背光源的色彩对比示意图。

图3：量子点膜在LCD显示器中的位置以及色域范围。

量子点背光源技术主要分为较早的管式量子点背光源和后期的薄膜式量子点背光源，前者主要由美国的QD Vision生产，称为Color IQ光学元件；后者主要由美国的Nanosys公司生产，称为QDEF薄膜。纳晶科技的量子点可以同时生产两种量子点背光源元件。图4为量子点管式背光源和量子点膜背光源光线转换示意图，以及量子电膜卷材。

图4：量子点管式背光源和量子点膜背光源光线转换示意图，以及量子电膜卷材。

1、量子点膜

当前市面上大部分QD电视都使用量子点薄膜（QDEF）。量子点薄膜是三明治结构，上下两层为水氧阻隔膜，中间为量子点聚合物薄膜。量子点薄膜放置在导光板上面，从而远离LED封装，让QD所处的环境温度下降。量子点薄膜里面包含红色和绿色QD，其原理为背光模组中的蓝光LED发出蓝光，蓝光经过量子点薄膜时，一部分蓝光被红色量子点转换成红光，一部分蓝光被绿色量子点转换成绿光，未被转换的蓝光和量子点发出的绿光、红光一起组成白光，成为液晶显示屏的背光源。图5为量子点LED、量子点管和量子点膜的示意图和性能比较。

图5：量子点LED、量子点管和量子点膜的示意图和性能比较。

量子点膜是目前量子点显示商业化最成熟的产品，市面上大部分的量子点电视和显示设备均采用量子点膜。量子点膜采用“三明治”结构，在量子点层的上下两个表面覆盖有水氧阻隔膜，如图6所示。产品应用于液晶显示屏的背光模组中，放置在导光板（或直下式中扩散板）上方，如图7所示，与蓝光LED组合能够产生拥有尖锐峰形的红绿蓝光源，能有效提升液晶显示器的色域，可广泛应用于电视、显示器、平板和手机等终端产品。

图6：三明治结构的量子点膜。

图7：量子点膜在LCD显示器中的位置。

量子点膜的基本原理是背光模组中的蓝光LED发出蓝光，蓝光经过量子点膜时，部分蓝光被量子点转换成绿光和红光，未被转换的蓝光和量子点发出的绿光、红光一起组成白光，成为液晶显示屏的光源，其光谱在红绿蓝三色的半峰宽非常窄，如下图所示，经过滤光片后出射的R、G和B三色的半峰宽也很窄，显示器的单色色纯度非常高。图8为几种显示器的色域对比。

图8：几种显示器的色域对比。

2、量子点彩色滤光片

量子点显示应用的最新发展之一是QD彩色滤光片（QDCF），其中量子点粒子被分散在光刻胶中，然后被图案化以替换子像素中的有色染料。量子点彩色滤光片中的每个像素点由3个次像素点构成，分别喷墨印刷上红色量子点、绿色量子点和扩散粒子。基本原理如图9所示，在蓝背光的激发下，量子点彩色滤光片可发出色纯度非常高的三原色，从而提升显示色域。与传统滤色器模型的不同之处在于量子点的作用类似于有源元件，QDCF在转换通过它的光，而不是阻挡光。

图9：量子点彩色滤色片显示原理

QDCF方法有以下好处：更宽的视角，因为QD被放置得更靠近屏幕并且它们在所有方向上发光；更广泛的色域，因为量子点发出纯净的可调光；更薄的显示，因为QDCF面板的组件更少；而且显示效率提高约50％，这是因为量子点比传统的彩色滤光片通过更多的光。

3、量子点扩散板

量子点扩散板的结构如图10所示，中间层为量子点层，上下两层为PMMA基材加扩散剂层。三层采用共挤的方式实现。该工艺中，首先将量子点进行合成包裹，通过量子点包裹技术，提高量子点耐高温、抗水氧性能，提升QD板可靠性。TCL电子是全球第一家使用量子点扩散板的公司，并将通过这项技术将量子点技术平民化。

图10：量子点扩散板结构、合成工艺

目前市场商量子点膜的应用厂商主要有三星、TCL、海信、华为、小米，量子点扩散板的应用厂商主要有TCL、海信。TCL在全球TV行业第一个推QD扩散板技术电视；目前量子点扩散板存在光衰寿命问题，在高温高湿区域寿命不满足要求，为此，TCL提出了以下改进措施：提升量子点材料可靠性，增加QD板阻隔水氧性能，标准浓度QD板背光方案。通过制定QD板标准化参数实现技术往下沉中低端，逐步实现了产品标准化。图11是目前市场的应用情况以及未来预计发展趋势。

图11：目前市场的应用情况以及未来预计发展趋势。

未来，量子点扩散板将按照以下几个方向发展：PMMA基材将由PS基材取代；扩散板的厚度将进一步减薄；从成本考虑，将取消掉上下两层PMMA，而由一层量子点扩散板代替，如图12所示。

图12：量子点扩散板未来发展趋势

4、量子点透镜

“量子点背光模式中，QD-Lens方案依靠成本低、光效好、易控制等优势将在未来成为趋势。针对该产品，我们目前的工作愿景是扩开光斑直径，完善透镜设计并降低成本，实现其大批量生产。”——南通惟怡新材料科技有限公司邱晓华。随着量子点显示技术的普及，显示色彩还原得到了极大的提高。为了提高LCD显示的对比度，直下式动态分区背光开始崭露头角。南通惟怡材料科技有限公司研发了基于直下式动态背光量子点透镜技术，并取得了很大的进展。图13是基于量子点膜、量子点扩散板以及量子点透镜技术的背光模式的结构和性能比较。

图13是基于量子点膜、量子点扩散板以及量子点透镜技术的背光模式的结构和性能比较。

总体来说，现在膜材从机种设计、成本的控制上已经获得广泛的认可，且使用的成熟度较高，因此在相当长的一段时间内膜材还是主要的技术路线；扩散板在信赖性和稳定性上表现出巨大的优势，在大尺寸方面会有不错的进展；而微透镜也具备自己的优势，需要解决行业痛点和一定时间让终端客户熟悉和接受。

（二）、量子点发光二极管显示技术

量子点发光二极管显示技术是电致发光技术，原理是将量子点层置于电子传输和空穴传输有机材料层之间，外加电场使电子和空穴移动到量子点层中，电子和空穴在这里被捕获到量子点层并且重组，从而发射光子，如图14所示。通过将红色量子点、绿色量子点和蓝光荧光体封装在一个二极管内，实现直接发射出白光。当采用这种电致发光机制时，量子点材料被放置在阳极和阴极之间，每个子像素包含红色，绿色和蓝色QD，如图15所示。

图14：量子点发光二极管显示技术发光原理

图15：三色量子点封装在二极管内的示意图

这种方法提供了很多好处：非常宽的色域，因为量子点在窄光谱中发光并且可以很好地调节；高对比度，因为每个像素都可以独立控制；低功耗时的高亮度；无需背光，无液晶层，无需滤色器；超高分辨率；不会烧屏，因为没有用有机材料；设计灵活性，由于没有背光，这种机制使该技术可用于灵活，可折叠，可卷曲和透明的显示器；与OLED相比，制造成本更低，QD的图案化使用喷墨印刷的设备，而不是使用昂贵且缓慢的蒸发设备。

根据IHS的分析报告，可以看到平板显示在2025年的出货量将超过2.5亿平方米，其中TFT—LCD仍然是市场的主流，但是OLED在中小尺寸和大尺寸方面有一定的渗透。主要是由于电致发光技术本身的优势，比如说不需要背光源、效果更高、更加节能、尺寸更薄。与OLED相比，QLED一样是属于电致发光技术的领域，量子点的优势在于可以在纳米间的尺寸进行自由调整，实现全波段的显示，同时量子点的发光光谱非常窄、显示非常纯净、色域更广。QLED迎来真正一个爆发式的发展，每年国内都有相关技术的突破，像TCL、京东方都有一些布局的研究工作。

通过显示产品的分布来看，不同的应用场景对于显示的尺寸和分辨率的要求是不一样的，对小尺寸要求的分辨率比较高一些，中大尺寸的分辨率要求比较低一点。前面讲到量子点是半导体的纳米晶，它的打印技术成为一个量子点显示技术非常良好的工艺路线。通过打印技术，材料的利用率可以达到100%，因此在成本上有一定的优势。

目前QLED的电致发光显示技术主要是应用手机中小尺寸的端口，这个中小尺寸本身的一个成本也比较高，因此我们也希望QLED将来在中小尺寸上有一些应用，但是在中小尺寸上来说分辨率要求比较高，于是大家想到了一些其他的方法，实现高分辨率QLED的方式。大家最容易想到的就是光刻工艺，目前光刻工艺现在是高校、企业研究院和产业界的关注，量子点作为半导体的纳米晶量子点表面的配体，可以实现量子点的光刻工艺：将一些通过光可以分解的配体和量子点表面进行配合，赋予量子点一个光刻的功能。直接将量子点和光刻胶进行混合，是实现量子点具有光刻工艺的一种方法。这个方法特点就是工艺比较简单，但是它有一定的缺点，即在显影的过程中，量子点不容易去除，容易残留下来产生混色。京东方显示公司开发了一个全新的工艺即牺牲层辅助光刻工艺，如图16所示。这种光刻工艺，通过引入了一种牺牲层，解决混色和不容易洗脱的问题。使用牺牲层辅助方法，实现了500PPI全彩图案，相当于16英寸8K分辨率水平。

图16：京东方开发的量子点牺牲层辅助光刻工艺

目前在QLED器件工艺化发展的过程中，主要还存在以下的一些问题：首先，无镉材料比较匮乏，同时QLED匹配的传输材料也是比较匮乏的；其次是喷墨打印墨水的开发，在器件方面，主要是现在量子点的发光机制还不是很明晰，因为器件的结构比较复杂，所以这里面应该是要加强QLED基理研究，从基理层面上对QLED的效率做出巨大的提升。

三、量子点光致发光和电致发光的比较

从产品的本质来说，光致发光应用主要在膜材或是板材；通过器件的结构来看，电致发光比光致发光的更加复杂，由于光致较为成熟，发展较快，电致应用受限于材料的匮乏，会带来显示产品的厚度和重量、柔性显示方面应用的限制。但是本身它的优势较突出，希望能将材料的性能提升，目前主要受限于蓝光材料，红、绿电致发光的效率和设备基本上已达到商业化水平，而蓝光的效率和设备仍比较低。在量子点电致发光应用的工艺化上仍不完善，主要应用是喷墨打印技术，但是其本身也存在打印机的对位精度、墨水开发的稳定性等问题。因此就目前来看，量子点的应用还是偏光致发光的，电致发光需要大家的共同努力。