量子点显示:现状与挑战

2019-04-17 10:27
文/彭笑刚

量子点光致发光显示已经走入市场(量子点背光源显示终端年销售在 1000亿元左右),而量子点电致发光自2014年取得突破以来进步迅速,被认为是下一代显示技术的有力竞争者。量子点材料和量子点显 示技术目前处于中、美、韩三强竞争的格局,而且我国在AM-QLED技术上已经积累了一定的先发优势,发展AM-QLED显示技术是我国实现 “换道超车”的一个契机。

量子点是可溶液加工、尺寸在量子限域范围内的无机半导体纳米晶体 。量子点具有峰位连续可调、色纯度高、发光稳定性好等优异的发光特性(见图1上)。同时,量子点的单晶结构决定了其热力学和化 学稳定性优异。作为发光和光电材料,量子点必须在激发态下工作。或者说,量子点是一种典型的激发态材料。进一步地,国内外最近 的一系列工作证实,量子点的激发态可以通过材料设计与合成过程实现有效控制,为量子点成为激发态材料提供科学基础。随着量子点 激发态控制化学的不断发展,量子点在高科技中的实用价值不断凸显。尤其是对于显示产业,量子点逐步被认为是人类至今发现的最优 秀的显示应用发光和光电材料。

量子点光致发光显示已经走入市场(量子点背光源显示终端年销售在 1000亿元左右),而量子点电致发光自2014年取得突破以来进步迅速,被认为是下一代显示技术的有力竞争者。鉴于显示产业的规模、 上下游的牵引作用,新兴的量子点显示对正在追求产业转型的中国具有战略意义。本文将对量子点显示、尤其是可能对显示产业形成颠 覆的量子点发光二极管(QLED)做一个全面的技术分析。


图1. 上:超窄的发光光谱(红线)和接近连 续的激发光谱(黑色) 。下:作者2014年在Nature上发表的溶液加工QLED器件示意图.

量子点显示的基本情况

一、量子点显示技术简介

量子点显示目前包括三个不同的方向。

(一)量子点发光二极管显示技术(QLED)

QLED是利用量子点作为电致发光材料构成显示终端的技术与产品路线 。Berkeley的Alivisatos实验室于1994年在Nature第一次报道了QLED。但在2013年以前,QLED的性能与寿命无法与OLED相提评论,人们 因此普遍不看好QLED作为下一代显示技术。2014年,通过量子点材料改进与器件结构创新,作者和浙江大学金一政教授合作在Nature上 报道了性能与寿命都达到接近实用要求的红色QLED(器件结构见图1),且整个器件除上下电极外全部是空气中的溶液加工,其成本、 加工能耗、加工水耗等相当于真空加工的OLED器件的1/10左右。至此,QLED显示正式成为显示产业界下一代产品的开发目标,有望为显 示行业带来一场全新的技术革命。时至今日,我国在QLED技术的多个方向上依然处于国际先进水平,在量子点材料与QLED器件工艺方面 处于国际领先水平。这意味着,我国有望利用QLED提供的技术迭代契机在显示行业实现“换道超车”,占据显示产业科技的 制高点。

图1下为QLED的器件结构示意图:空穴和电子分别从器件阴极与阳极 注入,通过对应的电荷传输层,在发光层(量子点层)形成激子,激子再以辐射衰变的方式将能量以光子的形式释放。相比于下面将讨 论的两种量子点显示技术,QLED显示相对完全地利用量子点自身优势,同时实现高能量效率、高画质、低成本、大显示面积等产品特点 。

白光QLED(W-QLED)显示对应于LG实现的W-OLED电视,相对较容易实 现,但其能量效率低,对于快速发展的QLED显示技术也许是不必要的选择。相比较而言,有源矩阵量子点发光二极管(AM-QLED)是实 现QLED在显示领域中商业化的关键技术。与液晶显示技术相比,其特点在于每一个子像素都是一个独立的量子点发光二极管(QLED)、 每个像素的三个子像素分别发出红绿蓝三种基元色,通过薄膜晶体管(TFT)控制驱动电流,实现主动发光控制。主动发光的技术特点 使AM-QLED屏在黑色表现、高亮度条件、柔性显示等场景的显示效果更加突出,并且功耗更小。AM-QLED屏的色域可以达到140 %NTSC( 等价于100% BT2020),从而实现对人眼可见自然颜色的全覆盖。

与同为主动发光技术的有机发光二极管显示技术(OLED)相比,以无 机纳米晶体为发光单元的QLED技术克服OLED技术中有机发光材料稳定性不足的短板。更重要的是,基于溶液制程的QLED制造技术在成本 、能耗以及原料利用率上都有OLED无法比拟的优势。

(二)量子点增强的Micro LED显示

任何形式的Micro LED目前还没有达到实用水平。作为小型显示器的 一个发展方向,Micro LED能够在小面积上提供非常高的像素密度和超高的亮度,满足一些特殊的显示需求。中国在Micro LED研究方面 紧跟国际。例如,2017年在南京召开了Micro LED的国际会议,2018年在全国性显示技术会议上也能见到Micro LED的身影。

值得注意的是,要在小面积上实现高密度三原色LED阵列目前看来还 挑战颇大。另外,外延半导体蓝光、绿光、红光Micro LED的稳定性颇为不同,所得的三原色阵列还存在色差控制的难题。

一个可能的解决方案是,用蓝色Micro LED形成三维阵列,然后在蓝 光阵列上覆盖无色、绿光和红光的量子点薄膜。后者可以用光刻技术制成。这条技术路线,也就是量子点增强的Micro LED路线。

量子点增强的Micro LED目前看来是Micro LED技术中希望最大的一个 选择。在利用量子点这一点上,在一定程度上类似于量子点背光源。绿色和红色量子点并未实现把电能转化为光能,而只是把氮化镓 LED的蓝光转换为绿光和红光。另外,Micro LED受自身的技术和成本限制,现在看来还只能在小型显示器上发挥潜力,不太可能成为下 一代显示技术的主流产品。  

(三)量子点背光源显示

这条技术路线已经大规模用于液晶电视。根据内部消息,2017年和 2018年三星所有高端彩电全部为量子点背光源产品。在国内,纳晶科技的量子点背光源目前是市场上的主导产品,已经稳定供应下游厂 家,TCL和海信已经有规模化产品上市,其他国内重要彩电生产厂家也处于产品定型或者试产阶段。

量子点背光源利用氮化镓蓝光二极管实现电光转化,绿色和红色量子 点把部分蓝色光转换成绿色和红色,三种颜色合在一起形成三基色背光源。

尽管一些厂家把量子点背光源电视称为“QLED电视”,但 这条技术路线依然是液晶显示,而不是真正意义上的QLED显示,其中量子点的价值是解决传统液晶显示中荧光粉导致的背光源三基色色 纯度低下的问题,并没有触及液晶显示的其他弱点。因此,不同于真正的QLED显示,量子点背光源显示应该是一个过渡产品。

图2.量子点显示原生态国际竞争格局。

二、QLED显示技术的产业价值与中国机遇

显示行业是典型的技术密集型产业。过去30年,我国大陆的光电显示 技术长期落后于日韩和中国台湾地区。从早期的阴极射线管显示器(CRT)到现在主流的平板液晶显示器(LCD),大陆企业在材料、设 备、制程、知识产权全面受制于海外上游厂家,长期处于产业链的底端。为此,国家不得不动用大量资源从国外购买或引进相关产品和 技术,厂家在生产过程中长期依赖国外核心原材料供应。例如,据德国默克公司发布的数据,中国大陆厂家(也包括国际上其他厂家) 所使用的高端液晶材料的90~95%源于该公司。

量子点显示技术的出现有可能使我国在显示行业实现角色的转换,从 追赶者变为领跑者。20年前,液晶显示技术逐步取代了阴极射线管显示技术。早期的日本、现在的韩国是液晶显示技术的主要领导者。 虽然上述量子点背光源技术解决了液晶显示中的一些关键问题,但业界普遍认为自主发光的OLED技术将取代非自主发光的液晶显示技术 。目前,OLED技术的第一阵营已被韩国(三星的手机屏、LG的电视屏)牢牢占据,关键设备、材料、技术等方面都被韩国和欧美厂商所 垄断,中国在这个技术方向上又一次扮演了追赶者的角色。

QLED领域的情况却颇为不同:中国在核心材料、原型器件研究以及制 程技术等方面都有一定先发优势。正是由于中国学者的突破性工作,才使得QLED普遍被显示产业所接受,作为国际上普遍接受的下一代 显示产品的主要竞争者。基于国内量子点材料及打印QLED的技术进展,我国未来显示技术路线已经具备顶层设计、底层建设、立体空间 全面发展的历史机遇。

量子点显示技术的发展态势

一、世界发展现状与趋势

尽管光致发光的量子点背光源产品已经广泛投入市场,但量子点显示 技术和产业发展时间非常短,尤其是最重要的电致发光QLED显示尚处于研发的后期阶段。从2014年显示产业接受QLED作为下一代技术开 始,QLED极短的发展历史及其跨越式发展,注定了该技术将同时面对基础科学和工程技术的挑战。由于中国在显示领域原创积累薄弱, 其先发优势必须面对研发实力雄厚的韩国企业的直接竞争。

量子点显示属于新材料科学与高科技产业结合的典型。高科技产业的 发展需要学术机构和高技术企业的紧密协同合作。目前,围绕量子点显示技术这一主题,国际学术界和产业界组成的产学研联盟形成了 相互竞争的局面。

量子点材料和量子点显示技术目前处于中、美、韩三强竞争的格局。 时至今日,竞争的最终根本是对量子点材料的理解与为QLED量身定制量子点的能力。

作者在美国Arkansas大学任教期间(1999-2009),解决了量子点生 长机理几个关键问题,发明了“绿色量子点合成路线”,以极低成本、极简单设备,制得发光性能更优、更可控的量子点, 并以此为基础成立了NN-Lab公司(纳晶科技的前身)。值得一提的是,目前国际上学术界和产业界量子点材料的合成和生产技术,都是 以该原创技术为基础。相关合成技术的知识产权,已经由纳晶科技股份有限公司洽购回到中国,美国的NN-Labs现在是纳晶科技股份公 司的全资子公司。

2009年,作者全职加入浙江大学,创立了纳晶科技股份有限公司,推 动了量子点产业化,还建立了跨院系的高新材料化学中心,提出“量子点激发态性质的合成控制”方法,合成出激发态单通 道衰减、100%辐射衰减、非闪烁发光的量子点,为解决QLED的发光材料问题带来曙光。目前,浙江大学和纳晶科技通过共建实验室的方 式形成紧密的产学研联盟,并与显示业界龙头企业TCL、海信等单位展开广泛且有深度的合作,共同参与国际竞争。

此外,中国的BOE与吉林大学、南方科技大学等合作形成了一个相对 年轻的联盟,也已经在QLED显示方面迈出了可喜的步伐。在国内,以BOE为核心的年轻团队与浙大-纳晶为核心的成熟团队形成了有益的 竞争局面。

在美国,MIT的Bawendi教授和Berkley的Alivisatos教授作为量子点 材料的研究先驱,发明了金属有机前体合成方法,分别衍生出了QD Vision和Nanosys两家在量子点行业有影响力的创新企业。Florida 大学在QLED方向也有一些研究,衍生出NanoPhotonica公司。

在韩国,量子点方面的研究以三星公司为核心,首尔大学、韩国技术 研究院等科研单位提供支持的形式进行。韩国在量子点基础研究领域并无重大原创性工作。但是,三星在技术整合方面的实力、举国体 制的财力都独步领域,使得这一产学研联盟在特定阶段具有可怕的爆发力。例如,三星公司最近并购了美国QD Vision、入股NanoSys、 控股NanoPhotonica,进一步加强它们在量子点显示方面的国际地位。三星的这一系列运作,实际上等价于整合了美国与韩国两股力量 ,与中国进行直接竞争。从各自在研究与产业化方面的实力看,美国公司最终选择与韩国合流其实是不得已的选择。实际上,QDVision 曾经寻求过将其合并到中国公司中,但其实力不足以打动中国公司,最终只能选择了三星。

另外,在欧洲、日本等地也有一些量子点显示的研究单位,但单打独 斗的居多,实力相比上述联盟稍显不足。

图2为国际范围内主要的显示领域企业或高校合作图,其中虚线箭头 表示弱关系,包括专利许可、产品供应商关系;实线箭头为强关系,包括控股、深度技术合作。应该指出的是,依据公开信息判断,随 着QD Vision被三星收购,其相关的合作关系似乎并没有得到继承。

总体说来,目前量子点显示的局面是群雄乱战,鹿死谁手尚未可知, 这为我国显示产业突破国外现有技术路线的专利封锁,同时在下一代技术竞争中崛起提供了难得的历史机遇。

不难判断,美国在原始创新方面不会轻易退出第一集团,但其技术的 产业化需要和东亚国家合作进行。韩国在显示产业的雄厚实力使得他们可以迅速跟上量子点领域的重大创新,在工程化方面发力,通过 并购进一步加强其创新竞争地位。而我国在量子点材料和原型器件方面有一定的先发优势,但在整合能力、设备装备等方面纵深严重不 足,急需加大投入,尽快将有实力、有特色的科研单位和我国显示产业链相整合,保持源头创新,发展出覆盖材料、器件结构、生产装 备和工艺的全产业链自主知识产权体系。

图3. 至2017年中期,纳晶科技QLED打印显示技术开发进展.

二、我国发展现状与水平

目前,我国的量子点显示技术在国际上处于第一集团,在量子点材料 、QLED原型器件等方向处于国际领先地位。分项阐述如下:

(一)量子点材料

2009年,作者辞去美国阿肯色大学教职,加入浙江大学。在作者带领 下,浙江大学溶液量子点合成化学领域的研究水平上升到一个新境界:激发态合成控制研究。自此,我国在量子点合成领域开始具备了 国际领先优势。此前,作者解决了纳米晶生长的几个关键问题,奠定了尺寸选择性合成纳米晶的主要路线—油相绿色合成— 的科学基础,并开发出一系列合成方法。新合成思路给量子点在“尺寸与形貌单分散”的基础上叠加“光学和光电性 质单分散”,从而为量子点显示应用提供了关键材料。

以彭笑刚实验室的创新为基础,纳晶科技在量子点材料的产业化上具 有雄厚技术优势,是国内唯一一家可以实现量子点材料规模化生产的企业(国际上共有3家实现了量子点量产,另外两家是美国Nanosys 、韩国三星(原美国QDVision))。纳晶科技已在浙江衢州建设的量子点生产基地,2018年投产后是世界上规模最大、生产成本最低的 量子点生产基地。

除浙江大学-纳晶核心团队以外,目前国内科研院所在量子点材料研 究方面有所投入,并在2014年后快速普及。但是,这些新生力量暂时未能在量子点材料研发方面形成强有力的国际竞争力。虽然有一些 公司宣称实现了量子点量产,但被证实进入了显示产品线的仍只有纳晶一家。

(二)QLED原型器件

2014年后,国内在QLED原型器件方面的研究出现了高潮,包括纳晶科 技、TCL、BOE、华南理工大学、河南大学、长春应化所、长春光机所、吉林大学、南方科技大学、福州大学等20多家产学研机构纷纷投 入到该方向。可以说,中国在QLED研究方面已经有了一定的宽度与积累。

(三)打印QLED

纳晶科技于2015年初融资1.5亿人民币,用于QLED打印显示研发。 2018年再次融资约1亿元人民币,用于QLED打印显示进一步开发。目前已经完成第一阶段的研发任务,实现了可控、全自动全色打印的 QLED。2017年,纳晶科技在掌握了高性能量子点墨水配方以及QLED薄膜喷墨打印技术基础上,展示了4英寸红/绿/蓝全彩AM-QLED显示屏 的原型产品。图3大致总结了纳晶科技在打印显示方面至2017年中期的进展情况。

2018年,纳晶科技在国际上首先把打印器件的效率与寿命做到与实验 室小器件一致,其红光打印器件整体性能已经达到(甚至超过)蒸镀OLED的水平,打印绿光器件也已经达到实用要求,蓝光效率达到了 实用要求、寿命离实用大约在一个量级以内。

近年来,国内多家研究机构均在打印方面取得了可喜进展。华南科技 大学公开报道了一款AM-QLED显示屏,虽然其中的一些功能层还没有实现全打印,但量子点层打印效果是值得肯定的。TCL、BoE等单位 聚焦于量子点墨水技术开发、喷墨打印QLED工艺技术、印刷型QLED器件结构设计与性能优化等研究。在科技部“十三五”项 目支持下,纳晶科技、BOE和TCL都制成了AM-QLED显示屏。

目前,国内外都尚未打通具有量产价值的AM-QLED屏技术路线,但国 内纳晶科技、京东方、TCL等企业已经开始相关的布局。

值得注意的是,我国受制于打印设备方面积累不足,在打印技术路线 选择上具有颇多挑战。目前看来,我国打印设备在AM-QLED形成产业之前难以赶上国际顶尖水平。这意味着,QLED显示研发企业需要加 强自身设计能力,通过境外定制来达成量产技术路线。从纳晶科技目前的发展看,方案应该可行,但并不是最理想的选择。

三、量子点相关专利申请概况

全球量子点相关专利申请数量已经高达15000件,量子点显示应用专 利和量子点材料专利约占量子点专利申请总数的40~50%。由图4可明显看出中国和美国是专利申请大国。中国专利申请总量约为韩国、 日本、欧洲的总和。

图4.量子点材料和显示应用在各国专利数量分布

其中量子点显示应用专利又分为量子点背光源(比如量子点膜、量子 点管、量子点彩膜、含量子点LED)和量子点电致发光器件QLED。图5为量子点显示相关专利申请的技术方向占比图,可以看出现阶段专 利申请以量子点背光系统及背光产品为主。而QLED器件的占比只有6%,说明其尚有巨大发展潜力。

图5.量子点专利分布图。

量子点显示技术的核心首先是量子点材料,任何产品都含有量子点材 料。从申请数量来看,三星的专利数量遥遥领先(图6)。但是从专利的重要性上看,三星没有量子点材料的最核心专利。量子点材料 的核心专利掌握在科研院所/量子点公司的产学研联盟手中,比如美国的MIT/QD Vision, Berkely/Nanosys和国内的纳晶科技/浙江大学 。其中,纳晶科技拥有目前可量产的量子点材料最核心原始专利。虽然量子点QLED技术部分处在基础研发阶段,但全球专利数量呈井喷 态势。截至2017年,总数还不到1000件,但截至2018年,专利总数已经接近2000件。中国申请人主要包括纳晶科技/浙江大学、华星光 电、京东方、TCL。国外申请人主要包括MIT、三星、QD Vision、大日本印刷等。仔细分析,面板企业主要对后续打印以及量产进行布 局,而对核心材料、核心器件结构、核心墨水以及制程,仍然倚重量子点企业。

图6.量子点材料专利分布。

QLED显示产业化需要面对 的需求与重点任务

凭借在量子点材料上的领先地位和在QLED研究上的先发优势,中国的 产学研机构有望打通AM-QLED显示屏的量产技术路线,夯实全产业链的科学和技术基础、打造源头创新自主知识产权体系,形成量子点 显示创新产业群,利用全球显示产业升级的机会助力我国显示行业实现“换道超车”,占据显示产业科技制高点。由于显示 产业极强的牵引作用,在QLED显示方面的领先有望打造一个国际领先的产业群。

但是,从量子点显示技术发展趋势上看,一些关键难题在国际范围内 尚未解决。例如,对量子点电致激发态和合成化学之间联系的理解不够;蓝光QLED原型器件的寿命仍需进一步提升(浙大/纳晶科技的 蓝光寿命水平大约离应用差不到一个量级);采用喷墨打印工艺制备AM-QLED阵列这一关键工艺的相关积累尚显不足,主要体现在打印 工艺与TFT配套的问题上;打印设备(尤其是国产设备)远远落后于需求;大屏QLED显示器件仍是空白。

基于这些认识,可以将未来重点研究的领域概括如下:

(1)理解电致发光激发态与合成化学的关系,为QLED量身订制量子 点;

高性能QLED必须按照一定的标准量身定制所需的量子点发光材料。从 目前的认识看,这个标准不只是涵盖荧光峰宽、光致荧光的量子产率,需要更多地包括量子点激发态的性能,如荧光寿命、双激子态量 子产率、三粒子态(trion state)量子产率;需要兼顾量子点在器件工作状态下的实际表现,如量子点的能带结构、高温条件下的光 学性质;还需要考虑对量子点的加工性能和薄膜光电性质起决定性作用的表面配体。同时兼顾布局电致发光量子点材料和打印电极的宏 量制备。

(2)无镉量子点开发。在QLED显示器中,量子点材料用量极微少。 一台55英寸的量子点电视含镉量大约等于2-5公斤,满足世界卫生组织标准的大米的镉含量。相比于大规模商业化的CdTe太阳能电池, 等面积QLED显示器的镉含量低大约5个数量级。但在现实商业环境下,Cd的毒性也许会成为一个环保的伪命题,被竞争技术路线所炒作 。在发展无镉量子点系统的同时,需要密切关注和防范国外竞争对手利用Cd的毒性问题,以及国内一些缺乏科学研究和思考的声音,这 将对我国QLED显示技术的发展造成制约和不利影响。浙江大学团队最近在以InP为基础的QLED上有所突破,将其外量子效率提升到了接 近实用的12%,但其寿命性能离CdSe为基础的QLED尚有一定差距。

(3)理解新型QLED器件工作机理,适合打印显示QLED的器件设计及 功能层材料。理解QLED的工作原理及其失效机制,包括对载流子的注入、输运、复合过程和量子点薄膜中的电荷转移和能量转移等机制 的理解;开发新型高性能空穴传输层材料。

(4)开发量子点墨水配方和打印技术,打印制备高性能QLED阵列。 针对量子点墨水体系、量子点墨水的打印调控技术、功能层材料和量子点墨水的大面积均匀成膜和其阵列化工艺等方面开展系统化研究 。其中,需特别注意对打印关键设备的开发和研制。在量子点显示的各个方面,中国目前落后于其他国家的就是打印设备。

(5)AM-QLED显示屏的工艺集成。涉及与TFT背板、Bank技术、封装 技术等多种显示屏技术的工程集成,需要根据材料性质、器件结构、TFT 面板设计、环境控制等系统地优化工艺流程,提升良率。

总结

显示行业作为典型的技术密集型行业,技术迭代引领着发展趋势。纵 观历史,每一次重大的技术革新都将打破行业格局。多年来,我国显示行业在国际竞争中一直处于底端位置。虽然终端产量为全球第一 ,但盈利能力和抗风险能力较弱。新兴的AM-QLED显示技术具有现有技术以及其他潜在竞争技术无可比拟的优点,而且我国在AM-QLED技 术上已经积累了一定的先发优势,发展AM-QLED显示技术是我国企业实现换道超车的一个契机。同时,对于与显示技术紧密相关的其他 产业(如手机、机器人、VR/AR),也值得密切关注。


c3dservice@126.com
———————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
工作时间:09:00—18:00
联系电话:010-68234468
北京市海淀区复兴路49号