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米乐体育活动:量子点显示材料 受益于显示技术进步浪潮

发布时间:2022-07-08 12:21:03 来源:米乐体育在线下载 作者:米乐体育app官方版下载

  量子点(Quantum Dot)是把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。这种约束可以归结于静电势(由外部的电极,掺杂,应变,杂质产生),两种不同半导体材料的界面(例如:在自组量子点中),半导体的表面(例如:半导体纳米晶体),或者以上三者的结合。简略地讲,量子点是由有限数目的原子组成,三个维度尺寸均在纳米数量级(1-10nm)的微粒。

  市场上使用的量子点材料多是化合物半导体量子点,分为Ⅲ-Ⅴ族量子点材料和Ⅱ-Ⅵ族量子点材料,此外还可以由两种或两种以上半导体材料混合组成。

  量子点一般为球形或类球形,分为单一结构和核-壳结构两种。市场上使用的量子点材料多为核-壳结构量子点。

  作为一种新颖的半导体纳米材料,量子点具有许多独特的纳米性质,其主要光学性质包括宽吸收峰、窄发射峰、荧光效率、发射波长可调等。其中,最重要的特性是在受到光或电的刺激后,不同材料、不同尺寸的量子点材料可以发出特定颜色的光线。

  简言之,量子点的尺寸越小,所发出的光波长越短,对应的颜色越蓝,相应的,大尺寸的量子点发出的光越红。

  利用量子点独特的纳米特性,量子点材料可广泛应用于发光器件、太阳能电池、催化、生物标记和生物医学等领域的基础研究和应用开发。

  量子点通过电致发光或光致发光,能够发射出纯净光线,显著增强色彩显示效果,同时降低显示器能耗。量子点显示已经成为有机发光显示(OLED)的重要竞争对手,有可能成为下一代显示技术。量子点显示应用的产品包括光转换元件/光电转换元件、量子点电视、量子点平板电脑、量子点智能手机等。

  量子点照明技术能有效改善LED灯面临的照明对象颜色失真的问题,在LED灯节能高效、明亮持久的基础上,可以调整颜色和提高光的质量。量子点照明应用的产品包括量子点固态白光光源器件、LED照明等。

  量子点材料本身具有纳米颗粒的多种性质,可以吸收宽范围的太阳能量,将其开发应用于可印刷油墨,未来有望制造出高效、低成本和轻重量的太阳能电池。

  量子点检测试剂通过结合抗原抗体反应的特异性与量子点荧光的敏感性,可以对抗体或抗原进行定性、定位或定量检测,提供改进的体内和体外生物学成像。

  量子点的光学特性由其尺寸和形状决定,通过改变量子点大小可以精确控制其发出的光的颜色,提高发光效率。量子点具有发光峰窄、可精确调节发光颜色、发光效率高等特点,是LCD显示器的理想改进方案甚至是替代品。

  2、发射光谱可调,通过控制量子点尺寸和材料可改变其发射波长,进而控制发光颜色;

  量子点显示主要通过混合蓝光、红光、绿光实现白光显示,目前量子点材料中,绿色量子点发光效率最高,红光次之,蓝光最差。

  目前使用的量子点材料主要有硒化镉(CdSe)系列和磷化铟(InP)系列,前者主要由QD Vision所采用,后者主要由Nanoco采用,而Nanosys采用磷化铟和镉混合量子点方案。两种量子点各有优劣,硒化镉胜在发光效率高、色域表现力更为宽广;磷化铟则由于不含镉,不受欧盟ROHS标准的限制。 量子点发光技术分为两种不同激发方式,分别是量子点背光源技术(QD LCD)和量子点发光二极管显示技术(QLED),详细介绍如下:

  量子点背光源技术(QD LCD)是一种光致发光技术。利用量子点的发光特性,通过绿色、红色量子点将蓝色LED光转化为高饱和度的绿光和红光,并同其余未被转换的蓝光混合得到白光等各种颜色,在屏幕上显示宽广色域的颜色。

  量子点背光源技术主要分为管式量子点背光源和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。

  由于三色光由蓝光直接转换而来,量子点背光源相比普通LED背光具有更高纯度的三基色,通过调整量子点材料大小分布,可以是创造出更真实、更均衡的色彩表现。

  目前主要有三种方法将量子点封装进LCD显示器,分别是On-surface、On-edge、On-Chip,对应将量子点材料臵于不同的位臵。

  第一种封装方法On-surface是将量子点嵌入两层氧气阻隔薄膜中,再将量子点薄膜放臵于LED背光和液晶盒之间。这种方法消耗的量子点材料较多,但技术成熟,近年来三星、LG、TCL等各大厂商均采用该法。目前主要是3M和Nanosys的QDEF技术,以及Nanoco的CFQD技术采用这种封装方法。

  以3M和Nanosys的QDEF技术为例,其液晶面板最外层覆盖着一层透明、柔性的超薄屏障层膜,厚度仅有55μm,可以有效防止水、氧气对内部量子点膜的侵蚀,水氧穿透率小于1*10-3g/m2/day,其轻薄度、柔韧性、抗撞击性均优于玻璃材质。通过独特的夹层结构设计,有效减小了热量和光通量对量子点的损耗,目前QDEF的寿命为2-3万小时,3M预计未来能达到7万小时。

  第二种封装方法On-edge是将量子点放在密封玻璃管内,臵于屏幕边缘的LED条上方,由于侧光式LED背光相较整个显示屏面积小得多,该方法消耗的量子点较少,约为On-surface用量的百分之一,但对量子点的稳定性要求较高。目前主要是QD Vision的Color IQ技术采用这种封装方法。

  第三种封装方法On-chip是将量子点直接封装到LED管内,可以最大化量子点效率,量子点材料消耗仅约为On-surface的万分之一,但是由于这种方法要求量子点材料在高温环境保持稳定,且封装技术要求高,目前行业内暂时没有公司采用这种封装方法。最新的技术方向是在量子点与蓝光源之间留出部分空间,以降低量子点工作温度。

  QLED全称是“Quantum Dot light Emitting Diode”,即量子点发光二极管,又名量子屏显示技术,其原理是是将量子点层臵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。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。

  QLED元件是层叠结构,包括玻璃基板、空穴注入层、空穴传输层、量子点发光层、空穴阻挡层、电子传输层等。其结构与OLED相似,主要不同在于QLED的发光材料为无机量子点材料,而OLED采用有机材料。QLED具有主动发光、发光效率高、响应速度快、光谱可调、色域宽广等特点,而且比OLED性能更加稳定,寿命更长。

  目前研究QLED显示技术已经成为一大潮流,2016年国际信息显示学会SID论坛上共发表了37篇相关文章,其中有15篇与QLED器材相关。最新的QLED器材相关参数如下表所示:

  QLED器件制造方法是通过生产纳米级量子点薄层的工艺,将不同颜色量子点混合或分层堆叠在一起,使其发射的不同光线混合成白光。

  早期QLED通过有机/无机混合结构将蓝光量子点、绿光量子点和红光量子点混合在单个薄层里。通过调节白光光谱,在其CRI值为86时,外量子效率(EQE)达到最大值0.36%。

  下图是原子力显微镜(AMF)下显示了40nm厚的4-丁基苯基-二苯基胺(TPD)膜上形成约1.1个单层蓝色量子点。

  现在发展出多层量子点混合旋涂工艺,包括二色(蓝色和黄色)、三基色(蓝色、绿色和红色)、四色(蓝色、青色、黄色和红色),下图的三色量子点QLED的显示亮度达到23000cd/m2,外量子效率(EQE)达到10.9%。

  最新技术已经合成了能直接发射白光的单化合物量子点,其原理是将发射蓝光的荧光体嫁接到发射黄光的CdSe/ZnS量子点的表壳上,通过控制量子点的尺寸和蓝色荧光体的数量实现色温调节。该技术制造的单一白光量子点具有2680cd/m2的亮度水平,以及0.81cd/A的效率,可大大简化量子点制造工艺流程。

  将量子点按照设计的排列方式进行涂覆是制作量子点显示设备的必要工艺,现在比较成熟的QLED器件制备技术有相分离技术、喷墨打印技术、转印技术。

  相分离法的原理是将量子点和溶剂混合,使用旋涂技术在薄膜上形成单层量子点,再利用不同材料熔点不同的性质,通过加热使得溶剂分离,从而制成QLED器件。相分离法的优点是适合制备大面积有序胶体单层量子点,而且通过控制溶液浓度、量子点尺寸和形状等可以制成高效率、高色彩饱和度的QLED。缺点是由于使用旋涂技术,只能制备单色显示屏。

  喷墨打印技术是用纳米级的喷头将把量子点溶剂打印到基底材料表面。因为量子点材料具有尺寸细小、可溶性好等特性,适合采用印刷工艺,喷墨打印技术具有工艺简单、成本低、方便制备发光图案、可制作柔性器件、适合大尺寸器件制备等优势。目前国内外对相关技术具有掌握,如QD Vision利用喷墨打印技术实现批量生产大面积QLED显示屏,国内中科院苏州纳米所也已成功实现喷墨打印制备电致发光量子点器件,成品粗糙度低于2.2nm,达到了旋涂工艺的精度,在低于9V的电压驱动下,发光亮度超过4000cd/m2。

  转印技术是利用有图案的硅片制成类似“墨水印章”,然后用“印章”通过分子间作用力(范德华力)“吸取”合适的量子点,无需溶剂即可将其印压在薄膜基片上,基片上平均每平方厘米约含3万亿个量子点。转印技术解决了喷墨打印技术可能出现有机溶剂污染显示器的问题,制造的显示器密度和量子一致性更高,显示器画面更明亮、更节能,并且适用于可卷曲便携式显示器、柔性发光设备、光电设备等领域。

  凹版转印工艺适用于生产高分辨率屏幕,这种转移印刷工艺利用凹雕沟槽来产生像素尺寸受控且均匀的全色量子点阵列,其可实现每英寸2460像素(ppi)的分辨率。用该工艺制造的显示器件发光峰度为14000 cd / m2,外量子效率(EQE)为2.3%。

  每一次显示技术革命,都来源于人们对色彩的不断追求。近一个世纪来,人们对色彩标准要求越来越严格,从最低规格的Rec.709到最新的Rec.2020,色域范围几乎扩大了一倍。色彩标准的发展历程梳理如下:

  1931年,国际照明委员会(英语国际照明委员会)批准了CIE RGB色彩空间,通常被称为“CIE”,这是历史上首次定义了可被人眼感知的全部可见光谱。CIE是最高的色域基准,后续的色域标准都是其子集。

  这三个标准是自20世纪50年代以来用于世界各地的模拟广播和电视的主要标准,随着数字高清广播时代的来临,在2010年后基本都被淘汰了。

  Rec.709于1990年由国际电信联盟(ITU)引入,现在是全世界数字高清广播和电视的主要标准。它也用于DVD和蓝光媒体和播放器。尽管在近40年后才推出,Rec.709色域实际上比NTSC覆盖的CIE更少。

  随着个人计算机的日益普及,1996年HP和Microsoft使用与Rec.709相同的色域引入了sRGB颜色标准。sRGB是目前全世界最常用的标准,除了电视机之外几乎每个设备。它用于互联网流媒体,显示器,投影机,相机,打印机,游戏机,智能手机,平板电脑,触摸屏等。

  Adobe于1999年推出Adobe RGB,该标准最初旨在解决与将显示颜色与CMYK打印颜色精确匹配相关的挑战。现在主要被艺术家和摄影师所使用,因为其拥有比sRGB更宽的色域。

  DCI-P3是由电影,电视和娱乐公司联盟于2005年推出的。它主要设计用于确保从原始捕获到最终投影的一致的内容质量。由于其强调数字生产和分配,主要被专业创造者用于电影级相机,投影仪和投影设备。

  2012年由国际电信联盟(ITU)针对超高清(UHD)显示器提出Rec.2020标准,也称为BT.2020。Rec.2020规格的色域是全视觉光谱的三分之二,几乎是Rec.709(今天的电视标准)的两倍,可以使设备显示前所未有的680 亿种颜色。 下面的CIE色域图中,马蹄形形状内的颜色代表人眼可以看到的所有颜色,三角形表示当今使用最广泛的色域标准的颜色空间,以及不同色域标准可以再现多少可见光谱。

  可以发现,最新的Rec.2020色域标准覆盖的范围是最大的,达到人眼可察觉颜色的67%,代表着现今显示行业的最高标准。但是仍然有三分之一的CIE范围未被覆盖到,换而言之,显示器颜色性能表现领域还有很大的改进空间。

  QD LCD方案是用低成本实现宽色域的理想方案,它可以充分利用并且简化现有LCD液晶面板生产线%NTSC色域的量子点电视,在色域指标上明显领先于其他显示方案。

  色域表现:常规白光LED背光技术无法发射足够的红光和绿光,光线整体偏蓝;而QD LCD技术中的量子点能高效地将蓝光转换成红光和绿光,得到更鲜艳均衡的色彩。对比白光LED和量子点显示的光谱分布图可发现,量子点显示拥有更窄的RGB峰值,使其达到了100%NTSC标准,而普通白光LED具有蓝色LED光峰值和宽泛黄色光,只能达到75%NTSC标准。

  能耗:白光LED由于波峰宽广,经过滤光片过滤后损失大量光线,导致能量利用率较低;而量子点显示的光谱红绿蓝光分布均衡,光线得到有效利用。因此,在同等亮度的情况下,量子点显示产品的能耗远低于白光LED。

  色域表现:量子点显示产品基本都能达到100%NTSC色域,而采用RG荧光粉方案的显示器只能达到85-90%NTSC色域。

  显示效果:在3D显示等高端领域,RG荧光粉屏幕在频闪背光的120Hz面板上会留下移动模糊的痕迹,类似高速移动的条纹影像,这是因为荧光粉具备长达8毫秒的辐射寿命。相较之下,量子点材料的辐射寿命极短,只有数十纳秒,量子点显示播放视频更为流畅清晰,避免了模糊效果。

  能耗:为了获得更好的色彩表现效果,采用RG荧光粉的显示器通常采用更厚的色彩滤光片来提高光线的纯度,以减少红绿蓝光混在一起,相应地,由于损失掉更多光线,必须配以更高功率的背光灯。而量子点因为波长可调且光线波峰窄、纯度高,光线利用率高,能有效地减少能耗,以QD Vision的Color IQ为例,在同等色域表现的情况下,可比RG荧光粉减少50%能耗。

  成本:量子点显示方案可以集成到现有的白色LED显示器生产线,在所有全色域显示方案中性价比最高。而采用BG+RPH方案的显示器需要昂贵的绿色LED,额外的LED驱动,以及更复杂的电子线路,其总成本比量子点方案高两倍,却只能达到同等色彩表现。

  能耗:由于绿色LED的低效率和红色荧光粉的宽频谱,很多光线被过滤掉或超出了肉眼光谱,导致BG+RPH方案的能耗比量子点方案高一倍。

  色域表现:OLED电视机使用的有机材料产生的蓝光、绿光、红光不够饱和,商用OLED电视机只能达到90%NTSC色域,相比之下,量子点电视一般都能达到100%NTSC。

  能耗:OLED使用的有机材料是宽带光谱发射器,器产生的光线不能穿透玻璃基板的RGB颜色过滤器,而量子点显示由于光谱可调,能达到更高效能。2015年OLED电视机能源之星评比显示,其能耗为150kW·h,而量子点电视能耗为115kW·h,二者相差约25%。

  成本:光学显示最重要的领域还是电视机等大屏显示市场,而OLED在大屏显示方面成本居高不下,这也导致OLED电视机产销量低于量子点电视。

  在色域方面,进入新世纪以来,人们对显示产品色彩追求越来越高,最新的Rec.2020色域标准已经达到人眼可视范围的67%,而该标准正被越来越多的厂商和消费者所接受。2015年,蓝光光盘协会正式建立Rec.2020作为超高清蓝光规格的色域,美国消费电子协会(CEA)发布了其对HDR(高动态范围)的新定义,其中就包含了Rec.2020标准。同时,日本广播公司NHK也已经宣布他们将以完整的Rec2020色彩播放2020年奥运会。量子点显示能最大程度达到Rec.2020标准,预计将随着Rec.2020标准的推广而受益。

  在能耗方面,当代世界经济发展开始强调绿色环保,低能耗电子产品渐渐收到热捧,而量子点正是显示方案中最节能的选择之一。由于量子点具有极高的光子转换效率,几乎可以将入射光的每个光子转换成窄光谱范围内的光子,换而言之,对于相同的色域性能,量子点显示屏需要更少的能量。以QD Vision的Color IQ显示方案为例,同等条件下相比传统LED电视可节省50%-100%的能量消耗。

  在成本方面,近年来量子点电视价格逐步下降,产品竞争力和普及度提升明显。以柏林消费电子展(IFA)为例,2014年仅有一款量子点电视展出,55寸电视价格为3000美元,而2015年IFA展会有30款量子点电视,其中,大部分55寸电视机价格均低于3000美元。

  在追求宽色域、低能耗的潮流背景下,量子点显示能最大程度达到Rec.2020标准,同时大大减少了能源消耗,结合其成本下降趋势和发展速度,预计未来量子点显示方案将逐渐成为市场主流选择。

  QLED的结构与OLED技术非常相似,只是将OLED的有机材料替换成量子点无机材料,同样是由电致发光而无需背光模组,使得产品相比QD LCD技术更轻薄,更节能,同时解决了液晶显示产品固有的漏光、对比度低、可视角度差、响应速度慢等问题。此外,QLED具备制造曲面屏的潜质,使其潜在应用领域拓展到手机、平板电脑和智能穿戴设备等。

  QLED对标的竞争对手是新一代显示技术OLED。经过近二十年发展,QLED在对比度、视角、外量子效率等方面已经与OLED不相伯仲,而在色域、寿命、能耗指标取得领先。未来二者的竞争最要集中在成本方面,更低成本的方案将抢占更大的显示市场。

  QLED的屏幕囊括了小于1英寸的微显示屏到大于80英寸的超大屏,其应用场景包括可穿戴设备、手机、pad、个人电脑、家用电视和家庭影院,前景十分广阔。

  与现有LCD产品对比,量子点显示产品成本仍较高,限制了其大规模推广。未来QLED与OLED竞争的关键因素也在于成本,两种技术路线谁的成本能率先实现突破,可能就决定了未来显示领域的发展方向。后文将深入进行成本分析。

  现在量子点产品的使用寿命为2-3万小时,对比传统LCD仍有差距。2014年浙江大学彭笑刚教授等人研发出寿命超过10万小时的深红色QLED器件,表面相关技术突破仍在不断进行中。

  如果量子点显示的未来按照IHS等调研机构的乐观预测发展,未来量子点材料将供应不足,而有能力制造高质量量子点薄膜的公司也只有3M等少数厂家,所以量子点显示领域未来发展可能会遇到产能瓶颈问题。

  量子点产品涉及到高端纳米材料,整条供应链技术壁垒较高,而传统LCD 生产厂家产值低、技术水平有限,未来大规模发展可能面临供应链问题。

  近年来量子点显示市场发展迅速,市场潜力较大。其中,量子点背光源技术(QD LCD)已经比较成熟,目前市场上的量子点显示产品均采用该方案,预计几年内市场规模将迅速成长。而量子点发光二极管显示技术(QLED)技术难度较高,尚未实现商业化,由于QLED 性能更为优越,预计相关技术取得突破后,市场空间更大。

  据IHS 数据,2015 年QD LCD 显示产品出货量为170 万台,预计到2021 年显示产品出货量达到3130 万台,年复合增长率62%。而根据显示器供应链顾问公司(DSCC)较为乐观的预测,2016 年至2021 年量子点电视出货量将从400 万台增长至9520 万台,年复合增长率高达89%。无论是保守估计还是乐观估计,量子点显示市场前景都非常广阔。

  量子点电视是量子点显示市场最主要的产品,IHS 预计至2021 年,量子点电视销售量为2200 万台,2015-2021 年年复合增长率为58%,并占据量子点显示产品的绝大部分。

  量子点产品尺寸主要集中在40-70 英寸的电视机,IHS 预计未来占比保持在65%-84%之间;小于40 寸产品将随着量子点电脑显示屏、笔记本、平板电脑和手机的兴起而逐渐提升份额,预计到2021 年占比达到30%。

  据IHS 统计,2015 年采用On-surface 封装方式的量子点显示产品占总规模的75%,其余产品均采用On-edge 封装方式,而On-chip 封装方式由于技术难度较高, 预计到2018 年才能实现商用。

  近年来各国环保政策逐渐趋严,如欧盟制定RoHS 标准,严格限制电子产品材料中重金属含量,预计不含镉的量子点显示产品的市占率将从2015 年的65%增长到2021 年的84%。

  (二)QD LCD 成本分析:逐步趋近传统LCD,较OLED 具备绝对优势

  QD LCD 中市场规模最大、最成熟的显示方案是QDEF 薄膜,其成本变化将显著影响量子点显示的发展。据DSCC 预测,随着技术走向成熟,QDEF 成本将迅速下降,2016 年采用QD LCD 背光模组成本与传统LCD 背光模组成本相差89%(即77 美元),至2021 年,该数字将下降为19%(即8 美元)。

  具体按照55英寸、65英寸和75英寸三个未来主流显示器尺寸来分析对比QD LCD、OLED和传统LCD的成本。

  对于55英寸显示屏,预计QD LCD与传统LCD的价差将从2017年的25%缩窄至2021年的4%;而QD LCD与OLED的价差却反而扩大了,预计2017年OLED比QD LCD成本高99%,到了2021年上升至125%(即323美元),这也将直接推高OLED电视和量子点电视的价格差距。

  对于65英寸显示屏,2016年6G的QD LCD比6G的传统LCD成本高20%,至2021年,该比率下降至3%。预计从2018年开始,10.5G的QD LCD与传统LCD产品成本将开始低于6.5G产品,而OLED的10.5G产品需到2019年才开始商用。

  对于75英寸显示屏,预计到2021年QD LCD比传统LCD成本高3%(即21美元),折算成零售价贵60美元,而OLED比QD LCD成本高60%(即400美元),同样的,这也将直接推高OLED电视和量子点电视的价格差距。

  通过分析电视发展史中LED背光电视、1080P电视和智能电视等的发展路径,可以发现在新产品开拓阶段,新旧产品价格比率通常在2倍以上,随后随着新产品不断扩张成熟,产品价格比率逐渐趋向于1,而产品渗透率也逐步提高至接近100%。对于OLED,由于其产品技术难度大,特别是大屏产品良率低,导致产量不足,预计将停留在开拓阶段,享受高价红利但渗透率较低。而对于QD LCD,由于它是在传统LCD基础上进行改进,生产的技术难度和投资要求均较低,有望按照渗透率曲线发展走向大规模应用。

  根据DSCC预测,2016年量子点电视占比2%,至2021年该比例将提升至36%,而其竞争产品OLED至2021年占全部电视机比例不超过3%。

  QDEF售价区间参考DSCC的成本预测加成必要销售毛利率,取20-120美金/平米,变动单位20美金/平米;

  QD LCD的应用领域以大屏显示为主,且小屏产品对QDEF的消费量贡献不大,在此仅以全球电视出货量结合QD LCD电视渗透率为基础进行测算;

  测算结果显示,在相对保守和相对乐观的情形下,QDEF的市场规模分别为3.65亿美金和87.66亿美金,QDEF均有望在未来成为光学薄膜的一类重要单品。

  受技术瓶颈限制,目前QLED尚未实现大规模商用,IDTechEx预计到2026年QLED市场规模有望达到112亿美元,其中显示领域规模为96亿美元。