01 量子点光致发光技术简介
量子点是一种优异的半导体发光材料，具有独特的光电性能和广阔的应用前景。根据其物理特性，量子点在显示上的应用主要分为电致发光与光致发光两种方式。目前，基于电致发光的量子点发光二极管（AM-QLED）处于研发阶段，接近商业化。采用光致发光的应用主要包括量子点光转换膜/量子点扩散板、量子点彩色滤光片，前者已大规模应用于电视等产品中，通过在蓝光背光源上加一层量子点光转换膜/量子点扩散板，获得白光背光源，再结合液晶显示面板内部的彩色滤光膜，实现全彩显示，其色域、色纯度、分辨率都有明显的增强。
然而，通过量子点光转换膜之后的白光需要经过彩色滤光膜形成红、绿、蓝三个子像素，进一步去除多余颜色的光，即使是目前最佳的优化条件，这种设计依然会损失2/3的光效。
为进一步提升光效，量子点光致发光在显示上的另外一种应用就是量子点色转换技术（QD
Color Conversion，QDCC），将量子点直接形成红绿子像素，取代彩色滤光膜。通过蓝光OLED或蓝光LED作为激发光源，激发红绿量子点，把蓝光转换为红光和绿光，无需使用彩色滤光膜即可实现RGB三原色，从而实现显示的全彩化。
两种应用形式的面板架构如图1a和b所示。通过这种应用，以提高显示的亮度、获得更宽的视角，从而提升显示效果。同时只需要蓝光LED，与Micro-LED(Micro light-emitting diodes,又称μLED)/OLED(Organic light-emitting diodes)相结合，可以极大地提升良率和降低成本。
图1 量子点光学膜显示器示意图（a）和QDCC显示器结构示意图（b）[1]
02 Micro-LED产业化难点
以近年来研究火热的微显示技术Micro-LED为例，相比于LCD、OLED等显示技术，Micro-LED在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度、热稳定性等方面具有更大优势。这些优势使得Micro-LED可应用在AR/VR、可穿戴显示等对功耗、亮度、响应速度等要求比较高的应用上（图2）。
图2
Micro-LED显示技术的应用[2]
但是Micro-LED本身也存在很多问题：
1. Micro-LED发光效率低、存在表面缺陷。随着LED尺寸的变小，LED表面的缺陷会增加，同时存在侧壁效应，从而导致LED本身效率降低。而且由于缺陷的存在，随着LED数量增多，会出现发光不均匀的问题。
2. Micro-LED制造工艺复杂。尤其是需要使用巨量转移技术，将大量不同颜色的芯片转移到晶圆上，工艺复杂，成本高，高精度（±1μm）、高良率（＞99.9999%）转移难度大。而且后续还需对不良LED的进行剔除和返修处理。
3. 全彩化实现难度大。要实现Micro-LED的全彩化，传统的手段是需要RGB三种颜色的LED，每种LED的驱动电压不同，将提高对驱动电路设计的要求；其次，RGB三种颜色的LED，其材料的组成成分不同，由于不同材料的老化衰减曲线的差异，有更大的可能导致LED色准度在全寿命周期中的波动。
总之，要实现Micro-LED的商业化应用仍然存在着很多挑战。而采用QDCC技术，可有效解决以上难点。
图3
Micro-LED制备流程[3]
03 QDCC量子点色转换解决方案
采用QDCC技术，我们只需要转移一种颜色，即蓝色LED芯片，转移良率和精度大幅提升，而且不要驱动绿光和红光，可简化线路设计，同时降低芯片的制造成本（图4）。并且由于量子点本身优异的光学性质和高光热稳定性，LED发光的效率、稳定性、色纯度以及发光的均匀性都将会有明显的提升。
图4 传统全彩化Micro-LED制备过程（a）与采用QDCC技术的Micro-LED制备过程（b）[4]
基于量子点色转换技术的原理，要想进一步将量子点作为色转换材料应用于Micro-LED和OLED等显示设备，就需要对量子点进行像素化处理。目前，量子点像素化的手段主要包括喷墨打印技术和光刻技术。
喷墨打印技术基本原理是将红绿蓝量子点分别溶解于墨水中，然后喷涂在基板上，随后蒸发干燥形成量子点膜层。图5为量子点喷墨打印示意图。采用喷墨打印技术，需要考虑量子点在墨水中的溶解性以及量子点墨水的粘度，这在很大程度上会影响打印膜层的均匀性，从而影响最终的显示效果。同时由于量子点墨水在蒸发干燥过程中液滴边缘与中间区域的挥发速度不同，有可能在咖啡环效应的影响下导致量子点转换层厚度不均匀。
图5 喷墨打印技术示意图[5]
除了喷墨打印技术之外，还可以采用光刻工艺对量子点层进行图案化（图6）。相比于喷墨打印技术，采用光刻工艺可实现更高的分辨率，更适合于Micro-LED等微显示技术。采用光刻工艺，需要量子点保持极高的光热稳定性，量子点经过高温之后，可能会导致荧光效率降低。同时需要考虑量子点在光刻胶中的分散性，光刻胶自身的背光透过率以及与基底之间的附着力。
图6 量子点光刻工艺示意图[6]
04 QDCC量子点技术挑战
无论是通过光刻还是喷墨打印来实现量子点色转换，对于量子点来说，需要满足以下几个条件：
1. 量子点在高蓝光激发条件下要保持高效率，这需要避免重吸收、共振能量转移等问题，同时要避免绿光激发相邻像素的红光量子点，防止色彩串扰的问题。
2. 量子点在高蓝光吸收下保持高稳定性，对于QDCC的应用来说，如果量子点对蓝光的吸收太低，就无法实现色彩的高纯度和高色域，一般来说对蓝光的吸收至少要达到90%以上。
3. 量子点在加工过程中需要保持稳定性，包括与高分子之间的匹配性，加工过程中的光热稳定性等。
纳晶科技在量子点的性能与产业化方面长期保持着技术优势，包括高蓝光吸收、超高亮度转化率、超窄半峰宽等光学特性指标及50吨/年大规模稳定量产的能力。根据路线选择的差异，纳晶科技提供量子点墨水、量子点光刻胶等不同产品形态的解决方案，适配OLED、Mini/Micro-LED等不同技术形态。同时，可以根据客户具体需求（包括色域、亮度转化率、可靠性等）提供定制化的量子点产品。相信随着量子点合成技术以及与之相配的墨水、光刻胶等体系的不断开发与完善，量子点色转换技术必将会推动整个显示行业的进一步发展。
参考文献
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