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量子点LED的王者之路:道路曲折 前途光明
文章来源:最有料在线 2018-02-08 阅读:553

量子点LED是把有机材料或者LED芯片和高效发光无机纳米晶体结合在一起而产生的具有新型结构的量子点有机发光器件。相对于传统的有机荧光粉,量子点具有发光波长可调(可覆盖可见和近红外波段)、荧光量子效率高(可大于90%)、颗粒尺寸小、色彩饱和度高、可低价溶液加工、稳定性高等优点,尤其值得注意的是高色纯度的发光使得其色域已经可以超过HDTV 标准色三角。因此基于量子点的发光二极管,有望应用于下一代平板显示和照明。

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量子点的光学特性

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典型量子点发光波长范围

QLED器件制备方法

量子点发光二极管技术即QLED 技术,是基于量子点电致发光特性的一种新型LED制备技术,是真正意义上的量子点发光二极管。而基于量子点的背光源技术,其实质是量子点LCD即量子点加液晶面板,是对现有LCD 的一种改良,并不是真正意义上的QLED。

QLED 器件制备方法中,已经被成功证明的制备技术包括相分离技术、喷墨技术和转印技术三种。

▍相分离技术

相分离技术可以很好地制备大面积有序胶体单层量子点。量子点薄膜可以通过利用旋涂法从有机芳香族材料与脂肪族材料的量子点混合溶液中制备,在溶剂烘干时,两种不同材料分离,在有机半导体表面形成期望的单层量子点。这种方法可靠、灵活,同时可以精确地控制,重复性好。溶液浓度、溶液比例、量子点尺寸分布以及量子点的形状都会影响薄膜的结构。控制好这些因素可以获得高效率、高色彩饱和度的QLED。然而由于这种方法采用旋涂法,因此它只能制备单色显示屏。

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相分离技术示意图

喷墨技术

对全色显示来说,希望找到一种能够制作单层量子点图案的制备工艺,同时不会对材料与器件结构有更多的要求,而喷墨工艺就是符合这些条件的制备技术。喷墨技术就是用微米级的打印喷头将制备好的有待殊功能的“墨水”喷涂在预先已经图案化了的ITO 衬底上形成像素单元。利用喷里法能精确控制量及位置的按需分配,可降低生产成本,还能实现大面积大尺寸显示。

转印技术

转印技术是首先将量子点溶液涂在硅板上,然后蒸发,再将突起部分进行压制成量子点层,去掉表层后转压到玻璃基板或塑料基板上,该过程就实现了最子点到基板的转移。

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转印技术示意图

 

量子点LED 的应用

量子点LED 主要有两个应用方向:一个是利用量子点背光源技术的量子点LCD,另外一个是量子点发光二极管QLED。在这两种应用方向中,量子点LCD 的应用较为简单成熟,已经有相当多的产品出现,而相比之下QLED 还在不断发展改进中。

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量子点LED 的应用

由于量子点LED 采用了量子点材料,所以其自然而然也就具备了量子点材料相对于有机荧光材料的诸多优势。

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QLED 与OLED 及LCD 的比较

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量子点LCD 与OLED 结构示意图

量子点LED 的应用市场分为QLED和量子点LCD,由于QLED商用化还不够成熟,现在的量子点LED 应用市场基本上被量子点LCD占据。

(1)全球QLED 应用市场预测

虽然现在所有的目光都集中在量子点LCD 上,但QLED 才是真正意义上的量子点发光二极管,有望成为下一代OLED 显示屏技术。

根据IDTechEx Research 前瞻性预测,到2026 年QLED 的市场规模可以达到112 亿美元,显示领域的市场规模为96 亿美元,占比约85%。

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QLED 应用市场规模预测(百万美元)

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QLED 显示技术应用前景


(2)全球量子点LCD 应用市场预测

量子点显示技术在上世纪90 年代就已经问世,但它直到最近才开始在电视市场里流行起来。液晶面板已经发展了几十年,主要的提升在于背光技术的发展,LED 背光目前已经成为主流,相比传统冷阴极荧光灯背光拥有更好的显示效果。

但显然LED 背光也并非万能,所谓的“White LED”光谱范围十分广泛,所以为了显示更饱和的红、绿、蓝色,需要更精准的调光技术,也存在一些瓶颈。自发光的OLED 具有更好的色彩还原效果,但成本非常高,市场接受度低,大规模地量产很不现实。量子点则是一种液晶显示技术中更为高效的显示技术。量子点能够将纯蓝色光源转换为红、绿色,抑制偏色状况,实现更平衡的三原色输出。同时,它的功耗和成本也要比OLED 更低。考虑到量子点技术能够带来更高的能效和色彩表现,同时还可降低成本,量子点LCD 可能很快就会成为高端电视市场里最热门的选择。

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三星SUHD 量子点电视

2015 年量子点LCD 的市场规模为7760 万美元,预计到2020 年市场规模可达4.77 亿美元,同比增长515%。可以看到,未来五年量子点LCD 的市场规模将呈现爆发式增长的状态,潜力巨大。

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量子LCD 市场规模预测

全球主要量子点生产厂商

目前全球大约有六十家单位在进行量子点的研究,包括企业、大学、研究机构等,其中三大世界领先的量子点材料制造商-英国的Nanoco、美国的QD Vision 和德国的Nanosys,已逐步形成三足鼎立的态势,这三家公司几乎把市场瓜分殆尽,而杭州纳晶科技股份有限公司是国内唯一一家具备量子点技术研发实力的企业。

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三大世界领先的量子点材料制造商

(1)英国Nanoco

英国Nanoco 成立于2001 年,其市场定位是环保型无镉量子点(CFQD)的生产商和供应商,其与美国陶氏化学合作试制的使用无镉(Cd)量子点的液晶显示器于2014 年6 月2 日在

“SID2014”期间进行了展示,采用“On-Surface”的封装形式,但尚未有应用产品的公开报道,另外三星即将量产的量子点背光材料主要来自Nanoco 和陶氏化学.

Nanoco 量子点材料业务概况:

1、背光显示:CFQD 可以显著增加显示色域(提高30%)使影像更逼真,色彩更艳丽,且无需改变现有LCD 及LED 显示的工艺模式,成本更低,更易于被广大LCD(LED)厂商所接受。应用方向:手机面板、平板电脑、电脑显示屏、电视等。

2、照明:通过控制CFQD 的尺寸可以精准地调节光的色温及显色指数,从而达到客户对光的个性化需求。另外由于CFQD 更为优异的光电转化效率,可以减少LED 光源的使用量而达到更加节能的目的。应用方向:LED 封装、LED 照明装置、LED 灯具、LED 照明产品等。

3、薄膜太阳能:Nanoco 生产的纳米粒子(CIGS)具有很好的光电转化效率,与现行的加工方法不同,该纳米粒子可以通过溶液法制作薄膜太阳能电池,材料利用率到达90%,远高于现行的蒸镀法和溅射法(<50%), 因此成本更低。同时利用Nanoco 纳米粒子制作的薄膜太阳能电池成品率高,薄膜均一性好,产品寿命长,而且可以用于柔性基质,适用性广。应用方向:薄膜太阳能领域。

4、生物医药:水溶性CFQD和功能化CFQD,应用方向:生物成像、体内体外活体诊断。

(2)美国QD Vision

美国QD Vision 于2004 年由世界著名麻省理工学院(MIT)的研究人员创立,其中包括量子点显示技术之父Moungi Bawendi,其除了拥有超过250 项专利和申请中的专利外,还获得了包括由美国环境保护署颁发的著名“总统绿色化学奖”在内的诸多奖项。其与美国Nexxus

Lighting 合作于2009 年推出了商业化的量子点照明光源,2013 年发布的量子点背光管应用于日本Sony 公司的电视机,采用了“On-Edge”的封装方式。QD Vision 声称其量子点光学部件的月产量可达100 万个。

QD Vision 是量子点显示技术领域的领导者,其Color IQ 量子点显示技术提供的独特组件方案可以使显示器输出“全域”色彩。自2013 年以来,该公司已售出超过一百万件的Color IQ光学器件并持续与电视和显示器市场的品牌商包括TCL、海信、飞利浦和康佳合作,采用ColorIQ 技术的量子点电视和显示器目前已在中国、日本和欧洲等地上市。

Color IQ 量子点显示技术是一种由QD Vision 研发的高级发光半导体技术,相关产品采用量子点材料制备而成,能发射出非常纯净、非常饱和的窄带宽红、绿、蓝光,通过集成ColorIQ 光学组件和客户的显示技术,液晶电视可以实现更广的色域和100% NTSC 标准。应用方向:大屏液晶电视、个人电脑、工作站显示器、智能手机、照明领域等。

(3)德国Nanosys

德国Nanosys 成立于2001 年,是量子点显示技术的领导者之一,该公司握有超过300 项量子点显示的相关专利,其2012 年与3M 公司合作研发了量子点加厚薄膜(QDEF)技术,利用QDEF 技术不仅可以将色域由NTSC 比70%扩大到100%,用液晶面板亮度与背照灯功率之比表示的发光效率也提高了约50%,其采用了“On-Surface”的封装形式。

Nanosys 量子点材料业务主要包括量子点浓缩液和QDEF 技术,该公司目前拥有世界最大的量子点浓缩液生产基地,年产量25 吨,同时具备每年为600 万台60 英寸量子点电视提供量子点材料的能力,2015 年之后将会陆续推出一系列新型量子点产品,例如量子点管道。该公司与一些知名的电脑和显示器品牌商如3M、三星、夏普和LG 建立了紧密的合作关系,其产品广泛应用于平板电脑、电视,智能手机等。

(4)杭州纳晶科技股份有限公司

纳晶科技成立于2009 年8 月,是一家以量子点半导体新材料为技术核心的国家级高新技术企业,主要业务是量子点新材料的研究、制造及应用技术与产品的开发,在新型量子点材料的设计、合成及表面修饰居于全球领先地位,是国内唯一的一家新三板上市公司,具备雄厚的科研实力。

纳晶科技主营业务概况:

1、量子点材料:分为四个产品体系-含镉量子点试剂、无镉量子点试剂、金属纳米晶和氧化物纳米晶,广泛应用于发光器件、太阳能电池、催化、生物标记和生物医药等领域的基础研究和应用开发。

2、Color In 量子点显示技术:产品包括量子点光转换器件(Q-LCD)和量子点光转换膜(QLCF),广泛应用于电视、显示器、手机等终端产品。

3、QLED:已建立OLED 印刷显示项目研究中心,正积极推进QLED 印刷显示技术的产业化开发。

4、生物医药:成立全资子公司北京纳晶生物科技有限公司,致力于量子点在生命科学领域的应用与推广,产品有量子点标记物、量子点标记试剂盒、量子点快检平台等。

5、纳晶自然光:运用独家的量子点纳米晶与美国CREE 全球授权远程激发技术相结合,研发出基于自然光光谱模拟技术的3D 硅胶球面罩发光器件,与自然光健康可见光谱区域95%以上重合,是目前为止最接近自然光的人造光源。

 

当前QLED 的主要问题

1、制备成本

QLED 器件的制作成本大致可分为原材料的成本和处理这些材料的制造成本。由于目前QLED 都采用类似的工具箱薄膜处理技术,例如喷墨和微接触印刷,热蒸发定量和溅射等,虽然QLED 在结构和制作技术上比OLED 减少了很多成本,但是高要求的制备环境使其与商业

化仍有一段距离。

2、使用寿命

目前QLED 器件在最低视频亮度(100 cd/m2)上的寿命仅为100-1000 个小时,远远小于显示器需要的寿命(大于10000 小时)。由于目前缺乏深入的理论研究,所以造成器件寿命短

的因素可能有很多。由于QLED 器件一定程度上是在OLED 基础上演变而来的,所以作为QLED 电荷传输层的有机物的某些固有不稳定性质可能是其器件寿命短的一个原因。在这个基础上,改善器件中的有机物的稳定性成为增加QLED 寿命的一个研究方向。

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