1 引 言显示技术是当今人类社交与娱乐的基石，近10年，OLED、Micro-LED与激光投影等诸多显示技术取得了长足的进步，其中，搭载量子点材料的液晶显示技术受到了产业界和消费市场的广泛关注。量子点是可溶液加工的半导体纳米晶材料，其尺寸小于激子波尔半径。量子点材料具有发光半峰宽窄、光谱可调、光电转换效率高等优势，被认为是下一代极具潜力的显示材料。量子点显示技术分为两类：一是基于量子光致发光的QD-LCD（量子点背光液晶显示），二是基于量子点发光二极管的QLED，后者在未来Mini-LED、Micro-LED与QD-OLED等技术上具有巨大的发展潜力［1］。2013年，索尼推出了全球第一款搭载量子点背光的液晶电视（QD-LCD）；2014年，TCL在CES展和IFA展上展出QD-LCD，随后三星等国际国内品牌纷纷跟进，量子点电视成为电视产业中的一个新兴品类，在全球市场推广开来。2020年，QD-LCD的销量已经超过千万台［2］。根据国际知名机构Omdia的统计和预测，全球量子点电视的总体出货量将从2018年的270万台增长到2025年2 000万台［3］。此外，随着量子点扩散板、QLED等量子点全新技术路线的日渐成熟，面对来自需要更低价格的中低端市场和呼唤更极致性能的高端市场的双向冲击，量子点技术的未来将更加广阔。CINNO Research预测，至2024年全球量子点显示材料用量将突破22吨，年均复合增长率达到52%。从我国的显示产业的结构看，2021年我国已经成为全球LCD面板出口的第一大国，出货量占全球的70%左右。我国近10年来更是投资了1.2万亿，建成了20条高世代的LCD面板生产线［4］。由于LCD显示技术的原理问题，我国在与日韩OLED面板技术竞争中一直处于劣势地位，而随着量子点技术与LCD显示技术的结合，使得LCD电视在亮度、色域、护眼、能耗等方面超越了OLED，对我国的LCD产业的竞争力进行了极大的补充，保障了我国LCD产业和技术在国际竞争中的竞争力。虽然量子点被认为是优秀的显示发光材料，QD-LCD在显示市场已经崭露头角，然而，量子点在未来显示领域的产业化仍然存在技术瓶颈。本文从产业发展的角度阐述了显示技术的关键指标，分析了目前量子点主要应用的材料体系，总结了量子点显示技术发展与产业化挑战；展望了量子点显示技术未来在Micro-LED、VR显示等领域的发展趋势。2 显示技术的关键指标2.1　色域显示器色域代表着其能展现的最大颜色范围，人眼通过3种视锥细胞感知红、绿、蓝三原色，相应的，显示器通过发出三原色展现出各种色彩。国际照明委员会（International Commission on Illumination，CIE）于1931年首次定义了色彩空间，红绿蓝三原色在色域图上所围成的三角形区域表示显示器的色域。三原色的色纯度越高，坐标越靠近光谱色曲线；色域三角形面积越大，显示器的色域越广，色彩越丰富。为了衡量不同显示器的色彩范围，业界制定了系列标准，包括美国国家电视标准委员会（National Television Standards Committee， NTSC）制定的高清电视的显示标准、业界制定的sRGB（Standard Red Green Blue）等。从色域图可以看出，三原色的色纯度直接影响着色域三角形的大小，当三原色逼近光谱色，显示器的色域也会接近极限，因此，理想的显示材料的发光光谱应当具有极窄的发光半峰宽。目前，传统LCD所使用YAG荧光粉的发光半峰宽大于120 nm，导致显示色域小于70%NTSC。相比之下，量子点的发光半峰宽可以小于20 nm，市面上的QD-LCD的色域覆盖率已达NTSC 100%。2.2　亮度亮度分为显示器的物理亮度与人眼响应的感知亮度。物理亮度是一个可测量的物理概念，物理亮度的提升可以丰富画面的明暗细节。在同等的激发光源下，理想的发光材料需要有宽的吸收光谱范围与高的量子效率（材料发射光子数与吸收光子数之比）。感知亮度指的是人眼对不同颜色的体感亮度，它与显示器的物理亮度、观看者的心理、环境等因素相关。早在20世纪，人们就发现在相同的物理亮度下，人眼对颜色的感知亮度随着色纯度的增加而提升，这一现象被称为亥姆霍兹-科尔劳施效应（H-K效应），近10年，随着显示材料的色纯度不断提高，感知亮度也有了显著的提升，针对OLED、LED投影与QD-LCD等显示技术的H-K效应已被广泛报道。2.3　显示寿命与稳定性目前显示产业普遍要求显示终端的寿命大于5年。为了加速老化试验，通常会使用一系列的加速老化试验手段。对于光转换材料而言，一般常用的是高温高湿（60 ℃，RH90%）存储和高温高湿（45 ℃，RH90%）老化试验。对于电视机而言，要求高温高湿存储时间1 000 h，整机的光衰小于10%，高温高湿老化1 000 h，整机光衰小于10%。因此除了优异的发光特性外，也需要显示材料本身具有优越稳定性。2.4　对比度对比度主要用来衡量显示终端明暗对比能力，根据应用场景和测量方法的不同，又可分为同时对比度、韦伯对比度、迈克尔逊对比度。高对比度不仅可以显示更大的动态范围，对于人眼视觉感知的清晰度、层次感也有较大的增强作用。3 显示技术的量子点材料最早应用于显示技术的量子点主要为核壳结构的硒化镉量子点，然而由于镉的生物毒性，欧盟的ROHS环保标准规定：使用量子点部件的镉含量（质量分数）应小于1×10-4。从未来量子点材料技术的发展趋势来看，低镉化和无镉化将成为所有终端产品的选择。低镉量子点技术，目前行业内有两种实现的方案，第一种是以Nanosys推出的CdSe+InP量子点混合方案。通过两种量子点材料的组合设计，可有效地减少量子点器件内的镉含量，同时兼顾亮度与色域值。第二种是行业内的主流技术，使用高发光效率的CdSe量子点材料，结合量子点合成技术工艺，在保证规定亮度与色域的同时，降低了产品中CdSe量子点的含量，实现了量子点器件Cd含量小于1×10-4。CdSe量子点体系包含Cd、Se、S、Zn四个基础元素，通过调整量子点核壳结构的设计，重新调整4个基础元素质量的比例，减少Cd的质量占比，使单颗纳米量子点材料的Cd含量降低，整体器件的Cd含量值符合ROHS环保标准。无镉化的量子点技术，代表材料包括InP、钙钛矿等。InP量子点被认为是代替CdSe量子点很有潜力的材料，具有优异的发光性能，然而其复杂的合成方法阻碍了其产业化发展。近10年，国内首创的钙钛矿量子点体系发展迅速。钙钛矿量子点具有窄发光半峰宽、高量子效率、可溶液法制备等特点。我国在钙钛矿领域的研发一直处于领先地位。北京理工大学钟海政课题组是国际上最早开展钙钛矿量子点研究的小组之一，2015年报道了高效率发光的有机-无机杂化钙钛矿量子点及其显示应用，2016年发明了钙钛矿量子点光学膜的原位制备技术（授权中国、美国、韩国、日本、欧洲专利）。2016年北京理工大学成立了学科性产业化平台——致晶科技（北京）公司，开展钙钛矿量子点的产业化。在国家重点研发计划战略性先进电子材料重点专项“量子点背光关键技术开发及应用示范”的支持下，北京理工大学/致晶科技公司与TCL、合肥乐凯等单位合作，2018年开发了全球首台搭载钙钛矿量子点的样机，并在同年的CES和SID会议展示。2019年他们将钙钛矿量子点膜片首次用于工程机应用，在此后的2021年TCL与致晶科技在国家科技部重点专项的支持下发布了首批钙钛矿量子点应用产品（75M10）。与传统的CdSe、InP等量子点材料相比，钙钛矿量子点的原位制备技术是规模化制备高质量量子点的关键，为我国在量子点显示技术的发展提供了弯道超车的机会［5-6］。其中3种量子点材料体系的对比见表1。10.37188/CJLCD.2022-0395.T001表1三种量子点体系性能对比Tab.1Performance comparison of the three quantum dot systems性能参数II-VI族CdSe等III-V族InP等钙钛矿ABX3等光谱范围/nm450~650500~1 300400~800半峰宽/nm20~4030~5020~50量子效率非常高高非常高制备工艺复杂非常复杂简单技术壁垒国外控制国外控制无突破进展1993年2002年2015年稳定性最好较好较好在未来强调无镉化以及国有自主知识产权的大背景下，新型的钙钛矿量子点材料将会逐渐成为现实领域的新势力，在将来的产业应用中发挥更大的作用［7］。4 量子点显示技术发展量子点与液晶显示技术的结合可以追溯到2012年，最先采用的是量子点管的技术，原理如图1所示。由于当时侧入式入光为显示器的主流结构，因此该技术在侧入式LED前加装支架，将真空封装了量子点材料的玻璃管嵌入蓝光LED与导光板之间。然而，玻璃管内较高的量子点浓度导致了如下问题：一是高热，由于发光能量集中，玻璃管内的温度接近120 ℃；二是自吸收现象严重，发光效率低；此外，玻璃管的力学强度差，存在由温度变化所导致的玻璃管断裂问题，所以这种技术形式存在的时间并不长。10.37188/CJLCD.2022-0395.F001图1量子点管应用示意图Fig.1Schematic diagram of quantum dot tube application2015年，3M公司与美国Nanosys公司推出了量子点膜片的技术方案，如图2所示。量子点膜片的成本构成中水氧阻隔膜占比50%，量子点占比35%，胶水占比15%，如图3所示，量子点膜片位于导光板或扩散板上方。相较于上一代的量子点管方案，这种技术方案解决了量子点在光激发过程中的散热问题，光转换效率大幅提升了30%。由于使用膜片封装的形式，量子点技术的应用场景大幅增加，无论是侧入式、直下式、曲面显示等产品形态均可以使用，因此，量子点膜片的广泛应用使得量子点技术在显示产业迅速普及开来。然而，量子点膜片的成本较高，阻隔膜95%以上信赖于国外进口，成本优化空间有限。背光方案应用中需要增加一张单一功能的光转换膜片，在结构设计上无法兼容不具有量子点功能的产品。10.37188/CJLCD.2022-0395.F002图2量子膜片应用示意图Fig.‍2　Schematic diagram of quantum dot film application10.37188/CJLCD.2022-0395.F003图3量子膜片成本构成Fig.3Cost composition of quantum diaphragm为了解决上述问题，自2016年创亿达有限公司与TCL合作开发了量子点扩散板，其原理是将量子点膜片与扩散板整合，开发出具有三层挤出结构的量子点扩散板，具体结构如图4所示。10.37188/CJLCD.2022-0395.F004图4量子扩散板截面图Fig.4Cross section of quantum diffusion plate量子点扩散板通过量子点材料的合成优化技术和自包裹技术，解决材料因水氧的氧化导致缺陷增加的问题，极大地提升了量子点材料的稳定性［8］。量子点扩散板的挤出成型的工作温度一般在230~280 ℃，这对量子点材料的耐高温性能提出了挑战。传统的量子点材料结构，在高温达到250 ℃的条件下，其表面的配体会脱落，核壳层结构缺陷大幅增加，发光效率严重降低，且量子点材料也极易被氧化，无法应用于产品中。为了克服量子点材料高温猝灭，需要在量子点核壳外层再包裹一层致密层材料，使量子点材料与PS或PMMA等材料在高温熔融共混过程中不会产生缺陷或壳层脱落的问题。一般地，量子点扩散板都是采用3层共挤的结构设计。量子点材料位于量子点扩散板的中间层，上下两层为扩散层。基于不同的量子点材料应用需求，上下两层扩散层可以通过调配不同的助剂实现相应的功能。特别是应用于Mini-LED背光产品上，量子点扩散板既要提供光转换功能，同时也需要解决Mini-LED的光均匀性问题。在量子点扩散板的上下结构层，采用化学发泡或物料发泡的技术工艺，在上下结构层内部形成具有一定密度值的气泡分布，提高光源的反射折射次数，使光源进一步的均匀化。如果在上下两层扩散层中添加致密的材料，可在一定程度上阻隔外界的水氧，提升量子点扩散板的光衰可靠性。可以在上下两层调配不同浓度的扩散粒子，实现光的均匀化。近几年发展的Mini-LED对量子点扩散板的光扩散功能提出了更高的要求。为了在亮度与均匀性上取得平衡，一种发泡技术也应用在量子点扩散板中。通过在上下两层扩散层采用发泡技术，使这两层内部形成具有一定粒径分布的气泡，可以在有限的空间中增加光的反射概率，提升扩散层的光雾化效果［9］。目前，量子点扩散板的性能不仅与量子点膜片相持平，并且成本更低，结构兼容性更好，目前这种技术已经在市场终端得到了广泛的应用。除了量子点扩散板，韩国三星公司报道了基于QDCF技术的QD-OLED技术［10］，如图5所示。该技术使用蓝光OLED作为背光源，实现像素级控光，在此基础上，将原来LCD中红绿子像素的色阻材料替换成光致发光量子点材料，从而实现了像素级控光与量子点技术的结合［11］。10.37188/CJLCD.2022-0395.F005图5QDCF技术与QD-OLED技术原理图Fig.5Schematic diagram of QDCF technology and QD-OLED technology综上所述，量子点材料正从单一部件向多功能器件集成。搭载量子点扩散板的LCD是目前的主流机型，此外，量子点膜片也可被应用于Mini-LED显示器中［12］；而QD-OLED技术具有广视角、高色域、高亮度、像素级控光等优点，是量子点显示技术的高端代表。5 量子点显示技术的优势与产业化挑战色域的提升是显示技术迭代考虑的首要因素。随着量子点技术的应用，液晶电视的色域从原来NTSC 72%已经提高到目前DCI-P3 95%以上。已经量产的QD-OLED产品色域高达BT2020 90%［13］。量子点技术使液晶电视的色域实现了质的飞跃。基于量子点技术的色彩变迁如图6所示。10.37188/CJLCD.2022-0395.F006图6量子点技术色域提升趋势Fig.6Increasing color gamut of quantum dot technology现阶段主流厂商均以DCI-P3的色域标准来评价量子点电视的色域水平，量子点材料的绿光峰值波长设计值在535~540 nm，红光峰值波长设计值在620~625 nm，半峰宽30 nm，搭配市面上主流的液晶屏，可实现DCI-P3 95%以上的高色域画质［14］。随着技术的发展，更高色域水平的BT2020色域标准将逐渐成为行业推广的主流。对于QD-LCD，色域的表现由背光和液晶屏两者匹配实现。为了达到更高色域的画质水平，量子点材料需要实现更窄的半峰宽，通过技术的迭代，现在实验室里已经完成了半峰宽20 nm的量子点材料技术研发。同时，红绿量子点材料的峰值波长同步进行调配，绿光峰值波长设计值在525~535 nm，红光峰值波长设计值在640~645 nm，可实现更高纯度的红绿光显示。BT2020高色域画质的实现，也需要液晶屏的彩色滤光膜（CF）设计匹配。由于传统的液晶屏的蓝色和绿色CF的穿透光谱存在较大面积串扰，使得搭配量子点背光无法同步兼顾蓝光和绿光的色纯度［15］。因此，液晶屏的蓝色和绿色CF穿透光谱需要进行优化，以减少蓝场漏绿光，绿场漏蓝光的问题。CF穿透光谱的优化，目前行业内有两种技术方案。第一种是基于现有的色阻材料，在CF结构设计上，增加RGB三种色阻的蒸镀厚度值以减少RGB色阻串扰值，改善RGB三个颜色像素的色纯度。第二种是开发新型色阻材料，针对量子点背光的发光光谱分布值，通过缩窄色阻材料的穿透光谱宽度值或调整色阻材料穿透光谱的峰值波长，匹配量子点背光光谱达到一种最佳的RGB三颜色分光，最大限度地减少单色光之间的串扰。再搭配超高色域的量子点背光，可实现BT202090%的色域水平，测试结果见图7。10.37188/CJLCD.2022-0395.F007图7高色域量子点测试结果Fig.7High gamut QD test results量子点色纯度的提升除了进一步提高了显示器的色域，还可以显著提升显示的感知亮度。研究指出：显示器色域的提高不仅能提升显示产品的色彩表现力，还会对人眼感知的亮度和对比度产生影响，提升人眼对画面质量的综合感知。2021年，TCL与北京理工大学合作，展开了关于量子点背光液晶显示技术的H-K效应的研究，通过结合Kaiser理论模型、Nayatani理论模型与测试结果，证实了在电视终端正常显示的亮度范围之内，量子点电视比传统LCD电视有着更加显著的H-K效应，并且量子点电视更受实验观看者的青睐［16］。该研究对比了搭载量子点背光的高色域液晶显示器与传统的基于YAG荧光粉液晶显示器的感知亮度与物理亮度，结果表明，在相同的感知亮度下，量子点电视的物理亮度值越低，量子点电视的H-K效应越明显。最终的测试结果显示，在200~400 cd/m2范围内，量子点电视的视觉感知亮度比同等条件下普通色域的电视高出30%。此外，由于量子点电视色域的增加，人眼感知亮度的增加，使得人眼感知的对比度和清晰度也大幅增强；通过图片对比可以看出量子点电视相较于普通电视，量子点技术带来的丰富的颜色加剧了显示画面色彩间的冲突［17］，衬托出强烈的色彩对比度以及清晰度，实际的显示效果增强如图8所示。10.37188/CJLCD.2022-0395.F008图8量子点对对比度和清晰度增强效果图Fig.8Contrast and sharpness enhancement by quantum dots量子点技术不仅可以提升人眼的感知亮度，还可以有效缓解人眼疲劳。2020年TCL与中国标准化研究院张运红老师团队合作，开展了关于视觉疲劳的人因工效学研究，研究结果表明：在同等条件下，量子点电视相较于普通电视可以有效减少人眼的疲劳程度，增加用户的认知效率和速度［18-19］。近几年，实现碳达峰碳中和对显示的节能提出了更高的要求。上述研究表明，量子点技术的H-K效应确保了量子点显示在降低物理亮度的情况下，仍然保证视觉感知亮度，从而实现了节能效果；此外，量子点显示在一定程度上实现了保护人眼健康，是显示产业对于终端用户社会责任的体现。6 量子点显示技术的未来发展趋势近年来，Mini-LED背光、Micro-LED等新兴技术和“元宇宙”AR、VR等概念得到了迅猛发展，这些技术和概念也已经与量子点技术实现了快速的融合，向着高色域、高亮度、高对比度、快速响应、低功耗等方向进展。对于Mini-LED技术，其发光芯片数量超过10 000颗，在每颗芯片上封装荧光粉的成本太高，也很难保证出光的均匀性。量子点膜片技术在保证色彩均匀性的同时，还可提升色域、降低成本，所以是目前Mini-LED背光产品的标配［20］。在AR、VR的Micro-LED显示领域，量子点技术已经成为主流［21］。AR、VR等近眼显示要求像素尺寸小于3 μm，OLED技术受限于制备中用到的光罩尺寸技术瓶颈，像素尺寸一般为15 μm；而LCD技术受限于背光板分辨率，像素尺寸一般为30 μm［22］。相比之下，Micro-LED正在成为微显示领域未来的发展方向。由于Micro-LED用于微显示时，使用蓝色晶圆直接与CMOS芯片键合，从而避免了巨量转移问题［23］，但为了可以实现三基色的全彩显示，需要使用光转换材料进行绿色和红色的转换。在目前的光转换材料中，量子点的粒径最小，利用光刻工艺覆盖于Micro-LED芯片上，可以解决Micro-LED用于微显示领域的色转换问题［24］。所以使用量子点与Micro-LED相结合实现全彩发光，是Micro-LED实现产业化的不二法门［25］。随着元宇宙产业的兴起，显示技术的集成化、微型化已经成为未来显示发展的大方向。这种趋势必然会带来显示尺寸微型化与高亮度、高光效、低功耗之间的矛盾，而量子点材料的零维半导体尺寸和可以使用光刻工艺进行高精密加工等特点恰好符合了未来显示技术的这一关键需求，所以未来无论哪种微显示技术兴起，量子点作为其中重要支撑技术将发挥越来越重要的作用［26］。从显示技术的角度看，目前量子点技术产业化主要存在以下亟待解决的问题：（1） 量子点扩散板稳定性问题。量子点扩散板是液晶背光的核心部件，随着Mini-LED技术的发展以及背光模块的超薄化设计，量子点扩散板需要承受高温与高强度蓝光，这对量子点扩散板的稳定性提出了更高的要求。（2） 背光器件的集成化设计。量子点扩散板除了实现光转换还可集成多种光学功能，后续需要考虑基本量子点扩散板本体材料，增加匀光和聚光功能，实现背光器件的一体化设计。（3） 超高清显示的功耗与亮度平衡。显示器背光透过率会随着显示器分辨率的提升而降低。在同功率下，由于人眼视觉函数和电光转换效率的原因，使用量子点技术电视的亮度会比传统电视低20%。因此，超清量子点显示器的功耗会比传统LCD更高。近日，欧盟发布了显示器功耗新规，要求进一步降低显示器的能效指数标准（Energy Efficiency Index，EEI），并同时规定了4K与8K电视的功耗极限，例如1 651 mm（65 in）的4K或8K电视的功耗不得超过112 W。该新规将导致目前在欧洲市场的8K电视无法继续销售。为了符合功耗新规，需要进一步提高量子点电视的整体光效，如何在不损失亮度的情况下达到欧盟新的能效标准，甚至通过量子点性能与屏的匹配技术实现节能，将是未来量子点技术发展的一个重要方向。7 总 结经过近10年的快速发展，量子点技术在各个层面都得到了充分发展，配套的产业链也越来越成熟，但其中仍然有值得关注的热点。从材料体系看，CdSe和InP的量子点技术趋近成熟，而新型钙钛矿量子点方兴未艾，有可能在不久的将来引领下一个量子点技术的潮流。从量子点技术的应用形式看，量子点扩散板、QD-OLED等新的应用技术的兴起，将会使量子点技术在显示产品上得到全面的普及，从高端到中端，量子点技术将会在显示产业应用中迎来爆发的10年［27］。更值得欣喜的是，随着业内对于量子点特性的研究不断深入，量子点显示技术的其他功能将会不断被消费者所认可，例如在画质整体提升、护眼、节能等方面。量子点技术作为目前显示领域的重要分支［28］，与几乎所有的新型显示技术都在不断地结合，对于液晶显示更是起到了加强液晶显示技术竞争力，保障产业安全的作用。