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量子點顯示 中國顯示行業“換道超車”的曙光

1、項目及背景

量子點是人類有史以來最優秀的發光材料。量子點顯示將為顯示行業帶來一場技術革命,可望實現高性能、低成本顯示。2016年8月,由浙江大學牽頭,納晶科技股份有限公司、TCL集團、福州大學、東南大學、中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所、中科院北京化學所、深圳市華星光電技術有限公司、武漢華星光電技術有限公司等單位共同參與的國家重點研發計劃項目“量子點發光顯示關鍵材料與器件研究”正式立項。

溶液量子點是一種可溶液加工,尺寸在量子限域內的無機半導體納米晶體。量子點具有優異的光學特性:全光譜發光、峰位連續可調、色純度高、穩定性好,有望成為至今為止最優秀的發光和光電材料。第一代量子點顯示技術-液晶(LCD)屏中的量子點背光源模組已經實現商業化生產。利用其優異的光致發光性能,用量子點取代傳統的熒光粉,極大地提升了顯示屏的色域。量子點在背光源模組中的應用表明,顯示屏色域可從72%NTSC提升至110%NTSC。這是傳統LCD難以企及的高度,也超越了以有機分子為發光中心的有機發光二極管(OLED)屏幕。2014底,國內電視廠商海信、TCL等宣布第一代量子點電視上市;2015年1月,三星在CES上宣布全新量子點曲面電視SUHD TV上市;2015年中期飛利浦(臺灣冠捷)推出了量子點電視和量子點顯示器。IHS數據顯示,2015年量子點電視銷量超過百萬臺。“量子點”已成為2014~2016年電視行業的TOP關鍵詞。

量子點顯示的下一發展目標是徹底擺脫LCD屏技術路線,開發有源矩陣量子點發光二極管(AM-QLED)顯示器件。這種全新的顯示技術將以QLED陣列作為高精度的紅綠藍三基色像素,即每一個像素都是一個獨立的QLED,并通過薄膜晶體管(TFT)陣列控制驅動電壓,從而實現高分辨的主動發光控制。相較于背光源-LCD屏,主動發光的AM-QLED屏在黑色表現、高亮度條件等場景下的顯示效果更加突出、功耗更小、可適應的溫度范圍更寬廣,并可以制備色域高達NTSC130%的顯示屏,超OLED屏約NTSC90%;QLED以更為穩定的無機晶體為發光中心,因而有潛力克服OLED穩定性不足的缺陷。更重要的是,AM-QLED屏的加工是以低成本的溶液制程為基礎,而且可與柔性塑料結合,并以其為襯底,從而在提供極大自由度的同時,可降低顯示屏的成本。然而,實現這一技術路線的一些關鍵難題尚無答案,包括:對量子點電致激發態和合成化學之間聯系的理解不夠;藍光QLED原型器件的效率和壽命亟待提升;對采用噴墨打印工藝制備QLED陣列關鍵工藝的積累尚不足;大屏QLED顯示器件仍是空白等。

從發展歷史和趨勢看,量子點顯示是新材料與高科技產業結合的典型案例。原創理論往往來自于大學,新技術離不開大學的支持。因此,各國科研機構和產業界相互聯合,建立了各自的產學研聯盟,有MIT支持的QD Version、Berkeley支持的NnaoSys、浙江大學-納晶科技股份有限公司、韓國三星-首爾大學-韓國技術研究院等,各聯盟相互競爭的局面業已形成。

2、研究進展

彭笑剛教授發明的“綠色量子點合成路線”(1999~2009年在Arkansas大學期間的工作),已成為目前量子點合成化學的主流技術。憑借該技術可以極低的成本、極簡單的設備,制得發光性能更優、更可控的量子點。以此技術為基礎,在美國成立了NN-Lab公司。2009年彭笑剛教授回國,全職加盟浙江大學,參與創辦了納晶科技股份有限公司。鑒于“綠色量子點合成路線”的關鍵專利,經美國政府批準,納晶科技洽購了NN-Labs公司,包含與公司相關的所有專利與技術。2014年,彭笑剛教授提出了“量子點激發態性質的合成控制”路線。在“尺寸與形貌單分散”的基礎上疊加了“光學和光電性質單分散”,其標志性成果有:合成激發態單通道衰變、100%輻射復合、非閃爍發光的量子點等,將溶液量子點合成化學推上了一個新臺階,達到了國際領先水平,極大推進了我國在量子點材料領域的研究進展。在此基礎上,彭笑剛與金一政課題組合作,制備了高性能紅光量子點發光二極管,其效率和壽命與OLED相當,其中有些指標如色純度、開啟電壓、效率滾降等甚至優于OLED (見圖 1)。該成果已入選2014年中國科學十大進展和“十二五”國家科技創新成就展。自此,在國際顯示行業掀起了一股追求QLED顯示的熱潮。2015年,彭笑剛提出“熵配體”概念,從而從根本上解決了包括量子點在內的無機納米晶體在常見有機溶劑中的低溶解度問題。目前,浙江大學和納晶科技股份有限公司通過共建實驗室,形成了緊密的產學研聯盟,并與國內顯示業龍頭企業TCL、海信等合作,共同參與國際競爭。

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1 Comparing the EQE of insulator insertednew QLED device based on solution-process with MIT-QD(真空蒸鍍空穴注入層)在不同電流下的EQE (右邊縱軸)。

注:小點為其他實驗室報道的QLED的最大EQE值。

3、展望與目標

量子點顯示領域已呈中、美、韓三強鼎立的局面,競爭激烈,鹿死誰手尚未可知。值得慶幸的是,我國在核心材料、原型器件以及制程方面有一定的先發優勢。

顯示行業是關乎國計民生的基礎產業。然而,在過去的30年中,我國大陸的光電顯示技術長期落后于日、韓,以及臺灣地區。從早期的CRT到現在主流的LCD,無論是材料、設備、制程還是知識產權均受制于海外企業。可以預計,未來5~10年將呈LCD和電致發光顯示(包括OLED和QLED)拉鋸并存的局面。目前,在OLED上韓國為第一陣營,我國仍處于追趕的位置。

量子點顯示技術作為一項“顛覆性技術”,為我國顯示產業突破國外技術路線的專利封鎖,實現“換道超車”提供了良好的契機。我們期待在國家重點研發計劃的支持下,從源頭創新,攻堅克難,努力攻克量子點顯示的關鍵難題,建立從覆蓋材料、器件結構到生產裝備和工藝的全產業鏈自主知識產權體系,增強我國量子點顯示技術的國際競爭力,生產具有自主知識產權的高性能、低成本的顯示器件,為我國顯示產業實現“換道超車”,走在世界前列奠定理論和實踐基礎。

 《浙江大學學報(理學版)》


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點擊次數:  更新時間:2016-12-23 15:32:34  【打印此頁】  【關閉
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