摘要：量子点发光分为光致和电致两种方式，在显示领域具有独特的优势和广泛应用前景。文章研究了量子点LCD和QD-LED两种新型显示技术和实现方法，提出了量子点电视的相关技术标准，给出了熊猫55吋量子点LCD样机实测色域相关数据，通过对比量子点LCD与OLED，QD-LED与OLED及LCD这几种显示方式的主要性能展现了量子点显示技术的优越性。

关键词：量子点；QD-LED；广色域；電致发光；光致发光；图像显示 文献标识码：A

中图分类号：TN873 文章编号：1009-2374（2017）05-0022-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.011

1 概述

通过在GaN基蓝光LED（波长450～470nm）上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层可以产生白光。当LED芯片加电后发出的蓝光通过荧光涂层后会有一部分蓝光被高效地转换成具有较宽光谱（光谱中心约为580nm）的黄光。该黄光再混合LED自身的蓝光后色泽呈现出较窄色域的白光。目前，大部分白光LED都是采用这种方式制成的。随后又成功研制出基于有机物的电致发光显示器件（OLED）。OLED在装置寿命、效率以及亮度等性能上经过重大改良后已经步入市场，但存在亮度较低、寿命较短以及封装材料昂贵的等缺点。

2002年，美国麻省理工大学Coe等人，首次把有机材料和高效发光的无机纳米晶体相结合构建成一种新型发光器件。量子点材料具有发光光谱可调、半峰全宽窄、发光效率高、性能稳定等诸多优点。

2 量子点及量子点显示

量子点是一种半导体纳米晶体，在空间三个维度的尺存通常小于20nm，内部量子限域效应十分明显，电子和空穴被量子限域，具有分立的能级结构，使得量子点具有独特的光学性质。受到光或电的激发后，量子点便会发光，量子点产生光的颜色由它的组成材料和形状大小决定。这一特性使其能够改变发光的颜色。以CdSe/ZnS量子点为例，当发光核的尺寸从2.5nm增加到6.3nm时，对应发射峰的波长会从480nm改变到640nm，光谱颜色也会由蓝色逐渐变为深红色。典型的量子点发光频谱波长范围如图1所示。目前，由锌、镉、硒和硫等原子组合而成的量子点材料技术已经进入应用阶段。

量子点的优点简单归纳如下：（1）发光的频谱覆盖范围宽，从可见光波段延伸至红外波段；（2）光学性能比有机材料稳定；（3）发光的半峰全宽（FWHM）可小于20nm；（4）量子效率可达到90%；（5）与传输层有机材料混合后可以制作QD-LED。

目前，量子点在显示技术领域的实现方式大体可分为电致发光（EL）和光致发光（PL）两大类，主要包括以下三个应用方面：（1）基于光致发光特性的量子点背光源（QBLU）；（2）基于光致发光特性的量子点分色滤光器（QDCF）；（3）基于电致发光特性的量子点发光二极管显示（QD-LED）。

以上三个方面的应用在显示性能上各具优点。特别是QD-LED，可以直接做成显示器件，制造出极薄、极轻的显示屏，其性能将超越OLED显示屏。

3 量子点LCD显示

QBLU技术在实际应用中是将蓝光LED芯片结合量子点材料后产生白色背光，由此制成的液晶显示器被称为量子点LCD。在LCD显示器中使用量子点PL技术可以明显提高图像的彩色性能，该技术一般被称作第一代量子点显示技术。如表1所示，量子点LCD与OLED显示器相比，在图像色彩性能以及产品成熟度等方面具有优势。

3.1 量子点背光源技术

量子点QBLU技术基于PL特性产生白光背光源。在外界光源激发下，量子点层电子吸收激发光的光子能量复合发光。这种量子点PL白光大致有以下两种实现方案：（1）直接白光机制：指发光层中只有一种发光量子点，经紫外LED芯片发出的紫外光激发后发出多种颜色的光，直接复合产生白光。该机制中量子点的发光效率较低，尚未实现最终应用；（2）颜色转换机制：一般是指用蓝光激发红、绿量子点后制备成白光。颜色转换产生白光是由LED芯片发出的蓝光部分被量子点吸收转变成绿光和红光，再利用RGB三基色配色原理与剩余蓝光复合形成白光。

如图2所示，目前在液晶显示背光模组中通过颜色转换方式使用QBLU技术常见的方法有以下三种：（1）On-Chip方式：直接将量子点材料放在蓝色LED芯片上；（2）On-Edge方式：将量子点密封在细玻璃管中并安装在背光模组导光板边缘的背光入口处；（3）On-Surface方式：将中间夹有量子点材料的片状薄膜加在导光板或扩散板与液晶面板之间。

通过对色转换效率、光提取效率、波长利用效率等特性指标进行评价，业界普遍认为On-Surface方式最佳。图3是美国3M公司的QDEF结构示意图。从该图中可以看到，为了增加阻隔水汽和氧气功能，QDEF双面都贴合了透明、超薄、柔性的阻隔膜。此外，在QDEF两面外层还增加了anti-blocking层以增强膜片的抗划伤性能。图4是使用QDEF膜片的典型的量子点LCD显示器的背光模组内部架构示意图。

3.2 量子点液晶面板

目前，在LCD显示产品中，通常采用白光LED背光源+普通彩色滤光片（CF）与面板上的液晶盒配合形成彩色显示。该方式的显示色域范围较窄，一般只能达到70%的NTSC。研究表明，采用波长更短的蓝光LED芯片或是增加CF的厚度改变色阻可以改善LCD的色域，但是与光透率之间存在着此消彼长的关系，受到显示器的光学指标和综合成本等设计因素的限制。

使用量子点材料制成的彩色滤光片（QDCF），用于液晶面板可有效提升显示图像的色饱和度与色域。液晶面板上每个像素中具有若干个子像素（一般分为R、G、B），每个子像素对应的区域传输一种颜色。在QDCF上对应单个子像素的子区域，可以使用量子点材料，被激发后量子点材料产生的光谱与对应的子像素的颜色相

一致。

以纯蓝LED作为背光源为例，量子点液晶面板的制作可以借由CF现有的黄光制程或结合干法蚀刻制程将含有表面修饰的红色、绿色量子点的树脂组合物制作得到具有精细图形结构的量子点层。用该方法实现量子点液晶面板制成的具体步骤如图5所示，具有原料制备及制作工艺简单、图形解析度高、可大规模生产等优点，缩短制程时间，降低制造成本。

尽管以上PL型量子点显示技术已经展现出不俗的性能优势，但它们的发光机理都是基于液晶面板通过背光激发量子点实现的。它们并非是真正意义上的量子点显示，仅是一种过渡方式。

4 QD-LED技术

QD-LED是将量子点材料作为发光层制备的一种电致发光器件，是一种真正意义上的量子点显示，被称为第二代量子点显示技术。

QD-LED内部的结构类似于OLED，其常见的结构示意图如图6所示。QD-LED内部结构主要包括阳极、空穴注入层/传输层、量子点发光层、电子传输层和阴极等。其中，阳极是由透明导电的电极构成，阴极是用导电金属做成，发光层是由量子点材料组成。QD-LED中的电子/空穴传输层以及空穴注入层的作用与在OLED中的也很相似。为了降低发光的阈值电压减少能耗，QD-LED中的发光层不同于OLED，使用的是单层量子点。发光层使用单层结构时对量子点没有完美品质的要求，允许存有一些缺陷，从而简化了QD-LED的制备工艺。

QD-LED的发光原理大致分为三个过程，即：（1）载流子注入过程；（2）载流子传输过程；（3）载流子复合和辐射衰减过程。目前，QD-LED发光效率已基本接近了OLED的水平，实现了20%以上的外量子效率，达到商业应用水平。与OLED相比，QD-LED还具有以下优点：（1）QD-LED的发光层单层量子点可以由胶体溶液制成，具有制备过程简单、成本低等优点；（2）量子点材料是无机物，它与有机材料相比，更具抗水/氧侵蚀的能力，对QD-LED的封装要求明显低于OLED。

QD-LED是继LCD和OLED之后的新一代显示技术。表2将这三种显示技术的主要性能进行了对比。从该表数据中不难看出：QD-LED的显示性能不仅全面超越LCD，在色域范围、功耗、寿命等方面也优于OLED。

虽然QD-LED器件中传输层使用有机材料具有很好的光电特性，但是用无机材料取代有机材料作为传输层已经成为新兴的QD-LED研究趋势，当前的重点工作主要是研究使用无机材料作为传输层材料。这主要是因为：（1）有机材料的缺点限制了QD-LED的发展，若没有高性能的密封层，有机器件的寿命较短；（2）无机材料的性能相对于有机材料更加稳定。

目前，韩国LG与美国QD Vision公司合作，已经成功研制出小尺寸QD-LED有源矩阵显示屏。韩国三星电子综合技术院利用新概念的图案方式成功研制出全球第一台全彩量子点显示器（4吋，分辨率为320×240）。我国中科院化学所有机实验室的研究人员，采用具有核壳结构的CdSe/ZnS和CdSe/CdS/ZnS量子已经成功制备出了红、橙、黄、绿四种颜色光的QD-LED器件。

5 量子点电视色域标准及测量

5.1 国内首个量子点电视行业标准

由中国电子视像行业协会组织熊猫、TCL、天津三星等9家单位共同制定了国内首个量子点电视行业标准《量子点技术电视接收机色彩性能评价规范》。该规范提供了量子点技术电视接收机的性能评价要求。

该规范定义了量子点电视接收机色域覆盖率，即在CIE1976色空间坐标系色度图上三基色（R、G、B）色度点组成的三角形色域面积S，与Rec.2020标准色域轨迹面积（0.1118）的百分比C。分别用以下公式计算三基色色域面积S及色域覆盖率C：

该规范对量子点电视接收机的部分彩色性能、使用寿命和响应时间做出了规定，具体技术要求如表3所示：

5.2 新一代广色域视频标准ITU-RBT.2020

2012年国际电信联盟（ITU）推出了ITU-RBT.2020建议书（或称Rec.2020标准）以适应超高清、高动态显示（HDR）技术以及显示设备的不断发展的需要。

Rec.2020分别定义了波长为630nm、532nm和467nm的红、绿、蓝三基色作为基色标准，它几乎可以准确地显示当前所有推行的色域范围的内容。Rec.2020将色彩信号位深提升至12位，这对于影像在色彩层次与过渡方面的增强起到了关键的作用。总之，Rec.2020规定了一个广阔的色域范围，已经开始被广泛引用在新一代的图像标准中。

5.3 熊猫55吋量子点LCD电视色域

中电熊猫在2017年美国CES展上发布了一款55吋量子点LCD电视。与普通LCD电视相比较，其图像彩色性能大幅提升，色域范围已经超过70%的Rec.2020，接近110%的NTSC。该样机图像表现力在展会上获得了好评。图7是该样机实测色域数据与标准NTSC对比图，图8是该样机实测RGB三基色发射频谱半峰全宽波形和数据。

6 结语

量子点显示作为一项更新换代技术，为我国显示产业突破国外技术路线的专利封锁，实现“换道超车”提供了良好的契机。我国在量子点显示领域已取得令人鼓舞的成绩，已经开始建立从覆盖材料、器件结构到生产工艺和装备具有自主知识产权的全产业链体系，增强了国际竞争力，为我国显示产业走向世界前列奠定了

基础。

参考文献

[1] 马颖，韩薇，张方辉，等.发光层混合掺杂的白光OLED器件[J].液晶与显示，2011，26（1）.

[2] Coe S，Woo W K，Bawendi M，et a1.Electroluminescence from single monolayers of nanocrystalsin molecular organic devices[J].Nature，2002，420（6917）.

[3] 王永博，王博.电视机高色彩饱和度的实现方法[J].电脑知识与技术，2014，10（35）.

[4] 庄四祥，钱可元孙，李旭亮，等.白光LED对直下式TV背光色域的影响[J].液晶与显示，2011，26（4）.

[5] Seth C S，Steckel J S，Kim L A，et a1.Method forfabrication of saturated RGB quantum dot light emitting devices[J].Proc.of SPIE，2005，5739.

[6] 李芝.基于納米金属氧化物量子点发光二极管的制备及其光电特性的研究[D].东南大学，2014.

[7] 倪咏沙.浅谈新一代广色域视频技术[J].现代电影技术，2015，（2）.

作者简介：刘明（1974-），男，南京中电熊猫家电有限公司研发中心高级工程师，硕士，研究方向：新一代平板显示智能影音系统。

（责任编辑：黄银芳）