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摘要
量子點發光材料具有色純度高、發光波長可調以及高熒光量子效率等特點，已成為顯示領域中的明星材料，在提升液晶顯示器(LCD)的色域方面具有巨大潛力。
基于量子點為熒光轉換材料的白光發光二極管（LED）背光源稱為量子點背光技術，目前量子點背光技術在LCD平板顯示領域具有重要應用，受到學術界和工業界的廣泛關注。本文將綜述量子點背光顯示技術的研究進展以及本課題組在量子點背光技術方面做的相關研究。
LCD作為現今社會各領域主流的顯示技術越來越受到人們的青睞。隨著生活水平的提高，人們對液晶顯示器的顯示品質要求越來越高。尤其是在色域和分辨率等方面，液晶顯示正在不斷被其他顯示技術如有機發光二極管(OLED)和激光顯示所超越。
為了提高液晶顯示的性能，近幾年LED 因體積小、能耗低、發熱小等優點已經逐步取代傳統的冷陰極熒光燈管(CCFL)，成為新一代的液晶顯示器背光光源(LED背光）。
目前LED 背光的結構主要是利用藍光LED 去激發YAG：Ce黃色熒光粉形成白光背光源。但是YAG：Ce熒光粉發射光譜寬，導致液晶顯示器的顯示畫面色彩不夠豐富，目前普通的LED液晶電視的色域大概為70 % NTSC（美國國家電視標準委員會）。顯示器作為人機對話的窗口，其顯示品質的好壞決定人機對話的質量。
隨著信息量的迅猛增長，人們從顯示器中得到的信息不再局限于簡單的文字和圖片，更多時候需要顯示出色彩絢麗的圖像和視頻，這都要求顯示器具有優異的色彩還原能力。
量子點發光材料具有發光顏色尺寸可調特性以及高的色純度，將其作為LED的熒光轉換材料能夠有效提升LCD的顯示色域。
量子點（Quantum Dot）是半徑小于或接近激子波爾半徑的半導體納米晶體，由有限數目的原子組成，是一種由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成的準零維納米材料，其三個維度的尺寸都在1-10nm，僅相當于10-50個原子的寬度。其電子和空穴都被量子限域，連續的能帶結構變成具有分子特性的分立能級結構，受到激發后可以發射熒光。
量子點材料
量子點材料最大的特點是能級間隙隨著晶粒大小而改變，晶粒越大，能級間隙越小，晶粒越小，則能級間隙越大。而量子點尺寸越小，發光顏色越偏藍，反之，量子點尺寸 越大，發光顏色越偏紅。
作為一種新穎的半導體納米材料，量子點具有許多獨特的光學性質，諸如發光效率高、發射光譜窄、發射光譜可調等，這些性質都是量子點在顯示器件中應用的重要前提。
在這些光學性質中，量子點以其非常窄的半峰寬吸引著研究人員的眼球，被認為是“史上最好的發光材料”。
▲圖1 量子點材料
量子點發光材料的種類繁多，半峰寬窄是保證其在背光技術中應用的一個重要前提。在量子點的發展過程中，以CdSe為代表的Ⅱ～Ⅵ族量子點研究地最早，技術也最為成熟，是目前量子點背光顯示技術中使用最多的材料。不過單一核結構的量子點材料易受到晶格缺陷和雜質的影響，其熒光量子效率較低。
而在包覆更寬禁帶的同族量子點如ZnS后，熒光量子效率可以提高到90％甚至更高，且抗熒光衰減能力得到大幅增強。而且在精細的合成條件和結構的控制下，量子點的半峰寬可以小于30 nm，展現出了該類材料在量子點背光技術中的巨大應用潛力。
然而，限制這類材料發展的最主要因素還是Cd元素的存在，目前已經有多個國家明確宣布限制含Cd電子產品的使用，2016年1月，中國頒布的《電器電子產品有害物質限制使用管理辦法》中，Cd的含量要求低于100 ppm，因此尋求非鎘材料體系成為發展的必然趨勢。
在無Cd量子點材料中，以InP為代表的Ⅲ～Ⅴ族量子點是發展地相對最為成熟的一類材料，該類材料的合成工藝與CdSe量子點相似，2002年，取得突破性進展，一直受到持續的關注。
與CdSe量子點相比，InP體系的量子點材料，熒光量子效率略低，一般在70%左右，在發光峰的半峰寬方面，InP量子點要比CdSe量子點寬很多，核殼結構的綠光InP/ZnS量子點的半峰寬為40～50 nm，紅光InP/ZnS量子點為～55 nm，與傳統的稀土發光材料相比，在提升液晶顯示器的色域方面優勢不明顯。
作為一類環境友好型的量子點材料，提升InP量子點的半峰寬和熒光量子效率是當前的主要挑戰。
量子點材料的好壞取決于它的制備工藝。目前全球僅有英國Nanoco、德國Nanosys、美國QD Vision和杭州納晶科技四家公司有量子點材料的核心專利，每家公司量子點合成方法都有其不同的技術特點。但目前量子點合成方法主要有三種：水溶液合成法、有機溶劑合成法和電場約束法，如圖2所示。
▲圖2 量子點合成方法
目前商業化的白光LED 主要是通過在氮化鎵(GaN)基藍光LED（發光峰：440-460 nm）上覆蓋一層YAG：Ce黃色熒光粉膠體層制成。但是它的發射光譜中缺少有效的紅光成份，此外，其發光峰的半峰寬大于100 nm，這對于LCD顯示色域的提高是不利的，其相關色域一般在70%左右，如圖3所示。
▲圖3 YAG：Ce熒光粉的白光LED背光技術的色域圖
量子點材料憑借著其優異的光電性能以及制備工藝的不斷成熟，已經成為取代傳統熒光粉的研究熱點。
量子點LED在顯示領域的應用方案主要包括兩個方面（圖4）：
a、基于量子點光致發光特性的量子點背光源技術（QD-LCD）；
b、基于量子點為活性層的電致發光器件，即量子點發光二極管（QLEDs）。
QLEDs是不需要額外光源的自發光技術，其發光原理和結構與OLEDs技術類似，量子點層夾在電子傳輸和空穴傳輸有機材料層之間，外加電場使電子和空穴移動到量子點層中形成激子從而復合發射光子。
QLEDs目前尚未商品化，還處于實驗室研發階段，主要原因是量子點的活性層材料制備一般是采用溶液加工或印刷工藝制備。
▲圖4 （a）量子點背光技術和（b）QLEDs
目前，量子點背光技術具體應用有三種方式（圖6）：
(1)On-chip，量子點直接取代熒光粉的白光LED；
(2)On-edge，量子點導軌；
(3)On-surface，量子點增強發光薄膜。
從(1)到(3)量子點的消耗量越來越多，距離發光源也越來越遠。
▲圖5 三種量子點背光技術
（1）On-chip
“芯片封裝型”(On-chip)，如圖6所示，在這種結構中，量子點發光材料直接替代傳統的熒光粉材料封裝在貼片藍光LED中，即量子點白光LED，再根據液晶背光模組的尺寸焊接制成LED背光燈條。
這種結構的優勢在于量子點發光材料的用量非常小，成本低，與目前的白光LED封裝技術的工藝兼容。
然而，這種結構對量子點材料的穩定性要求非常高。一般藍光LED芯片，正常工作時發光芯片與支架之間的結溫在85～120 ℃，再加上量子點發光材料自身在光轉換過程中釋放的部分熱能，實際情況下，量子點發光材料需要在～150 ℃的溫度下長期保持正常的發光性能。
此外，一個1 W的藍光LED芯片的輻射光功率密度為～60 W/cm2，即量子點發光材料除了需要具備高的熱穩定性之外，還需要具備高的光穩定性，這對于目前的量子點發光材料而言，仍然是需要克服的巨大挑戰。
▲圖6 量子點On-chip封裝結構
（2）On-edge
“量子點導軌”(On-edge)，如圖7所示，先將量子點材料封裝成長條狀，然后置于藍光LED燈條和導光板的側邊，一方面能夠降低藍光LED的熱輻射和光輻射對量子點發光材料的影響，另一方面還能夠減少實際應用中量子點發光材料的消耗量。
從理論而言，“量子點導軌”結構也是量子點背光技術最具應用潛力的應用方式之一。但是現有的量子點導軌技術存在發光效率低以及不利于組裝操作的問題。
▲圖7 量子點on-edge封裝結構
（3）On-surface
“量子點增強發光薄膜”(On-surface)，如圖8所示，量子點發光材料制成光學膜以遠程封裝的形式應用到液晶背光模組中，量子點材料制成的光學膜位于液晶背光模組中導光板的正上方。
藍光LED先制成背光燈條置于液晶背光模組的側邊，LED背光燈條發出的藍光經過導光板和反射膜的協同作用形成了均勻的藍光面光源，藍光面光源再激發光學膜中的量子點材料發出綠光和紅光，進而混合形成白光背光源。
在這種結構中，量子點發光材料受到來自藍光LED芯片的熱輻射影響大幅降低，加上導光板對藍光的均勻分布作用，量子點發光材料需要承受的光輻射也只有1～10 mW/cm2，現有的量子點發光材料完全能夠滿足應用要求。
只是在這種結構中，隨著液晶背光模組尺寸的增大，量子點發光材料的消耗量大，帶來的直接后果是工程應用成本高。
因此，在“量子點增強發光薄膜”背光應用結構中，量子點光學膜的大面積制備成本高是限制其大規模應用的重要原因之一。目前市場上銷售的量子點電視主要是基于on-surface方式。
▲圖8 量子點on-surface封裝結構
無論量子點是封在LED支架里(On-chip)、封在玻璃管放在顯示器旁邊(On-edge)，還是做成一層薄膜放在液晶背光模組里(On-surface)，要想實現商業化就必須解決成本和穩定性兩大問題。
目前已經實現商業化的量子點薄膜，其成本主要由量子點材料和阻隔層兩部分組成。對55寸液晶電視而言，一張量子點增強發光薄膜的售價是100美元，而量子點材料也非常昂貴，一克的價格可高達數千美元，是黃金價格的百倍以上。
即使量產水準的量子點，價格也普遍在30美元以上，仍然比KSF、β-sialon和YAG熒光粉貴很多。因此如何降低量子點材料的成本也是產業面臨的主要問題。
針對成本和穩定性兩大問題，本課題組結合白光LED封裝結構進行優化設計，對LED封裝支架和量子點混合膠體進行氣密性封裝，有效提升了量子點On-chip封裝的白光LED的發光穩定性。
如圖9所示，從中可以看出三基色光譜中有部分雜峰出現，對于藍色光譜有較強的綠光成分，主要原因是LCD的濾光片在紅綠藍三基色的透射光譜中藍色濾光片與綠色濾光片的透射光譜有部分重疊（圖10），經測試分析其色域可達110%（圖11），圖12表示基于量子點On-chip白光LED的背光模組及其LCD的顯示畫面效果（圖13）。
▲圖9 量子點On-chip白光LED背光技術的
LCD的紅綠藍三基色發射光譜
▲圖10 紅綠藍濾光片的透射光譜
▲圖11 量子點On-chip白光LED背光技術的色坐標
▲圖12 量子點On-chip白光LED背光模組
▲圖13量子點On-chip白光LED背光技術的LCD顯示
量子點電視的誕生引發了顯示行業內的色彩科技革命，打破了量子點技術走向顯示應用的世界難題。量子點背光技術能夠有效提升LCD的色域，較真實地還原圖像色彩。
但是，目前限制量子點背光技術大規模應用的致命因素還是其高昂的價格，此外，量子點背光技術的核心專利主要掌握在國外公司手中。
面對即將到來的“量子點顯示時代”，量子點背光技術已然成為當下研究最為熱門的一項應用型技術。
同時需要研究院所與產業界從量子點背光技術的材料設計和背光結構進行創新性研發，提升量子點材料發光的穩定性和降低生產成本，促進量子點顯示產業的發展。
此外，尋求一種工藝簡單、成本低以及穩定性高的量子點背光封裝技術也是當下以及未來量子點背光技術發展的重要方向之一。
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