光电子前沿调研报告

量子点显示技术与3D打印技术发展调研

1、量子点显示技术（QLED）

显示技术的发展历程

2014年2月份，苹果提交给美国专利商标局的四项关于量子点显示技术的专利申请，引起了媒体的热情关注和猜测，该技术可用来提升苹果众多产品设备上配备的Retina显示屏的色彩精度和图像质量，这也让我们更加期待下一代iPad/iPad mini平板电脑是否会采用这种显示技术。

Num1. IGZO技术

IGZO英文全称是indium gallium zinc oxide，中文名称是铟镓锌氧化物，是一种薄膜电晶体技术，是应用于新一代薄膜晶体管技术中的沟道层材料，属于金属氧化物面板技术的一种。它的主要构成是在TFT-LCD主动层上涂一层金属氧化物，是基于TFT驱动进行的改进的技术。

优点：IGZO的载流子迁移率是非晶硅的20-30倍，可以大大提高TFT对像素电极的充放电速率，提高像素的响应速度，同时更快的响应也大大提高了像素的行扫描速率，实现高分辨率。基于以上优势，苹果2012年的iPad Air、iPad mini 2均采用了IGZO屏幕显示技术，但IGZO良品低、产能小，2012年10月曾一度传出夏普IGZO屏幕因产能不足而导致iPad 推迟发货的传闻。

Num2. LTPS技术

LTPS技术（Low Temperature polysilicon,低温多晶硅）最初是日本北美的技术企业为了降低Note-PC显示屏的能耗，令Note-PC显得更薄更轻而研发的技术，OLED就是从LTPS技术上发展而来。LTPS技术的优势在于超薄、超轻、低能耗、可提供更丰富的色彩和更清晰的图像。苹果iPhone/iPhone 5s屏幕采用的是LTPS技术，这是目前公认的最好的显示技术然而，LTPS技术也存在缺点，比如说成本高、制作工艺复杂，它需要利用准分子镭射作为热源，镭射光经过投射系统，会产生能量均匀分布的镭射光束，投射于非晶硅结构的玻璃基板上，当非晶硅结构玻璃基板吸收准分子镭射的能量后，会转变为多晶硅结构，整个制作工艺较IGZO难度大。

Num3. QLED技术（量子点显示）

1.1半导体超晶格和量子阱

半导体超晶格是由两种不同材料交替生长而成的多层异质结构晶体。相邻两种不同材料的厚度和称为超晶格的周期长度，一般来说这个周期长度比各层单晶的晶格常数大几倍或更长，因此这种结构获得了“超晶格”的名称。由于这两种材料的禁带宽度不同，则其能带结构出现了势垒和势阱。称窄禁带材料厚度为阱宽L W,宽禁带材料厚度为垒宽L B,而L W+L B就是周期长度。当这两种薄层材料的厚度和周期长度小于电子平均自由程时，整个电子系统进入了量子领域，产生量子限域效应。这时夹在两个垒层间的阱就是量子阱。

1.2什么是量子点

量子点是粒径小于或接近激子波尔半径的半导体纳米晶体。量子点三个维度的尺度通常在10nm以下，内部的电子和空穴在各个方向上的运动均受到限制，量子限域效应(quantum confinement effect)十分明显。由于电子和空穴被量子限域，量子点具有分立的能级结构。这种分立的能级结构使得量子点具有独特的光学性质。

通常说来，量子点是由锌、镉、硒和硫原子组合而成。每当受到光或电的刺激，量子点便会发出有色光线，光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，这一特性使得量子点能够改变光源发出的光线颜色。

1.3量子点的应用

量子点的发光峰窄、发光颜色随自身尺寸可调、发光效率高，非常适合用作显示器件的发光材料。量子点在显示技术领域的应用主要包括两个方面：基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管显示技术(Quantum Dots Light Emitting Diode Displays，QLED)；基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术(Quantum Dots-Backlight Unit，QD-BLU)。前者应用，未来有机会直接做显示器件，制造极薄、极轻的显示屏。而后者的应用，目前的做法是将量子点薄膜置于蓝光LED背光和液晶盒之间。当蓝光穿过时，部分蓝光转化为红光和绿光，从而产生红、绿、蓝三色光。这种结构存在的劣势是：由于LED发热的缘故，量子点的效率和寿命会受到影响。就目前全球关于量子点在显示方面的应用上，用于液晶面板背光部分的量子点薄膜似乎比量子点直接做成显示屏进步的要快一些。从2013年开始，量子点显示技术应用于液晶显示器(LCD)面板，在其背光模块与液晶面板之间装配量子点薄膜，并应用于高色域电视、平板电脑上，获得了更广的色域和更低的功耗。众多整机厂也将应用量子点技术的产品做为未来的一个利润增长点。

量子点技术被应用在一些移动设备上，例如亚马逊的KindleFireHDX7.

量子点技术还被用在了下一代电视设备上，例如索尼在2013年6月推出了在背光源中采用量子点技术的高端机型的液晶电视；亚马逊也与2013年10月推出了背光源采用量子点的平板电脑

美国专利和商标局2014年初通过了一项苹果在2012年申请的被称为“拥有分色滤光器的量子点增强显示器”专利，专利中详细介绍了量子点技术，以及这种技术如何应用在像iPhone这样的移动设备上。

可以断定，苹果迟早会用上量子点显示技术。苹果对量子点显示技术进行改进后，其屏幕将拥有比亚马逊Kindle Fire HDX7屏幕更广的色域，HDX 7为了实现色准而对色域作出了妥协，苹果的任务就是同时解决色准和色域的问题。

1.4量子点显示技术的优势与不足

（1）色准度更高（发光半峰宽窄）

（2）色域更宽

（3）QLED的制造过程不需要使用阴罩，不会出现色彩精确度减少的问题。另外

量子点还可悬停在液体中，并使用多种技术让其沉积，包括将其喷墨打印在非常薄的、柔性的或透明的衬底上

(4)在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍，发光率将提升30%至40%。同时OLED可以达到与无机半导体材料一样的稳定性、可靠性。

然而，QLED的发展也面临着两个挑战，其一是寿命短，最好的QLED寿命仅为1万小时，这对大尺寸显示屏来说还不够。其二是需要确保色彩能始终如一地再现。

1.5量子点显示技术的发展现状

量子点作为可解决液晶显示器色彩表现性课题的技术备受关注，并引起企业对量子点显示技术的争夺战。目前量子点显示相关的专利主要掌握在Nanosys公司手上，该公司共握有超过300项相关专利，三星电子为该公司的主要投资者之一。全球三大量子点材料制造商英国Nanoco、德国Nanosys及美国QDVision在量子点显示技术方面的研究和技术领先业界。

英国量子点材料供应商Nanoco在无镉技术方面与陶氏化学合作，布局量子点市场。据Nanoco公司的创始人、首席技术官NigelPickett介绍，该公司的核心技术——完全不含毒性元素镉(Cd)的“CFQD”(无镉量子点)的产量还仅限于每年几千克的水平，还不足以满足以液晶面板为中心日益扩大的市场需求，必须建立起大规模生产体制，因此该公司与陶氏化学签订了排他性授权协议，目的是利用陶氏化学在化学领域的生产能力和供应链，为今后的市场扩大做准备。合作双方所使用的技术是将薄膜之间夹有量子点的片状材料贴在背照灯与液晶面板之间的“On-Surface”方式。鉴于量子点材料的稳定性和容易嵌入液晶面板的特性，采用了On-Surface方式的目是赢得市场。

德国Nanosys为了赢得量子点显示市场，除与3M合作外，还将通过新联盟扩大市场。

据Nanosys公司的首席执行官JasonHartlove，介绍，Nanosys公司现在的产量为每年2万kg(含量子点的浓缩液)，到2014年将产能扩大到每年5万kg以应对市场。另外他还宣布，为稳定供应，除了现在的业务合作伙伴3M公司外，该公司2013年还在与新的合作伙伴洽谈结盟事宜，而且，2014年将与新的量子点制造商结盟。

为满足市场需求，该公司正在开发无Cd材料。关于在液晶显示器中封装量子点的方法，JasonHartlove表示，Nanosys公司在考虑了On-Chip、On-Edge、On-Surface三种方式之后，根据色转换效率、光提取效率、波长利用效率三个特性认为On-Surface方式最佳。该公司在实际调查了55英寸电视机采用与3M合作开发的量子点膜“QDEF”的效果后发现，通过采用QDEF，不仅色域由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%。