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LCD作為現(xiàn)今社會各領(lǐng)域主流的顯示技術(shù)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(zhì)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(shù)如有機(jī)發(fā)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(fā)熱小等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)主要是利用藍(lán)光LED 去激發(fā)YAG：Ce黃色熒光粉形成白光背光源。但是YAG：Ce熒光粉發(fā)射光譜寬，導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)委員會）。顯示器作為人機(jī)對話的窗口，其顯示品質(zhì)的好壞決定人機(jī)對話的質(zhì)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(yōu)異的色彩還原能力。

量子點(diǎn)發(fā)光材料具有發(fā)光顏色尺寸可調(diào)特性以及高的色純度，將其作為LED的熒光轉(zhuǎn)換材料能夠有效提升LCD的顯示色域。

量子點(diǎn)（Quantum Dot）是半徑小于或接近激子波爾半徑的半導(dǎo)體納米晶體，由有限數(shù)目的原子組成，是一種由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成的準(zhǔn)零維納米材料，其三個維度的尺寸都在1-10nm，僅相當(dāng)于10-50個原子的寬度。其電子和空穴都被量子限域，連續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)變成具有分子特性的分立能級結(jié)構(gòu)，受到激發(fā)后可以發(fā)射熒光。

作為一種新穎的半導(dǎo)體納米材料，量子點(diǎn)具有許多獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，諸如發(fā)光效率高、發(fā)射光譜窄、發(fā)射光譜可調(diào)等，這些性質(zhì)都是量子點(diǎn)在顯示器件中應(yīng)用的重要前提。

在這些光學(xué)性質(zhì)中，量子點(diǎn)以其非常窄的半峰寬吸引著研究人員的眼球，被認(rèn)為是“史上最好的發(fā)光材料”。

▲圖1  量子點(diǎn)材料

量子點(diǎn)發(fā)光材料的種類繁多，半峰寬窄是保證其在背光技術(shù)中應(yīng)用的一個重要前提。在量子點(diǎn)的發(fā)展過程中，以CdSe為代表的Ⅱ～Ⅵ族量子點(diǎn)研究地最早，技術(shù)也最為成熟，是目前量子點(diǎn)背光顯示技術(shù)中使用最多的材料。不過單一核結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)材料易受到晶格缺陷和雜質(zhì)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(diǎn)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(qiáng)。而且在精細(xì)的合成條件和結(jié)構(gòu)的控制下，量子點(diǎn)的半峰寬可以小于30 nm，展現(xiàn)出了該類材料在量子點(diǎn)背光技術(shù)中的巨大應(yīng)用潛力。

然而，限制這類材料發(fā)展的最主要因素還是Cd元素的存在，目前已經(jīng)有多個國家明確宣布限制含Cd電子產(chǎn)品的使用，2016年1月，中國頒布的《電器電子產(chǎn)品有害物質(zhì)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(fā)展的必然趨勢。

在無Cd量子點(diǎn)材料中，以InP為代表的Ⅲ～Ⅴ族量子點(diǎn)是發(fā)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(diǎn)相似，2002年，取得突破性進(jìn)展，一直受到持續(xù)的關(guān)注。

與CdSe量子點(diǎn)相比，InP體系的量子點(diǎn)材料，熒光量子效率略低，一般在70%左右，在發(fā)光峰的半峰寬方面，InP量子點(diǎn)要比CdSe量子點(diǎn)寬很多，核殼結(jié)構(gòu)的綠光InP/ZnS量子點(diǎn)的半峰寬為40～50 nm，紅光InP/ZnS量子點(diǎn)為～55 nm，與傳統(tǒng)的稀土發(fā)光材料相比，在提升液晶顯示器的色域方面優(yōu)勢不明顯。

作為一類環(huán)境友好型的量子點(diǎn)材料，提升InP量子點(diǎn)的半峰寬和熒光量子效率是當(dāng)前的主要挑戰(zhàn)。

量子點(diǎn)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(diǎn)材料的核心專利，每家公司量子點(diǎn)合成方法都有其不同的技術(shù)特點(diǎn)。但目前量子點(diǎn)合成方法主要有三種：水溶液合成法、有機(jī)溶劑合成法和電場約束法，如圖2所示。

▲圖2 量子點(diǎn)合成方法

目前商業(yè)化的白光LED 主要是通過在氮化鎵(GaN)基藍(lán)光LED（發(fā)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(fā)射光譜中缺少有效的紅光成份，此外，其發(fā)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(guān)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(shù)的色域圖

量子點(diǎn)材料憑借著其優(yōu)異的光電性能以及制備工藝的不斷成熟，已經(jīng)成為取代傳統(tǒng)熒光粉的研究熱點(diǎn)。

量子點(diǎn)LED在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用方案主要包括兩個方面（圖4）：

a、基于量子點(diǎn)光致發(fā)光特性的量子點(diǎn)背光源技術(shù)（QD-LCD）；

b、基于量子點(diǎn)為活性層的電致發(fā)光器件，即量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLEDs）。

QLEDs是不需要額外光源的自發(fā)光技術(shù)，其發(fā)光原理和結(jié)構(gòu)與OLEDs技術(shù)類似，量子點(diǎn)層夾在電子傳輸和空穴傳輸有機(jī)材料層之間，外加電場使電子和空穴移動到量子點(diǎn)層中形成激子從而復(fù)合發(fā)射光子。

QLEDs目前尚未商品化，還處于實驗室研發(fā)階段，主要原因是量子點(diǎn)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(diǎn)背光技術(shù)和（b）QLEDs

目前，量子點(diǎn)背光技術(shù)具體應(yīng)用有三種方式（圖6）：

(1)On-chip，量子點(diǎn)直接取代熒光粉的白光LED；

(2)On-edge，量子點(diǎn)導(dǎo)軌；

(3)On-surface，量子點(diǎn)增強(qiáng)發(fā)光薄膜。

從(1)到(3)量子點(diǎn)的消耗量越來越多，距離發(fā)光源也越來越遠(yuǎn)。

▲圖5 三種量子點(diǎn)背光技術(shù)

（1）On-chip

“芯片封裝型”(On-chip)，如圖6所示，在這種結(jié)構(gòu)中，量子點(diǎn)發(fā)光材料直接替代傳統(tǒng)的熒光粉材料封裝在貼片藍(lán)光LED中，即量子點(diǎn)白光LED，再根據(jù)液晶背光模組的尺寸焊接制成LED背光燈條。

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于量子點(diǎn)發(fā)光材料的用量非常小，成本低，與目前的白光LED封裝技術(shù)的工藝兼容。

然而，這種結(jié)構(gòu)對量子點(diǎn)材料的穩(wěn)定性要求非常高。一般藍(lán)光LED芯片，正常工作時發(fā)光芯片與支架之間的結(jié)溫在85～120 ℃，再加上量子點(diǎn)發(fā)光材料自身在光轉(zhuǎn)換過程中釋放的部分熱能，實際情況下，量子點(diǎn)發(fā)光材料需要在～150 ℃的溫度下長期保持正常的發(fā)光性能。

此外，一個1 W的藍(lán)光LED芯片的輻射光功率密度為～60 W/cm2，即量子點(diǎn)發(fā)光材料除了需要具備高的熱穩(wěn)定性之外，還需要具備高的光穩(wěn)定性，這對于目前的量子點(diǎn)發(fā)光材料而言，仍然是需要克服的巨大挑戰(zhàn)。

▲圖6 量子點(diǎn)On-chip封裝結(jié)構(gòu)

（2）On-edge

“量子點(diǎn)導(dǎo)軌”(On-edge)，如圖7所示，先將量子點(diǎn)材料封裝成長條狀，然后置于藍(lán)光LED燈條和導(dǎo)光板的側(cè)邊，一方面能夠降低藍(lán)光LED的熱輻射和光輻射對量子點(diǎn)發(fā)光材料的影響，另一方面還能夠減少實際應(yīng)用中量子點(diǎn)發(fā)光材料的消耗量。

從理論而言，“量子點(diǎn)導(dǎo)軌”結(jié)構(gòu)也是量子點(diǎn)背光技術(shù)最具應(yīng)用潛力的應(yīng)用方式之一。但是現(xiàn)有的量子點(diǎn)導(dǎo)軌技術(shù)存在發(fā)光效率低以及不利于組裝操作的問題。

▲圖7 量子點(diǎn)on-edge封裝結(jié)構(gòu)

（3）On-surface

“量子點(diǎn)增強(qiáng)發(fā)光薄膜”(On-surface)，如圖8所示，量子點(diǎn)發(fā)光材料制成光學(xué)膜以遠(yuǎn)程封裝的形式應(yīng)用到液晶背光模組中，量子點(diǎn)材料制成的光學(xué)膜位于液晶背光模組中導(dǎo)光板的正上方。

藍(lán)光LED先制成背光燈條置于液晶背光模組的側(cè)邊，LED背光燈條發(fā)出的藍(lán)光經(jīng)過導(dǎo)光板和反射膜的協(xié)同作用形成了均勻的藍(lán)光面光源，藍(lán)光面光源再激發(fā)光學(xué)膜中的量子點(diǎn)材料發(fā)出綠光和紅光，進(jìn)而混合形成白光背光源。

在這種結(jié)構(gòu)中，量子點(diǎn)發(fā)光材料受到來自藍(lán)光LED芯片的熱輻射影響大幅降低，加上導(dǎo)光板對藍(lán)光的均勻分布作用，量子點(diǎn)發(fā)光材料需要承受的光輻射也只有1～10 mW/cm2，現(xiàn)有的量子點(diǎn)發(fā)光材料完全能夠滿足應(yīng)用要求。

只是在這種結(jié)構(gòu)中，隨著液晶背光模組尺寸的增大，量子點(diǎn)發(fā)光材料的消耗量大，帶來的直接后果是工程應(yīng)用成本高。

因此，在“量子點(diǎn)增強(qiáng)發(fā)光薄膜”背光應(yīng)用結(jié)構(gòu)中，量子點(diǎn)光學(xué)膜的大面積制備成本高是限制其大規(guī)模應(yīng)用的重要原因之一。目前市場上銷售的量子點(diǎn)電視主要是基于on-surface方式。

▲圖8 量子點(diǎn)on-surface封裝結(jié)構(gòu)

無論量子點(diǎn)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(xiàn)商業(yè)化就必須解決成本和穩(wěn)定性兩大問題。

目前已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的量子點(diǎn)薄膜，其成本主要由量子點(diǎn)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(diǎn)增強(qiáng)發(fā)光薄膜的售價是100美元，而量子點(diǎn)材料也非常昂貴，一克的價格可高達(dá)數(shù)千美元，是黃金價格的百倍以上。

即使量產(chǎn)水準(zhǔn)的量子點(diǎn)，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(diǎn)材料的成本也是產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題。

針對成本和穩(wěn)定性兩大問題，本課題組結(jié)合白光LED封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對LED封裝支架和量子點(diǎn)混合膠體進(jìn)行氣密性封裝，有效提升了量子點(diǎn)On-chip封裝的白光LED的發(fā)光穩(wěn)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(xiàn)，對于藍(lán)色光譜有較強(qiáng)的綠光成分，主要原因是LCD的濾光片在紅綠藍(lán)三基色的透射光譜中藍(lán)色濾光片與綠色濾光片的透射光譜有部分重疊（圖10），經(jīng)測試分析其色域可達(dá)110%（圖11），圖12表示基于量子點(diǎn)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(diǎn)On-chip白光LED背光技術(shù)的

LCD的紅綠藍(lán)三基色發(fā)射光譜

▲圖10 紅綠藍(lán)濾光片的透射光譜

▲圖11 量子點(diǎn)On-chip白光LED背光技術(shù)的色坐標(biāo)

▲圖12 量子點(diǎn)On-chip白光LED背光模組

▲圖13量子點(diǎn)On-chip白光LED背光技術(shù)的LCD顯示