量子点材料与显示技术发展现状与趋势

文/史冬梅 杨斌（科技部高技术研究发展中心） 
        量子点具有优异的光学性质，包括全光谱发光峰位连续可调、色纯度高、稳定性好，是一种优异的发光和光电材料，量子点显示是利用量子点的特殊性能来实现高性能、低成本的显示技术。本文对量子点显示材料与器件国内外发展现状与趋势进行了梳理分析，并提出了我国进一步发展重点及对策建议。
一、关于量子点材料与显示技术
        1．定义与内涵
        量子点是可溶液加工、尺寸在量子限域范围内的无机半导体纳米晶体。量子点具有优异的光学性质，包括全光谱发光峰位连续可调、色纯度高、稳定性好，是一种优异的发光和光电材料，量子点显示是利用量子点的特殊性能来实现高性能、低成本的显示技术。
        2．主要作用与意义
        目前，第一代量子点显示技术——量子点背光源液晶已经实现商业化。该技术路线利用量子点优异的光致发光性能，取代传统的荧光粉。
        量子点显示的下一步发展目标是彻底摆脱LCD屏技术，开发有源矩阵量子点发光二极管（AM-QLED）显示器件。这种全新的显示技术将采用QLED阵列作为高精度的红绿蓝三基色像素，即每一个像素都是一个独立的QLED，并通过薄膜晶体管（TFT）阵列控制驱动电压，从而实现高分辨的主动发光控制。相比于背光源LCD屏，主动发光的AM-QLED屏在黑色表现、高亮度条件等场景的显示效果更突出，功耗更小，且可适应更宽广使用环境温度范围。
二、世界发展现状与趋势
        1. 技术发展情况
        量子点材料和量子点显示技术目前处于美、中、韩三强竞争的格局。
        在美国，Columbia、MIT、Berkley作为量子点材料的研究先驱，发明了金属有机前体合成方法，分别衍生出了QD Version和Nnao Sys这两家在量子点行业有影响力的创新企业。Flordia大学在QLED方向也有一些创新研究，从而衍生出NanoPhotonica公司。另外，从柯达公司（OLED先驱）衍生出来的Katavaa公司在喷墨打印设备方面颇具特色。Arkansas大学研发了“绿色量子点合成路线”，以极低成本、极简单设备制得发光性能更优、更可控的量子点。
        在韩国，量子点方面的研究更多以三星公司为核心，首尔大学、韩国技术研究院等科研单位提供支持的形式进行。虽然韩国在量子点基础研究领域并无重大原创性工作，但三星在技术整合方面具有优势，组织了超过200人的团队投入QLED显示的研发。另外，三星在确定量子点显示为下一代技术的核心之后，开启了积极的并购模式。目前已成功并购美国QDVision，据业内消息，三星还在与其他一些量子点公司商讨并购、股权投资。
        另外，在欧洲、日本等也有一些量子点显示研究单位，但单打独斗的居多，实力相比上述产学研联盟稍显不足。
        在量子点显示技术发展趋势上看，一些关键难题有待突破，包括：对量子点电致激发态和合成化学之间联系的机理探索；蓝光QLED原型器件的效率和寿命的提升；喷墨打印制备QLED阵列的关键工艺；大屏QLED显示器件集成技术。
        2. 技术应用情况
        量子点显示的第一代应用是量子点背光源液晶显示，即现阶段所谓的“量子点电视”“量子点显示器”已经大量推向市场，量子点成为2014—2016年家电行业TOP关键词。
        目前能够实现量子点材料以及量子点背光源器件工业化的企业为美国QD Vison（最近被三星并购）、美国Nanosys以及中国的纳晶科技，主要的显示产品有两种形式：量子点管与量子点膜。相比于量子点管，量子点膜具有很大的市场空间，尤其是可以扩展应用于小尺寸显示，如手机和平板，量子点膜轻薄可弯曲的特性可以在小尺寸充分展现优势。量子点管则成本低廉，能够耐受摄氏120度左右的高温。
        3. 相关专利申请情况
        截止2016年，全球量子点相关专利申请数量已达到1.5万件，量子点显示应用专利和量子点材料专利占到量子点专利申请总数的40—50%左右。中国和美国是专利申请大国，其次为韩国、日本、欧洲。
        量子点材料是量子点显示技术的核心，专利占25%，量子点显示应用专利又分为量子点背光产品（比如量子点膜、量子点管、量子点彩膜、含量子点LED）和量子点电致发光器件QLED。量子点背光系统及背光产品是现阶段的专利申请的主要组成部分，占69%，而QLED器件的占比只有6%，尚有很大的发展潜力。
        从量子点显示专利申请数量看，三星的专利数量遥遥领先，美国的公司和高校排在前列。三星虽然专利数量很多，但是没有量子点材料的最核心专利。
        量子点材料的核心专利掌握在一些科研院所与量子点公司的产学研联盟手中，比如美国的MIT与QD Vision、Berkely与Nanosys，以及我国的纳晶科技与浙江大学。
        量子点背光产品的专利，国外申请人主要是三星、LG、3M、飞利浦、MIT、佛罗里达大学、QD vision和Nanosys，国内主要是浙江大学、纳晶科技、TCL、三星、京东方等。量子点背光产品的核心专利掌握在MIT与纳晶科技手中，同时各显示器厂商都在抓紧对量子点背光显示应用专利进行布局。
        量子点QLED技术还在基础研发阶段，全球专利数量不到1000件。国外申请人主要包括MIT、三星、QD vision、大日本印刷等，中国申请人主要包括纳晶科技与浙江大学、华星光电、京东方、TCL。面板企业主要对后续打印以及量产进行布局，而对核心材料、核心器件结构、核心墨水以及集成，仍然倚重相关企业。
        量子点材料供应商有Nanosys、QD visio、纳晶科技，Nanosys得到MIT和加州大学的专利许可，QD vision得到MIT的专利许可。Nanosys主要供应量子点材料给3M，由3M制造成量子点膜供应给面板厂商。QD vision主要供应量子点管给TCL、飞利浦、索尼。纳晶科技同时覆盖量子点管和量子点膜，供应给TCL、海信、飞利浦等显示终端制造商，同时也与量子点膜制造商（如3M）有一定程度合作。三星自己生产量子点膜，同时接受陶氏化学的无镉量子点膜。纳晶科技和浙江大学深度合作开发QLED和量子点材料。
三、我国发展现状与水平
        目前，我国的量子点显示技术在国际上处于第一集团，在量子点材料、QLED器件等方向进展情况如下：
        1. 量子点材料
        浙江大学长期在量子点合成领域处于引领地位，解决了纳米晶生长的几个关键问题，奠定了尺寸选择性合成纳米晶的主要路线（油相绿色合成）的科学基础，并开发出一系列合成方法，从而为量子点显示应用提供了决定性材料。其2015年提出的“熵配体”概念，从根本上解决了包括量子点之内的无机纳米晶在常见有机溶剂中的低溶解度的问题。目前，浙江大学和纳晶科技通过共建实验室的方式形成紧密的联盟，并与显示业界TCL、海信等企业合作，共同参与国际竞争。目前其联合开发的量子点背光产品已经在海信、TCL、冠捷等一线厂商量产。
        纳晶科技在量子点的产业化应用上实现了量子点放大生产与量子点背光源产业的全覆盖，与美国Nanosys和QDvision一起引领了全球量子点背光源产业化。通过洽购美国NN-Labs公司，获得量子点基础专利，进而把第一代量子点技术—光致发光量子点电视产业化。
        国内其它单位也在量子点材料方面有很多亮点。例如，河南大学、TCL研究院、苏州星烁纳米科技有限公司均聚焦于可用于QLED应用的梯度合金系列量子点，他们开发的这一类量子点具有发光效率高、制造成本低、发射光谱半峰宽窄、重金属“镉”含量低等特点。
        2. QLED器件
        浙江大学解决了QLED器件中一系列难题，在国际上首次证实通过全新器件结构QLED性能可大幅提高到实用水平，该突破于2014年在《自然》杂志发表后，入选2014中国科学十大进展和“十二五”国家科技创新成就展。
        河南大学与Flordia大学合作，通过在蓝光量子点结构上的改进和量子点表面配体的修饰，实现了蓝光量子点最高12%的EQE；南方科技大学研发了InP/ZnS量子点的无Cd白光QLED器件，并在顶出光QLED器件与柔性QLED器件等方面做出了创新工作；东南大学在电子传输层和新型空穴传输层材料的制备和器件工程方面取得一定进展。
        3. QLED制造
        目前，国内多家研究机构在打印方面取得了可喜进展。最近，纳晶科技和华南理工大学分别展示了打印显示的原型产品。另外，福州大学、TCL研究院、京东方等单位聚焦于量子点墨水技术开发、喷墨打印QLED工艺技术、印刷型QLED器件结构设计与性能优化等研究，掌握了高适印性量子点墨水配方，以及QLED薄膜喷墨打印技术。此外，福州大学还开发可制作大面积、高效率QLED器件的刮涂技术。中国科学院北京化学研究所绿色印刷实验室、苏州纳米研究所做出了很多有特色的工作。
        4. AM-QLED屏
        国内TCL、京东方等企业已经开始相关的布局，例如TCL聘请了一批国外QLED方面的专业人士，并入股国际打印设备领军企业，为其设计与定制打印QLED显示的商用设备与生产线。
四、我国进一步发展重点与对策建议
        目前，我国在QLED领域的核心材料、器件以及集成方面都有了先发优势。如果AM-QLED取得成功，将为中国显示产业走向世界前列奠定基础。
        当前，我国在量子点显示方向的目标和主要任务是：凭借我国QLED研究的先发优势，以及量子点材料合成与配体化学的国际先进地位，打通AM-QLED显示屏的量产技术瓶颈，夯实全产业链的科学和技术基础，打造自主知识产权体系，使中国显示行业占据技术制高点，进而实现“换道超车”，形成量子点显示创新产业群。
        应进一步加强研发的重点方向有：研究电致发光激发态与合成化学的关系，为QLED量身订制量子点；研究新型QLED器件工作机理，优选适合打印显示QLED的器件设计及功能层材料；开发量子点墨水配方和打印技术，打印制备高性能QLED阵列；实现AM-QLED显示屏的工艺集成。
为实现以上发展目标和重点，应进一步采取以下措施：
        1. 将量子点显示作为显示领域的重点发展方向
        未来5—10年将是LCD和电致发光显示（包括OLED和QLED）的竞争并存的局面。量子点显示为我国“换道超车”提供了历史性的机遇，同时又面临着技术成熟度不足的现状。量子点显示产业的发展必然不是一帆风顺的，因此，需要将量子点显示作为显示领域的重点发展方向，把来之不易的先发优势转换为将来的优势产业。
        2. 加强基础研究，建立国家级研发平台
        在国际上，量子点研究年发表文章数以万计。虽然目前在一些方向处于国际领军地位，但中国在该领域的总体宽度和深度明显落后。目前在量子点显示方向，乃至整个量子点大方向上尚缺国家级的科研基地。建议选择优势单位建设国家重点实验室或者技术创新中心，作为核心加强国内基础研究力量的交流和整合，形成一支在基础研究领域有国际影响力的科研队伍。
        3. 针对产业链短板，进行集中攻关
        量子点显示最终是产业链综合技术与产能的竞争，我国量子点显示产业链的关键短板是适合量产的量子点喷墨打印设备，该短板制约了全链条的形成与发展，因此，需要通过集中攻关与技术引进等多种方式补齐短板。
        4. 加强人才队伍培养
        目前国内科研单位从事量子点显示研发团队分布在约15个左右的单位，包括浙江大学、福州大学、中科院化学研究所、南方科技大学、东南大学、吉林大学、河南大学、北京理工大学、华南理工大学、南京理工大学、重庆大学等单位。各大企业量子点研发团队包括TCL、纳晶科技、京东方科技集团等公司。总人数（包括研究生在内）约300人左右。我国在量子点显示方面的人才缺口较大，需要自主培养、加强引进两方面结合，弥补人才缺口。

本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”（项目编号ZLY2015072）的研究成果之一。感谢浙江大学彭笑刚教授的支持。
本文特约编辑：姜念云