显示技术的明日之星——量子点全方位解析

|2017-10-27|

一、量子点材料概述

1、量子点

Ⅰ 概念

量子点(Quantum Dot)是零维(zero-dimensional)的纳米半导体材料,常见的量子点比如: 纳米晶体, 原子簇, 分子(如C60) 以及一些纳米半导体器件。量子点具有新颖的电子和光学等性能,能够用于许多重要的领域,比如电子、光电子、光伏、生物医疗。

 Ⅱ 特点及原理

量子限域效应显著。量子点由少量的原子所构成,其形状一般是球状或类球状。量子点内部电子在三个空间方向上的运动都受到局限,三个维度上的尺寸都在10纳米(nm)以下,故此量子限域效应(quantum confinement effect)特别显著。此限制致使能级分立, 即量子点中电子的能量是量子化的。

量子粒径大小决定量子荧光色。由于能级分立,电子在这些能级之间跃迁将会发出特定波长的光,而分立的能级间距又由量子点的大小决定, 因此不同尺寸的量子点将会发出不同颜色的荧光。可以根据显指要求灵活调节单色量子点的粒径, 使得量子点光谱更加真实地还原物体的原始色彩, 理论上其显色性可以接近太阳光。


111.jpg

Ⅲ量子点的制备

目前用的多的量子点还是化学合成(成本低、合成快且方便),其实还可以按照其组分分成二元、三元、四元量子点,还可以根据掺杂元素分类(楼上提到的CdSe已经是比较早的产品了,现在的前沿在三元量子点的掺杂和尝试合成四元量子点,这些产品的性能比二元产品要好)。制造过程采用的是化学方法,在反应釜中进行,主要包括晶体成核、晶体长生和壳层包覆三个阶段,每一个阶段所对应的配方和工艺都经过了优化。

 Ⅳ量子点的应用

量子点在电子、生物医药、新能源以及照明领域都有广泛的应用。在显示领域,量子点显示技术可以应用至光转换元件、量子点电视、量子点智能手机以及量子点平板电脑等;生物医疗上更利用各种发光波长不同的量子点制成荧光标签,成为生物检测用的「奈米条形码」。

112.jpg

二、量子点显示技术

量子点材料发光分为光致发光与电致发光。光致发光(PL)即光子引发量子点材料发光,电致发光(EL)即电子引发量子点材料发光。主要应用包括以下几方面: 

 基于光致发光特性:量子点背光源(QBLU)制成(QD-LCD)

基于电致发光特性:量子点发光二极管显示(QLED)

 1、量子点LCD (QD-LCD)

ⅠQD-LCD概述

QBLU技术在实际应用中是将蓝光LED芯片透过量子点薄膜后产生白色背光,由此制成的液晶显示器被称为量子点LCD(QD-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。

 ⅡQD-LCD基本原理

量子点显示技术的基本原理是背光模组中的蓝光LED发出蓝光,蓝光经过量子点薄膜时,部分蓝光被量子点转换成绿光和红光,未被转换的蓝光和量子点发出的绿光、红光一起组成白光,成为液晶显示屏的光源。

 

113.jpg

ⅢQD-LCD量子点薄膜

量子点无法直接应用于液晶电视,只有经过封装以后才具备使用价值。封装量子点的目的主要是方便使用以及将量子点与外界环境隔离开。主流的量子点封装方式是薄膜的方式。

 QD-LCD中的量子点薄膜作为一种全新的显示材料,可以使液晶显示屏的色域达到并超过110%NTSC。当前,主流液晶显示屏的色域约为75%NTSC,而低端液晶显示屏的色域只有约65% NTSC甚至更低。(注:NTSC是美国国家电视标准委员会制定的一个标准,用来表示显示屏可以显示的颜色范围即色域的大小。色域越大,液晶显示屏可以显示的颜色就越多,给人的直观感觉就是色彩更加丰富,画面中颜色的过渡更加自然,显示的颜色更加接近真实颜色。)QD-LCD色域更广的原因是量子点发出的绿光和红光非常纯净,不存在其它杂色。

114.jpg

ⅣQD-LCD量子点薄膜技术指标

①  QD-LCD量子点技术的性能指标

量子点技术最重要的3个性能指标是:发光波长、半峰宽、量子效率。

 发光波长: 用于液晶显示屏的量子点是发光波长为530纳米左右的绿色量子点,和发光波长为630纳米左右的红色量子点。在量子点薄膜的实际应用中,电视厂商会对量子点的发光波长提出不同的要求,通常会有几纳米的变化。

 半峰宽:表示的是量子点发光波长范围的大小,半峰宽越小,量子点所发出的光的颜色越纯净,量子点液晶电视的色域也就越大。目前国内电视厂商均使用美国3M企业生产的量子点薄膜。根据实际测量,3M的4个不同型号量子点薄膜的量子点半峰宽是:绿色量子点是33-36纳米,红色量子点是40-46纳米。降低量子点的半峰宽是合成技术的关键之一,在调整量子点发光波长的同时,由于配方和工艺的改变,往往伴随着半峰宽的增大。

 量子效率:是量子点将蓝光转换成绿光或红光的效率,量子效率越高,蓝光的利用率就越高,量子点薄膜的亮度也就越高,同时还能提高电视机的能效指标。

除了上述3个技术参数以外,量子点的发光稳定性也很重要,这直接影响着量子点薄膜的产品稳定性。

②  量子点的批量生产

量子点的合成属于间歇式生产,从投料到提纯为一个批次。以目前的技术,可以稳定生产的单批次最大产量是150克,同时可以保证不同批次之间的量子点性能相同。150克量子点可以用于制造接近500平方米的量子点薄膜,用于装配大约580台55寸量子点电视。目前国内能达到这种产能水平的企业只有2到3家。

 ③   量子点薄膜的性能指标

量子点薄膜最重要的3个性能指标是:亮度、色域、耐老化性能。

 量子点薄膜的耐老化性能是区别学术研究与商业化应用的关键。量子点薄膜的耐老化性能主要考察光照稳定性和热稳定性,而光照稳定性又分为薄膜的面稳定性和薄膜的边缘稳定性。

 Ⅴ QD-LCD量子点薄膜存在问题

①  量子点与高聚物的共混过程中会遇到兼容性问题, 这将导致成膜合格率差、量子点团聚、量子点荧光猝灭等问题。

②  热可靠性较差, 温度升高将导致量子点表面配体会发生脱落或者失效, 暴露出表面缺陷, 造成可逆或不可逆的荧光效率降低;

③  氧气、湿气可靠性较差, 氧气与湿气会渗透至膜片内的量子点表面, 并与配体或表面原子发生不可逆反应, 造成膜片的光学效果退化;

④  QCLED的组分光谱往往为3种或4种, 需要有两种以上的量子点进行混合封装, 为了满足高显指、高光效等目标, 需要对各组分光谱的光学参数与组分之间的搭配进行优化, 以期理论引导实际封装。

 Ⅵ QD-LCD行业情况

①  市场规模、市场结构与划分

2015年,量子点色彩增强膜应用于电视、显示器和平板电脑的市场规模分别为7350万美金、350万美金和50万美金,出货量分别为140万台、40万台和10万台,如下图所示。

 

115.jpg

2、量子点发光二极管显示(QLED)

ⅠQLED概述

量子点发光二极管显示技术(Quantum Dots Light Emitting Diode Display,即QLED),是基于量子点电致发光特性的一种新型LED制备技术,它不再是蓝光通过一层量子点材料产生白光照亮液晶屏幕,而是通过电驱动,使量子点本身发光并通过混色产生图像,不再需要液晶、彩膜,也省去了背光单元。这就使得QLED与OLED在显示方式上具有相似的原理。是真正意义上的量子点发光二极管,属于量子点在显示技术领域的更高级应用。

 Ⅱ QLED优势

其兼具OLED全固态、能耗低、超薄、无视角限制、色彩表现力强、工作温度范围宽、抗震性能优异、易于实现柔性显示等诸多优点和LCD的长使用寿命和高亮度,且自发光,不需要背光源,适用于溶液法制备,拥有潜在的低制造成本等优势。

 Ⅲ QLED所处阶段

QLED技术目前还处于实验室研发阶段,从实验阶段到生产阶段还需要较长的时间,要解决制备工艺、发光亮度、寿命和效率等多方面问题。因此量产时间很难确定。从目前的研究水平来看,QLED器件在最低视频亮度(100cd/m2)上的寿命仅为100-1000个小时,远远小于显示器需要的寿命(大于10000小时),与商业化应用还有很长的距离。

 3、量子点行业标的企业

Ⅰ 国外量子点行业企业

①  英国Nanoco

英国nanoco成立于2001年,其市场定位是环保型无镉量子点(CFQD)的生产商和供应商,其与美国陶氏化学合作试制的使用无镉(Cd)量子点的液晶显示器于2014年6月2日在“SID2014”期间进行了展示,采用“On-Surface”的封装形式,但尚未有应用产品的公开报道。

 ②  美国QDVision

美国QDVision于2004年由MIT的研究人员创立,是量子点显示技术领域的领导者,其推出的产品是量子点背光管,采用了玻璃管的封装方式。2016年11月被SAMSUNG以7000万美金收购。

 QDVision企业提供的解决方案是量子点管,采用的是自己生产的量子点。它的优点是制造成本比3M的量子点薄膜要低。它的缺点也很明显,由于是采用易碎的玻璃管封装,量子点管无法用于移动显示设备。量子点管也无法用于直下式背光的液晶显示屏,而55寸等大尺寸电视的液晶显示屏普遍为直下式背光。虽然量子点管本身较为便宜,但是为了在液晶显示屏的背光模组中为量子点管预留空间,背光模组和相应的模具需要重新设计和制作,这意味着液晶显示屏制造商的初期投入会比较大。综上分析,量子点管很难成为量子点产品的主流。

 ③  美国Nanosys和3M

美国Nanosys成立于2001年,是量子点显示技术的领导者之一,其2012年与3M企业合作研发了量子点薄膜(QDEF)技术,利用QDEF技术不仅可以将色域由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%,其采用了薄膜的封装形式。它们共同开发的量子点薄膜已批量供货,但价格居高不下。

 3M企业作为量子点薄膜的先行者,其产品已经得到市场的认可。3M企业坚持从薄膜的涂布到最后的裁切都由自己一手包办,导致产品的产能受到限制。另外,3M使用的量子点并非自己生产,而是由美国的Nanosys企业提供,因而在产品定价时会受到原材料的掣肘。

 ④SAMSUNG

2014年SAMSUNG重点投入到了4K液晶电视,2015年发布了SUHD TV,2017年全新打造了QLED TV。为占据量子点技术,SAMSUNG投资了具备300项量子点技术专利的德国Nanosys企业,还收购了美国量子点企业QD Vision。与此同时SAMSUNG也没有完全放弃OLED技术,小尺寸领域的AMOLED有着快速的成长。

 Ⅱ国内量子点行业企业

①  TCL

作为彩电行业的领导者,TCL在2017年在高端品质之路上卡位精准,围绕全产业链、量子点、曲面等维度上充分的做了精准细分。量子点电视上攻高端、曲面电视力取主流,成功破局中高端市场。

 ②纳晶科技股份有限企业(830933.OC)

纳晶科技成立于2009年8月,是一家以量子点半导体新材料为技术核心的国家级高新技术企业,主要业务是量子点新材料的研究、制造及应用技术与产品的开发,为新三板上市企业,当前市值为16.3亿元。企业与制造和销售量子点电视的厂家紧密合作,配合客户的产品验证,年内企业产品已向多家企业供货,实现销售收入 578.58 万元,占企业营业收入的 55.40%

 ③ 广东普加福光电科技有限企业

广东普加福光电科技有限企业成立于2011年,致力于量子点材料在新型显示、印刷打印和柔性显示方面的应用,其研发的量子点色彩增强膜处于中试阶段,尚未能实现批量供货,另外,普加福投资约1000万元建设量子点膜涂布生产线。

 三、显示行业潜在竞争材料

 1、OLED

Ⅰ OLED 概述

OLED就是有机发光二极管,又称为有机电激光显示。OLED显示技术使用有机聚合材料作为发光二极管中的半导体材料,这种材料具有自发光的特性,采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板,当有电流通过时,这些有机材料就会发光。


116.jpg

Ⅱ OLED优势

与传统的液晶显示相比,OLED面板具有自发光、轻薄、对比度高、色彩丰富、可弯曲、反应快和无视角限制等优点,被视为目前最具发展潜力的显示器技术。

 Ⅲ QLED所处阶段

OLED显示技术在当前还没有达到完善,OLED虽然具有许多传统LCD无可比拟的优点,但仍存在一些缺陷,例如:良品率较低、成本太高(为同尺寸液晶电视屏的两倍)、使用寿命较短(随着使用时间的增长,OLED自发光性能会严重衰减,寿命比量子点电视的屏幕少2万小时左右)。因此,虽然从出现至今,一直备受广大用户和厂商推崇,但是OLED在目前仍然难以取代LCD达到普及。

 OLED有两种主流路线可实现产品化:

一是以SAMSUNG为代表的RGB OLED:SAMSUNG的技术效率较高,但是制造困难,只能应用于小尺寸产品,作为OLED技术的领头企业SAMSUNG已完全放弃大尺寸OLED电视面板的生产和研发。

 二是LGD为代表的白光OLED加上CF:LGD的技术优势在于可应用于大尺寸产品,但是效率较差。目前,应用于电视的大尺寸OLED面板采用的均是LGD的技术,而且供应商只有LGD。

 Ⅵ OLED行业情况

以LG、创维等为代表的OLED显示技术,让OLED电视快速实现市场化。2016年初,全球OLED电视厂商只有5家;到了2017年,包括中国厂商在内,全球已有13家电视厂商推出了OLED电视。

 全球2016 年 OLED 电视出货量约为 65 万台,仅占全球电视出货量的 0.3%,对应的销售额为 17 亿美金,占整体销售额的 2.0%;同时预计到2020 年OLED 电视的全球出货量将有望达到 520 万台,占全球电视出货量的 2.1% ,对应的出货额有望达到 64 亿美金,占整体销售额的 7.4% 。其中,16 年-19 年的年增长率有望维持在70%以上,而基于电视整体成本和价格的下降,出货额年增长率有望维持在 40%以上。预计OLED 电视面板市场规模在2021 年将达到70 亿美金,其对应的出货量为 1650 片。

 

117.jpg

以上数据显示,受困于大尺寸 OLED 的成本高,与大部分消费者承受能力脱节,其渗透率相对小尺寸的智能手机明显偏低,若大尺寸 OLED 的领军企业LG 在接下来的几年内能实现技术突破,则渗透率将有望更大幅度的提升。

 四、材料比较

 成本对比:成本上的优势是LCD依旧活跃在市场上的重要原因之一。虽然随着技术的发展,OLED面板的成本在不断下降,但由于其工艺复杂,良品率低,相比LCD,它还是要贵出大约20%。不过随着热发泡式喷墨等新工艺的出现,2017年OLED面板的价格就会比LCD便宜二到三成了。由于工艺相似,QD-LCD也继承了LCD低成本的特点,量子点薄膜层成本很低。同样尺寸下,QD-LCD只比LCD的成本贵出100美金左右,如果换成5寸左右的移动设备显示屏,成本的增加这只有10美金左右。

 工艺对比:OLED采用有机材料,三种发光材料寿命不同是自身不可逾越的致命伤,在使用一段时间后很容易出现“烧屏”的现象。而量子点为非有机物,所以工作状态更稳定,寿命更长。QLED色彩表现更加完美,色域可轻易达到最严苛的色彩标准BT2020 90%以上,而OLED电视色域虽然远超传统LCD电视,但在BT2020标准下,大概为70%左右。

 

118.jpg

成本,生产、色彩、能耗,四大差异横亘在QLED和OLED之间。如此对比来看,QLED比OLED,似乎不只是多了“一点”。不过眼下的量子点技术QD-LCD更像是LCD的改进版,在未来,真正的QLED 量子点技术绝对有实力成为OLED的有力竞争者。

 

免责声明:本文根据公开资料撰写,必发bifa88观察无法保证公开资料的真实性。本文不构成任何投资建议。


XML 地图 | Sitemap 地图