量子点显示方案

显示世界 · 2020-03-09

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什么是量子点显示?

量子点(QD)显示器是使用荧光半导体纳米晶体(也称为 量子点)作为面板架构的一部分来产生单色光以提供可调原色并提高屏幕效率和性能的装置。

这可以通过两种基本方式实现:

00001.光致发光(PL)- 其中量子点由光源激活,例如在LED背光液晶显示器中,量子点由蓝背光激活。

00002.电致发光(EL)- 其中量子点嵌入每个像素中并通过电流激活和控制。

量子点显示器提供一系列优势,包括:

·高动态范围(HDR)支持,因为它们具有高峰值亮度特性

·由于出色的色彩饱和度和宽色域输出,能够实现最接近BT 2020色彩空间

·低功耗和提高效率

·能够最大化色彩体积和对比度,以获得最佳观看体验

I.光致发光QD显示器(QD-PL)

现在流行的技术在其光致发光(PL)模式,QD粒子的光发射由LED背光触发。这些显示器称为QD-PL型显示器。

有许多方法可以实现量子点光致发光QD-PL:

1.芯片内部(in-chip)

2.芯片上面(on-chip)

3.表面(on-panel or on-surface)

? a、量子点薄膜(QDEF)

? b、量子点玻璃导光板(QDOG)

4.面板内部(in-panel) 即量子点彩色滤光片(QDCF)

1、芯片内部(QD in-chip)

QD技术最初的应用方法之一是将量子点嵌入芯片中。该技术从未投入量产,因为量子点距离LED芯片太近,会暴露在超过200oC的高温下,这直接影响QD的稳定性和可靠性。虽然芯片内方法是最经济高效的,但高温会损害量子点的性能。一些公司在研发耐高温的QD技术,可承受高达260oC的温度,目标是征服照明业。这种方案的另一个挑战是容易被水和湿气损坏的量子点与树脂之间的相容性,相容性不好会导致所谓的中毒效应和QD聚集。

2、芯片上面(QD on-chip)

在显示面板内安排量子点的另一种方法是在芯片上,其中QD被放置在圆柱形QD-聚合物复合材料中 - 被称为“量子轨” 。在这种情况下,即使采用封装工艺和背光重新设计,量子点仍然太靠近热源以维持性能。QD在此位置仍距离LED封装太近,温度可达到100oC。索尼在其2013年推出的QD电视中使用了这项技术。产品在第二年就被召回了,很可能是因为耐热性差。

图片来源:三星显示器公司

3、表面(on-panel or on-surface)a、量子点薄膜(QDEF)

当前市面上大部分QD电视都使用量子点薄膜(QDEF)。量子点薄膜是三明治结构,上下两层为水氧阻隔膜,中间为量子点聚合物薄膜。量子点薄膜放置在导光板上面,从而远离LED封装,让QD所处的环境温度下降。量子点薄膜里面包含红色和绿色QD,其原理为背光模组中的蓝光LED发出蓝光,蓝光经过量子点薄膜时,一部分蓝光被红色量子点转换成红光,一部分蓝光被绿色量子点转换成绿光,未被转换的蓝光和量子点发出的绿光、红光一起组成白光,成为液晶显示屏的背光源。

通过将QD颗粒放置远离光源,消除了热暴露的风险。然而,这种方法需要大量的量子点颗粒,这决定了相对高的制造成本。

b、量子点玻璃导光板(QDOG)

量子点玻璃导光板是在玻璃光导板的表面涂布量子点聚合物涂层。这种方案不仅提供了QDEF的优点,同时避免了设计间隙,可以实现厚度小于5 mm的。QDOG方案虽然省去了两张价格昂贵的水氧阻隔膜,但是增加了价格昂贵的玻璃导光板,目前的成本较QDEF高。

图片来源:三星显示器公司

4、面板内部(in-panel)量子点彩色滤光片(QDCF或称QDCC)

量子点显示应用的最新发展之一是QD彩色滤光片(QDCC),其中量子点粒子被分散在光刻胶中,然后被图案化以替换子像素中的有色染料。量子点彩色滤光片中的每个像素点由3个次像素点构成,分别喷墨印刷上红色量子点、绿色量子点和扩散粒子。基本原理如图所示,在蓝背光的激发下,量子点彩色滤光片可发出色纯度非常高的三原色,从而提升显示色域。与传统滤色器模型的不同之处在于量子点的作用类似于有源元件,QDCC在转换通过它的光,而不是阻挡光。

a、QDCC-LCD

QDCC-LCD优势:

·更宽的视角,因为QD被放置得更靠近屏幕并且它们在所有方向上发光

·更广泛的色域,因为量子点发出纯净的可调光

·更薄的显示,因为QDCF面板的组件更少

·电源效率和亮度可以提高两倍以上,因为量子点比传统的彩色滤光片通过更多的光

b、QDCC-OLED

QD-OLED最终可能帮助解决几十年来生产大屏幕OLED电视面板的问题,而不会失去色彩性能。今天的OLED电视实际为WOLED电视,依赖数十层来产生白色光源,然后将其过滤成红色、绿色、蓝色和白色,与之不同的是,QD-OLED需要更少的层数,其结果是降低了材料成本,提高了制造业的生产能力。由于QDCC依赖量子点在亚像素处将蓝色光源转换成非常锐利的绿色和红色,因此可以覆盖更宽的色域。

QD-OLED的优势:

·完美的黑色和对比度

·更宽的视角

·完美的色彩表现:纯RGB颜色,没有白色亚像素

·简化了显示结构,减少了材料层数

·电源效率和亮度可以提高两倍以上,因为量子点比传统的彩色滤光片通过更多的光

c、QDCC-MicroLED

量子点可以通过降低制造复杂度来改进MicroLED显示器,从而有可能让这一令人兴奋的新技术更快进入市场。通过将像素化的红色和绿色量子点与蓝色微LED光源结合起来,QDCC-MicroLED可以立即缓解由数百万红、绿和蓝微发光二极管制成的微LED显示器的高复杂性和低产量。

QDCC-MicroLED的优势:

·完美的黑色和对比度

·完美的视角

·只需要大量转移蓝色微发光二极管,简化了制造过程,大大提高产量和良率

II.电致发光QD显示器(QD-EL)

量子点利用的电致发光方法是基于每个像素中的量子点,通过电流使其发光。这些显示器称为QD-EL型显示器。

图片来源:三星显示器公司

当采用这种电致发光机制时,量子点材料被放置在阳极和阴极之间,每个子像素包含红色,绿色和蓝色QD。

图片来源:三星显示器公司

这种方法提供了很多好处:

·非常宽的色域 - 因为量子点在窄光谱中发光并且可以很好地调节

·高对比度 - 因为每个像素都可以独立控制

·低功耗时的高亮度 - 无需背光,无液晶层,无需滤色器

·超高分辨率

·不会烧屏,因为没有用有机材料

·设计灵活性 - 由于没有背光,这种机制使该技术可用于灵活,可折叠,可卷曲和透明的显示器

·与OLED相比,制造成本更低 - QD的图案化使用喷墨印刷的设备,而不是使用昂贵且缓慢的蒸发设备

不过这项新技术带来了一系列挑战,要实现这种方案还需要较长一段时间。

总而言之,以下是量子点技术的路线图:

图片来源:三星显示器公司

量子点膜涂布胶

量子点膜

量子点膜是目前量子点显示商业化最成熟的产品,市面上大部分的量子点电视和显示设备均采用量子点膜。量子点膜采用“三明治”结构,在量子点层的上下两个表面覆盖有水氧阻隔膜,如下图所示。产品应用于液晶显示屏的背光模组中,放置在导光板(或直下式中扩散板)上方,与蓝光LED组合能够产生拥有尖锐峰形的红绿蓝光源,能有效提升液晶显示器的色域,可广泛应用于电视、显示器、平板和手机等终端产品。

普通液晶显示器采用普通白光LED作为背光源,其光谱在红绿波段互相干扰,如下图所示,经过滤色片后,RGB三色的半峰宽很宽,这使得液晶显示器的色纯度低,色域也偏低,一般在75%NTSC左右。量子点膜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,其光谱在红绿蓝三色的半峰宽非常窄,如下图所示,经过滤光片后出射的R、G和B三色的半峰宽也很窄,显示器的单色色纯度非常高。

因此,量子点色膜可以使液晶显示屏的色域从目前的75%NTSC左右提高到最高130%NTSC。

量子点涂布胶量子点薄膜的制造采用涂布的方法,先将红色量子点和绿色量子点按照一定的比例与涂布胶混合均匀得到量子点涂布胶,然后通过大型涂布机将量子点涂布胶均匀涂布在两片高阻隔膜的中间。因此,量子点涂布胶是整个量子点薄膜技术的核心,它与量子点薄膜的亮度、色域和耐老化性能直接相关。厦门玻尔科技在高性能量子点材料的设计、合成和批量化生产领域,是国内同业领先企业,同时结合团队丰富的树脂胶水配方设计经验,根据市场需求,开发出两类量子点涂布胶:光固化和热固化类型,产品特性和参数如下表所示:

1、光固化量子点涂布胶

红色量子点波长

625~635 nm可调,± 1 nm

绿色量子点波长

525~535 nm可调,± 1 nm

量子点半峰宽

26~30 nm

每公斤胶水可涂面积

10 ㎡左右

要求涂层厚度

40~100 μm

粘度

700~1500 cps可调

收缩率

4%

固化条件

UV固化,3200 mJ/cm2

粘接强度

剥离力>5 N/25mm

基材要求

水氧阻隔膜(WVTR要求0.01g/㎡/day)

2、热固化量子点涂布胶

目前市场上,量子点薄膜的涂布胶解决方案均为UV光固化方案,由于UV光固化胶中光引发剂与量子点的兼容性很差,使得量子点在此种涂布胶中的最大分散量很低,为了能够将足够的蓝光转化为红光和绿光,必须提高量子点薄膜中量子点涂层的厚度,厚度一般为80~100微米左右。由于采用UV光固化方案的量子点薄膜生产流程为涂布——复合——UV光固化,与一般光学膜的涂布流程不同,所以光学膜生产厂商需要对原有设备进行改造或者重新订购设备,阻力较大。

玻尔科技针对光学膜生产厂商的要求,开发出热固化解决方案,该方案的生产流程为涂布——固化——复合,因此光学膜生产厂家无须新购设备,即可迅速切入量子点薄膜市场。该解决方案采用热固化胶作为量子点材料的分散胶,可以极大提高量子点在胶水中的最大分散量,因此可以将薄膜的厚度降低到仅18微米,因此也非常有利于生产适用于手机的超薄量子点薄膜(总厚度小于70微米厚度)。

产品特点和参数如下:

红色量子点波长

625~635 nm可调,± 1 nm

绿色量子点波长

525~535 nm可调,± 1 nm

量子点半峰宽

26~30 nm

每公斤胶水可涂面积

10 ㎡左右

要求涂层厚度

18~30 μm

粘度

200~300 cps可调

固含

30%

固化条件

110℃,3 min

粘接强度

剥离力>5 N/25mm

基材要求

水氧阻隔膜(WVTR要求0.01g/㎡/day)

(来源:bohr-tech)