光源新宠——量子点QLED解析
近期的显示技术领域，什么词汇听起来高端大气上档次？自然是4K、OLED这些让厂商兴奋让消费者晕乎乎的东西。作为有前途也是热门的下一代显示技术，OLED却只在手机等小尺寸显示的领域混得好，在电视等大尺寸显示方面依然步履艰难，大的问题就是良品率低而成本太高。因此一些厂商转而寻找其他出路，同时也希望能打破大厂的技术壁垒。前不久TCL在其春季新品发布会上宣布已经研发出了量子点LED即QLED电视，预计今年9月份上市。从“O”到“Q”，并不只是个换字母的噱头，而是一门实实在在的技术，甚至有可能让OLED彻底成为历史。
纳米材料量子点
近几年，发光二极管LED因耗能低、发热少、寿命长等优点正逐步取代各种场合下的传统照明光源。LED中广泛使用荧光粉发光材料，但荧光粉的光衰大、颗粒均匀度差、使用寿命短，并非佳选择。有机发光二极管OLED（包括小分子SMOLED和高分子PLED）也因为工艺和成本上的问题而迟迟不能在显示领域大量普及。研究人员在改进OLED材料方面做了大量工作，各种各样的有机小分子与聚合物被用到OLED上作为发光材料，它们展示出了诸多优点，例如寿命长、工艺简单、效率高、色彩表现更好等等。但让人头痛的是，这些优点分属于不同的材质，也就是说这些优点至今没有在同一个器件中实现，于是有人转而考虑量子点。
TCL推出的QLED电视，分辨率为全高清
这个长得像病毒分子一样的就是核壳结构的量子点模型
量子点（Quantum Dot）是一种纳米材料，是由锌、镉、硒、硫等元素化合成的半导体材料制成的、直径2～10nm的纳米粒子。这个直径有多大呢？只能容纳几十个原子，也就是说你完全可以数得清组成量子点的原子数量。很多物质在纳米尺度上都会有一些神奇的特性，量子点也不例外。量子点的量子限域效应非常明显，它会将半导体中的载流子限定在一个非常微小的三维空间内。当受到光或电的刺激时，载流子会被激发跳跃到更高的能级，等到这些载流子回到原来较低的能级的时候就会发出固定波长的可见光。相比传统的荧光材料，量子点有着更优秀的光电性能。主要有：
1.量子点纳米颗粒具有良好的线性光学性质。其性能非常稳定，可以经受反复多次的激发，具有较高的发光效率。
2.量子点的发光性质可以通过改变量子点的尺寸来调控。通过改变量子点材料的尺寸和化学组成可以使其荧光发射波长覆盖整个可见光区。量子点越小，发出光越偏蓝，反之量子点越大，发出的光越偏红。
量子点并非新技术，它的诞生已经有些年头了。1983年美国贝尔实验室的科学家首次对其进行了研究，但却忘了给它起名字。数年后耶鲁大学的物理学家马克·里德将这种半导体微块正式命名为“量子点”并沿用至今。怎样将量子点发光原理应用于显示设备上也是很早就已经开始研究。目前美国的Q DVision、NanoSys、韩国三星、LG等公司对量子点显示技术都有着很浓厚的兴趣。
不同材质的量子点材料发光的颜色
量子点LED
可以制作量子点的材料很多，比如硒化锌、硫化镉、硒化镉等。所谓QLED就是以量子点材料代替传统LED中的荧光粉发光层制成的LED即QLED，结构类似于SMOLED。不同材质量子点的发光范围也不同。按照其荧光吸收范围可划分为红光量子点、蓝光量子点和绿光量子点。
红光量子点的荧光频谱吸收范围为550～600nm。目前实验发现硒化镉或者硒化镉/硫化锌的核壳结构在荧光激发下均可在红光发光区产生吸收峰。研究人员将硒粉和三辛基膦混合制备出了硒的前驱体溶液，在340～360℃的条件下将该溶液注入到二甲基镉溶液中制备出硒化镉纳米颗粒。二乙基锌和六甲基二硅硫烷可分别作为锌和硫的驱体溶液同时注入到已成型的硒化镉纳米颗粒中，可以制备出硒化镉/硫化锌核壳结构。通过控制反应温度，他们已经成功制备出颗粒尺寸为23埃、42埃、48埃、55埃的这种核壳结构。这说明反应温度和反应物浓度都会影响到量子点的尺寸。
蓝光量子点的荧光频谱吸收范围为350～400nm。由硫化镉及硫化锌组成的核壳结构可以发射出蓝光，并且相同量子点材料随着尺寸的减小，荧光吸收谱发生蓝移。研究人员首先将硫化二纳水溶液与钠二乙基己基溶液混合，然后与氯化镉前驱体溶液混合制备出了硫化镉量子点材料。再将二氯化锌溶液注入到硫化镉量子点溶液中制备出硫化锌壳结构。研究表明在紫外光激发下，硫化镉/硫化锌核壳结构发射出的可见光波长受到量子点尺寸和壳层厚度的影响。
绿光量子点的荧光频谱吸收范围为450～550nm。研究人员在高温条件下将氧化镉溶解于十四烷基磷酸中，将硒粉溶解于三辛基膦注入到氧化镉溶液中，在190～210℃环境下反应制备出硒化镉量子点材料。经检测，这种量子点结构的发光效率更好，主要是由于高温条件下制备出的硒化镉量子点结构的禁带势垒变宽，使得量子点受激发射的光子的能量变大。
理论上，量子点LED具有和磷光材料一样的优点，并且无机量子点的使用寿命更长。红绿蓝量子点的色彩饱和度可以从高清电视标准的CIE图上看出来。量子点LED的红色和绿色已经超过了高清电视标识，而蓝色的色坐标仍在标准之内，这是由于蓝色量子点LED电致发光光谱中有少量的红光。所有的三色量子点LED都具有可重复的、稳定的电流电压特性。
不同大小的量子点材料发光的颜色
(a)YAG；(b)单一量子点；(c)双重量子点；(d)三重量子点光源450nm蓝光LED
量子点白光LED
白光LED是新一代照明光源的研究重点。白光LED具有寿命长、耗电低、无污染等等绿色环保的特性。但目前白光LED普遍会让人觉得刺眼不舒服。如果能提高灯光的演色性，让人眼觉得舒服，就像阳光或白炽灯光一样，白光LED必然将成为主流。
目前白光LED的制造工艺各种不同。蓝光LED加黄色荧光粉因为欠缺红光波段，灯光颜色也不够自然，诸如皮肤等物体在这种灯光下会显得失真。用UVLED激发RGB三色荧光粉虽然想法不错，但同时混合三种荧光粉对于LED的封装又是个挑战。RGB多晶白光LED的显色指数CRI虽然可以达到90以上，但三种晶片的光衰减率各不相同，造成色彩难以维持平衡。要想改变只能通过复杂的反馈电路进行调节，无疑大大增加了成本和故障率。此外，荧光粉造成光散射及其他光损失相当可观，可能高达50%。
如果用量子点材料制作白光LED，以上问题可以得到良好的解决。和传统的YAG（钇铝石榴石，目前生产白光LED的主要材料）荧光粉相比，双重量子点荧光材料经蓝色LED光源激发后，可以产生RGB发光波段。同理，多重量子点荧光材料进行适当搭配，可产生类似彩虹的光谱。研究人员利用接触印刷工艺制备了含纳米量子点的QD-LED电致发光层。利用二甲基硅氧烷聚合物（PDMS）作基底，将不同的量子点分层印刷在PDMS层的表面，制备了每英尺1000像素的25μm发红、绿、蓝复合光的量子点层，通过电致发光得到了复合白光。实验表明，接触印刷法具有工艺简单、成本低、产量高等特点。
量子点白光LED有很多优势：不需要混合多种荧光粉，封装简单；不需要反馈电路，降低成本和故障率；更高的发光效率和CRI；更低的功耗和更高的寿命。QDVision和美国照明设备公司Nexxus Lighting合作生产的首批商用量子点LED灯，11W的功率即可达到70W白炽灯的光照效果，但其寿命却是后者的50倍以上。另外，由于量子点本身尺寸比可见光波长还小，光散射及其他光损失的现象也相对减少。
柔性显示一直是显示技术研发的热门，QLED也许能让柔性显示提早进入人们生活。
QLED VS OLED
目前来说，对于量子点LED的研究大部分还处于实验室阶段。但量子点在实验室已经表现出了非常良好的性能，量子点LED的发光效率理论上与磷光OLED相当（100lm/W），高于荧光O LED（25lm/W），制作低功耗的显示器是非常有前途的，它既可以从溶液中制备也具有较高的发光效率。另外，量子点的发光衰减时间（几十纳秒）比磷光小分子快得多（几百纳秒），因此可以用来制作高亮度显示器（1000cd/m2），能够与等离子显示技术相媲美。
QLED和OLED的本质区别其实就是发光材料不同，前者为无机物量子点材料，后者是有机小分子与聚合物。与有机发光材料相比，量子点的高稳定性使得器件封装要求低于OLED。现在的OLED常使用玻璃/玻璃或玻璃/金属的封装形式，也有一些公司在探索薄膜封装技术，将OLED厚度及重量降低50%，但如何防止水分子和氧分子透过涂层侵蚀有机物又称为一个无法克服的难题。对于量子点而言，即使有水和氧存在，依然能够保持性能和结构的稳定，就使得封装难度大大降低。
目前OLED显示屏主要通过液相沉积和气相沉积制备，但在制造技术上仍存在一些困难。制造OLED需要一个荫罩。如果屏幕尺寸增大，荫罩容易发生热胀冷缩，造成色彩不精确。而制造量子点显示屏不需要荫罩，不会出现色彩偏移的问题。另外量子点材料可以形成悬浊液，并使用多种技术让其沉积，甚至可以像喷墨打印那样“打印”在非常薄的、柔性或者透明的衬底上，这就给了未来产品极大的设计空间。
纯色OLED需要彩色过滤器才能产生，而QLED天生就能产生各种不同纯色，因此能效更高，制造成本更低。在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED的2倍，发光率将提升30%至40%。
QLED发展前景
现阶段QLED并非完美无缺。QLED现在的价格仍然偏高，研究人员在实验室里捣鼓出的好的QLED也只有一万小时的寿命，对于大型显示设备而言还不够。他们还必须确保色彩表现性能始终如一。但由于OLED种种“扶不上墙”的特性，以至于一些业内人士持悲观态度，认为OLED显示屏永远不可能得到完全的市场应用，而LED无疑会有非常光明的应用前景。
来自IEA（International Energy Agency）的报告指出，目前全球照明系统用电量约占总用电量的19%。如果能将耗能的灯具全部改成高效率的节能灯具例如白光LED之类的，则全球总用电量将节省10%。可以肯定，量子点将大量注入市场，带来更低成本、更长寿命和更亮照明。而QLED显示屏的发光效率比液晶和OLED还高，而且制造成本更低。据三星估计其成本比液晶和OLED面板的制造成本低一半以上。因此，QLED或将成为屏幕技术的新宠。
Tips：量子点的核壳结构
由于量子点的表面不是规则的周期性结构，造成表面态处于不同的能级水平，会导致非辐射复合，降低发光效率。如果在量子点（称为核）表面覆盖一层宽带隙材料（称为壳）将减轻这些影响，提高发光效率，这便是核壳结构的量子点。
Tips：关于CRI
CRI（Color Rendering Index）即显色指数。国际照明委员会（CIE）对显色指数的定义是：与标准的参考光源相比较，一个光源对物体颜色外貌所产生的效果。因此CRI是一个光源与标准光源（例如日光）相比较下在颜色辨认方面的一种测量方式。CRI是一种得到普遍认可的度量标准，也是目前评估光源显色性的惟一途径。
