量子點液晶顯示（QD-LCD）是一種先進(jìn)且具有廣闊應(yīng)用前景的顯示技術(shù)。QD-LCD技術(shù)結(jié)合了成熟度高的LCD技術(shù)和量子點窄發(fā)射、高熒光量子產(chǎn)率等特點，提升LCD顯示技術(shù)的色彩品質(zhì)，目前已經(jīng)在高色域電視、高清顯示器、智能平板等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外很多公司和科研機(jī)構(gòu)在QD-LCD領(lǐng)域投入大量研發(fā)精力，市場占有率正在逐步提升。

近日，北京理工大學(xué)吳顯剛、鐘海政與TCL公司季洪雷合作在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第3期“量子點液晶顯示應(yīng)用技術(shù)”專欄發(fā)表了題為“量子點液晶顯示應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)展與展望”的綜述文章。

文章介紹了傳統(tǒng)LCD領(lǐng)域存在的問題，闡述了QD-LCD在色域、能效和感知亮度等方面的優(yōu)勢，發(fā)展現(xiàn)狀和未來挑戰(zhàn)，并探討了解決上述挑戰(zhàn)的提升方案，特別是最近出現(xiàn)的Mini-LED背光、量子點彩膜等技術(shù)。

▎QD-LCD的技術(shù)優(yōu)勢

QD-LCD具有窄發(fā)射的三基色光譜（圖1（a））。半峰寬越窄色域覆蓋面積越大，整體流明效率也越高（圖1（b））。同時得益于HK效應(yīng)，色彩越鮮艷，人感覺到的亮度越強(qiáng)，因此窄發(fā)射光譜可以降低功耗，圖1(c)表示了HK效應(yīng)對感知亮度的具體影響。

圖1：（a）GaN LED和紅綠CdSe量子點，InP量子點和鈣鈦礦量子點的光譜；（b）總流明效率和色域覆蓋與量子點發(fā)射光譜之間的關(guān)系；（c）飽和單色光的HK效應(yīng)幅度
圖源：（a）Proceedings of the 2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2018, F 1-5 Dec. 2018. SID Symposium Digest of Technical Papers, 2016, 47(1): 549-51. （b）Proceedings of the 2018 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2018, F 1-5 Dec. 2018. （c） Journal of the Society for Information Display, 2021,  29(6): 476-88.

▎QD-LCD的結(jié)構(gòu)和發(fā)展情況

■ 結(jié)構(gòu)

如圖2（a）-（c）,根據(jù)量子點負(fù)載方式的不同，QD-LCD的背光可以分為On-chip，On-edge和On-surface三種結(jié)構(gòu)。On-chip結(jié)構(gòu)中，量子點在芯片表面，量子點用量少，工藝簡單（圖2（d）），但該方案對量子點在高溫強(qiáng)光下的穩(wěn)定性要求非常高。On-edge結(jié)構(gòu)中，封裝有量子點的玻璃毛細(xì)管被置于導(dǎo)光板的邊緣上，但因該結(jié)構(gòu)中背光燈條的設(shè)計和量子點玻璃管的安裝較為復(fù)雜（圖2（e）），因此該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有限。

圖2：QD-LCD（a）on-chip,（b）on-edge，(c) on-surface負(fù)載模式，（d）量子點on-chip封裝結(jié)構(gòu)，（e）on-edge封裝燈條界面結(jié)構(gòu)
圖源： IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2017, 23(5): 1-11.
Journal of the Society for Information Display, 2016, 24(5): 312-22.

On-surface結(jié)構(gòu)中，量子點以量子點增強(qiáng)膜（QDEF）的形式負(fù)載在導(dǎo)光板上方。因遠(yuǎn)離藍(lán)光LED，該結(jié)構(gòu)對量子點的高溫強(qiáng)光穩(wěn)定性要求最低。除了傳統(tǒng)的CdSe和InP等量子點材料，鈣鈦礦量子點也已經(jīng)滿足光學(xué)和信賴性要求，開始批量生產(chǎn)（圖3）。

圖3：（a）鈣鈦礦量子點光學(xué)膜的原位涂布制備工藝及相應(yīng)產(chǎn)品照片，（b）鈣鈦礦量子點光學(xué)膜在存儲條件下和使用條件下的加速老化曲線
圖源： Nature Nanotechnology, 2022,  17(8): 813-6.

■ 面臨的挑戰(zhàn)

雖然量子點可以大幅提升LCD顯示器色彩品質(zhì)和TLE，但彩膜光譜和量子點光譜交叉問題極大的限制了顯示器性能的提升（圖4（a）-（c））。圖4（d）的模擬結(jié)果表明，使用現(xiàn)有彩膜技術(shù)的QD-LCD盡能達(dá)到REC. 2020色域的~95%，且整體流明效率也存在極限（~30 lm/W）。

圖4：量子點背光在穿過（a）藍(lán)色濾光膜（b）綠色濾光膜（c）紅色濾光膜的光譜交叉情況（d）不同半峰寬的量子點背光的TLE和色域覆蓋情況
圖源：（a）（b）（c） IEEE Photonics Journal, 2019,  11(3): 1-9. （d） Light: Science & Applications, 2017, 6(9): e17043-e.

▎QD-LCD的提升方法

■ 背光結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖5：使用FRP和像素化1/2波片的背光結(jié)構(gòu)和基本原理示意圖
圖源： Light: Science & Applications, 2017,  6(9): e17043-e.

光譜重疊可通過特殊設(shè)計的光學(xué)結(jié)構(gòu)減弱。通過在背光模組中引入了FRP（功能型反射式偏振片）光學(xué)膜片和圖案化的1/2波片將藍(lán)光和紅綠光分開，以減小光線經(jīng)過彩膜時藍(lán)光和綠光的重疊。

■ 量子點彩膜（QDCF）

將吸收型彩膜替換為QDCF可以簡化驅(qū)動電路和固件程序的設(shè)計（圖6（a）），提升屏幕的TLE并增大可視角。但QDCF也存在很多缺點，量子點降低的吸收系數(shù)和較小的Stocks位移，會導(dǎo)致藍(lán)光泄露和熒光子吸收，造成顯示質(zhì)量和能效的下降（圖6（b））。另外由于QDCF的熒光沒有方向性, 向液晶背板傳播的光無法被利用，造成能量的浪費。除此之外，環(huán)境光中的部分高能量的光也會激發(fā)QDCF造成色偏移。在QDCF表面覆蓋一層吸收型彩膜可以改進(jìn)藍(lán)光泄露和環(huán)境光激發(fā)問題（圖6（a）），由于吸收型彩膜對藍(lán)光的阻擋作用，可有效降低藍(lán)光的泄露，并減弱環(huán)境光激發(fā)的影響。QDCF反向發(fā)射的熒光可以使用SPF（短波透射濾光片）來進(jìn)行阻擋和反射（如圖7（c））。

圖6：（a）QDCF顯示器的基本結(jié)構(gòu)，（b）不同厚度的QDCF在GaN LED激發(fā)下的綠光和藍(lán)光積分強(qiáng)度比較  （c）QDCF顯示器的基本結(jié)構(gòu)覆蓋傳統(tǒng)CF,（d）QDCF顯示器的基本結(jié)構(gòu)添加短波透射反射片
圖源： IEEE Photonics Journal, 2019,  11(3): 1-9.

結(jié)語

本文分析了QD-LCD的技術(shù)優(yōu)勢、發(fā)展現(xiàn)狀和問題挑戰(zhàn)，并針對這些挑戰(zhàn)總結(jié)了相對應(yīng)的解決或提升方法。正如文中描述的那樣，量子點因其窄發(fā)射和高效率特性可大幅度提升LCD顯示器的色彩品質(zhì)和TLE。其中，On-chip結(jié)構(gòu)具有低成本優(yōu)勢，并隨著材料穩(wěn)定性問題的解決應(yīng)用前景較大；On-edge的本身結(jié)構(gòu)特性限制了其應(yīng)用場景；On-surface目前發(fā)展迅速，鈣鈦礦的低成本和高效率為這一領(lǐng)域提供了更多選擇。但是彩膜的光譜重疊問題和整體能效問題始終是制約量子點完全釋放其性能的障礙，為此研究者們提出了背光結(jié)構(gòu)優(yōu)化、量子點彩膜等解決方案。

| 論文信息 |

吳顯剛, 季洪雷, 鐘海政. 量子點液晶顯示應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)展與展望[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(3):276-290.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0368

| 通訊作者介紹 |

鐘海政，北京理工大學(xué)材料學(xué)院，教授、博導(dǎo)，The Journal of Physical Chemistry Letters執(zhí)行主編。先后在吉林大學(xué)、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、加州大學(xué)洛杉磯分校、多倫多大學(xué)學(xué)習(xí)和從事博士后研究，2010年加入北京理工大學(xué)材料學(xué)院，2013年破格晉升為教授。入選人事部留學(xué)歸國擇優(yōu)資助(2012)、北京市青年英才(2013)、北京市科技新星(2014)、國家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金(2017)等人才計劃支持。主要從事量子點應(yīng)用技術(shù)研究，已在 Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Light: Science & Applications等期刊上發(fā)表論文200余篇，文章被引10000余次，入選愛思唯爾2020、2021年中國高被引學(xué)者。申請中國專利100余項，授權(quán)國內(nèi)發(fā)明專利30項，國外發(fā)明專利9項，在包括美國SID顯示年會、“歐洲顯示2015年會”、日本顯示年會、IEEE Photonics 2018年會等重要國內(nèi)外會議上做邀請報告30余次。2018年獲得北京市科學(xué)技術(shù)獎勵二等獎(排名2/10)，2019年獲得日本IDW顯示技術(shù)最佳論文獎。目前兼任九三學(xué)社北京理工大學(xué)支社副主委、《中國光學(xué)》編委等學(xué)術(shù)和社會職務(wù)。

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