夏普：自发光 量子LED 实现下一代显示器之探讨

量子点 (QD)作为显示应用的新材料引起了人们的极大兴趣。发光量子点是纳米尺寸的半导体颗粒，通常表现出窄发射光谱和高内量子效率。这些独特的特性使得量子点在用于显示器时能够产生宽色域 (WCG) 和低功耗。考虑到这一点，夏普预计 QD 材料在显示器上的技术应用将分三个主要步骤发展（图1））。第一步始于 2013 年，是用于液晶显示器 (LCD) 的 QD 背光，其中使用 QD 片作为波长转换材料来实现纯 RGB 白光。第二步是从 2022 年开始，采用直接像素颜色转换方法，将显示器中每个像素的蓝光波长转换为绿光和红光波长。这主要是与有机发光二极管（OLED）显示器（称为 QD-OLED 显示器）结合开发的。最后一步是电流注入量子点自发射方法（以下简称nanoLED，即使用纳米颗粒创建的发光二极管结构），它有望成为替代OLED显示器的下一代显示器。

 

 

图1、量子点 (QD) 显示器的演变步骤

步骤2之前的技术已经投入实际应用，而步骤3的技术仍处于研发（R&D）阶段。作为下一代显示器的有力候选者，我们重点关注 nanoLED，其中红色、绿色和蓝色 (RGB) 发光层直接通过光刻进行图案化。在本文中，我们从技术和市场需求的角度描述了nanoLED的潜在应用。我们还探讨了实现 nanoLED 的最新进展和挑战。

技术与市场需求的契合度

大多数作为最先进技术而受到关注的显示方法由于制造限制而限制了适用的产品，例如能够以高效率制造非常微小的像素、非常高的亮度显示器以及需要使用大母板基于玻璃的工艺可实现较低的单位成本（表 1）。

表1. 技术与市场需求的兼容性。*

 

 

*绿色条表示适用的产品范围

OLED 是唯一广泛渗透市场的自发光显示器。它们因其高对比度、薄度以及与更适合自发射显示器的柔性基板的兼容性而获得认可。OLED 根据其着色方法大致分为两种技术。第一种方法是将 RGB 发射层直接图案化到每个子像素上，其中每个发射层通过使用精细金属掩模 (FMM) 或 RGB-OLED 进行沉积来形成。另一种方法是结合白色 OLED 层和彩色滤光片的技术 (WOLED)。不是对每个RGB子像素的发光层进行构图，而是形成WOLED层作为公共层，并为每个子像素形成滤色器以实现彩色化。

RGB-OLED是应用最广泛的技术。由于RGB直接图案化的能量损失较少，RGB-OLED主要用于可穿戴设备、智能手机、平板电脑和笔记本电脑，其中低功耗性能非常重要。然而，由于 FMM 的尺寸和分辨率限制，RGB-OLED 无法轻松应用于需要大屏幕的电视或需要超高分辨率的增强和虚拟现实 (AR/VR) 设备。WOLED 就适用于这种情况。

这些显示器的配置各不相同。用于大型显示器的 WOLED 由由氧化铟镓锌 (IGZO) 组成的薄膜晶体管 (TFT) 背板基板驱动，而超高分辨率 WOLED 由硅互补金属氧化物半导体 (CMOS) TFT 基板驱动。此外，两种方法之间用于发射白光的OLED元件配置不同。根据着色方法的不同，文中中大尺寸和高分辨率 OLED 都被定义为相同的 WOLED。

采用QD背光的LCD主要应用于电视和显示器。QD背光为色彩纯度的巨大提升做出了贡献。此外，近年来QD和miniLED背光的结合使得显示器的总厚度得以减小，因此也被应用于一些笔记本电脑和平板电脑中。MiniLED背光包含数千个尺寸为数百微米的蓝色LED。通过单独控制这些蓝色LED的亮度，可以极大地提高对比度，而对比度一直被认为是LCD的弱点。此外，当与 QD 片材结合使用时，这种方法在扩展色域方面优于传统 LCD。由于这些优点，预计在不久的将来将广泛应用于笔记本电脑和平板电脑。

QD-OLED电视和显示器于2022年推向市场，其WCG和广视角性能广受好评，预计会有进一步的应用。但其应用可能仅限于屏幕尺寸较大的产品，没有进一步的进展。目前的 QD-OLED 方法需要约 10 μm 的相对较厚的 QD 层，以有效吸收蓝色 OLED 层发出的光并将其转换为绿色和红色。QD 颜色转换层通过喷墨为每个红色和绿色子像素单独图案化，但由于喷墨图案化的精度，目前 QD-OLED 的分辨率仅限于~200 ppi。除了蓝色OLED的低功率效率之外，QD-OLED还存在QD颜色转换层的能量损失，因此能量效率仍然是改进的机会。

NanoLED 有时称为电致发光量子点 (QD-EL) 或 QD-LED，预计将成为下一代技术，可为显示器实现卓越的性能（高亮度、WCG 和高对比度）。制造方法将决定nanoLED的产品覆盖范围。已经提出了几种基于QD图案化技术制造nanoLED的方法（图2）。

 

 

图2、NanoLED 显示器正在考虑的图案化方法的示意图

喷墨印刷是一种主要的沉积工艺，其中量子点的墨水被分配到目标位置。所需的墨滴尺寸可以最小化，从而降低 QD 墨水的成本。这种方法有很强的优势，已经有多个使用喷墨印刷的 nanoLED 图案演示，但高分辨率图案存在一些问题。因此，喷墨印刷的 nanoLED 的应用将仅限于电视和显示器，类似于 QD-OLED，其中 QD 作为颜色转换层以相同的方式图案化。

光刻也是一种基于两种方法的高分辨率 QD 图案化的有前途的技术。一种使用光刻胶材料，它与紫外线发生反应，形成不溶性基质；另一种称为剥离法，首先对光刻胶进行图案化，沉积量子点，然后用量子点去除光刻胶图案。这两种方法都已用于 nanoLED。通过光刻技术制造 nanoLED 比喷墨印刷更困难，因为在此过程中会损坏 QD。然而，如果能够建立基于光刻的工艺技术，它将具有显着的优势。光刻是制造电子设备（包括 LCD）最广泛使用的方法，预计它适用于从高分辨率小型显示器到大型显示器，与 LCD 类似，没有技术限制。

促进 NanoLED 显示器的发展

最近，材料和工艺技术的进步使得多家显示器制造商能够开发有源矩阵 (AM) nanoLED 显示器。TCL 推出了一款 32 英寸 AM 混合显示器，采用红色和绿色 NanoLED 与蓝色 OLED 相结合。京东方展示了采用 RGB nanoLED 的 55 英寸 AM 显示屏。Samsung Display 使用由无镉 (Cd) QD 组成的 RGB nanoLED 制造了 6.95 英寸 AM 显示器。虽然含镉量子点显示出优异的发光性能，但其毒性已被认为会对环境产生不利影响。使用无镉量子点的显示器的成功开发将是纳米 LED 实际应用的重大成就。这些增材制造显示器均采用喷墨印刷技术制造。

使用光刻技术开发AM nanoLED显示器的报道很少，这在技术上具有挑战性。最近，夏普报道使用光刻技术图案化的成功制造了 6.2 英寸全无镉量子点 AM nanoLED显示器（图3）。该产品展示出了超高分辨率的实用性，这是光刻技术的特点之一。图4显示了使用Si晶圆上的无源矩阵测试单元对nanoLED进行高分辨率图案化的实验结果。尽管具有 3,994 ppi 的超高分辨率，但观察到 RGB 发射时有串扰。这是通过分别绘制红色、绿色和蓝色而创建的最高分辨率的自发光器件。

 

 

图3、通过光刻图案化的 6.2 英寸无镉 nanoLED 的全彩图像显示

 

 

图4、通过光刻图案化的 3,994 ppi nanoLED 像素的显微照片

实现 NanoLED 显示器面临的挑战

NanoLED技术近年来稳步进步，但其实际应用还需要进一步发展。要实现nanoLED，最重要的挑战是提高QD材料的性能。直到最近，最高效的 QD-LED 器件仍使用主要由硒化镉 (CdSe) 组成的 QD。根据有害物质限制 (RoHS) 法规，镉的含量受到严格限制，因此在显示应用中使用基于镉的量子点是不切实际的。因此， nanoLED 器件正在考虑替代的无毒 QD 材料，例如磷化铟 (InP)、9-27硒化锌(ZnSe)、碲化锌 (ZnSeTe)、10-32等。

图5显示了使用无镉量子点的nanoLED效率和寿命的进展，在过去五年中取得了巨大进步（图5a）。使用InP QD的红色nanoLED的最高效率达到20 %以上、17、19、21、22的绿色nanoLED达到17.6% 。18 InP 不能用于实现发蓝光的nanoLED，因为这种颗粒太小而无法可靠合成。然而，ZnSe 或 ZnSeTe 是合适的替代品。使用 ZnSeTe QD 的蓝光最佳效率已达到 20% 以上。因此，采用无镉 QD 的 nanoLED 对于所有颜色的效率均提高了约 20%。这是将 nanoLED 用作显示器像素的最低可接受效率。效率会影响显示器的功耗，因此这一点非常关键，特别是对于移动显示应用。

 

 

图5、无镉量子点的 nanoLED (a) 效率和 (b) 寿命的进展

无镉量子点的寿命仍需改进。图 5b绘制了从初始亮度 100 尼特到亮度降低 50% (T50) 的寿命。据报道，使用 InP QD 对发红光的 nanoLED 进行了改进，可实现与有毒 QD-LED 相当的高效率和超过 100 万小时的使用寿命。17这是通过化学处理减少 QD 结构的核和壳之间界面处氧气的形成来实现的。然而，绿色18 , 25 - 27和蓝色22 , 31 , 32的寿命仍然不足10万小时，对于工业应用来说是不够的。未来可以大幅提高这些寿命，以使用所有无镉量子点来实现 nanoLED。