當今社會，顯示無處不在，從人手一部的手機，到家家戶戶必有的電視，到商場里、大街上的各種商用顯示屏幕，以及汽車上的車載顯示屏等。顯示屏已成為我們日常生活的重要組成部分，作為我們獲取信息、觀看世界的一個非常重要的窗口，具有不可替代的重要作用。隨著人民生活需求的不斷提升，對顯示面板的品質也提出了更高的要求，各種不同技術的顯示屏也經歷著更新換代、產品升級的歷程。從最初的陰極攝像管顯示器（Cathode ray tube, CRT），到薄膜晶體管液晶顯示器（Thin film transistor liquid crystal display, TFT-LCD），再到當下已經廣泛應用的有機電致發光顯示器（Active-matrix organic light-emitting diode, AMOLED），以及目前被大力研究的微型發光二極管顯示器（Micro-size LED, ?LED）。量子點、鈣鈦礦材料由于其優異的光電特性，具有色純度高、發光顏色可調和熒光量子產率高等諸多特點，尤其在提升顯示面板的色域方面，具有巨大的潛力，受到顯示面板行業的廣泛關注。
圖1不同電視產品顯示色域比較
2 量子點液晶顯示應用
近日，北京大學深圳研究生院新材料學院孟鴻教授、尹勇明博士在《發光學報》（EI、核心期刊）發表了題為“量子點、鈣鈦礦色轉換全彩顯示應用研究進展”的綜述文章。該綜述聚焦量子點、鈣鈦礦色轉換全彩顯示應用，從常規量子點在液晶顯示方面的應用出發，詳細闡述量子點集成到液晶顯示器面板中所需要考量的面板架構、光學特性、可靠性、制程工藝等一些關鍵問題，進一步對量子點色轉換主動發光顯示應用進行分析，就如何獲得高效色轉換、量子點材料圖案化以及搭配藍光發光器件的光學集成問題進行重點關注。最后，針對當前受到廣泛關注的鈣鈦礦材料，就其色轉換全彩顯示應用研究進展進行了分析。
1 引言
圖1不同電視產品顯示色域比較
評價顯示器的性能指標包括對比度、響應時間、刷新頻率、分辨率、視角等，其中對人眼直觀感受影響顯著的指標之一是面板的顯示色域，它是衡量顯示器展示圖像色彩能力的一個重要指標。量子點具有色純度高、發光顏色可調和熒光量子產率高等諸多優良的光電特性，成為一類非常重要的發光材料，在顯示及照明領域都受到了廣泛的關注。尤其在提升顯示面板的色域方面，具有巨大的潛力，從量子點材料被報道以來，就受到了顯示面板行業的廣泛關注。圖1展示了當前市面上四種主流電視產品技術的顯示色域對比結果，可以很明顯地看出，基于量子點技術的電視產品具有非常高的顯示色域，超過120% NTSC，遠遠高于現有其他三種顯示技術的電視產品的顯示色域。該結果進一步證實了量子點在提升面板色彩表現方面的巨大優勢。
色轉換顯示應用主要是基于量子點材料的光致發光特性，可分為不完全的色轉換以及完全的色轉換。前者主要用于液晶顯示器的背光，在藍光LED的激發下，獲得白光背光光源，再結合液晶顯示面板內部的彩色濾光膜，實現全彩顯示；此外，量子點也可以應用于液晶顯示面板內部，用作量子點濾光膜，同樣搭配藍光LED，實現全彩顯示。完全的色轉換則是以藍光OLED或者藍光LED顯示器作為激發源，將綠光和紅光量子點色轉換層集成到顯示面板內部，采用色轉換策略，獲得所需的綠光和紅光發射，與本身的藍光OLED或者藍光LED搭配實現全彩顯示。針對這四種量子點色轉換全彩顯示應用方向，對應的面板架構如圖2所示。圖2量子點色轉換全彩顯示應用方式：量子點背光（a）和量子點濾光膜增強（b）液晶顯示器；量子點色轉換OLED（c）和?LED(d)全彩顯示器。
2 量子點液晶顯示應用
2.1量子點液晶顯示器背光
量子點材料應用于液晶顯示器背光，與其優異的色彩表現是分不開的。在液晶顯示器中，全彩顯示是通過白光光源與彩色濾光膜搭配來實現的，因此，最終的彩色顯示效果受到背光光源本身發光特性以及濾光膜穿透頻譜的雙重影響。目前的彩色濾光膜的濾光效果有限，紅、綠和藍色三種濾光膜均只能濾掉一定波長范圍的發光，在各自發光波段仍然有較寬波段的透過，盡管通過改進濾光膜的材料可以在一定程度上獲得更佳的濾光效果，但光透過率損失過大，不具備量產性。因此，背光本身的光譜對顯示器的色彩表現起著關鍵的作用，考慮到量子點非常窄的發光特征，基于量子點的背光顯然具備獲得更高顯示色域的潛力。如何將其有效地集成到背光結構中是量子點背光制備的關鍵，對此，以側入式（Edge-lit）LED背光架構為例，研究人員開發了三種類型的量子點背光架構，分別是：
（1）芯片封裝型（On-chip）。該類型是三種結構中最簡單的，直接取代傳統熒光粉，將量子點材料與膠材一起封裝到藍色LED芯片上方，制備出白光光源。盡管該結構比較簡單，量子點材料的用量也是最少的，但是對量子點材料的穩定性要求也最高。這主要是由于在該架構下，量子點膠膜直接與LED芯片接觸，LED在實際點亮過程中產生的熱量會直接傳導到量子點材料，LED芯片表面溫度較高時超過100℃，如此高的溫度對量子點材料的熱穩定性是一個極大的挑戰。此外，在該類型器件中，芯片的光功率密度在10~100 W/cm2之間，也是三種結構中光功率密度最高的，因此，量子點還需要具備較好的光穩定性。
（2）側管封裝型（On-edge）。側管封裝型是專門針對側入式背光架構開發的量子點組件，該類型背光是將量子點做成長條形的管狀結構，將量子點管放置在藍光LED芯片與導光板之間。在On-edge架構中，由于量子點材料并未直接與LED芯片接觸，量子點在該架構中受到的熱輻射與光輻射相比On-chip架構都大幅降低，理論上而言，該架構下量子點的使用壽命會得到大幅提升，具備更大的導入量產的潛力。
（3）光學膜集成型（On-surface）。液晶顯示器背光是由各種光學膜片集成一體的架構，將量子點材料制作成光學膜片，然后再將其嵌入到背光其他膜片之間，既不增加背光結構的復雜度，同時還能有效地將量子點材料引入到背光中，實現增大顯示色域的目的。相較On-chip與On-edge架構，On-surface架構下量子點受到的熱輻射與光輻射最低。一方面，由于量子點膜片遠離LED熱源，可以認為量子點膜片處的溫度接近于室溫；而另一方面，由于量子點背光薄膜是整面性的，受到的光輻射也極大地降低。因此，針對該架構下的量子點背光，關鍵的任務在于如何制備穩定的量子點膜片。
2.2量子點彩色濾光膜
液晶顯示器主要由背光與液晶面板兩部分組成，因此，在液晶顯示應用上，除了可以將量子點材料引入背光之外，也可以將量子點材料引入到液晶面板中。結合液晶面板的制作工藝，將量子點材料引入到彩色濾光膜（Color Filter, CF）中是相對而言最簡單的，既不需要額外增加工藝步驟，還能將量子點的特性引入到液晶面板中，達到提升光效和增大顯示色域的目的。
然而，制備QDCF并不簡單，需要克服諸多挑戰。首先是如何將量子點溶解到CF材料當中，常規的CF材料以丙烯酸類的聚合物體系為主，其中的溶劑主要是酯類的偏中性的溶劑，而一般的CdSe量子點主要溶于甲苯、正己烷等非極性溶劑中，直接將常規量子點加入到CF材料里面，會發生嚴重的聚集現象，量子點可以加入的量比較受限，本身的發光效率也損失嚴重。在解決了量子點在CF材料中的溶解問題后，如何采用現有的CF制備工藝將獲得的QDCF材料進行圖案化制備，則是另一個需要克服的挑戰。
3 量子點主動發光顯示應用
在液晶顯示應用中，藍光經由量子點材料后的能量轉化是不完全的，仍有部分藍光會透過，進而獲得所需的白光。如果能將藍光完全轉化成其他顏色的光，比如綠光或紅光，則可以達到色轉換的目的。在主動發光顯示器設計中（如AMOLED或者?LED顯示器），可以在背板部分只設計藍光像素，結合色轉換材料即能實現全彩顯示。基于這樣的設計，可以較好地簡化面板設計，有效地利用量子點材料的光致發光優點。
3.1 量子點色轉換基本要求
色轉換應用首先要考慮的是如何實現完全的能量轉化，將所接收到的短波長發光轉化為完全的長波長發光，即達到色轉換的效果，針對全彩顯示應用，也就是實現藍光到綠光或紅光的轉化。藍光經由量子點材料轉化為綠光或者紅光的過程，至少包含：光吸收、光致發光、光取出三個光電過程，光轉換的效率也與這三個過程息息相關。要想實現完全的色轉換，有效的光吸收是關鍵，只有將藍光完全地吸收，才能避免藍光殘留的問題。
3.2量子點圖案化方法
不同于量子點材料在液晶顯示中的背光應用，量子點材料可以做成整面性的，其中的紅光和綠光量子點材料是混合在一起的。在色轉換應用中，與主動發光顯示器背光搭配，紅光和綠光量子點必須與對應的藍光像素對應起來，才能達到全彩顯示的目的。因此，量子點在主動發光顯示應用中，精細的圖案化是必不可少的。目前量子點材料的圖案化方法主要包含三種：（1）微接觸轉印技術；（2）光刻技術；（3）噴墨打印技術。
對三種圖案化技術進行分析比較，微接觸轉印技術主要是通過預先制作好的精密模板，通過模板的凸點圖案將待轉印的膜層吸附，進而再轉印到目標基板上。該方法的主要問題在于制作精度不高、大面積化也比較困難。光刻工藝則是參考半導體制造工藝里面的圖案化技術，將發光材料與光阻材料混合到一起，依靠光阻的圖案化能力，達到將發光材料圖案化的目的。該方法的材料利用率比較低，此外，發光材料的效率在曝光、顯影過程中也受到較大影響。相比微接觸轉印和光刻工藝，噴墨打印技術作為一種無接觸、按需打印、無光罩的工藝，并且所利用的原料正好是液態的，與量子點原材料具有極高的材料兼容性，材料利用率高，打印圖案可以根據需求進行設置。顯然，噴墨打印方法更適合用作量子點材料的圖案化。
3.3量子點色轉換主動發光顯示器
目前的主動發光顯示技術主要有兩種：AMOLED和?LED顯示器，其中AMOLED顯示技術已經實現量產，在中小尺寸手機面板及大尺寸高端電視等多個領域都已獲得應用。QD-OLED技術是指以藍光OLED作為激發源，結合量子點色轉換策略來實現全彩顯示，該技術可以有效地避開LG的WOLED+CF技術壁壘，同時由于TFT基板側只有一種藍光OLED器件，也可以很好地克服大尺寸FMM制作的挑戰。
盡管QD-OLED全彩顯示器具備極佳的色彩表現，面板架構也比較簡單，但是藍光OLED的器件效率及穩定性是制約其進一步發展的關鍵因素。相比而言，?LED在對比度、壽命、響應時間、工作溫度范圍、視角、能耗等多個性能指標方面均表現更佳，受到蘋果、三星、Sony、京東方、華星光電等諸多國內外電子科技巨頭的廣泛關注，各大公司紛紛加大研發力度，爭奪該新型顯示技術的戰略制高點。
然而，?LED顯示器在開發過程中也存在一些挑戰，首先是紅、綠和藍光?LED芯片發光效率存在較大的區別，其中藍光的效率最高，紅光的效率最低，兩者的效率相差兩倍以上。鑒于此，在實際像素設計中，必須將紅綠藍三種顏色?LED對應的驅動TFT設計得相差較大才能彌補這種差異，這不可避免地增加了設計上的復雜度。另一方面，三種顏色?LED的器件發光效率隨溫度變化趨勢也完全不同，其中藍色?LED的發光效率隨溫度衰減是最小的，其次是綠光?LED，效率衰減最快的是紅光?LED，這樣導致在實際使用過程中，隨著溫度的變化，顯示的畫面可能會發生顏色偏移現象。鑒于此，研究人員提出了色轉換全彩化策略，可以只利用一種藍光?LED芯片，紅光和綠光均通過色轉換獲得，則可以有效地解決上述挑戰。
4 鈣鈦礦全彩顯示應用
4.1 鈣鈦礦液晶顯示器背光應用
鈣鈦礦材料顯示應用起始于TFT-LCD所需的背光方面的應用。自2015年以來，北京理工大學鐘海政教授課題組制備了多種綠光鈣鈦礦材料，將該材料與KSF結合，制得了背光所需的白光光源，經由CF轉化后，可以實現超過120% NTSC的顯示色域。基于該架構的背光被成功應用在一款顯示器上，顯示效果優于當時蘋果筆記本電腦所用的顯示器。同一年，美國中佛羅里達大學的研究團隊采用溶脹微封裝技術制備了一系列穩定性極好的綠光鈣鈦礦膜層，基于該綠光鈣鈦礦膜層與紅光量子點膜層結合，在藍光LED的激發下，同樣獲得了高性能的背光光源，搭配CF后的面板顯示色域高達95% Rec. 2020。在此之后，其他研究人員也陸續報道了基于藍光LED結合綠色鈣鈦礦材料和紅色熒光粉KSF的高色域背光光源。2020年，鐘海政教授團隊進一步開發了基于全鈣鈦礦材料的液晶顯示器背光，采用紅色鈣鈦礦材料取代了之前的KSF或者紅光CdSe量子點，并將所制備的背光應用在一個32英寸的顯示器上。
4.2鈣鈦礦色轉換主動發光全彩顯示應用
與常規量子點材料類似，將鈣鈦礦材料用作色轉換層，首先要考慮的是如何獲得高效的藍-綠或者藍-紅光轉換。根據前面的討論，考慮到鈣鈦礦材料的吸光系數在105 cm-1量級，與常規量子點材料類似，參考CdSe量子點用作色轉換層的情況，進一步結合鈣鈦礦在照明方面的應用情況，推測鈣鈦礦材料用作色轉換層必須達到微米級別的厚度才能實現高效率的光轉換。在實現了有效的光轉換之后，如何將色轉換材料引入到藍光背光顯示器中是至關重要的。考慮到面板內部精細的器件結構，要實現基于色轉換的全彩?LED顯示器，仍然有諸多挑戰需要克服，主要包括兩方面：第一，制備高效且精密圖案化的鈣鈦礦色轉換材料膜層；第二，優化面板光學結構設計，解決不同像素之間的串擾問題。
5 結論
量子點、鈣鈦礦色轉換全彩顯示應用作為一個實現全彩顯示的新型方案，在實現超高顯示色域方面具有無可比擬的優勢。相對而言，量子點在液晶顯示器背光方面的應用更為成熟，已經獲得了量產；但在與藍光OLED和?LED搭配實現全彩主動發光顯示器方面，暫無量產實績，仍有待進一步驗證。針對鈣鈦礦材料的色轉換應用，無論是液晶顯示器背光還是搭配藍光OLED和?LED方面，相關的研究都處于起步階段，仍存在著一些重要的科學和技術問題亟待解決。與藍光?LED搭配制備色轉換全彩?LED顯示器，是一個雙贏的技術方案，能最大程度地發揮?LED高效率以及色轉換材料色彩表現優良的優勢，值得進一步開發。
作者簡介
尹勇明，北京大學博士。自2011年以來，一直從事發光材料、器件及顯示應用方面的研究工作。近5年，在面板設計開發、Mini/Micro-LED顯示技術、新型發光材料開發等方面開展了較有意義的工作，并取得了一些有特色的研究成果。在量產品開發方面，成功開發了49寸、65寸等多款暢銷產品，成功導入三星、華為、Sony、TCL、海信等主流終端客戶；在新型顯示技術方面，在Mini/Micro-LED顯示技術、鈣鈦礦材料制備、精細圖案化及其色轉換全彩顯示應用等方面開展了較有意義的工作，相關結果發表在Small等優秀期刊上。截止到目前，已經發表近30篇SCI/EI檢索文章，申請國家發明專利30余項，已授權6項，其中一項技術成功導入65寸以上4k面板及全系列的8k面板。
孟鴻，北京大學深圳研究生院講席教授，博士生導師，特聘專家。孟鴻教授二十多年來一直從事有機光電材料設計合成、有機半導體器件制備和集成應用研發工作，先后在新加坡材料與工程研究院（IMRE)、美國貝爾實驗室（Lucent Technology Bell Labs）和美國杜邦公司研發中心工作。孟鴻教授先后在美國化學會志（J. Am. Chem. Soc.）、先進材料（Adv. Mater.）、先進功能材料（Adv. Funct. Mater.）、德國應用化學（Angew. Chem., Int. Ed.）、先進能源材料（Adv. Energy Mater.）等國際著名學術刊物上發表論文130余篇，其論文被同行引用8439次，Google Scholar H-index=43；申請120項發明專利（38項授權），其中國際發明專利43項（12項授權）；出版英文專著和中文專著各2部，受到國家自然科學基金委、科技部等機構的大力支持。
論文信息
尹勇明, 孟鴻. 量子點、鈣鈦礦色轉換全彩顯示應用研究進展[J]. 發光學報, 2021, 42(4):419-447. DOI：10.37188/CJL.20200391
論文地址
http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20200391
