LED照明——量子点技术与应用

摘要：近年来，量子点材料越来越为产业界关注，尤其是在显示领域的应用，将NTSC色域值从72%提高到100%以上，其在照明领域的应用前景也广被看好。本文介绍了量子点发光的基本原理、量子点制备发展历程、现有技术应用、以及其广阔的应用前景。
 
关键词：量子点；量子点管；量子点膜；电致发光；光致发光
 
Abstract：Quantum dot is an impressive new material in the industry field recently, especially in the display field, which improves the NTSC from 72% to above 100%, and the application prospect in the field of lighting is also attractive. This paper presents the basic principle of quantum dots emitting, technological preparation development, and current technology applications, as well as its broad application prospects.

Key words: Quantum dots; Q-LCD; Q-LCF; Q-LED;QD-Blue

1. 量子点发光的基本原理 

量子点（Quantum dots）又称为半导体发光纳米晶，是一种由II－VI族或III－V族元素组成的纳米颗粒，粒径一般介于1～10nm之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。不同尺寸的量子点，电子和空穴被量子限域的程度不一样，因此在受到外来能量激发后，不同尺寸的量子点可以发出不同颜色的光，其发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区，而且色纯度高、连续可调。比如硒化镉（CdSe)半导体纳米晶，在2nm时发出的是蓝色光，到8nm的尺寸时发出的是红色光，中间尺寸则呈现绿色、黄色、橙色等。 2. 量子点制备方法

量子点发展的每一次突破都离不开制备方法的创新。量子点合成方法一般分为水相法和油相法。水相法合成量子点始于上世纪80年代，一般以水溶性盐类作为前驱体，加入一定量的稳定剂，也就是配体，在一定的pH值和温度下，通过沉淀反应制备量子点。然而限制于溶剂的沸点，水相合成的温度不能过高，导致量子点的结晶不够完美，往往存在尺寸分布不均匀，发光效率低的问题。1993年，贝尔实验室Bawendi课题组在Brus实验室工作的基础上，首次报道了高质量CdSe、CdS、CdTe量子点的有机相合成方法即“金属有机-配位溶剂-高温”合成路线，这对于整个量子点领域具有里程碑式意义^[1]。但是，这同时也给领域留下来一个挑战，因为所用的原料是从“金属有机气相沉积”借鉴而来，其中的二甲基镉是爆炸性的，即使在室温下也不稳定，而且毒性很大，成本很高。这些因素导致在后来10年间这个领域发展并不快，而且只能做一种材料。彭笑刚于2000年用磷酸金属盐、羧酸金属盐替换了有机金属，制备出更高质量的硒化镉量子点，再加上在溶剂筛选上卓有成效的工作，开发出了一套合成量子点的“绿色合成路线”，极大促进了量子点的发展和推广，现在学术界和工业界量子点的制备基本都是在其基础上发展而来^[2]。

3. 量子点技术应用

目前量子点的主要应用在显示领域，因为量子点的发光峰窄、发光颜色随自身尺寸可调、发光效率高，非常适合用作显示器件的发光材料。量子点在显示技术领域的应用主要包括两个方面：基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管技术(Quantum dots light emitting diode，QLED)；基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术(Quantum dots backlight unit，QD-Blue)。基于电致发光技术的QLED，可直接做显示器件，制造极薄、极轻的显示屏，随着其技术的不断完善，将威胁到OLED技术的地位^[3],2014年11月，纳晶科技和浙江大学联合开发出的量子点发光二极管（QLED），制备方法基于低成本、有潜力应用于大规模生产的溶液工艺，其综合性能超越了已知的所有溶液工艺的红光器件，将使用亮度条件下的寿命推进到10万小时的实用水平，这种新型QLED器件有望成为下一代显示和照明技术的有力竞争者^[4]。11月6日，相关成果第一篇论文“Solution-processed，high-performance light-emitting diodes based on quantum dots”（基于溶液工艺的高性能量子点LED）在《自然》杂志发表。

而基于光致发光技术的QD-Blue产品开发主要有三种方式：“On-chip”，“On-edge”以及“On-surface”。其中“On-chip”是将量子点封装到LED上，但由于其自身的稳定性及寿命等问题，此方式尚不能实行量产。“On-edge”是将量子点密封在细玻璃管中并安装在背照灯导光板的LED光入射部，虽然可节约量子点原料，但因其设计会增加机身厚度，一定程度上影响美观，且需要搭配专用夹具来使用。“On-surface”是将量子点膜（Q-LCF）贴在背照灯与液晶面板之间，容易嵌入，但成本较高。各企业将结合自身规划推行不同方式的量子点产品。目前市场上批量可供货的主要产品即为“On-edge”的量子点管和“On-surface”的量子点膜，量子点管产品主要生产商为美国的QD-Vision和中国纳晶科技股份有限公司（NajingTech），主要客户有索尼、TCL、海信、飞利浦、京东方（BOE)等；量子点膜的主要生产商为美国NanoSys/3M公司、韩国三星公司、中国纳晶科技股份有限公司（NajingTech），主要客户有亚马逊、三星、LG、TCL、海信、友达、飞利浦等。

不管是“On-edge”的量子点管还是“On-surface”的量子点膜，该技术应用都是通过蓝光LED背光源激发不同颜色量子点材料得到预期光谱的白光，材料主要包括绿色和红色的量子点，分别可以产生高纯度的绿光和红光，显示器色域可从传统的70%提高到超过100%NTSC，大幅改善显示器的色彩效果，颜色更鲜艳和丰富，接近于真实世界。且量子点材料响应速度快，余晖时间非常短，一般在几十纳秒，而传统液晶显示器的LED背光使用的荧光粉一般在几百纳秒，甚至会到毫秒级，因此采用量子点显示器响应速度更快，不会出现残像、拖尾等现象，更适合高端显示应用。

4.量子点在照明上的应用前景

发光二极管（LED）正在改变我们的生活，在照明和显示领域的节能效果已经得到公认，这就是2014年诺贝尔物理奖（氮化镓蓝光LED）的基础。目前氮化镓蓝光LED已经大面积量产，相关知识产权被日本、美国、欧洲公司牢牢控制。但氮化镓蓝光LED的技术是基于在蓝宝石单晶衬底上外延生长多层半导体单晶，要求高真空设备、超高纯度原料、制备过程能量消耗大，因而其基础成本大。目前广泛使用的LED照明灯具是利用蓝色芯片激发黄色或者红绿色稀土荧光粉层而得到白光，和自然光比较，现在的白光LED光谱是有缺陷的，中间有部分光谱缺失造成光谱不连续，显色指数普遍不高，且LED发热仍比较明显。QLED的白光，在原理可以完全做到与理想照明光源一致，更加接近于自然光，并且发热大大减少，如果量子点合成达到了LED光电性能的要求，那么，量子点LED有望结合氮化镓LED和OLED两者的优势。纳晶科技具有深厚的量子点研发实力和基础，为国际上少数几家拥有知识产权和量子点放大生产能力的公司，且具有较强的前沿开发能力，纳晶科技和浙江大学联合开发的QLED技术，目前处于国际领先地位、并确立了自己的知识产权,但是，来自MIT（QDVision）、SAMSUMG等方面的竞争是不容小视的^[5]。
 
参考文献
[1]Murray et al. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites. J. Am. Chem. Soc.115: 8706–8715（1993）.
[2]Peng,X.G.;Manna,L;Alivisatos,A.P.Shape control of CdSe nanocrystals.Nature 404,59-61(2000).
[3]Supran, G. J. et al. QLEDs for displays and solid-state lighting. MRS Bull. 38,703–711 (2013).
[4] Xingliang Dai; Yizheng Jin; Xiaogang Peng et al. Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots.Nature 515,96–99(2014).
[5]“千人计划”专家彭笑刚：解读量子点技术的前世今生和未来 《中国科技网》http://www.wokeji.com/kjrw/x