液晶与显示｜量子点液晶显示应用技术的进展与展望

量子点液晶显示（QD-LCD）是一种先进且具有广阔应用前景的显示技术。QD-LCD技术结合了成熟度高的LCD技术和量子点窄发射、高荧光量子产率等特点，提升LCD显示技术的色彩品质，目前已经在高色域电视、高清显示器、智能平板等领域得到广泛应用。近年来，国内外很多公司和科研机构在QD-LCD领域投入大量研发精力，市场占有率正在逐步提升。

近日，北京理工大学吴显刚、钟海政与TCL公司季洪雷合作在《液晶与显示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第3期“量子点液晶显示应用技术”专栏发表了题为“量子点液晶显示应用技术的进展与展望”的综述文章。

文章介绍了传统LCD领域存在的问题，阐述了QD-LCD在色域、能效和感知亮度等方面的优势，发展现状和未来挑战，并探讨了解决上述挑战的提升方案，特别是最近出现的Mini-LED背光、量子点彩膜等技术。

▎QD-LCD的技术优势

QD-LCD具有窄发射的三基色光谱（图1（a））。半峰宽越窄色域覆盖面积越大，整体流明效率也越高（图1（b））。同时得益于HK效应，色彩越鲜艳，人感觉到的亮度越强，因此窄发射光谱可以降低功耗，图1(c)表示了HK效应对感知亮度的具体影响。

图1：（a）GaN LED和红绿CdSe量子点，InP量子点和钙钛矿量子点的光谱；（b）总流明效率和色域覆盖与量子点发射光谱之间的关系；（c）饱和单色光的HK效应幅度
图源：（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的结构和发展情况

■ 结构

如图2（a）-（c）,根据量子点负载方式的不同，QD-LCD的背光可以分为On-chip，On-edge和On-surface三种结构。On-chip结构中，量子点在芯片表面，量子点用量少，工艺简单（图2（d）），但该方案对量子点在高温强光下的稳定性要求非常高。On-edge结构中，封装有量子点的玻璃毛细管被置于导光板的边缘上，但因该结构中背光灯条的设计和量子点玻璃管的安装较为复杂（图2（e）），因此该结构的应用有限。

图2：QD-LCD（a）on-chip,（b）on-edge，(c) on-surface负载模式，（d）量子点on-chip封装结构，（e）on-edge封装灯条界面结构
图源： 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结构中，量子点以量子点增强膜（QDEF）的形式负载在导光板上方。因远离蓝光LED，该结构对量子点的高温强光稳定性要求最低。除了传统的CdSe和InP等量子点材料，钙钛矿量子点也已经满足光学和信赖性要求，开始批量生产（图3）。

图3：（a）钙钛矿量子点光学膜的原位涂布制备工艺及相应产品照片，（b）钙钛矿量子点光学膜在存储条件下和使用条件下的加速老化曲线
图源： Nature Nanotechnology, 2022,  17(8): 813-6.

■ 面临的挑战

虽然量子点可以大幅提升LCD显示器色彩品质和TLE，但彩膜光谱和量子点光谱交叉问题极大的限制了显示器性能的提升（图4（a）-（c））。图4（d）的模拟结果表明，使用现有彩膜技术的QD-LCD尽能达到REC. 2020色域的~95%，且整体流明效率也存在极限（~30 lm/W）。

图4：量子点背光在穿过（a）蓝色滤光膜（b）绿色滤光膜（c）红色滤光膜的光谱交叉情况（d）不同半峰宽的量子点背光的TLE和色域覆盖情况
图源：（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

■ 背光结构优化

图5：使用FRP和像素化1/2波片的背光结构和基本原理示意图
图源： Light: Science & Applications, 2017,  6(9): e17043-e.

光谱重叠可通过特殊设计的光学结构减弱。通过在背光模组中引入了FRP（功能型反射式偏振片）光学膜片和图案化的1/2波片将蓝光和红绿光分开，以减小光线经过彩膜时蓝光和绿光的重叠。

■ 量子点彩膜（QDCF）

将吸收型彩膜替换为QDCF可以简化驱动电路和固件程序的设计（图6（a）），提升屏幕的TLE并增大可视角。但QDCF也存在很多缺点，量子点降低的吸收系数和较小的Stocks位移，会导致蓝光泄露和荧光子吸收，造成显示质量和能效的下降（图6（b））。另外由于QDCF的荧光没有方向性, 向液晶背板传播的光无法被利用，造成能量的浪费。除此之外，环境光中的部分高能量的光也会激发QDCF造成色偏移。在QDCF表面覆盖一层吸收型彩膜可以改进蓝光泄露和环境光激发问题（图6（a）），由于吸收型彩膜对蓝光的阻挡作用，可有效降低蓝光的泄露，并减弱环境光激发的影响。QDCF反向发射的荧光可以使用SPF（短波透射滤光片）来进行阻挡和反射（如图7（c））。

图6：（a）QDCF显示器的基本结构，（b）不同厚度的QDCF在GaN LED激发下的绿光和蓝光积分强度比较  （c）QDCF显示器的基本结构覆盖传统CF,（d）QDCF显示器的基本结构添加短波透射反射片
图源： IEEE Photonics Journal, 2019,  11(3): 1-9.

结语

本文分析了QD-LCD的技术优势、发展现状和问题挑战，并针对这些挑战总结了相对应的解决或提升方法。正如文中描述的那样，量子点因其窄发射和高效率特性可大幅度提升LCD显示器的色彩品质和TLE。其中，On-chip结构具有低成本优势，并随着材料稳定性问题的解决应用前景较大；On-edge的本身结构特性限制了其应用场景；On-surface目前发展迅速，钙钛矿的低成本和高效率为这一领域提供了更多选择。但是彩膜的光谱重叠问题和整体能效问题始终是制约量子点完全释放其性能的障碍，为此研究者们提出了背光结构优化、量子点彩膜等解决方案。

| 论文信息 |

吴显刚, 季洪雷, 钟海政. 量子点液晶显示应用技术的进展与展望[J]. 液晶与显示, 2023, 38(3):276-290.

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

| 通讯作者介绍 |

钟海政，北京理工大学材料学院，教授、博导，The Journal of Physical Chemistry Letters执行主编。先后在吉林大学、中国科学院化学研究所、加州大学洛杉矶分校、多伦多大学学习和从事博士后研究，2010年加入北京理工大学材料学院，2013年破格晋升为教授。入选人事部留学归国择优资助(2012)、北京市青年英才(2013)、北京市科技新星(2014)、国家自然科学优秀青年基金(2017)等人才计划支持。主要从事量子点应用技术研究，已在 Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Light: Science & Applications等期刊上发表论文200余篇，文章被引10000余次，入选爱思唯尔2020、2021年中国高被引学者。申请中国专利100余项，授权国内发明专利30项，国外发明专利9项，在包括美国SID显示年会、“欧洲显示2015年会”、日本显示年会、IEEE Photonics 2018年会等重要国内外会议上做邀请报告30余次。2018年获得北京市科学技术奖励二等奖(排名2/10)，2019年获得日本IDW显示技术最佳论文奖。目前兼任九三学社北京理工大学支社副主委、《中国光学》编委等学术和社会职务。

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