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量子点:应用格局的改变及拓展

量子点(QD)是显示器行业一大成功案例。

下图显示了自2019年以来行业所推出的各种量子点显示器产品。现有整合模式是薄膜类型(增强薄膜),而且这个价值链是完善的。该技术可集成在27英寸至98英寸的大型显示器(TV)中。

量子点:应用格局的改变及拓展

较低的屏障要求、更低的QD成本以及更高的涂层合格率,促进了QD增强薄膜成本的改善,从而实现了从370美元(55英寸)到3000美元(82-90英寸)的价格区间。有些人现在甚至开始争辩道,如果高亮QD使得亮度增强薄膜变得多余,QD增强薄膜实现的净成本可能接近于零。

然而,该技术正在经历很大的变化。据悉,显示器量子点的技术路线图包括玻璃上量子点、LCDOLED上的像素内(或彩色滤光片)良子地以及发光QLED。除了在显示领域的应用外,量子点还可用于照明、NIR / SWIR QD-Si混合光电传感器、农业色彩转换膜、安全标签等应用。

接下来,我们将简要分析一下量子点的一些关键应用。

显示应用领域的量子点:路线图

量子点集成到显示器中的方式也在发生变化。有些产商希望将QD薄膜发展为玻璃上量子点。在此,QD直接涂覆在导光板上,另一侧则通过薄膜封装。这将以卷轴式(R2R)薄膜制造商为代价重新配置价值链。这样一来,就会产生更薄的解决方案,因为消除了额外的衬底并且QD层本身可以制造得更薄。但并不是每个产商都会采用这种内部解决方案。

下一步发展是将QD作为像素内颜色转换器(通常称为QD滤色器或QDCF)。红色和绿色QD可以通过喷墨或通过光刻图案化的QD光刻胶施加在子像素上。这将需要高蓝色吸光度以确保色纯度和薄层,此外还需要在高负载水平下良好地分散到树脂中。而量子点必须在此过程中得以保存下来。在使用了光学图案化抗蚀剂的情况下,QD必须经受软灼热、蚀刻、硬灼热等,几乎没有量子产率、WHM或发射波长的变化。在使用喷墨技术的情况下,QD应配制成可印刷油墨,必须在黑色基质内实现很好的印刷,并且必须在固化(很可能是热)得过程中保存下来。这方面的进展很好。

材料供应商与QD供应商密切合作,已经开发出了良好的QD光刻胶和喷墨油墨。

QDCF可以应用于LCD和OLED。就前者而言,存在系统级挑战。特别是,对单元内偏振器的主要挑战是对技术开发和新工艺适应的需求。对于后者而言,红色和绿色QD将喷墨打印在连续施加(未图案化)的蓝色OLED上(现在是荧光,但如果TADF或超级TADF实现了商用,可能会随时间改变为TADF以提高效率)。这里使用印刷可以为实现高质量大尺寸QD-OLED混合显示器提供成本有效的工艺(QD-OLED混合显示器超过了使用标准滤色器的WOLED的性能和成本)。印刷的使用也将成为以解决方案处理的发光QLED作为最终目标的关键战略学习。

QLED:终极显示器?

实际上,QLED是行业研发的一个主要的长期目标。它们可以实现薄/柔性、高对比度、高效和宽色域显示器。然而,路上的挑战仍然很多。因此,在实现全色彩商用产品前,还有很长的路要走。对于所需波长的有效蓝色,可能需要新的QD无毒化学物质,绿色和红色InP量子点可能需要更好的壳覆盖和分级合金化以消除内部的CTE不匹配,同时还需要具有足够深价带的合适的有机HTL以确保良好的电荷平衡。此外,还需要基于可印刷的金属氧化物纳米颗粒的ETL,以便进行优化。当然,还将对所有生产和扩大规模的过程进行设计。

当前,大多数显示薄膜都是有源的。最佳结果在所有方面都有所改善的速率(蓝色EQE、亮度、合理尼特的寿命等)都很高。这是一个值得密切关注的领域,因为它代表了广泛的创新和发展机会。

图像传感器

硫化铅QD可以在很宽的波长范围内进行调谐,实现NIR(近红外)或SWIR(短波红外)传感。有趣的是,它们可以与硅ROIC(读出集成电路)集成,以创建混合QD-Si NIR / SWIR图像传感器,从而可能会为高分辨率小像素硅基NIR / SWIR传感器提供一条途径,从而消除了对GaAs传感器与Si ROIC的异质杂交的需求。

第一代产品已经上市。一家领先的消费电子公司也积极参与了这一领域。它已经进行了重大的收购,据悉还委托了英国QD供应商扩大其产量。但是有消息显示,该公司最近停止了该业务。

这项技术的前景仍然很广。但是还是面临很多挑战。稳定性是一个关键问题。将需要一些QD或设备级封装。耐光性也是一个更大的问题。如今,传感器可以处理低照度的室内条件,但是在汽车等应用中户外运行的话,还需要进一步的开发和潜在的突破。

此外,还需要进行产品优化。还需要具有高批次间一致性的QD供应。QD薄膜还需要进行铸造并且可能需要实现图案化。固化对于确保良好的载流子传输可能非常重要,但是不会导致由于太紧凑而导致产量损失。这可能需要一些原位或非原位配体交换。尽管如此,这仍然是一个令人兴奋的领域,未来的发展和改进的前景非常广。

照明

照明是一种大规模且前景广阔的应用。照明领域的重点主要是红色量子点,因为在正确波长下有效的窄带红色可以在不影响效率的情况下提高CRI。

但是面临的挑战在于开发具有足够的热量、湿度和光稳定性的QD,以在接近LED面临的条件下存活。将QD作为尽可能多的普适性解决方案也是非常有用的。这将意味着使其能够与其他颜色转换器(例如磷光体)混合,并使用现有工具和程序进行处理。

如今,早期产品已经上市。这些产品可能是基于Cd的,并且使用二氧化硅脱壳程序使其稳定。一些研究人员已经演示了在低光照条件和远程片上荧光粉表现出了足够的InP稳定性,但这些尚未实现商业化。

值得注意的是,片上类型在显示器中也很有用。这是因为它们可以取代当今LED照明显示器中使用的荧光粉。这里的挑战也在于确保良好的湿度、热量和光稳定性。在显示器中,可能同时需要绿色和红色QD。

目前还有许多应用在筹划中。一些人甚至将QD定位为针对农业的色彩转换膜。其原理是,色彩转换膜可以调整太阳光谱,进而促进生长和产量。在这里,关于窄带或宽带发射器是否是最适合的问题存在争议,答案可能是针对特定植物而言,没有通用的“一刀切”解决方案。第一代产品即将推出,而且很可能是基于宽带CIS QD。已经进行了多次现场试验以定量地证明了RoI和价值主张。

请注意,QD稳定性挑战一如既往,特别是在大量阳光照射的情况下,量子点将放在薄膜其它层之间。尽管如此,可能还需要额外的封装层。

另一个应用是安全标记。目前,众多企业都在开发宽带石墨烯或碳量子点,可以非常小的痕量添加到液体(包括石油产品)中,作为液体安全标记物。有些人建议在光疗中使用量子点。这里的想法是使用QD修改色谱以满足特定的医疗需求。这项技术可以实现舒适、便携和可穿戴的光疗解决方案。此外,量子点太阳能电池方面也有很大的发展空间。然而,除非有重大突破,否则在中期内仍然是一个艰难的价值主张。

QD市场正在发生变化。在显示器行业的应用也在快速发生变化。这些转变将带来许多材料创新机会,而且目前还有许多其他非显示应用正在筹备中。因此,量子点未来几年的市场依然强劲。

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