利亚德&赛富乐斯半导体：2024年T003-量子点（QD-mLED）直显解决方案白皮书

白皮书 联合发布赛富乐斯半导体科技有限公司利亚德光电股份有限公司 目录 前言一、量子点直显屏优势及特点总览二、量子点直显屏优势详解可视角度色彩表现产品生产与使用环保使用稳定性三、量子点直显屏产品规格四、量子点直显屏可靠性表现五、量子点直显屏应用场景与落地案例六、附录··················································································································1-3.······························································4.····································································5-15.····································································································5.····································································································8.·············································································12.······························································································14.·········································································16.······························································17-19.·············································20-22.···································································································23-46. 前言 量子点是当前显示科技中非常优秀的色彩表现材料。市面上传统LED直显的色域极限是Rec.2020标准的88%，传统的液晶（LCD）显示的色域极限是Rec.2020标准的97.3%（CIE1976）1，而量子点材料产生的单色光几乎可以覆盖人眼看到的所有自然界色彩，并且能够提供更饱和的颜色，因此可以达到100%的Rec.2020色域范围覆盖2。 量子点（QuantumDots）是一类具有独特光学和电学性质的半导体纳米晶体，同时也是一种光致发光材料。2023年，诺贝尔化学奖授予了孟吉·巴文迪（MoungiG.Bawendi）、路易斯·布鲁斯（LouisE.Brus）和阿列克谢·叶基莫夫（AlekseyYekimov），以表彰他们“发现和合成量子点”的贡献4。 量子点的最独特之处在于其发光波长与特性取决于粒径尺寸，其直径通常在2到10纳米之间。由于其量子限制效应，量子点的电子和空穴在三个维度上被限制，从而导致它们的能带结构和光学性质显著不同。尺寸较小的量子点会发射较短波长的光（例如蓝光）， 而尺寸较大的量子点则会发射较长波长的光（例如红光）。这种尺寸依赖的发光特性使得量子点在显示技术中得到了广泛应用，例如量子点作为背光的QD-LCD显示器，量子点使其能够提供更宽广的色域5。 量子点技术的影响力仍在不断扩展，量子点发光二极管、光电探测器、生物荧光标记技术的进步，以及量子点激光器和量子计算机的巨大应用前景，充分展示了量子点对科学与技术发展的迅速推动作用。 2010年代是量子点显示技术的初步商业化阶段。三星、索尼等主要厂商纷纷推出基于量子点技术的电视产品，利用量子点背光技术显著提高了液晶显示器（LCD）的色域和亮度6。 进入2020年代，量子点显示技术继续快速发展。研究重点包括自发光量子点显示器（QLED）以及OLED蓝光结合的光转换量子点直显（QD-OLED）等等。同时，量子点技术也被引入柔性显示器和可穿戴设备，推动显示技术进入新纪元7。然而，在实际应用中，量子点产品仍然面临高光强下可靠性差和小尺寸下转换效率低的限制。因此，目前它们主要应用于背光和OLED等低光强产品，无法完全展现其在色彩等方面的优势，尚未能真正成为直显产品。 基于独家的纳米孔量子点（NPQD®）技术，赛富乐斯半导体科技有限公司（Saphlux,Inc.）首次实现了量子点直显产品的突破。公司创造性地将Mini/Micro-LED芯片与量子点色转换层原位集成（in-situintegration），并于2023年正式量产基于该技术的R系列量子点芯片。纳米孔结构是量子点材料的天然容器，在提供充分有效光径的同时，为量子点材料提供保护，为可靠性提供保障，是目前效率、量产可行性领先的量子点色转换方案8。其转换效率是传统量子点色转换方案的三倍，可靠性提升两个数量级【图2】。 基于R系列量子点芯片，利亚德光电股份有限公司（LeyardOptoelectronicCo.,Ltd.）与赛富乐斯共同研发了量子点直显屏系列产品，将量子点直显产品正式推向市场。自2024年起，Mini/Micro-LED自发光（直显）量子点直显大屏正式开启商业化进程，引领量子点显示科技进入新时代。 图2纳米孔量子点（NPQD®）与量子点膜色转换效率对比数据9 二、量子点直显屏优势详解 可视角度 可视角度是衡量任何商显屏幕优劣的重要标准之一。考虑到此类屏幕的应用场景，如会议室、演出场馆、展厅和商业中心等，通常人员众多且位置分散，需要从不同角度同时观看屏幕。因此，屏幕需要具有足够大的可视角度，并保证各角度观看的画面色彩与亮度一致。 对于传统直显屏而言，在不同视角，尤其是大视角下保持色彩一致，色准依旧是最主要的挑战之一。由于传统直显屏通常采用磷化铝铟镓红光芯片，与氮化镓材料的蓝绿光芯片不同，材质自身折射率等性质不同导致了芯片层级的出光角度差异10。整屏显示效果表明，传统磷化铝铟镓红光芯片在大角度下亮度不足，导致屏幕整体从大角度观看时色彩偏青色。 1.大视角下15倍色准提升 将量子点直显屏与封装配置相同传统直显屏进行直接对比测试时，在大角度下，量子点直显屏色温变化比传统直显屏小15倍【图4】，即显示的色准提升了15倍。经充分发挥三色光型一致的优势，量子点直显屏水平与垂直可视角皆达到170˚【图4】。 2.各视角色彩不变 量子点直显屏系列产品中采用的量子点红光芯片可以有效解决红光光型不一致的问题。量子点红光芯片采用了氮化镓材料的纳米孔量子点色转化层加同材料蓝光LED的色转换方案，制成与蓝绿芯片材料一致的量子点红光芯片。该红光芯片与蓝绿结合后，在量子点直显屏中，三色芯片光源所散发的朗伯体光型接近一致【图5】。经过实际测量，在0˚（正面视角）、30˚、45˚、60˚、85˚所得色温测量结果，量子点直显屏色温偏移值均小于传统直显屏【表2】。 表2量子点直显屏与传统直显屏白平衡画面下不同角度色温对比 色彩表现 Mini/Micro-LED直显屏具有单颗像素受独立控制、自发光的特性。该特性确保了相较于其他显示技术路线如TFT，LCD等的更高对比度色彩表现。除显示技术路线类型、封装方式及调试校准之外，Mini/Micro-LED芯片自身的特性决定了直显屏色彩表现的上限。量子点直显屏系列产品中所采用的量子点红光芯片从本质上将直显屏的色彩表现提升至全新高度。 1.更广色域 直显屏需要能够显示出广泛的色域，以满足高品质显示的需求。 量子点红光芯片相较于传统磷化铝铟镓红光芯片具有更饱满的红光色点，波长可达到超630nm甚至更高，接近Rec.2020红光色点范围。采用该红光芯片的量子点直显屏达成88.8%Rec.2020色域标准覆盖【图6】，高于传统直显屏。 2.红光一致性更佳 为了保障直显屏的高色彩一致性，需要所有像素点在不同的工作条件下能显示出一致的色彩。这包括制作直显屏用到的不同批次的LED芯片之间的波长一致性，以及同一屏幕上各个像素点的色彩一致性。由于LED芯片的生产过程中存在一些微小的差异，这可能导致显示屏上出现色差11。 传统直显屏中采用的红光LED材料为磷化铝铟镓，与蓝绿LED芯片所采用的氮化镓材料不同。材料的不同会导致了芯片发光波长随温度变化及电流变化的敏感程度不同。量子点作为当前非常优秀的色彩表现材料，其发光波长由自身尺寸决定，具有极高的稳定性和均一性12。通过采用具有纳米孔结构的氮化镓材质容纳量子点来实现色转换层，并将这一色转换层与同材质的蓝光LED进行芯片上的同位键合，量子点红光芯片显著提升了量子点直显屏系列产品的色彩一致性。 研究表明，人眼可以分辨任何大于2nm波长的微弱色彩变化13。对于浮动超过4nm的传统磷化铝铟镓红光而言，人眼可以轻易观测到由“深红”到“浅红”的细微区别，导致整屏色彩不均。经由量子点赋能的红光芯片具有极高的波长一致性，波长浮动小于2nm【图7】【图8】，经分选组装成屏后，整屏波长浮动小于0.2nm，确保屏幕色彩的均匀性及一致性。 3.色彩稳定性 直显屏需要在不同的工作条件下（如温度变化、使用时间的增加）保持色彩稳定。传统红光LED芯片的光输出和色彩随温度和时间变化而产生变化，影响显示屏的色彩稳定性14。 量子点直显屏系列产品相比于传统直显屏对温度变化更不敏感，其由开机温度引起的色彩均一性差异低20%【图9】【图10】。 14Kim,S.,&Park,J.(2018).ThermalManagementforLEDDisplays.IEEETransactionsonDeviceandMaterialsReliability,18(4),523-530.doi:10.1109/TDMR.2018.2873456. 产品生产与使用环保 随着科技与制造业产业链的不断升级完善，环境问题作为企业社会责任的重要部分成为了发展经济过程中不可或缺的重点关注问题。我国倡导可持续发展的道路，不以牺牲环境为代价换取经济的扩张，故而在现在的产业问题里，尤其注重提升绿色环保意识，减少环境有害问题的协调工作，因此有害物质的产生和清除，也成为了重要管控问题。 1.无砷环保新标准 在传统LED显示屏的制备过程中，通常采用砷化镓基作为红光材料，氮化镓基作为蓝绿光材料。砷化镓基红光芯片的制备过程中，砷化镓和磷烷为不可或缺的生长原材料，两者具有剧毒性，国际卫生组织也将无机砷定义为一种有剧毒、潜在致癌的水资源污染物质15，对环境安全和人体健康会造成严重危害16。因此，在芯片厂商生产制备时，红光芯片的生产也被纳入了重要管控项目，需要进行资格获批。量子点红光芯片中采用了蓝转红量子点色转换方案，色转换层采用了与蓝绿芯片相同的氮化镓材料，在制备红光芯片过程中不会引入剧毒元素砷，制造过程环境友好且会降低报废物质规范化处理的隐性成本，有利于下游各类LED显示屏的生产制造。 为进一步佐证量子点红光芯片采用的氮化镓基底材料较常规芯片厂砷化镓基底中砷（As）元素含量明显更低的优势，我们进行了两种芯片的砷元素含量测试，检测结果表明，在砷化镓红光芯片中，含有高达390mg/kg的剧毒元素砷，而在氮化镓芯片中，则未发现砷元素的存在（检出限为50mg/kg）【图11】。 得益于量子点芯片的环保材料生产制备，使得LED显示屏的生产过程对剧毒物质砷元素的管控也有了更优良的对策，也助力LED显示屏厂及终端用户在环保使用方面贯彻了企业社会责任。 使用稳定性 在多种新