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量子點:諾貝爾化學獎獲獎材料
2023年,諾貝爾化學獎授予了美國麻省理工學院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、美國哥倫比亞大學教授路易斯·E·布魯斯(Louis E. Brus)和美國納米晶體科技公司科學家阿列克謝·伊基莫夫(Alexey I. Ekimov),以表彰他們在量子點(Quantum Dots)的發(fā)現和合成方面做出的貢獻。
圖源:諾貝爾獎委員會官網
量子點:改變傳統(tǒng)的材料設計思維
量子點是一種納米級半導體發(fā)光材料,也被稱為“人造原子”,由于量子效應,在材料相同的情況下,不同尺寸會表現出獨特的性質,比如發(fā)出不同波長的光。即隨著尺寸的減小,最高價帶與最低導帶之間的能量差增大,從而導致量子點需要更多的能量激發(fā),同時在當晶體返回基態(tài)時會釋放出更多的能量,導致發(fā)射光顏色從紅色變?yōu)樗{色。
圖源:諾貝爾獎委員會官網
量子點的出現,可以說是材料學的一個里程碑,它改變了傳統(tǒng)的材料設計思維,在物質的組成和結構之外,還可以通過尺度去控制材料的特性。
量子點材料:向低鎘化和無鎘化發(fā)展
量子點可以由一系列半導體材料合成。目前,低鎘化和無鎘化是量子點未來主要發(fā)展趨勢。其中,低鎘技術主要為硒化鎘(CdSe)體系等,無鎘技術主要包括磷化銦(InP)體系以及鈣鈦礦(ABX3)體系。
其中,Cd系量子點的技術日趨成熟,對其合成工藝的進一步簡化和完善,將有助于降低生產成本,但仍需破解Cd系藍光量子點器件效率和穩(wěn)定性問題。
InP量子點的合成及其顯示技術,韓國三星已經走在世界前列。但當下的合成條件苛刻且昂貴,技術仍有卡點痛點,中國科學家仍有趕超三星的機會。
鈣鈦礦量子點作為一種新型的量子點材料,具備缺陷容忍度高,制備簡單、成本低、易放大生產等特點,成為顯示領域基礎和應用研究備受青睞的新興材料。國內外在鈣鈦礦量子點方面的研究工作幾乎同時起步,有很大部分相關合成技術和知識產權集中在中國,部分研究處于領先水平。
在顯示技術最常使用的材料中,CdSe和InP材料覆蓋最高內部量子效率水平(80-100%)的可見波長范圍。
圖片來源:見水印
量子點材料應用及市場規(guī)模
目前,基于量子點的多種物理效應,量子點材料在太陽能轉換、發(fā)光和顯示器件、光電探測、催化、分子和細胞標記以及超靈敏檢測等領域有許多獨特的優(yōu)勢。
圖源:Science 373, 640(2021)
根據Mordor Intelligence預測,2023年,全球量子點材料市場為47.1億美元,到2028年預計為105.1億美元,年復合年增長率17.41%。
量子點材料:在顯示領域的應用
顯示領域是量子點材料的主要應用之一。與傳統(tǒng)液晶顯示器(LCD)相比,量子點顯示材料能夠提供更寬的色域、更高的色彩精度和更高的亮度。主要是因為所制備納米晶體粒徑的高度可控性,在制造過程中可以通過調整量子點以發(fā)出期望的光的顏色,同時它們的發(fā)光光譜非常窄,使得其發(fā)光顏色異常純凈,使顯示屏幕可以呈現更鮮艷、更真實的顏色。量子點材料已成為世界各國在高色域、大面積顯示等領域競爭最激烈的新型材料之一。
根據奧維睿沃(AVCRevo)數據,2023年上半年,我國量子點電視的零售量份額增長處于領先地位,成為顯示技術市場的主要推動力。據勢銀(TrendBank)統(tǒng)計,預計到2025年,全球量子點電視出貨量可達2000萬臺。
圖源:奧維睿沃(AVCRevo)
量子點顯示技術依次經過量子點管、量子點膜(QLCF)、量子點擴散板(QDP)等技術迭代,可與LCD、OLED、Mini/Micro-LED等新型顯示技術結合,顯著提高色彩品質,簡化制造工藝,已成為顯示領域重要的前沿技術之一。
2012年,側入式入光為顯示器的主流結構,通過將真空封裝了量子點材料的玻璃管嵌入藍光LED與導光板之間,形成量子點管技術。但由于玻璃管的力學強度差等問題,量子點管技術存在時間較短。
2015年,3M公司與美國Nanosys公司推出量子點膜的技術方案。量子點膜一般都采用三明治結構——兩層水阻隔膜中間夾著量子點層。量子點層中含有紅色和綠色量子點,藍光激發(fā)產生紅光和綠光,與LED自身藍光復合形成白光。相較于量子點管方案,這種技術方案解決了量子點在光激發(fā)過程中的散熱問題,光轉換效率大幅提升30%,且由于使用膜片封裝的形式,量子點技術的應用場景大幅增加。然而量子點膜的成本較高,其成本構成中水氧阻隔膜占比約50%,成本優(yōu)化空間有限。
圖源:中科納通
圖源:星爍納米
2016年,創(chuàng)億達有限公司與TCL合作開發(fā)了量子點擴散板,其原理是將量子點膜片與擴散板整合,開發(fā)出具有三層擠出結構的量子點擴散板。量子點擴散板通過量子點材料的合成優(yōu)化技術和自包裹技術,解決材料因水氧的氧化導致缺陷增加的問題,極大地提升了量子點材料的穩(wěn)定性。目前,量子點擴散板的性能不僅與量子點膜片相持平,并且成本更低,結構兼容性更好,已經在市場終端得到了廣泛的應用。
圖源:玻爾科技
韓國三星公司報道了基于QD彩色濾光片(QDCF)技術的QD-OLED技術,該技術使用藍光OLED作為背光源,實現像素級控光,在此基礎上,將原來LCD中紅綠子像素的色阻材料替換成光致發(fā)光量子點材料,從而實現像素級控光與量子點技術的結合。與傳統(tǒng)濾色器的不同之處在于量子點的作用類似于有源元件,QDCF在轉換通過它的光,而不是阻擋光。
圖源:行家說
在下一代顯示Mini/Micro LED中,目前很多業(yè)界企業(yè)或研究機構主要采用量子點做色轉換結構和工藝,以解決全彩化難題。這種技術方案只使用發(fā)光效率最高的藍光Mini/Micro LED作為光源,然后在藍光Mini/Micro LED上添加一層量子點轉光層,將部分藍光轉換為紅光和綠光,從而形成RGB全彩顯示,能夠顯著提高制造效率和紅綠光的發(fā)光效率。
圖源:NewDisplay Focus
量子點應用限制
當前,量子點膜和量子點擴散板已經成為主流LCD背光產品升級的關鍵材料和方案,全球眾多顯示領域公司,包括三星、Nanosys、納晶科技等均進行戰(zhàn)略布局,斥資數億美元開展QLED研發(fā)。QLED的技術難點主要來自于兩個方面:其一,藍色QLED存在穩(wěn)定性差的問題;其二,QLED封裝與后端集成工藝仍具有挑戰(zhàn)。也就是說,高效率穩(wěn)定藍色QLED的獲取以及QLED封裝與后端集成工藝,是整個量子點顯示產業(yè)鏈當下最大的問題所在。
量子點產業(yè)鏈
量子點顯示產業(yè)鏈的上游主要包括量子點材料、阻隔膜的供應商,中游則是量子點膜、量子點擴散板的生產企業(yè),下游量子點電視是主要的應用領域。在量子點顯示產業(yè)鏈中,量子點材料是技術難度最高的環(huán)節(jié)之一,其價值量占據了量子點電視新增成本的約50%。
量子點技術的核心專利主要集中在三星、Nanoco、Nanosys等國外公司,并在專利、價格和環(huán)保上設立了壁壘。在這種嚴峻的條件下,我國納晶科技、TCL等公司以及眾多研究機構奮起直追,其中TCL在量子點發(fā)光顯示領域公開專利數量2057件,是全球第二,擁有絕對的技術話語權。
圖源:見水印
總結
量子點作為一種具有前景的納米材料,正在推動科技界的發(fā)展,為我們帶來更出色、高效的技術解決方案。在諾獎效應下,預計未來會有更多企業(yè)加入競爭,并推動量子點技術的不斷創(chuàng)新。
國內外代表企業(yè)簡介:
Nanosys
Nanosys是一家總部位于美國加州硅谷的公司,經營著世界最大的量子點納米材料工廠,年產能超過25噸。該公司對全球300多個已發(fā)布和正在申請的專利擁有或享有獨家許可權。Nanosys的產品包括含鎘和無鎘量子點材料,并且已經向市場供給超過5噸的量子點濃縮液。此外,Nanosys還與3M合作推出了量子點薄膜QDEF,用于Kindle Fire HDX等產品的尺寸較小的液晶面板。
Quantum Materials Corp
成立于2007年,是一家專注于量子點材料研發(fā)和生產的公司。其產品包括用于顯示、照明和生物醫(yī)學等領域的量子點材料和相關技術。
三星
2015年,三星發(fā)布了SUHD TV,宣告吹響QLED電視的號角;2016年,收購被譽為“量子點顯示之父”的技術公司QD Vision,進一步精進QLED的研發(fā);2017年,三星首款QLED旗艦電視——Q8C誕生。自此,三星正式踏上了QLED之路。2022年開始布局QD-OLED電視。
納晶科技
成立于2009年8月,是一家以量子點半導體新材料為技術核心的高新技術企業(yè),是一家以量子點半導體新材料(又稱納米晶)為技術核心的高新技術企業(yè),擁有量子點材料、量子點膜片、量子點擴散板生產基地。
撲浪量子
成立于2021年5月,技術依托于南方科技大學,公司主要研究半導體量子點發(fā)光材料及量子點應用產品,產品實現在國內外知名電視、電競顯示器等客戶量產銷售,全球首款硅基QLED原型機點亮。擁有量子點材料、量子點膜片、熒光粉膜生產基地。2021、2022年獲得投資總金額近億元。
激智科技
成立于2007年3月,公司主營光學擴散膜、光學增亮膜、量子點膜、太陽能背板膜、窗膜等,廣泛應用于顯示行業(yè)、光伏行業(yè)、汽車行業(yè)以及電池行業(yè)。公司量子點膜已經順利通過多家客戶的驗證,部分客戶已量產出貨。公司于2023年上半年投資設立浙江芯智,公司目前持有芯智75%的股權。浙江芯智主要生產擴散板、量子點擴散板、發(fā)泡板、量子點發(fā)泡板、微結構板、膜板一體及新型功能板,產品廣泛應用于背光顯示模組等產品。
華威新材料
2017年被道明光學收購100%股權,主要產品LCD用多功能復合型增亮膜卷材、光學膜片材以及量子點膜。2020年,道明光學曾在投資者平臺表示,華威新材料的量子點膜主要客戶為TCL集團,也是TCL量子點膜的主要供應商之一。
惟怡科技
成立于2017年,是由南通天鴻鐳射科技有限公司薄膜事業(yè)部獨立出來的一家專注于功能性光學薄膜制造的公司。公司產品包括量子點膜和量子點透鏡。2019年初,惟怡科技與全球量子點產業(yè)領頭羊Nanosys在光學量子點增強膜(QDEF®)和量子點粉體合成的開發(fā)方面達成戰(zhàn)略合作。2022年完成數千萬人民幣的A輪融資,由中泰證券完成本輪投資。
創(chuàng)億達
成立于2016年11月,坐落于江蘇省如東經濟開發(fā)區(qū)黃河路158號,國際首創(chuàng)量子點(QD)擴散板,突破量子點后加工不耐高溫水氧的關鍵技術,開辟量子點顯示應用發(fā)展的新賽道。
TCL
TCL是全球最早開始研究并推廣量子點顯示技術的企業(yè)之一,在這項超前的顯示技術上具有絕對的話語權。自2014年推出首款搭載量子點技術的產品之后,便一直深耕于此;從2016年初的全球首款QUHD TV量子點電視X1,再到今年剛剛公布的QD-Mini LED電視X11G,TCL的QLED布局也是愈發(fā)迅速。