揭秘真正的量子點(diǎn)技術(shù)：三星開創(chuàng)顯示技術(shù)的新未來

2023年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予在量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)與合成領(lǐng)域取得成就的科學(xué)家。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)表彰了該領(lǐng)域科學(xué)家的開創(chuàng)性成果，并指出量子點(diǎn)技術(shù)已為顯示產(chǎn)業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)做出重大貢獻(xiàn)，且預(yù)計(jì)將在電子器件、量子通信以及太陽能電池等領(lǐng)域擁有更廣泛的應(yīng)用前景。

量子點(diǎn)是一種超微細(xì)的半導(dǎo)體顆粒，其發(fā)光顏色會(huì)隨著顆粒大小變化而改變，進(jìn)而呈現(xiàn)出極其純凈和鮮艷的色彩。作為全球領(lǐng)先的電視制造商，三星電子將這一尖端材料應(yīng)用于顯示技術(shù)中，以全面提升畫質(zhì)表現(xiàn)。

量子點(diǎn)納米晶體的研發(fā)引領(lǐng)顯示技術(shù)邁向新時(shí)代

量子點(diǎn)是一種納米級(jí)的半導(dǎo)體晶體，具有獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)特性。其尺寸以納米（nm）為單位衡量（1納米等于十億分之一米），粒子直徑僅為人類發(fā)絲厚度的幾千分之一。

當(dāng)半導(dǎo)體顆粒被縮小到納米尺度，其能級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)被量子化，也就是說，只能以離散的狀態(tài)存在，這種現(xiàn)象被稱為量子限域效應(yīng)。在這一尺度下，通過調(diào)節(jié)顆粒尺寸即可控制對(duì)應(yīng)的發(fā)光顏色。粒子越小，其發(fā)光波長越短，顏色就從紅向藍(lán)偏移。換句話說，量子點(diǎn)納米晶體的顏色是由其尺寸決定的。

三星量子點(diǎn)薄膜具備卓越的色彩表現(xiàn)、發(fā)光效率與耐用性

量子點(diǎn)在太陽能電池、光催化、醫(yī)學(xué)和量子計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，率先將這一技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的，卻是顯示行業(yè)。三星電子視覺顯示事業(yè)部高級(jí)顯示實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Sanghyun Sohn指出：“三星專注于量子點(diǎn)的一個(gè)重要原因，是它們發(fā)射光譜的峰值極窄，這種窄帶寬和強(qiáng)熒光特性，使量子點(diǎn)成為精準(zhǔn)還原各種色彩的理想材料。”

▲ 量子點(diǎn)通過納米級(jí)別的控光水平，產(chǎn)生超純凈的紅、綠、藍(lán)（RGB）三原色，其光譜帶寬窄且熒光強(qiáng)度高。

為了在顯示技術(shù)中充分發(fā)揮量子點(diǎn)的優(yōu)勢，所采用的材料與結(jié)構(gòu)必須能夠在嚴(yán)苛條件下長時(shí)間維持優(yōu)異性能。三星QLED通過引入量子點(diǎn)薄膜實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。一款量子點(diǎn)膜若要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，必須滿足若干關(guān)鍵要求，例如高效的光轉(zhuǎn)換能力與良好的透光性。

三星QLED顯示屏所使用的量子點(diǎn)薄膜，是通過將量子點(diǎn)溶液加入高溫加熱的聚合物基底中，均勻鋪展成薄膜后進(jìn)行固化而制成的。盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，三星依然突破了技術(shù)壁壘，三星的量子點(diǎn)薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的色彩表現(xiàn)和卓越的發(fā)光效率，同時(shí)還具備行業(yè)領(lǐng)先的耐用性。

亮度通常以尼特為單位來衡量，一尼特相當(dāng)于一支蠟燭的亮度，傳統(tǒng)LED屏幕大約能達(dá)到500尼特，而三星的量子點(diǎn)顯示屏可達(dá)到2000尼特甚至更高，使畫質(zhì)體驗(yàn)由此邁上全新臺(tái)階。通過引入量子點(diǎn)技術(shù)，三星顯著提升了顯示設(shè)備的亮度與色彩表現(xiàn)力，其QLED電視的色彩還原能力已超過DCI-P3色域的90%。

▲ 在CIE 1931色彩空間中，可見光譜、sRGB和DCI-P3的RGB色域?qū)Ρ葓D

真正的QLED電視，顯示屏必須包含足夠數(shù)量的量子點(diǎn)

隨著業(yè)界對(duì)量子點(diǎn)技術(shù)的關(guān)注不斷升溫，各類標(biāo)榜“量子點(diǎn)”的電視產(chǎn)品紛紛涌入市場。然而，并非所有打著量子點(diǎn)標(biāo)簽的電視都具備同等的畫質(zhì)表現(xiàn)力。首爾大學(xué)化學(xué)與生物工程系特聘教授Taeghwan Hyeon表示：“所謂量子點(diǎn)電視，其本質(zhì)要求是必須利用量子限域效應(yīng)，最基本的標(biāo)準(zhǔn)就是用量子點(diǎn)來創(chuàng)造色彩。”

若要被認(rèn)定為是真正的量子點(diǎn)電視，量子點(diǎn)材料必須作為核心的光轉(zhuǎn)換材料，或是主要的發(fā)光材料。對(duì)于光轉(zhuǎn)換型量子點(diǎn)，顯示屏必須有包含足夠數(shù)量的量子點(diǎn)，才能有效吸收并轉(zhuǎn)換背光單元發(fā)出的藍(lán)光。三星QLED使用的量子點(diǎn)材料濃度超過3000 ppm，屏幕上所有的紅光和綠光，100%都由量子點(diǎn)生成。

三星無鎘量子點(diǎn)技術(shù)真正開辟了量子點(diǎn)商業(yè)化之路

20世紀(jì)80年代，量子點(diǎn)開始引起科學(xué)界的關(guān)注。2004年，首爾大學(xué)化學(xué)與生物工程系特聘教授Taeghwan Hyeon在學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》上發(fā)表了一種可規(guī)模化量產(chǎn)的方法，被廣泛視為該行業(yè)潛在的變革性突破。

然而，這些努力并未立即促成量子點(diǎn)的商業(yè)化應(yīng)用。當(dāng)時(shí)量子點(diǎn)嚴(yán)重依賴鎘作為核心材料，而鎘是一種已知對(duì)人體有害的物質(zhì)，被歐盟《有害物質(zhì)限制指令》（RoHS）列為受限材料。

能夠可靠地用于生產(chǎn)量子點(diǎn)的材料只有硒化鎘（CdSe）和磷化銦（InP），傳統(tǒng)量子點(diǎn)材料硒化鎘，因其性能穩(wěn)定且能在相對(duì)低溫下制備高質(zhì)量納米晶體而長期受學(xué)術(shù)界青睞，在量子點(diǎn)合成中使用鎘一直被視為學(xué)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與鎘基量子點(diǎn)相比，磷化銦基量子點(diǎn)本身就不穩(wěn)定，合成難度也更大，納米晶體合成缺陷概率高。

但三星選擇了一條“零妥協(xié)”的道路。

三星電子視覺顯示事業(yè)部高級(jí)顯示實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Sanghyun Sohn表示：“我們從2001年起就開始研究和開發(fā)量子點(diǎn)技術(shù)。早在當(dāng)時(shí)，我們就判定對(duì)人體有害的鎘不適合用于商業(yè)化。雖然一些國家的技術(shù)法規(guī)允許電子產(chǎn)品中鎘含量最高不超過100ppm，但三星從一開始就采取了零鎘政策。不含鎘，零妥協(xié)——這就是我們的戰(zhàn)略。在消費(fèi)者安全問題上，絕無妥協(xié)余地。”

2014年，三星成功研發(fā)出全球首款無鎘量子點(diǎn)材料，為確保耐用性和圖像質(zhì)量，三星引入了三層保護(hù)涂層技術(shù)，使磷化銦納米顆粒免受氧氣和光線等外部因素的影響。次年，三星推出了全球首款采用無鎘量子點(diǎn)的商用SUHD電視。

最初，磷化銦基量子點(diǎn)只能達(dá)到鎘基量子點(diǎn)性能的80%左右。然而，通過三星深度研發(fā)，成功將性能提升至100%，并確保了10年以上的可靠性。

首爾大學(xué)化學(xué)與生物工程系特聘教授Taeghwan Hyeon坦言：“實(shí)驗(yàn)室技術(shù)開發(fā)已屬不易，但商業(yè)化需要付出完全不同量級(jí)的努力以確保產(chǎn)品穩(wěn)定性和色彩一致性。三星成功實(shí)現(xiàn)無鎘量子點(diǎn)顯示產(chǎn)品商業(yè)化，令我深受震撼。”

三星樹立量子點(diǎn)技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并引領(lǐng)學(xué)術(shù)界研究趨勢轉(zhuǎn)變

量子點(diǎn)的光學(xué)特性正被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，而量子點(diǎn)顯示技術(shù)仍是迄今為止研究最為活躍、商業(yè)化最為成功的應(yīng)用——三星正是該領(lǐng)域的開拓者。

基于多年的基礎(chǔ)研究以及SUHD電視的創(chuàng)新，三星于2017年推出了QLED電視，為高端顯示屏樹立了新標(biāo)桿。2022年，三星進(jìn)一步突破，發(fā)布了全球首款將量子點(diǎn)與OLED結(jié)構(gòu)相結(jié)合的QD-OLED電視。

▲LCD、QLED與QD-OLED結(jié)構(gòu)對(duì)比

QD-OLED是新一代顯示技術(shù)，它將量子點(diǎn)集成到OLED的自發(fā)光結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了更快的響應(yīng)時(shí)間、更深邃的黑場和更高的對(duì)比度。2023年，三星QD-OLED榮獲全球最大顯示技術(shù)組織國際信息顯示學(xué)會(huì)（SID）頒發(fā)的“年度最佳顯示獎(jiǎng)”。

三星不僅憑借其磷化銦基量子點(diǎn)電視引領(lǐng)市場，而且還是唯一一家成功將量子點(diǎn)集成到OLED中并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的公司。

“三星量子點(diǎn)電視發(fā)布前后，學(xué)術(shù)界的研究趨勢發(fā)生了顯著轉(zhuǎn)變，”韓國科學(xué)技術(shù)院化學(xué)與生物分子工程系教授Doh Chang Lee指出，“自產(chǎn)品問世后，學(xué)術(shù)界討論重點(diǎn)更多轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用而非材料本身，這反映出通過顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的潛力。”

首爾大學(xué)化學(xué)與生物工程系特聘教授Taeghwan Hyeon還表示，三星量子點(diǎn)電視的成功商業(yè)化，為Bawendi、Brus和Yekimov榮獲2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)鋪平了道路。他說：“諾貝爾獎(jiǎng)最重要的評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)之一，就是該技術(shù)通過商業(yè)化對(duì)人類所做出的貢獻(xiàn)程度。三星QLED代表了納米技術(shù)領(lǐng)域最重要的成就之一。如果沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，量子點(diǎn)很難獲得諾貝爾獎(jiǎng)的認(rèn)可。”

三星正在重新定義量子點(diǎn)的應(yīng)用可能性，開創(chuàng)顯示技術(shù)的新未來

自QLED電視問世以來，三星加速推動(dòng)了量子點(diǎn)技術(shù)在產(chǎn)學(xué)研各界的發(fā)展。學(xué)術(shù)界預(yù)測顯示技術(shù)的未來將發(fā)生重大變革——電致發(fā)光材料可使器件組件微型化，從而滿足虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)所需的高分辨率、高效率與高亮度。三星未來的目標(biāo)是開發(fā)出可通過電致發(fā)光自主發(fā)光的量子點(diǎn)，即通過注入電能產(chǎn)生三原色。此外，三星還在研發(fā)藍(lán)色量子點(diǎn)。

三星電子視覺顯示事業(yè)部高級(jí)顯示實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Sanghyun Sohn總結(jié)道：“理想的顯示屏應(yīng)是觀眾渾然不覺其存在的顯示屏，我們的終極目標(biāo)是打造與現(xiàn)實(shí)無異的體驗(yàn)。作為量子點(diǎn)顯示技術(shù)的創(chuàng)新引領(lǐng)者，我們將繼續(xù)自豪前行。”