电视的未来?揭秘量子点背后的真相

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20世纪80年代,研究人员偶然发现一个微小粒子(或者说是纳米晶体)具有独特的电学特性。这种神秘的纳米晶体也是半导体的一种,研究人员将其命名为量子点。

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量子点这个概念在2013年前一直默默无闻,而索尼发布的一款使用了这种无机半导体纳米晶体的液晶电视将这个概念彻底引爆。抛开这些专业名词,其实这种物质的作用就是提高电视的色彩饱和度,以极小的投入换来更好的画质。

什么是量子点?

量子点通过一定的化学工艺制造而来,其大小只有10到2纳米。这些量子点可以融入晶体管或薄膜中以便捆绑销售。它们是可调的,可将短波光源转化为各种颜色的光。

量子点显示器的出现时一个重磅炸弹,其他厂商也不得不抓紧时间赶上这波潮流的末班车。LG、三星和其他OEM厂商就一股脑的推出了自家的量子点电视。另外,量子点技术也开始了向新市场拓展——未来固态照明和太阳能等领域都会出现它的身影。

可以想象,量子点会很快成为电子材料领域新的增长点。Touch Display Research公司的最新数据显示,大约有六十家单位都在进行量子点的研究,包括企业、研究机构和大学等。

Touch Display Research公司的最新数据显示,整个2013年,量子点组件的市场规模就达到了7500万美元。该公司预测2016年量子点显示器和灯光组件的市场总规模可能会超过20亿美元,2025年这一数字甚至会上升到106亿美元。

“量子点的屠杀才刚刚开始,未来的原料市场是属于我们的。”Nanoco公司CEO Michael Edelman说道,该公司量子点技术领域的主要技术巨头之一。

“只要量子点材料的产能能尽快走向正轨,它就能很快在LCD产业中占有一席之地,全面覆盖从110英寸到手机大小的显示器的市场。”Edelman说道。“另外,我们已经开始试着在灯饰行业销售配备了量子点材料的产品,该材料可以大幅提高LED的亮度。对我们来说这只是小试牛刀,未来量子点材料一定会席卷整个行业。”

不过要想上升到如此高度,该技术还面临许多挑战,首先需要提及的就是高端LCD电视。现下这类电视大多数使用的都是基于镉的量子点材料,属于II-VI族化合物,但镉会对环境造成污染。不过若没有了这一元素,量子点的效能又会大打折扣。

另外,在成本和制造工艺上,量子点技术也面临着重大挑战。Applied Materials公司显示器业务部门市场主管Max McDaniel说:“这种材料成本实在太高了,再加上它是敏感材料,表面积巨大,所以极易被氧化。哪怕一点点的空气或水汽都会彻底毁掉量子点。”

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LG的量子点电视

量子点电视的未来

业界普遍认为,羽翼未丰的量子点产业不会走的那么一帆风顺,想要跟上供应商、商业联盟和技术进步的步伐可没那么容易。

现下的量子点产业呈现三足鼎立的局面,Nanoco、Nanosys和QD Vision三家公司几乎将市场瓜分殆尽。

中国的电视制造商成了最早的量子点技术追逐者,但他们并没有掀起什么波澜,不过当业界领导者之一的三星加入战团,这种情况就彻底改变了。今年三星就推出了隶属高端LCD电视的SUHD产品线。

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为了全面提高画质表现,三星在自家的SUHD LCD电视中融合了两种超强技术,也就是4K和量子点。4K(UHD超高清)技术我们已经挺熟悉的了,其分辨率是现有全高清电视的4倍,清晰度也会有相应的提升。另外,SUHD产品线的量子点材料还完全不含镉,做到了真正环保,该技术来自量子点三巨头之一的Nanosys。“这系列电视绝对是现下旗舰产品的画质标杆。”三星电子美国分部的高级副总裁Dave Das说道。

三星SUHD电视的出现还有其他重要意义。这些年来,一众电视厂商都在围绕OLED电视做文章,投入了大量的研发资金,但至今无法在大尺寸OLED上有所作为,量子点技术的引入让大屏电视市场重获生机。OLED电视的制造工艺异常复杂,且需要重新建厂,但量子点电视就不同,现有的LCD生产线照样能派上用场。

因此许多OEM厂商都开始转投量子点电视,这样一来量子点技术就在LCD电视市场重获新生了。Nanoco公司的Edelman说:“该技术让OEM厂商有能力生产高端4K电视,而之前在OLED方面的巨大投资就是为了提高色彩表现,但现在量子点技术用极少的成本就做到了。”

不过在技术方面,OEM厂商也需要取舍,因为每家量子点厂商提供的技术都有所不同。

举例来说,量子点一般都是球形的,但同时它们也有棒状形状和有延伸四足的形态。“形状的不同造就了不同量子点的独特光学和电子特性,所以其应用范围也不同。”NanoPhotonica公司的材料开发主任Jesse Manders说道。

不过量子点的生产还是相当有难度的,保证其良品率就是其中的挑战之一。而保证画质的情况下还要满足制造设备的要求,这又是另外一大挑战。

现存的量子点技术主要有两种──光致发光(PL)和电致发光(EL)。不过现在商用的都是PL技术的量子点,EL量子点还依然在研发中。

“在PL技术中,你需要用光来刺激量子点,之后它就会吸收光源并发出不同颜色的光。这一过程的学名叫做降频转换。”QD Vision公司John Ho说,“EL技术则使用电流来刺激量子点。”

基于PL技术的量子点有两种形式的出货产品——管状的或薄膜状的。QD Vision公司主要销售管状产品,而其它多数厂商则主销薄膜产品。

“我们可不只是原料生产商。因为只卖原料的话下游厂家不一定能用好。”Ho说道。“所以我们生产玻璃管,该产品直接封装了我们的量子点技术。”

不过无论是管还是薄膜,量子点技术都拯救了现有的LCD电视。普通的LCD电视要通过LED背光模组来点亮显示层,而显示层极其复杂,包括玻璃、偏振器、薄膜晶体管、液晶和颜色过滤器等一系列复杂组件。

而最大的问题就是LED背光组。“一般的LED背光都是加入了磷化镓的蓝光版本,但磷的危险性很大。”Ho说道。“我们看到的是穿过了玻璃面板的白光,不过这些白光不纯净。而RGB过滤器则会截下一部分光并转换为我们熟知的三原色,但实际上多数的过滤器都给不了我们好画质,因为它总是造成红绿蓝颜色光的串扰和外泄。”

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普通LCD和量子点LCD显示器结构对比示意图

而量子点就不再是电视的一个组件了,而是完全融合了进去,这就很好的解决了现有问题。“我们采用了GaN LED,所以就不再需要黄磷了,取而代之的是红色和绿色的量子点管。”Ho说道。“而来自LED的蓝光释放之后,会在进入导光板之前刺激这些量子点——其中的红绿量子点会充分吸收这些光线并转化出所需色彩,其转化率甚至能接近百分之百。”

QD Vision公司的新技术还在不断研发中,而薄膜产品也正在掀起浪潮。在这种技术中,量子点会分散在一张薄片上,这张薄片就整合在电视的显示层中。Nanoco公司Steve Reinhard说:“对制造商来说,这是极好的替代方案。”

Nanoco就是薄膜技术的代表厂商之一。为了尽可能降低成本让其打进主流市场,该公司去年与美国陶氏化学公司签订了一项协议,而后者在韩国拥有世界最大的量子点生产厂。

此外,Nanoco、LG和三星等厂商也在共同努力主推环保的无镉量子点技术,而欧盟明令禁止镉出现在电子设备中。

鱼与熊掌不可得兼,无镉量子点虽然环保,但效能却有所降低。针对这一问题,Nanoco也开发出了专有的分子播种技术。这一技术的加入让无镉量子点与传统量子点技术在效能上的差距缩小了不少。

其它方法

除了以上这两种主流方法,业界还有一些别的技术。“除了成本方面的因素,发热问题也很难解决。”Quantum Materials公司市场总监Art Lamstein表示,该公司是一家四足型量子点供应商。

发热和水汽会降低量子点的效能表现。不过最近Quantum Materials公司就拿出了最新的耐热无镉量子点,最高工作温度可达260摄氏度。

而在成本控制方面,Quantum Materials公司利用微反应设备打造了全自动化的生产过程。相反,一些制造商却采用手工批处理方式,但这样产量就得不到保证了。“业界多数厂商都没有能力生产完整可用的量子点,就是因为他们采用手工批处理的生产方式。”Lamstein信心满满的说道。“我们的自动化处理可以使量子点良率达到95%,特别是四足型量子点,我们绝对是业界翘楚。”

via semiengineering

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