新三板上的纳晶科技(OC:830933),成立于2009年8月,是一家以量子点半导体新材料(又称纳米晶)为技术核心的高新技术企业,主要业务是量子点新材料的研究、制造及应用技术与产品的开发。
量子点材料,是 20 世纪 80 年代开始发展的一种新型材料,具备在多领域得到应用的潜力,在过去的 30 年,引起了学术界和产业界的广泛关注。
量子点(或称半导体纳米晶),是一种由 IIB-VI 族或 III-V 族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于 1～10nm 之间,由于电子和空穴被量子限域,连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构,受激后可以发射荧光。基于量子效应,量子点可以在显示、照明、生物标记等领域得到广泛的应用。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点,并预期这种纳米材料在二十一世纪的纳米电子学(nanoelectronics)上有极大的应用潜力。
现代量子点技术起源于上世纪八十年代,贝尔实验室的 Louis E． Brus 博士(纳晶科技首席科学顾问、美国科学院院士、美国哥伦比亚大学化学系讲座教授)与同事发现不同大小的硫化镉颗粒能够产生不同的颜色,即半导体纳米晶的发光颜色可以通过控制晶体颗粒大小来调控。这种优异而独特的尺寸相关性质是其它发光材料不可能实现的。同时,这种独特性质要求合成得到的量子点具有接近完美的尺寸、形貌、表面控制。由于制备方法上采用了二甲基镉,二甲基锌等剧毒且不易操作的金属有机原材料,如何实现在常规实验条件下合成量子点,在二十世纪末一直是材料合成化学的一大挑战,这一点也影响了量子点的工业化进程。
进入到本世纪后,彭笑刚教授(纳晶科技董事长)在美国阿肯色大学通过系列的发明,逐步解决了量子点合成与加工中的问题,从而使得高质量量子点有条件进入实用阶段。其中在 2001 年发明的使用简单的金属氧化物和金属无机盐做原料制备高性能量子点的技术开创了量子点合成的新时代。
保证量子点材料的高性能(量子效率、半峰宽、稳定性)和规模化生产是量子点材料行业的一大难题。最近几年,量子点的工业级制备技术不断得到发展,目前全球有几家公司已经具备了量子点材料的工业化生产能力并能够保证量子点材料的高性能(纳晶科技是其中一家)。量子点的高性能是量子点能应用于其他应用产品的基础,伴随量子点制备技术的进步,在应用产品中的应用不断取得突破,以量子点材料为基础的在照明、显示和生物等领域的应用产品已经研发成功并开始逐步得到实际应用。
在2019年报中,量子点显示产品占比88%,照明产品、生物产品、半导体发光材料占比很,总体收入也就几百万。
可见,量子点显示产品目前已经开始进入成熟的商业化阶段,而照明产品、生物产品、半导体发光材料等应用还处于初期。
液晶显示器(Liquid Crystal Display, LCD)是平板显示技术(Flat Panel Display, FPD)的一种,基于液晶材料特殊的理化与光电特性,是目前平板显示技术中发展最成熟、应用最广泛的显示器件,主要应用于电视、显示器、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等领域。
目前市场上所谓的 LCD 主要指的是主动矩阵式的薄膜晶体管液晶显示器(Thin FilmTransistor LCD, TFT-LCD),包括了薄膜晶体管(TFT)和液晶显示(LCD)两项技术,即由薄膜晶体管控制的液晶显示。
LCD 发展早期的被动矩阵式的扭曲相列型液晶显示器(Twisted Nematic LCD, TN-LCD)和超扭曲相列型液晶显示器 STN-LCD(Super TwistedNematic LCD, STN-LCD)技术已逐步被淘汰。
TFT-LCD 显示模组主要由液晶面板(Panel )、驱动电路和背光源(Back Light )组成。在液晶面板中,两片平行的玻璃基板中间放置液晶盒,上层玻璃基板的上方为偏光片(Polarizer),下方为彩色滤光片(Color Filter, CF);下层玻璃基板的上方贴有薄膜晶体管,下方为偏光片。背光源的作用是为液晶显示屏提供一个面内亮度均匀分布的背景光源,而驱动电路则在通电后向显示屏提供各种显示画面的信息。
TFT-LCD 的显示原理是:驱动电路提供显示画面的信息,背光源向显示屏发出亮度分布均匀的光源;偏光片将不具偏极性的自然光转化为偏振光,TFT 薄膜晶体管通过改变信号与电压来控制液晶分子的转动方向,从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的;彩色滤光片使每个像素包含红蓝绿三原色,从而使其呈现出某一特定的颜色,这些不同颜色的像素呈现出来的就是面板前端的图像。
液晶显示技术的背光光源主要经历了冷阴极荧光灯管(CCFL)和 WLED 这2个阶段。
LED 电视实际上仍然是 LCD 液晶屏幕,只不过背灯由原来的 CCFL荧光灯改用了白色 LED 照明,故又称呼 WLED(白光二极管)。A股的德豪润达10多家上市公司都有LED显示产品。
量子点背光技术,无论是性能还是功耗都有革命性的突破,量子点背光极有可能是继CCFL 背光和WLED背光之后,液晶发展史上的又一次革命。
量子点是由锌、镉、硒和硫原子组合而成,包括IIB-VIB族以及IIIB-VB族元素,如CdTe、CdS、CdSe、PbS、InP和InAs等,量子点作为纳米级别的半导体材料,带隙宽度较大,有电致与光致发光两种形式。
量子点材料的光致发光与电致发光,分别应用于 QD-LCD 与 QLED。
QLED利用量子点在电驱动下的自发光作为显示基础,由于溶液制程研发困难,且存在可靠性低、蓝光发光效率低、镉基量子点器件具有毒性等问题,因此业内认为电致发光的 QLED 技术商用化仍需 10 年以上。
2020年,京东方集团中央研究院关于高分辨率、全彩量子点发光二极管(QLED)的研究取得重大突破,实现了分辨率 500ppi、色域 114%NTSC 的高分辨率、全彩 QLED 器件,技术指标全球领先。
QD-LCD 仍然采用 LCD 的主体架构,仅在背光源上添加量子点薄膜,蓝光 LED 背光源发出的光经过量子点膜转化,实现全彩显示。
据韩国媒体报道,三星预计2020年能够完成 QD-OLED 面板生产线的建设,并于2021 年开展企业化生产,这不仅可以降低面板的制作成本,还可以提升面板的显示性能,旨在使 QD-OLED 面板成为下一代高清电视的标配。在量子点电致发光技术成熟之前,QD-OLED 是非常有价值的显示技术。
报道中提到,三星 Display 将在 2021 年 1 季度开始试生产 QD-OLED 面板(结合了背光和自发光两种技术,加上三星的量子点技术),并计划在 2季度进行正式生产,其第一条 QD-OLED 面板生产线(Q1 生产线)每月可生产 3 万块玻璃板,可容纳 65 英寸 8K 电视面板(3 个单元)和 32 英寸 4K 显示器面板(18 个单元),据悉其 65 英寸QD-OLED 面板年产量预计将达到 80 万。
目前量子点技术在TFT-LCD上的设计应用主要有两种方式,即On Edge方式和On Surface方式。
On Edge的技术主要来源于QD Vision,应用此种技术的企业有索尼、TCL;
On Surface的技术主要来源于3M和 Nanosys,选择此技术的企业有三星、海信、长虹。
在QD-LCD的On Surface升级方案中,仅仅需要将LCD的白光LED改为蓝光LED,彩色滤光片方案微调。将量子点膜在光源和增亮膜下面,去掉一层扩散膜,升级成本低,很容易产业化推广,有望成为标配。
在量子点中,氧化锌和硒化镉作为主要材料,通过蓝光LED发光直接照射在两种量子点上,发出红光与绿光,再与蓝光相互混合形成白光背光光源。
目前,实现量子点液晶面板原理主要有两种:第一,利用量子点材料来替代黄色荧光粉,再与蓝色LED封装在一起,进入导光板;第二,当真空容器经过处理后,将量子点材料放入其中,放在导光板边缘,在蓝光LED灯照射下,呈现出红绿两种颜色光,然后同蓝光相互混合形成白光进入导光板,最后蓝光LED发出的光通过导光板形成白光。
