揭秘真正的量子點技術：諾貝爾獎材料成就三星QLED核心優(yōu)勢

2023年，諾貝爾化學獎授予在量子點的發(fā)現(xiàn)與合成領域取得成就的科學家。諾貝爾獎委員會表彰了該領域科學家的開創(chuàng)性成果，并指出量子點技術已為顯示產(chǎn)業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)做出重大貢獻，且預計將在電子器件、量子通信以及太陽能電池等領域擁有更廣泛的應用前景。

量子點是一種超微細的半導體顆粒，其發(fā)光顏色會隨著顆粒大小變化而改變，進而呈現(xiàn)出極其純凈和鮮艷的色彩。作為全球領先的電視制造商，三星電子將這一尖端材料應用于顯示技術中，以全面提升畫質表現(xiàn)。

量子點納米晶體的研發(fā)引領顯示技術邁向新時代

量子點是一種納米級的半導體晶體，具有獨特的電學和光學特性。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。

當半導體顆粒被縮小到納米尺度，其能級結構會被量子化，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。在這一尺度下，通過調節(jié)顆粒尺寸即可控制對應的發(fā)光顏色。粒子越小，其發(fā)光波長越短，顏色就從紅向藍偏移。換句話說，量子點納米晶體的顏色是由其尺寸決定的。

三星量子點薄膜具備卓越的色彩表現(xiàn)、發(fā)光效率與耐用性

量子點在太陽能電池、光催化、醫(yī)學和量子計算等多個領域備受關注。然而，率先將這一技術成功實現(xiàn)商業(yè)化的，卻是顯示行業(yè)。三星電子視覺顯示事業(yè)部高級顯示實驗室負責人Sanghyun Sohn指出：“三星專注于量子點的一個重要原因，是它們發(fā)射光譜的峰值極窄，這種窄帶寬和強熒光特性，使量子點成為精準還原各種色彩的理想材料。”

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

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

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

亮度通常以尼特為單位來衡量，一尼特相當于一支蠟燭的亮度，傳統(tǒng)LED屏幕大約能達到500尼特，而三星的量子點顯示屏可達到2000尼特甚至更高，使畫質體驗由此邁上全新臺階。通過引入量子點技術，三星顯著提升了顯示設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色域對比圖

真正的QLED電視，顯示屏必須包含足夠數(shù)量的量子點

隨著業(yè)界對量子點技術的關注不斷升溫，各類標榜“量子點”的電視產(chǎn)品紛紛涌入市場。然而，并非所有打著量子點標簽的電視都具備同等的畫質表現(xiàn)力。首爾大學化學與生物工程系特聘教授Taeghwan Hyeon表示：“所謂量子點電視，其本質要求是必須利用量子限域效應，最基本的標準就是用量子點來創(chuàng)造色彩。”

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

三星無鎘量子點技術真正開辟了量子點商業(yè)化之路

20世紀80年代，量子點開始引起科學界的關注。2004年，首爾大學化學與生物工程系特聘教授Taeghwan Hyeon在學術期刊《自然·材料》上發(fā)表了一種可規(guī)?；慨a(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的商業(yè)化應用。當時量子點嚴重依賴鎘作為核心材料，而鎘是一種已知對人體有害的物質，被歐盟《有害物質限制指令》（RoHS）列為受限材料。

能夠可靠地用于生產(chǎn)量子點的材料只有硒化鎘（CdSe）和磷化銦（InP），傳統(tǒng)量子點材料硒化鎘，因其性能穩(wěn)定且能在相對低溫下制備高質量納米晶體而長期受學術界青睞，在量子點合成中使用鎘一直被視為學術標準。與鎘基量子點相比，磷化銦基量子點本身就不穩(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)部高級顯示實驗室負責人Sanghyun Sohn表示：“我們從2001年起就開始研究和開發(fā)量子點技術。早在當時，我們就判定對人體有害的鎘不適合用于商業(yè)化。雖然一些國家的技術法規(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。在消費者安全問題上，絕無妥協(xié)余地?！?/p>

2014年，三星成功研發(fā)出全球首款無鎘量子點材料，為確保耐用性和圖像質量，三星引入了三層保護涂層技術，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的商用SUHD電視。

最初，磷化銦基量子點只能達到鎘基量子點性能的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。

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

三星樹立量子點技術行業(yè)標準，并引領學術界研究趨勢轉變

量子點的光學特性正被廣泛應用于諸多領域，而量子點顯示技術仍是迄今為止研究最為活躍、商業(yè)化最為成功的應用——三星正是該領域的開拓者。

基于多年的基礎研究以及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桿。2022年，三星進一步突破，發(fā)布了全球首款將量子點與OLED結構相結合的QD-OLED電視。

▲LCD、QLED與QD-OLED結構對比

QD-OLED是新一代顯示技術，它將量子點集成到OLED的自發(fā)光結構中，實現(xiàn)了更快的響應時間、更深邃的黑場和更高的對比度。2023年，三星QD-OLED榮獲全球最大顯示技術組織國際信息顯示學會（SID）頒發(fā)的“年度最佳顯示獎”。

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

“三星量子點電視發(fā)布前后，學術界的研究趨勢發(fā)生了顯著轉變，”韓國科學技術院化學與生物分子工程系教授Doh Chang Lee指出，“自產(chǎn)品問世后，學術界討論重點更多轉向實際應用而非材料本身，這反映出通過顯示技術實現(xiàn)現(xiàn)實應用的潛力。”

首爾大學化學與生物工程系特聘教授Taeghwan Hyeon還表示，三星量子點電視的成功商業(yè)化，為Bawendi、Brus和Yekimov榮獲2023年諾貝爾化學獎鋪平了道路。他說：“諾貝爾獎最重要的評選標準之一，就是該技術通過商業(yè)化對人類所做出的貢獻程度。三星QLED代表了納米技術領域最重要的成就之一。如果沒有實現(xiàn)商業(yè)化，量子點很難獲得諾貝爾獎的認可。”

三星正在重新定義量子點的應用可能性，開創(chuàng)顯示技術的新未來

自QLED電視問世以來，三星加速推動了量子點技術在產(chǎn)學研各界的發(fā)展。學術界預測顯示技術的未來將發(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)實與增強現(xiàn)實所需的高分辨率、高效率與高亮度。三星未來的目標是開發(fā)出可通過電致發(fā)光自主發(fā)光的量子點，即通過注入電能產(chǎn)生三原色。此外，三星還在研發(fā)藍色量子點。

三星電子視覺顯示事業(yè)部高級顯示實驗室負責人Sanghyun Sohn總結道：“理想的顯示屏應是觀眾渾然不覺其存在的顯示屏，我們的終極目標是打造與現(xiàn)實無異的體驗。作為量子點顯示技術的創(chuàng)新引領者，我們將繼續(xù)自豪前行?！?/p>