2024年8月29日，利亚德光电股份有限公司（Leyard Optoelectronic Co., Ltd.）与赛富乐斯半导体科技有限公司（Saphlux, Inc.）联合发布《量子点（QD-mLED）直显解决方案白皮书》。
前言：
量子点是当前显示科技中非常优秀的色彩表现材料。市面上传统LED直显的色域极限是Rec. 2020标准的88%，传统的液晶（LCD）显示的色域极限是Rec. 2020标准的97.3% （CIE1976）1，而量子点材料产生的单色光几乎可以覆盖人眼看到的所有自然界色彩，并且能够提供更饱和的颜色，因此可以达到100%的Rec. 2020色域范围覆盖2。
图1 量子点LED全彩显示色域范围与Rec. 2020标准对比示意图3
量子点（Quantum Dots）是一类具有独特光学和电学性质的半导体纳米晶体，同时也是一种光致发光材料。2023年，诺贝尔化学奖授予了孟吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、路易斯·布鲁斯（Louis E. Brus）和阿列克谢·叶基莫夫（Aleksey Yekimov），以表彰他们“发现和合成量子点”的贡献4。
量子点的最独特之处在于其发光波长与特性取决于粒径尺寸，其直径通常在2到10纳米之间。由于其量子限制效应，量子点的电子和空穴在三个维度上被限制，从而导致它们的能带结构和光学性质显著不同。尺寸较小的量子点会发射较短波长的光（例如蓝光），而尺寸较大的量子点则会发射较长波长的光（例如红光）。这种尺寸依赖的发光特性使得量子点在显示技术中得到了广泛应用，例如量子点作为背光的QD-LCD显示器，量子点使其能够提供更宽广的色域5。
量子点技术的影响力仍在不断扩展，量子点发光二极管、光电探测器、生物荧光标记技术的进步，以及量子点激光器和量子计算机的巨大应用前景，充分展示了量子点对科学与技术发展的迅速推动作用。
2010年代是量子点显示技术的初步商业化阶段。三星、索尼等主要厂商纷纷推出基于量子点技术的电视产品，利用量子点背光技术显著提高了液晶显示器（LCD）的色域和亮度6。
进入2020年代，量子点显示技术继续快速发展。研究重点包括自发光量子点显示器（QLED）以及OLED蓝光结合的光转换量子点直显（QD-OLED）等等。同时，量子点技术也被引入柔性显示器和可穿戴设备，推动显示技术进入新纪元7。然而，在实际应用中，量子点产品仍然面临高光强下可靠性差和小尺寸下转换效率低的限制。因此，目前它们主要应用于背光和OLED等低光强产品，无法完全展现其在色彩等方面的优势，尚未能真正成为直显产品。
基于独家的纳米孔量子点（NPQD®）技术，赛富乐斯半导体科技有限公司（Saphlux, Inc.）首次实现了量子点直显产品的突破。公司创造性地将Mini/Micro-LED芯片与量子点色转换层原位集成（in-situ integration），并于2023年正式量产基于该技术的R系列量子点芯片。纳米孔结构是量子点材料的天然容器，在提供充分有效光径的同时，为量子点材料提供保护，为可靠性提供保障，是目前效率、量产可行性领先的量子点色转换方案8。其转换效率是传统量子点色转换方案的三倍，可靠性提升两个数量级【图2】。基于R系列量子点芯片，利亚德光电股份有限公司（Leyard Optoelectronic Co., Ltd.）与赛富乐斯共同研发了量子点直显屏系列产品，将量子点直显产品正式推向市场。自2024年起，Mini/Micro-LED自发光（直显）量子点直显大屏正式开启商业化进程，引领量子点显示科技进入新时代。
图2 纳米孔量子点（NPQD®）与量子点膜色转换效率对比数据9
一、量子点直显屏优势及特点总览
表1 量子点直显屏优势及特点总览
二、量子点直显屏优势详解
可视角度
可视角度是衡量任何商显屏幕优劣的重要标准之一。考虑到此类屏幕的应用场景，如会议室、演出场馆、展厅和商业中心等，通常人员众多且位置分散，需要从不同角度同时观看屏幕。因此，屏幕需要具有足够大的可视角度，并保证各角度观看的画面色彩与亮度一致。
对于传统直显屏而言，在不同视角，尤其是大视角下保持色彩一致，色准依旧是最主要的挑战之一。由于传统直显屏通常采用磷化铝铟镓红光芯片，与氮化镓材料的蓝绿光芯片不同，材质自身折射率等性质不同导致了芯片层级的出光角度差异10。整屏显示效果表明，传统磷化铝铟镓红光芯片在大角度下亮度不足，导致屏幕整体从大角度观看时色彩偏青色。
1.大视角下15倍色准提升
将量子点直显屏与封装配置相同传统直显屏进行直接对比测试时，在大角度下，量子点直显屏色温变化比传统直显屏小15倍【图4】，即显示的色准提升了15倍。经充分发挥三色光型一致的优势，量子点直显屏水平与垂直可视角皆达到170˚【图4】。
图3 大角度下白光画面色偏对比实拍
图4 随角度变化色温变化值对比
2.各视角色彩不变
量子点直显屏系列产品中采用的量子点红光芯片可以有效解决红光光型不一致的问题。量子点红光芯片采用了氮化镓材料的纳米孔量子点色转化层加同材料蓝光LED的色转换方案，制成与蓝绿芯片材料一致的量子点红光芯片。该红光芯片与蓝绿结合后，在量子点直显屏中，三色芯片光源所散发的朗伯体光型接近一致【图5】。经过实际测量，在0˚（正面视角）、30˚、45˚、60˚、85˚所得色温测量结果，量子点直显屏色温偏移值均小于传统直显屏【表2】 。
图5 量子点直显屏三色光型与传统直显屏对比
表2 量子点直显屏与传统直显屏白平衡画面下不同角度色温对比
色彩表现
Mini/Micro-LED直显屏具有单颗像素受独立控制、自发光的特性。该特性确保了相较于其他显示技术路线如TFT，LCD等的更高对比度色彩表现。除显示技术路线类型、封装方式及调试校准之外，Mini/Micro-LED芯片自身的特性决定了直显屏色彩表现的上限。量子点直显屏系列产品中所采用的量子点红光芯片从本质上将直显屏的色彩表现提升至全新高度。
1.更广色域
直显屏需要能够显示出广泛的色域，以满足高品质显示的需求。
量子点红光芯片相较于传统磷化铝铟镓红光芯片具有更饱满的红光色点，波长可达到超630nm甚至更高，接近Rec. 2020红光色点范围。采用该红光芯片的量子点直显屏达成88.8% Rec. 2020色域标准覆盖【图6】，高于传统直显屏。
图6 量子点直显屏色域数据
2.红光一致性更佳
为了保障直显屏的高色彩一致性，需要所有像素点在不同的工作条件下能显示出一致的色彩。这包括制作直显屏用到的不同批次的LED芯片之间的波长一致性，以及同一屏幕上各个像素点的色彩一致性。由于LED芯片的生产过程中存在一些微小的差异，这可能导致显示屏上出现色差11。
传统直显屏中采用的红光LED材料为磷化铝铟镓，与蓝绿LED芯片所采用的氮化镓材料不同。材料的不同会导致了芯片发光波长随温度变化及电流变化的敏感程度不同。量子点作为当前非常优秀的色彩表现材料，其发光波长由自身尺寸决定，具有极高的稳定性和均一性12。通过采用具有纳米孔结构的氮化镓材质容纳量子点来实现色转换层，并将这一色转换层与同材质的蓝光LED进行芯片上的同位键合，量子点红光芯片显著提升了量子点直显屏系列产品的色彩一致性。
研究表明，人眼可以分辨任何大于2nm波长的微弱色彩变化13。对于浮动超过4nm的传统磷化铝铟镓红光而言，人眼可以轻易观测到由“深红”到“浅红”的细微区别，导致整屏色彩不均。经由量子点赋能的红光芯片具有极高的波长一致性，波长浮动小于2nm【图7】【图8】，经分选组装成屏后，整屏波长浮动小于0.2nm，确保屏幕色彩的均匀性及一致性。
图7 R系列量子点红光芯片同晶圆300K芯片WLD分布数据
图8 R系列量子点红光芯片500片晶圆WLD分布数据
3.色彩稳定性
直显屏需要在不同的工作条件下（如温度变化、使用时间的增加）保持色彩稳定。传统红光LED芯片的光输出和色彩随温度和时间变化而产生变化，影响显示屏的色彩稳定性14。
量子点直显屏系列产品相比于传统直显屏对温度变化更不敏感，其由开机温度引起的色彩均一性差异低20%【图9】【图10】。
图9 量子点红光芯片与GaAs红光芯片不同温度下亮度对比
图10 量子点红光芯片与GaAs红光芯片随开机时间亮度衰减对比
产品生产与使用环保
随着科技与制造业产业链的不断升级完善，环境问题作为企业社会责任的重要部分成为了发展经济过程中不可或缺的重点关注问题。我国倡导可持续发展的道路，不以牺牲环境为代价换取经济的扩张，故而在现在的产业问题里，尤其注重提升绿色环保意识，减少环境有害问题的协调工作，因此有害物质的产生和清除，也成为了重要管控问题。
1.无砷环保新标准
在传统led显示屏的制备过程中，通常采用砷化镓基作为红光材料，氮化镓基作为蓝绿光材料。砷化镓基红光芯片的制备过程中，砷化镓和磷烷为不可或缺的生长原材料，两者具有剧毒性，国际卫生组织也将无机砷定义为一种有剧毒、潜在致癌的水资源污染物质15，对环境安全和人体健康会造成严重危害16。因此，在芯片厂商生产制备时，红光芯片的生产也被纳入了重要管控项目，需要进行资格获批。量子点红光芯片中采用了蓝转红量子点色转换方案，色转换层采用了与蓝绿芯片相同的氮化镓材料，在制备红光芯片过程中不会引入剧毒元素砷，制造过程环境友好且会降低报废物质规范化处理的隐性成本，有利于下游各类LED显示屏的生产制造。
为进一步佐证量子点红光芯片采用的氮化镓基底材料较常规芯片厂砷化镓基底中砷（As）元素含量明显更低的优势，我们进行了两种芯片的砷元素含量测试，检测结果表明，在砷化镓红光芯片中，含有高达390mg/kg的剧毒元素砷，而在氮化镓芯片中，则未发现砷元素的存在（检出限为50mg/kg）【图11】。
量子点红光芯片砷含量测试报告
传统GaAs红光芯片砷含量测试报告
得益于量子点芯片的环保材料生产制备，使得LED显示屏的生产过程对剧毒物质砷元素的管控也有了更优良的对策，也助力LED显示屏厂及终端用户在环保使用方面贯彻了企业社会责任。
使用稳定性
在多种新型显示技术当中，Micro-LED 作为基于效率和稳定性极高的第三代半导体氮化镓材料的照明与显示技术，有着不可替代的作用。Micro-LED 用于显示，与液晶显示器和OLED 显示器相比，Micro-LED的发光效率高，亮度大，对比度高，响应时间短，温度可靠性高，抗冲击性好且寿命长 。作为自发光的微小显示像元，Micro-LED 完全不需要依赖背光源模块（ BLU ），因而使得系统的电路得到全面的简化，不仅光利用率有显著提升，且成本更为降低。光效的提升与光路的简化，带来的是系统功耗的显著降低及重量与体积的大幅缩减，进而使得电池的使用时限更长、发热量更低并且延长产品寿命。同时，因氮化镓材料具有的高稳定性， 使得Micro - LED 可以在高温、低温、潮湿、有毒、超低压、太空辐射等极端的环境中长时间工作。
1.更优散热表现
散热能力强：量子点红光芯片采用氮化镓材料，散热能力为260W/(m·K)，比作为散热器的铝合金的167W/(m·K)还要高，极高的散热能力有助于快速将LED芯片核心部分的热量传导至箱体结构，进而快速被吸收，达到降温的效果，所以量子点直显屏持续工作后，温度升高的度数（15℃）比普通直显屏温升（23℃）要小得多。普通直显采用的砷化镓散热能力（0.46）较差，显示屏持续点亮后，LED芯片核心部分的热量无法得到有效传导吸收17，持续累计热量会造成屏体表面更多升温。总结而言，在功率相同的情况下，氮化镓器件的温度低于砷化镓器件，有利于可靠性相关表现。
2.更高芯片强度
氮化镓作为无机晶体材料，物理和化学性质非常稳定，这将大大提高芯片的寿命与工作时的稳定性。
氮化镓材料硬度高，其原子的化学键是高度离子化的氮化镓化学键，强度为砷化镓化学键的三倍，可在高温和高电压下进行长时间运作。氮化镓拥有极稳定的化学性质以及1700℃的高熔点。相对而言，传统红光LED采用的砷化镓材料机械强度较弱，更易碎裂。因其易挥发的物理性质，砷化镓在一定条件下容易分解，使得制备过程相对复杂困难，需保证严格的化学计量比。
3.简化驱动架构
传统直显屏由于RGB三色发光材料不同，蓝绿和红光的驱动电压不同，如果采用共阳架构驱动，红光需要提供更大的配阻，配阻分担一部分电压，将红光驱动电压降低1V左右，这部分配阻会增加系统整体的功耗，也会增加系统的热量和温度。
同时，若采用共阴极驱动和目前传统的直显屏搭配使用同样面临挑战。共阴极驱动需要采用双路电压驱动电源，电源、电路的架构复杂，需要更多的元器件实现两路驱动电压，使得整体驱动架构可靠性较低，安装调试和售后维护面临更高的成本。
量子点直显屏系列产品统一了RGB三色光源的发光材质，不需要为红光提供特殊低电压。单电压驱动的优点在于其电路结构简单、元器件精简、设计容错率更高。这种简单性使得单电压驱动具有很高的可靠性，且安装和调试都相对容易，有利于产品可靠性。
在LED显示屏领域，单电压驱动的应用非常广泛。传统的LED驱动电路需要两个电源电压，一个用来驱动LED灯，另一个用来驱动电路中的电子元件。单电压驱动仅需要一个电源电压，可以直接驱动LED灯，减少了电路的复杂性，提高了驱动效率和可靠性。在电池管理系统中，单电压驱动也扮演着重要角色。现代电子设备中大量使用锂离子电池，其电压通常在3V至4.2V之间。单电压驱动可以直接从电池中获取电源电压，无需额外的电源，降低电路复杂度，延长电池寿命，提高工作效率。单电压电路设计容错率更高，故障更易排查和解决，降低售后维护难度。
三 、量子点直显屏系列产品规格
表3 量子点直显屏系列产品规格
图12 量子点直显箱体尺寸示意图
四 、量子点直显屏可靠性表现
考虑到商显直显屏应用场景的多样性，可靠性的考量尤为关键。当外界环境的温度、湿度、污染和震动等超出LED显示屏的承受范围，或者显示屏设计的抗外界环境因素阈值过低时，都会导致显示屏失效。尤其是小间距LED显示屏，对外界环境因素更为敏感，更容易出现失效问题。LED显示屏需要具备如防震、防撞、防潮、正面防水和防尘等关键性能。屏幕可靠性对以下几点会产生直接影响：
产品寿命：可靠性直接关系到产品的使用寿命。高可靠性的直显屏可以在长期使用中保持稳定的性能，减少故障率，延长显示屏的使用寿命。
显示效果：可靠性的提升可以确保显示屏在不同环境条件下提供一致的显示效果。避免因为环境变化而出现亮度不均、色彩失真等问题。
维护成本：高可靠性的产品可以减少维护频率和成本，降低因故障带来的维修和更换成本，从而提高用户的投资回报率18。
用户体验：稳定可靠的显示效果是提升用户体验的重要因素。可靠的直显屏可以在各种使用场景下提供高质量的视觉效果，满足用户的多种需求。
量子点Micro-LED作为新崭露头角的显示技术，有关其可靠性的讨论一直是业界和消费者关注的焦点。不同于在LED芯片上方附加量子点色转换层的量子点膜和量子点线等思路，赛富乐斯独家的NPQD®纳米孔色转换技术真正实现了“量子点In-Chip”（量子点与LED芯片一体）。通过氮化镓纳米多孔结构承载量子点，提供大有效光径，实现高转换效率，并且最大程度上延长量子点寿命。不同于使用附加有机色转换层的方法，该技术使用无机材料承载量子点进行色转换，从而保证显示产品在各温湿度条件下的出色可靠性。
目前首批4K量子点Microled直显屏如今距投入使用已超18个月，经实际测量，该屏幕白光亮度较出厂时衰减约1.3%，白光色坐标（x： 0.275， y：0.300）相较出厂时无偏移，完全符合出厂标准【图13】。在600尼特的正常使用下，量子点直显模组连续点亮1000小时后无明显衰减，预计寿命达到10，000小时。【图14】。
图13 量子点直显屏使用一年色彩表现实测数据
图14 量子点直显模组常温常湿1000小时点亮可靠性数据
在初版量子点直显屏产品的基础上，赛富乐斯通过一年时间在芯片制造工艺上进行优化，进一步“升级”了显示屏的可靠性和稳定性，当前的V3版本芯片及模组已经通过了各种常规可靠性检测。检测报告显示，60℃/90%高温高湿的条件下储存1000小时，量子点直显模组亮度衰减<2%，且进一步衰减曲线趋于稳定，试验中和试验后受试样品外观结构和功能均正常【图15】。这一突破可保障产品在更严苛的各种环境场景中长时间使用的稳定性。
图15 量子点直显模组60℃/90%高温高湿储存1000小时可靠性数据
五 、量子点直显屏应用场景与落地案例
2023年4月，利亚德与赛富乐斯于北京电影博物馆联合发布了全球首款4K 162英寸量子点 Micro-LED 直显屏，这是量子点直显产品首次出现在人们的视野中。
利亚德与赛富乐斯联合发布4K 162英寸量子点 Micro-LED 直显屏
时隔一年后，2024年4月利亚德于InfoComm展会展出了量子点直显一体机产品，并于利亚德集团生态合作伙伴大会上正式发布了MG-QD量子点直显系列产品。面市后的短短几个月内，量子点直显屏迅速赢得市场青睐，近千平米的产品已成功落地。量子点直显大屏正坚定不移地朝着“实现终极显示技术”的目标迈进。
（左）利亚德集团生态合作伙伴大会发布MG-QD系列量子点直显系列产品
（右）利亚德于InfoComm展会展出量子点直显一体机产品
量子点直显屏作为先进的显示技术，已在产品可靠性方面取得了显著进展，成功通过了行业内最严苛的6090标准测试。这表明该产品能够在不同的环境条件下保持稳定的性能，适用于各类室内显示场景，从常规使用到高要求的应用场合。
量子点直显屏系列产品具有模块化设计，可以根据需求灵活拼接，提供从小型到大型的显示解决方案。这种灵活性使其特别适合应用于高端家庭影院，在家庭环境中提供高质量的视听效果。同时，该产品也能满足更大规模的显示需求，如在体育场馆、购物中心及会议中心等大型公共场所中，提供广泛的覆盖范围和色彩精准的视觉体验。
与传统直显屏不同，量子点直显屏采用了量子点红光芯片，替代了传统的AlInGaP红光芯片。由于三色光型的一致性，该产品在色彩显示方面具备较高的准确性，特别是在大角度观看时优势更加明显。这种技术特点确保了无论观众站在屏幕的哪个位置，都能看到相同质量的图像，适合应用于如大型会议厅、剧院、机场等需要广泛视角覆盖的场景。
此外，量子点直显屏系列产品在大角度显示方面的性能优势，使其在新兴应用领域中得到了广泛认可。例如，该产品可用于沉浸式CAVE屏、XR虚拟影棚、直播间背景屏等场景，满足了这些领域对显示效果的一致性和色彩准确性的需求，确保在全角度拍摄过程中保持高水平的画面质量。
综上所述，量子点直显屏系列产品凭借其在色彩还原度、视角一致性和可靠性方面的技术优势，广泛适用于各种显示应用场景，从家庭到商业再到娱乐，提供了可靠的显示解决方案【图16】。
图（组）16 量子点直显屏落地场景案例
六、附录（具体内容请查阅白皮书）
产品ISO质量认证
3C质量认证
Reach质量认证
RoHS质量认证
R系列量子点无砷检测认证
传统红光芯片含砷检测
P1.25 量子点直显屏检测报告（可提供其余点间距）
1Chen, H., Zhu, R., He, J., Duan, W., Hu, W., Lu, Y., Li, M., Lee, S., Dong, Y., & Wu, S. (2017). Going beyond the limit of an LCD’s color gamut. Light, Science & Applications, 6.
2Manders, J. R., Qian, L., Titov, A., Hyvonen, J., Tokarz‐Scott, J., Xue, J., & Holloway, P. H. (2015). 8.3: distinguished paper: Next‐generation display technology: Quantum‐Dot leds. SID Symposium Digest of Technical Papers, 46(1), 73–75. https://doi.org/10.1002/sdtp.10276
3Ruidong Zhu, Zhenyue Luo, Haiwei Chen, Yajie Dong, and Shin-Tson Wu, "Realizing Rec. 2020 color gamut with quantum dot displays," Opt. Express 23, 23680-23693 (2015)
4The nobel prize in chemistry 2023. NobelPrize.org. (n.d.). https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/summary/
5Cotta, M. A. (n.d.). Quantum Dots and Their Applications: What Lies Ahead?. ACS Applied Nano Materials 2020 3 (6), 4920-4924 DOI: 10.1021/acsanm.0c01386. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.0c01386
6Kim, T. H., Cho, H., & Lee, J. H. (2011). Full-color quantum dot displays fabricated by transfer printing. Nature Photonics, 5(3), 176-182
7Kim, T. H., Cho, H., & Lee, J. H. (2011). Full-color quantum dot displays fabricated by transfer printing. Nature Photonics, 5(3), 176-182
8Jie Song, Joo Won Choi, Chen Chen, Kai Wang, Dan Wu, "Application of porous GaN for microLED," Proc. SPIE 11280, Gallium Nitride Materials and Devices XV, 112801E (16 February 2020); https://doi.org/10.1117/12.2545330
9Saphlux. (n.d.). Technology. Saphlux. Retrieved July 31, 2024, from https://www.saphlux.com/technology
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13 Nassau, K. (1980). The Causes of Color. Scientific American, 243(4), 124-153.
14Kim, S., & Park, J. (2018). Thermal Management for LED Displays. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 18(4), 523-530. doi:10.1109/TDMR.2018.2873456.
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16Rathi, B. S., Kumar, P. S., & Ponprasath, R. (2021). An effective separation of toxic arsenic from aquatic environment using electrochemical ion exchange process. Journal of Hazardous Materials, 125240. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125240
17Li, S. (2020). Fabrication of ALGaInP thin film LED chip and study of high current and high temperature characteristics of LEDs.
18Zhang, H., & Chen, L. (2020). Precision Color Reproduction in LED Screens. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 66(2), 93-101. doi:10.1109/TCE.2020.2973520.