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量子ドットディスプレイは、純粋な単色光（赤、緑、青）を生成できる半導体ナノ結晶である量子ドット（QD）を使用するディスプレイデバイスです。
量子ドットは光発光（フォトルミネッセンス）または電気発光（エレクトロルミネッセンス）のいずれかであり、新しい発光ディスプレイアーキテクチャに容易に組み込むことができます。[ 1 ]量子ドットは自然に単色光を生成するため、カラーフィルターを使用した場合、白色光源よりも効率が高く、Rec.2020色域のほぼ 100% に達するより彩度の高い色を実現できます。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
2025年6月現在 、QLEDブランドのLCDテレビなど、市販されているすべての製品は、光放出粒子として量子ドットを使用しています。電気放出型QD-LEDテレビは、研究室にのみ存在します。[ 5 ] [ 6 ]
LEDバックライトLCDは光発光量子ドットの主な用途ですが、青色/UV有機EL（OLED）、MicroLED、QNEDディスプレイパネルなど、カラーフィルターを使用する他のディスプレイ技術にも適用可能です。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] QDカラーフィルターを備えた青色OLEDパネルを使用するQD-OLEDディスプレイは、2023年に市場に出回り始めました。[ 10 ] QD-OLEDおよびQD-LEDディスプレイは、LEDバックライトLCDとは異なり、オフ状態で「完璧な」黒レベルでOLEDおよびMicroLEDディスプレイと同じコントラストを実現できます。
量子ドットを光源として使用するというアイデアは1990年代に登場しました。初期の応用例としては、QD赤外線光検出器、発光ダイオード、単色発光デバイスを用いたイメージングなどがありました。[ 11 ] 2000年代初頭から、科学者たちは量子ドットを光源やディスプレイとして開発する可能性に気づき始めました。[ 12 ]
光発光性量子ドット粒子は、液晶ディスプレイのバックライトやカラーフィルターに使用されます。量子ドットはディスプレイパネルからの青色光によって励起され、純粋な基本色を発光します。これにより、カラーフィルターにおける光損失や色のクロストークが低減され、ディスプレイの輝度と色域が向上します。光は、QD層フィルムと従来の顔料を用いたRGBフィルター、または赤/緑QDカラーコンバーターと青色パススルーを備えたQDフィルターを通過します。
電気発光量子ドットディスプレイは、量子ドット発光ダイオード（QD-LED、EL-QLED、ELQD、QDELとも呼ばれる）に基づく実験的なタイプのディスプレイです。これらのディスプレイは、微細な無機粒子に電流を流すと各ピクセルが独自の光を生成するため、AMOLEDやMicroLEDスクリーンに似ています。メーカーは、QD-LEDディスプレイは大型で柔軟なディスプレイをサポートでき、OLEDほど劣化しにくいため、フラットパネルTVスクリーン、デジタルカメラ、携帯電話、携帯ゲーム機に適した候補であると主張しました。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
広く実用化されている例として、量子ドット強化フィルム（QDEF）層を用いて液晶テレビのLEDバックライトを改良する方法がある。青色LEDバックライトからの光は量子ドットによって比較的純粋な赤色と緑色に変換されるため、この青、緑、赤の光の組み合わせによって、液晶画面後のカラーフィルターにおける青緑色のクロストークや光吸収が軽減され、有効光透過率が向上し、より広い色域を実現できる。
この種のテレビを最初に出荷したメーカーは、ソニーが2013年にTriluminosとして発売したもので、これはソニーの技術の商標である。[ 16 ] 2015年のコンシューマー・エレクトロニクス・ショーでは、サムスン電子、TCLコーポレーション、ソニーがQD強化LEDバックライト搭載LCDテレビを展示した。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] 2017年のCESでは、サムスンは「SUHD」テレビを「QLED」にブランド変更し、その後2017年4月には、サムスンはハイセンスとTCLとQLEDアライアンスを結成し、QD強化テレビの製造と販売を開始した。[ 20 ] [ 21 ]
ガラス上の量子ドット（QDOG）は、QDフィルムをライトガイドプレート（LGP）の上にコーティングされた薄いQD層に置き換えることで、コストを削減し、効率を向上させます。[ 22 ] [ 23 ]
オンチップまたはオンレールの赤緑量子ドット構造を備えた青色LEDを使用した従来の白色LEDバックライトは2010年代から研究されているが、高い動作温度が寿命に悪影響を与える。[ 24 ] [ 25 ]
QDカラーコンバータ（QDCC）LEDバックライトLCDは、QDフィルムまたはインク印刷されたQD層に赤/緑のサブピクセルパターン（つまり、赤と緑のサブピクセルに正確に一致するように整列）された量子ドットを使用して、純粋な赤/緑の光を生成します。青のサブピクセルは、純粋な青LEDバックライトを透過するように透明にすることも、UV-LEDバックライトの場合は青パターンの量子ドットで作ることもできます。この構成は、通過光の2/3をフィルタリングして大きな損失を生じる受動カラーフィルターを、光放出QD構造に効果的に置き換え、電力効率と/またはピーク輝度を向上させ、色の純度を高めます。[ 24 ] [ 26 ] [ 27 ]
量子ドットは光を偏光解除するため、出力偏光子（検光子）をカラーコンバータの後ろに移動させ、LCDガラスのセル内に埋め込む必要があります。これにより視野角も改善されます。検光子および/または偏光子をセル内に配置することで、LC層の偏光解除効果も低減され、コントラスト比が向上します。QDフィルムの自己励起を低減し、効率を向上させるために、従来のカラーフィルターを使用して周囲光を遮断し、反射偏光子を使用してQDCCからの光をビューアに向けることができます。液晶層を通過するのは青色または紫外線のみであるため、液晶層を薄くすることができ、結果としてピクセル応答時間が速くなります。[ 26 ] [ 28 ]
Nanosysは2017年に光発光カラーコンバータ技術のプレゼンテーションを行い、2019年までに商用製品が発売される予定でしたが、セル内偏光子が大きな課題として残っていました。[ 29 ] [ 20 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] 2019年12月現在、セル内偏光子の問題は未解決のままで、それ以降、QDカラーコンバータを搭載したLCDは市場に出回っていません。[ 37 ]
QDカラーコンバータはOLEDまたはマイクロLEDパネルで使用でき、効率と色域を向上させます。[ 22 ] [ 36 ] [ 38 ] [ 39 ]サムスンとTCLは、青色発光体と赤緑カラーコンバータを備えたQD-OLEDパネルを研究しています。[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] 2019年10月、サムスンディスプレイは、2019年から2025年の間にすべての8Gパネル工場をQD-OLED生産に転換することを目的として、研究と生産の両方に108億ドルを投資すると発表しました。[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] Samsung DisplayはCES 2022で55インチと65インチのQD-OLEDパネルを発表し、Samsung ElectronicsとSonyのテレビは2022年後半に発売される予定である。[ 50 ]
QD-OLEDディスプレイは、ピーク輝度1500ニトでRec.2020色域の90%をカバーする優れた色域を示しているのに対し、現在のOLEDおよびLCDテレビはRec.2020の70～75%（DCI-P3の95～100%）をカバーしている。[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]
QD-OLED ディスプレイのさらなる発展として、青色 OLED 層をInGaN / GaN青色ナノロッドLEDに置き換える量子ドットナノロッド発光ダイオード (QNED) ディスプレイ[ 54 ]があります。ナノロッドは平面型 LED に比べて発光面が大きいため、効率が向上し、発光量も増加します。ナノロッド溶液は基板上にインク印刷され、その後、電流によってサブピクセルが所定の位置に整列され、赤/緑のサブピクセルの上に QD カラーコンバータが配置されます。[ 55 ] [ 56 ] Samsung Display は 2021 年に QNED パネルのテスト生産を開始し[ 57 ] [ 54 ]、2024 ～ 2025 年に量産を開始する予定でしたが、2022 年 5 月現在、テスト生産は延期されています。[ 58 ] [ 59 ]
QDチップオンボード（QD-COB）カラー変換層は、拡張現実（AR）メガネやマイクロプロジェクターなどの近眼デバイスで一般的に使用されるマイクロLEDマイクロディスプレイに適用できます。 2つの主要なカラー変換技術が開発されています。1つは青色LED上のナノ多孔質GaNに量子ドットを埋め込むもの（例：ナノポア量子ドット、NPQD）で、もう1つはマイクロLEDアレイ上にパターン化された量子ドットフォトレジスト層を使用するものです。これらのアプローチにより、コンパクトなフルカラーディスプレイに非常に高いピクセル密度と十分な明るさが実現します。[ 60 ] [ 61 ] NPQDプロセスでは、GaNマイクロLEDウェハ上にその場でナノ多孔質層を作成し、そこに量子ドットを充填して青色発光を赤色または緑色光に変換し、明るさ、効率、信頼性が向上したモノリシックフルカラーディスプレイを実現します。[ 62 ]従来のAlInGaPベースの赤色発光チップ（緑色および青色のInGaNチップとは材料構成が異なる）を量子ドット変換された赤色サブピクセルに置き換えることで、QD-COB ディスプレイはさまざまな視野角で色の一貫性が向上していることが実証されています。[ 63 ] [ 64 ] QD-COB 層を備えた商用 0.22 インチ マイクロ LED ディスプレイは 2023 ～ 2024 年にリリースされ、0.39 インチおよび 0.13 インチ バージョンは 2025 年に試作生産を目指しています。[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]
マイクロメートルスケールでの集積化を目指し、量子ドットインクのインクジェット印刷など、その他の実験手法も研究されている。
自発光型量子ドットディスプレイは、アクティブマトリクスまたはパッシブマトリクスアレイに配置された量子ドットベースのLED（QD-LED）として機能するエレクトロルミネセンスQDナノ粒子を使用します。照明用のLEDバックライトと色の原色の明るさを制御するTFT LCDを別途必要とする代わりに、これらのQDELディスプレイは個々の色のサブピクセルから放出される光をネイティブに制御し、[ 70 ]液晶層を排除することでピクセルの応答時間を大幅に短縮します。この技術は、真のQLEDディスプレイ[ 71 ] 、およびエレクトロルミネセンス量子ドット（ELQD、QDEL、EL-QLED） [ 72 ] [ 73 ]とも呼ばれています。
QD-LEDの構造はOLEDの基本設計と似ています。主な違いは、発光デバイスがセレン化カドミウム（CdSe）ナノ結晶などの量子ドットであることです。量子ドットの層は、電子輸送性および正孔輸送性の有機材料の層の間に挟まれています。印加された電場により、電子と正孔が量子ドット層に移動し、そこで量子ドットに捕捉されて再結合し、光子を放出します。[ 12 ] [ 74 ] QD-LEDで実証された色域は、 LCDとOLEDディスプレイ技術の両方の性能を超えています。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]全QD LEDを実現するには、現在、発光QD層の電気伝導性が低いという課題を克服する必要があります。[ 75 ] [ 76 ]
カドミウム系材料は環境への影響から照明用途には使用できないため、[ 77 ]ナノシス、ナノコ、ナノフォトニカ、オスラムOLED、フラウンホーファーIAP、メルク、ソウル国立大学などがInP（リン化インジウム）インクジェットソリューションを研究している。[ 34 ] [ 78 ] [ 79 ] 2019年現在、InP系材料は寿命が限られているため、まだ商業生産には適していない。[ 80 ]
インクジェット印刷を用いたアクティブマトリクスQLEDディスプレイの量産は2020～2021年に開始されると予想されていたが、[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 35 ] [ 36 ] 2024年現在、寿命の問題は解決されておらず、この技術は試作段階にとどまっている。2024年にNanosysは、QDエレクトロルミネッセンス技術が2026年までに生産可能になると想定し、[ 84 ] 2026年には2029年までに登場すると予想した。 [ 85 ]
CES 2024で、シャープNECディスプレイは12インチと30インチのディスプレイパネルのプロトタイプを非公開で展示した。[ 86 ] [ 84 ]
さまざまなブランドが、通常のLEDバックライトディスプレイと比較して色とコントラストを向上させるために、LEDバックライトLCDと量子ドットフィルムを組み合わせたディスプレイを販売しています。 [ 87 ]ソニーは、QD強化製品をトリルミナスとして宣伝しています。[ 88 ]サムスンは、 QD製品をQLEDとして宣伝しており[ 89 ] 、ハイセンスとTCLにも同様の方法で宣伝することを許可しています。 [ 20 ] 2021年から、LGエレクトロニクスは「QNED Mini LED」というブランドのテレビシリーズを発表しました。これらのテレビは、ミニLEDバックライトを備えたLCDディスプレイをベースにしており、自発光技術は使用していません。[ 90 ]
サムスンなどの一部のブランドは、通常のOLEDディスプレイと比較して色と明るさを向上させるために、 OLEDパネルと量子ドットカラーコンバータを組み合わせたQD-OLEDディスプレイを販売しています。これらは通常、RGBまたはRGBWの代わりに青色OLED層を使用します。[ 91 ] [ 92 ]
サムスン電子のサプライヤーであるハンソルが2024年に委託したテストでは、量子ドットを含むと宣伝されているTCLのいくつかのモデルには、実際には量子ドット材料が含まれていないことが示唆されている。しかし、ニュースメディアは、ハンソルがTCLの競合他社の1社と関係があるため、ハンソルの主張には懐疑的であるよう読者に警告している。[ 93 ] [ 94 ] 2026年3月、サムスン電子の法律事務所であるピンセント・メイソンズは、ミュンヘン第一地方裁判所でTCLドイツに対する「QLED」と宣伝されたTCLテレビに関する虚偽広告訴訟で勝訴したと発表した。同事務所によると、裁判所はTCLに対し、問題となっている6シリーズのモデルを「QLED」として販売し続けることを禁じ、声明を訂正するよう命じた。判決はまだ確定していない。[ 95 ]
量子ドットの性能は、量子ドット構造のサイズや組成によって決まります。単純な原子構造とは異なり、量子ドット構造は、エネルギー準位が構造のサイズに強く依存するという特異な性質を持っています。例えば、CdSe量子ドットの発光は、赤色（ 直径5 nm）から紫色領域（ ドットサイズ1.5 nm）まで調整可能です。量子ドットの発色の物理的な理由は量子閉じ込め効果であり、そのエネルギー準位に直接関係しています。蛍光のエネルギー（ひいては色）を決定するバンドギャップエネルギーは、量子ドットのサイズの2乗に反比例します。量子ドットが大きいほど、エネルギー準位の間隔が狭くなり、量子ドットはより低いエネルギー（より赤い色）の光子を放出（または吸収）することができます。言い換えれば、半導体励起をより小さな体積に閉じ込めるにはより大きなエネルギーが必要となるため、ドットサイズが小さくなるにつれて放出される光子のエネルギーは増加します。[ 96 ]
新しい量子ドット構造では、カドミウムの代わりにインジウムが使用されています。これは、カドミウムが欧州委員会のRoHS指令で照明への使用が免除されていないこと[ 24 ] [ 97 ]、およびカドミウムの毒性によるものです。
QD-LEDは、20～40 nmの範囲のFWHM（半値全幅）を持つ狭帯域幅の純粋で飽和した発光色を特徴としています。 [ 12 ] [ 26 ]量子ドットのサイズを変更することで、発光波長を容易に調整できます。さらに、QD-LEDは、同等の有機発光デバイスの効率、柔軟性、および低コストと相まって、高い色純度と耐久性を提供します。QD-LED構造は、460 nm（青）から650 nm（赤）までの可視波長範囲全体にわたって調整できます（人間の目は380～750 nmの光を検出できます）。QDの化学組成とデバイス構造を調整することで、発光波長はUVおよびNIR領域に継続的に拡張されています。[ 98 ] [ 99 ]
量子ドットは溶液プロセスが可能で、湿式プロセス技術に適しています。QD-LEDの主な製造技術は、相分離とコンタクトプリンティングの2つです。[ 100 ]
相分離は、大面積の規則的な量子ドット単層の形成に適しています。単一の量子ドット層は、量子ドットとTPD（N, N′-ビス(3-メチルフェニル)-N, N′-ジフェニルベンジジン）などの有機半導体の混合溶液をスピンキャストすることによって形成されます。このプロセスにより、六方最密充填配列に自己組織化された量子ドット単層が同時に生成され、この単層が共蒸着されたコンタクトの上に配置されます。溶媒乾燥中、量子ドットは有機下層材料（TPD）から相分離し、フィルムの表面に向かって上昇します。結果として得られる量子ドット構造は、溶液濃度、溶媒比、量子ドットサイズ分布、量子ドットアスペクト比など、多くのパラメータによって影響を受けます。量子ドット溶液と有機溶媒の純度も重要です。[ 101 ]
相分離は比較的単純なプロセスではあるものの、ディスプレイデバイスへの応用には適していません。スピンコーティングでは異なるサイズの量子ドット（RGB）を横方向にパターン形成できないため、相分離によって多色量子ドットLEDを作製することはできません。さらに、量子ドットLEDに有機下地材料を用いることは理想的ではありません。有機下地材料は均質でなければならないため、適用可能なデバイス設計の数が制限されるという制約が生じるからです。
QD薄膜を形成するためのコンタクト印刷プロセスは、溶剤を使用しない水系懸濁液法であり、シンプルでコスト効率が高く、スループットも高い。このプロセスでは、デバイス構造は溶剤に曝されない。QD-LED構造の電荷輸送層は溶剤に敏感な有機薄膜であるため、プロセス中に溶剤を避けることは大きな利点である。この方法では、1000 ppi（ピクセル/インチ）の解像度でRGBパターン化されたエレクトロルミネッセンス構造を作製できる。[ 3 ]
コンタクトプリントの全体的なプロセス：
量子ドットのアレイは、スピンキャスティングと呼ばれるプロセスによる自己組織化によって製造される。有機材料に量子ドットを溶解させた溶液を基板上に注ぎ、基板を回転させて溶液を均一に広げる。
コンタクトプリンティングにより、多色QD-LEDの製造が可能になる。QD-LEDは、赤、緑、青のQD単層からなる25μm幅のストライプ状の発光層で製造された。コンタクトプリンティング法は、必要なQDの量を最小限に抑え、コストを削減する。[ 3 ]
ナノ結晶ディスプレイは、可視スペクトルを最大30%増加させ、LCDよりも30～50%少ない電力で動作します。これは主に、ナノ結晶ディスプレイにはバックライトが不要であるためです。QD LEDは、CRTおよびLCディスプレイよりも50～100倍明るく、40,000ニット（cd /m2 ）を発光します。QDは水系および非水系溶媒の両方に分散できるため、大型テレビを含むあらゆるサイズの印刷可能で柔軟なディスプレイを実現できます。QDは無機物である可能性があり、OLEDと比較して寿命が改善する可能性があります（ただし、QD-LEDの多くの部分は有機材料で作られていることが多いため、機能寿命を改善するにはさらなる開発が必要です）。OLEDディスプレイに加えて、ピックアンドプレースマイクロLEDディスプレイがナノ結晶ディスプレイの競合技術として登場しています。サムスンは、100万時間の寿命を持つ自発光量子ドットダイオードを製造する方法を開発しました。[ 102 ]
その他の利点としては、より鮮やかな緑色、ポリマーへの加工性、ディスプレイの薄型化、そして同じ材料で異なる色を生成できることなどが挙げられる。
欠点の1つは、青色量子ドットは最小サイズをわずかに上回るため、反応中に非常に精密なタイミング制御が必要になることです。太陽光はスペクトル全体にわたって赤、緑、青の輝度がほぼ等しいため、ディスプレイもCIE標準光源D65で定義される純白を実現するには、赤、緑、青の輝度がほぼ等しい必要があります。しかし、CIE輝度関数によると、人間の目は昼光条件下では青色に対する感度が3～5倍低いため、ディスプレイの青色成分は、緑や赤に比べて色の純度や精度（ダイナミックレンジ）が比較的低くなる可能性があります。
従来の液晶パネルや量子ドット液晶パネルとは対照的に、QD-OLEDは通常のOLEDパネルと同様に画面の焼き付き現象が発生する。
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