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閃耀人類科學40年的技術！螢幕、光伏、生物醫藥均有應用！硬核科普量子點科技與市場格局
量子點材料具有優秀的光伏性能，目前主要應用在顯示領域。2015-2018年，量子點顯示技術進入消費市場，初期主要與LCD技術結合，可以大幅提升傳統LCD產品的色域等顯示性能。
我們認為，基於LCD在面板顯示領域的絕對優勢地位，量子點膜在LCD中的光致發光應用將在未來5年快速提升，更值得期待的“量子點+OLED”“量子點+Micro LED”以及量子點電致發光應用，有望成為未來5-10年新的增長點。
除了顯示領域，量子點材料未來在光伏、生物醫藥、圖像感測、量子計算等領域的應用前景也值得期待。
作者：劉督（深圳市天使投資引導基金管理有限公司發展研究部研究總監）、劉湘寧（深圳市天使投資引導基金管理有限公司副總經理）、謝作朋（深圳市天使投資引導基金管理有限公司投資二部投資總監）、毛研（香港中文大學（深圳）高等金融研究院）
當日常使用的電視、電腦變得越來越輕薄、清晰、色彩豐富飽滿時，你是否會想到，這些進步離不開一項又一項的諾貝爾獎成果技術：陰極射線、液晶、藍光LED，以及最新進入大眾視野的量子點？
2023年10月，三位學者因“發現和合成量子點”獲得諾貝爾化學獎。實際上，量子點被發現至今已有40年歷史，尺寸效應特性使其成為具有廣泛應用潛力的新型納米材料，近幾年首先在顯示領域開始成規模應用。通過分析量子點在顯示領域的應用情況及行業格局，進一步展望量子點在其他領域的未來應用前景，有助於我們形成早期項目的投資邏輯。
01 量子點材料及其在顯示領域的應用
迄今為止，顯示技術共經歷了五代發展。
——CRT技術（陰極射線管）起源於上世紀20年代，應用產品就是早年的“大肚子電視”，滿足了人們從黑白電視到彩色電視的顯示需求。
——PDP技術（電漿顯示）起始於60年代，是電視輕薄化早期技術路線之一。但由於CRT技術難以進一步提升電視的輕薄化與清晰度，PDP技術燒屏問題難以解決，其與CRT技術在2010年左右退出市場。
——興起於上世紀60年代的LCD（液晶顯示）是當下主流顯示技術，實現了低成本高品質應用。
——OLED和Micro LED技術發端於上世紀末期，目前價格仍然較高，主要用於高端消費市場。
——2015-2018年，量子點（quantum dot）顯示技術進入消費市場，初期主要與LCD技術結合，可以大幅提升傳統LCD產品的色域等顯示性能。
從材料上看，量子點材料具有優秀的光伏性能，目前主要應用在顯示領域。量子點是把導帶電子、價帶空穴及激子在三個空間維度上束縛住的半導體納米結構，粒徑尺寸為1-10nm，大約是網球直徑的6000萬分之一。量子點具備優異的光伏性能，通過對其施加一定的電場或光壓，其會發出特定頻率的光，並且光的頻率會隨著量子點材料尺寸的增大而降低。也就是說，通過調節量子點材料尺寸，就可以控制其發出光的顏色，得到高品質的純正單色光。基於此，量子點已應用於顯示領域，相較於傳統LCD電視具有色域廣、顏色純、性能穩定三大優勢。此外，量子點材料在光伏、生物、感測乃至量子計算等方面的應用前景也值得期待。
量子點材料光致發光應用落地較快，電致發光應用是未來方向。光致發光，即採用藍色背光源照射量子點材料，使其發出紅光、綠光，與藍色背光混合形成白光，再通過液晶層和彩色濾光片，實現全彩顯示（即QD-LCD）。不過，通過量子點光轉換膜之後的白光，在通過彩色濾光片形成紅、綠、藍三個子像素時，會發生光效損失。電致發光與已經商業化的OLED類似，通過直接給量子點材料施加電壓使其發光，不需要背光源及彩色濾光膜，能夠減小產品厚度，並減少光效損失（即QLED）。目前，通過藍光背光照射量子點材料的光致發光技術路線已實現商業化應用，但電致發光產品仍處於研發到商業化的過渡階段，在2024年國際消費類電子產品展覽會上，夏普與Nanosys展示了12.3英吋Nano LED電致發光量子點電視原型，這是未來應用值得期待的方向。
圖：量子點光致發光、電致發光示意圖
量子點膜能夠低成本、高品質相容LCD技術。作為全球面板顯示龍頭，三星於2017年發佈了四款Q系列量子點電視，使用的就是LCD加量子點膜（QD-LCD）的技術方案。隨著量子點膜技術不斷成熟，其價格也由最初的100-150美元/平方米下降至目前的15-20美元/平方米。為進一步壓縮成本，也有量子點膜生產商嘗試推出量子點擴散板產品，但據部分面板廠商反饋，低濃度擴散板對色彩最佳化作用有限，而高濃度擴散板技術仍不成熟，並且擴散板也會增加面板厚度，因此，量子點膜將成為低成本、高品質相容LCD的更優解決方案。
那麼，量子點顯示技術的生命周期會持久嗎？2017年至2023年底，全球顯示領域龍頭三星的量子點電視累計銷量達4400萬台，其中2022年一年就售出了960萬台，呈現加速增長的勢頭。國內顯示領域頭部企業TCL、海信等也於2017年開始佈局量子點電視，當年中國量子點電視滲透率約1.5%，全年線下累計銷量近50萬台，至2021年，中國量子點電視出貨量近300萬台，其中，僅量子點膜材市場規模預計在2025年就將近百億元。顯然，量子點顯示技術正在快速普及。
表：量子點膜市場規模預測
我們認為，基於LCD在面板顯示領域的絕對優勢地位，量子點膜在LCD中的光致發光應用將在未來5年快速提升，更值得期待的“量子點+OLED”“量子點+Micro LED”以及量子點電致發光應用，有望成為未來5-10年新的增長點。
從LCD市場佔有率來看，根據洛圖科技（RUNTO）資料，2022年，全球顯示面板中LCD面板的出貨面積佔93%，處於絕對優勢地位，OLED面板佔比僅6.8%。在電視領域，2022年LCD出貨面積佔比更是高達96%。而OLED佔比僅為0.2%-3%左右，Micro LED電視2022年全球出貨量則在2000台左右。
從技術發展來看，LCD液晶顯示技術自上世紀60、70年代應用至今已非常成熟，迭代出的Mini LED則縮小了傳統的LCD背光燈珠，實現了更加精細的動態分區控制，改善了傳統LCD螢幕的對比度，延續了LCD背光技術的生命周期。與LCD、Mini LED背光原理不同，OLED和Micro LED不需要背光，而是材料通電後直接發光，但目前均僅在中小尺寸領域有一定應用，大尺寸產品生產成本居高不下。因此，“LCD+量子點膜”光致發光作為低成本並顯著提升顯示效果的解決方案，將在未來5年左右快速應用。
隨著OLED、Micro LED技術進一步成熟，成本進一步降低，其與量子點膜結合（如QD-OLED）將形成第二增長曲線，進而延長量子點顯示生命周期。資料顯示，三星每月QD-OLED顯示面板產能約為3萬片左右，良率已提高至90%以上，2023年12月，三星宣佈開始量產具有超高畫質解析度的31.5英吋QD-OLED螢幕。直接點亮量子點的電致發光技術路線也非常具有想像力，被認為是可能與OLED、Micro LED直接競爭的自發光顯示技術路線。
圖：量子點在背光和自發光技術中的應用
02 量子點顯示行業格局及投資要點分析
國外量子點顯示相關企業多處於產業鏈上游，最具代表性的企業為Nanosys。
其於2001年成立，總部在美國矽谷，以量子點材料研發、生產、銷售為主，同時將量子點膜元件涉及技術許可授權給下游廠商。公開資料顯示，Nanosys年產量子點材料超過25噸，佔全球90%以上市場份額。截至2023年9月，Nanosys累計募資2.68億美元。
Nanosys的成功可以歸結為三點。
首先是抓住核心需求卡位市場。Nanosys明確量子點在顯示領域解決的是色域提高的問題，因此在眾多材料中選擇了硒化鎘(CdSe)。誠然，鎘系材料存在毒性、環保問題，長遠來看可能會面臨應用限制，但在當前，仍佔據市場主導地位。另一家量子點材料公司Nanoco很早便宣佈以無鎘技術為主，但產品性能始終不及鎘系材料，導致其錯失了行業發展初期的卡位機會。
其次是靈活調整技術路線快速產業化。量子點最初的顯示應用技術路線有三種，一是量子點直接取代螢光粉，二是量子點封進玻璃管中放在面板側邊，三是做成一張薄膜取代背光模組裡頭的擴散片，從第一種到第三種路線的量子點消耗量逐級增多，但離光源的距離也越來越遠。上游材料公司QD Vision選取了第二種折中方案，但並不成功，主要原因是除了難封裝，還包括玻璃管量子點電視無法與窄邊框設計相容，需要另開治具，大大增加了面板企業生產轉換成本。2015-2016年間，三星、海信、TCL紛紛宣佈放棄量子點管路線，改向量子點膜路線。相比之下，Nanosys早在2008年就嘗試量子點管路線，比QD Vision早5年，但很快發現該技術路線水氧阻隔難做、良率低、量產難等問題，於是及時轉換技術路線，在2010年與3M公司合作開發了量子點膜。雖然初期成本較高，但後期不斷壓縮成本，相比最初的千元每平米下降了80%以上。
圖：量子點的三種顯示應用技術路線
第三是“核心材料+技術許可”模式支撐高毛利。目前難以從公開資訊獲得Nanosys的毛利水平，但根據行業整體情況，Nanosys作為上游核心材料供應商，毛利率預估能達到75%。Nanosys頒布和在審的專利共超過750件，其開發的“三明治”量子點膜結構更是成為下游應用難以繞開的技術方案，其超過300個專利族都有訴訟和轉讓等專利營運資訊，可見其非常重視對核心技術的保護和經營。2015年開始，Nanosys授權3M公司生產的量子點膜產品被國內外電視廠商廣泛使用。國內公司激智科技（簡稱“激智”，股票程式碼300566）、貝迪新材（簡稱“貝迪”，上市被否）無一例外地都向Nanosys購買授權。例如，激智科技曾披露其2015年7月就與Nanosys簽署了《技術轉讓項目協議》《QD原料供應協議》《QDEF合作許可項目協議》和《技術轉讓項目協議》，Nanosys將向其提供量子點原料、樹脂和阻隔膜、服務、與QDEF（量子點薄膜）技術有關的技術資訊、QDEF內部生產許可以及為協助公司採用QDEF技術所必需的培訓和服務，其需向Nanosys支付100萬美元技術轉讓項目費。
中國量子點膜企業包括納晶科技（簡稱“納晶”，股票程式碼830933）、激智、貝迪等。其中，納晶主要自研生產量子點材料，是典型的高校科技成果轉化企業。納晶成立於2009年，2014年在新三板掛牌，是目前全球為數不多的能夠規模穩定生產量子點材料的公司，其股價在2015年到達頂峰後呈現下跌走勢。
財務資料方面，納晶科技自新三板掛牌至今，歷年披露的年報中淨利潤均為負值，2023年其淨利潤為-0.37億元，與2022年相比虧損減少了54.32%。與激智、貝迪相比，納晶2021年及以前的銷售毛利率較高：2021年，納晶、激智、貝迪的銷售毛利率分別為28.78%、21.76%與15.64%，納晶均高於後二者。淨利率方面，2023年納晶銷售淨利率為-71.41%，激智為5.91%（2023），貝迪為5.52%（2021），行業銷售淨利率為3.09%（2023）。
圖：納晶科技、激智科技的淨利潤、營業收入及股價表現
表：國內光學膜上市公司情況
註：①平均值未將納晶計入。
②總市值、PE、PB、PS為2024年5月17日資料。
實際控制人方面，納晶掛牌之初的實際控制人是彭笑剛和高磊生。2020年，鴻商集團成為其第一大股東，目前持有公司15.7%的股份，彭笑剛持有公司股份不足3%。
業務方向方面，納晶起初的定位是顯示、照明、生物、半導體發光材料四大領域，同時在多個賽道發力。2014年新三板掛牌後，納晶的多元化發展持續了近6年。從收入結構來看，顯示逐漸成為公司創收的主要板塊，2016-2019年，顯示產品收入佔營業收入的比重分別為55.40%、80.20%、82.42%和88.51%，生物產品收入佔比分別為1.24%、0.38%、2.30%和2.82%。2020年，納晶出售全資子公司北京納晶生物全部股份，剝離生物檢測業務。
納晶在2018年的年報中披露，“公司致力於產業鏈的上游，選擇性進入產業中下游”。製備上游環節高性能量子點材料，以高附加值產品實現利潤增長，是納晶的重要優勢，進入中游甚至下游，可能會快速拉高固定成本，並且，下游To C端產品的行銷、市場推廣思路與中上游環節也有所不同，或給納晶帶來不小挑戰。
在上市公司中，除納晶外，其他公司自產量子點材料的較少，導致整體毛利水平不高。隨著國內實驗室內製備量子點技術逐漸成熟與上游材料自研的高毛利吸引，相關創業企業也紛紛成立，邁出從實驗室走向產業化的一步。這些企業大多具備研發自制量子點材料的能力，如海納至精、北達聚邦和玻爾科技等。這其中，不乏依託於高校、科研院所發展起來的企業，包括早在2005年創立於武漢大學的珈源量子點、2016年成立的源於北京理工大學的致晶科技以及2021年成立的孵化自南方科技大學的撲浪量子等。
表：部分國內量子點非上市企業概況
在投資上，可考慮挖掘下游大公司的上、中游具有高附加值技術的項目。在上表呈現的21家企業中，6家處於量子點顯示產業上游，專注生產不同類型的量子點原材料；5家處於產業鏈中游，生產量子點膜或者擴散板；9家業務覆蓋上游、中游，既研發量子點原材料，同時也生產量子點膜等。還有1家紫同納米同時涉及上、中、下游，下游包括無鎘量子點電視、檯燈等產品。這些上、中游企業的下游大客戶多為TCL、海信、三星等上市公司，從投資角度來看，順著下游上市公司所在產業鏈回溯，可挖掘中、上游中有技術亮點、成長性強的項目。
對於量子點顯示企業，較為可行的發展路徑應經歷三個階段。
研發生產量子點材料。2018年，量子點膜成本結構中原材料約佔60%，隨著技術進步，這一數值也在不斷下降。自研量子點原料有助於提升毛利率，特別是在上市稽核對企業創新能力要求趨嚴的背景下，核心材料的研發生產能力更加重要。
生產量子點顯示色轉膜。通過在藍色背光層和液晶層之間加上量子點膜，產品色域能夠提升至110%，並且幾乎不會產生額外搭載成本，能夠較好地與現有生產線相容，有效延長LCD產品生命周期。
持續研發量子點電致發光技術。量子點發光二極體（QLED）未來可能與Micro LED、OLED鼎立，具有廣闊的市場前景。
基於此，投資應重點關注四個方面。
首先是材料自研能力。對於企業長期發展而言，自研量子點材料的重要性不言而喻。在全球研發製備並出售量子點原材料的廠商中，Nanosys佔據了大部分市場份額。在國內，Nanosys幾乎壟斷量子點原材料市場，是量子點顯示企業難以繞開的供應商。目前國內規模較大的量子點生產商有納晶科技、星爍納米、致晶科技等，相對量子點膜材企業來說數量較少，其生產的量子點性能與Nanosys相比存在一定差距，因此，Nanosys仍具有較高的議價能力。而提升核心材料自研能力、縮小與國際領先水平的差距，是企業長期可持續發展的重要保障。
其次是低成本、高品質製備量子點材料和量子點膜的產業化能力。量子點材料的穩定性是核心。量子點材料本身的特性決定了其容易和水氧發生反應，因此需要使用水氧阻隔膜，這一方面導致成本難以進一步下降，水氧阻隔膜約佔量子點膜成本的50%，而目前國內企業大多從日本廠商進口；另一方面，也導致企業難以繞開Nanosys的“三明治結構”專利，需要付費獲得Nanosys授權，否則將產生侵權風險。此外，目前“LCD+量子點膜”技術路線使用的是藍光背光，因此，量子點材料的藍光耐受性也非常關鍵。
量子點膜的生產製備也很重要。量子點膜的製備包括將紅綠量子點與膠水均勻混合形成塗布膠，以及將量子點塗布膠均勻塗抹於兩片水氧阻隔膜間兩個步驟。目前大型塗布機能夠均勻塗抹量子點膠水，是一套標準化的流程，各企業技術水平差距不大，因此，構成量子點膜製備技術核心競爭優勢的是膠水配方，需要關注膠水自身濃度以及其與紅綠量子點溶液的混合配比，這直接影響量子點膜產品的色域、亮度以及壽命。
三是公司需要具備資金等方面的營運管理能力。在早期現金流緊張的情況下，需關注公司能否順利外部融資。對於量子點顯示企業這類技術密集型企業，其特點是前期投入大，需要充足的現金流。Nanosys、QD Vision（三星收購前）、InVisage Technologies（蘋果收購前）均共獲得上億美元的融資。而在早期，企業往往由於沒有走上高速營運正軌、客戶回款周期長等問題，面臨著現金流難題，能否順利獲得外部融資以支援後續大量的研發及投產開支，是投資者和企業自身應重點關注的問題。
四是其他顯示技術的挑戰。作為自發光技術的代表，OLED顯示產品具有亮度更高、可彎折、對比度更高以及響應更快等特性，蘋果、京東方等國內外大廠商紛紛積極佈局OLED技術。處在研發階段、尚未大規模批次匯入的Micro LED同樣作為自發光技術，具有高對比度、高亮度、廣色域的特點，目前主要用於小型可穿戴裝置等高端小尺寸產品。兩種自發光技術的特點對於量子點膜功能有一定替代性，因此，量子點顯示企業在製備量子點膜和自研量子點原材料的同時，應加大力度研發量子點電致發光技術，以應對來自OLED、Micro LED兩種自發光技術的挑戰。
03 量子點技術在其他領域的應用前景
工信部、國務院國資委聚焦已有相應研究成果、具備工程化產業化基礎、有望率先批次產業化的前沿材料，組織編制了《前沿材料產業化重點發展指導目錄（第一批）》，並於2023年8月28日發佈，量子點材料位列其中。
現階段，量子點材料已經在顯示領域開啟了大規模產業化應用處理程序，未來在光伏、生物醫藥領域的應用前景也值得期待。據市場調研公司Mordor lntelligence預測，2023-2026年全球量子點材料市場規模有望從47.1億美元增長至105.1億美元，5年年複合增長率（CAGR）為17.4%。
在光伏領域，量子點自身的特性能夠大大提升太陽能電池光伏轉化率。目前大範圍使用的硅晶太陽能電池只能吸收太陽光中一小部分光譜，導致其理論轉化效率為33%，即SQ（Shockley-Queisser）極限。而實際應用中的電池轉換效率在23%-25%之間，均遠未達到SQ極限。量子點可以被設計成具有對應於不同波長的光的特定能級，那麼就能比傳統太陽能電池吸收更廣泛的太陽光譜，從而將提高光伏轉換效率。2024年1月，昆士蘭大學王連洲教授發表研究成果於ACS Energy Letters，分析了鈣鈦礦量子點太陽能電池的最新技術，討論了利用鈣鈦礦量子點的多激子生成特性的潛力，從而希望將轉化效率提高至超越SQ極限。
表：當前三代太陽能電池優缺點
生物醫藥領域，傳統的有機螢光染料和螢光蛋白螢光強度較低，穩定性差，活體標記時長受到限制，在一定程度上影響了生物、醫學實驗及其應用的進一步發展。
使用量子點作為螢光探針具有三大優點。第一，量子點激發波長範圍寬，發射波長範圍窄。對於不同粒徑大小的量子點，使用同一種激發光源就能夠產生不同顏色的螢光，並且能夠提升檢測便利度。第二，量子點穩定性較高，相比傳統螢光染料提升了近百倍，能夠對目標對象進行長時間標記。第三，量子點生物相容性好，在對含鎘量子點包覆上化學外殼後，量子點的生物毒性大大降低，能夠用於細胞、組織和活體標記成像等。尤其在臨床醫學領域，量子點能夠用於病灶的定位和成像，比如將量子點探針輸送到體內腫瘤所在處，對於癌症的靶向診斷和治療有重要意義。目前量子點已應用於體外診斷。根據國家藥監局資料，中國共有334款量子點產品獲得境內醫療器械註冊證，市場上已有量子點檢測試劑盒、微球、免疫螢光分析儀等產品。而由於量子點標記會誘導氧自由基產生，會對活性物質產生毒性，用於體內醫療診斷時可能會對生物體造成一定損害，因此量子點在體內醫療診斷的應用尚處於醫學前沿和實驗室階段。
表：量子點生物醫療領域公司
量子點優秀的發光效率以及獨特的電化學性質，讓其可以應用於圖像感測等領域。量子點能夠提高圖像感測的解析度和靈敏度。目前主要是研究所和高校在進行量子點圖像感測器的研究，其產業化也逐漸興起。比如，美國圖像感測器解決方案服務商SWIR VISION SYSTEMS公司旗下的Acuros系列量子點短波紅外相機，有著更長的波段對應範圍。在光伏感測方面，短波紅外範圍內敏感的光伏探測器可用於機器視覺、自動駕駛、三維成像、夜間和惡劣天氣成像等領域。2024年1月，西班牙巴塞隆納科學技術研究所的Gerasimos Konstantatos等發文於Nature Photonics，闡述了新型的環境友好型碲化銀量子點的合成方法，以及它們在高性能短波紅外（SWIR）光伏探測器中的應用，也為消費電子產品中的監管問題提供解決思路。此外，電化學生物感測器同樣是量子點應用於感測器的重要路徑之一，能夠用於食品工業、環境監測、發酵工業以及生物及醫學成像等場景，比如疾病的早期診斷、檢測農藥殘留等。
量子點在量子計算這一前沿領域的應用也在探索中。量子點量子計算目前仍處於實驗室階段，尚未形成成熟的商業化應用，其中量子位元系統正處於研發階段。未來，量子點量子計算有望應用於最佳化供應鏈等實際問題以及用於材料、化學等模擬，推動新技術、新材料的發展。同時，還可與量子通訊結合，用於加密資訊傳輸，提升資訊傳輸的速率與安全性。 (新財富雜誌)