欧盟禁镉令再收紧！含镉量子点和MicroLED何去何从

CINNO Research产业资讯，就在5月下旬，欧盟（EU）通过更新自2017年以来实施的一项规定，收紧其对在电子设备中使用有毒金属镉（Cd）的限制。但业内人士表示，欧盟的这项新规定不会对目前的显示器业务产生太大的影响，因为大多数制造商在全球范围内生产的显示器件都已符合这样的要求。

十多年前，含镉量子点（QDs）首次进入显示器应用，量子点是一种特殊的半导体晶体，它在受到光或电的驱动时，会发出和其尺寸相关的颜色的光。除了使用镉，量子点也可以使用磷化铟等其他材料制成，通过将LED背光的白色或蓝色光“降频”为红色或绿色，量子点材料被广泛用于LCD显示器的颜色转换。其结果是，新的显示器能够再现更为生动的色彩，包括具有宽色域的高动态范围（HDR）。

镉也是欧盟委员会（EC，欧盟的执行机构）通过其有害物质限制（RoHS）规则监管的元素和化合物之一，该规则始于2006年，旨在限制消费电子产品中有害化学品的使用。RoHS规则（特别是指令2011/65/EU）限制了铅和汞等物质的使用，通常以百万分之一（ppm）为基础设定限制。例如，“同质部分”中铅和汞的限量为1000 ppm，而镉的限量仅为100 ppm。

不过，行业如果可以证明使用这些限制性材料能够带来相比于潜在替代品更为突出的性能、效率或相关环境效益（例如，较少的电力消耗），则可以在一定程度上申请RoHS规则的豁免。通常，此类豁免请求需要由第三方进行评估，然后由申请方向欧盟委员会提出。

实际上，镉材料早已经被用于照明和显示，这是欧盟委员会在德国Oeko研究所进行长期评估和建议后于2011年批准的豁免。当时，基于硒化镉（CdSe）的量子点比任何其他替代品都要高效可靠，3M等公司已经在开发用于薄膜封装的CdSe量子点。欧盟委员会批准了这项豁免，允许“每平方毫米发光面积含有不超过10微克的镉”，即每平方米（大约相当于一台65英寸电视的大小）10克镉。

Palomaki咨询公司的所有者兼首席科学家Peter Palomaki表示，虽然单位不同，但很明显，这一新的镉含量要求要远高于RoHS规定的100ppm标准限值。2017年，该豁免随后又被更新，仅允许每平方毫米发光面积0.2微克（或每平方米0.2克）。Palomaki也承认，欧盟所制定规则中不同的计量单位可能会令很多人困惑。

“每平方米0.2克，是对整个显示区域上使用的限制，这与ppm测量非常不同，ppm测量的是单位质量内允许的有害物质质量，”Palomaki解释道：“ppm测量针对的是一个同质的部分，这种同质性意味着它不能被物理分解成更小部分。”

根据Palomaki的说法，QD增强膜（QDEF）不能算作“同质部分”，因为它实际由三层组成：顶层、QD中间层和底层。Palomaki认为QD中间层才是受100ppm规则约束的“同质部分”， QD供应商Nanosys Shoei也认同这一观点。

“我们是按对这个中间层的管控来做的，我们认为这才是对欧盟规则的正确理解，这是欧盟制定这一规则的初衷，”Shoei Chemical Nanosys的营销副总裁Jeff Yurek表示：“不过，我们也要承认，目前市场在这方面还存在一些争论。”

虽然上述39(a)号豁免下0.2克的用量限制原定于2019年10月到期，但它一直持续到2024年，这是因为欧盟委员会考虑了照明和显示器制造商的几项延长请求。在考虑Oeko研究所于2022年末发布的另一份关于镉使用的深入评估和建议后，欧盟委员会在2023年之前征求了公众对新建议的意见，并于今年3月份对此进行了投票。

更新后的规则，豁免39（b），直到今年5月21日才正式公布。制造商现在有18个月的宽限期，直到2025年11月21日，以完全遵守新规定。

“在过去的七年里，制造商必须遵守的是0.2这个数字，”Palomaki说：“这一期间，100 ppm一直是无效的，现在的规则是0.2。不过18个月后，0.2的限制将会消失，它又会回到100 ppm，这将是所有产品的通用标准。100 ppm规则将适用于烤面包机烤箱、微波炉和冰箱。所有消费电子产品都将遵守100 ppm这一欧盟的RoHS要求。当然，电视和显示器的镉含量也将会回到100 ppm的标准限值。”

虽然在欧盟国家销售电视机需要在技术上符合RoHS规则，但毕竟欧盟是一个巨大的市场，Palomaki和Yurek都希望制造商能够让他们的电视机符合新规则。Yurek表示，一般来说，原始设备制造商（OEM）不愿意为不同的国家生产不同的型号，所以这也将会延伸到目前生产大量液晶显示器的中国制造商。

“他们希望有一个可以在世界各地发货的SKU(最小库存量)，所以这将会成为他们最难满足的规定，” Yurek说道：“不过我们能够满足了这一点，我们可以支持他们将产品卖到其他任何地方。”

考虑到电视机的典型制造周期，符合新规定的产品型号将会于1月发布，春末上架，假期期间会大量销售，Nanosys建议其所有客户都能确保其2025推出的型号符合新规定。

Yurek说：“不过，他们中的大多数现在已经这么做了。”

镉豁免规定变化的意义重大，按照欧盟的说法，之前的豁免39（a）“没有区分镉基材料嵌入量子点的不同方式”，而新的豁免规则39（b）对此进行了更正。

根据该规定附带的欧盟委员会解释性备忘录，量子点的三个主要应用是“On-Edge技术”，即量子点被设计在位于LED芯片附近的远程组件上；“On-Surface技术”，将量子点封装在覆盖整个显示区域的薄膜中；以及“On-Chip技术”，即量子点直接设计在LED表面并封装在其LED封装内。

根据新的豁免规则39（b），只有第三种On-chip应用现在不受镉限制，不过它仅用于显示器，该豁免仅面向“直接沉积在LED半导体芯片上，用于显示和投影的降频半导体纳米晶体量子点中的镉”。该限制为每平方毫米LED芯片表面最多5微克镉，每个设备（即显示器）的最大镉含量为1毫克。另外，以上所有类别的豁免将于2027年12月31日到期。

欧盟委员会对此解释时表示，On-Edge应用，如索尼早期的“Triluminos”边缘照明液晶电视，将其QD封装在玻璃管中，这种方案已经过时。同时，传统使用含镉量子点最多的On-Surface应用也能够轻松在市场上找到它的无镉替代品。欧盟表示，固态照明领域的On-Chip技术也有了它的无镉替代品，这也是为什么照明应用没有包括在更新的豁免条款中。但相比之下，显示器领域的无镉On-Chip技术的发展还很滞后，可能还需要四到五年的时间。

欧盟委员会表示：“对于一些新技术，如微型显示器，目前还没有市场上可用的无镉替代品，或像和目前含镉On-Chip那样可靠的替代方案。”

虽然豁免条款39（b）中的变化似乎会对当前使用量子点的LCD和QD-OLED电视机产生重大影响，但事实是，自2013年推出第一台基于量子点技术的电视以来，量子点的镉使用量已大幅减少。首先，一些世界领先的电视品牌从未在其QDEF电视机中使用镉，他们一直依赖使用一些由磷化铟制成的QD，其中包括排名前两位的三星和LG，另外索尼也不再使用含镉方案。

其次，另一些制造商选择了一种折中的QDEF方案，这种方案含有一定用量的镉，但用量符合RoHS标准中镉含量低于100ppm的限制。这些产品可能含有90ppm的镉，甚至99ppm。根据欧盟规则，制造商有义务在电视机背面贴上一个“无镉”标签，就像使用磷化铟量子点的电视机一样。

Palomaki指出，这些符合RoHS规定的显示产品在获得部分镉元素带来的好处的同时，比如较小的半高峰宽（更高的颜色纯度）和更高的效率，而不违反RoHS规则。不过，当消费者发现这些产品还是含有镉的时候，可能还是会产生一些对其营销方式的抵制情绪，因为前述“无镉”标签显然有点误导。

“根据法规要求，制造商必须在任何镉含量低于100 ppm的显示器背面贴上一个无镉的标签，” Yurek说：“所以OLED显示器有这样的标签，基于磷化铟量子点的液晶显示器有这样的标签，镉含量低于100 ppm的液晶显示器也有。我们对这种处理感到非常迷惑，这不是我们所认为合理的处理方式，客户或消费者的认知也是这样，不过这是目前欧盟的处理方式。”

最后是第三种使用QDEF的含镉显示器方案，这种方案的QDEF，镉在其膜层内的部分超过100ppm的极限，不过，对于整个显示产品仍低于0.2克的阈值。这些电视在未来18个月内不受RoHS限制，但之后必须降低镉浓度才能在欧盟市场销售。

“这些产品现在正在市场上销售；你甚至可以在美国市场的电视上找到它们，”Palomaki说：“我还没有测量浓度；这种状态下测量镉元素浓度本身就很困难。但我可以通过一些较为简单的测量方式来判断哪些含镉，哪些不含镉。”

根据Palomaki的说法，通过使用光谱分析仪，他能够很容易地判断出哪些QDEF产品中含有镉。“我可以通过光谱中红色和绿色峰的宽度来判断，”他说：“这其中有一个非常明确的阈值——磷化铟量子点的发光光谱，其发光光谱的半高峰宽一般大于35纳米。作为对比，含镉量子点的半高峰宽通常小于30纳米，比如25纳米，有时甚至能达到22纳米。因此，镉量子点和磷化铟量子点之间有很大的区别，从光谱上看，你几乎可以马上分辨出区别。”

“我们在屏幕前面看到的颜色再现效果除了和量子点的发光光谱特性有关以外，还和器件中许多其他物质有关，”他说道，“举一个例子，LCD内的彩膜就会对颜色质量和亮度产生巨大影响。TCL对彩膜的选择和三星对彩膜的选择可能完全不同，三星使用磷化铟量子点而TCL使用含镉量子点，这些都 可能导致最终进入我们眼睛的光线大不相同。”

Nanosys在2017年推出了Hyperion，这是一款新的QD产品，具有类似镉的光学性能，其标准BT.2020色域覆盖率可以达到90%，这在当时引起了业内的轰动。这种方案中，Nanosys结合了无镉红色发光量子点与超低镉含量的绿色发光量子点，这样在提高光学性能的同时，突破了欧盟的RoHS限制。不过，Yurek表示，他的感觉是，市场上使用Hyperion的产品还是很少，尽管他不确定确切的库存。

“现在的情况是，QDEF薄膜制造商已经能够将红色和绿色镉基量子点结合起来，同时让镉含量不超过100 ppm，” Yurek说：“这在一定程度上是因为量子点的性能有所提高，因此它们不需要那么多量子点就能获得目标光学性能。”

Yurek还提到，Nanosys还有低成本xQDEF的挤出产品方案，它将扩散板技术与量子点相结合，虽然它也使用镉，但远低于100ppm的RoHS限制。这是因为这种方案使用了重量大得多的扩散板。

Nanosys Shoei公司的xQDEF产品方案，它将扩散板技术与挤压量子点相结合，该方案仍含有镉，但符合新的RoHS法规

Yurek说：“这些虽然都是含镉方案，但是根据RoHS新法规的定义方式，它们都远低于100 ppm的限制。”

Nanosys多年来一直在生产大量的磷化铟量子点，所以他们一直是敦促欧盟委员会取消液晶显示器镉豁免的公司之一。Yurek表示，尽管含镉量子点的性能仍比磷化铟量子点好一些，但使用它们的品牌往往更注重成本，所以不会额外搭配使用DBEF等有助于进一步提高电视亮度的组件。然而，使用磷化铟量子点材料的品牌正在努力通过优化其电视设计，以实现最佳的整体性能。

“我们向他们展示的一个事实是，如果你去买电视，市场上性能最高的电视都是不含镉的，” Yurek说：“之所以有这种现象，影响制造商设计选择的绝不仅是量子点材料的类型。”

Yurek和Palomaki都表示，目前他们尚不清楚拥有镉豁免权利的On-Chip方案将如何用于Micro-LED的开发，毕竟从制造角度来看，Micro-LED技术仍处于初级阶段。

“这很难，因为在Micro-LED领域还没有一种公认的、广泛使用的量子点实施策略，”Palomaki说：“业内和学术界提出了很多不同的想法，比如在每颗单独的Micro-LED芯片上喷墨印刷量子点材料。比如制造一种周围有储液器的Micro-LED，然后将量子点沉积到所包含的储液器中。储液器可能有倾斜的壁或直壁，所有这些都将改变最终进行颜色转换所需的量子点数量，但模具尺寸保持不变。因此，理论上，实现颜色转换的方式，不同家可能有很大的区别。”

无论哪种方式，Palomaki预计Micro-LED制造商将确保他们能够满足5微克的限制，或者最好达到100 ppm的限制。“这样他们就再也不用担心了”，Palomaki补充道。

目前，Nanosys已经在与应用材料公司合作，以共同开发Micro-LED的无镉颜色转换方案。应用材料公司的方案，是在发紫外光的Micro-LED上使用Nanosys的红色、绿色和蓝色无镉量子点。Yurek表示，其他客户也在为他们的Micro-LED方案寻找无镉量子点方案，顺着Nanosys的技术路线，他们将不会为Micro-LED颜色转换或电致发光量子点（EL-QD）显示技术开发任何含镉量子点方案。

“我们认为，发展要向前看，我们需要把镉抛在脑后，不要再和镉打游击战，”Yurek说：“我们之前有这么做过，不过未来这么我们不想再做了。”

2024年7月3日，我们将在2024 国际（上海）显示技术及应用创新展（DIC EXPO）同期以「跨越创新·技术融合」为主题，举办第四届「国际Mini/Micro LED供应链创新发展峰会（IMDS 2024）」。

本届峰会由中国光学光电子行业协会液晶分会、日经BP主办，中国知名电子信息产业咨询公司CINNO Research联合主办。峰会将聚焦MLED及Micro OLED的发展生态、市场风向和多元应用，邀请供应链的业内专家和企业代表就技术创新和难点突破进行深度分析和专业解读，以期带动供应链的完善与升级，促进行业间的合作与交流，推动Mini/Micro LED及微显示技术的持续发展。

大会时间：2024年7月3日 9:30-17:30

大会地点：上海浦东嘉里大酒店

大会规模：200人

主办方：CODA、日经BP、CINNO Research

大会议程

议题一：Micro LED芯片技术

议题二：Micro LED直显进展

议题三：玻璃基Micro LED发展趋势

议题四：Mini LED背光市场现状以及前景

议题五：Micro LED驱动IC

议题六：激光巨量转移修复技术进展

议题七：NPQD®（纳米孔量子点）技术赋能AR用全彩Micro-LED微显示屏

议题八：硅基微显相关的光学与整机设计

议题九：硅基Micro LED微显技术及市场

议题十：单片全彩硅基Micro LED进展

议题十一：硅基Micro LED与AR整机演化

议题十二：硅基Micro LED与车载市场

议题十三：硅基OLED技术趋势与创新应用

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