本文介紹量子點發光元件與其於顯示技術的應用。其內容涵蓋量子點材料的結構與特性，及量子點發光元件的結構、原理與技術的演進，並與現行有機發光元件於顯示技術進行比較，最後提出量子點發光元件在顯示應用的未來展望。
量子點材料
1. 發光原理
量子點是奈米尺度的半導體晶體，由於電子受限於量子尺度，造成量子點與傳統半導體材料的特性不同。當電子電洞對被侷限在量子點內，因量子點的大小接近量子點材料的物質波波長，電子在量子點內的能階被量化，並形成能隙（Band Gap），藉由改變量子點的大小，就可以改變材料的能隙，即可調整量子點所發出的光色，這種現象稱為量子侷限效應（Quantum Confinement Effect）。量子點越小，其能隙就越大，可以發出較短波長的光。除此之外，藉由改變量子點的組成材料，亦可得到不同的發光光色，如圖一所示。
圖一、利用合成出不同組成與大小的量子點，即可調配出各色全波段的量子點發光材料
3. 量子點的最大優點–色彩飽和度高
量子點最大的優勢便是其色彩飽和度高，結合紅綠藍三色量子點發光，則可以組合出極廣的色域，並應用在全彩的顯示上。在可見光區，量子點的發光頻譜極窄（例如，CdSe的PL發光頻譜半高寬（Fullwidth at Half Maximum； FWHM）約為 30~40 nm），相較於一般有機發光材料的發光頻譜（FWHM 約為 50~100nm）來得窄，如此的特性使量子點可以發出極為飽和的色彩，這樣的色彩在 CIE 色座標上對應的是貼近邊緣的顏色。
QLED元件技術
3. QLED元件技術之演進
在 QLED 近 20年的元件技術與效率提升中，除了量子點材料的品質提升外，也跟傳輸/注入層的選搭有很大的關係。最早的QLED 使用高分子有機材料做為載子傳輸層，當時元件使用，只有核心層 CdSe 的量子點與高分子有機材料作為雙層或混合層夾在電極之間，元件可發光但效率極低。
2002年美國 MIT Bulovic 教授與 Bawendi 教授研究團隊將單層量子點放在兩層小分子有機材料之間，並製作出外部量子效率為0.5% 的發光元件，此種結構中，載子傳輸層與量子點各司其職，載子傳輸層負責將載子導到量子點中，載子在量子點中復合放光。
然而，使用有機材料作為傳輸層的 QLED 效率仍偏低，因此後來亦有改用無機金屬氧化物作為電子電洞傳輸材料，一般可使用 ZnO 作為此種結構之 n型電子傳輸層，及 NiO 作為 p型的電洞傳輸層，使用這兩種材料製作出來的元件雖然可以達到較高的電流（可達到 4 A /cm2），但效率依然不彰（EQE < 0.1 %）。
圖七、佛羅里達大學/NanoPhotonica於2015年發表的紅綠藍三色單色QLED(a)結構與能階圖；(b)發光頻譜與點亮示意圖；(c)發光頻譜於CIE色座標上對應的顏色；(d)紅光QLED元件特性；(e)綠光QLED元件特性；(f)藍光QLED元件特性
QLED與 OLED於顯示應用上之比較
近年來，QLED的效率有著突破性的成長，讓人逐漸看到有實際應用於顯示技術上的潛力。由 QLED的元件結構、工作原理與元件特性來看，都與 OLED相近，因此……以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：吳懿麟 、李國昶、李裕正 / 工研院顯示中心
★本文節錄自「工業材料雜誌」354期，更多資料請見下方附檔。