電致發光量子點應用於顯示器之發展(上)

 

刊登日期:2019/6/24
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蔡東璋
 
量子點(Quantum Dot, QD)約莫在2013年起於顯示器相關學、業界的聲量攀升且居高不下,光電應用面涉及廣,諸如太陽電池(Solar Cell)、場效電晶體(Field-Effect Transistor, FET)和發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)…等。隨著QD核@殼 (Core@Shell)工程技術的突破,以及螢光量子產率(Photo-Luminescence Quantum Yield, PL QY)、穩定性(Stability)的提升,令人期待高性能螢光QD用在發光元件,甚至是次世代顯示器的可能性。尤其,以QD為基礎的電致發光量子點顯示器(Electro-Luminescent (EL) QD Display, QLED)被譽為繼有機發光二極體(OLED)之後的終極顯示器。假以時日,QLED陣營打通元件效率、材料壽命的根本問題和高解析度噴墨印刷(Ink-Jet Printing, IJP)的製程瓶頸,可預見商品化QLED將帶來下一波的顯示產業更迭風潮。在本文中,有關QD化合物半導體材料組成、光電機制和發光效率以及業界最新動態,都將一一呈現。
 
前言
1980年代,俄人A.I. Ekimov開啟了奈米級半導體材料的研究(圖一),隨後1984年貝爾實驗室(Bell Lab.)發現奈米半導體晶體的能隙(Band Gap)與其晶粒尺寸有相關性(圖二) ,這些奈米粒子在巨觀下被定義成零維(Zero-Dimension)物質且被稱作「量子點」(Quantum Dot, QD),屬量子物理的討論範疇。由於載子受三維侷限(Confined),QD已失去塊材(Bulk)的特性,原來能帶(Energy Band)的能量發生量子化,即電子結構由連續能帶變成分立能階,因而更接近原子的特徵。
 
QD材料「藉控制晶粒大小,可調整能隙」的獨特性質即衍生出多種光電領域的應用,其中QD被實作證明經外部能量激勵後可發出從紫光(Ultraviolet, UV)到近紅外光(Near-infrared, NIR)波段的電磁波,是個極具潛力的螢光材料(Fluorescent Material),經過數十年逐步改善量子產率(Quantum Yield, QY)後,漸漸看到QD在光致發光(Photo-Luminescence, PL)和電致發光(Electro-Luminescent, EL)上的實用契機。1994年,UC Berkeley學者首次發表EL-QD固態元件,外部量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)雖僅0.01%,已使得許多學者在此基礎上跟進開發,近期20%的外部量子效率及電流效率(Current Efficiency, CE)超過100cd/A的元件技術也陸續被開發者揭露(圖三)。
 
圖一、最小激發能量與晶體尺寸關係
圖一、最小激發能量與晶體尺寸關係
 
圖三、過去十年,EL QD電流效率的演進
圖三、過去十年,EL QD電流效率的演進
 
相較於高資本投資蒸鍍發光層(Emitting Layer, EML)的作法,強調濕式噴墨印刷(Ink-Jet Printing, IJP)製程的電致發光量子點顯示器(QLED)挾色域(Color Gamut)優勢衝著有機發光二極體(OLED)而來,也吸引韓國三星(Samsung)和中國TCL等電子巨擘注資投入前期研發。QLED發光元件的層別架構與OLED雷同,最大的不同點在於將EML抽換成奈米尺寸II-VI族的硒化鎘(CdSe)…等無機化合物半導體,QLED除承襲OLED的優點,更勝處在其較窄的發光半高寬(Full-Width-at-Half Maximum, FWHM)和對水、氧的抵抗能力,在100% BT2020色域覆蓋率的高規顯示應用上被寄予厚望,再者同屬自發光(Self-emissive)顯示所以擁有OLED相同的設計彈性、產品特徵。
 
現行市場上,2015年起量產販售的QD顯示器全是採光轉換的特性(PL),液晶顯示器(LCD)背光的藍色LED光源激發QD轉成色純度更高的紅光和綠光以達成廣色域(Wide Color Gamut, WCG)規格;然而,此類QD display仍屬非自發光LCD架構,其在反應時間(Response Time, RT)、對比(Contrast Ratio, CR)、可撓(Flexibility)等特性上不若OLED來得高。QLED的產品化想法一旦實現,則屆時上述LCD和OLED的顯示器優點預期都一舉兼容。
 
有鑑於EL-QD元件及其應用於顯示器的潛在發展性,筆者於本文將說明QLED的發展歷程和方向,並且淺述QD架構與原理、材料組成,也會帶到影響QD發光表現(Luminance Performance)的重要因子,最後並勾勒顯示器業界在QLED的最新動態。
 
QD材料介紹
如圖四,零維QD材料內部電子在各方向上的運動都受到限制,會產生量子侷限效應(Quantum Confinement Effect),其電子能量態(Electronic State Structure)在導電帶(Conduction Band Minimum, CBM)和價電帶(Valence Band Maximum, VBM)皆呈現量子化的連續分佈,其特性介於塊材(Bulk Material)與原子之間;同時,QD能隙隨其尺寸而變,使得其---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖四、塊材、QD和原子之電子能量態
圖四、塊材、QD和原子之電子能量態
 

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