顯示器用量子點技術現況與未來挑戰：材料世界網

翁錦成／工研院材化所

BT.2020規範指出，顯示面板的規格由HDTV轉成UHDTV的4K、8K高解析度要求，其中廣色域(Wide Color Gamut)顯示技術將成為顯示器成長的主力。而量子點具有相對較高的發光效率、色域表現，因此是OLED以外的最佳選項，不僅可應用在光致發光上，亦可用在電致發光元件。然而量子點故有的可靠度問題，需藉由材料及產品製程協同合作開發，方能有所突破。

【內文精選】

前　言

目前廣色域面板的主要應用市場是以TV、NB、智慧型手機為主，其中三星電子搭配量子點膜的QLED於2015年發表後，奠定了量子點(QD)材料於顯示器應用市場的關鍵定位；另外，有機電激發光顯示器(Organic Electroluminescence Display; OELD)在三星於手機螢幕超過10年的耕耘以及LG在OLED TV的努力下，都在近年取得廣色域顯示器的主要領導地位。

在諸多的新興顯示器競爭技術中，包括Mini LED、Micro LED、QDLED等，皆可與量子點產生連結，如目前較為成熟的QD-LCD產品，或三星於2020年主推的QDOLED，以及新興技術Mini/Micro LED + QD CCM (Color Conversion Material)，可知量子點材料於未來顯示器發展中占有相當關鍵的重要地位。

國際市場趨勢與競爭分析

根據2019 IHS資料報導（如圖一），廣色域顯示器將持續擴大市占率，並且是驅動顯示器市場的成長主力，預估2023年將達到整體顯示器份額的1/5占比。OLED方案主打高階TV及手機應用市場，量子點方案將占有中階TV市場，另外新興的Micro LED技術將占有小尺寸及超大面積顯示器市場。此外因為歐盟RoHS管制，目前量子點分為無鎘（以InP為主）以及低鎘量子點兩大陣營，在光學特性上有鎘的量子點在半高寬、效率、壽命上皆優於無鎘（如InP、ZnSe、鈣鈦礦等）量子點。據IHS計算，量子點材料也將在2018~2023年內成長至少3.8倍，主要集中在43~98吋高階TV產品中。

報告中也指出，無鎘材料是目前成長的主流，主因是三星掌控了高階QLED電視市場，而三星選用InP為量子點膜之主要元件，因此在量子點材料數量的估計上主要成長會是以無鎘InP為主。然而2019年11月小米也展示新產品，此產品規格不弱於三星電視且價格更為便宜，小米電視是採用中國納晶等5家供應商所生產的量子點膜，其中包含CdSe量子點，其成分符合歐盟規範的單一元件<100 ppm，此案例將為先驅同時打開量子點膜需求，中國市場未來成長不可小覷，在其選用低鎘策略之後相信會有更多的廠商加入。而無鎘量子點雖有環保議題上的優勢，但在規格上則須加速突破，未來2年可以觀察消費者在兩種技術上的選擇孰重孰輕，規格/價格或是環保。

量子點材料技術障礙

量子點中最主要的衰減可以分為兩大類：一可稱為缺陷非氧化性光衰，第二類主要是水、氧、熱、光等組合造成的材料氧化性光衰。以下將分兩種分類簡單論述。

第一類光衰主要來自Auger-assisted Trap by Surface State。當膠體粒子奈米化後，其顆粒表面缺陷比例相對高，當有一外層界面具有缺陷的半導體結構，則其缺陷因傳導帶較低，因此假設同時有兩個激子被激發上傳導帶，此時Auger效應產生，一個激子再結合發放出的能量讓另一傳導帶電子激發到更高能階，此為Auger電子，此較高能量的Auger電子跨越能障被侷限在表面缺陷的能障中，導致量子點表面帶有離子化特性，如此重複發生使得激子數目減少，進而使得發光效率降低，且所放射的光較原先能階低而產生紅位移。其機制如圖四所示。

圖五、量子點表層TOPO/TOP對氧化的作用示意圖

量子點未來發展趨勢

量子點主流廠商Nanosys的QDEF是最成功搭配在LCD顯示器的技術，也是目前全球最大的出貨及技術領先者。於Nanosys Roadmap中（圖六），Nanosys原規劃將這種量子點推展到QDOG (QD on Glass)，可製成薄型輕量化產品，然而在量產部分遇到良率問題，已於2019年中停止該案。三星也因此轉移重心至QD OLED技術，因此加速QDCC (QD Color Conversion)的推廣，後續也將可擴展到Mini/Micro LED顯示器中使用，從而實現具有更好色彩性能、可負擔的製造方案。在其Roadmap最終技術定義在QDEL，是基於量子點發射器平台的可印刷電致發光顯示器，將已成熟的TFT直接搭配量子點，以達到發光效率及色彩最佳化的組合。

概括而言，如圖七所示，量子點第一個技術世代是以綠色、紅色QD製作成薄膜，放置於導光板LGP之上，整合成背光模組，藉由藍光轉化成綠光、紅光，混成白光來當作LCD的光源，因量子點有較好的半高寬(<40 nm)，因此可以提高色域表現。QDOG則是將QD塗佈在導光玻璃上，優點是可以減低厚度同時提高機械強度，缺點則是玻璃容易破裂。此外，QD亦可替代現有顏料系統製作成彩色光阻或噴印墨水技術…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。