廣色域顯示技術應用發展概況

 

刊登日期:2022/4/5
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葉翰政 / 工研院材化所
 
廣色域(WCG)顯示技術是未來評斷顯示器色彩技術的重要指標。因量子點材料擁有良好的光致發光量子效率(PLQY)與高飽和的色彩純度等特性,被認為是理想的廣色域顯示器技術。量子點光色轉換膜(QDCC)應用於LCD、OLED、Mini LED以及Micro LED顯示技術上,可以提升顯示器的色域範圍,達到廣色域色彩顯示標準。
 
【內文精選】
前言
色域(Color Gamut)表示人眼在顯示螢幕上所看到的顏色範圍,當色域範圍較大就能看到更多的顏色。國際照明委員會(CIE)訂定的CIE 1931 xy色度圖,是將可見光的物理量XYZ轉換到二維平面,而透過這個座標系統,任何顏色都能對應在CIE色度圖上。顯示器螢幕畫面訊號的RGB三原色,其中R、G、B這三個座標圍成的區域即是該顯示器的色域範圍點。
 
使R、G、B三色的光譜頻譜能量更為集中(光譜的半波寬FWHM更窄),提高R、G、B三色的顏色純度讓色域範圍向外延伸擴張,這樣的技術稱為廣色域(Wide Color Gamut; WCG)。在顯示面板行業當中,國際標準是以92% NTSC色域範圍作為專業級的廣色域標準。而透過量子點發光的技術發明,色域範圍已經可以達到超過NTSC 110%。
 
量子點材料與技術簡介
量子點(Quantum Dot; QD)是半導體奈米顆粒,又稱為奈米晶體(Nanocrystals),因其擁有較窄的放光光譜半波寬(Full Width at Half Maximum; FWHM),應用在平面顯示器面板上可以得到色純度較飽和的顏色,可以有效地提升顯示器的演色性(Color Rendering Index; CRI)(圖三)。
 
量子點的能隙(Energy Gap)與量子點的粒徑大小有關,量子點粒徑越小、侷限效應越強,而量子點的能隙則會越大。因此,相同材料但不同粒徑尺寸的量子點,可以發出不同顏色的光。量子點經由合成反應時間來調整顆粒尺寸大小,藉此改變光色。粒徑較大的量子點會發出紅光而粒徑較小的量子點則是發出藍光。
 
在量子點材料選擇方面,鎘(Cd)系列的量子點應用最多,鎘量子點的量子效率(Photoluminescence Quantum Yield; PLQY)非常好,而且可以調整之放光光譜的波段範圍也很大,但是因為鎘是有毒的金屬離子所以並不環保。目前在歐盟的規範當中,含有鎘這種有毒金屬離子的產品很多都會被禁止。因此,無鎘(Cd-free)的量子點(如InP系列)也陸續被研究與開發。目前量子點結構本身都會搭配能階較大的殼層(Shell)來保護無機半導體的核(Core),以維持量子點本身的穩定,而通常在殼層的外圍會有配位基(Ligand)包覆,用來提升QD之間的分散性與穩定性,使QD在膠體溶液中不會沉澱析出。
 
量子點材料應用於顯示技術
1. 量子點光色轉換QDCC應用於液晶LCD顯示技術
量子點彩色濾光片QDCF目前以QDLCD的應用為主。IHS預估QLED TV 2021年全球可達2,600萬片,QDCF市場規模可達2.2億美元。量子點技術為LCD製造商提供了獨特的技術差異化,在保持LCD成本優勢的同時,提升其顯示寬廣色域的色彩飽和度性能。QD搭配LCD顯示器也是目前在市面上可見到與買到的顯示技術,QLED TV是Samsung Display目前主打的TV技術,QLED TV強調比其他顯示螢幕擁有更好的色彩飽和度及更廣的色域表現。
 
圖四、三星QLED TV結構示意圖
圖四、三星QLED TV結構示意圖
 
2. 量子點光色轉換QDCC應用於有機發光二極體OLED顯示技術
QD-OLED基本上可以視為將量子點技術結合OLED面板技術,將呈現比現有的OLED面板更高的亮度,同時也能藉由每組畫素Pixel採取獨立的背光設計,因此也能像OLED面板實現真實黑色顯示效果(對比效果好),但能夠避免像OLED面板長時間使用時會出現的顯示烙印問題。此外,藉由量子點光色轉換層的R、G兩個畫素,加上來自OLED的藍色畫素,將使整體顏色表現可達90%的Rec. 2020色域範圍。
 
3. 量子點光色轉換QDCC應用於Mini LED/Micro LED顯示技術
全彩Mini LED與Micro LED平面顯示器面板如果使用紅、綠、藍三色LED晶粒,會遇到晶粒均一性、巨量轉移等問題,增加製程困難性與成本,因此,使用單色Mini LED與Micro LED搭配QDCC製作全彩平面顯示器面板,成為一個有效的解決方法。針對廣色域顯示技術的應用發展,看好量子點光色轉換層在廣色域顯示器的應用,工研院材料與化工研究所也有相關研究。材化所利用IJP噴墨印刷技術製作QDCC量子點光色轉換層(圖九),搭配藍光Mini LED,整合完成QDCC自發光元件---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖九、工研院材化所利用IJP機台噴印QDCC光色轉換層
圖九、工研院材化所利用IJP機台噴印QDCC光色轉換層
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》424期,更多資料請見下方附檔。

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