高光色轉換材料於下世代顯示技術之應用：材料世界網

曹峯溢 / 工研院材化所

量子點因獨特的特性及具潛力的優點，使得在各方面應用都能看到量子點的蹤跡，像是光電及生醫等領域。近期，量子點色轉換層成為目前備受期待的前瞻顯示技術，可用於各種光源且製程彈性高。量子點色轉換材料墨水為數種材料混摻的溶液，各個重要的元素都深深影響著量子點色轉換材料的特性及效率，因此要開發出一個出色的量子點色轉換材料必須整合各個條件參數，來調製一個平衡且具高效率的配方。

【內文精選】

前言

在研究初期，量子點材料因含有鎘及長時間的穩定性問題，一直阻礙著QD的發展，直到近期無鎘QD材料的開發及生產，以及QD薄膜的研發且商品化，使得QD材料一躍成為當紅的熱門光電材料。目前已商品化的有量子點增強膜(Quantum Dot Enhancement Film; QDEF)以及LCD電視的背光及光感測器，藉由窄半高寬的特性，使得QD-LCD的色域範圍大大突破，成為LCD電視的一大賣點。2001年，MIT發表以QD作為自發光材料的QD-LED引起學者及業界廣泛注意但壽命依舊不如預期，在製程上也遭遇到分散的問題。考慮到其壽命、分散及環保議題，封裝以及分散技術與無鎘量子點材料的開發將會是未來研發的主要重點。

量子點及其應用

一般的量子點材料為膠體懸浮液(Colloidal Suspension)，可經由膠體溶液(Colloidal Synthesis)合成法合成，藉由精確地控制量子點的大小、形狀與純度，達到較高的光致發光量子效益(Photoluminescence Quantum Yield; PLQY)。除此之外，由於其膠體懸浮液的特性，製程較容易且成本較低，易於大面積量產製造的溶液製程進行元件製作。常見的量子點結構包含無機半導體核心層(Core，直徑約為1~10奈米)、寬能隙無機半導體殼層(Shell)，以及最外層的有機配體(Ligand)。一般核心層常用的材料為CdSe、CdS，無鎘材料的選項則有InP、ZnSe等。殼層則是包覆在核心層外，用來隔絕氧氣及水氣，並修補核心層的缺陷，以提升發光效率。

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(Full Width 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50~100 nm)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。因此，由量子點紅、綠、藍三色在CIE色座標上圍出來的色域，遠遠超過目前NTSC所定義的電視色域標準(NTSC 100%)，並且逐步逼近Rec. 2020的極廣色域(如圖三所示)。

圖三、不同發光波長的量子點在CIE色座標上對應的顏色與色域

量子點色轉換及其材料技術

1. 量子點色轉換(QDCC)

近期，Micro LED藉由其高亮度、高反應速率，以及畫素化的可控性等在顯示技術上的優勢，讓Micro LED一躍成為目前顯示發展的重要議題之一。然而在Micro LED的巨量轉移以及RGB三個放光層的磊晶製程困境，使得製作全彩化Micro LED甚是困難。

圖四(a)為傳統LCD的背光模組示意圖，黃色磷光粉經藍色背光源(~450 nm)激發且與未被吸收之藍色背光混合成白光放出，其再利用彩色濾光片達到全彩的效果。圖四(b)為將QDEF引入TV顯示器的示意圖，藉由藍光背光源激發已混合的紅光及綠光量子點材料，產生白光放出，且由於量子點具有較高的色轉換效率以及較窄的放光半高寬(FWHM)，因此相較於傳統單純使用彩色濾光片，具有較廣的色域與較純的色度，然而QDEF依舊浪費了三分之二的入射光源。如圖四(c)所示，將紅光及綠光量子點畫素化且藍光的畫素格為完全穿透，因此藍光可直接利用背光源之藍光。用於激發紅光及綠光量子點畫素之藍光背光源可為LED面板或是Micro LED。此外，如圖四(d)所示，也可利用紫外光作為激發光源，來達到較高之光學密度值(OD)，但相較於圖四(c)，此技術需要利用紫外光作為背光源且需要較多藍光的量子點材料，因此成本及技術要求較高。