論自發光量子點顯示器的役與疫(上)：材料世界網

蔡東璋

顯示器技術的更迭約10~15年一個世代，新興顯示往自發光(Self Emission)邁進的趨勢已然，有機發光二極體(OLED)、自發光量子點顯示器(Quantum-dot Light Emitting Diode; QLED)、微發光二極體顯示器(Micro-LED)等技術語彙於市場上漫天飛舞，好不精彩。其中，QLED一脈，因供應鏈和生產性沿襲液晶顯示器(LCD)和OLED，也憑藉其天生高色域(High Color Gamut; HCG)的特性和像素化(Pixelization)之綠色製程，自2015年以來悉獲眾家面板廠吹捧，競相投入資金和人力進行技術開發，數項突破歷歷在目，隧道前的光明讓人引領盼盼。本文介紹QLED入門技術、產品設計概要，並琳琅羅列最新開發結果，當中有商業機會也存在障礙挑戰，以下娓娓道來。

前言

如圖一，第三波顯示革新浪潮翩翩來到，顯示技術的推進除來自市場面的驅動，根究回到消費者視覺體驗的提升，使得用戶在觀賞影片、玩遊戲等應用場域中能夠獲得更加真實、生動的畫面效果。在眾多顯示技術中，QLED的技術性表現引起了廣泛關注，依據最新業界的開發取向(圖二)，QLED的應用從小到1.0”以下AR/VR超高解析度的QD Micro-display (微型顯示)、10~30”上下的平板/筆電/桌顯，到50”以上的電視，其產品線涵蓋極廣，因此吸引各方注資開發。QLED與傳統液晶顯示技術的差異在於通過自發光(Self Emission)的方式實現了更高的靜態對比(Static Contrast Ratio)和黑畫面表現，高動態範圍(High Dynamic Range; HDR)進一步提升了畫面的質感。同時，依據微腔效果(Optical Microcavity)設計過的元件內各層膜厚來增強光輸出效率，QLED克服了顯示色偏(Color Shift)問題，使畫面更加準確地呈現出來。見表一，通過對QLED技術性深度分析，我們能夠更好地理解這一引領視覺科技潮流的先進技術，以及其在未來的技術發展中的潛力與可能性。高色域LCD一般需外加量子點光學膜片(QD Film)於背光模組(BLU)，礙於暗態漏光而對比不足，整體模組複雜而使得厚度的設計彈性不佳。另一方面，OLED亦需透過量子點彩色濾光(QD CF)拉高CG，當然此舉勢必付出亮度和成本的代價。

圖二、QLED產品佈局

至於QLED，擁有以下特點：

(1). 顯示明亮和高對比：

QLED架構簡單，因量子點出光光型可調，且無需額外的QD Film或QD CF部件，所以整體出射的光損極小化，提供數萬尼特(nit)高亮度和百萬級的靜態對比度。

(2). 廣色域和準確的顏色表現：

透過量子點合成技術，精準調控光波長，小於30nm半高寬(Full Width at Half Maximum; FWHM)可輕易達成，有助於實現110%以上NTSC廣色域，更真實、豐富的顏色表現。

(3). 長壽命和穩定性：

QD是無機顯示介質，減少環境水氣干擾，QLED顯示屏相對耐用，10萬小時長時間使用後能夠保持穩定的顯示效果，減少像素老化和畫面燒屏(Burn-in)的風險。

(4). 較薄的顯示模組：

QLED技術的精簡架構使然，允許製造出mm以下相對較薄的顯示屏，這尤其使得QLED在可攜式及大尺寸的商品設計上更具吸引力。

(5). 視角廣：

透過光型設計，QLED具有較寬的視角，觀眾可以在屏幕前的不同位置獲得相對一致的畫面表現，減少傳統顯示器大視角下對比不足或者色偏問題。

此處，QLED泛指以量子點材料作為發光層的電致發光固態元件，因其自發光、色純度高、無機材料系等特性，自2015年獲得各路有志之士的戮力發展，其常溫效率接近市售OLED的水準。長遠來看，QD量子產率(Quantum Yield; QY)的提高和穩定性與核-殼(Core-Shell)工程關係的研究，又或者是場致(Field-induced)和歐傑復合(Auger Recombination)……等亮度淬滅(Quenching)的抑制方法，這些課題都是亟待探索的領域，也可謂是QLED挑戰面板王座的重要命題。本文將陸續說明量子點元件發展、元件低效和不穩問題的克服，以及元件最佳化的重要因子和機制等。

QLED技術原理

量子點的結構概由核、殼和配位體(Ligand)三者組成(圖三) ，奈米材料的表面積與其體積相比不容小覷，故其物、化性質與其表面狀況好壞強相關，表面的斷鍵、缺陷形成復合粒子捕捉中心，影響QD的發光波長、量子產率和可靠度，所以材料本體為核心(Core)會再加上一層或數層殼層(Shell)材料進行修補或鈍化(Passivation)，減少無謂的非輻射復合(Non-radiative Recombination)並起保護核層的作用。另外，在殼層外還有有機配體作進一步的材料保護，同時使得核-殼系均勻分散在極性或非極性的溶劑(Solvent)中。當半導體材料的尺寸小於激子波耳半徑(Bohr Radius)時會出現量子侷限(Quantum Confinement)，也就是材料的光電特性將隨尺寸而變。依Brus的有效質量近似，電子-電洞對(e-h Pair)被侷限在晶格內的球形場勢中，此時半導體能隙(Energy Gap)以式(1)表示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。