論自發光量子點顯示器的役與疫(下)：材料世界網

蔡東璋

大哉問，QLED效率!

如圖七，QLED效率、可靠度的提升從來都是邁向商用化的最後一道牆，可謂既是戰役也是礙疫，畢竟QLED最終以光的能量呈現，是以技術開發乃至於產品設計上需透徹了解其光學模型。

圖七、QLED光學行為

近年來，關於QLED的光學物理，大抵可從兩種方法論來解讀(見圖八)：一是傳統的幾何光學的偶極子(Dipole)模型，古典電磁理論將正-負載子結合後的激子(Decaying Exciton)描述其振盪電偶極(Oscillating Electrical Dipole)的解析式，由偶極矩動量(Dipole Moment)出發依序得到電流密度、電場場強和坡印廷向量(Poynting Vector)功率表示式(即式(11)~(14))，最終由式(15)計算出QLED發光特性；再者，另一種更直觀和簡易的數學推導為微腔理論(μ-cavity Principle)，點光源在QLED陰、陽金屬電極之間多次來回反射和出射，在特定電極反射率和薄膜厚度下，一旦滿足建設性干涉的位相或光程差條件(式(16)和(17))時，就會因微腔共振而放大整體光輸出，如同式(18)的預測可用以進行初階的QLED光學計算。總體來說，圖九彙總了QLED光學設計的流程，事先需備齊折射率(n)、消光係數(k)和各層厚度(d)等被動光學參數，以及發光頻譜(S(λ))、出光區座標(N(z))、光型(g(φ))和復合率(q)，再交給數值模型演算得到效率(Efficiency)、亮度(Brightness)、出光角分布(Angular Uniformity)、色座標(Spectral Color)和出光模態(Emission Mode)等指標執行進一步的光電分析。

關於效率量化，QLED的外部量子效率(EQE)定義為自元件出射的光子數(輻射功率)除上輸入的載子數(電功率)，可以式(19)表示。載子傳輸層(CTL)選材是提高載子平衡(γ)的一大關鍵，CTL能階需能降低陽極與QD層VBM的能障，也要關注其材料穩定性，又或者短鏈的Ligand與些微導電性等方法都能幫助載子平衡。輻射復合率(η_PL)標幟輻射和非輻射復合的比例(式(20))，非輻射復合成因主要來自缺陷輔助復合(Trap-assisted Recombination)和Auger復合，Auger復合與場強無關卻和載子平衡反相關。而高電場加注下，輻射復合率則會有所減損；另一方面，妥當安排的核-殼配置得到匹配的載子能階以增強量子侷限性，及經過QD表面修補的結構等都有助於提高η_PL。內部量子效率(IQE)是由載子注入效率與輻射復合率所決定，式(3)係數A、B、C的物理意義分別代表缺陷輔助復合(κ_t)、輻射複合(κ_r)與Auger復合(κ_a)，而n代表載子密度。κ_t主導了小電流(低注入)操作時效率的衰減，肇因QD表面的缺陷易捕獲載子，使得能量以 ---此為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。

技術發展趨勢

在2023光電顯示業界最大的研討會美國SID中，學界和法人的文章逐漸退場，產業界的篇幅比重增加，代表技術已走出實驗室進入生產線體的驗證階段。有關材料、製程、元件和面板的情資重點，摘錄於下：

① 就電致光量子點(EL-QD)材料而言，無鎘化(Cd-free)是不可逆的共識，紅和綠光材料幾乎定調為磷化銦(InP)，藍光則是硒碲化鋅(ZnTeSe)對決硒化鋅(ZnSe)，原材之光激量子產率(Photoluminescence Quantum Yield; PLQY)都已達85%並上看90%，惟未來需有更多的溫度、濕氣應力後的物/化性測值來佐證材料端商用進程的成熟度。

② 製程端技術，著重在EL-QD像素化(Pixelization)討論，噴印(Ink-jet Print; IJP)和黃光微影(Photolithography)兩種方式彼此競合，預期未來將以250PPI為分界，用於不同產品應用。目前IJP已可對應200PPI以下的生產，200~250 PPI的解析度非常仰賴材料和設備的搭配性，少數面板廠才握有量產實力，大於250PPI時就需切換為成本較高的黃光製程 ---此為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。

綜觀2023全年各方文獻和研討會議情資結果，針對World-wide各家面板廠對於QLED的開發進度，彙總於表二。三星顯示公司(SDC)、夏普(Sharp)和京東方(BOE)在QLED技術領域是前三大領頭羊，基本上各家都完成了高解析和全彩的QLED面板概念性驗證(POC)之展示，明顯地效率不足以致於正常5~10V條件驅動下的亮度稍嫌不足，濕式成膜的膜質、均勻性不佳造成壞點(Bad Dot)和線缺(Line Defect)的問題也仍待改善。此外，元件技術是面板的基礎(見表三)，效率和壽命議題一直是各方檢視的關鍵指標，10~20% EQE是基本門檻，對於50 μm²且有PDL (像素區隔層)結構的大面積元件會是個挑戰，而初始1,000 nit必達10,000小時壽命(T50)的目標現階段而言也未真正實現。以上種種橫在眼前的問題，需要產學界合力參透量子點物理在發光過程的原理和機制(圖十)，才能設計出體質更佳的QD材料。