潘苡秀 / 工研院材化所
量子點(QDs)因其優異的光學與電子特性，成為顯示技術中的重要研究領域，特別是在新世代廣色域顯示器應用中。量子點墨水主要分為有溶劑型與無溶劑型，並應用於噴墨印刷(IJP)和光阻(PR)製程。噴墨印刷墨水需具備適當的黏度與流動性，以實現高精度圖案。有溶劑型墨水雖具良好的流動性，但溶劑揮發可能導致不易控制成膜品質；無溶劑型墨水具備更好的環保性與穩定性，適合長期應用。本文深入探討量子點墨水的類型及其應用，並強調其光學性能、製程挑戰及未來應用前景。
【內文精選】
量子點及其應用
量子點(QDs)是一類奈米尺度的晶體，具有獨特的光學和電子特性，這些特性源於量子尺度效應。量子點的尺寸非常小，通常在1~10 nm之間，使得電子和電洞對在量子點內被限制，形成量子化的能階結構。這種結構的調控使得量子點材料能夠發出不同顏色的光，這一現象稱為量子侷限效應(Quantum Confinement Effect)。當量子點的尺寸減小時，其能隙會增加，從而發出較短波長的光。
量子點的主要優勢在於其高色彩飽和度。紅、綠、藍三種顏色的量子點可以組合實現全彩顯示。在可見光區，量子點的發光頻譜非常狹窄，例如，CdSe量子點的光致發光頻譜半高寬(Fullwidth at Half Maximum; FWHM)約為20~30 nm，相比於一般有機發光材料(FWHM約為50~100 nm)，量子點的發光頻譜更窄。這種特性使得量子點能夠提供極為飽和的色彩，這些色彩在CIE色座標上接近邊緣。因此，紅、綠、藍三色量子點所圍出的色域遠超過NTSC100%色域標準，並逐步接近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
核心層是量子點的發光層，可通過調控合成成分和尺寸來調整其發光顏色。合成過程中，通過調整反應時間、溫度和反應物濃度，可以精確控制量子點核心層的大小和分布，獲得均勻和純淨的發光顏色。核心層常用材料包括CdSe、CdS，另外無鎘材料如InP、ZnSe。殼層包覆在核心層外，用於隔絕氧氣和水氣，並修補核心層的缺陷以提升發光效率。近期，核心/殼合金結構，即核心層與殼層的濃度梯度設計，也被用來進一步提升量子點的效率和穩定性。
最外層的有機配體(Ligand)使量子點能夠在各種非極性有機溶劑中良好分散，這對於製作量子點發光元件至關重要。這些配體不僅促進了量子點的穩定分散，還有助於改善其表面特性，例如耐溫性和量子點與其他材料的相容性。此外，配體的表面修飾功能可有效修補量子點的缺陷，進一步提升其光學性能和整體表現。常見的分子設計配體包括磷酸酯(Phosphonate)、硫醇(Thiol)和氨基(Amine)、矽氧烷(Silanes)以及多面體寡聚矽氧烷(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane; POSS)。POSS，作為一種矽基有機化合物，能夠提供優異的化學穩定性和結構完整性，進一步增強量子點的穩定性和提升其耐溫性(圖五)。
圖五、POSS作為量子點外層包覆有機配體(Ligand)，能夠增強量子點的穩定性和提升其耐溫性
量子點墨水的類型及其在Micro LED顯示器中的應用
量子點墨水主要成分包括量子點、奈米散射粒子、樹脂、固化劑、添加劑和光起始劑；其次分為有溶劑量子點墨水和無溶劑量子點墨水兩大類。在Micro LED顯示器的製程中，這些墨水可以分別應用於噴墨印刷(Inkjet Printing; IJP)和光阻(Photoresist; PR)。
1. 有溶劑型量子點色轉換墨水
在噴墨印刷(IJP)製程中，有溶劑型量子點墨水通常使用低蒸發率的高沸點溶劑來分散量子點。使用的有機溶劑，如：丙二醇單甲醚醋酸酯(PGMEA)、氯仿(Chloroform)、甲苯(Toluene)和正辛烷(Octane)，這些溶劑具備良好的流動性和均勻性，適合於高精度圖案化製程。有溶劑型墨水在噴印和成膜過程中能保持穩定性，其低黏度和揮發特性也使其適應多樣的製程需求。此外，有溶劑型墨水中添加溶劑的主要原因之一，是為了避免奈米粒子在分散過程中聚集，這樣可以有效防止發光效率的下降。通過穩定的溶劑系統，量子點能夠在基質中均勻分布，從而保持其光學性能，達到良好的顯示效果。
2. 無溶劑型量子點色轉換墨水
無溶劑型墨水製程方式一般是將量子點直接添加到壓克力單體中形成墨水。無溶劑系統墨水與有溶劑系統面臨不同的挑戰，其中一個主要問題是墨水的沉降現象。量子點墨水的主要成分包括量子點、奈米散射粒子、樹脂、固化劑、添加劑和光起始劑 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》455期，更多資料請見下方附檔。