量子點膜技術

Quantum dot film (QD film)

技術簡介

量子點材料是尺寸為奈米級的微小半導體顆粒 (圖一),由於尺寸極小,所以物理特性與其為大尺寸塊材狀態時的性質不同。當顆粒的粒徑小於電子在此材料中的波爾波長 (Bohr wavelength) 時,則出現量子局限效應 (quantum confinement),致產生分離的不連續電子能隙 (energy gap),粒徑愈小則電子能隙愈大。當電子在此能隙間受激躍遷,可產生固定波長的光波。

圖 一( 圖片來源: NSM)

一般用於照明的量子點材料以三五族或二六族為主,主要是這類材料為”直接能隙”(Direct band gap),電子可由導電帶(conduction band) 直接落回價電帶(valence band),並全部轉換為光能,所以量子效率較高。 目前量子點材料以硒化鎘(CdSe)的研究最為熱門,因其為具直接能隙 (direct band gap)的材料,且在適當的粒徑範圍下,其躍遷能隙剛好落於可見光的波長範圍。硒化鎘量子點材料的製備乃使用氧化鎘(CdO)及二氧化硒(SeO2)為原料,在有機溶劑內以熱裂解法合成硒化鎘量子點。由於單一材質硒化鎘易受氧氣及水氣破壞,因此通常在其外圍包覆一層殼以保護量子點,通常用硫化鋅( ZnS)作為殼層材料。以硫化鋅作殼層的硒化鎘量子點也是目前最成功商品化的量子點材料。

由於能隙的寬度與粒徑相關,所以調整粒徑的大小即可調整輸出光波的波長(圖二)。當量子點材料的尺寸一致時,則受激發光時輸出的波長譜線一致,所以光輸出的頻寬非常窄而集中。所以量子點材料可以用於取代現有各式LED照明的螢光粉,其光譜品質優於一般非由固定能階躍遷機制輸出波的螢光材料。 由於量子點材料可廣泛的應用於生醫、化工、照明及顯示技術等各個領域,近年來相關的研究非常蓬勃,全球各研究機關、學校及公司均投入相當多資源研發。目前最熱切且預估最龐大的市場應用在於液晶顯示器產業。

圖 二 (圖片來源: NSM)

任何高畫質影像的呈現,影像與硬體平台的規格必須一起提昇,才能展現最佳影像品質。液晶顯示器最大的技術瓶頸,在於色彩不夠飽和。目前高畫質影像規格以BT.709 (Rec.709)規範為準,其制定HD影像的解析度(1920x1080; 2K)、更新率(60Hz)、色階(10bits)及色域範圍(color gamut; 87% NTSC)。以最新的液晶面板技術來說,前三個規格都可滿足,但在使用白光LED作背光源的現狀下,NTSC 87%的色域指標很難達成。也就是說,目前大部份液晶顯示器的色彩規格是未達規範的。當下,下世代高階的影像品質規範Rec.2020已訂出超高畫質(UHDTV)電視的解析度為4K及8K,色灰階必須為12bits,色域範圍更需高達NTSC色域標準的150%。由此規格可以看出下世代液晶顯示器的瓶頸與挑戰在於影像色彩。這也是當前液晶顯示器最急需突破的瓶頸,是比3D、曲面等新型的液晶顯示技術更具革命性的創新。

圖 三, 白光LED背光源光譜

我們可以用更窄頻的濾光片來篩出更窄頻色光,以強化色域範圍。然而,在背光源的利用效率已不高的情況下,以此方案強化影像色彩,則光的利用率又會再降低。取捨之下,導致現行的液晶顯示器的色彩品質受限。簡單的說,背照光的光譜不佳就如同顏料的色彩不夠豐富無法表現高彩度的畫作一樣,再高階的液晶面板也呈現不了具飽和色彩影像。尤其面板技術即將進入4K、8K的解析度,背照光的利用率會更低,更不適合用耗損光通量的方式來優化影像色彩。

強化液晶顯示器影像色彩的各種方向十幾年來一直在努力,使用三原色LED背照光的液晶電視曾掀起風潮,由於擁有窄線寬的獨立三原色光譜,所以可提供色域極寬廣的優質照明。然因成本及光源穩定性問題並沒有成為主流。近來日本夏普則在面板上作更高解析度的畫素切分,以四原色技術來擴充影像的色域。三星甚至跳脫液晶技術,擬以OLED面板來增強影像色彩。然而,在成本的市場考量下,這些都不是可行的有效方案。

提昇背照光源的光譜品質,才是強化液晶顯示器色彩規格的終極方案。量子點膜技術剛好可以符合此需求。把可釋出紅與綠色頻譜的量子點材料做成膜片置入現有背光模組,當用藍光照射,加上原照射的藍光就可組成頻譜獨立,頻寬極窄的紅綠藍三種色光。圖四為量子點膜的剖面構造以及光的轉換示意圖。使用量子點膜以後,實際量測的輸出光譜如圖五所示,相較於圖三所顯示的目前以白光LED背光頻譜,用藍光LED搭配量子點膜的背光有絕對優異的RGB獨立頻譜。在標準色域圖上可涵蓋的色域如黃色三角形區域(圖六),可顯示色彩範圍非常豐富的影像。目前使用迎輝製造的量子點膜的液晶電視實際測量的色域值已達到NTSC 118%,濾光片稍作優化後可達135%以上(圖七)。量子點膜另一個優勢是,在使用上無需改變液晶顯示器架構,完全適用於現有的各種型態的液晶顯示器

圖 四

圖 五

除了塗布成膜外,也有將量子點材料封在玻璃管中,應用於側入光式的背光模組。好處是密封在玻璃管中可充分阻絕水分的侵襲,缺點是光的轉換效率不佳,且無法應用於主流的直下式背光系統。作成膜材則可使用於各種背光模組,技術挑戰則在於如何封裝阻隔水氣以維持發光品質。量子點之使用架構如圖八、圖九所示,基本上適用於當前所有的液晶顯視器而無須改任何架構,也不需要改變生產線的製造程序。

圖 七

圖 六

圖 九

圖 八

目前市面上幾種常見的量子點材料配方如表一所示,其中廣為商品化的材料為硒化鎘(CdSe),其性能穩定,可以通過各式液晶顯示器的嚴格規範,其演色性佳,色域範圍寬廣。由於含重金屬鎘,所以常被拿來檢視汙染議題。然其鎘含量極低,以一張75吋電視用的量子點膜來說,其鎘的含量大約只等同於一碗白米飯。所以雖然各大廠均質疑重金屬含量問題,卻又廣泛且增加使用量。目前,幾乎占全部市場均使用此配方,相關廠商也均開發低鎘產品以降低疑慮。早期另有不含重金屬鎘的磷化銦(InP)材料作成的量子點膜切入市場,雖然不含重金屬,卻是致癌物 。且演色性不好,色域範圍小,量子效率低,只短暫出現在市場上。另一流派為具鈣鈦礦(Perovskite) 晶格結構的CsPbX3; X可為氯、溴或碘(Cl, Br,or I),其也標榜不含重金屬,但卻又含鉛。此材料本公司也具開發經驗。雖然其頻譜之半高寬極窄,色純度極高,色域寬廣。然而,其綠光的部分極難往長波長延伸,致使其對現有顯示器色域標準的覆蓋率(coverage)不高。且其耐候性不佳,通常無法通過嚴格的液晶顯示器環測標準。

表 一

產品規格

本公司投入量子點膜的研發製造將近十年,目前採用日本Nano system materials 的硒化鎘量子點材料。Nano system materials 公司開發量子點材料已有十數年經驗,目前擁有多種量子點材料的關鍵專利,與本公司也分工合作多年。目前已可量產量子點膜產品,也有實際的量產及出貨實績。NSM開發的一系列量子點材料中,有部分不需使用阻水膜,可以大幅降低成本。

本公司製作之無阻水膜 (Barrier free) 量子點膜之規格如表二所示,中心波長可應客戶需求調整,最大尺寸可作到85吋(16:9),厚度有220 與360 微米兩種規格。由於所用的量子點材料可抗水氧,無需阻水膜,所以邊緣失效區深度小於300微米,特別適用於窄邊框液晶顯示器產品。

圖十為經環測1,000小時後的邊緣失效區照片,膜片失效的深度僅為150微米,優於其他競爭者的產品規格。

表 二

圖十 ( 圖片來源: NSM)

研發與生產

本公司深具量子點相關產品的開發與量產經驗,幾年來對各種量子點材料的配製、混合、分散,自動化生產技術,生產設備的研發建置,乃至於小量或批量生產均累積多年經驗。製造量子點膜的關鍵技術,除了量子點材料本身的製備以外,塗布技術是大量生產的關鍵,也是商品化的最大瓶頸。由於量子點的特性,其塗布厚度決定了藍光轉化成白光的比例,所以如果無法控制厚度的均勻度與精度,則無法生產出色座標均勻的量子點膜。以一張85吋電視用的量子點膜來說,為達到電視色座標的要求,其整體面積的塗布厚度僅容許有幾個微米的誤差,幾乎已經到達機械設備的極限。本公司從事精密塗布技術多年,加以幾年來的專注投入,目前已可量產量子點膜,也具出貨實績。圖十一為本公司的捲對捲量子點膜生產線,圖十二為75吋電視用量子點膜產品出貨,圖十三為使用本公司薄型量子點膜產品的平板產品,在這種小尺寸的應用上,量子點可以配合傳統側光式的背光模組,或者最新式的藍光 mini LED背光模組搭配使用。總體來說,只要是液晶顯示器,量子點膜均可以搭配使用,如圖十四。

圖 十一

圖 十二

圖 十三

圖十四

量子點膜是目前唯一可以改善液晶顯示器色彩不夠飽和的最佳方法,使用量子點膜的液晶顯視器的色彩品質遠高於OLED面板,所以量子點膜的市場前景可期。在各液晶顯視器業者急待突破技術困境的關鍵時刻,量子點膜無疑是跳脫液晶顯色瓶頸,創造差異的最佳選擇。


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