量子點面板技術的趨勢與發展

量子點面板技術的趨勢與發展

2016/08/01-DIGITIMES企劃  

液晶面板技術發展前景有限，為了不讓AMOLED面板技術不斷超前，越來越多業者選擇在高階產品導入量子點技術方案，透過量子點技術進而擴增液晶面板的特性表現，甚至在Apple公司已針對量子點技術領域取得多項專利，更讓量子點面板技術方案未來發展備受市場期待。

檢視液晶螢幕的技術架構，背光設計一直是LCD的關鍵設計，優秀的背光與背光源頻譜效果大體上就左右一片液晶屏幕的成像品質水準！而目前常見具成本優勢的液晶螢幕大多採用高亮度藍光LED、搭配封裝材料添加螢光粉的方式獲得接近白光的背光效果，實際上這種作法雖具備低成本效益，但也因為缺乏真實紅光/綠光混合光源讓面板的顯色能力因此受限，至於新穎的量子點(Quantum Dot)面板科技目前最大的效益在於以藍光背光為基礎精準轉換取得紅光/綠光背光需求，進而擴展LCD面板的顯色能力。

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透過材料科技改善  奈米技術讓光學材料特性更突出

以量子點面板技術觀察，一般來說把長、寬、高限制在100nm以下的材料都可以達到量子點或是奈米粒子，而多數產業會熱衷於開發奈米材料的關鍵在於，因為如在一維條件下的100nm以下可以稱之為量子井(或稱奈米薄膜)、二維條件在100nm以下可以稱為奈米線，因為其材料單位尺寸極小，因此材料的表面積相對也較原始材料設計比例較顯得更大許多，因為面積相對較大、特性作用速度或表現更顯著，材料本身的特性也可因此獲得大幅優化。

基本上若將材料製作成量子點尺寸，因為電子容易受到影響進而改變能階，而在電子發聲與電洞結合過程附帶產生的光能量強度，被實驗證實會與量子點的尺寸大型呈現正比影響其表現特性，也就是說若要控制量子點的光能量強度，只要產製特定量子點大小的材料就能控制對應物理效應發出的光量波長。簡而言之，當量子點直徑越大材料激發的光波長就接近偏紅；而當量子點直徑越小、材料激發的光波長越小、材料可取得偏藍的光，我們可以這麼說，透過材料控制不同直徑的量子點材料設計，在理想狀態下，甚至可以在材料上製造接近自然光的連續光譜效果。


量子點技術優點多  但量產仍有技術、成本瓶頸待突破

雖說量子點技術若能掌握，應可製造出具自然光效果的背光模組，但實際上製造達到量子點的半導體材料其實相當困難，目前多半採用硒化鎘(CdSe)、氧化鋅(ZnO)搭配藍光LED照射於量子點材料上進而產生紅/綠光效果，相關製程優化與成本優化仍需更多開發資源投入。

而整合量子點材料技術的LCD面板設計方案，目前已有多種技術方案，常見的為以量子點技術來取代藍光LED光學封裝材料中的黃色螢光粉，使用On-Chip製程將量子點材料與藍光LED封裝在一起，另一種是將材料配置於光學管材中，以背光源銜接光學管材讓背光與量子點材料作用後取得的光源，作用於面板背光設計上，第三種即將背光的光學材料擴散膜改用量子點技術製作。

現有發展量子點技術方案的業者，有Nanoco、Nanosys、QD Vision等，其中Nanosys已與國際材料大廠3M合作，開發On-Surface方案的背光擴散膜光學材料概念產品，此為QDEF(Quantum Dot Enhancement Film)技術方案，實際的產品材料由於量子點材料容易受環境影響導致QDEF材料壽命縮短，因此在3M技術方案中利用自家光學材料包覆保護QDEF的量子點材料，藉此延長QDEF模組的使用壽命，而Apple所評估的量子點面板技術，據聞也是以QDEF方案為主。另外平面電視大廠Sony則傾向在背光與面板之間置入量子點光學材料，以On-Edge方式整合優化背光品質，相關導入量子點技術方案的顯示器也使用Triluminos系列型號搶攻市場。


量子點材料科技趨於實用化  成為液晶面板產品差異化關鍵

量子點液晶屏幕技術，除了是相關面板業者與韓系AMOLED技術對抗的關鍵技術外，在液晶面板或電視影音設備市場，液晶顯示器已是高度成熟、標準化的零組件，相關廠商很難找到產品差異化的設計方案，而近期備受熱議的量子點技術，即是可在面板技術趨於同質化的現況下，透過背光方案優化下、凸顯產品差異化的關鍵重點。目前已有多家業者在消費性電子產品導入量子點的廣色域顯示面板技術，例如2013年推出的Kindle Fire的HDX電子書產品所使用的小屏幕面板、與Sony Triluminos系列液晶電視，均為前祈導入量子點廣色域技術的LCD液晶面板產品。

即便目前量子點技術，可以透過換用擴散膜或是變更背光設計導入現有的消費性產品液晶面板應用中，但實際上要使量子點廣色域技術大量被新產品採用，其實還有相當多技術瓶頸需要克服。

首先，早期量子點廣色域技術在關鍵元件上仍有含鎘問題存在，因為鎘會造成產品廢棄或回收衍生之環境汙染問題，面對全球環保意識抬頭，也會導致量子點螢幕技術導入受到質疑，另外是目前量子點廣色域技術的關鍵材料取得成本仍高，相關技術的專利掌握在僅數家業者手上，專利授權或使用專利材料都會導致相關製品的成本過於高昂，使產品的終端售價競爭力降低。


韓系業者積極投入材料研發  Apple搶著註冊相關專利

由於量子點廣色域顯示技術關鍵的擴散膜方案，可望在未來顯示技術上成為關鍵組件，也吸引多家關鍵材料業者積極開發相關材料，例如韓國的Samsung、LG、Sangbo、LMS、Hanwha、SKC-Haas等公司積極開發對應材料，只要投入量子點廣色域技術所需的關鍵材料業者增加，透過市場競爭或許可讓具備量子點技術的擴散膜或是相關組件成本更低，屆時也能為量子點廣色域技術屏幕的終端售價更為合宜。

除韓系顯示器或材料科技業者積極投入量子點廣色域技術研發外，消費性電子產品大廠Apple也積極投入量子點相關顯示技術，尤其是與Apple相關消費性電子產品、筆電、桌上型電腦整合的可能性，Apple青睞量子點技術的關鍵在於，相較於傳統的螢光材料，量子點技術方案具螢光亮度強、發光穩定性佳，與運用單一波長之紫外線光源就能激發多種波長光波的材料特性，因為其光波可重複被激發、螢光時效持久可讓顯示器應用的背光品質大幅提升，讓極為講究顯示品質的Apple相關產品有了極大的導入效益。

例如Apple近期申請獲得的量子點應用相關專利中，就已將量子點技術作為強化顯示器呈現效果的重點技術關鍵，該專利為運用側光式設計之藍光LED做為背光源，再搭配導光板(Light Guide Panel；LGP)與量子點強化膜(Quantum Dot Enhancement Film；QDEF)組合，而在QDEF量子點強化膜中設置紅光/綠光量子點螢光粉，同時配置液晶螢幕既有的彩色濾光片、增亮膜(Double Brightness Enhanced Film；DBEF)等。

另Apple還針對量子點廣色域技術可用的背光光源混合、背光亮度控制、量子點顯示器之微機電控制開關設計...等技術申請獲得對應專利，從近期Apple取得的量子點相關專利理解其專利佈局，顯示Apple正積極研究量子點技術導入3C產品的整合可能性，也讓相關面板、顯示器廠商不得不重視這波量子點廣色域技術的產品熱潮。

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