新華光能盾形量子點應用於Mini LED、Micro LED、EL-QLED之技術優勢

奈米量子點(quantum dot, QD)技術,為近期光電產業備受矚目之明日之星,量子點一般為III-V族與II-VI族之半導體材料組成,並藉由奈米尺度下產生之獨特的量子侷限效應(quantum confinement effect),使量子點內電子電洞對之行為被設計的量子點結構控制,得以擁有獨特優良的光電效應,如高量子轉換效率(quantum yield, QY: > 80-100%)、窄發光波峯及高純度色光(full-width at half-maximum, FWHM < 30 nm)、發光波長可調整性 (400-700 nm),可大幅提升顯示器面板之色彩及效能表現,製造更鮮豔、節能之顯示器。


(光激發光量子點)

量子點於顯示器之應用大致分為兩種:光激發光(photoluminescence, PL)與電激發光(electroluminescence, EL)量子點技術。光激發光可將量子點視為新世代之量子螢光粉,量子點吸收高能量的背光光源(如藍光、UV光)後,經由量子點內部能階轉換為高純度紅光或綠光。相比傳統微米螢光粉(如:黃光YAG螢光粉)產生之寬波峰色光,後者需再透過濾色片(color filter)濾除紅、綠以外的雜色光,以達到紅、綠、藍三原色光之顯示器需求。然而,此舉將造成能量浪費及雜光干擾,影響LCD液晶顯示器之色彩表現。利用量子點產生之高純度色光及精準調控發光波長,可達到最佳視效函數及顯色效果,應用上只需在原LCD液晶顯示器內置入量子點薄膜或塗層,即可在不改變LCD結構下,使其色域從原NTSC 70%大幅提升到110%以上,超過白光OLED電視(約NTSC 95%)或AMOLED顯示器(約NTSC 105%),可升級現有LCD為新一代的量子電視或顯示器(QLED TV),故近期各大廠商皆大力推廣量子點技術。


(光激發光量子點固態膠粒)

另外一方面,電激發光量子點技術(EL QD light-emitting diode, EL-QLED)可視為後OLED (organic light-emitting diode)之新世代顯示與光源技術,直接藉由外部通電,使電子電洞在量子點內復合、發光,發光原理與元件結構皆與OLED類似,主要差別為OLED中有機材料發光層,替換成量子點材料發光層。相比現今之OLED面板,自發光EL-QLED面板擁有更鮮豔之色彩表現,而無機量子點材料也比有機材料穩定,並且更容易以大面積製作,具備可彎折、可透明等優勢。此外,EL-QLED可沿用已日趨成熟之OLED結構、設備與製程,可望更快速有效率的導入生產,目前美、日、韓、中各大廠商已將電激發光EL-QLED技術列為2至5年之產品技術開發藍圖,相信不久後,可見到可彎折且大面積的透明EL-QLED面板上市。


(電激發光量子點面板)

近來,Mini LED與Micro LED在顯示器的龐大市場中,一直受到許多的關注,LCD面板已朝向次世代Mini LED開發,量子點材料也被視為快速實現Mini LED與Micro LED的關鍵技術。藉由量子點之光激發光性質,即可解決Mini LED、Micro LED現今遇到的成本與巨量轉移(mass-transfer)問題。原先需透過巨量轉移數以百萬計的紅、綠、藍三色微米尺寸LED chips,以製備Micro LED面板,其中只要有數顆LED chips錯位或轉移失敗,將使整塊面板失效,故良率難以提升。若使用量子點材料作為解決方案,可僅轉移單色如藍光Micro LED chips,再藉由量子點光轉換產生紅光及綠光,即可大幅提升Micro LED面板之良率,以及寬廣的顯示色域,甚有不需轉移、直接蝕刻、顯影整片氮化鎵磊晶片之技術正在開發中。因此應用量子點技術,可大幅縮短Mini LED及Micro LED之開發時程,已被視為最可行之解決方案。蘋果Apple Pro Display XDR已採用類Mini LED直下式區域調光的技術,以及市場預測中亦指出蘋果將採用Mini LED作為下一世代的平板、筆電背板,顯示Mini LED普及化已勢在必行,在未來成本與產能考量下,量子點將扮演相當重要角色。

然而,雖然量子點為無機材料,較有機材料穩定,但量子點為接近原子尺寸的類原子奈米材料,對光、熱、水及氧氣非常敏感,舉例若接觸到環境中氧氣,將使量子點表面結構產生氧化,進而失效,故現今應用上之量子點材料,需透過精密的隔水隔氧隔熱封裝技術,以確保應用產品之壽命。此問題使量子點材料於產品推廣上,稍受限制。一般改善方法為在量子點表面成長一較厚的磊晶殼層,如厚殼CdSe/ZnS量子點,但成長太厚的殼層,卻會產生額外的界面應力與缺陷,同時也降低了原來量子點光吸收與量子侷限能力,因此大尺寸的厚殼量子點材料發光效能會大幅降低,失去了原本「量子點」的優點。而新一代創新方式,是在特定晶面上成長強化、類似盾牌保護層,可減少球型結構之高界面應力的問題,並提升量子點的光吸收能力,此盾型量子點為一特殊設計之量子點結構,可以有效抵擋住環境中水氣、氧氣之攻擊,於材料本質特性上,強化量子點材料,從根本上提升量子點材料之穩定度及壽命,使其更容易被應用在各個產品架構內,與傳統量子點相比,盾型量子點,穩定度可有50-60%之提升,為量子點材料可靠度的解決方案。


(光激發光量子典膜片與手機背光模組)

在2019年11月,由工研院創新工業技轉公司與美國應材創投基金合作,首度在台灣舉辦新創競賽「The 2019 Deep Tech Challenge」,自國立清華大學衍生的新華光能(HsinLight Inc.),在70隊台、美、德等團隊中脫穎而出,僅成立1年即擊敗各國新創菁英團隊,獲得競賽金牌獎。

新華光能技術團隊從建立量子點材料自主技術出發,擁有量子點材料製造、配方設計及噴墨塗佈技術等技術與專利,提供主流與新型無重金屬之量子點合成技術,涵蓋紫外光、可見光與紅外光之應用範圍。新華光能採用了專利晶面盾形之量子點結構,已開發光激發光、電激發光與光感測三種應用領域,光電轉換效率高、色彩純度高、抗水氧效果佳並有長壽命與高穩定性,具有高度競爭力,亟欲協助LED及LCD產業發展Mini LED與Micro LED技術,並且在QD-OLED及後OLED顯示器基礎上,開創新世代大面積、軟性、透明自發光EL-QLED顯示器的關鍵材料技術。

新華光能之量子點產品已成功導入量產並通過多方客戶驗證,可望帶動、協助顯示器上、中、下游產業發展,目前仍與清華大學持續進行產學合作,以開發下世代顯示器、醫療感測、太陽電池方面等應用材料與技術,並同時協同廠商開發相關產品及應用。隨著傳統LCD、Mini LED、Micro LED、感測等應用需求日益強烈,新華原位於清大試驗工廠之空間不敷需求,已於今年第二季提出進駐新竹科學園區的投資申請,並於今年7/1通過科技部科學園區審議會(第63次會議),獲准投資與進駐竹科,未來三年在新型量子點產品之產能將大幅擴增,為全球量子點材料與應用技術寫下全新的里程碑。

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