LED光源 量子點(diǎn)螢光粉成搶占商機關(guān)鍵利器
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量子點(diǎn)(QuantumDot)螢光粉將成為新一代發(fā)光二極體(LED)光源設計關(guān)鍵材料。LED業(yè)者為強化光源演色性與廣色域效能，正全力開(kāi)發(fā)量子點(diǎn)螢光粉技術(shù),借此打造最理想的LED光源，并加速取代傳統日光燈與白熾燈泡，擴大LED照明商機。
隨著(zhù)發(fā)光二極體(LED)光源已逐漸被社會(huì )大眾所接受，傳統的背光光源像冷陰極管(CCFL)，以及照明光源如日光燈或白熾燈泡，由于顏色、環(huán)保及耗電的問(wèn)題早已被詬病許久，已開(kāi)始逐漸退出市場(chǎng)舞臺。在固態(tài)半導體照明出現后，背光及照明產(chǎn)業(yè)正出現重大改變，其改善原有光源的缺點(diǎn)，也改變了使用者的使用習慣，因為L(cháng)ED光源是屬于半導體光源的一種，所以在顏色和一些光電特性上和原有的光源不同，也因為這些特性的不同，造成了LED光源在設計上必須做一些改變，來(lái)配合和原有背光和照明的應用。
舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)理想的LED光源會(huì )有三種特性；首先是發(fā)光效率好，即亮度高且不需要額外的散熱；其次是顏色適合各式應用，即光源的顏色不需要為了照明或背光的應用而去調整各式的應用；最后則是價(jià)格要便宜，由于燈源在整體系統中只占成本的10%，光源如果價(jià)格過(guò)高將無(wú)法加速市場(chǎng)商用化。
然而，所謂的理想光源并不存在于現實(shí)生活中，例如背光產(chǎn)業(yè)電視背光大多是使用色溫9，000K的光源，CIE色度座標為(X，Y0.27，0.28)，而監視器背光大多是使用色溫6，500K的光源，CIE色度座標為(X，Y0.33，0.32)，主要的原因是因為面板的彩色濾光片決定了光源的顏色，不同應用產(chǎn)品的面板使用的彩色濾光片也不會(huì )相同，而彩色濾光片的厚度及間隔是依據產(chǎn)品的畫(huà)素來(lái)決定，也因為更動(dòng)彩色濾光片會(huì )牽涉到應用產(chǎn)品及面板制程的設計，且開(kāi)光罩的費用也相對較高，換言之，面板廠(chǎng)較不會(huì )為了背光源的特性而更改彩色濾光片的制程，于是就有很多業(yè)者在研究如何找出一種可適合各種光源顏色特性的解決案。
兼具高演色性與廣色域量子點(diǎn)螢光粉鋒頭健
首先要先了解顯示器廣色域對于光源的要求是紅、綠與藍色純度要高，也就是半高全寬(FullWidthofHalfMagnitude，FWHM)要窄，希望在CIE的圖線(xiàn)上將三角形所圍成的面積拉得越大越好，此種光源適合背光使用。
照明對于光源的要求，主要是要求連續光譜，符合黑體曲線(xiàn)，人類(lèi)最佳的照明光源是太陽(yáng)光，而最接近太陽(yáng)光源的是鎢絲燈光源，因其也是自發(fā)熱產(chǎn)生連續光譜。但若從背光和照明應用所需求的光源特性來(lái)看，基本上是與太陽(yáng)光背道而馳，因此若要符合背光的要求，色純度(Purity)越高的光源就不可能會(huì )有連續的光譜，這也就代表LED要應用在背光或是照明的產(chǎn)業(yè)中，無(wú)法使用同一種顏色的規格去應用在不同的產(chǎn)業(yè)，必須在顏色特性上做不同的調整，這也間接造成了產(chǎn)品多樣化，使得規格無(wú)法統一的問(wèn)題。
這世界上是否有完美光源可同時(shí)適合高演色性(CRI)及廣色域呢？首先須先了解哪些光源或方法可以達到高演色性或廣色域。背光應用達到廣色域的方法通常有幾種做法，不過(guò)不外乎從背光源或是彩色濾光片著(zhù)手；其中在背光源的部分，只要把色純度做得越好，則越適合背光廣色域應用，色純度用以輔助主波長(cháng)之顏色描述，以百分比計，定義為待測件色度座標F1與白光點(diǎn)之色度座標W(0.33，0.33)之直線(xiàn)距離與白光點(diǎn)W座標至該待測件主波長(cháng)D點(diǎn)之光譜軌跡色度座標距離的百分比，純度愈高，代表待測件的色度座標愈接近其該主波長(cháng)的光譜色，所以像LED、雷射單色光之光源、有機發(fā)光二極體(OLED)或是量子點(diǎn)(QuantumDot)螢光粉都可以達到廣色域的目標，不過(guò)考慮到價(jià)格和實(shí)際量產(chǎn)性的問(wèn)題，現在業(yè)界卻是以L(fǎng)ED激發(fā)螢光粉來(lái)達到廣色域的目標。
利用LED激發(fā)螢光粉達到廣色域的方式有很多種，例如使用紅、綠、藍光LED當成背光源，NTSC可達到100%，但是價(jià)格昂貴；使用藍光LED當成背光源，加上黃色螢光粉，NTSC約可達到70%，價(jià)格較便宜；使用藍光LED當成背光源，加上紅色螢光粉，NTSC約可達到85%，但紅色螢光粉的可靠度是一大問(wèn)題；使用藍光LED當成背光源，加上紅色及綠色螢光粉，NTSC約可達到90~100%，但紅色螢光粉的可靠度一樣不夠高；使用藍光LED當成背光源，加上量子點(diǎn)螢光粉，NTSC則約可達到100%，但量子點(diǎn)螢光粉價(jià)格昂貴。
另一種方法是調整彩色濾光片的色阻厚度或是材料，但是這個(gè)部分相對于更換背光源來(lái)說(shuō)相對困難，主要原因是面板廠(chǎng)在設計產(chǎn)品對應的彩色濾光片時(shí)，通常會(huì )先考慮到產(chǎn)品共用性，現在很多面板廠(chǎng)都將彩色濾光片的制程拉進(jìn)面板廠(chǎng)里生產(chǎn)，等于是面板制造時(shí)的一個(gè)制程，而LED光源大部分是向外界廠(chǎng)商購買(mǎi)，而且當面板尺寸越大的時(shí)候，彩色濾光片的光罩越貴，有些甚至可以達到千萬(wàn)以上，所以在產(chǎn)品設計上會(huì )以光源來(lái)搭配現有面板加上彩色濾光片的色阻，
事實(shí)上，照明應所需要的光源特性和背光完全相反，因此照明應用希望盡量模擬太陽(yáng)光，演色性要求要和太陽(yáng)光相同。太陽(yáng)光的光譜為一個(gè)連續性的光譜，其中包含了所有波長(cháng)，傳統光源中最近似于太陽(yáng)光的是鎢絲燈光源，鎢絲燈的發(fā)光原理是高溫所產(chǎn)生的熱輻射而產(chǎn)生可見(jiàn)光波長(cháng)，所以和太陽(yáng)光一樣是有著(zhù)連續性的波長(cháng)光譜。
搶攻顯示/照明應用商機量子點(diǎn)螢光粉成關(guān)鍵利器
然而，除了熱輻射外，還有什么方法可達成LED光源具備高演色性？演色性的計算使用的色度座標為CIE1964WUV色度座標，須求出標準樣品在待測光源照明下的色度座標，接著(zhù)再對標準樣品與待測樣品進(jìn)行色度點(diǎn)的運算，再計算兩色點(diǎn)的色差值。一般來(lái)說(shuō)測試演色性須使用十四個(gè)標準演色性樣品，前八種是顏色較不鮮艷的中性色彩，用來(lái)測驗光源是否可以展現物體的一般色，而編號九到十二則分別是高飽和的紅、黃、綠、藍四種顏色，用來(lái)評量光源是否可顯示具鮮艷色彩的物體，第十三個(gè)標準色樣品是皮膚的顏色，而最后一個(gè)則是一般樹(shù)葉的顏色，最后取十四個(gè)計算演色性的平均值即為待測樣品的演色性。所以，若是要得到高演色性則必須具有這十四個(gè)波長(cháng)的特性，也就是最好具有連續性的波長(cháng)，且FWHM要寬。
現有的LED加上螢光粉因為技術(shù)成熟，且價(jià)格便宜，因此業(yè)界正大量使用，同時(shí)也是現今顯示器光源和照明光源的主流，但是量子點(diǎn)螢光粉同時(shí)也是各家廠(chǎng)商重點(diǎn)研究的方向，量子點(diǎn)螢光粉主要的材料是硒化鎘(CdSe)或是硫化鋅(ZnS)，原理是將螢光粉大小縮小到奈米(nm)等級，藉由控制不同的螢光粉粒徑大小來(lái)控制所激發(fā)的波長(cháng)。
2012年Nanosys和3M合作提出了一個(gè)增加現有顯示器色域的方法，在現有的顯示器表面外加上一層量子點(diǎn)螢光粉膜，這樣的設計在成本上并沒(méi)有增加太多，但卻可以達到WideColorGamut(WCG)的效果。Nanosys將這種產(chǎn)品叫做QuantumDotEnhancementFilm(QDEF)，但是因為量子點(diǎn)螢光粉和PET材料混合射出成薄膜，仍然會(huì )被外界溫度和濕氣所影響，導致整體可靠度和效率不如預期，給人有叫好不叫座的感覺(jué)，無(wú)法達到實(shí)際產(chǎn)品量產(chǎn)水準。
接下來(lái)，索尼(Sony)在2013年美國消費性電子展(CES)中展出了新一代的顯示器，擁有4K×2K的高解析度，高反應速度及高色彩飽和度。索尼新一代顯示器也是使用量子點(diǎn)螢光粉技術(shù)，其結構是在一個(gè)扁平型的玻璃管中涂滿(mǎn)量子點(diǎn)螢光粉，光源仍是使用藍光LED光源，其中量子點(diǎn)螢光粉主要成分是硒化鎘，供應商為QDVision；玻璃管供應商為隆達電子，由背光模組廠(chǎng)負責組裝，這樣的產(chǎn)品可達到廣色域的效果及成本的優(yōu)勢，并避免原本量子點(diǎn)螢光粉對于環(huán)境濕度及溫度影響發(fā)光效率及壽命的不良因素。另外，因為玻璃管中抽真空，雖然增加了制程上的難度，但是對于可靠度可提升約50%，效能提升約10%，索尼這種55寸電視販售的價(jià)格約在3，000～3，500美元之間，屬于高階機種。圖1是使用量子點(diǎn)螢光粉的光源和螢光粉背光源的差距，可以看到若是相同NTSC下，使用量子點(diǎn)螢光粉的背光源發(fā)光效率是一般螢光粉的1.18倍。
在照明部分，量子點(diǎn)螢光粉同樣的也很容易達到高演色性的效果，只是因為量子點(diǎn)螢光粉的價(jià)格過(guò)高，到現在還沒(méi)有普及，不過(guò)只要可均勻的控制不同粒徑大小量子點(diǎn)螢光粉的分布，就有機會(huì )做到高演色性的理想光源。
LED加上量子點(diǎn)螢光粉有可能變成理想光源的一種。未來(lái)量子點(diǎn)螢光粉改善的重點(diǎn)有三大項，首先是結構改善，現有量子點(diǎn)螢光粉基本上為ZnO及GaO兩種，其轉換效率最好。第二是制程改善，目前既然不能改善量子點(diǎn)螢光粉的結構，那就利用制程來(lái)做改善，所以才會(huì )有將量子點(diǎn)螢光粉混入光學(xué)薄膜(OpticalFilm)中和封在玻璃燈管中的想法，這些想法主要是為了將量子點(diǎn)螢光粉遠離熱源及避免環(huán)境水氣和溫度影響，未來(lái)將量子點(diǎn)螢光粉結合燈具設計也是一種很好的想法。第三是節省用量，量子點(diǎn)螢光粉的價(jià)格非常昂貴，10公克約新臺幣1萬(wàn)元，基本上比黃金還貴，所以在制程改善上皆以節省用量為主。
綜觀(guān)所述，2013年會(huì )量子點(diǎn)螢光粉會(huì )因為各家廠(chǎng)商的研究，而逐漸由顯示器的背光源普及到照明光源的應用，藉此強化LED光源的演色性與廣色域，產(chǎn)業(yè)界亦相信此一技術(shù)會(huì )因持續改善而獲得市場(chǎng)普及，并擴大LED市場(chǎng)商機。
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