LED光源 量子點螢光粉成搶占商機關鍵利器
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量子點(QuantumDot)螢光粉將成為新一代發(fā)光二極體(LED)光源設計關鍵材料。LED業(yè)者為強化光源演色性與廣色域效能，正全力開發(fā)量子點螢光粉技術,借此打造最理想的LED光源，并加速取代傳統(tǒng)日光燈與白熾燈泡，擴大LED照明商機。
隨著發(fā)光二極體(LED)光源已逐漸被社會大眾所接受，傳統(tǒng)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)保及耗電的問題早已被詬病許久，已開始逐漸退出市場舞臺。在固態(tài)半導體照明出現后，背光及照明產業(yè)正出現重大改變，其改善原有光源的缺點，也改變了使用者的使用習慣，因為LED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，來配合和原有背光和照明的應用。
舉例來說，一個理想的LED光源會有三種特性；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；最后則是價格要便宜，由于燈源在整體系統(tǒng)中只占成本的10%，光源如果價格過高將無法加速市場商用化。
然而，所謂的理想光源并不存在于現實生活中，例如背光產業(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(jiān)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，不同應用產品的面板使用的彩色濾光片也不會相同，而彩色濾光片的厚度及間隔是依據產品的畫素來決定，也因為更動彩色濾光片會牽涉到應用產品及面板制程的設計，且開光罩的費用也相對較高，換言之，面板廠較不會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(xù)光譜，符合黑體曲線，人類最佳的照明光源是太陽光，而最接近太陽光源的是鎢絲燈光源，因其也是自發(fā)熱產生連續(xù)光譜。但若從背光和照明應用所需求的光源特性來看，基本上是與太陽光背道而馳，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有連續(xù)的光譜，這也就代表LED要應用在背光或是照明的產業(yè)中，無法使用同一種顏色的規(guī)格去應用在不同的產業(yè)，必須在顏色特性上做不同的調整，這也間接造成了產品多樣化，使得規(guī)格無法統(tǒng)一的問題。
這世界上是否有完美光源可同時適合高演色性(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，不過不外乎從背光源或是彩色濾光片著手；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與白光點之色度座標W(0.33，0.33)之直線距離與白光點W座標至該待測件主波長D點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(QuantumDot)螢光粉都可以達到廣色域的目標，不過考慮到價格和實際量產性的問題，現在業(yè)界卻是以LED激發(fā)螢光粉來達到廣色域的目標。
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，加上量子點螢光粉，NTSC則約可達到100%，但量子點螢光粉價格昂貴。
另一種方法是調整彩色濾光片的色阻厚度或是材料，但是這個部分相對于更換背光源來說相對困難，主要原因是面板廠在設計產品對應的彩色濾光片時，通常會先考慮到產品共用性，現在很多面板廠都將彩色濾光片的制程拉進面板廠里生產，等于是面板制造時的一個制程，而LED光源大部分是向外界廠商購買，而且當面板尺寸越大的時候，彩色濾光片的光罩越貴，有些甚至可以達到千萬以上，所以在產品設計上會以光源來搭配現有面板加上彩色濾光片的色阻，
事實上，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光，演色性要求要和太陽光相同。太陽光的光譜為一個連續(xù)性的光譜，其中包含了所有波長，傳統(tǒng)光源中最近似于太陽光的是鎢絲燈光源，鎢絲燈的發(fā)光原理是高溫所產生的熱輻射而產生可見光波長，所以和太陽光一樣是有著連續(xù)性的波長光譜。
搶攻顯示/照明應用商機量子點螢光粉成關鍵利器
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，接著再對標準樣品與待測樣品進行色度點的運算，再計算兩色點的色差值。一般來說測試演色性須使用十四個標準演色性樣品，前八種是顏色較不鮮艷的中性色彩，用來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，用來評量光源是否可顯示具鮮艷色彩的物體，第十三個標準色樣品是皮膚的顏色，而最后一個則是一般樹葉的顏色，最后取十四個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波長的特性，也就是最好具有連續(xù)性的波長，且FWHM要寬。
現有的LED加上螢光粉因為技術成熟，且價格便宜，因此業(yè)界正大量使用，同時也是現今顯示器光源和照明光源的主流，但是量子點螢光粉同時也是各家廠商重點研究的方向，量子點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控制所激發(fā)的波長。
2012年Nanosys和3M合作提出了一個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螢光粉膜，這樣的設計在成本上并沒有增加太多，但卻可以達到WideColorGamut(WCG)的效果。Nanosys將這種產品叫做QuantumDotEnhancementFilm(QDEF)，但是因為量子點螢光粉和PET材料混合射出成薄膜，仍然會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，無法達到實際產品量產水準。
接下來，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螢光粉技術，其結構是在一個扁平型的玻璃管中涂滿量子點螢光粉，光源仍是使用藍光LED光源，其中量子點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，由背光模組廠負責組裝，這樣的產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，只是因為量子點螢光粉的價格過高，到現在還沒有普及，不過只要可均勻的控制不同粒徑大小量子點螢光粉的分布，就有機會做到高演色性的理想光源。
LED加上量子點螢光粉有可能變成理想光源的一種。未來量子點螢光粉改善的重點有三大項，首先是結構改善，現有量子點螢光粉基本上為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螢光粉的結構，那就利用制程來做改善，所以才會有將量子點螢光粉混入光學薄膜(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螢光粉遠離熱源及避免環(huán)境水氣和溫度影響，未來將量子點螢光粉結合燈具設計也是一種很好的想法。第三是節(jié)省用量，量子點螢光粉的價格非常昂貴，10公克約新臺幣1萬元，基本上比黃金還貴，所以在制程改善上皆以節(jié)省用量為主。
綜觀所述，2013年會量子點螢光粉會因為各家廠商的研究，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，產業(yè)界亦相信此一技術會因持續(xù)改善而獲得市場普及，并擴大LED市場商機。
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