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從量子點到QNED 語不驚人死不休的南韓電視產業

  • 詹益仁

南韓兩大顯示器業者雖然利用了不少商業詞彙吸引消費者目光,但也確實一步步地在改善顯示器的技術。法新社

前陣子媒體大篇幅報導三星電子(Samsung Electronics)投入大量資源,準備量產QD-OLED電視,也就是QD(quantum dot)加上organic LED;而更新的報導是三星宣布研發下一世代的QNED,也就是QD加上Nano LED。不久前我們才在為Mini LED、Micro LED的定義傷腦筋,現在又多了一個Nano LED,這到底是怎麼一回事?

自從OLED顯示器開始普及後,顯示器產業已經進入了後液晶顯示器(TFT-LCD)時代,除了在技術方面要求更高的畫素、更好的畫質、更省電的顯示器或電視外,廠商們也不斷在顯示器的命名上標新立異,以爭取消費者的注意力。消費者在一些科技名詞如量子(quantum)、奈米(nano)、OLED等已經耳熟能詳了,顯示器業者就是利用這些名詞,創造出許多新命名的產品,好讓消費者耳目一新,這其中尤以南韓的兩大顯示器廠商,最為引領風騷,但事實真的是如此嗎?

這一切得從十多年前三星的LED-TV說起,當時TFT-LCD是使用冷陰極管(CCFL)當作背光源,而三星的LED-TV只是用白光的LED取代冷陰極管作為背光源,如此而已。LED-TV顧名思義應該是利用紅綠藍三種顏色的LED當作光源,所製作出來的全彩顯示器,這是一項不得了的技術突破,也幾乎就是顯示器的極致,而此項技術到今天全球的科技都還無法達到。利用LED當背光源,最大的優勢就是可以做出薄型化的電視,並且省電,讓消費者感受到科技帶來的新奇感。

LED-TV之後,OLED-TV開始登場。OLED顯示器從90年代就開始研發,雖然在結構上比TFT-LCD更簡潔且有絕佳的色彩表現,但是有機的材料最怕水跟氧氣的侵襲;因此在製作上無法使用黃光溼式製程,必須要使用乾式的金屬光罩,因而無法在大型的面板上製作。所以目前真正利用紅綠藍三顏色的OLED,只有在中小尺寸的顯示器上,如智慧型手機。樂金電子(LG Electronics)所標榜的大尺寸OLED-TV,事實上是利用OLED當作白光的背光源,取代LED的背光。

當然不容否認這其中仍有很大的技術突破,比如OLED白光在色域的表現上比LED更好,因此人眼會覺得色彩更鮮豔;此外OLED與下版TFT結合,可成為畫素化的光源,可以進一步省掉液晶開關的功能,不用液晶開關也就不需要進入液晶前置的偏光片,如此可以大幅的節省電力,以及增進色彩的灰階表現,算是功德一件。

接著OLED登場的就是QD-LED。說起QD,它的來頭也真不小,從80年代科學家們就積極在半導體的光電元件研究,一路由二維的量子井(quantum well),到一維的量子線( quantum wire),到最後的零維的量子點(quantum dot),其目的是藉由將電子與電洞施以更多的侷限(confinement),以增進其發光的效率。當我們第一次聽到三星發表了Q-LED TV時,不禁讚嘆南韓人的科技實力,不僅製作出QD-LED,更以此紅綠藍光源製作出電視機。後來才明白原來是利用QD奈米粒子做成薄膜,以取代現行普遍使用的彩色濾光片。

此薄膜由人工合成的半導體(如CdSe)奈米粒子所構成,因為具有能階,而其能階的大小因為量子效應,會受粒子半徑的大小而改變,半徑越大者其發射光的波長就越長,而偏向紅光;反之就偏向藍光。而白色的背光,經過這些不同大小的奈米粒子,就會轉換為紅綠藍三種顏色。不過因為是量子效應,其轉換出來的顏色比傳統經由彩色濾光片的光更純,會令顯示器的色彩飽和度更強;此外因為光是經由能階的轉換,也會使得效率得以提升,達到省電的功能。雖然不是真正的QD-LED,但也是功德一件。

行文至此,如果各位還沒有被這些名詞給搞糊塗,接下來就開始不同的排列組合了。首先就是一開始提到的QD-OLED TV,聰明的讀者也許會猜到是利用OLED當背光源,而使用QD當作彩色濾光片。沒錯,顯示器業者也一步步地朝最終極的顯示器技術邁進。那最後什麼是QNED?在討論這個之前,得先談談所謂終極的顯示器,其實就是Micro LED。

Micro LED是將紅綠藍三原色的LED,製作成10微米大小的晶粒,然後利用巨量轉移(mass transfer)的技術,將這些LED晶粒轉移到有TFT控制電路的下版上。比起現有的電視,Micro LED不需要背光、液晶、彩色濾光片、偏光片等,結構非常簡單且效率高、色彩飽和度強,且反應速度快。但是以一個65吋4K畫質的電視,就需要移轉2,500萬顆的LED晶粒,這是一項非常艱鉅的工程,有稍許的差錯就需要個別去修補不同顏色的LED晶粒。

一個比較簡便的方法,如果轉移的全部都是藍色的LED晶粒,然後在部分藍色晶粒上用印刷塗佈的方法,將紅色或綠色的QD塗抹在藍色LED上,如此就可將藍光轉換成紅光或綠光。這比起要分別轉移紅綠藍三種LED晶粒,明顯地可以增加巨量轉移的成功率,也使得之後的修補動作較為簡單,這種方法就是三星所謂的QNED。三星使用Nano LED基本上是要跟Micro LED做一個區隔,但事實上LED到達奈米等級是幾乎發不出光來的。

顯示器業者們,尤其是南韓的兩大,雖然利用了不少似是而非的名詞來吸引消費者的目光,但也確實一步步地在改善顯示器的技術,朝向終極的顯示器的目標邁進,這過程中也許還會有更多聳動的名詞被創造出來,我們且拭目以待吧!

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。