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LED光源量子点萤光粉成抢占商机关键利器

https://www.biud.com.cn 2013年07月29日10:05 家居装修知识网

　　量子点(QuantumDot)萤光粉将成为新一代发光二极体(LED)光源设计关键材料。LED业者为强化光源演色性与广色域效能，正全力开发量子点萤光粉技术，藉此打造最理想的LED光源，并加速取代传统日光灯与白炽灯泡，扩大LED照明商机。

　　随着发光二极体(LED)光源已逐渐被社会大众所接受，传统的背光光源像冷阴极管(CCFL)，以及照明光源如日光灯或白炽灯泡，由于颜色、环保及耗电的问题早已被诟病许久，已开始逐渐退出市场舞台。在固态半导体照明出现后，背光及照明产业正出现重大改变，其改善原有光源的缺点，也改变了使用者的使用习惯，因为LED光源是属于半导体光源的一种，所以在颜色和一些光电特性上和原有的光源不同，也因为这些特性的不同，造成了LED光源在设计上必须做一些改变，来配合和原有背光和照明的应用。

　　举例来说，一个理想的LED光源会有三种特性；首先是发光效率好，即亮度高且不需要额外的散热；其次是颜色适合各式应用，即光源的颜色不需要为了照明或背光的应用而去调整各式的应用；最后则是价格要便宜，由于灯源在整体系统中只占成本的10%，光源如果价格过高将无法加速市场商用化。

　　然而，所谓的理想光源并不存在于现实生活中，例如背光产业电视背光大多是使用色温9，000K的光源，CIE色度座标为(X，Y0.27，0.28)，而监视器背光大多是使用色温6，500K的光源，CIE色度座标为(X，Y0.33，0.32)，主要的原因是因为面板的彩色滤光片决定了光源的颜色，不同应用产品的面板使用的彩色滤光片也不会相同，而彩色滤光片的厚度及间隔是依据产品的画素来决定，也因为更动彩色滤光片会牵涉到应用产品及面板制程的设计，且开光罩的费用也相对较高，换言之，面板厂较不会为了背光源的特性而更改彩色滤光片的制程，于是就有很多业者在研究如何找出一种可适合各种光源颜色特性的解决案。

　　兼具高演色性与广色域量子点萤光粉锋头健

　　首先要先了解显示器广色域对于光源的要求是红、绿与蓝色纯度要高，也就是半高全宽(FullWidthofHalfMagnitude，FWHM)要窄，希望在CIE的图线上将三角形所围成的面积拉得越大越好，此种光源适合背光使用。

　　照明对于光源的要求，主要是要求连续光谱，符合黑体曲线，人类最佳的照明光源是太阳光，而最接近太阳光源的是钨丝灯光源，因其也是自发热产生连续光谱。但若从背光和照明应用所需求的光源特性来看，基本上是与太阳光背道而驰，因此若要符合背光的要求，色纯度(Purity)越高的光源就不可能会有连续的光谱，这也就代表LED要应用在背光或是照明的产业中，无法使用同一种颜色的规格去应用在不同的产业，必须在颜色特性上做不同的调整，这也间接造成了产品多样化，使得规格无法统一的问题。

　　这世界上是否有完美光源可同时适合高演色性(CRI)及广色域呢？首先须先了解哪些光源或方法可以达到高演色性或广色域。背光应用达到广色域的方法通常有几种做法，不过不外乎从背光源或是彩色滤光片着手；其中在背光源的部分，只要把色纯度做得越好，则越适合背光广色域应用，色纯度用以辅助主波长之颜色描述，以百分比计，定义为待测件色度座标F1与白光点之色度座标W(0.33，0.33)之直线距离与白光点W座标至该待测件主波长D点之光谱轨迹色度座标距离的百分比，纯度愈高，代表待测件的色度座标愈接近其该主波长的光谱色，所以像LED、雷射单色光之光源、有机发光二极体(OLED)或是量子点(QuantumDot)萤光粉都可以达到广色域的目标，不过考虑到价格和实际量产性的问题，现在业界却是以LED激发萤光粉来达到广色域的目标。

　　利用LED激发萤光粉达到广色域的方式有很多种，例如使用红、绿、蓝光LED当成背光源，NTSC可达到100%，但是价格昂贵；使用蓝光LED当成背光源，加上黄色萤光粉，NTSC约可达到70%，价格较便宜；使用蓝光LED当成背光源，加上红色萤光粉，NTSC约可达到85%，但红色萤光粉的可靠度是一大问题；使用蓝光LED当成背光源，加上红色及绿色萤光粉，NTSC约可达到90~100%，但红色萤光粉的可靠度一样不够高；使用蓝光LED当成背光源，加上量子点萤光粉，NTSC则约可达到100%，但量子点萤光粉价格昂贵。

　　另一种方法是调整彩色滤光片的色阻厚度或是材料，但是这个部分相对于更换背光源来说相对困难，主要原因是面板厂在设计产品对应的彩色滤光片时，通常会先考虑到产品共用性，现在很多面板厂都将彩色滤光片的制程拉进面板厂里生产，等于是面板制造时的一个制程，而LED光源大部分是向外界厂商购买，而且当面板尺寸越大的时候，彩色滤光片的光罩越贵，有些甚至可以达到千万以上，所以在产品设计上会以光源来搭配现有面板加上彩色滤光片的色阻，

　　事实上，照明应所需要的光源特性和背光完全相反，因此照明应用希望尽量模拟太阳光，演色性要求要和太阳光相同。太阳光的光谱为一个连续性的光谱，其中包含了所有波长，传统光源中最近似于太阳光的是钨丝灯光源，钨丝灯的发光原理是高温所产生的热辐射而产生可见光波长，所以和太阳光一样是有着连续性的波长光谱。

　　抢攻显示/照明应用商机量子点萤光粉成关键利器

　　然而，除了热辐射外，还有什么方法可达成LED光源具备高演色性？演色性的计算使用的色度座标为CIE1964WUV色度座标，须求出标准样品在待测光源照明下的色度座标，接着再对标准样品与待测样品进行色度点的运算，再计算两色点的色差值。一般来说测试演色性须使用十四个标准演色性样品，前八种是颜色较不鲜艳的中性色彩，用来测验光源是否可以展现物体的一般色，而编号九到十二则分别是高饱和的红、黄、绿、蓝四种颜色，用来评量光源是否可显示具鲜艳色彩的物体，第十三个标准色样品是皮肤的颜色，而最后一个则是一般树叶的颜色，最后取十四个计算演色性的平均值即为待测样品的演色性。所以，若是要得到高演色性则必须具有这十四个波长的特性，也就是最好具有连续性的波长，且FWHM要宽。

　　现有的LED加上萤光粉因为技术成熟，且价格便宜，因此业界正大量使用，同时也是现今显示器光源和照明光源的主流，但是量子点萤光粉同时也是各家厂商重点研究的方向，量子点萤光粉主要的材料是硒化镉(CdSe)或是硫化锌(ZnS)，原理是将萤光粉大小缩小到奈米(nm)等级，藉由控制不同的萤光粉粒径大小来控制所激发的波长。

　　2012年Nanosys和3M合作提出了一个增加现有显示器色域的方法，在现有的显示器表面外加上一层量子点萤光粉膜，这样的设计在成本上并没有增加太多，但却可以达到WideColorGamut(WCG)的效果。Nanosys将这种产品叫做QuantumDotEnhancementFilm(QDEF)，但是因为量子点萤光粉和PET材料混合射出成薄膜，仍然会被外界温度和湿气所影响，导致整体可靠度和效率不如预期，给人有叫好不叫座的感觉，无法达到实际产品量产水准。

　　接下来，索尼(Sony)在2013年美国消费性电子展(CES)中展出了新一代的显示器，拥有4K×2K的高解析度，高反应速度及高色彩饱和度。索尼新一代显示器也是使用量子点萤光粉技术，其结构是在一个扁平型的玻璃管中涂满量子点萤光粉，光源仍是使用蓝光LED光源，其中量子点萤光粉主要成分是硒化镉，供应商为QDVision；玻璃管供应商为隆达电子，由背光模组厂负责组装，这样的产品可达到广色域的效果及成本的优势，并避免原本量子点萤光粉对于环境湿度及温度影响发光效率及寿命的不良因素。另外，因为玻璃管中抽真空，虽然增加了制程上的难度，但是对于可靠度可提升约50%，效能提升约10%，索尼这种55寸电视贩售的价格约在3，000～3，500美元之间，属于高阶机种。图1是使用量子点萤光粉的光源和萤光粉背光源的差距，可以看到若是相同NTSC下，使用量子点萤光粉的背光源发光效率是一般萤光粉的1.18倍。

　　在照明部分，量子点萤光粉同样的也很容易达到高演色性的效果，只是因为量子点萤光粉的价格过高，到现在还没有普及，不过只要可均匀的控制不同粒径大小量子点萤光粉的分布，就有机会做到高演色性的理想光源。

　　LED加上量子点萤光粉有可能变成理想光源的一种。未来量子点萤光粉改善的重点有三大项，首先是结构改善，现有量子点萤光粉基本上为ZnO及GaO两种，其转换效率最好。第二是制程改善，目前既然不能改善量子点萤光粉的结构，那就利用制程来做改善，所以才会有将量子点萤光粉混入光学薄膜(OpticalFilm)中和封在玻璃灯管中的想法，这些想法主要是为了将量子点萤光粉远离热源及避免环境水气和温度影响，未来将量子点萤光粉结合灯具设计也是一种很好的想法。第三是节省用量，量子点萤光粉的价格非常昂贵，10公克约新台币1万元，基本上比黄金还贵，所以在制程改善上皆以节省用量为主。

　　综观所述，2013年会量子点萤光粉会因为各家厂商的研究，而逐渐由显示器的背光源普及到照明光源的应用，藉此强化LED光源的演色性与广色域，产业界亦相信此一技术会因持续改善而获得市场普及，并扩大LED市场商机。