何謂量子點

「量子點」(quantum dot)是準零維(quasi-zero-dimensional)的奈米材料，由少量的原子所構成。粗略地說，量子點三個維度的尺寸都在100奈米(nm)以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內部電子在各方向上的運動都受到侷限，所以量子侷限效應(quantum confinement effect)特別顯著。由於量子侷限效應會導致類似原子的不連續電子能階結構，因此量子點又被稱為「人造原子」(artificial atom)。科學家已經發明許多不同的方法來製造量子點，並預期這種奈米材料在二十一世紀的奈米電子學(nanoelectronics)上有極大的應用潛力。

若要理解量子點這種奈米材料，則必須由量子力學(quantum mechanics)出發，試讓筆者道來。我們知道電子具有粒子性與波動性，電子的物質波特性取決於其費米波長(Fermi wavelength)

λF = 2π / kF   ， kF為費米能級的波數

在一般塊材中，電子的波長遠小於塊材尺寸，因此量子侷限效應不顯著。如果將某一個維度的尺寸縮到小於一個電子波長（如圖一所示）時，此時電子只能在另外兩個維度所構成的二維空間中自由運動，這樣的系統我們稱為「量子井」(quantum well)；如果我們再將另一個維度的尺寸縮到小於一個電子波長，則電子只能在一維方向上運動，我們稱為「量子線」(quantum wire)；當三個維度的尺寸都縮小到一個電子波長以下時，就成為「量子點」了。（註1）

圖一、量子井、量子線、量子點與電子的物質波波長比較關係示意圖

資料來源: http://nano.nchc.org.tw/v1/dictionary/quantum_dots.html

量子點也是一種奈米級半導體材料，其依照「光激發光」的原理，在吸收能量較高的光波後，電子會產生能階躍升，而當電子從高能階的狀態降到低能階的狀態時，則會發射出波長較長（偏紅光系）的光。不同粒徑的量子點會發射出不同波長的螢光，以硒化鎘（CdSe）量子點材料為例(如圖二)，當量子點尺寸為2nm 時，光激螢光為藍光，而在改變量子點的尺寸之後，其光激發螢光波長即改變為綠光(4nm)、黃光(5nm)、橘光(6nm) 與紅光(7.5nm)等，故而可知光激發螢光的色階辨識，也極適合應用於估算奈米量子點材料之量子點尺寸。

圖二、硒化鎘（CdSe）量子點尺寸與色階辨識

資料來源: http://www.raytheon.com/

相較於傳統螢光材料的有機染料分子，量子點具有螢光亮度強、光穩定性佳、以及利用單一波長的紫外線光源，便可以激發出多種不同波長的光波之特性。其光波為一狹窄且對稱的波形，且可重複激發，因此螢光時效可以持久。這些特性吸引了科學家們的重視，量子點的應用也越來越多樣性，深具取代傳統螢光粉的潛力。目前已知的量子點技術可以廣泛地應用於藍光雷射、光感測元件、單電子電晶體、記憶儲存、觸媒、量子計算等。在生醫工程上可製成各種螢光標籤，應用於生物檢測的「基因條碼」或「蛋白質條碼」等。

量子點技術與液晶顯示器

一般傳統的液晶顯示器通常是由液晶面板模組與背光模組所構成，其中背光模組包含有發光源、導光板、反射板、擴散板、增亮膜及偏光板等六種元件，其目的是將點或線光源有效轉化成高亮度且均勻的面光源，以提供人眼均勻且高亮度的面板視覺效果。近年來，液晶顯示器在大尺寸及低價格的市場趨勢下，背光模組製造技術的提昇主要是在於輕量化、薄型化、低耗電、高亮度及降低成本等因素的改善上。

Apple近期量子點專利一：「具備彩色濾光片的量子點強化顯示器」

言歸正傳，筆者撰寫本文的重點在於介紹美國蘋果(Apple)公司新近公開的幾件專利申請案，藉以介紹蘋果公司如何將此量子點技術實際應用於液晶顯示器上。首先，要為讀者們解說的是極具基礎專利價值的「具備彩色濾光片的量子點強化顯示器」(QUANTUM DOT-ENHANCED DISPLAY HAVING DICHROIC FILTER)一案，其專利申請案公開號碼為US20130335677，標題中的「彩色濾光片」亦可稱為「二向色性分光鏡」，是取其具有半反射與半透射之特性而名之。

該量子點強化顯示器的組裝結構如圖三所示，該結構包含一採用側光式設計的藍光LED背光源(202)，一導光板(204，Light Guide Panel，LGP)，一量子點強化膜(206，Quantum Dot Enhancement Film，QDEF)，該量子點強化膜內具有複數個紅光(208A)與綠光(208B)量子點螢光粉，一彩色濾光片(210，Dichroic Filter，DCF)，一棱鏡片(212，Prism)，一反射式增亮膜(214，Double Brightness Enhanced Film，DBEF)，一液晶面板模組(216，LCD Panel)， 以及一反射板(218，Reflector)，該反射板上具有複數個反射凸塊(224)。

自背光源LED發射出來的藍色光波(220)在穿越量子點強化膜(206)之後，即會產生由紅、藍、綠等三原色混合而成之白色光(222)。

圖三、具備彩色濾光片的量子點強化顯示器

資料來源: USPTO， 20130335677公開號專利申請案

該量子點強化顯示器的工作原理如圖四所示，自背光源LED發射出來的藍色光波(502A)在進入量子點強化膜(206)之後，大部分的藍光(502B)會被反射回導光板，該藍光(502B)又被反射板(218)反射至量子點強化膜，藍光(502C)的情況亦相同於前述。如此反覆進行的光波行程將有助於改善面板色彩的均勻度，同時，當藍光激發紅光 (208A)與綠光(208B)量子點螢光粉時，該量子點材料就會分別產生紅色光與綠色光並穿越彩色濾光片(DCF)，進而混合成白色光(222)。

該件專利的說明書裡，更進一步地列出可製成量子點螢光粉之材料清單，名目繁多，包括有：II-VI族的CdSe、 CdTe、 ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 ZnO、 HgS、 HgSe、 HgTe、 CdSeS、 CdSeTe、 CdSTe、 ZnSeS、 ZnSeTe、 ZnSTe、 HgSeS、 HgSeTe、 HgSTe、 CdZnS、 CdZnSe、 CdZnTe、 CdHgS、 CdHgSe、 CdHgTe、 HgZnS、 HgZnSe、 HgZnTe、 CdZnSeS、 CdZnSeTe、 CdZnSTe、 CdHgSeS、 CdHgSeTe、 CdHgSTe、 HgZnSeS、 HgZnSeTe 和 HgZnSTe。III-V族的GaN、 GaP、 GaAs、 GaSb、 AlN、 AlP、 AlAs、 AlSb、 InN、 InP、 InAs、 InSb、 GaNP、 GaNAs、 GaNSb、 GaPAs、 GaPSb、 AlNP、 AlNAs、 AlNSb、 AlPAs、 AlPSb、 InNP、 InNAs、 InNSb、 InPAs、 InPSb、 GaAlNP、 GaAlNAs、 GaAlNSb、 GaAlPAs、 GaAlPSb、 GaInNP、 GaInNAs、 GaInNSb、 GaInPAs、 GaInPSb、 InAlNP、 InAlNAs、 InAlNSb、 InAlPAs 與 InAlPSb。IV-VI族的SnS、 SnSe、 SnTe、 PbS、 PbSe、 PbTe、 SnSeS、 SnSeTe、 SnSTe、 PbSeS、 PbSeTe、 PbSTe、 SnPbS、 SnPbSe、 SnPbTe、 SnPbSSe、 SnPbSeTe 和 SnPbSTe 以及第 IV族的Si、 Ge、 SiC 和SiGe等化合物等，由以上鉅細靡遺之量子點螢光粉材料清單可知，Apple公司在其量子點技術的研發成果的保護上面，是盡其可能的在專利說明書裡包含最多的實驗結果以擴大其設計多樣性，擴大其可能的均等範圍，始能極大化所取得專利排他權的嚇阻效果。

圖四、具備彩色濾光片的量子點強化顯示器

資料來源: USPTO， 20130335677公開號專利申請案

Apple近期量子點專利二：「量子點顯示器的光源混合」

其次，筆者要為讀者們解析的也是極具基礎專利價值的蘋果公司「量子點顯示器的光源混合」(LIGHT MIXTURE FOR A DISPLAY UTILIZING QUANTUM DOTS)一案，其專利申請案公開號碼為US20140036203。如圖五所示，為一量子點片(400)之背光源組件，其上有複數個量子點畫素(404，Pixel)，每一個量子點組合包含3個子畫素螢光粉群，即分別為紅、藍、綠三原色之子畫素螢光粉群。當LED或紫外線背光源(406)的光波投射至該量子點片之後，即可激發每一個量子點螢光粉顆粒成為一等向性(isotropic)之光源，然後該光源組合所發射出的光波可進而混合成白色光。

圖五、量子點顯示器的光源混合

資料來源: USPTO， 20140036203公開號專利申請案

一般傳統的LCD面板業者都了解，只要能把背光源的紅、藍、綠三原色之色純度做得越好，則面板就越能達成「廣色域」(Gamut)的應用目的，而其通常的改良方法，不外乎從背光源或是彩色濾光片方面來著手。而圖六所示的該量子點技術研發成果之三原色頻譜與強度的比較，正足以說明量子點技術在改善面板色彩表現上，有其獨到之處，且極為符合專利制度中所謂「進步性」的判斷原則。該圖中的實線部分表示一具有量子點片的背光源頻譜分布曲線，其三原色之純度與強度，皆遠勝於未具有量子點片的虛線部分者，由此可知，量子點技術在光電產業的色彩學發展史上，確為一空前未有之新發明。

圖六、量子點顯示器的光源混合

資料來源: USPTO， 20140036203公開號專利申請案

Apple近期量子點專利三：「量子點顯示器的背光亮度控制」

緊接著前述的技術內容，筆者要為讀者們介紹的第三件蘋果公司專利申請案，是「量子點顯示器的背光亮度控制」(BACKLIGHT DIMMING CONTROL FOR A DISPLAY UTILIZING QUANTUM DOTS)一案，其專利申請案公開號碼為US20140035960。參照圖七所示，該背光模組的構裝包含一採用側光式設計的LED背光源(302)，一反射板(306)，一導光板(308)，第一棱鏡片(310)，一擴散板(312，Diffuser)，一量子點強化膜(322)與第二棱鏡片(314)等。

依照本專利的名稱和技術內涵而言，乍看之下，可以說是老生常談，了無新義。所謂顯示器的亮度控制技術，早在60年前的陰極射線管（Cathode Ray Tube，CRT）顯示器產品，就有使用類似的概念了。此外，以該背光模組的構裝層次來看，它既非利用「消去法」，也非利用「替代法」表現其可專利的特性，反而是以純粹的「加法」行之，也就是說，加入一片量子點強化膜，便是其與傳統LCD面板之間唯一的差異之處。究其實情，筆者以為這是和前述的圖六當中，說明了該量子點強化膜為一空前未有的創新發明有關，同時，本專利之說明書中也強調了利用「頻寬調變」(Pulse Width Modulation，PWM)的電路設計，不但可以精確地控制背光亮度，同時也等於精確地控制了三原色的頻譜與強度，該項技術可以進一步解決有關「色偏」的潛在問題，並能使顯示器具有省電、高亮度與廣色域等優點。

由上述解說可知，本案其實是搭上量子點技術的便車，將「顯示器的背光亮度控制」作為一項根基於量子點強化板而衍生之技術專利，其策略是為了強化整體專利佈局的陣容，以達到阻卻競爭對手介入產品市場的目的。

圖七、量子點顯示器的背光亮度控制

資料來源: USPTO， 20140035960公開號專利申請案

Apple近期量子點專利四：「量子點顯示器的微機電控制開關」

最後，筆者要為讀者們介紹的第四件蘋果公司專利，是「量子點顯示器的微機電控制開關」 (MEMS SHUTTER CONTROL FOR A DISPLAY UTILIZING QUANTUM DOTS)一案，其專利申請案公開號碼為US20140036536。

請讀者們參考前述之三件專利內容以及圖八所示，當電源(708)提供一驅動信號與固定元件(704)時，可吸引制動元件(706)向固定元件(704)移動，同時也帶動了開關元件(702)產生位移，讓光波(710)通過該開關元件(702)，反之，若無驅動信號的話，則光波將會被該開關元件阻隔。同時，本實施例亦可利用頻寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)技術來驅動電源(708)的工作週期(Duty Cycle)信號，以便控制光波通量的大小，並藉此一操作原理達到廣色域的要求。

圖八、量子點顯示器的微機電控制開關

資料來源: USPTO， 20140036536公開號專利申請案

為進一步說明該微機電控制開關的工作原理，請讀者們參考圖九所示的構裝模組900，要留意的是其量子點片(906)組件是置於上層模組內，而不是如前例所述的背光模組內。該構裝模組900包含一背光源(902)，一下蓋玻璃與一微機電控制開關組件(904)，一量子點片(906)與一上蓋玻璃(908)。

圖九、量子點顯示器的微機電控制開關

資料來源: USPTO， 20140036536公開號專利申請案

圖九的實施例是以3束來自背光源的光波922、924與926為例，該3道光束分別通過微機電開關910、912與914，進而分別激發了量子點片(906)內的三原色之子畫素螢光粉群916、918與920，隨之而產生的紅、藍、綠三原色光束，在進入上蓋玻璃內的畫素組件(928)之後，即可混合成白色光輸出。

傳統的液晶面板模組是以驅動液晶旋轉的方式來決定三原色的光通量，然而本案的最大特點就是利用微機電控制開關組件取代了傳統的液晶面板模組，換言之，就是以微機電元件取代了液晶材料，如此一來該項發明同樣可以達到控制色彩顯示的目的。

短評

由以上的4件專利內容可知，蘋果公司正在積極地深入研究這個量子點顯示技術的各種應用，以便於未來導入各式蘋果推出的3C系統裝置中。不過，以筆者的實務經驗來看，前述的微機電開關組件似乎有不易實施的缺點，其開關的速度與頻率是否真的優於液晶旋轉的動作，頗令人存疑；而且，該開關的使用壽命與可靠性若不如預期的話，極有可能在開關故障之後，造成大量的壞點而導致採用該等技術的顯示器提前報廢。另一方面，目前量子點螢光粉的量產難度極高，價格也極昂貴，主要的瓶頸是在於如何在大量製造時，仍能掌控量子點尺寸的精確度與均勻度，因此，業界普遍認為必須要等到其製程能力獲得顯著改善且價格合理化之後，才能將量子點顯示器技術進行大量的商品化。

不過，專利的布局，本來就是追隨技術的研發，先佔先贏，而且這樣的量產良率與成本問題，其實只要投入努力就會被突破，所以蘋果公司無視其現在量產不易的缺點，仍申請該等技術的專利，殊值各位效法。

其次，量子點技術的應用，目前除了顯示器的背光模組以外，國內廠商最有可能切入的市場應該是LED照明設備，這二者產品的主要應用目的之差別是在於前者強調「廣色域」，而後者則是強調「演色性」(Color Rendering Index，CRI)的性能。換言之，LED照明設備必須加上量子點技術才能達成近似連續頻譜光源的效果，以便於模擬太陽光下的色彩表現。

最後，筆者由TRIZ系統化研發創新方法論的觀點來看量子點技術的發明，這個主題應該是要歸納於ARIZ，即「發明問題的整體解決演算法」範疇之內。同時，量子點技術的發明也符合技術系統的6個演化趨勢當中所謂的「由整體趨向分割」的定義，換句話說，LCD面板的三原色組合，將會是由單一的大尺寸彩色濾光片組件，走向分散之量子點奈米材料，本例不但符合TRIZ方法論的技術預測理論，同時也是一項卓越之跨科學領域的創新發明。因此，筆者要再次呼籲我輩工程師們，在面對產業升級與改良改善的專業挑戰時，學習TRIZ等系統化研發創新方法論，應是各位提升專業能力與解決實際問題的必備工具，而對於高科技產業的工程師們來說，學習進階的ARIZ等整體問題解決方法架構，更能得到提升創新發明能力的一大助力，希望大家共勉之。

附註：

1. 資料來源: http://nano.nchc.org.tw/v1/dictionary/quantum_dots.html

作者： 胡竹林 現任： 北美智權教育訓練處 資深研發創新顧問 經歷： 高通顯示器 微機電顯示器資深經理 華晶科技 工程部經理 友達光電 資深工程師 加州大學洛杉磯分校 電機研究所碩士

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