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量子點（quantum dot, QD）技術在去（2023）年獲 得諾貝爾化學獎，現階段已經成功地被應用於顯示器產品，以實現更佳的顯示器色彩飽和度、對比度和能效。本文將根據過去的研究發展歷史和產業發展軌跡，以五年為一階段，分為三個階段，預估未來量子點技術發展。
 
第一階段是「現有產品的價值提升」，主要集中在顯示器領域，提升觀看體驗，在市場更廣泛應用。第二階段是針對「衍生性的新技術產品的發展」，例如發展微型顯示器，滿足用戶對移動設備的需求。第三階段則是「創新性的技術發展」如量子點晶片，將量子點技術應用於晶片製造開發出更加智能、高效的元件，在光電、通訊、能源等領域發揮作用。以下將詳述各階段的特色與前景。
 

第一階段－提升現有顯示器價值

量子點技術作為當前顯示器技術進步的重要推手，已在家用顯示領域得到廣泛應用，可以預估在未來的五年內會持續蓬勃發展。自2016年三星電子（Samsung Electronics Co., Ltd.）首次引入量子點概念，並從2020年起積極推廣量子點顯示技術（quantum dot light emitting diodes, QLED）以來，液晶顯示器（liquidcrystal display, LCD）配合量子點薄膜的組合，顯著提升了顯示器的影像品質。回顧過去，索尼（Sony）在陰極射線管（cathode ray tube, CRT）電視時代引入特麗霓虹管後，曾引發市場換機熱潮。而傳統LCD受限於光源和彩色濾光片的技術限制，在色彩與亮度對比上遭遇到有機發光二極體（organic light-emitting diode, OLED）技術的挑戰。
 
在業界廠商將量子點薄膜整合進LCD後，使得含有量子點材料的LCD顯示器在色彩表現上大幅超越了OLED電視，更增加了它的商業價值。為了在市場上與LG的OLED電視競爭，三星將原先使用LED背光的LCD電視升級，引入量子點技術後更名為QLED電視。量子點材料的導入大幅提升了LCD技術的價值，為面對挑戰的面板產業注入了新的活力。而原本的OLED顯示器，因為受到量子點技術的威脅，也開始引入了量子點色轉換技術，成為所謂的QD OLED電視，進一步提升了OLED電視的價值。
 
與此同時，另一項正在開發中的Mini LED技術屬於直接顯示器的應用，業界簡稱為「Mini LED直顯」，將為戶外及半室內中、大型顯示看板帶來變革。直接顯示器技術利用LED晶片作為發光源，每個顯示像素由紅、綠、藍三種LED晶片組成子像素，混合後呈現豐富多彩的全彩畫面。此類技術要達到高品質的顯示效果，需要配置數萬至數十萬個LED晶片作為顯示像素。然而大功率、高亮度LED晶片需要焊接於電路板上，且看板還需要裝設散熱裝置，增加了它的體積，且應用場域也受到限制。目前，此技術發展正聚焦於提升亮度、解析度，同時努力減少顯示器體積和降低晶片成本等多方面。量子點色轉換技術在此應用中也被視為關鍵技術之一，尤其是在藍光LED晶片上搭配紅色和綠色量子點薄膜，不僅能產生豐富的色彩，還能簡化電路設計、節省晶片成本，展現出極大的應用潛力和經濟效益。
 

第二階段－量子點結合微型顯示器

在接下來的五到十年間，量子點技術預計將在特殊光源和下一代微型顯示器方面取得顯著進展。目前，微型顯示器的發展重點放在實現虛擬實境（virtual reality, VR）、擴增實境（augmented reality, AR）、混合實境（mixed reality, MR），主要應用為Micro LED與Micro OLED兩種技術。近來Apple Vision Pro搭載的Micro OLED技術一推出便引起市場關注，引領了未來生活與工作的方向。臺灣憑藉現有在LED產業的深厚基礎，也正在積極發展Micro LED技術，此技術以它的高亮度和色彩純度著稱，但同時也面臨著製程複雜和成本高昂的挑戰。
 
結合量子點色轉換技術〔註〕與Micro LED技術，在微型顯示器應用展現了巨大的優勢。在Micro LED技術的發展路線上，目前看來採用「單一藍色晶片加上紅色和綠色量子點色轉換薄膜」的方案最具優勢。由於藍色InGaN LED晶片的成本最低、效率最高且穩定性最好，若以此晶片作為單一光源，並引入紅色和綠色量子點色轉換薄膜來擴展顏色範圍，只需一次巨量轉移過程，具有明顯的技術優勢。近年來也有研究發展無巨量轉移製程，直接將紅色、綠色量子點薄膜，塗布在未切割並製作好驅動電路的藍光LED晶圓上，不僅降低了晶片和製程成本，更實現尺寸更小、密度更高的晶片排列，加快了高解析度Micro LED應用的實現。引入量子點技術的QD Micro LED，將成為推動臺灣LED和顯示器產業轉型至VR/AR/MR新時代的關鍵因素。
 

〔註〕回顧過去顯示器技術的發展歷程，採用單一光源配合色轉換材料成功解決了多數顯示問題。無論是過去的CRT顯示器、液晶顯示器，或是LG公司的白光有機發光二極體（WOLED）電視，都是利用電子束或白光光源，再加上三種色轉換薄膜來實現顏色顯示。CRT顯示器使用三種螢光粉薄膜轉換電子束成為三種顏色的光，而LCD和WOLED顯示器則是通過白光光源配合不發光的彩色濾光片來產生紅、綠、藍單色光。

 
而臺灣發展QD Micro LED的關鍵，是建立量子點材料產業體系，以及調整剛形成的Micro LED產業架構。前者關乎到臺灣產業長久以來的「加工製造者心態」的改變。對於前者，過去產業已習慣採購國外原料與設備，再以降低製程成本方式來營運公司，以至於曾有毛三到四（產品毛利3∼4%）的有趣說法。目前雖有改善，例如特殊的成功案例臺積電，主要是臺灣西部廊道的便利交通、地理環境、教育與本地人力素質，加上政府與全體人民支持，創造了資金與技術障礙，並促使跨國科技公司與各國政府進一步支持。而對比的案例則是較低技術門檻的產業，例如個人電腦組裝代工與面板業，當另一個具有低廉人力成本的地區獲得了相同的技術、設備與原料，並在當地政府扶植時，即會快速地使產品成本下降，造成產業鏈外移、衰落。
 
另一個關鍵因素，是Micro LED產業鏈的調整問題。在Micro LED顯示器發展歷程中，從初期追求三種晶片的巨量轉移，調整為以巨量修復為主。近來逐漸靠向量子點色轉換搭配單色晶片巨量轉移，代表著產業鏈的興起與某些投資項目的殞落。
 
從目前的技術路線看起來，QD Micro LED應會是先行的技術，因此如何納入量子點材料是相關業者需要努力的課題。另外要注意的是，Micro OLED也有機會引進量子點色轉換技術，發展成為新一代的QD Micro OLED。總而言之，經過目前顯示器面板產業的驗證，量子點材料技術在未來產業發展中已經是不可或缺的，發展到其他應用產品中，只是時間早晚的問題，亟需產業加速投入。
 

Micro LED在製造研發上的困境

Micro LED顯示器要實現全彩影像顯示，需要配置三種不同波長的LED晶片，並通過「巨量轉移」技術精確地將數百萬至數千萬顆Micro LED晶片轉移到電路基板上，此過程的良率有限。由於尋求達到100%良率的策略在產品成本控制上並不可行，因此轉而採用「巨量轉移＋巨量修復」的策略，對轉移後出現的缺陷進行修復。
 
此外，由於使用了三種不同波長的LED晶片，意味著三種晶片的發光效率、驅動功率、顯示亮度和可靠性等存在差異，需要整合這三種晶片到同一個電路基板上，並通過IC來驅動，使它們顯示不同的顏色和亮度，使得製程變得更加複雜。因此，不論是在晶片的使用數量、電路基板設計還是驅動IC的設計方面，使用三種晶片的Micro LED成本都相對較高。另外，當出現幾顆損壞的LED晶片時，顯示器就可能出現壞點，導致被認定為不良品，因此採用三晶片的Micro LED製程需要克服成本和經濟效益的挑戰。另外，當LED尺寸縮小到10微米（μm）以下時，因為材料缺陷問題，紅色LED晶片的效率極低，這個問題目前還未得到解決。
 

第三階段－量子點晶片技術

前兩階段的量子點技術發展，主要聚焦於利用量子點的色轉換特性，將它作為一種卓越的奈米級螢光粉使用。而量子點在本質上，作為一種展現獨特量子效應的半導體材料，其實有更多的應用空間。國際上對於將量子點進一步發展成半導體元件與晶片的研究愈來愈重視，預計將在未來的10∼20年間將有更多的進展。相較於本文前面提過的色轉換應用型態，量子點的多元應用可以通過兩種方式來理解：量子點在色轉換上可視為一種被細化的材料，類似於將矽晶圓磨成矽粉的應用；另一種則是直接將量子點製成半導體元件，類似於把矽晶體製備成矽元件的過程。
 
量子點晶片的製作過程與固態半導體磊晶元件類似，但它的獨特之處在於量子點晶體會預先製備好，隨後再透過加工轉化為電子元件。此過程可以透過低成本的濕式塗布、印表機噴塗、轉印等方法，製備成為量子點顆粒薄膜。值得注意的是，這種量子點顆粒薄膜具有出色的光電性質，甚至超越傳統的磊晶薄膜。透過在量子點薄膜上鍍覆其他薄膜或電極，並將它們集成為元件，便能製造出各類半導體晶片和光電元件，例如類似氮化鎵LED晶片的發光二極體晶片、類似矽太陽電池的太陽能儲能晶片、類似矽或砷化鎵光感測元件的光感測半導體晶片、雷射半導體晶片，以及類似OLED、Micro LED或Mini LED晶片的顯示元件等。另外，量子點可以由不同材料製備，因此衍生出各式各樣的量子點晶片，包含矽量子點晶片、硒化鎘量子點晶片、鈣鈦礦量子點晶片等。
 
由於傳統半導體元件在某些特定波長範圍，例如短、中、遠紅外光範圍的製造面臨著磊晶技術和成長條件的限制，而量子點晶片則在這方面具有顯著的優勢。藉由預先製備不同的量子點材料，並利用合成技術精確控制晶體尺寸及能隙（energy gap），就可以調整和獲得所需的物理性質。隨後再以簡易的加工方法，將量子點塗布成薄膜，便可製成半導體晶片和元件。這種製程和成本優勢，為未來的應用開闢了廣闊的前景，將有機會開發出更加智能、高效的元件，在各種領域包括光電、通訊、能源發揮極大的作用。而臺灣也應盡快把握此一技術發展的趨勢，從面板顯示器、微型顯示器到量子點晶片，搶占產業先機。