驚艷視覺、精準呈現?QLED 量子點電視

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量子物理、量子糾纏,不少與量子有關的酷酷名詞充斥我們的生活,不僅如此,隨著影音串流平台的發展,越來越多人講究顯示器的品質。量子點電視(QLED)成為許多影視消費者熱愛的產品,它宣稱能夠精準控色,且能發射色彩更鮮明的影像,究竟量子點電視是廣告噱頭還是真有其事呢?讓我們繼續看下去⋯⋯

撰文|黃鼎鈞

 
圖2:消費者在賣場購買顯示器,時常為了顯像與呈色駐足|來源:Motionelements

隨著媒體串流平台的盛行,隨手就有玲瑯滿目的影集或電影可以選擇,人們對於家中的影視設備就更為講究,能夠呈現鮮豔色彩的高畫質螢幕成為賣場中的焦點商品,特別是近年火紅的「量子點電視」,此類產品多主打亮暗分明、色彩精準、高度控光,成為許多消費者的選擇。量子物理的研究帶動整個科技的發展,許多科幻電影也常以此為發想,創造出許多腦洞大開的情節,就像今年火紅的漫威電影〈蟻人與黃蜂女:量子狂熱〉。

量子的概念約莫在西元1900萌芽,多數人可能誤解量子是不是排序在聚合物、分子、原子及電子之後的更小物質。其實,量子是一個概念,指的是在物理現象中一種基本作用量,起因於一個最小單位的整數倍[1]。就像目前新台幣的最小幣值是1元,所有的金額都會是1元的整數倍;電子的基本帶電量為 1.602 x 10-19庫倫,電子的帶電量一定會是此數值的整數倍。那麼,量子點電視究竟為什麼能來視覺饗宴呢?

 

量子點聽起來很酷,到底什麼意思?

量子點指的是奈米級尺寸的半導體晶體,這尺寸與玻爾半徑相當[註一],電子將被限縮在量子點中,稱為量子限制效應(Quantum confinement effect)。電子被困在量子點中,電子的能階會被離散,當施加能量於量子點時,會導致電子由基態(ground state)躍遷到激發態(excited state),這樣來回躍遷的過程將產生特定頻率的光。電子在量子點中有如一條小魚被困在一個非常小的魚缸,無法四處悠遊,便會原地擺動濺出水花。電子在量子點中的躍遷,會產生極狹窄的的發射光譜。舉例來說,一般日光燈管產生的紅光,涵蓋了頻率為400~484太赫茲[註二]的紅光,但由量子點產生的紅光僅以特定頻率發射,也就是包含非常狹窄的頻率寬度。以硒化鎘(CdSe)所形成的3nm量子點為例,能夠產生單一頻率為476太赫茲的紅光。對人的視覺來說,單頻率的紅光看起來會比涵蓋多頻率的紅光更為強烈。

圖3:此為可見光光譜。以紅色為例,紅色的範圍內包含了多種不同的紅色,由深到淺,一般的光源產生的紅色其實是包含「某個範圍」的紅色,但是量子點可以產生僅具同一個波長(或說頻率)的紅色,所以顏色看起來才會更為鮮明|來源:Wikimedia commons

 

圖4:電子在能階中躍遷的示意圖,藍色的圓圈代表電子,當電子躍遷至激發態又返回基態時,會發出對應能階能量的光。一個能階的能量差是固定的,因此只會發射出特定能量的光,也就是特定頻率的光|來源:改編自 Wikimedia Commons

 

 量子點要怎麼做出來呢?
圖6:量子點是電子困在奈米級的半導體晶體裡面,使電子形成激發態,進而發出光。概念就像一個小魚被困在很小的魚缸中,無法自由游動,僅能原地擺動濺出水花|來源:Motionelements

製作方式有許多種,在此介紹一種普遍認為CP值最高的方式-水熱法(Hydrothermal method)。此方法是將金屬鹽溶解於水產生金屬離子,並使環境處在高溫(通常介於100~300 oC)及高壓(50~200 bar)的水熱爐中[註三],這樣的環境下,金屬鹽會與表面活性劑產生反應,由於表面活性劑同時具有親水及疏水的特性,能夠吸附金屬離子且避免金屬離子互相結合,進而形成金屬薄膜或塊材。因此,水溫、壓力及表面活性劑的劑量都會影響量子點的成長速率、大小及形狀,不同的量子點具有不同的發光特性,透過調整以上的參數,便可製作發射不同頻率光線的量子點。就像若將魚缸縮得更小,被困住的小魚就能濺出更高的水花,若是做一個奇形怪狀的水缸,小魚擺動的姿勢可能也會變得更滑稽,水花的型態也會被改變。

 

 量子點電視真有其事!

當我們瞭解量子點可以產生狹窄光帶的光線後,就知道為什麼量子點電視具有「精準控色」的能力。現今多數的量子點電視是透過量子點分佈在一個薄膜上,再將薄膜放入顯示器裡,以LED燈作為背光,LED發出的光將先射入薄膜,激發薄膜中的量子點成為激發態,進而發出特定頻率的光線。因此,薄膜可以先過濾掉不需要的色彩,再由量子點加強欲呈現的顏色頻率,進而達到色彩分明且能精準控色的效果,這樣的機制稱為光致發光量子點(Photo-emissive quantum dot)。

另一種方式則是電致發光量子點(Electroluminiscent quantum dot),此方式則是直接透過電流激發量子點,使量子點發光產生色彩,由於此方法不像光致發光,是先以一個光源發光,再由量子點加強色彩,是單以量子點作為所有顏色的光源,這樣的製程更為複雜,成本也更加高昂,因此電致發光的量子點顯示器仍在實驗的階段。

圖6:顯示器成為了現代許多人家中娛樂必備的科技產品|來源:Motionelements

量子物理的發展已逐步邁向人類生活,讓我們擁有更便利的科技,可以在家中享受過去只能在劇院中的娛樂。在挑選電視的同時,除了選擇自己喜歡的顯色方式,盡情享受追劇看片的娛樂之外,也不要忘記保護自己的眼睛,時不時讓眼睛休息一下喔!

 

 

 

 

 


註釋

[註一]:玻爾半徑指的是原子中,電子與原子核之間的距離。

[註二]:此為頻率的單位,1太赫茲等於1012赫茲。

[註三]:一大氣壓為1.01325 bar。

 


參考資料

  1. Halliday, D., & Resnick, R. (2017). Fundamentals of physics (11th ed.). Wiley.
  2. Rec.2019,19, 1729 – 1752
 

 

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