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量子點（quantum dot,QD）是典型的奈米材料，因為在去（2023）年獲得諾貝爾化學獎而聲名鵲起，目前已經在學術與產業界引起了廣泛的關注，並成功地被應用於顯示器產品中。現階段量子點技術的發展主要聚焦於三大領域：量子點材料製造、色轉換技術應用，以及量子點晶片的開發。愈來愈多的國際公司投入量子點材料製造，實現色轉換技術的商業應用，而未來的量子點晶片開發也正在迅速發展中。
 

量子點技術發展的三大重點

在「量子點材料製造」方面，小量的量子點合成製程可在一般實驗室進行。而在大規模製造下，關鍵挑戰是如何精準控制量子點的尺寸、表面化學控制，以及微觀性質的量測。量子點的獨特性質，例如能帶間隙（band gap）和發光波長，都是由它的尺寸決定。對於直徑僅數奈米（nm）的量子點，像是硒化鎘（CdSe）量子點僅僅0.2nm的尺寸變化或數百個原子的差別，就足以在物理及化學性質上發生顯著變化（圖一）。因此，精確控制量子點晶體的平均尺寸及分布，是所有量子點材料技術發展的重要基礎。量子點是一個接近分子尺寸的奈米晶體，成長過程極為迅速，任何微小的時間和溫度差異都可能導致目標尺寸的變化。因此，在大規模生產中，些許的差異都可能會造成產品良率下降並難以控制最終產品性質，進而導致成本上升。

 
在量子點的「色轉換技術應用」方面，量子點作為一種半導體發光材料，能夠吸收高能量（短波長）的光並釋放出低能量（長波長）的光；此外，也能將紫外光或藍光轉換成為綠色或紅色光。量子點在轉換材料顏色的過程與螢光粉的工作原理類似，因此量子點也可作為一種高效率、高品質的奈米螢光粉。這項特性使它在照明和顯示器應用中極具潛力，使量子點也能以類似傳統螢光粉的方式，與封裝膠混合塗布至發光二極體上（light-emitting diode,LED）上，或摻入高分子塑膠薄膜中，成為量子點色轉換薄膜（QD Film）或量子點色轉換型發光二極體（QD LED）等產品，後者已經應用於電視螢幕。量子點色轉換技術的實際應用已達到產業發展階段，並形成了一個完整的產業供應體系，主要以韓國的三星電子（Samsung Electronics Co., Ltd.）及中國面板公司為主。
 
「量子點晶片」則是一種具有潛力的技術。它將量子點材料直接製成類似半導體磊晶晶片的結構，可以透過電流直接驅動，並根據不同的量子點材料開發出各種功能，包括發光、光感測、顯示等（圖二）。目前的半導體磊晶晶片製造需要在特定基板上，生長出多層無晶體缺陷的薄膜，最後再添加電極，以組成完整的晶片。由於高品質的薄膜通常需要在高溫、高純度、高真空等嚴苛條件下生長，製程較為困難且設備環境建置成本高，而且有許多材料的限制。相比之下，量子點晶片在製造上將材料成長和晶片製造過程分開，預先製備好量子點晶體，後續才進行晶片元件製造，可以更精確地控制材料組成和品質。相較於傳統的磊晶成長方法，預先製備的量子點材料不僅可以更容易地使用不同尺寸或性質的量子點材料，後續的印刷、塗布元件製程也更加簡易，所需的原料和設備成本也更低（圖三）。

圖二：量子點材料色轉換技術應用於各種產品。（清大量子點實驗室提供）


圖三：未來的量子點晶片技術。（a）自發光量子點顯示面板，左上插圖為像素點的晶片結構；（b）透明量子點光源與顯示應用。照片為塗布在軟性塑膠薄膜上的發光晶片，右下插圖為通電前的照片；（c）紅外光－可見光上轉換量子點晶片的應用。紅外光能量較低，可見光能量較高，因此也稱為上轉換元件。此晶片不需像素化，整面塗布量子點的晶片，即可顯示紅外光影像。量子點可預先製備好，並可以尺寸與成分控制它的吸收與放射光波長，目前420～1800nm的量子點材料與晶片已經成為研究焦點。（清大量子點實驗室提供）

在LED大放異彩，量子點的應用發展

自1980年代量子點材料的發現以來，學術和科技的研究內容不斷深入，涵蓋量子點的合成技術、量子性質、表面性質、核／殼磊晶結構等，以及有機分子配體與材料特性的表面化學研究等多個領域。量子點在生物標定、色轉換、照明和顯示器等應用方面展現了它獨特的創新潛力，形成一個龐大的科研和產業生態系統。此系統的核心技術和研究重點，聚焦於量子點晶體成長和表面化學性質的精確控制，並依賴於深化扎實的科研基礎。
 
在2000年代初，量子點已被應用於生物標定等領域，但由於市場規模相對較小，當時並未能大力推動這項材料在研究和應用的進一步發展。直到2005∼2010年間，美國量子點材料新創公司QD Vision推出了搭載額外紅色量子點薄膜的量子點白光LED，以改善當時白光LED在演色性（color rendering index）上的不足，不過這項技術當時未能普及。日本索尼公司（Sony）後來採納了量子點色轉換技術，提升液晶電視的顯示色彩，並與QD Vision合作於2012年開發量子點燈管背光技術，用於索尼的BRAVIA電視系列。三星則於2016年開始採用量子點薄膜技術，不僅提升了材料可靠性還推出量子點電視，而後進一步收購QD Vision加強液晶電視中量子點薄膜的應用，並品牌化為QLED電視。隨著供應鏈的完善，三星連續多年在消費電子展（Consumer Electronics Show, CES）上推廣量子點電視，使得量子點技術成為顯示器標準配置的一部分。繼美、韓產業界的發展，去年底中國也宣布將量子點材料視為國家長板產業，並投入大量資源以發展材料生產技術和建構產業鏈。
 
量子點技術得以導入顯示器產品有著重大意義，不僅標誌著量子點實際應用的新時代到來，也加速了相關材料和產品技術的發展。三星電子在推動量子點產業化的影響力巨大，儘管他們在2010年代初期才投入量子點材料的應用開發，相對其他公司而言較晚開始，且最初缺乏核心專利，但透過收購材料製造公司整合材料生產與產品應用，以及大幅增加研發投入，現在三星已成功開發量子點顯示產品，並成為行業領導者。
 
另一方面，美國Nanosys公司自2016年起，即在量子點原料製造領域處於領先地位。後來Nanosys更調整商業模式，從單純的原料銷售轉向提供技術配方和原料銷售，並進一步併購Micro LED產品公司，向下游產品整合，最終被日本原料供應公司收購。
 
由於量子點材料的表面化學性質差異，在後續加工過程中會被放大，導致產品應用時出現性能、分散性、穩定性等批次一致性問題。因此僅專注於單純材料生產與銷售的商業模式，並不利於量子點產品的導入與產業推動。除了缺乏基礎量子點表面科學研究的支持會限制對於材料性質的調整能力與創新外，後續在推廣、銷售量子點材料時，也會受到後端產品公司所制定的規格所限制。這種僅靠原料銷售的商業模式，將同時受制於上游研發創新能力、下游產品規格，使產品毛利難以提升。
 
目前在應用量子點技術最具有代表性的三星，透過內部實驗室和大學的合作，成功將科研成果轉化為商業產品，並藉由戰略性收購、融合量子點的製造技術和智慧財產權，整合至所開發的顯示器產品中，創造了QLED品牌的價值，建立從材料到產品的完整一條龍體系。
 

擁有先行技術，量子點技術在臺灣的進展

在臺灣的學術圈中，量子點技術的發展已有相當長久的歷史（表一）。臺灣大學、清華大學、陽明交通大學以及其他多所大學，早期均有相關研究論文問世。在研究單位方面，工業技術研究院（簡稱工研院）自2001年起便展開了相關專案研究。2002∼2005年期間，在國家型奈米計畫的推動下，更相繼展開前瞻計畫研究專案，並在量子點材料製造與色轉換技術方面取得多項專利，除了在國際期刊上發表相關研究論文，更有專文報導肯定，臺灣學界在此研究創新方面領先地位，學術和研究基礎十分穩固。
 
產業導入方面最早可追溯至2003年，友達集團相關公司凱鼎科技（現已併入隆達電子）與工研院材料與化學工程研究所（簡稱材化所）開始白光LED螢光粉開發專案的合作。他們也嘗試將量子點技術應用於藍色晶片以製造量子點LED，進而應用於顯示器的背光源，改善顯示器的色彩效果。因此，臺灣的產業、學術和研究界可說是量子點在顯示器應用技術的先行者。
 
自2014年起，國家科學委員會推出了萌芽計畫，鼓勵大學將實驗室中的研究技術轉化為產業化的成果。萌芽計畫促成數家新創公司成立，也包含了量子點材料製造公司，建立大量生產技術與核心專利，產品開發方向偏向面板與LED產業。目前，工研院材化所仍持續推動量子點材料技術的發展，並與學術界、產業界進行小型合作。

 
雖然臺灣掌握著量子點的量產相關技術，處於技術領先地位之一，但由於產業應用端的導入管道不易，且缺乏新創產品開發項目，因此產業界對於投入開發仍持觀望態度，例如在原料製造端大多仍停留在技術評估為主。另一方面，也有一部分企業選擇以商業採購原料的方式進行，這導致量子點技術難以建立起自給自足的供應體系。由於過去的代工經驗，臺灣產業界對原料供應商的評估主要為成本和供應能力，對本地仍處於萌芽狀態的新創技術支持力度較低。但主要的關鍵原料掌握在國外，將為產業發展帶來問題，也無法系統性地建立對量子點材料性質的了解，因此難以掌握材料特性以開發出創新技術產品。與此相比，日本和韓國的國際公司將科研成果轉化為產業化、創造品牌價值方面已有多次成功經驗，或許可借鑒他們的發展模式。
 
未來20年，量子點材料技術將迎來蓬勃發展的黃金時代。臺灣目前在量子點技術發展的關鍵在於整合材料基礎研究、量產技術及產品導入，將三者組織為上下游一體化的體系。在學術方面，我們可以持續不斷地創新量子點材料的合成技術，並探索它潛在的物理性質。此外，由合作法人研究單位將大學實驗室的研究成果進行大規模量產和具體化，也有利於學界與產業界的技術接軌。最終，由產業界將這些成果導入產品中。
 
考慮到臺灣產業界仍主要為以代工製造特性，單一公司內要建立科研成果商品化的內部循環體系較為困難。因此，可以由政府協助產業界成立較大型的研究專案，匯集法人研究單位和大學學術單位的研究能力。這些專案可以由政府支持和主導，並建立高度整合的產、學、研合作體系。讓臺灣發揮現有的學研與產業優勢，乘上量子點材料發展的浪潮。