量子點的新市場起飛

量子點的新市場起飛
知識通訊評論第81期

一種奈米尺度技術產生的量子點，給許多產業帶來市場新機，尤其是在照明技術前景看好。

十多年來，一種叫做量子點的奈米晶體，被認為必會對顯示科技、太陽能跟生物造影產業，帶來革命性的變化。然而量子點的市場一直都很小眾，只有少數公司將量子點直接賣給研究員，利用這些小粒子發展他們自己的產品，或是將這些技術授權給合作伙伴。

紐約市場分析公司「盧氏研究」的黃大衛 (David Hwang) 表示，量子點已經問世有相當一段時間了，但是要成熟卻要花上非常長的時間。價格是個關鍵障礙；量子點的成本每公克由三千美元到一萬美元，因此侷限其只能用在高度專精的應用方面。

不過產業分析師現在做出預測，這塊市場受到節能顯示與照明的需求助力，又有了較便宜、更有效率的製程，接下來數年會有極快速的成長。位於美國麻州的市場研究公司「衛勒斯里研究公司」二○○八年九月的預測，倚賴量子點製程的產品之市場總值，會從二○○八年的二千八百六十萬美元，成長到二○一三年的七億二千一百萬美元；其中光電產業從二○一○年開始，會有特別快速的成長。

數以斤計

大多數商業成品的量子點，會有個半導體核心，通常是鎘跟硒的混成物，直徑約二到十奈米。這個核心由外殼包覆，這外殼通常是由另一種半導體材料製成，外部還有一層聚合物或無機材質層。

量子點體積小，因而有其獨特的性質。光子撞擊到量子點，會從半導體材質中激發出一個電子，留下一個帶正電的「洞」，這個由電子跟洞組成的配對，就叫做激子(exciton).。在一塊半導體中，激子可以具有一個連續波段中的各種能量。但是在這些奈米尺度的量子點中，激子佔有各不相同的量子化能階。這意味著每個激發的電子跟洞結合時，會放出一個帶有獨特可預測波長的光子。比較小的量子點會發出藍光，同樣材質較大的量子點則會發出紅光。

縱然量子點的製成，最先是借用了電腦晶片產業的昂貴生產技術，不過目前大部分的量子點是以「濕的」化學方法製成，像是將有機金屬熱溶液注入溶劑中。然而為了降低量子點的生產成本，而想要將這種技法規模擴大，卻是相當棘手的事，因為溶劑體積增大後，要維持正確的溫度就很難。

位於英國曼徹斯特的量子點公司 Nanoco ，也許有應對之策。這家由曼徹斯特大學化學家歐布萊恩 (Paul O’Brien) 的研究團隊，於二○○四年設立的公司，研發出一種低溫批次製程，利用小型的種子分子，從試劑溶液中種出好幾公斤的量子點。根據美國奧瑞岡州貝佛頓市的 Vortex 公司執行長威廉斯 (George Williams) 表示，該公司開始嘗試一種連續製程，能夠以每公克不到十美元的成本，生產出大多數的量子點，每星期可達數公斤產量。

量子點的首度商業用途是在二○○二年，由加州的奈米科技先驅「量子點公司」推出第一批量子點生物造影藥劑。比方說連結在量子點外圍的化學群，就能夠掛在特定細胞上，給它貼上一個有用的發光標籤，以追蹤細胞的移動過程。幾種大小各異、散發不同顏色的量子點，還可用於同時追蹤多細胞過程。

最近有一項研究結果，針對一個存在已久卻知之不詳的難題，提供了解決之道，或許可對生物造影有所助益。有些量子點，特別是那些透過濕化學製程做出來的量子點，似乎會隨機的閃或是不閃。美國羅徹斯特大學的克勞斯 (Todd Krauss) 及其同事，在今年五月時宣布，他們將鎘、硒跟鋅組成的量子點核心，以及由前述三元素中的後兩者組成之外殼，彼此間界線混合起來，而消除了量子點的閃爍現象，他們已將研究結果發表於《自然》雜誌。

克勞斯認為要大規模製造這種不會閃爍的粒子，可能還需要個十年，他們也還不太清楚，這項發現是否適用其他種類的量子點。但他說倘若能夠做到，這個領域將會有相當可觀的躍進。

對於位在美國紐約州特洛伊市的量子點研發廠商 Evident 而言，即使生物造影產業造就了不少生意，該公司還是開始轉而利用他們的量子點，來微調發光二極體 (LEDs) 的顏色。量子點會吸收 LED 所產生出來，相對來說範圍較廣的波長，同時發散出範圍狹窄許多的光線，來製造出非常特定的顏色。該公司已經在販售量子點 LED 的裝飾彩帶，顏色從蔓越橘到深橙色都有。

Nanoco 的執行長艾德曼 (Michael Edelman) 同時也表示，使用該公司所生產量子點製造的平面電視背光模組，應該會在十八個月後上市。這個背光模

Nanoco 的執行長艾德曼(左一)

組結合紅色、綠色跟藍色的量子點 LED，比起傳統的背光模組，效率更高而發熱較少。

位於美國麻州水鎮的 QD Vision 公司，則準備要進入商業照明市場。這家公司是在二○○四年，由五位麻省理工學院的學者設立，其中有擔任該公司技術長的電機工程師柯‧蘇利文 (Seth Coe-Sullivan) ，以及協助發展出創造以鎘為主量子點的濕化學製程的巴文迪 (Moungi Bawendi) 。

QD Vision 與北卡羅萊納州夏洛特市的 Nexxus 照明公司合作，製造適用於商業與居家照明的量子點 LED 燈。 QD Vision 執行長伯頓 (Dan Button) 在五月初透露，這些燈具結合了 LED 照明的效率，以及白熱燈泡的較暖色調。他希望這些能夠成為白熱燈與鹵素燈的節能替代品，而不會產生螢光燈泡跟傳統 LED 燈具，經常使顧客望而卻步的刺眼白光。該公司期望在今年年底前，能夠開始讓這些價格介於五十到一百美元的燈具鋪貨。

黃大衛表示，這類合作案是市場上的普遍趨勢。他說這些公司有許多人相當倚賴大型合作案進行研發，然後將成果整合到產品裡。

光輝奪目

太陽能也能從這些小量子點受惠。研究者開始在太陽能聚光器裡使用這些量子點。太陽能聚光器是一種將光線從一大片區域，導向到一塊太陽能面板上的平面板。聚光器上使用有機染料，吸收並重新發散出光線，然後透過平面板彈射到安裝在邊緣的太陽能電池。

但是這種染料並不擅於吸收陽光裡的紅光，效率還會隨著時間遞減。量子點就比較牢靠，不但能夠收集光譜末端的遠紅光與紫外線光，也比較能夠捕捉到多雲天氣下的散射光。

奈米晶體

不過在英國倫敦帝國學院研發太陽能聚光器的夏騰 (Amanda Chatten) 表示，她很想買到高效率的量子點，但是價格還是一個大障礙。她說就目前而言，量子點每公克的價格，還是比有機染料貴了大約一千倍左右；要讓太陽能聚光器的價格在商業上可行，量子點的價格就必須降低個幾百倍才行。

然而儘管全球經濟不景氣，產業界仍然相當樂觀。 五月一日Nanoco 在倫敦證券交易所上市，股價從一開始的零點二一英鎊，六月八日已上漲至零點五六英鎊。艾德曼表示，該公司正忙著在曼徹斯特設立一座新的大型生產工廠，第二座工廠則計畫在亞洲設立。他說如果這個市場即將大開大展，他們就會需要很多原料。