歐盟禁鎘令再收緊！含鎘量子點和Micro LED何去何從

就在5月下旬，歐盟（EU）通過更新自2017年以來實施的一項規定，收緊其對在電子設備中使用有毒金屬鎘（Cd）的限制。但業內人士表示，歐盟的這項新規定不會對目前的顯示器業務產生太大的影響，因為大多數制造商在全球范圍內生產的顯示器件都已符合這樣的要求。

十多年前，含鎘量子點（QDs）首次進入顯示器應用，量子點是一種特殊的半導體晶體，它在受到光或電的驅動時，會發出和其尺寸相關的顏色的光。除了使用鎘，量子點也可以使用磷化銦等其他材料制成，通過將LED背光的白色或藍色光“降頻”為紅色或綠色，量子點材料被廣泛用于LCD顯示器的顏色轉換。其結果是，新的顯示器能夠再現更為生動的色彩，包括具有寬色域的高動態范圍（HDR）。

鎘也是歐盟委員會（EC，歐盟的執行機構）通過其有害物質限制（RoHS）規則監管的元素和化合物之一，該規則始于2006年，旨在限制消費電子產品中有害化學品的使用。RoHS規則（特別是指令2011/65/EU）限制了鉛和汞等物質的使用，通常以百萬分之一（ppm）為基礎設定限制。例如，“同質部分”中鉛和汞的限量為1000 ppm，而鎘的限量僅為100 ppm。

不過，行業如果可以證明使用這些限制性材料能夠帶來相比于潛在替代品更為突出的性能、效率或相關環境效益（例如，較少的電力消耗），則可以在一定程度上申請RoHS規則的豁免。通常，此類豁免請求需要由第三方進行評估，然后由申請方向歐盟委員會提出。

實際上，鎘材料早已經被用于照明和顯示，這是歐盟委員會在德國Oeko研究所進行長期評估和建議后于2011年批準的豁免。當時，基于硒化鎘（CdSe）的量子點比任何其他替代品都要高效可靠，3M等公司已經在開發用于薄膜封裝的CdSe量子點。歐盟委員會批準了這項豁免，允許“每平方毫米發光面積含有不超過10微克的鎘”，即每平方米（大約相當于一臺65英寸電視的大小）10克鎘。

Palomaki咨詢公司的所有者兼首席科學家Peter Palomaki表示，雖然單位不同，但很明顯，這一新的鎘含量要求要遠高于RoHS規定的100ppm標準限值。2017年，該豁免隨后又被更新，僅允許每平方毫米發光面積0.2微克（或每平方米0.2克）。Palomaki也承認，歐盟所制定規則中不同的計量單位可能會令很多人困惑。

“每平方米0.2克，是對整個顯示區域上使用的限制，這與ppm測量非常不同，ppm測量的是單位質量內允許的有害物質質量，”Palomaki解釋道：“ppm測量針對的是一個同質的部分，這種同質性意味著它不能被物理分解成更小部分。”

根據Palomaki的說法，QD增強膜（QDEF）不能算作“同質部分”，因為它實際由三層組成：頂層、QD中間層和底層。Palomaki認為QD中間層才是受100ppm規則約束的“同質部分”， QD供應商Nanosys Shoei也認同這一觀點。

“我們是按對這個中間層的管控來做的，我們認為這才是對歐盟規則的正確理解，這是歐盟制定這一規則的初衷，”Shoei Chemical Nanosys的營銷副總裁Jeff Yurek表示：“不過，我們也要承認，目前市場在這方面還存在一些爭論。”

雖然上述39(a)號豁免下0.2克的用量限制原定于2019年10月到期，但它一直持續到2024年，這是因為歐盟委員會考慮了照明和顯示器制造商的幾項延長請求。在考慮Oeko研究所于2022年末發布的另一份關于鎘使用的深入評估和建議后，歐盟委員會在2023年之前征求了公眾對新建議的意見，并于今年3月份對此進行了投票。

更新后的規則，豁免39（b），直到今年5月21日才正式公布。制造商現在有18個月的寬限期，直到2025年11月21日，以完全遵守新規定。

“在過去的七年里，制造商必須遵守的是0.2這個數字，”Palomaki說：“這一期間，100 ppm一直是無效的，現在的規則是0.2。不過18個月后，0.2的限制將會消失，它又會回到100 ppm，這將是所有產品的通用標準。100 ppm規則將適用于烤面包機烤箱、微波爐和冰箱。所有消費電子產品都將遵守100 ppm這一歐盟的RoHS要求。當然，電視和顯示器的鎘含量也將會回到100 ppm的標準限值。”

雖然在歐盟國家銷售電視機需要在技術上符合RoHS規則，但畢竟歐盟是一個巨大的市場，Palomaki和Yurek都希望制造商能夠讓他們的電視機符合新規則。Yurek表示，一般來說，原始設備制造商（OEM）不愿意為不同的國家生產不同的型號，所以這也將會延伸到目前生產大量液晶顯示器的中國制造商。

“他們希望有一個可以在世界各地發貨的SKU(最小庫存量)，所以這將會成為他們最難滿足的規定，” Yurek說道：“不過我們能夠滿足了這一點，我們可以支持他們將產品賣到其他任何地方。”

考慮到電視機的典型制造周期，符合新規定的產品型號將會于1月發布，春末上架，假期期間會大量銷售，Nanosys建議其所有客戶都能確保其2025推出的型號符合新規定。

Yurek說：“不過，他們中的大多數現在已經這么做了。”

鎘豁免規定變化的意義重大，按照歐盟的說法，之前的豁免39（a）“沒有區分鎘基材料嵌入量子點的不同方式”，而新的豁免規則39（b）對此進行了更正。

根據該規定附帶的歐盟委員會解釋性備忘錄，量子點的三個主要應用是“On-Edge技術”，即量子點被設計在位于LED芯片附近的遠程組件上；“On-Surface技術”，將量子點封裝在覆蓋整個顯示區域的薄膜中；以及“On-Chip技術”，即量子點直接設計在LED表面并封裝在其LED封裝內。

根據新的豁免規則39（b），只有第三種On-chip應用現在不受鎘限制，不過它僅用于顯示器，該豁免僅面向“直接沉積在LED半導體芯片上，用于顯示和投影的降頻半導體納米晶體量子點中的鎘”。該限制為每平方毫米LED芯片表面最多5微克鎘，每個設備（即顯示器）的最大鎘含量為1毫克。另外，以上所有類別的豁免將于2027年12月31日到期。

歐盟委員會對此解釋時表示，On-Edge應用，如索尼早期的“Triluminos”邊緣照明液晶電視，將其QD封裝在玻璃管中，這種方案已經過時。同時，傳統使用含鎘量子點最多的On-Surface應用也能夠輕松在市場上找到它的無鎘替代品。歐盟表示，固態照明領域的On-Chip技術也有了它的無鎘替代品，這也是為什么照明應用沒有包括在更新的豁免條款中。但相比之下，顯示器領域的無鎘On-Chip技術的發展還很滯后，可能還需要四到五年的時間。

歐盟委員會表示：“對于一些新技術，如微型顯示器，目前還沒有市場上可用的無鎘替代品，或像和目前含鎘On-Chip那樣可靠的替代方案。”

雖然豁免條款39（b）中的變化似乎會對當前使用量子點的LCD和QD-OLED電視機產生重大影響，但事實是，自2013年推出第 一臺基于量子點技術的電視以來，量子點的鎘使用量已大幅減少。首先，一些世界領先的電視品牌從未在其QDEF電視機中使用鎘，他們一直依賴使用一些由磷化銦制成的QD，其中包括排名前兩位的三星和LG，另外索尼也不再使用含鎘方案。

其次，另一些制造商選擇了一種折中的QDEF方案，這種方案含有一定用量的鎘，但用量符合RoHS標準中鎘含量低于100ppm的限制。這些產品可能含有90ppm的鎘，甚至99ppm。根據歐盟規則，制造商有義務在電視機背面貼上一個“無鎘”標簽，就像使用磷化銦量子點的電視機一樣。

Palomaki指出，這些符合RoHS規定的顯示產品在獲得部分鎘元素帶來的好處的同時，比如較小的半高峰寬（更高的顏色純度）和更高的效率，而不違反RoHS規則。不過，當消費者發現這些產品還是含有鎘的時候，可能還是會產生一些對其營銷方式的抵制情緒，因為前述“無鎘”標簽顯然有點誤導。

“根據法規要求，制造商必須在任何鎘含量低于100 ppm的顯示器背面貼上一個無鎘的標簽，” Yurek說：“所以OLED顯示器有這樣的標簽，基于磷化銦量子點的液晶顯示器有這樣的標簽，鎘含量低于100 ppm的液晶顯示器也有。我們對這種處理感到非常迷惑，這不是我們所認為合理的處理方式，客戶或消費者的認知也是這樣，不過這是目前歐盟的處理方式。”

最后是第三種使用QDEF的含鎘顯示器方案，這種方案的QDEF，鎘在其膜層內的部分超過100ppm的極限，不過，對于整個顯示產品仍低于0.2克的閾值。這些電視在未來18個月內不受RoHS限制，但之后必須降低鎘濃度才能在歐盟市場銷售。

“這些產品現在正在市場上銷售；你甚至可以在美國市場的電視上找到它們，”Palomaki說：“我還沒有測量濃度；這種狀態下測量鎘元素濃度本身就很困難。但我可以通過一些較為簡單的測量方式來判斷哪些含鎘，哪些不含鎘。”

根據Palomaki的說法，通過使用光譜分析儀，他能夠很容易地判斷出哪些QDEF產品中含有鎘。“我可以通過光譜中紅色和綠色峰的寬度來判斷，”他說：“這其中有一個非常明確的閾值——磷化銦量子點的發光光譜，其發光光譜的半高峰寬一般大于35納米。作為對比，含鎘量子點的半高峰寬通常小于30納米，比如25納米，有時甚至能達到22納米。因此，鎘量子點和磷化銦量子點之間有很大的區別，從光譜上看，你幾乎可以馬上分辨出區別。”

“我們在屏幕前面看到的顏色再現效果除了和量子點的發光光譜特性有關以外，還和器件中許多其他物質有關，”他說道，“舉一個例子，LCD內的彩膜就會對顏色質量和亮度產生巨大影響。TCL對彩膜的選擇和三星對彩膜的選擇可能完全不同，三星使用磷化銦量子點而TCL使用含鎘量子點，這些都 可能導致最終進入我們眼睛的光線大不相同。”

Nanosys在2017年推出了Hyperion，這是一款新的QD產品，具有類似鎘的光學性能，其標準BT.2020色域覆蓋率可以達到90%，這在當時引起了業內的轟動。這種方案中，Nanosys結合了無鎘紅色發光量子點與超低鎘含量的綠色發光量子點，這樣在提高光學性能的同時，突破了歐盟的RoHS限制。不過，Yurek表示，他的感覺是，市場上使用Hyperion的產品還是很少，盡管他不確定確切的庫存。

“現在的情況是，QDEF薄膜制造商已經能夠將紅色和綠色鎘基量子點結合起來，同時讓鎘含量不超過100 ppm，” Yurek說：“這在一定程度上是因為量子點的性能有所提高，因此它們不需要那么多量子點就能獲得目標光學性能。”

Yurek還提到，Nanosys還有低成本xQDEF的擠出產品方案，它將擴散板技術與量子點相結合，雖然它也使用鎘，但遠低于100ppm的RoHS限制。這是因為這種方案使用了重量大得多的擴散板。

Yurek說：“這些雖然都是含鎘方案，但是根據RoHS新法規的定義方式，它們都遠低于100 ppm的限制。”

Nanosys多年來一直在生產大量的磷化銦量子點，所以他們一直是敦促歐盟委員會取消液晶顯示器鎘豁免的公司之一。Yurek表示，盡管含鎘量子點的性能仍比磷化銦量子點好一些，但使用它們的品牌往往更注重成本，所以不會額外搭配使用DBEF等有助于進一步提高電視亮度的組件。然而，使用磷化銦量子點材料的品牌正在努力通過優化其電視設計，以實現最 佳的整體性能。

“我們向他們展示的一個事實是，如果你去買電視，市場上性能最 高的電視都是不含鎘的，” Yurek說：“之所以有這種現象，影響制造商設計選擇的絕不僅是量子點材料的類型。”

Yurek和Palomaki都表示，目前他們尚不清楚擁有鎘豁免權利的On-Chip方案將如何用于Micro-LED的開發，畢竟從制造角度來看，Micro-LED技術仍處于初級階段。

“這很難，因為在Micro-LED領域還沒有一種公認的、廣泛使用的量子點實施策略，”Palomaki說：“業內和學術界提出了很多不同的想法，比如在每顆單獨的Micro-LED芯片上噴墨印刷量子點材料。比如制造一種周圍有儲液器的Micro-LED，然后將量子點沉積到所包含的儲液器中。儲液器可能有傾斜的壁或直壁，所有這些都將改變最終進行顏色轉換所需的量子點數量，但模具尺寸保持不變。因此，理論上，實現顏色轉換的方式，不同家可能有很大的區別。”

無論哪種方式，Palomaki預計Micro-LED制造商將確保他們能夠滿足5微克的限制，或者最 好達到100 ppm的限制。“這樣他們就再也不用擔心了”，Palomaki補充道。

目前，Nanosys已經在與應用材料公司合作，以共同開發Micro-LED的無鎘顏色轉換方案。應用材料公司的方案，是在發紫外光的Micro-LED上使用Nanosys的紅色、綠色和藍色無鎘量子點。Yurek表示，其他客戶也在為他們的Micro-LED方案尋找無鎘量子點方案，順著Nanosys的技術路線，他們將不會為Micro-LED顏色轉換或電致發光量子點（EL-QD）顯示技術開發任何含鎘量子點方案。

“我們認為，發展要向前看，我們需要把鎘拋在腦后，不要再和鎘打游擊戰，”Yurek說：“我們之前有這么做過，不過未來這么我們不想再做了。”