儀器名稱：陰極射線管顯示器
量子應用：電荷量子化 (Charge quantization)

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趙軒磊 | 特約編輯 (臺灣大學化學系)

陰極射線管顯示器 (CRT) 起源於 1890 年代。德國物理學家卡爾‧費迪南德‧布勞恩 (Karl Ferdinand Braun) 以威廉‧克魯克斯爵士 (Sir William Crookes) 於1874年發明的克魯克斯管為基礎，設計了布朗管。透過在螢幕上塗上螢光材質，使電子束撞擊螢光粉而產生陰極發光 (cathodoluminescence)，並加長玻璃管長度、加大玻璃管截面，使得人類可以更加自由地控制電子束飛行方向，進而產生期待的圖像。

如今的傳統電視機，是將鎢絲放入玻璃管陰極處，並在鎢絲處通以數千伏特的電壓，使鎢金屬因高溫發生放出電子束的熱游離 (thermal emission) 現象。這個現象，跟愛因斯坦提出的光電效應的光游離的結果類似，但是機制有所不同。這個裝置的玻璃管需要保持真空狀態，以避免鎢絲受氧化而失去功能，當電子進入玻璃管後，便可以藉由電磁鐵控制電子束的移動軌跡，讓電子撞擊螢幕上不同的位置。

顯示幕上的螢光塗層多為含銀的硫化鋅。當高能電子束打到螢光塗層時，會發生非彈性散射並產生二次電子，將含銀硫化鋅的價帶電子激發至傳導帶，接著被激發的電子與價帶的電洞結合並釋放光子，形成我們眼睛看到的影像。

資料來源

1. 維基百科：陰極射線
   
2. 維基百科：陰極射線管
   
3. 維基百科：陰極射線發光
   
4. 泛科學：用過手刀劈電視嗎？淺談「始祖螢幕」的誕生--如何從笨重的CRT進化到超薄液晶？
   
5. 股感：陰極射線管顯示器(CRT)的構造與原理
6. 電腦王：為什麼20年前被淘汰的CRT螢幕，變成了復古遊戲「神器」？

儀器名稱：等離子顯示器
量子應用：自發輻射 (Spontaneous emission)

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楊允中 | 特約編輯 (臺灣大學化學系碩士生)

電漿顯示器 (PDP) 又稱為等離子顯示器，首次於 1964 年出現，不過因為價格昂貴，所以只被應用在特別的領域。一直到大約在 2007 年，才開始普及用於市售的大型電視。不過在 2013 年左右，因成本高於 LCD 電視且對比度不及 OLED 電視，因此退出市場。

電漿顯示器，顧名思義是利用電漿來發光的一種顯示器。電漿是物質的一種高能量狀態，是有別於固體、液體、氣體的第四種物質狀態。電漿和氣體一樣，形狀和體積不固定，會依著容器而改變，並且是由帶電粒子組成。電漿顯示內部有很多格放電空間，裡面充滿著如氦、氖、氙等等的惰性氣體，並在每個格子中存有對應的紅綠藍磷光質。當通電時，這些氣體被高壓電游離，形成電漿態。因為電漿是高能態，在正常環境下不穩定。這些惰性氣體會放射紫外光回到基態，然後紫外光照到磷光質，即產生對應的顏色。

電漿在正常環境下不穩定而放射光，是因為自發輻射 (spontaneous emission) 的現象所致。自發輻射描述當一個系統如原子，在高能階狀態自發性地掉至低能階狀態並放光，放出光的波長對應到高低能階之間的能量差，這是一個量子躍遷的過程，需要利用量子力學才能解釋。事實上，使用非相對論性的量子力學並無法解釋自發輻射的發生，需要利用在量子場論中提出的真空態 (vacuum state) 存在，讓原子、分子激發態與真空態發生交互作用，才能說明自發輻射的現象。

資料來源

1. 維基百科：等離子顯示器
2. 維基百科：Plasma (physics)
3. 維基百科：Spontaneous emission
4. Vacuum State

儀器名稱：液晶顯示器
量子應用：光偏振態的疊加 (Superposition of polarized lights)

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毛威凱 | 特約編輯 (臺灣大學化學系碩士生)

液晶是一種介於液體與固體之間的特殊狀態。液晶分子在受到外加電場作用的時候，可以進行旋轉，像磁鐵一樣改變自己的方向，從而使整個液晶形成更有序的晶體結構。世界上第一台液晶顯示器 (LCD) 起源於 1970 年代，美國企業 RCA 的研究員 Wolfgang Helfrich 利用液晶的有序結構，製作出類似於偏振片的效果。這種技術被廣泛的應用在現代液晶螢幕，又被後人稱為 TN 液晶。

在液晶與電場的交互作用下，我們可以控制光線的偏振，再配合偏振片，若是讓光線偏振方向，與偏振片方向的夾角越接近九十度，則通過的光線越弱。這個現象，其實隱含了量子現象中疊加態的概念—光的偏振方向，可以看作是兩個垂直偏振方向的疊加。

舉例而言，一道垂直向的偏振光，是不能被轉換成水平向的偏振光的。但是它可以被看作是，斜向四十五度與負四十五度的兩個偏振方向的疊加，使一半的光線可以通過斜向的偏振片，而通過的光線偏振也將被旋轉為四十五度，又可以被看作是垂直與水平向的偏振疊加，使再一半的光線可以通過水平向的偏振片，這就是著名的三偏振片悖論 (Three-polarizer paradox)。

相較之下，通過垂直偏振片的光，是不能直接穿透水平偏振片的。相較於相差九十度的偏振片，在中間插入夾角較小的偏振片，來緩慢改變光偏振角度的話，便可以減少光線的能量損耗。而液晶螢幕，就是透過液晶分子來充當中間的偏振片，藉由液晶結構上緩慢的角度改變，進而達到在小範圍內控制光線的明暗與顏色。

資料來源

1. Quantum Principles Illuminated with Polarized Light
2. H. Kawamoto, "The history of liquid-crystal display and its industry," 2012 Third IEEE HISTory of ELectro-technology CONference (HISTELCON), Pavia, Italy, 2012, pp. 1-6, doi: 10.1109/HISTELCON.2012.6487587.

儀器名稱：有機發光二極體
量子應用：分子電致發光 (Electroluminescent)、電子共振 (Electronic resonance)

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洪加城 | 特約編輯 (臺灣大學化學系碩士生)

於 1950 年代，法國南錫大學的安德烈‧伯納諾斯 (André Bernanose) 在吖啶橙 (acridine orange) 材料通入高壓交流電，首次觀察到了分子材料的電致發光 (electroluminescent) 現象。1960 年代，紐約大學的馬丁‧鲍勃 (Martin Pope) 成功用 400V 的直流電，使純蒽單晶和摻雜並四苯的蒽晶體發光。1987 年，柯達公司的化學家鄧青雲和史蒂夫・范・斯萊克 (Steven Van Slyke) 發明了實用的 OLED。這個 OLED 採用雙層結構，具有獨立的電洞傳輸層和電子傳輸層，電子電洞的結合和發生放光的有機層。這個設計，使所需的工作電壓降低和放光效率提高。

OLED 的放光是一個電致發光 (electroluminescent) 的過程，大致分成4個步驟。首先，透過外加電壓，陰陽極上的電荷，會從電極端分別流入電子傳輸層與電洞傳輸層，隨後傳輸層上的電荷，會被轉移到中間的有機發光材料，並在有機發光材料上形成激子 (exciton)，最後激子會釋放它的能量並放出我們看到的光。

然而，有機分子的放光大多落在紫外光的範圍。而 OLED 電視中的有機發光材料，之所以能夠發出人眼可見的可見光，是因為採用的發光分子中有許多的電子共軛結構。這些共軛結構存有電子共振的性質，當有機分子中共軛結構越長，電子可以自由移動的範圍就越長。藉由量子力學中簡單的盒中粒子模型，我們知道電子可以自由移動的範圍越長，激發態與基態之間的能量差就越小，便可以放出波長比紫外光長的可見光。因此，這些用於 OLED 的有機材料都需要有共軛結構，讓其放出的光是在可見光範圍，而化學家也可以透過控制這些分子的結構，設計出可以在不同顏色放光的有機發光材料。

資料來源

1. Wikipedia：OLED

儀器名稱：量子點增強背光模組
量子應用：量子侷限效應 (Quantum Confinement Effect)

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施麗釵 | 特約編輯 (臺灣大學化學系碩士生)

目前市面上的量子點電視又稱量子點顯示器 (QLED)，本質上是一種背光模組經過改良的液晶顯示器 (LCD)。不過量子點優異的光學性質，使其相較於傳統的液晶顯示器有更好的色彩表現。量子點是顆粒半徑為奈米等級的半導體材料結晶。根據量子侷限效應，半徑越大的量子點中的電子能階差越小，因此不同大小與形狀的量子點對應到的電子態能階差不同，各自能夠吸收與發射特定波長的光。若將量子點製作成量子點薄層，並將該層置入於液晶顯示器之背光模組，即可以用於顯示設備。

量子點顯示器成色的原理，基本與液晶顯示器相同。例如：在模組中放置紅色 (R) 與綠色 (G) 的量子點薄膜，並配合背面的藍色 (B) 照明，便可以組成特定的 RGB 顏色。不過，傳統液晶顯示器藉由白光來產生特定色光，造成了背光的浪費，而量子點藉著充分利用量子侷限效應，讓發出的光有很窄的顏色範圍，達到非常鮮明的影像，除了能降低背光亮度的浪費，同時也提升了顏色的飽和度，讓色彩看起來更加純淨。

如今消費者考慮購買高階的新電視時，主要會在量子點顯示器 (QLED) 與有機發光二極體顯示器 (OLED) 兩者中做選擇。這兩種顯示器的運作原理不同，量子點顯示器除了價格相對便宜外，通常也擁有比 OLED 較高的色彩精準度以及更長的壽命，然而因為還是使用背光技術，當需要展示全黑的畫面時，量子點顯示器有較差的表現。目前已有公司投入開發直接利用量子點的電致發光 (electroluminescent) 來製作顯示器，有機會消除目前量子點顯示器的缺點。

資料來源

1. What is a Quantum Dot TV?
2. OLED、QLED 是什麼？又有甚麼差異呢？解說懶人包 - 3c 未來室