量子點電視是什么?原理大分析

krisunny · 發(fā)表于 2017-6-5 10:09

1990 年開始，全球展開了第一輪的電視大躍進，體積巨大陪伴我們超過半世紀的陰極射線管(Cathode Ray Tub，CRT)電視被體積較小的液晶電視(Liquid Crystal Display，LCD)取代，目前已經成為客廳里的主角。但科學家追求電視畫面色彩畫質與厚度縮小的目標仍然沒有停止，經過幾年發(fā)展，厚度超薄顏色更豐富的“有機發(fā)光二極管”(Organic Light Emitting Diode，OLED)與“量子點”(Quantum Dot，QD)電視日趨成熟，成為后起之秀漸漸取代液晶電視的可能性愈來愈高，我們來看看這兩種未來新型顯示器到底有什么不同吧。

光的三原色

在了解顯示原理前，我們先來理解一下各式顯示技術中彩色是如何達成的，他們均是以紅(Red，R)、綠(Green，G)、藍(Blue，B)3 種顏色“不同亮度”即可組合成連續(xù)光譜中幾乎所有可見光的顏色，因此我們稱紅、綠、藍三色為“光的三原色”。如圖一所示，假設有一個方格用來顯示某一種顏色，這樣的方格稱為“像素”(pixel)，將這個方格垂直切割成三個小方格，分別代表 RGB 3 種顏色，這樣的小方格稱為“次像素”(Sub-pixel)。

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▲ 圖一：紅、綠、藍三種顏色不同亮度即可組合成連續(xù)光譜中幾乎所有的顏色。

色彩的顯示

可見光有無限多種顏色，圖二為“色度坐標圖”(Chromaticity diagram)代表肉眼能看到的所有顏色，光的波長就是顏色，光有多少種波長，就有多少種顏色，而前面所說的紅色、綠色、藍色其實只是一個大概的視覺感受，不同的發(fā)光組件所產生的光其實波長多少都有些差異，因此利用不同的發(fā)光組件所能產生的色彩并不同相。傳統(tǒng)以白色發(fā)光二極管(White LED，WLED)為背光源的液晶電視(LCD-TV)稱為“LED-TV”，要注意雖然廠商稱它為 LED-TV，實際上它是“以 LED 為背光源的 LCD-TV”，它是使用“彩色濾光片”(Color filter)產生 RGB 3 種顏色的光，圖中的三角形頂點就是 RGB 3 種顏色，而三角形內的顏色就是這種電視所能組合成的所有顏色(三角形愈大代表可以組合成的顏色愈多色彩愈真實)，顯然并不能組合成肉眼能看到的所有顏色，但是這已經足夠制作電視讓我們看到真實的影像了;后來有廠商開發(fā)出不同白光發(fā)光二極管(LED)與彩色濾光片產生的 RGB 3 種顏色，可以組合成更多的顏色(紅色三角形)，稱為“廣色域 LED-TV”，但是這兩種電視都是使用彩色濾光片過濾白光產生 RGB 3 種顏色，而且目前工業(yè)上背光源所使用的白色發(fā)光二極管(LED)顏色受限，因此可以組合成的顏色仍然不夠多;由圖中可看出有機發(fā)光二極管電視(OLED-TV)產生的 RGB 3 種顏色可以組合成更多的顏色(綠色三角形);而量子點(QD-TV)產生的 RGB 三種顏色可以組合成更多的顏色(藍色三角形)。

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▲ 圖：二色度坐標圖(Chromaticity diagram)。

有機發(fā)光二極管

有機發(fā)光二極管(OLED)又稱為“有機電激發(fā)光”(Organic Electrical Luminescence，OEL)，其構造如圖三所示，將可以發(fā)出紅光、綠光、藍光的“有機發(fā)光半導體”(一種會發(fā)光的有機分子)加熱蒸鍍在導電玻璃上，再蒸鍍金屬電極，直接對不同顏色的有機發(fā)光半導體施加電壓注入電子與電洞，電子與電洞在有機發(fā)光半導體內結合發(fā)光。它的構造簡單，亮度夠高，可惜有機發(fā)光半導體其實就是一種“有機分子”(類似塑料)，由于發(fā)光的材料性質不穩(wěn)定，造成生產時良率很低，成本一直降不下來，而且使用壽命較短，用久了會褪色，因此過去一直都是少量使用在單色顯示器上。經過十幾年來的努力，南韓的三星(Samsung)與樂金(LG)成功改善了良率的問題，目前已經量產 60 吋以上的彩色電視，只剩下售價過高的問題，看起來似乎已經慢慢看到它的商業(yè)價值了。

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▲ 圖三：有機發(fā)光二極管(OLED)構造。(Source：LG)

量子點電視(QD-TV)

科學家發(fā)現當材料的尺寸小到 100 納米以下時會產生“量子局限效應”(Quantum confinement effect)，此時電子與電洞被局限在納米材料內形成自組的穩(wěn)定態(tài)，造成發(fā)光性質的改變，而且納米材料的尺寸愈小時，材料發(fā)光強度愈強，發(fā)光的波長愈短(藍色)，這個現象稱為“藍移”(Blue shift)，如圖四所示，不同顏色的光波長不同，所以光的波長就是顏色，在可見光中紅光的波長最長，綠光次之，藍光最短，換句話說，當納米材料的尺寸大，發(fā)光強度較弱，顏色為紅光(波長最長);當納米材料的尺寸變小，發(fā)光強度變強，顏色為綠光(波長次之);當納米材料的尺寸更小，發(fā)光強度更強，顏色為藍光(波長最短)。

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▲ 圖四：量子局限效應的“藍移”。(Source：Tae-Ho Kim et al., Heterogeneous stacking of nanodot monolayers by dry pick-and-place transfer and its applications in quantum dot light-emitting diodes, Nature Communications, Article number: 2637, Published 06 November 2013)

傳統(tǒng)白色發(fā)光二極管(WLED)發(fā)光的原理是以藍光發(fā)光二極管(Blue LED, BLED)晶粒發(fā)出藍光照射 YAG 熒光粉，熒光粉吸收藍光產生白光，如圖五 (a) 所示，前面提到這種組件的 RGB 顏色受限，可以組合成的顏色仍然不夠多，因此我們可以直接使用量子點(QD)取代熒光粉稱為“量子點發(fā)光二極管(QD-LED)”，如圖五 (b) 所示，利用這種組件為液晶顯示器(LCD)的背光源可以增加 RGB 顏色，如圖五 (c) 所示，因此可以組合成的顏色大大增加，而且并不需要修改太多液晶顯示器(LCD)的構造，成本最低，但是仍然必須使用彩色濾光片。

如果要再增加 RGB 顏色則可以使用藍色發(fā)光二極管(BLED)為背光源，如圖五 (d) 所示，經由液晶面版呈像，并且將量子點直接印刷在面版上形成不同的次像素取代彩色濾光片，受到藍光背光模塊的照射，紅色的量子點吸收藍光會發(fā)出紅光，綠色的量子點吸收藍光會發(fā)出綠光，藍色的量子點吸收藍光會發(fā)出藍光，其中藍色的像素因為和背光模塊顏色一樣因此可以不使用藍色的量子點，最后的量子點電視(QD-TV)的構造如圖六所示。

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▲ 圖五：白光發(fā)光二極管與量子點發(fā)光二極管(QD-LED)電視構造示意圖。

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▲ 圖六：量子點電視(QD-TV)構造示意圖。
結論

傳統(tǒng)以白色發(fā)光二極管(WLED)為背光源的液晶電視(LCD-TV)市場已經成熟，在技術上也沒有太多可以改善的空間;雖然有機發(fā)光二極管電視(OLED-TV)產生的 RGB 3 種顏色可以組合成更多的顏色，但是良率較低造成價格較高，短時間之內好像也無法全面推廣使用;而量子點電視(QD-TV)產生的 RGB 3 種顏色可以組合成最多的顏色，而且并不需要修改太多液晶顯示器(LCD)的構造，的確是目前可行的方法之一，不過要記得，其實量子點電視也是一種液晶電視，它仍然要靠液晶呈像，因此它仍然是一種液晶電視，市場營銷引用“量子點”(Quantum dot)這樣聽起來充滿“科技色彩”的名詞多半也是廣告營銷手法而已。在可以預見的未來，我們家中的電視一定會愈來愈薄，畫面色彩愈來愈豐富，讓我們能夠在電視里看到如同大自然一樣真實的畫面。

杭州全智賢 · 發(fā)表于 2017-6-5 10:40

淡定，淡定，淡定……

煙雨閣 · 發(fā)表于 2017-9-4 13:15

ZNDS的教程簡直男默女淚啊！

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