量子点电视是什么?原理大分析

krisunny · 发表于 2017-6-5 10:09

1990 年开始，全球展开了第一轮的电视大跃进，体积巨大陪伴我们超过半世纪的阴极射线管(Cathode Ray Tub，CRT)电视被体积较小的液晶电视(Liquid Crystal Display，LCD)取代，目前已经成为客厅里的主角。但科学家追求电视画面色彩画质与厚度缩小的目标仍然没有停止，经过几年发展，厚度超薄颜色更丰富的“有机发光二极管”(Organic Light Emitting Diode，OLED)与“量子点”(Quantum Dot，QD)电视日趋成熟，成为后起之秀渐渐取代液晶电视的可能性愈来愈高，我们来看看这两种未来新型显示器到底有什么不同吧。

光的三原色

在了解显示原理前，我们先来理解一下各式显示技术中彩色是如何达成的，他们均是以红(Red，R)、绿(Green，G)、蓝(Blue，B)3 种颜色“不同亮度”即可组合成连续光谱中几乎所有可见光的颜色，因此我们称红、绿、蓝三色为“光的三原色”。如图一所示，假设有一个方格用来显示某一种颜色，这样的方格称为“像素”(pixel)，将这个方格垂直切割成三个小方格，分别代表 RGB 3 种颜色，这样的小方格称为“次像素”(Sub-pixel)。

▲ 图一：红、绿、蓝三种颜色不同亮度即可组合成连续光谱中几乎所有的颜色。

色彩的显示

可见光有无限多种颜色，图二为“色度坐标图”(Chromaticity diagram)代表肉眼能看到的所有颜色，光的波长就是颜色，光有多少种波长，就有多少种颜色，而前面所说的红色、绿色、蓝色其实只是一个大概的视觉感受，不同的发光组件所产生的光其实波长多少都有些差异，因此利用不同的发光组件所能产生的色彩并不同相。传统以白色发光二极管(White LED，WLED)为背光源的液晶电视(LCD-TV)称为“LED-TV”，要注意虽然厂商称它为 LED-TV，实际上它是“以 LED 为背光源的 LCD-TV”，它是使用“彩色滤光片”(Color filter)产生 RGB 3 种颜色的光，图中的三角形顶点就是 RGB 3 种颜色，而三角形内的颜色就是这种电视所能组合成的所有颜色(三角形愈大代表可以组合成的颜色愈多色彩愈真实)，显然并不能组合成肉眼能看到的所有颜色，但是这已经足够制作电视让我们看到真实的影像了;后来有厂商开发出不同白光发光二极管(LED)与彩色滤光片产生的 RGB 3 种颜色，可以组合成更多的颜色(红色三角形)，称为“广色域 LED-TV”，但是这两种电视都是使用彩色滤光片过滤白光产生 RGB 3 种颜色，而且目前工业上背光源所使用的白色发光二极管(LED)颜色受限，因此可以组合成的颜色仍然不够多;由图中可看出有机发光二极管电视(OLED-TV)产生的 RGB 3 种颜色可以组合成更多的颜色(绿色三角形);而量子点(QD-TV)产生的 RGB 三种颜色可以组合成更多的颜色(蓝色三角形)。

▲ 图：二色度坐标图(Chromaticity diagram)。

有机发光二极管

有机发光二极管(OLED)又称为“有机电激发光”(Organic Electrical Luminescence，OEL)，其构造如图三所示，将可以发出红光、绿光、蓝光的“有机发光半导体”(一种会发光的有机分子)加热蒸镀在导电玻璃上，再蒸镀金属电极，直接对不同颜色的有机发光半导体施加电压注入电子与电洞，电子与电洞在有机发光半导体内结合发光。它的构造简单，亮度够高，可惜有机发光半导体其实就是一种“有机分子”(类似塑料)，由于发光的材料性质不稳定，造成生产时良率很低，成本一直降不下来，而且使用寿命较短，用久了会褪色，因此过去一直都是少量使用在单色显示器上。经过十几年来的努力，南韩的三星(Samsung)与乐金(LG)成功改善了良率的问题，目前已经量产 60 吋以上的彩色电视，只剩下售价过高的问题，看起来似乎已经慢慢看到它的商业价值了。

▲ 图三：有机发光二极管(OLED)构造。(Source：LG)

量子点电视(QD-TV)

科学家发现当材料的尺寸小到 100 纳米以下时会产生“量子局限效应”(Quantum confinement effect)，此时电子与电洞被局限在纳米材料内形成自组的稳定态，造成发光性质的改变，而且纳米材料的尺寸愈小时，材料发光强度愈强，发光的波长愈短(蓝色)，这个现象称为“蓝移”(Blue shift)，如图四所示，不同颜色的光波长不同，所以光的波长就是颜色，在可见光中红光的波长最长，绿光次之，蓝光最短，换句话说，当纳米材料的尺寸大，发光强度较弱，颜色为红光(波长最长);当纳米材料的尺寸变小，发光强度变强，颜色为绿光(波长次之);当纳米材料的尺寸更小，发光强度更强，颜色为蓝光(波长最短)。

▲ 图四：量子局限效应的“蓝移”。(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)

传统白色发光二极管(WLED)发光的原理是以蓝光发光二极管(Blue LED, BLED)晶粒发出蓝光照射 YAG 荧光粉，荧光粉吸收蓝光产生白光，如图五 (a) 所示，前面提到这种组件的 RGB 颜色受限，可以组合成的颜色仍然不够多，因此我们可以直接使用量子点(QD)取代荧光粉称为“量子点发光二极管(QD-LED)”，如图五 (b) 所示，利用这种组件为液晶显示器(LCD)的背光源可以增加 RGB 颜色，如图五 (c) 所示，因此可以组合成的颜色大大增加，而且并不需要修改太多液晶显示器(LCD)的构造，成本最低，但是仍然必须使用彩色滤光片。

如果要再增加 RGB 颜色则可以使用蓝色发光二极管(BLED)为背光源，如图五 (d) 所示，经由液晶面版呈像，并且将量子点直接印刷在面版上形成不同的次像素取代彩色滤光片，受到蓝光背光模块的照射，红色的量子点吸收蓝光会发出红光，绿色的量子点吸收蓝光会发出绿光，蓝色的量子点吸收蓝光会发出蓝光，其中蓝色的像素因为和背光模块颜色一样因此可以不使用蓝色的量子点，最后的量子点电视(QD-TV)的构造如图六所示。

▲ 图五：白光发光二极管与量子点发光二极管(QD-LED)电视构造示意图。

▲ 图六：量子点电视(QD-TV)构造示意图。
结论

传统以白色发光二极管(WLED)为背光源的液晶电视(LCD-TV)市场已经成熟，在技术上也没有太多可以改善的空间;虽然有机发光二极管电视(OLED-TV)产生的 RGB 3 种颜色可以组合成更多的颜色，但是良率较低造成价格较高，短时间之内好像也无法全面推广使用;而量子点电视(QD-TV)产生的 RGB 3 种颜色可以组合成最多的颜色，而且并不需要修改太多液晶显示器(LCD)的构造，的确是目前可行的方法之一，不过要记得，其实量子点电视也是一种液晶电视，它仍然要靠液晶呈像，因此它仍然是一种液晶电视，市场营销引用“量子点”(Quantum dot)这样听起来充满“科技色彩”的名词多半也是广告营销手法而已。在可以预见的未来，我们家中的电视一定会愈来愈薄，画面色彩愈来愈丰富，让我们能够在电视里看到如同大自然一样真实的画面。

杭州全智贤 · 发表于 2017-6-5 10:40

淡定，淡定，淡定……

烟雨阁 · 发表于 2017-9-4 13:15

ZNDS的教程简直男默女泪啊！

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