量子點(diǎn)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(jìn)，體積巨大陪伴我們超過(guò)半世紀(jì)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(jīng)成為客廳里的主角。但科學(xué)家追求電視畫面色彩畫質(zhì)與厚度縮小的目標(biāo)仍然沒(méi)有停止，經(jīng)過(guò)幾年發(fā)展，厚度超薄顏色更豐富的“有機(jī)發(fā)光二極管”(Organic Light Emitting Diode，OLED)與“量子點(diǎn)”(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(lái)愈高，我們來(lái)看看這兩種未來(lái)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(lái)理解一下各式顯示技術(shù)中彩色是如何達(dá)成的，他們均是以紅(Red，R)、綠(Green，G)、藍(lán)(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(jiàn)光的顏色，因此我們稱紅、綠、藍(lán)三色為“光的三原色”。如圖一所示，假設(shè)有一個(gè)方格用來(lái)顯示某一種顏色，這樣的方格稱為“像素”(pixel)，將這個(gè)方格垂直切割成三個(gè)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(lán)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(jiàn)光有無(wú)限多種顏色，圖二為“色度坐標(biāo)圖”(Chromaticity diagram)代表肉眼能看到的所有顏色，光的波長(zhǎng)就是顏色，光有多少種波長(zhǎng)，就有多少種顏色，而前面所說(shuō)的紅色、綠色、藍(lán)色其實(shí)只是一個(gè)大概的視覺(jué)感受，不同的發(fā)光組件所產(chǎn)生的光其實(shí)波長(zhǎng)多少都有些差異，因此利用不同的發(fā)光組件所能產(chǎn)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(shí)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(chǎn)生 RGB 3 種顏色的光，圖中的三角形頂點(diǎn)就是 RGB 3 種顏色，而三角形內(nèi)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(shí))，顯然并不能組合成肉眼能看到的所有顏色，但是這已經(jīng)足夠制作電視讓我們看到真實(shí)的影像了;后來(lái)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(chǎn)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(guò)濾白光產(chǎn)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(jī)發(fā)光二極管電視(OLED-TV)產(chǎn)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(diǎn)(QD-TV)產(chǎn)生的 RGB 三種顏色可以組合成更多的顏色(藍(lán)色三角形)。

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▲ 圖：二色度坐標(biāo)圖(Chromaticity diagram)。

有機(jī)發(fā)光二極管

有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)又稱為“有機(jī)電激發(fā)光”(Organic Electrical Luminescence，OEL)，其構(gòu)造如圖三所示，將可以發(fā)出紅光、綠光、藍(lán)光的“有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體”(一種會(huì)發(fā)光的有機(jī)分子)加熱蒸鍍?cè)趯?dǎo)電玻璃上，再蒸鍍金屬電極，直接對(duì)不同顏色的有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體施加電壓注入電子與電洞，電子與電洞在有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體內(nèi)結(jié)合發(fā)光。它的構(gòu)造簡(jiǎn)單，亮度夠高，可惜有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體其實(shí)就是一種“有機(jī)分子”(類似塑料)，由于發(fā)光的材料性質(zhì)不穩(wěn)定，造成生產(chǎn)時(shí)良率很低，成本一直降不下來(lái)，而且使用壽命較短，用久了會(huì)褪色，因此過(guò)去一直都是少量使用在單色顯示器上。經(jīng)過(guò)十幾年來(lái)的努力，南韓的三星(Samsung)與樂(lè)金(LG)成功改善了良率的問(wèn)題，目前已經(jīng)量產(chǎn) 60 吋以上的彩色電視，只剩下售價(jià)過(guò)高的問(wèn)題，看起來(lái)似乎已經(jīng)慢慢看到它的商業(yè)價(jià)值了。

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▲ 圖三：有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)構(gòu)造。(Source：LG)

量子點(diǎn)電視(QD-TV)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料的尺寸小到 100 納米以下時(shí)會(huì)產(chǎn)生“量子局限效應(yīng)”(Quantum confinement effect)，此時(shí)電子與電洞被局限在納米材料內(nèi)形成自組的穩(wěn)定態(tài)，造成發(fā)光性質(zhì)的改變，而且納米材料的尺寸愈小時(shí)，材料發(fā)光強(qiáng)度愈強(qiáng)，發(fā)光的波長(zhǎng)愈短(藍(lán)色)，這個(gè)現(xiàn)象稱為“藍(lán)移”(Blue shift)，如圖四所示，不同顏色的光波長(zhǎng)不同，所以光的波長(zhǎng)就是顏色，在可見(jiàn)光中紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，綠光次之，藍(lán)光最短，換句話說(shuō)，當(dāng)納米材料的尺寸大，發(fā)光強(qiáng)度較弱，顏色為紅光(波長(zhǎng)最長(zhǎng));當(dāng)納米材料的尺寸變小，發(fā)光強(qiáng)度變強(qiáng)，顏色為綠光(波長(zhǎng)次之);當(dāng)納米材料的尺寸更小，發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng)，顏色為藍(lán)光(波長(zhǎng)最短)。

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▲ 圖四：量子局限效應(yīng)的“藍(lán)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(lán)光發(fā)光二極管(Blue LED, BLED)晶粒發(fā)出藍(lán)光照射 YAG 熒光粉，熒光粉吸收藍(lán)光產(chǎn)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(diǎn)(QD)取代熒光粉稱為“量子點(diǎn)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(gòu)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(lán)色發(fā)光二極管(BLED)為背光源，如圖五 (d) 所示，經(jīng)由液晶面版呈像，并且將量子點(diǎn)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(lán)光背光模塊的照射，紅色的量子點(diǎn)吸收藍(lán)光會(huì)發(fā)出紅光，綠色的量子點(diǎn)吸收藍(lán)光會(huì)發(fā)出綠光，藍(lán)色的量子點(diǎn)吸收藍(lán)光會(huì)發(fā)出藍(lán)光，其中藍(lán)色的像素因?yàn)楹捅彻饽K顏色一樣因此可以不使用藍(lán)色的量子點(diǎn)，最后的量子點(diǎn)電視(QD-TV)的構(gòu)造如圖六所示。

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

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▲ 圖六：量子點(diǎn)電視(QD-TV)構(gòu)造示意圖。
結(jié)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(chǎng)已經(jīng)成熟，在技術(shù)上也沒(méi)有太多可以改善的空間;雖然有機(jī)發(fā)光二極管電視(OLED-TV)產(chǎn)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(jià)格較高，短時(shí)間之內(nèi)好像也無(wú)法全面推廣使用;而量子點(diǎn)電視(QD-TV)產(chǎn)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(gòu)造，的確是目前可行的方法之一，不過(guò)要記得，其實(shí)量子點(diǎn)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(chǎng)營(yíng)銷引用“量子點(diǎn)”(Quantum dot)這樣聽(tīng)起來(lái)充滿“科技色彩”的名詞多半也是廣告營(yíng)銷手法而已。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，我們家中的電視一定會(huì)愈來(lái)愈薄，畫面色彩愈來(lái)愈豐富，讓我們能夠在電視里看到如同大自然一樣真實(shí)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(jiǎn)直男默女淚??！

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