量子点:LCD的逆袭
gundem 于 2015.07.16 12:56:58 | 源自:www.soomal.com | 版权:投稿 | 平均/总评分:09.24/508
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OLED与LCD的竞争

随着OLED(有机发光二极体)技术越发成熟,不仅在手机等便携设备上大量使用,如今甚至可以看见其安装在一些显示器和电视上,这给原本统治屏幕界的LCD阵营带来严重的冲击。

OLED技术的优势来自于其显示方式。OLED面板无需背光灯,各像素点涂有特殊的有机材料,当有电流通过时,这些有机材料就会发光显示不同颜色。如果不考虑成本,OLED面板原理上不管从可视角度、响应时间、色彩还原、对比度和功耗等指标上都全面优于传统LCD面板,并且从长期来看,无需背光、结构简单的OLED面板,在产能上去之后的成本势必能够领先于LCD面板。

面对OLED的威胁,LCD阵营也积极开始了“自救”,比如:1)将背光源从CCFL(荧光管)改为LED,大幅降低功耗以及面板厚度;2)使用IPS等先进的液晶面板技术,改善可视角度和响应速度;3)使用动态区域背光亮度调节技术,改善对比度表现。

总的来说,当前LCD屏幕素质得到了很大的提高,但是色彩表现始终是一块短板。除了一些昂贵的专业级的液晶显示器之外,LCD面板的色域很少能够达到100% sRGB,相比之下OLED面板可以轻易突破100% sRGB[关于色域的科普的可以参考数码多的这篇文章:《数字图像入门 色域》[作者:夏昆冈 ] ]。在这个背景下,诞生了提升LCD色彩表现的“量子点”技术。

量子点与LCD技术

(1)量子点是什么?

量子点实质是一种长宽高都达到纳米等级的半导体晶体。用于LCD的量子点材料在不同的直径和形状下会有不同的电子特性,在外部光源的照射下,直径小的量子点可以激发短波长的光,直径较大的量子点可以激发较长波长的光,这是一种叫做“量子约束”(Quantum Confinement)的量子力学现象,“量子点”也因此得名。拿吉他做一个简单的类比,其原理类似拨动吉他琴弦,细的弦出来的声音尖锐,粗的弦出来的声音低沉。

  • 如上图所示,在蓝光的照射下,一组不同直径的量子点激发出不同颜色的光。现在最好的量子点拥有超过90%的光转换效率,而且激发的光拥有很窄的光谱,表明颜色很“准确”。下图演示了包含这种量子点的透明溶液(并非溶液已经染色),在蓝色光的照射下发出不同的颜色。

  • (2)当前LCD屏幕的缺陷

    为了更好理解量子点如何提升LCD面板的色彩表现,先要分析一下为什么传统LCD面板难以提升色彩表现。

    传统LCD技术由一组背光源(Backlight Unit)和液晶面板(Liquid-Crystal Module)组成。液晶面板由无数的像素点组成,图3 展示了一个像素点的基本结构。目前的背光源通常是白光LED(WLED),背光源“照亮”像素点,液晶就像窗帘一样,控制像素点透光的程度,最后滤光片将白光过滤出红绿蓝其中一种颜色。通过控制一系列这些像素点,可以混合出各种各样的颜色。

  • 因此,液晶面板的色彩表现主要和两个因素相关,一个是滤光片的滤光的有效性,另一个是背光源白色的纯净度。

    滤光片方面,要求精准得将颜色过滤的颜色,即过滤出红(R)绿(G)蓝(B)。比如红色滤光片不仅要过滤掉白光里面的绿色和蓝色,而且要只允许特定波长的红色通过,得到纯净的红色。目前高级的滤光片可以过精准地过滤出颜色,但是非常昂贵,而且会导致明显的衰减和亮度的损失(现在有名为WRGB的技术,通过增加一个无滤光的白色像素点(W)从感官上增加面板的亮度)。

    背光源方面,则要求提供非常“白”的光源。我们知道白光实际上是以红、蓝、绿三色混合起来的,但是现在使用的WLED光源无法提供非常纯净的白色光源,表现在红绿蓝的配比不平均。如图4所示,目前WLED的缺陷简单来说就是蓝色多了,而且产生了额外的黄色,最终限制了液晶面板颜色表现,而sRGB标准也是基于这个考虑而制定出来的。

  • 为了克服WLED的缺点,现在有直接用红绿蓝LED(RGBLED)背光驱动的面板,代价是非常昂贵而且难以塞进小型的移动设备。当然,最简单的方法还是直接提供高质量的白色光源,于是有了量子点技术大展拳脚的地方。

    (3)使用量子点进行调光

    既然知道LCD色彩表现的短板来自于背光之后,改进思路就是背光使用单色蓝光LED做光源,利用量子点激发绿光和红光,并且根据蓝光LED的特性,调整绿光量子点和红光量子点的比例,就可以“调出”完美的白色光源。

    量子点的应用

    最早投入商业化应用的量子点技术是量子点增强薄膜(QDEF, Quantum-Dot Enhancement Film)。量子点增强薄膜是覆盖在背光源上一层薄膜,其中夹有大量的量子点,使用这种技术的面板如图所示。

  • 这种面板使用蓝色LED作为背光源,并且在导光板增加了量子点增强层,传统LCD的背光模块(LED光源、导光板、反光板等等)和液晶模块(棱镜板、液晶板、触摸层等等)依然得到保留。

    这种方案最大的优势就是基于现有LCD技术,不用对现有面板生产线进行大改,就可提供广色域的面板。尽管面板生产厂家可以直接在液晶板中集成量子点涂层,但是势必改变现有的生产工艺,进一步增加成本。顺便说一下,较早采用量子点屏幕的Kindle Fire HDX 8.9之所以会漏蓝光,原因是背光源已经更换成蓝色LED。

  • 上图显示采用量子点增强层之后,背光源可以显示比较准确的白光,最终面板可以提供达到Adobe RGB标准的色彩表现。

    总结

    LCD色彩表现的短板在于WLED背光源的白光不够“纯净”。量子点是一种纳米等级的半导体晶体,在蓝光的照射下,不同直径的量子点可以激发出绿色或红色的荧光,通过调整红绿量子点比例就可以调出纯净的白光。

    应用量子点技术可以在不改变现有液晶面板生产线的前提下,大幅提升LCD面板的色彩表现,当量子点成本白菜化之后必然会大规模推广,LCD阵营终于可以依靠量子点与OLED打个互有胜负,完成了一次“逆袭”。

    参考文献

    Jian Chen, Veeral Hardev, Jeff Yurek. Quantum-Dot Displays: Giving LCDs a Competitive Edge Through Color[J]. Information Display, 2013(1)

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    球量子点行业,纳晶科技(Najingtech)凭借多年的量子点材料及其产品的研发优势,逐渐形成了与美国量子点公司Nanosys和QD vision三足鼎立的 NNQ格局

    纳晶科技是全球领先的量子点材料研发及生产企业,董事长彭笑刚作为全球百名顶尖化学家之一,在量子点的绿色合成工艺上做出了卓越贡献。公司相继推出了Color In TM量子点管和量子点膜。赵飞博士介绍公司已经成为国内量子点TV厂商的主要量子点元件供应商之一。

     
    发表于2016.02.01 14:14:18
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    科普贴,终于知道什么是量子点了。不过还是喜欢oled自发光属性
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