量子點(diǎn)電視技術(shù)淺析

梁 寧

(康佳集團(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518057)

量子點(diǎn)電視技術(shù)淺析

梁 寧

(康佳集團(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518057)

分析了WLED電視的技術(shù)缺點(diǎn)和量子點(diǎn)電視的技術(shù)優(yōu)越性。傳統(tǒng)的WLED電視大多采用“藍(lán)光LED+黃色熒光粉”的發(fā)光模式，雖可讓人感覺(jué)到白光，但缺乏紅光和綠光使得混色較為困難，是導(dǎo)致色域覆蓋率偏低和背光轉(zhuǎn)換效率不高的原因。近年來(lái)，隨著量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)的成熟及其在液晶背光中的應(yīng)用，量子點(diǎn)電視應(yīng)運(yùn)而生，性能十分優(yōu)越。與傳統(tǒng)WLED電視比較，量子點(diǎn)電視的色域和能效更高，所以其畫(huà)面色彩更自然亮麗，并且兼顧節(jié)能環(huán)保。

量子點(diǎn)；光致發(fā)光；色域覆蓋率；背光源

1 WLED電視

目前行業(yè)普遍采用NTSC色域標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量色彩顯示效果，色域覆蓋率(簡(jiǎn)稱(chēng)色域)越高，電視所呈現(xiàn)的顏色范圍也就越豐富、越接近自然色[1]。市面上的白光LED液晶電視(WLED電視)大多采用“藍(lán)光LED+黃色熒光粉”的發(fā)光模式[2]，雖可讓人感覺(jué)到白光，但缺乏紅光和綠光使得混色較為困難，導(dǎo)致色域偏低，一般不超過(guò)72%，大大低于色域高達(dá)100%的OLED電視。隨著OLED電視成本不斷下降，傳統(tǒng)WLED電視面臨OLED挑戰(zhàn)，未來(lái)WLED電視的生存空間不斷受到擠壓。

液晶電視的色域取決于背光的光譜特性以及光譜與液晶面板彩色濾光片(CF)的匹配程度。主流的WLED電視是通過(guò)藍(lán)光LED發(fā)出的光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生黃光，剩余的藍(lán)光與黃光混色而獲得白光，其典型的光譜特性如圖1所示，就RGB三基色而言，其色純度很差。增加CF的厚度以便充分過(guò)濾背光，可在一定程度上提高RGB三基色的純度，有助于提高WLED電視的色域，但是，增加CF厚度會(huì)導(dǎo)致透光率下降，使得WLED背光轉(zhuǎn)換效率大打折扣，從而降低WLED電視的能效指標(biāo)。另外，LED生產(chǎn)過(guò)程中參數(shù)離散性嚴(yán)重，導(dǎo)致LED光譜很難與CF精準(zhǔn)匹配，這是導(dǎo)致WLED電視色域偏低、背光轉(zhuǎn)換效率不高的另一個(gè)原因。

圖1 傳統(tǒng)WLED的發(fā)射光譜

提高色域是延長(zhǎng)液晶電視生命周期的有效方法。近年來(lái)，量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)獲得重大突破，并成功應(yīng)用于液晶電視，大大提高了液晶電視的色域，達(dá)到100%甚至110%，達(dá)到或超過(guò)OLED電視的水平。應(yīng)用了量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)的液晶電視——量子點(diǎn)電視，有望成為未來(lái)主流的高端電視。

2 量子點(diǎn)發(fā)光機(jī)理

量子點(diǎn)(Quantum Dots，QDs)是一種由數(shù)十個(gè)原子所構(gòu)成的半導(dǎo)體顆粒，其3個(gè)維度的尺寸都在100 nm以?xún)?nèi)，量子尺寸效應(yīng)非常明顯。量子點(diǎn)是一種納米級(jí)的半導(dǎo)體材料，具有半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，具有一定的帶隙寬度，可以電致發(fā)光或光致發(fā)光，其發(fā)射光譜取決于能帶結(jié)構(gòu)[3]，而能帶結(jié)構(gòu)與量子點(diǎn)顆粒大小和分布有關(guān)?，F(xiàn)有技術(shù)能夠精準(zhǔn)控制量子點(diǎn)顆粒大小及其分布，從而可以精準(zhǔn)控制量子點(diǎn)的發(fā)射光譜和色純度。

本文僅討論量子點(diǎn)的光致發(fā)光技術(shù)，量子點(diǎn)材料的能帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。導(dǎo)帶和價(jià)帶都是一些分立的能級(jí)，常溫下，價(jià)帶基本上被電子占據(jù)，導(dǎo)帶基本上沒(méi)有電子，量子點(diǎn)材料受到光照射后，價(jià)帶中的部分電子吸收光能，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶(圖中用A表示此過(guò)程)，這是一個(gè)吸收光能的過(guò)程。處于導(dǎo)帶的電子是不穩(wěn)定的狀態(tài)，幾乎立刻返回價(jià)帶(圖中用B表示此過(guò)程)，將吸收的光能以光的形式釋放(即發(fā)光)，這是一個(gè)發(fā)射光的過(guò)程。量子力學(xué)理論計(jì)算表明，所發(fā)出光的波長(zhǎng)(即顏色)與量子點(diǎn)的大小成正比，越小的量子點(diǎn)所發(fā)出光的波長(zhǎng)越短，越大的量子點(diǎn)所發(fā)出光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)(藍(lán)移現(xiàn)象[4])。因此，通過(guò)精準(zhǔn)控制量子點(diǎn)大小即可獲得所需顏色的光，如圖3所示。

圖2 量子點(diǎn)材料的能帶結(jié)構(gòu)

圖3 量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)與顆粒直徑有關(guān)

在量子點(diǎn)電視中，主流的方法是利用藍(lán)光LED發(fā)出的光激發(fā)2種量子點(diǎn)材料，分別發(fā)出紅光和綠光，并同剩余的藍(lán)光混色成為白光，這種白光就作為液晶電視的背光光源。其光譜特性如圖4所示，可以明顯看到RGB三基色的波峰。

圖4 量子點(diǎn)發(fā)射光光譜示例

3 量子點(diǎn)背光技術(shù)

液晶是一種自身不能發(fā)光的物質(zhì)，需要借助額外的光源才能工作，這一物理特性是無(wú)法改變的，因此液晶顯示技術(shù)改進(jìn)自然需要從背光系統(tǒng)下手。液晶顯示技術(shù)的背光光源主要經(jīng)歷了冷陰極熒光燈管(CCFL)和WLED這2個(gè)階段。量子點(diǎn)背光技術(shù)，無(wú)論是性能還是功耗都有革命性的突破，量子點(diǎn)背光極有可能是繼CCFL背光和WLED背光之后，液晶發(fā)展史上的最后一次革命。

量子點(diǎn)經(jīng)常采用的材料為硒化鎘CdSe、氧化鋅ZnO，以藍(lán)光LED發(fā)出的光照射在2種量子點(diǎn)上產(chǎn)生綠光和紅光。整合量子點(diǎn)至液晶面板中目前有3種方式，第一種就是直接以量子點(diǎn)材料取代黃色熒光粉，直接和藍(lán)光LED封裝在一起(On-Chip)，如圖5a所示；第二種就是將2種量子點(diǎn)材料裝入已經(jīng)真空處理的玻璃管內(nèi)，將玻璃管配置在導(dǎo)光板邊緣(On-Edge)，對(duì)著藍(lán)光LED燈，在藍(lán)光照射下，2種量子點(diǎn)材料分別發(fā)出紅光和綠光，并同剩余的藍(lán)光混光成為白光進(jìn)入導(dǎo)光板，如圖5b所示；第三種就是將2種量子點(diǎn)材料做成膜片，取代目前液晶面板里的擴(kuò)散膜，放置在導(dǎo)光板上(On-Surface)，如圖5c所示。

圖5 3種量子點(diǎn)背光技術(shù)方案

根據(jù)色轉(zhuǎn)換效率、光提取效率、波長(zhǎng)利用效率3個(gè)特性，On-Surface方式效果最佳，美國(guó)3M公司開(kāi)發(fā)的量子點(diǎn)增強(qiáng)膜(QDEF)已開(kāi)始在市面上銷(xiāo)售。采用QDEF膜的量子點(diǎn)電視，結(jié)構(gòu)與原WLED電視兼容，可大大加快新品上市進(jìn)度。

4 量子點(diǎn)電視

量子點(diǎn)電視屬于液晶電視，是一種背光源應(yīng)用了量子點(diǎn)發(fā)光技術(shù)的液晶電視。如前所述，精準(zhǔn)控制量子點(diǎn)顆粒大小及其分布，就能精準(zhǔn)控制量子點(diǎn)所發(fā)出光的顏色和純度，所以量子點(diǎn)電視的色域容易控制，且可以做到100%甚至110%。

圖6為不同電視產(chǎn)品顯示色域的對(duì)比。量子點(diǎn)電視通過(guò)精準(zhǔn)控制量子點(diǎn)顆粒的大小，即可控制RGB三基色的坐標(biāo)，使三基色包圍的區(qū)域更大，獲得高達(dá)110%的色域。當(dāng)然，調(diào)整RGB三基色坐標(biāo)時(shí)，還要盡量匹配液晶面板CF膜片的光學(xué)特性，提高液晶面板的透光率，從而提高量子點(diǎn)背光的轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)WLED電視因?yàn)闊晒夥鄣墓庾V不易精準(zhǔn)控制，與CF膜片的精準(zhǔn)匹配較難實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致液晶面板透光率相對(duì)較低。

圖6 不同電視產(chǎn)品的色域?qū)Ρ?/p>

5 結(jié)論

量子點(diǎn)具有發(fā)射光譜更易于精準(zhǔn)控制、顏色更純，以及光轉(zhuǎn)換效率更高等技術(shù)特點(diǎn)。量子點(diǎn)背光系統(tǒng)性能優(yōu)于現(xiàn)有的WLED背光系統(tǒng)，量子點(diǎn)顯示技術(shù)這種得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)令量子點(diǎn)電視亮度有效提升30%～40%，背光源系統(tǒng)光轉(zhuǎn)換效率大幅提升的情況下，畫(huà)面的色彩更亮麗，并兼顧節(jié)能環(huán)保，性能提升十分明顯。

目前來(lái)看，OLED電視市場(chǎng)關(guān)注度很高，但不可否認(rèn)的是，成本低性能優(yōu)越的量子點(diǎn)電視更符合消費(fèi)市場(chǎng)的需求，LG Display和Samsung Display已經(jīng)正式宣布量產(chǎn)量子點(diǎn)電視。2014年深圳高交會(huì)期間，康佳展示了多款基于量子點(diǎn)光管技術(shù)的55 in(1 in=2.54 cm)超薄型量子點(diǎn)電視，并計(jì)劃量產(chǎn)量子點(diǎn)電視。從顯示效果這一點(diǎn)來(lái)看，量子點(diǎn)電視在成熟的液晶技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了飛躍性的提升，高色域節(jié)能環(huán)保的量子點(diǎn)電視有望成為未來(lái)的新寵，挑戰(zhàn)OLED電視。

[1] 劉全恩.色域及色域覆蓋率[J].電視技術(shù)，2004，28(11)：53-57.

[2] 劉霽，李萬(wàn)萬(wàn)，孫康.白光LED及其涂敷用熒光粉的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2007(8)：116-120.

[3] 何修軍，蔣孟衡，肖子劍,等.有機(jī)電致發(fā)光器件的研究進(jìn)展[J].光學(xué)儀器，2006(6)：78-83.

[4] 桑園，王雷妮，羅婧婧,等.CeO_2紫外吸收光譜藍(lán)移機(jī)理研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào)，2012(4)：913-915.

Analysis of LCD with Quantum Dot Backlight

LIANG Ning

(KonkaGroupCo.,Ltd.,GuangdongShenzhen518057,China)

The disadvantages of WLED technology and the adavantages of quantum dot technology are elaborated. Most current television panel uses WLED technology, which generates white light by casting blue light, from blue LED, over yellow phosphor. Because of the lack of red and green light, it is difficult to generate colors with different RGB combination. This also limits the color gamut of WLED panel and the efficiency of backlight power. In recent years, the quantum dot technology has been developed significantly and deployed for panel in mass production. Televsion with quatum dot technology has also prospered and demonstrated better performance against WLED basd television, with wider color gamut, more vivid colors and lower power consumption.

quantum dots; photoluminescence; color gamut; backlight

TN931.1

A

10.16280/j.videoe.2015.18.005

2015-06-11

【本文獻(xiàn)信息】梁寧.量子點(diǎn)電視技術(shù)淺析[J].電視技術(shù),2015，39(18).

梁 寧(1963— )，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字電視。

責(zé)任編輯：閆雯雯