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量子点:能够提供更宽色域的解决方案

随着显示技术的改进,业界开始要求栩栩如生的体验以及真实、饱和的色彩。这一趋势也推动色彩空间的标准提升。BT2020协议推出后,显示屏制造商寻求覆盖人眼可以观察到的色彩空间的76%,这也意味着要100%覆盖NTSC、sRGB、Adobe RGB和DCI-P3色彩空间。

显示屏市场从2007年开始采用量子点技术。即使到现在,量子点技术仍是达到BT2020标准的最佳途径,因为它具有最宽的色域、可调的原色和更高的系统效率。

在此白皮书中,我们将介绍量子点技术的原理、它在商用显示面板领域的应用、优点、缺点和实例。

什么是量子点?

量子点(QD),也称为QD或荧光半导体纳米晶体,是一种直径在2-10纳米(相当于15-150个原子)的微小单晶。QD的尺寸和形状可由合成工艺中持续时间、温度和使用的配体分子进行简单、精准的控制,也就是说通过反应时间和条件进行控制。

一个量子点只能发出一种颜色的光,这取决于它的尺寸。较大的QD发红光,通常直径为7纳米(150个原子);绿色颗粒直径约3纳米(30个原子)。蓝色QD最小–内核直径约为2纳米(15个原子)。由于尺寸太小,蓝色颗粒非常脆弱,难以处理。为此,面板技术中红色和绿色QD用得最多。

利用量子点的独特属性,我们可以生成超窄的原色,其半峰全宽(FWHM) [1]为30-54纳米(取决于量子点的类型),从而能实现最宽的色域覆盖。

量子点技术

量子点由核、壳、稳定剂和脂质组成。

QD的类型 - 按内核材料划分

在显示屏业,QD的内核通常是用硒化镉(CdSe)、磷化铟(InP)或(Si)硅合成的。镉基QD最早被行业使用,具有最佳性能并可100%满足DCI-P3色域协议。镉可实现超过90%的最高内部量子效率。该材料的缺点是大剂量下有毒,其使用受RoHS限制。

其竞争对手铟基材料可覆盖90-96%的DCI-P3色域。例如三星显示的SUHD面板当前就可以实现96%的DCI-P3。铟QD可达到80%的内部量子效率 - 使用新技术可将效率提升到最高90%。使用铟量子点的产品符合RoHS要求,但要比镉产品贵很多。铟QD技术在过去十年取得了相当大的进步,现在能够生成FWHM低于40纳米的绿色QD以及FWHM低于54纳米的红色QD,可覆盖96%的DCI-P3色彩空间。

硅QD安全但非常低效–内部量子效率只有30-50%。它们在色域覆盖方面无法与其他QD匹敌。

颗粒外壳

QD壳技术当前是最重要的组成部分,用来保护容易分解和非常脆弱的内核。外壳用来稳定结构。镉QD的外壳大都是用硫化锌(ZnS)制成。铟量子点通常需要用硒化锌(ZnSe)制成的中间壳。

量子点如何在显示器中工作?

量子点技术在新一代LED背光LCD中应用最成功。这些显示屏都采用类似的原理和机制。在典型的LED LCD中,LED发出的白光首先通过偏光片散射和直射,然后通过液晶层,之后会被一层彩色滤光片阻挡或穿过,最后再穿过另一个偏光片,最终为每个像素产生一个色值。

量子点显示屏产生像素颜色的流程也是类似的。但QD面板使用蓝光LED,而不是白光。显示屏的最上面一层有红色和绿色QD以及空白像素,而不是RGB滤色片。LED蓝光通过空白像素产生蓝色,红色和绿色QD负责产生红色和绿色。

在显示面板中排布量子点的方式有四种:

  1. QD点–芯片内

    QD技术最初的应用方法之一是将量子点嵌入芯片中。该技术从未投入量产,因为量子点距离LED太近,会暴露在超过200ºC的高温下。虽然芯片内方法是最经济高效的,但高温会损害量子点的性能。一些公司在研发耐高温的QD技术,可承受高达260ºC的温度,目标是征服照明业。

  2. QD条 - 芯片上

    该技术将QD排布在与LED相邻的所谓的“量子轨”管中。索尼在其2013年推出的QD电视中使用了这项技术。产品在第二年就被召回了,很可能是因为耐热性差。QD在此位置仍距离LED封装太近,温度可达到100ºC。

  3. 量子点增强薄膜(QDEF) –面板上

    当前市面上大部分QD电视都使用位于导光板顶部的QD片或薄膜。QD薄膜位于玻璃面板后面、滤色片前面,从而远离LED封装,让QD降温。要生成白色,就需要蓝色LED以及红色和绿色荧光体。对于QDEF面板,我们需要蓝色LED以及红色和绿色QD。QD充当荧光体,并将蓝光转变成红光或绿光。三星电子在其SUHD QD电视上使用量子片技术和铟QD已有超过3年的时间。

  4. QD LCD –面板内

    大量制造商当前在研发新的QD面板技术,将QD嵌入到LC层上方的显示玻璃内。该技术的效率比那些常规LCD高50%以上。这些面板还具有业界最广的可视角度,并100%覆盖DCI-P3协议。

量子点技术的优势

量子点具有独特的属性,所以该技术有很多优点。

高峰值亮度

由于激子的辐射复合,量子点光的发射峰值尖锐且狭窄。QD发出纯红光和绿光,随后由通过面板层的蓝光折射。高峰值亮度可以让图像中最亮和最暗的部分亮度相差更大,从而支持高动态范围(HDR)显示。

色彩饱和度和最广的色域

量子点技术可将色域增加高达40%-50%,是目前唯一能接近于实现BT2020色彩空间(以及100%的DCI-P3覆盖)的技术。QD生成纯正色彩,而且浪费的光非常少,从而能够实现鲜艳的色调以及更有生机、更饱和的颜色。

更低能耗

量子点显示屏发出高能量的蓝光并将其折射到低能态以产生绿色或红色,从而使效率更高、能耗更低。

更高的色彩精确度

量子点技术可精确调节和控制光发射,从而拥有更纯正的白色和精确、逼真的色彩。

可利用现有供应链

QD技术不需要对制造过程进行大幅调整,因此不影响供应链,从而避免产生相应的成本。该技术比OLED更具成本效益。

缺点

只有克服该技术的一些挑战后,QD才能成为主流。

量子点的脆弱性

量子点颗粒会受到水、高温和湿气的影响,需要将其隔离。阻挡膜目前用作隔离层,以防量子点因湿气而分解。此外,QD对高温非常敏感,需要远离热源(如LED灯)以保持量子效率。温度达到100ºC或更高时,颗粒的量子效率会降至50%以下。因此,启用QD的设备不能在极端高温的天气条件下使用。QD的排布以及在面板和封装内与LED的距离都对QD显示屏的性能至关重要。

镉解决方案的监管障碍

虽然镉基QD具有卓越的性能和更广的色域,但该材料在大剂量时有毒,目前未获得RoHS批准。世界各地的监管机构都密切关注镉解决方案。与此同时,业界正在努力改进铟基技术,以获得类似的性能和效率。

高制造成本

QD技术比常规LCD制造昂贵得多,但QD仍比OLED显示屏便宜。大批量生产量子点显示器将效率更高,从而会相对更便宜。

结论

无镉、基于薄膜的量子点系统在过去三年里撼动了显示屏的格局。当前QD技术已经胜过大屏OLED,相信未来还能取得更好的成绩和效率。通过这些进步,我们得以生成最接近人眼色谱的色彩范围,并提供鲜活、逼真的视觉体验。

准备好迎接显示性能的下一个前沿

[1] 半峰全宽(FWHM)是测定色谱宽度的方法,计算方式为色谱曲线上的函数达到其最大值一半时的两点之间的差。