【独家】量子点电视技术浅析

【编者按】 传统的WLED电视大多采用“蓝光LED＋黄色荧光粉”的发光模式，虽可让人感觉到白光，不过缺乏红光和绿光使得混色较为困难，是导致色域覆盖率偏低和背光转换效率不高的原因。近年来，随着量子点发光技术的成熟及其在液晶背光中的应用，量子点电视应运而生，性能十分优越。与传统WLED电视比较，量子点电视的色域和能效更高，所以其画面色彩更自然亮丽，并且兼顾节能环保。今天推荐的文章中就具体分析了WLED电视的技术缺点和量子点电视的技术优越性。敬请阅读。

　　量子点电视技术浅析

　　梁　宁

　　(康佳集团股份有限公司)

　　传统的WLED电视大多采用“蓝光LED＋黄色荧光粉”的发光模式，虽可让人感觉到白光，不过缺乏红光和绿光使得混色较为困难，是导致色域覆盖率偏低和背光转换效率不高的原因。近年来，随着量子点发光技术的成熟及其在液晶背光中的应用，量子点电视应运而生，性能十分优越。与传统WLED电视比较，量子点电视的色域和能效更高，所以其画面色彩更自然亮丽，并且兼顾节能环保。今天推荐的文章中就具体分析了WLED电视的技术缺点和量子点电视的技术优越性。敬请阅读。

　　目前行业普遍采用NTSC色域标准来衡量色彩显示效果，色域覆盖率（简称色域）越高，电视所呈现的颜色范围也就越丰富、越接近自然色。市面上的白光LED液晶电视（WLED电视）大多采用“蓝光LED＋黄色荧光粉”的发光模式，虽可让人感觉到白光，不过缺乏红光和绿光使得混色较为困难，导致色域偏低，一般不超过72%，大大低于色域高达100%的OLED电视。随着OLED电视成本不断下降，传统WLED电视面临OLED挑战，未来WLED电视的生存空间不断受到挤压。

　　图1　传统WLED的发射光谱

　　液晶电视的色域取决于背光的光谱特性、以及光谱与液晶面板彩色滤光片(CF)的匹配程度。主流的WLED电视是通过蓝光LED发出的光激发黄色荧光粉产生黄光，剩余的蓝光与黄光混色而获得白光，其典型的光谱特性如图1所示，就RGB三基色而言，其色纯度很差。增加CF的厚度以便充分过滤背光，可在一定程度上提高RGB三基色的纯度，有助于提高WLED电视的色域，但是，增加CF厚度会导致透光率下降，使得WLED背光转换效率大打折扣，从而降低WLED电视的能效指标。另外，LED生产过程中参数离散性严重，导致LED光谱很难与CF精准匹配，这是导致WLED电视色域偏低、背光转换效率不高的另一个原因。

　　提高色域是延长液晶电视生命周期的有效方法，近年来，量子点发光技术获得重大突破，并成功应用于液晶电视，大大提高了液晶电视的色域，达到100%甚至110%，达到或超过OLED电视的水平。应用了量子点发光技术的液晶电视――量子点电视，有望成为未来主流的高端电视。

　　1　量子点发光机理

　　量子点(Quantum Dots，QDs)是一种由数十个原子所构成的半导体颗粒，其三个维度的尺寸都在100纳米以内，量子尺寸效应非常明显。量子点是一种纳米级的半导体材料，具有半导体的能带结构，具有一定的带隙宽度，可以电致发光或光致发光，其发射光谱取决于能带结构，而能带结构与量子点颗粒大小和分布有关。现有技术能够精准控制量子点颗粒大小及其分布，从而可以精准控制量子点的发射光谱和色纯度。

　　本文仅讨论量子点的光致发光技术，量子点材料的能带结构简图如图2所示。导带和价带都是一些分立的能级，常温下，价带基本上被电子占据，导带基本上没有电子，量子点材料受到光照射后，价带中的部分电子吸收光能，从价带跃迁到导带（图中用A表示此过程），这是一个吸收光能的过程。处于导带的电子是不稳定的状态，几乎立刻返回价带（图中用B表示此过程），将吸收的光能以光的形式释放（即发光），这是一个发射光的过程。量子力学理论计算表明，所发出光的波长（即颜色）与量子点的大小成正比，越小的量子点所发出光的波长越短，越大的量子点所发出光的波长越长（蓝移现象）。因此，通过精准控制量子点大小即可获得所需颜色的光，如图3所示。

　　图2　量子点材料的能带结构

　　图3　量子点发光波长与颗粒直径有关

　　在量子点电视中，主流的方法是利用蓝光LED发出的光激发两种量子点材料，分别发出红光和绿光，并同剩余的蓝光混色成为白光，这种白光就作为液晶电视的背光光源。其光谱特性如图4所示，可以明显看到RGB三基色的波峰。

　　图4　量子点发射光光谱示例

　　2　量子点背光技术

　　液晶是一种自身不能发光的物质，需借助要额外的光源才能工作，这一物理特性是无法改变的，因此液晶显示技术改进自然需要从背光系统下手。液晶显示技术的背光光源主要经历了冷阴极荧光灯管（CCFL）和WLED两个阶段。量子点背光技术，无论是性能还是功耗都有革命性的突破，量子点背光极有可能是继CCFL背光和WLED背光之后，液晶发展史上的最后一次革命。

　　量子点经常采用的材料为硒化镉CdSe、氧化锌ZnO，以蓝光LED发出的光照射在两种量子点上产生绿光和红光。整合量子点至液晶面板中目前有三种方式，第一种就是直接以量子点材料取代黄色荧光粉，直接和蓝光LED封装在一起（On-Chip），如图5a所示；第二种就是将两种量子点材料装入已经真空处理的玻璃管内，将玻璃管配置在导光板边缘（On-Edge），对着蓝光LED灯，在蓝光照射下，两种量子点材料分别发出红光和绿光，并同剩余的蓝光混光成为白光进入导光板，如图5b所示；第三种就是将两种量子点材料做成膜片，取代目前液晶面板里的扩散膜，放置在导光板上（On-Surface），如图5c所示。

　　根据色转换效率、光提取效率、波长利用效率三个特性，On-Surface方式效果最佳，美国3M公司开发的量子点增强膜（QDEF）已开始在市面上销售。采用QDEF膜的量子点电视，结构与原WLED电视兼容，可以大大加快新品上市进度。

　　图5　三种量子点背光技术方案

　　3　量子点电视

　　量子点电视属于液晶电视，是一种背光源应用了量子点发光技术的液晶电视。如前所述，精准控制量子点颗粒大小及其分布，就能精准控制量子点所发出光的颜色和纯度，所以量子点电视的色域容易控制，且可以做到100%甚至110%。

　　图6为不同电视产品显示色域的对比。量子点电视通过精准控制量子点颗粒的大小，即可控制RGB三基色的坐标，使三基色包围的区域更大，获得高达110%的色域。当然，调整RGB三基色坐标时，还要尽量匹配液晶面板CF膜片的光学特性，提高液晶面板的透光率，从而提高量子点背光的转换效率。传统WLED电视因为荧光粉的光谱不易精准控制，与CF膜片的精准匹配较难实现，导致液晶面板透光率相对较低。

　　图6　不同电视产品的色域对比

　　4　结论

　　量子点具有发射光谱更易于精准控制、颜色更纯、以及光转换效率更高等技术特点，量子点背光系统性能优于现有的WLED背光系统，量子点显示技术这种得天独厚的优势令量子点电视亮度有效提升30～40%，背光源系统光转换效率大幅提升的情况下，画面的色彩更亮丽，并兼顾节能环保，性能提升十分明显。

　　目前来看，OLED电视市场关注度很高，但不可否认的是，成本低性能优越的量子点电视更符合消费市场的需求，LGDisplay和Samsung Display已经正式宣布量产量子点电视。2014年深圳高交会期间，康佳展示了多款基于量子点光管技术的55寸超薄型量子点电视，并计划量产量子点电视。从显示效果这一点来看，量子点电视在成熟的液晶技术上实现了飞跃性的提升，高色域节能环保的量子点电视有望成为未来的新宠，挑战OLED电视。

　　作者简介:

　　梁　宁，毕业于西安交通大学，博士学位，高级工程师，研究方向为数字电视。