京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?

據OLEDindustry瞭解,7月中旬京東方集團中央研究院已取得了關於高分辨率QLED的突破,這次京東方的突破主要是突破了噴墨打印對分辨率的限制,讓PPI直接翻倍達到了500PPI以上,而色彩範圍也達到了114%NTSC色域(大家常見的sRGB只能蓋住72%左右的NTSC色域)。當然,色域其實是這些新技術的傳統藝能。

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這500PPI是什麼概念呢?差不多接近手機上的2K級屏幕,像Galaxy S20+是525PPI,Note10+也才498PPI。

那QLED到底是什麼東西呢?

QLED全稱是Quantum dot Light Emitting Diode,中文就是量子點發光二極管。而QLED顯示器,顧名思義就是用了這種技術的顯示器。在這裏筆者要先解釋一下為什麼量子點可以發光。

京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
圖片來源:Understanding Nano

其原理是透過電流或者光能來刺激量子點,其內裏的部分電子會獲得足夠的能量來脱離原子並且達到更高能級,而這些電子在迴歸到較低能級的過程中就會發光。

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圖片來源:Nanolumi

至於發出哪種顏色的光則是由量子點本身的大小決定的。一般來説,6nm的量子點由於能帶間隙較小,只需要少量能量就可以使電子脱離原子,其產生的波長也會因而會較長,因此會發出紅光;2nm的量子點則是相反,能帶間隙較大,因此波長會較短,產生的是藍光;而處位兩者之間大小的3-4nm量子點則會發出綠光。

QLED VS OLED

差之毫釐謬以千里,這句話常被用來形容兩件看起來相似其實完全不同的事物,QLED和OLED就是一對很好的模型。表面上看,兩者的區別就在於Organic與Quantum Dot,而實際上,兩者相差了幾乎一整個世界。

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根據前面的表述,QLED就是通過無機物發光的LED,OLED就是通過有機物發光的LED。Q和O好像它們的父親,而LED就是它們的母親。LED——Light Emitting Diode發光二極管,這個裝置裏面包含正負極,在電流從正極流向負極,通過二極管中的發光材質時,電流激發它釋放光能,我們就看到它——亮了。

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京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
二極管電路示意圖(左)及LED燈珠構造示意圖(右)

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QLED的多層結構示意圖

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電子與空穴結合後放電發光過程示意圖

雖然都是基於發光二極管的原理,但是在發光效率,圖元密度,色彩表現,能耗控制等方面,QLED屏幕和OLED屏幕都遠強於普通的LED顯示屏幕。這是因為LED燈珠的核心發光器件是一塊電致發光的半導體材料芯片,製造工藝比較簡單,就算是目前最高工藝的高密度LED顯示屏(小間距LED)也只能做到0.7mm的點間距,以iPhone7手機的屏幕尺寸計算(138.3mm×67.1mm),屏幕分辨率只得197×95,直接淪為電子錶。

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QLED和OLED的製備工藝中,從材料到設備都有着科研級別的規格要求,以至於能夠涉足上游供應鏈的僅少數德、日、韓等國企業,完全是以未來黑科技的標準在極高的技術壁壘中穩步推進,所呈現的效果必然非“作坊”式的產品可比。

另外,在生產的工藝上,OLED由於發光中心為有機分子,目前多采用蒸鍍工藝生產,即把發光材料高温處理成小分子結構,再使其在指定位置重新凝結的工藝,此方法對環境要求極高,且工序複雜,設備精密,最重要的是很難滿足大尺寸屏幕的生產需要。而QLED發光中心為半導體納米晶體,可溶於多種溶液,具備通過溶液製備的可能,一方面會有效降低製造成本,另一方面也可以突破在屏幕尺寸上的限制。

QLED路遙遙

但是!有一點很重要的是,以上所説的那些對比都是QLED在最終形態下才可以做到的。

當前各大廠家藉助品牌商不遺餘力的宣傳,QLED(量子點)概念得到了極大的推廣,尤其是在選購平板電視的時候,大多數消費者已經產生了量子點電視更加先進的認知。而他們中的大多數可能不太清楚,同稱QLED電視,其實差別還是很大的。

市售QLED電視是藉助無機量子點材料光致發光的特性,對液晶面板的背光源進行改善的一種應用,準確的描述應該是QD-BLU(量子點背光源技術)。

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“達文西”無厘頭的發明“光致發光”原理手電筒,竟然神貼合的解釋了QD-BLU技術(影片《國產凌凌漆》劇照)

真正的QLED電視則是依據無機量子點發光二極管電致發光的原理,使QLED材質主動進行發光,並通過控制無機物成分和顆粒尺寸等性狀來顯示不同的顏色,從而實現畫面顯示功能的一種應用。

京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
無機量子點材料

這也就造成了目前將QLED總共有三個階段,而現在QLED屏幕最大的生產廠商三星也只是剛剛踏進第二個階段,之前也只是宣佈了2021年可能會有基於第二階段QLED的產品面世而已。

這是因為QLED要做到上述超越OLED的效果難度很大,因此各家廠商只能先用一些可以比較容易實現QLED工作方式的方法來把QLED這個東西撐起來先。

京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
圖片來源:Nanosys

那麼,QLED的三個階段到底是哪幾個呢?我們可以來看看QLED龍頭老大Nanosys的這份QLED路線圖。雖然圖裏總共有六種的演示方案,其實總結起來無非就是三種:量子點強化膜、量子點彩色濾光片以及主動矩陣發光二極管。

新手村:量子點增強膜

量子點增強膜(Quantum dot Enhancement Film)是QLED的第一個階段,現在所有市面上QLED顯示器或者電視都是用這種技術。這個技術對於實現QLED是這樣的:既然要實現QLED依靠電流完全自發光還是有點難度,而量子點在電流或者光能的刺激下都可以發光,那麼何不依靠一個外部的光源來為量子點提供能量?而傳統的LED背光源似乎就是目前來説最便捷的方案了。

京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
圖片來源:Spill

因此各QLED廠家在這個階段的做法就是在LED背光源前加上一層量子點強化膜,然後通過LED背光來給膜上的量子點拖加能量,讓它們呈現出紅綠色彩。

但是如果是使用傳統的白光作為背光源的話,由於會有顏色串擾的問題,所以色彩會沒那麼好。因此量子點增強膜後面會是一個藍光的LED背光源,這樣可以確保量子點產出的紅藍綠色不會被白光所幹擾,以及保證藍光的純淨,從而給出更佳的色域。

最先運用量子點增強膜技術的是索尼在2013年推出市面的TRILUMINOS電視。及後三星、LG以及TCL都推出了自家的量子點增強電視。再之後在2017年時,三星、TCL、海信以及Nanosys成立了QLED聯盟來推動QLED的發展。

京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
不過,雖然説Nanosys對於量子點增強膜的期望值是大於百分之90的BT.2020色域,但是目前哪怕是目前最為高端的QLED電視也只能做到百分之80多一點的BT.2020色域。

進階版:量子點彩色濾光片

量子點彩色濾光片(Quantum dot Color Converter)目前仍然處於實驗階段,而三星去年開始投資110億美元研發經費以及升級生產線為的也就是這個。

京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
簡單來説,這項技術就是以量子點彩色濾光片來取代傳統的彩色濾光片,繼續使用藍光光源來獲得更好的色彩表現以及更高的亮度。傳統的彩色濾光片由於會過濾掉2/3的光,因此最高亮度以及能耗比都不是最好的。而如果換用量子點彩色濾光片的話,這個問題就會得到很大改善,因為是以量子點發光的形式而非依靠過濾掉其他光譜的光來來顯示出顏色。另外由於使用了量子點彩色濾光片後偏光片需要後移至前者後面,因此也有助於改善屏幕的可視角度。

而這項技術不僅僅可以應用在LED屏幕上,這也是為什麼筆者上面會説藍光光源而非背光源的原因,因為像OLED以及或是許會在不久後到來的Micro LED這些自發光的光源也可以用來為量子點色濾光片提供光能,也就是QD-OLED以及QD-Micro LED。

京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
圖片來源:Sisa Journal

三星想在2021年推出的就是這裏面的QD-OLED屏幕。OLED本身的色彩也是很不錯的,不過OLED屏幕的造價一直較貴,以及壽命比起LCD短不少。而QD-OLED則是以藍光OLED作光源,讓藍色以自發光方式產生,並且以此讓量子點彩色濾光片產生紅綠光。

這樣結合出來的結果就是理論上來説相比起純OLED屏幕造價可以降低不少之餘又可以保留OLED的超高對比度度特性,但同時間也保留了OLED的缺點,那就是最高亮度不會很高。

至於QD-Micro LED,這個嘛……先等Micro LED量產了再説吧。

終極體:主動矩陣量子點發光二極管

最後就是QLED的最終形態,也是真正的QLED,那就是AMQLED(Active-Matrix Quantum dot Light Emitting Diodes),因為上面的兩個階段量子點都需要藉助光能來實現色彩。

京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
正如這個階段的名稱以及Nanosys的路線圖所示,AMQLED是透過給量子點壓加電流來使其自發光從而製造顏色的,不需要依靠外部的光能來提供能量,因此色彩可以顯示得更加純淨,這也是為什麼在AMQLED理論上可以達到百分百的BT.2020色域的原因。

對於AMQLED,筆者只想到兩個字:神器。因為理論上AMQLED有着比OLED更廣的色域、更加長久的壽命、不會有影像殘留的問題以及更重要的一點:以更低的成本來達成上述的優勢。

其實AMQLED與OLED兩者在結構上面可以説是差不多的,最主要的不同在於兩者的材料。因此AMQLED屏幕可以做得像OLED屏幕一樣薄,並且同樣具有快速響應時間的特點。換言之,用AMQLED來打遊戲的體驗也會是很好的。

至於實際應用方面,早在2017年時京東方就表示他們研發出了5寸以及14寸的AMQLED屏幕,不過直至目前仍然沒有實際的產品應用,可見AMQLED的實現難度之大。

京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
京東方突破500PPI的“QLED”到底是什麼鬼?
上圖為5寸AMQLED,下圖為14寸AMQLED

不過隨着科技的進步,在未來的幾年內可能會出現真正用上京東方AMQLED的產品。而如果三星接下來的QD-OLED是可以成功投產的話,那麼接下來也肯定會開始AMQLED的研發。

來源:超能網、中關村在線綜合報道

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