量子點電視技術淺析

梁 寧

(康佳集團股份有限公司，廣東 深圳 518057)

量子點電視技術淺析

梁 寧

(康佳集團股份有限公司，廣東 深圳 518057)

分析了WLED電視的技術缺點和量子點電視的技術優越性。傳統的WLED電視大多采用“藍光LED+黃色熒光粉”的發光模式，雖可讓人感覺到白光，但缺乏紅光和綠光使得混色較為困難，是導致色域覆蓋率偏低和背光轉換效率不高的原因。近年來，隨著量子點發光技術的成熟及其在液晶背光中的應用，量子點電視應運而生，性能十分優越。與傳統WLED電視比較，量子點電視的色域和能效更高，所以其畫面色彩更自然亮麗，并且兼顧節能環保。

量子點；光致發光；色域覆蓋率；背光源

1 WLED電視

目前行業普遍采用NTSC色域標準來衡量色彩顯示效果，色域覆蓋率(簡稱色域)越高，電視所呈現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“藍光LED+黃色熒光粉”的發光模式[2]，雖可讓人感覺到白光，但缺乏紅光和綠光使得混色較為困難，導致色域偏低，一般不超過72%，大大低于色域高達100%的OLED電視。隨著OLED電視成本不斷下降，傳統WLED電視面臨OLED挑戰，未來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電視是通過藍光LED發出的光激發黃色熒光粉產生黃光，剩余的藍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厚度會導致透光率下降，使得WLED背光轉換效率大打折扣，從而降低WLED電視的能效指標。另外，LED生產過程中參數離散性嚴重，導致LED光譜很難與CF精準匹配，這是導致WLED電視色域偏低、背光轉換效率不高的另一個原因。

圖1 傳統WLED的發射光譜

提高色域是延長液晶電視生命周期的有效方法。近年來，量子點發光技術獲得重大突破，并成功應用于液晶電視，大大提高了液晶電視的色域，達到100%甚至110%，達到或超過OLED電視的水平。應用了量子點發光技術的液晶電視——量子點電視，有望成為未來主流的高端電視。

2 量子點發光機理

量子點(Quantum Dots，QDs)是一種由數十個原子所構成的半導體顆粒，其3個維度的尺寸都在100 nm以內，量子尺寸效應非常明顯。量子點是一種納米級的半導體材料，具有半導體的能帶結構，具有一定的帶隙寬度，可以電致發光或光致發光，其發射光譜取決于能帶結構[3]，而能帶結構與量子點顆粒大小和分布有關。現有技術能夠精準控制量子點顆粒大小及其分布，從而可以精準控制量子點的發射光譜和色純度。

本文僅討論量子點的光致發光技術，量子點材料的能帶結構簡圖如圖2所示。導帶和價帶都是一些分立的能級，常溫下，價帶基本上被電子占據，導帶基本上沒有電子，量子點材料受到光照射后，價帶中的部分電子吸收光能，從價帶躍遷到導帶(圖中用A表示此過程)，這是一個吸收光能的過程。處于導帶的電子是不穩定的狀態，幾乎立刻返回價帶(圖中用B表示此過程)，將吸收的光能以光的形式釋放(即發光)，這是一個發射光的過程。量子力學理論計算表明，所發出光的波長(即顏色)與量子點的大小成正比，越小的量子點所發出光的波長越短，越大的量子點所發出光的波長越長(藍移現象[4])。因此，通過精準控制量子點大小即可獲得所需顏色的光，如圖3所示。

圖2 量子點材料的能帶結構

圖3 量子點發光波長與顆粒直徑有關

在量子點電視中，主流的方法是利用藍光LED發出的光激發2種量子點材料，分別發出紅光和綠光，并同剩余的藍光混色成為白光，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 量子點發射光光譜示例

3 量子點背光技術

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

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

圖5 3種量子點背光技術方案

根據色轉換效率、光提取效率、波長利用效率3個特性，On-Surface方式效果最佳，美國3M公司開發的量子點增強膜(QDEF)已開始在市面上銷售。采用QDEF膜的量子點電視，結構與原WLED電視兼容，可大大加快新品上市進度。

4 量子點電視

量子點電視屬于液晶電視，是一種背光源應用了量子點發光技術的液晶電視。如前所述，精準控制量子點顆粒大小及其分布，就能精準控制量子點所發出光的顏色和純度，所以量子點電視的色域容易控制，且可以做到100%甚至110%。

圖6為不同電視產品顯示色域的對比。量子點電視通過精準控制量子點顆粒的大小，即可控制RGB三基色的坐標，使三基色包圍的區域更大，獲得高達110%的色域。當然，調整RGB三基色坐標時，還要盡量匹配液晶面板CF膜片的光學特性，提高液晶面板的透光率，從而提高量子點背光的轉換效率。傳統WLED電視因為熒光粉的光譜不易精準控制，與CF膜片的精準匹配較難實現，導致液晶面板透光率相對較低。

圖6 不同電視產品的色域對比

5 結論

量子點具有發射光譜更易于精準控制、顏色更純，以及光轉換效率更高等技術特點。量子點背光系統性能優于現有的WLED背光系統，量子點顯示技術這種得天獨厚的優勢令量子點電視亮度有效提升30%～40%，背光源系統光轉換效率大幅提升的情況下，畫面的色彩更亮麗，并兼顧節能環保，性能提升十分明顯。

目前來看，OLED電視市場關注度很高，但不可否認的是，成本低性能優越的量子點電視更符合消費市場的需求，LG Display和Samsung Display已經正式宣布量產量子點電視。2014年深圳高交會期間，康佳展示了多款基于量子點光管技術的55 in(1 in=2.54 cm)超薄型量子點電視，并計劃量產量子點電視。從顯示效果這一點來看，量子點電視在成熟的液晶技術上實現了飛躍性的提升，高色域節能環保的量子點電視有望成為未來的新寵，挑戰OLED電視。

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

[2] 劉霽，李萬萬，孫康.白光LED及其涂敷用熒光粉的研究進展[J].材料導報，2007(8)：116-120.

[3] 何修軍，蔣孟衡，肖子劍,等.有機電致發光器件的研究進展[J].光學儀器，2006(6)：78-83.

[4] 桑園，王雷妮，羅婧婧,等.CeO_2紫外吸收光譜藍移機理研究進展[J].硅酸鹽通報，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

【本文獻信息】梁寧.量子點電視技術淺析[J].電視技術,2015，39(18).

梁 寧(1963— )，博士，高級工程師，主要研究方向為數字電視。

責任編輯：閆雯雯