量子電腦還沒譜,量子點電視先來湊熱鬧──解構 LCD、OLED 與量子點基本原理

作者 | 發布日期 2017 年 05 月 29 日 12:00 | 分類 光電科技 , 科技教育 , 電視 follow us in feedly

液晶電視已經過氣了!OLED 電視都還沒有上市,怎麼又冒出了一個量子點電視了!到底什麼是 OLED?什麼又是量子點呢?



1990 年開始,全球展開了第一輪的電視大躍進,體積巨大陪伴我們超過半世紀的陰極射線管(Cathode Ray Tub,CRT)電視被體積較小的液晶電視(Liquid Crystal Display,LCD)取代,目前已經成為客廳裡的主角。但科學家追求電視畫面色彩畫質與厚度縮小的目標仍然沒有停止,經過幾年發展,厚度超薄顏色更豐富的「有機發光二極體」(Organic Light Emitting Diode,OLED)與「量子點」(Quantum Dot,QD)電視日趨成熟,成為後起之秀漸漸取代液晶電視的可能性愈來愈高,我們來看看這兩種未來新型顯示器到底有什麼不同吧。

光的三原色

在了解顯示原理前,我們先來理解一下各式顯示技術中彩色是如何達成的,他們均是以紅(Red,R)、綠(Green,G)、藍(Blue,B)3 種顏色「不同亮度」即可組合成連續光譜中幾乎所有可見光的顏色,因此我們稱紅、綠、藍三色為「光的三原色」。如圖一所示,假設有一個方格用來顯示某一種顏色,這樣的方格稱為「畫素」(pixel),將這個方格垂直切割成三個小方格,分別代表 RGB 3 種顏色,這樣的小方格稱為「次畫素」(Sub-pixel)。

▲ 圖一:紅、綠、藍三種顏色不同亮度即可組合成連續光譜中幾乎所有的顏色。

色彩的顯示

可見光有無限多種顏色,圖二為「色度座標圖」(Chromaticity diagram)代表肉眼能看到的所有顏色,光的波長就是顏色,光有多少種波長,就有多少種顏色,而前面所說的紅色、綠色、藍色其實只是一個大概的視覺感受,不同的發光元件所產生的光其實波長多少都有些差異,因此利用不同的發光元件所能產生的色彩並不同相。傳統以白色發光二極體(White LED,WLED)為背光源的液晶電視(LCD-TV)稱為「LED-TV」,要注意雖然廠商稱它為 LED-TV,實際上它是「以 LED 為背光源的 LCD-TV」,它是使用「彩色濾光片」(Color filter)產生 RGB 3 種顏色的光,圖中的三角形頂點就是 RGB 3 種顏色,而三角形內的顏色就是這種電視所能組合成的所有顏色(三角形愈大代表可以組合成的顏色愈多色彩愈真實),顯然並不能組合成肉眼能看到的所有顏色,但是這已經足夠製作電視讓我們看到真實的影像了;後來有廠商開發出不同白光發光二極體(LED)與彩色濾光片產生的 RGB 3 種顏色,可以組合成更多的顏色(紅色三角形),稱為「廣色域 LED-TV」,但是這兩種電視都是使用彩色濾光片過濾白光產生 RGB 3 種顏色,而且目前工業上背光源所使用的白色發光二極體(LED)顏色受限,因此可以組合成的顏色仍然不夠多;由圖中可看出有機發光二極體電視(OLED-TV)產生的 RGB 3 種顏色可以組合成更多的顏色(綠色三角形);而量子點(QD-TV)產生的 RGB 三種顏色可以組合成更多的顏色(藍色三角形)。

光的三原色與畫素呈像的原理是想要了解顯示器原理的人必讀的內容,有興趣的人可以參考〈知識力專家社群:顯示器概論〉

▲ 圖:二色度座標圖(Chromaticity diagram)。

有機發光二極體

有機發光二極體(OLED)又稱為「有機電激發光」(Organic Electrical Luminescence,OEL),其構造如圖三所示,將可以發出紅光、綠光、藍光的「有機發光半導體」(一種會發光的有機分子)加熱蒸鍍在導電玻璃上,再蒸鍍金屬電極,直接對不同顏色的有機發光半導體施加電壓注入電子與電洞,電子與電洞在有機發光半導體內結合發光。它的構造簡單,亮度夠高,可惜有機發光半導體其實就是一種「有機分子」(類似塑膠),由於發光的材料性質不穩定,造成生產時良率很低,成本一直降不下來,而且使用壽命較短,用久了會褪色,因此過去一直都是少量使用在單色顯示器上。經過十幾年來的努力,南韓的三星(Samsung)與樂金(LG)成功改善了良率的問題,目前已經量產 60 吋以上的彩色電視,只剩下售價過高的問題,看起來似乎已經慢慢看到它的商業價值了。

關於有機發光二極體(OLED)的原理與製作方式,有興趣的人可以參考〈知識力專家社群:有機電激發光顯示器〉

▲ 圖三:有機發光二極體(OLED)構造。(Source:LG

量子點電視(QD-TV)

科學家發現當材料的尺寸小到 100 奈米以下時會產生「量子局限效應」(Quantum confinement effect),此時電子與電洞被局限在奈米材料內形成自組的穩定態,造成發光性質的改變,而且奈米材料的尺寸愈小時,材料發光強度愈強,發光的波長愈短(藍色),這個現象稱為「藍移」(Blue shift),如圖四所示,不同顏色的光波長不同,所以光的波長就是顏色,在可見光中紅光的波長最長,綠光次之,藍光最短,換句話說,當奈米材料的尺寸大,發光強度較弱,顏色為紅光(波長最長);當奈米材料的尺寸變小,發光強度變強,顏色為綠光(波長次之);當奈米材料的尺寸更小,發光強度更強,顏色為藍光(波長最短)。

關於量子點與量子局限效應是奈米科技重要的特性,有興趣的人可以參考〈知識力專家社群:奈米科技簡介〉

▲ 圖四:量子局限效應的「藍移」。(Source:Tae-Ho Kim et al., Heterogeneous stacking of nanodot monolayers by dry pick-and-place transfer and its applications in quantum dot light-emitting diodes, Nature Communications, Article number: 2637, Published 06 November 2013)

傳統白色發光二極體(WLED)發光的原理是以藍光發光二極體(Blue LED, BLED)晶粒發出藍光照射 YAG 螢光粉,螢光粉吸收藍光產生白光,如圖五 (a) 所示,前面提到這種元件的 RGB 顏色受限,可以組合成的顏色仍然不夠多,因此我們可以直接使用量子點(QD)取代螢光粉稱為「量子點發光二極體(QD-LED)」,如圖五 (b) 所示,利用這種元件為液晶顯示器(LCD)的背光源可以增加 RGB 顏色,如圖五 (c) 所示,因此可以組合成的顏色大大增加,而且並不需要修改太多液晶顯示器(LCD)的構造,成本最低,但是仍然必須使用彩色濾光片。

如果要再增加 RGB 顏色則可以使用藍色發光二極體(BLED)為背光源,如圖五 (d) 所示,經由液晶面版呈像,並且將量子點直接印刷在面版上形成不同的次畫素取代彩色濾光片,受到藍光背光模組的照射,紅色的量子點吸收藍光會發出紅光,綠色的量子點吸收藍光會發出綠光,藍色的量子點吸收藍光會發出藍光,其中藍色的畫素因為和背光模組顏色一樣因此可以不使用藍色的量子點,最後的量子點電視(QD-TV)的構造如圖六所示。

發光二極體已經是目前廣泛使用的照明元件,對它的原理和特性有興趣的人可以參考〈知識力專家社群:發光二極體〉

▲ 圖五:白光發光二極體與量子點發光二極體(QD-LED)電視構造示意圖。

液晶面板上的薄膜電晶體(TFT)是主動矩陣式驅動面板的重要元件,有興趣的人可以參考〈知識力專家社群:液晶顯示器的驅動方式〉

▲ 圖六:量子點電視(QD-TV)構造示意圖。

結論

傳統以白色發光二極體(WLED)為背光源的液晶電視(LCD-TV)市場已經成熟,在技術上也沒有太多可以改善的空間;雖然有機發光二極體電視(OLED-TV)產生的 RGB 3 種顏色可以組合成更多的顏色,但是良率較低造成價格較高,短時間之內好像也無法全面推廣使用;而量子點電視(QD-TV)產生的 RGB 3 種顏色可以組合成最多的顏色,而且並不需要修改太多液晶顯示器(LCD)的構造,的確是目前可行的方法之一,不過要記得,其實量子點電視也是一種液晶電視,它仍然要靠液晶呈像,因此它仍然是一種液晶電視,市場行銷引用「量子點」(Quantum dot)這樣聽起來充滿「科技色彩」的名詞多半也是廣告行銷手法而已。在可以預見的未來,我們家中的電視一定會愈來愈薄,畫面色彩愈來愈豐富,讓我們能夠在電視裡看到如同大自然一樣真實的畫面。

(首圖來源:Flickr/Aaron Yoo CC BY 2.0) 

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