1990 年開始，全球展開了第一輪的電視大躍進(jìn)，體積巨大陪伴我們超過半世紀(jì)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(jīng)成為客廳里的主角。但科學(xué)家追求電視畫面色彩畫質(zhì)與厚度縮小的目標(biāo)仍然沒有停止，經(jīng)過幾年發(fā)展，厚度超薄顏色更豐富的“有機發(fā)光二極管”(Organic Light Emitting Diode，OLED)與“量子點”(Quantum Dot，QD)電視日趨成熟，成為后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么不同吧。

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(shù)中彩色是如何達(dá)成的，他們均是以紅(Red，R)、綠(Green，G)、藍(lán)(Blue，B)3 種顏色“不同亮度”即可組合成連續(xù)光譜中幾乎所有可見光的顏色，因此我們稱紅、綠、藍(lán)三色為“光的三原色”。如圖一所示，假設(shè)有一個方格用來顯示某一種顏色，這樣的方格稱為“像素”(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“次像素”(Sub-pixel)。

 

▲ 圖一：紅、綠、藍(lán)三種顏色不同亮度即可組合成連續(xù)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“色度坐標(biāo)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(lán)色其實只是一個大概的視覺感受，不同的發(fā)光組件所產(chǎn)生的光其實波長多少都有些差異，因此利用不同的發(fā)光組件所能產(chǎn)生的色彩并不同相。傳統(tǒng)以白色發(fā)光二極管(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(chǎn)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(nèi)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)，顯然并不能組合成肉眼能看到的所有顏色，但是這已經(jīng)足夠制作電視讓我們看到真實的影像了;后來有廠商開發(fā)出不同白光發(fā)光二極管(LED)與彩色濾光片產(chǎn)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(chǎn)生 RGB 3 種顏色，而且目前工業(yè)上背光源所使用的白色發(fā)光二極管(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(fā)光二極管電視(OLED-TV)產(chǎn)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(chǎn)生的 RGB 三種顏色可以組合成更多的顏色(藍(lán)色三角形)。

 

▲ 圖：二色度坐標(biāo)圖(Chromaticity diagram)。

有機發(fā)光二極管

有機發(fā)光二極管(OLED)又稱為“有機電激發(fā)光”(Organic Electrical Luminescence，OEL)，其構(gòu)造如圖三所示，將可以發(fā)出紅光、綠光、藍(lán)光的“有機發(fā)光半導(dǎo)體”(一種會發(fā)光的有機分子)加熱蒸鍍在導(dǎo)電玻璃上，再蒸鍍金屬電極，直接對不同顏色的有機發(fā)光半導(dǎo)體施加電壓注入電子與電洞，電子與電洞在有機發(fā)光半導(dǎo)體內(nèi)結(jié)合發(fā)光。它的構(gòu)造簡單，亮度夠高，可惜有機發(fā)光半導(dǎo)體其實就是一種“有機分子”(類似塑料)，由于發(fā)光的材料性質(zhì)不穩(wěn)定，造成生產(chǎn)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(jīng)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(jīng)量產(chǎn) 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(jīng)慢慢看到它的商業(yè)價值了。

 

▲ 圖三：有機發(fā)光二極管(OLED)構(gòu)造。(Source：LG)

量子點電視(QD-TV)

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料的尺寸小到 100 納米以下時會產(chǎn)生“量子局限效應(yīng)”(Quantum confinement effect)，此時電子與電洞被局限在納米材料內(nèi)形成自組的穩(wěn)定態(tài)，造成發(fā)光性質(zhì)的改變，而且納米材料的尺寸愈小時，材料發(fā)光強度愈強，發(fā)光的波長愈短(藍(lán)色)，這個現(xiàn)象稱為“藍(lán)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(lán)光最短，換句話說，當(dāng)納米材料的尺寸大，發(fā)光強度較弱，顏色為紅光(波長最長);當(dāng)納米材料的尺寸變小，發(fā)光強度變強，顏色為綠光(波長次之);當(dāng)納米材料的尺寸更小，發(fā)光強度更強，顏色為藍(lán)光(波長最短)。

 

▲ 圖四：量子局限效應(yīng)的“藍(lán)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(tǒng)白色發(fā)光二極管(WLED)發(fā)光的原理是以藍(lán)光發(fā)光二極管(Blue LED, BLED)晶粒發(fā)出藍(lán)光照射 YAG 熒光粉，熒光粉吸收藍(lán)光產(chǎn)生白光，如圖五 (a) 所示，前面提到這種組件的 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)取代熒光粉稱為“量子點發(fā)光二極管(QD-LED)”，如圖五 (b) 所示，利用這種組件為液晶顯示器(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，而且并不需要修改太多液晶顯示器(LCD)的構(gòu)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(lán)色發(fā)光二極管(BLED)為背光源，如圖五 (d) 所示，經(jīng)由液晶面版呈像，并且將量子點直接印刷在面版上形成不同的次像素取代彩色濾光片，受到藍(lán)光背光模塊的照射，紅色的量子點吸收藍(lán)光會發(fā)出紅光，綠色的量子點吸收藍(lán)光會發(fā)出綠光，藍(lán)色的量子點吸收藍(lán)光會發(fā)出藍(lán)光，其中藍(lán)色的像素因為和背光模塊顏色一樣因此可以不使用藍(lán)色的量子點，最后的量子點電視(QD-TV)的構(gòu)造如圖六所示。

 

▲ 圖五：白光發(fā)光二極管與量子點發(fā)光二極管(QD-LED)電視構(gòu)造示意圖。

 

▲ 圖六：量子點電視(QD-TV)構(gòu)造示意圖。

結(jié)論

傳統(tǒng)以白色發(fā)光二極管(WLED)為背光源的液晶電視(LCD-TV)市場已經(jīng)成熟，在技術(shù)上也沒有太多可以改善的空間;雖然有機發(fā)光二極管電視(OLED-TV)產(chǎn)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(nèi)好像也無法全面推廣使用;而量子點電視(QD-TV)產(chǎn)生的 RGB 3 種顏色可以組合成最多的顏色，而且并不需要修改太多液晶顯示器(LCD)的構(gòu)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，市場營銷引用“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營銷手法而已。在可以預(yù)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，讓我們能夠在電視里看到如同大自然一樣真實的畫面。