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量子点是否会主导显示器?
2018-03-05 13:28
原创  Ieee Spectrum

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侏儒怪拥有将廉价的秸秆变为珍贵的黄金这种令人艳羡的能力。而今天,显示器厂商开始从他们的光子炼金术(将低成本光源转换为更高效、色彩更清晰的显示器所需的精确波长)获益了。

这一神奇的魔法是利用量子点来完成的。量子点是表现出一系列不寻常的电学和光学性质的半导体纳米晶体,几十年来,它们主要限于实验室研究。而现在,量子点被应用于消费者市场大规模生产的显示器中,包括索尼的平板电视和亚马逊的Kindle Fire HDX电子阅读器等,且其应用范围仍在迅速扩张并不断变化。在6月于圣地亚哥举办的信息显示学会2014年显示周大会上,无论是在展览大厅还是在提交的论文中,量子点都是一个热门话题;大会安排了3场有关该主题的分会。

量子点有许多有趣的属性,但是当应用于显示器时,最重要的是它们可以吸收短波长(蓝色)的光,然后将其转化为波长更长(红色和绿色)的光发射出去。这听起来可能很像传统的磷光粉材料,通过将电子束转化为可见光,使阴极射线管(CRT)成为可能。不同的是,量子点产生的射线更为精确。优质磷光粉发射光线的波长范围约为50纳米,而典型量子点的范围则大约是其一半。这一范围在光谱上的位置可以通过改变粒子的大小来精确控制:粒子越大,发射光线的波长就越长。量子点发射光线的波长范围最小可以被调谐到1纳米以内。这就使显示器的色彩输出能够得到极好的控制。

而且方便的是,量子点发射的波长范围可以极窄,它们所转换的光源范围可以更广,同时光的转化率仍然可以达到95%以上。这些都使量子点比传统背光源方法的光损耗少得多——在传统的背光源方法中,大量的光都损失在了过滤多余波长的色彩过滤层。观看者能够看到更多的光,这样,显示器无须增加功耗就可以变得更亮。

在显示器行业中,色彩再现已经成为日益重要的课题。多年来,阴极射线管的质量被认为“足够好了”,尽管典型阴极射线管显示器的色域只有国家电视系统委员会(NTSC)规定颜色标准的约70%~75%。

彩色显示器的发展(首先是LCD,最近是OLED)使超越NTSC规定的标准成为可能。因此,扩大了的色域标准已经开始实施,其中最近的就是国际电信联盟无线电通信组(ITU-R)的BT.2020建议书。该建议书由国际电信联盟起草,用于测量下一代超高清电视的色彩空间。一些量子点显示器的原型机已经能够再现BT.2020建议书中规定的95%的色域了。

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两家公司已在量子点技术商业化方面处于领先地位:QD Vision公司为索尼公司提供了Triluminus显示技术;Nanosys公司已经与3M公司合作,开发出了一种光处理膜——量子点增强薄膜(QDEF)。

QD Vision公司的做法是,将量子点添加到LCD面板周围由蓝色LED侧光灯组成的条形区域中。其中一些光被转换成红色和绿色,通过导光管混合,为LCD面板的彩色子像素创造出高品质的白色背光。Nanosys公司/3M公司的做法是,将QDEF薄膜覆盖在面板的背面,然后采用蓝色LED背光(通常是透过侧光和导光管)。在到达子像素之前,一些蓝光在薄膜层就已经被转换成了红色光和绿色光。

一些研究人员正在开发第三种方法。这种新方法需要把量子点直接放在蓝色LED芯片上。这种方法简化了光学和光管理的需求,但它使量子点材料的工作温度升高,可能会降低其性能。

正如你所预料的,一种能够同时提高色彩表现力和电源效率的技术会吸引大量的商业关注。新产品不断涌现。在显示周上,华硕推出了采用3M公司QDEF量子点薄膜技术的Zenbook NX500——第一款高色域的4K分辨率笔记本电脑。

市场研究公司IHS预测,量子点显示器市场将从2013年的约1000万美元增长到2020年的2亿美元。市场研究机构Touch Display Research的报告显示,量子点材料市场预计将从2013年的7000万美元增长到2023年的96亿美元。

但量子点存在一个问题:它们需要镉,而这种材料被列入了欧盟《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(RoHS)标准中。不过,研究人员正在努力制作无镉量子点。陶氏电子材料公司使用了Nanoco集团授权的技术来生产这种无镉材料,商业化生产计划于今年开始。

无论如何,量子点都将会在新的超高清电视市场中发挥重要作用,同时帮助LCD显示器更有效地与OLED争夺更广泛的设备。最终,你将在屏幕上看到目前为止只有在现实生活中才能见到的色彩。

作者:Alfred Poor

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