量子点电视技术浅析

梁 宁

(康佳集团股份有限公司，广东 深圳 518057)

量子点电视技术浅析

梁 宁

(康佳集团股份有限公司，广东 深圳 518057)

分析了WLED电视的技术缺点和量子点电视的技术优越性。传统的WLED电视大多采用“蓝光LED+黄色荧光粉”的发光模式，虽可让人感觉到白光，但缺乏红光和绿光使得混色较为困难，是导致色域覆盖率偏低和背光转换效率不高的原因。近年来，随着量子点发光技术的成熟及其在液晶背光中的应用，量子点电视应运而生，性能十分优越。与传统WLED电视比较，量子点电视的色域和能效更高，所以其画面色彩更自然亮丽，并且兼顾节能环保。

量子点；光致发光；色域覆盖率；背光源

1 WLED电视

目前行业普遍采用NTSC色域标准来衡量色彩显示效果，色域覆盖率(简称色域)越高，电视所呈现的颜色范围也就越丰富、越接近自然色[1]。市面上的白光LED液晶电视(WLED电视)大多采用“蓝光LED+黄色荧光粉”的发光模式[2]，虽可让人感觉到白光，但缺乏红光和绿光使得混色较为困难，导致色域偏低，一般不超过72%，大大低于色域高达100%的OLED电视。随着OLED电视成本不断下降，传统WLED电视面临OLED挑战，未来WLED电视的生存空间不断受到挤压。

液晶电视的色域取决于背光的光谱特性以及光谱与液晶面板彩色滤光片(CF)的匹配程度。主流的WLED电视是通过蓝光LED发出的光激发黄色荧光粉产生黄光，剩余的蓝光与黄光混色而获得白光，其典型的光谱特性如图1所示，就RGB三基色而言，其色纯度很差。增加CF的厚度以便充分过滤背光，可在一定程度上提高RGB三基色的纯度，有助于提高WLED电视的色域，但是，增加CF厚度会导致透光率下降，使得WLED背光转换效率大打折扣，从而降低WLED电视的能效指标。另外，LED生产过程中参数离散性严重，导致LED光谱很难与CF精准匹配，这是导致WLED电视色域偏低、背光转换效率不高的另一个原因。

图1 传统WLED的发射光谱

提高色域是延长液晶电视生命周期的有效方法。近年来，量子点发光技术获得重大突破，并成功应用于液晶电视，大大提高了液晶电视的色域，达到100%甚至110%，达到或超过OLED电视的水平。应用了量子点发光技术的液晶电视——量子点电视，有望成为未来主流的高端电视。

2 量子点发光机理

量子点(Quantum Dots，QDs)是一种由数十个原子所构成的半导体颗粒，其3个维度的尺寸都在100 nm以内，量子尺寸效应非常明显。量子点是一种纳米级的半导体材料，具有半导体的能带结构，具有一定的带隙宽度，可以电致发光或光致发光，其发射光谱取决于能带结构[3]，而能带结构与量子点颗粒大小和分布有关。现有技术能够精准控制量子点颗粒大小及其分布，从而可以精准控制量子点的发射光谱和色纯度。

本文仅讨论量子点的光致发光技术，量子点材料的能带结构简图如图2所示。导带和价带都是一些分立的能级，常温下，价带基本上被电子占据，导带基本上没有电子，量子点材料受到光照射后，价带中的部分电子吸收光能，从价带跃迁到导带(图中用A表示此过程)，这是一个吸收光能的过程。处于导带的电子是不稳定的状态，几乎立刻返回价带(图中用B表示此过程)，将吸收的光能以光的形式释放(即发光)，这是一个发射光的过程。量子力学理论计算表明，所发出光的波长(即颜色)与量子点的大小成正比，越小的量子点所发出光的波长越短，越大的量子点所发出光的波长越长(蓝移现象[4])。因此，通过精准控制量子点大小即可获得所需颜色的光，如图3所示。

图2 量子点材料的能带结构

图3 量子点发光波长与颗粒直径有关

在量子点电视中，主流的方法是利用蓝光LED发出的光激发2种量子点材料，分别发出红光和绿光，并同剩余的蓝光混色成为白光，这种白光就作为液晶电视的背光光源。其光谱特性如图4所示，可以明显看到RGB三基色的波峰。

图4 量子点发射光光谱示例

3 量子点背光技术

液晶是一种自身不能发光的物质，需要借助额外的光源才能工作，这一物理特性是无法改变的，因此液晶显示技术改进自然需要从背光系统下手。液晶显示技术的背光光源主要经历了冷阴极荧光灯管(CCFL)和WLED这2个阶段。量子点背光技术，无论是性能还是功耗都有革命性的突破，量子点背光极有可能是继CCFL背光和WLED背光之后，液晶发展史上的最后一次革命。

量子点经常采用的材料为硒化镉CdSe、氧化锌ZnO，以蓝光LED发出的光照射在2种量子点上产生绿光和红光。整合量子点至液晶面板中目前有3种方式，第一种就是直接以量子点材料取代黄色荧光粉，直接和蓝光LED封装在一起(On-Chip)，如图5a所示；第二种就是将2种量子点材料装入已经真空处理的玻璃管内，将玻璃管配置在导光板边缘(On-Edge)，对着蓝光LED灯，在蓝光照射下，2种量子点材料分别发出红光和绿光，并同剩余的蓝光混光成为白光进入导光板，如图5b所示；第三种就是将2种量子点材料做成膜片，取代目前液晶面板里的扩散膜，放置在导光板上(On-Surface)，如图5c所示。

图5 3种量子点背光技术方案

根据色转换效率、光提取效率、波长利用效率3个特性，On-Surface方式效果最佳，美国3M公司开发的量子点增强膜(QDEF)已开始在市面上销售。采用QDEF膜的量子点电视，结构与原WLED电视兼容，可大大加快新品上市进度。

4 量子点电视

量子点电视属于液晶电视，是一种背光源应用了量子点发光技术的液晶电视。如前所述，精准控制量子点颗粒大小及其分布，就能精准控制量子点所发出光的颜色和纯度，所以量子点电视的色域容易控制，且可以做到100%甚至110%。

图6为不同电视产品显示色域的对比。量子点电视通过精准控制量子点颗粒的大小，即可控制RGB三基色的坐标，使三基色包围的区域更大，获得高达110%的色域。当然，调整RGB三基色坐标时，还要尽量匹配液晶面板CF膜片的光学特性，提高液晶面板的透光率，从而提高量子点背光的转换效率。传统WLED电视因为荧光粉的光谱不易精准控制，与CF膜片的精准匹配较难实现，导致液晶面板透光率相对较低。

图6 不同电视产品的色域对比

5 结论

量子点具有发射光谱更易于精准控制、颜色更纯，以及光转换效率更高等技术特点。量子点背光系统性能优于现有的WLED背光系统，量子点显示技术这种得天独厚的优势令量子点电视亮度有效提升30%～40%，背光源系统光转换效率大幅提升的情况下，画面的色彩更亮丽，并兼顾节能环保，性能提升十分明显。

目前来看，OLED电视市场关注度很高，但不可否认的是，成本低性能优越的量子点电视更符合消费市场的需求，LG Display和Samsung Display已经正式宣布量产量子点电视。2014年深圳高交会期间，康佳展示了多款基于量子点光管技术的55 in(1 in=2.54 cm)超薄型量子点电视，并计划量产量子点电视。从显示效果这一点来看，量子点电视在成熟的液晶技术上实现了飞跃性的提升，高色域节能环保的量子点电视有望成为未来的新宠，挑战OLED电视。

[1] 刘全恩.色域及色域覆盖率[J].电视技术，2004，28(11)：53-57.

[2] 刘霁，李万万，孙康.白光LED及其涂敷用荧光粉的研究进展[J].材料导报，2007(8)：116-120.

[3] 何修军，蒋孟衡，肖子剑,等.有机电致发光器件的研究进展[J].光学仪器，2006(6)：78-83.

[4] 桑园，王雷妮，罗婧婧,等.CeO_2紫外吸收光谱蓝移机理研究进展[J].硅酸盐通报，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

【本文献信息】梁宁.量子点电视技术浅析[J].电视技术,2015，39(18).

梁 宁(1963— )，博士，高级工程师，主要研究方向为数字电视。

责任编辑：闫雯雯