未來新型顯示器─OLED與QD電視

作者/曲建仲(臺灣大學電機工程學系博士,美商德州儀器公司市場行銷與資深應用工程師,負責嵌入式處理器與無線微控制器相關產品,應用在各種工業與消費性電子產品與物聯網)

1990年開始,全球展開了第一輪的電視大躍進,體積巨大陪伴了我們超過半個世紀的陰極射線管(Cathode Ray Tub, CRT)電視被體積較小的液晶電視(Liquid Crystal Display, LCD)取代,目前已經成為我們客廳裡的主角,但是科學家們追求電視畫面色彩畫質與厚度縮小的目標仍然沒有停止,經過幾年的發展,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(Quantumm 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!

可見光的波長與顏色

光波與電磁波的關係如圖一(a) 所示, 我們稱為「電磁波頻譜(Spectrum)」,由圖中可以看出,光波主要是指紅外光(IR:Infrared)、可見光(人類肉眼可以看見的光)與紫外光(VU:Ultraviolet)等三個部分,其實只是所有電磁波頻譜的中央部分,所以我們說:光是一種電磁波。「不同波長的可見光」人類的眼睛看起來「顏色不同」。可見光是人類眼睛可以看見的光,大約可以分為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七大顏色區塊,由圖一(b)可以看出,紅光的波長約為0.78 μm;藍光的波長約為0.48 μm;紫光的波長約為0.38 μm。
不同波長的可見光人類的眼睛看起來「顏色不同」,那麼可見光到底有多少種顏色呢?要回答這個問題很簡單,因為光的波長就是顏色,光有多少種波長,就有多少種顏色,先問自己一個簡單的數學問題,在一條數線上有多少個「實數」?答案是:在一條數線上有「無限多個實數」,因此光有無限多種波長,故有無限多種顏色,我們稱為「連續光譜(Continuous spectrum)」。

光的三原色

科學家們發現,只要以紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色「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」。如圖二所示,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三種顏色,這樣的小方格稱為「次畫素(Sub-pixel)」。

色彩的顯示

可見光有無限多種顏色, 圖三為「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(R)、綠色(G)、藍色(B)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)做為背光源的液晶電視(LCDTV)稱為「LED-TV」,要注意雖然廠商稱它為LED-TV,實際上它是「以LED做為背光源的LCD-TV」,它是使用「彩色濾光片(Color filter)」產生RGB三種顏色的光,圖中的三角形頂點就是RGB三種顏色,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),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三種顏色,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三種顏色,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;由圖中可以看出OLED-TV產生的RGB三種顏色可以組合成更多的顏色(綠色三角形);而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)。

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)」,其構造如圖四所示,將可以發出紅光、綠光、藍光的「有機發光半導體(一種會發光的高分子)」塗佈在導電玻璃上,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「高分子(塑膠)」,由於塑膠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,韓國的三星(Samsung)與樂金(LG)成功的改善了良率的問題,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。

有機發光二極體電視(OLEDTV)的優點包括:
1. 構造簡單、厚度很薄:由於OLED-TV構造簡單,所以厚度很薄。
2. 沒有視角的問題:沒有利用液晶分子使極化光旋轉的原理,所以不像液晶電視一樣有視角的問題。
3. 不需要背光源,亮度很高:由於液晶顯示器需要背光源,構造比較複雜,而OLED-TV不需要背光源,構造簡單,亮度很高。

缺點包括:
1. 使用壽命較短、製程良率很低:有機發光半導體其實就是一種「塑膠」,而塑膠發光的光學性質不穩定,造成OLED-TV的良率很低,成本一直降不下來,而且使用壽命較短(用久了會褪色)。
2. 紅色與藍色價格高:發出紅光與藍光的有機發光半導體發展較晚,價格較高,造成彩色的OLED-TV價格較高。

量子點電視

科學家發現當材料的尺寸小到100 nm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)」,如圖五所示,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)。

傳統白色發光二極體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,如圖六(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)」,如圖六(b)所示,利用這種元件做為液晶顯示器(LCD)的背光源可以增加RGB顏色,如圖六(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做為背光源,如圖六(d)所示,並且將量子點直接印刷在面版上形成不同的次畫素,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,最後經由液晶面版呈像。

結論

傳統以白色發光二極體做為背光源的液晶電視市場已經成熟,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三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三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。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。

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