量子點電視的未來
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人們一度認為，電視機的未來應該是簡單明了的。在不遠的將來，液晶顯示器（LCD）應該會被淘汰，並讓位於明亮、鮮艷且超薄的有機發光二極體（OLED）顯示屏。但其實，電視機的未來並不會那麼簡單，不過肯定更加光明。
原因是什麼呢？量子點。如果你最近購買了電視機，你可能會被知名電視機生產商甩出的一系列新縮寫詞弄得眼花繚亂，困惑不已。也許你想知道他們所說的QD、QUHD、SUHD和ULED是什麼含義。在這裡我們將為你解答。上述每個縮寫都是指目前一種可用的量子點技術。我們將為你解釋這些技術方法，以及未來的電視機顯示器中使用量子點的不同方式。即使你已經心儀OLED電視，我們相信你仍會發現即將到來的高性能量子點顯示器世界的吸引力。首先，這項新興技術將最終使可列印、可捲曲以及如壁紙一般立等可用的電視機成為可能，這在過去20年中是我們一直所希望的。
但是要了解電視如何完成量子飛躍，首先要考慮一下最初人們為什麼用量子點來製造電視。
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量子點的直徑只有幾納米，是一種很小的半導體，通常是硒化鋅、硒化鎘或磷化銦。其用途很多，但這裡我們主要關注的是它將短波長光線（通常為波長450到495納米的藍色光）轉換成可見光譜中幾乎任何顏色的能力。
量子點吸收光子後，會產生一個電子空穴對，電子空穴對重新組合後可發射出一個新的光子。重要的是，這個被發射光子的顏色取決於量子點的大小：較大的量子點發射的波長較長，接近紅色（波長620～750納米）；較小的量子點發射的波長較短，更接近光譜的紫端（波長380～450納米）。這種「可調性」是量子點與眾不同的特性。在其他的發光材料中，發射光子的波長是材料的固有特性，不受其尺寸的影響。製造商通過調節產品中化學反應的溫度和時間，可獲得特定尺寸的量子點，從而發出特定波長的光。
這就是量子點的工作原理。但這與電視屏幕上的圖像有什麼關係？你在屏幕上看到的每個像素都會發出紅色、綠色或藍色的光，或者是這3種顏色的某種組合，共計有超過10億種獨特的色度。這些色度與街道上或演播室內攝像機所記錄的顏色的匹配準確程度取決於電視機如何精準地再現指定的波長，即每種顏色的光譜能縮小到多小的範圍。
今天你家中使用的液晶電視通常採用藍白色光源（背光）產生顏色。如今，背光通常是基於一系列的白光發光二極體（LED）矩陣。（較早的液晶電視採用熒光燈而不是LED。）每個像素都包含紅色、綠色和藍色的子像素。每個子像素都是一個小光點，帶有彩色濾光片以及用於控制通過該濾光片的光流量的液晶快門。通過改變每個子像素髮出光的相對比例，該像素可以產生自然界所呈現的大部分顏色。其關鍵點在於，每個子像素的光越純凈，光譜就越窄，在該像素處混合的顏色就越精確。
液晶電視製造商有兩種方法確保來自每個子像素的光譜範圍很窄。一種方法是在每個子像素處使用非常嚴格的濾光片，這些濾光片僅允許紅、綠、藍基色各自光譜範圍內極窄的一段光通過。另一種方法是修補背光。回想一下，白光就是紅色、綠色和藍色光的混合物。因此，提高圖像質量的另一個選擇是製造一個背光，其白光由這3種顏色組合而成，每種顏色的光譜分布都十分鮮明且峰寬狹窄。
到目前為止，最好的選擇是第二種方法。縮窄濾光片會使圖像變暗，對於電視顯示器來說絕不是件好事。因此，顯示器工程師一直致力於改善背光。
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現今，廉價電視中的背光方式與我們家中日益普及的白色LED燈泡的工作方式大致相同。這些白色LED燈能夠有效地產生強度足夠的可見光，讓我們很容易將其視為白色。
在典型的白色LED背光源中，氮化鎵LED會產生藍光。然後藍光激發釔鋁石榴石磷光體，該磷光體產生黃光。黃色和藍色結合在一起產生白色的光線，但該光線在黃色和藍色波長中很強烈，在綠色和紅色波長中則很微弱。
當背光源頂部的LCD子像素將此光線過濾為紅色、綠色和藍色成分時，在所需的紅色和綠色波長處沒有足夠的能量，使得該背光源無法生成明亮的圖像。為了補償這種能量不足，濾光片擴大通過顏色的範圍。所以綠色子像素包含藍綠色到黃綠色的混合色，而紅色子像素則包括自桔色起一直到整個紅外線的顏色。由於這些顏色存在缺陷，子像素不可能將這些三原色的光混合成我們在太陽照射時所看到的精確顏色。
這就是量子點改善圖像的切入點。在LED和濾光片之間插入量子點，可以在精確的紅色、綠色和藍色波長處最大限度地增加光通量，並最大限度地降低產生這些波長之外光所需的能量（詳見插圖《電視顯示器的結構》中的「光增強量子點電視」）。一種典型的方法是用發出波長為450納米藍光的LED，與顯示面板背面薄膜上的量子點進行配對。薄膜上有兩種量子點，發出波長為527納米綠光的量子點（直徑1.5～2.5納米）和發出波長為638納米紅光的量子點（直徑3.0～5.0納米）。
因此，在這種設置中，製造商不是使用藍色LED來激發產生黃光的磷光體，而是用其激發量子點發出光譜尖而窄的紅光和綠光，並直接產生必要的藍光。與藍色-黃色方法相比，這種方案更精確地符合電視色彩再現的要求，並且還有一個額外好處，就是光通過紅色和綠色濾光片時損失較少。
這種方法創建了一種「光增強」量子點顯示器，使量子點在電視顯示器中發揮了支撐作用，但這只是一個過渡的步驟。目前的問題是，即使藉助了量子點薄膜，液晶電視顯示屏也仍然存在一些固有的缺陷：
視角可能較窄。現在已有較新型的液晶技術能在很大程度上解決這個問題，但是價格比較昂貴。
浪費能源。在每個子像素處，要將紅色與藍色以及藍色與綠色分開，液晶電視必須將所發出光線的大約2/3阻擋在外。
在低光度環境中很難表現出深沉、暗淡和真實的黑色。由於液晶不是完美的遮光器，會有少量的白光泄漏出來，被觀眾感覺到，導致黑色圖像看起來更接近深灰色（從技術角度說，這些圖像只有「有限的動態範圍」）。
開關速度相對較慢。這些速度源於液晶的本質。這些晶體實際上在一個電場的作用下發生了扭曲，該電場使通過的光線發生偏振。偏振用於阻擋光線或讓其穿過每個子像素。但是這種扭曲需要時間，而這種滯後可能會導致運動、動作片或遊戲等高速動態內容出現問題。LCD的刷新率最多可達到大約240赫茲。一些最先進的電視系統已經在試用這樣高的刷新率，而傳統的電視刷新頻率僅為60赫茲。
不可摺疊或捲曲，至少目前的技術還無法實現這一點。這限制了目前顯示器的形狀。
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這些限制使許多觀察者得出這樣的結論：在可預見的未來，LCD將被一種發射顯示技術（即OLED）取代。這種發射技術是子像素自身發出紅色、綠色和藍色的光，而不是在白色背光前面採用彩色濾光片。發射顯示技術具有天然的優勢，如黑色水平深、視角寬，並且某些發射技術還能使開關時間變得更快。圖像質量可能相當壯觀，但OLED在成本、功耗和使用壽命等方面還存在棘手的挑戰。
OLED技術是在兩個導體之間插入有機物質的薄膜；施加電流使薄膜發光（詳見插圖中的「OLED電視」）。三星、谷歌、蘋果目前生產的各種小型設備和智能手機採用一種稱為紅、綠、藍（RGB）OLED的發射顯示器。不幸的是，事實證明，RGBOLED無法可靠地製造齣電視所需的大尺寸。所以電視製造商轉向了一種變體，白色OLED（WOLED）。目前，樂金顯示（LG Display）正在生產電視屏幕尺寸的WOLED顯示器，自用並提供給其他電視機供應商。索尼、松下和三星已經關停了自己製造OLED電視顯示器的業務。
WOLED顯示器組合使用藍色和橙黃色OLED發射器來產生白光。然後，該光線通過一層紅色、綠色和藍色濾光片，形成彩色子像素；第四種像素——開放子像素可以在必要時讓未過濾的白光通過來照亮整個圖像。這些顯示器具有幾個強大的優勢：可以產生深黑色，具有極快的開關速度（是LCD的10倍），薄且具有柔性。OLED面板的未來應用幾乎可以採用任何形式：可拉伸、彎曲、摺疊、捲起、像壁紙一樣粘貼，還可以是透明的。
但是，除卻這些優勢，也必須權衡一下其嚴重弱點。WOLED不是一種非常節能的技術。迄今為止，運行藍色OLED的電流只有約10%被轉換為顯示器發出的光子。橙黃色發射器的這一數字是略高於20%，接近理論最大效率。而且，更重要的是，增加彩色濾光片也進一步降低了效率。濾光片的總光損高達75%。消費者可能不會注意到電視機的高功耗，但光線損失也會導致影像不那樣生動。
WOLED顯示器在色彩再現方面也略有不足：其產生的廣譜光線降低了紅色、綠色和藍色子像素的純度，白色子像素在增強圖像明亮的同時也容易造成色彩不鮮艷。
目前，基於WOLED的電視機，特別是採用藍色發射器的電視機，面臨著使用壽命短的問題。在一個典型的美國家庭中，電視機僅使用9個月後，就可能出現一種稱為「老化」的圖像偽影問題。
最後，OLED顯示器的生產成本仍然很高。典型的OLED器件由25個超薄層組成，需要多個製造步驟，這些步驟必須在高真空下進行。這就是為什麼一台典型的65英寸4K解析度OLED電視今天的售價約為3000美元，而相似質量的液晶電視僅約為1000美元。
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這將帶我們回到量子點，因為事實證明，除了用於凈化背光以外，我們還可以用其做一些其他的事情，如作為一項發射顯示技術。
發射型量子點顯示器的第一種形式是光發射型（詳見插圖中的「光子發射量子點電視」）。在這種方案中，量子點不再隱藏在彩色濾光片陣列後面，而是直接作為子像素。在這種方法中，藍色LED再次構成背光。藍色子像素是陣列中的透明點；光通過它們時幾乎不發生任何變化。綠色和紅色子像素分別由量子點構成，吸收來自藍光的能量，然後分別發出精確的綠光和紅光波長，不再需要任何過濾。
目前效能最好的量子點發光效率超過99%。如果將其與移除濾光片帶來的效率提升相結合，在效率翻倍的前提下，這些量子點產生的圖像要比目前的LCD亮度高1倍。由於量子點位於屏幕的前部並向各個方向發射光線，因此該顯示屏的視角也很寬。
光增強量子點電視機尚未投入市場。預計將在今年晚些時候開始批量生產，2019年將廣泛普及。
關於這項技術為什麼需要耗費幾年的時間才能做好商業化的準備，原因有以下幾個。主要問題是穩定性。首先，量子點在空氣中不是很穩定，所以在早期的光增強量子點顯示器中，量子點被密封在玻璃管內。在今天的光增強顯示器中，在量子點上使用了塑料保護塗層，但片材在邊緣處是未密封的。
早期的量子點顯示器還需要解決另一個問題，即其中含有危害環境的鎘元素。而由非鎘材料製成的量子點的顏色質量又很難達到前者的製作水準。今天我們使用的非鎘材料和低鎘材料仍無法實現完全相同的顏色純度，但對於大多數的顯示應用來說已經足夠好了。
對於光子發射顯示器來說，挑戰在不斷升級。尋找一種能夠可靠地將量子點變為高解析度子像素的方法，需要花費很長時間。我們的公司納米系統（Nanosys）首先選擇了光刻技術，因為這是目前製造LCD彩色濾光片的方法，這種方法將最大限度地降低對顯示器製造商的不利影響。但是，這意味著量子點必須在空氣中而非真空中進行處理，而且必須足夠堅固，能夠在製造LCD的各種熱和化學過程中保持穩定。
最後，它們必須長時間運行，以滿足電視購買者約10年正常使用壽命的期望值。在撰寫本文時，我們就遇到了這些挑戰。
這種架構也為顯示器製造商帶來了一些挑戰。其中一個關鍵問題就是防止室內的光線激發量子點。面板製造商已經提出了專門解決這兩個問題的方案。
光子發射量子點技術使柔性電視成為可能。迄今為止，電視製造商一直致力於將傳統的LCD製造技術應用於量子點。但研究人員對有可能實現在塑料或其他柔性材料上印刷量子點而感到興奮。量子點非常小，可先製成溶液，類似於印刷油墨。因此日本油墨公司DIC株式會社等機構的研究人員都在試驗各種印刷技術，包括噴墨技術和轉印技術。我們預計，到2019年底或2020年，市場上將會出現一些印刷顯示器。儘管這些材料基本上已經準備就緒，但顯示器製造商目前還沒準備好推出新的生產工藝。
光子發射量子點電視之後會出現什麼？有可能是一種完全不同的方法——將量子點與微型LED技術結合在一起（詳見插圖中的「採用量子點的微型LED電視」）。微型LED顯示器與足球場的超大型屏幕顯示器非常相似，其每個子像素都是紅色、綠色或藍色的LED。現在，試想一下將整個顯示器縮小到電視的大小。雖然其與OLED顯示器的工作方式類似，但由於微型LED使用無機材料，所以相對更可靠。同時，它們還可以產生更明亮的圖像，反應時間也更快。
蘋果和Oculus VR公司都收購了微型LED公司，並一直致力於將該技術推向大眾市場，但成本始終是一個問題。事實證明，要以幾乎完美的精度將數百萬個超級LED像素組合一起，是很難獲得合理的生產效益的。
光子發射量子點可以幫助解決這個問題。製作單色微型LED顯示屏比三色顯示屏要簡單得多。顯示器製造商可以從一個純藍色的微型LED陣列開始，然後在頂部形成紅色和綠色量子點。這款微型LED很可能會在幾年內上市。
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光子發射量子點電視只是量子點電視發展進程中的一小步。接下來將會出現電子發射量子點電視。
在這個系統中，量子點受到電子激發發射光子，不再是由其他光子來激發。與光子發射量子點一樣的是，它們不需要彩色濾光片；而與光子發射量子點不同的是，它們也不需要背光。由於每個子像素都是可定址的，可通過電子激發而「開啟」，因此顯示器不用浪費能量去產生背光源的光子，這些光子大多是沒用的。
電子發射量子點顯示器可能會在未來的10年完全顛覆顯示器行業，為我們帶來柔性的超薄OLED顯示器，而又不乏量子點的成本、色彩、亮度和可靠性優勢（詳見插圖中的「電子發射量子點電視」）。這種新型的顯示器具有非常高的能效，顏色純正、視角寬廣。它們還具有完美的黑色水平：當不需要某種顏色時，該像素點將完全關閉，並且不會漏光。我們將能夠使用低成本印刷技術進行生產，所以它們沒有理由變得更昂貴。而且由於它們是用無機材料而不是全有機材料製成的，因此使用壽命將會更長並且性能不會下降。
不要期望在未來幾年內能夠在商店中看到電子發射量子點顯示器，因為它們尚處於開發的早期階段。但是它們正在快速地發展：中國顯示器製造商京東方科技集團有限公司在2017年首次公開展示了這項技術。第一個使用該技術的商業顯示器將在未來5年內出廠面市。
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所有這些技術演進都是由近期顯示標準的變化所引起的。在過去，電視標準限制了你在屏幕上看到的圖像與現實生活中圖像的匹配程度。即使是在20世紀80年代開發的高清晰度電視（HDTV）標準，也沒有試圖還原自然界中的所有顏色。相反，標準的制定者考慮的是陰極射線管中使用的最佳磷光體材料能夠產生哪種顏色。
現今的視頻標準組織通過一個更重要的疑問來處理上面出現的問題：人類視覺系統最佳的色彩體驗是什麼？
這一處理方法就引出了國際電信聯盟（ITU）標準BT2020，該項標準於2012年提出，並在2015年獲得批准。BT2020的調色板覆蓋了自然界中99.8%的色彩，其中將近60%的色譜為人眼可見。這項標準已被藍光光碟製造商接受，日本放送協會（NHK）也宣布打算按照該項標準來播放2020年夏季奧運會。
按照HDTV標準製造的電視機只能再現58%的BT2020色彩範圍。超高清液晶電視（沒有量子點）效果更好，覆蓋了大約70%的色彩，而今天的OLED電視則可覆蓋74%左右的色彩。市場上的增強型量子點顯示器可以處理標準調色板85%至90%的色彩。尚處於開發階段的光子增強量子點顯示器能達到93.3%，與此同時，電子發射量子點技術則約為90%。通俗來講，這些電視畫面至少可以比現在最好的OLED電視呈現的畫面更迷人、更生動，並且成本也更低。
由於前方標準的拉動以及量子點研究人員和電視顯示器製造商的推動，我們即將迎來電視顯示器的革命。在經過多年來對低成本、可摺疊、可捲曲甚至未來家中壁紙電視的幻想之後，我們終將在10年內擁有安裝在牆上的系統。到那時我們將可以在屏幕上看到人眼可見的所有顏色，也就不再考慮如何通過屏幕看世界，而是更多地思考自己到底想看什麼。
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