Что такое QLED-экран? Или вся правда о квантовых точках

Квантовые точки и QLED-дисплеи появились не вчера, но до сих пор вокруг этой технологии ходит много мифов и легенд.

С точки зрения маркетинга само название получилось очень удачным, так как «квантовый» звучит футуристично и очень дорого. Хотя на самом деле у модных QLED-дисплеев есть значительные недостатки, да и сама технология в текущей реализации не настолько футуристична, как об этом говорит реклама.

Проблем добавляет и тот факт, что сегодня существует множество различных вариаций «квантовых экранов». Человек, узнав об одной технологии, покупает совершенно другой экран, работающий, вроде бы, на тех же квантовых точках. И после этого наступает глубокое разочарование.

Да еще и в интернете постоянно встречаются статьи, лишь вводящие читателей в заблуждение. Дело в том, что у квантовых точек есть одно важное свойство, которое пока никто из производителей не смог использовать в коммерческом продукте. Но авторы подобных статей об этом не знают.

Итак, сегодня мы постараемся разобраться с квантовыми точками и всеми возможными вариантами их использования в современных экранах!

Зачем нам еще один тип экранов? Неужели не хватает OLED или IPS?

Любой экран должен показывать картинку. А для этого ему необходимо уметь излучать свет, причем всех цветов радуги.

Решить эту задачу можно очень простым способом. Достаточно установить какую-то большую мощную белую лампу (или несколько маленьких лампочек), а затем разбить весь дисплей на очень крохотные секторы — пиксели. Каждый пиксель будет состоять из 3 стеклышек красного, зеленого и синего цвета:

Осталось добавить последний штрих. На пути между большой лампой и каждым крохотным стёклышком нужно разместить миниатюрные «окошки», которые можно открывать и закрывать, тем самым пропуская или блокируя свет.

Теперь мы можем управлять цветом каждого пикселя на экране. Лампа будет всегда гореть белым светом, но цвет каждой точки будет зависеть от того, насколько сильно приоткрыто окошко возле каждого цветного стёклышка.

Хотите показать точку на экране оранжевым цветом? Просто закройте «окошко» возле синего стёклышка и откройте наполовину «окошки» за красным и зеленым стеклышками этого пикселя. Два цвета сольются в один и мы увидим оранжевую точку:

Это принцип работы IPS-дисплея. Роль большой лампы выполняют светодиоды, а «окошки» — это жидкие кристаллы, которые могут поворачиваться и блокировать свет. Стёклышки остаются стеклышками (цветные фильтры).

У этой технологии есть ряд недостатков, главный из которых — лампа горит постоянно, вне зависимости от того, какой цвет отображают пиксели. Если нужно показать один синий пиксель на черном фоне, весь экран из нескольких миллионов пикселей будет гореть ярким белым светом, но мы его не увидим, так как все «окошки», кроме одного, будут блокировать этот свет:

В итоге мы имеем сразу две проблемы: повышенное энергопотребление (свет горит даже тогда, когда он совершенно не нужен) и невозможность получить идеально черный цвет, так как «окошки» не способны полностью заблокировать весь свет от лампы.

Кроме того, углы обзора такого экрана не будут максимальными, так как сами пиксели (цветные стеклышки) не излучают свет во все стороны. Соответственно, свет идет изнутри устройства, а значит, основное направление светового потока идет перпендикулярно экрану.

Еще одна проблема такого дисплея — это те самые стеклышки и еще две полупрозрачные пленки (поляризационные фильтры), без которых не может работать IPS-экран и которые значительно снижают яркость лампы, а значит и яркость всего экрана.

Последняя проблема связана с цветопередачей. Такие экраны, особенно не самые дорогие модели, не способны показать большое разнообразие цветов, так как в этом случае придется использовать дорогие светодиоды и качественные цветные фильтры («стеклышки»), которые всё равно снизят общую яркость экрана.

С другой стороны, у нас есть OLED-дисплеи (они же — AMOLED, P-OLED и прочие вариации), которые решают практически все проблемы предыдущих экранов, но создают новые. Мы можем убрать плёнки (поляризационные фильтры), убрать «стеклышки» (цветные фильтры) и даже убрать общую мощную лампу.

Теперь каждая точка на экране будет сама излучать свет, когда через нее проходит ток. Именно так работает OLED-экран.

Но здесь мы снова сталкиваемся с проблемами. Во-первых, одну «полупрозрачную» плёнку, всё же, придется наклеить — это круговой поляризатор. Он позволит увеличить контрастность дисплея, снизив отражение внешнего света.

Во-вторых, эта технология ограничивает максимальную яркость дисплея, так как каждая лампочка имеет невероятно крохотный размер — десятки микрометров. Разумеется, она не может выдавать такой же яркий свет, как и большая лампа.

Кроме того, срок службы органических светодиодов ограничен, особенно для диода синего цвета. Также необходимо учитывать возможность выгорания органического светодиода и реализовывать различные механизмы защиты. Поэтому OLED-дисплеи также не идеальны.

И тут на сцену выходят квантовые точки!

Что такое квантовые точки?

Квантовая точка — это маленький кусочек специального материала, известного как полупроводник. Такие материалы могут хорошо проводить ток при одних условиях и практически не проводить никакого тока — при других (например, в зависимости от температуры).

Весь ваш смартфон переполнен полупроводниками. Это вспышка камеры, транзисторы в процессоре, каждый пиксель на матрице камеры смартфона и многое другое.

Чтобы осознать размеры квантовых точек, представьте толщину человеческого волоса. Это примерно 100 микрометров (0.1 мм). Теперь представьте размер точки, которая в 150 раз меньше толщины человеческого волоса. Это размер одного пикселя в 200-Мп матрице от Samsung.

А теперь попытайтесь представить точку, которая будет еще в 320 раз меньше этого микроскопического пикселя. Вот теперь мы приблизились к размерам квантовых точек, который варьируется от 2 до 6 нанометров (1 нанометр — это миллионная доля миллиметра).

Уникальной особенностью квантовой точки является то, что она может излучать свет разного цвета в зависимости от своего размера:

Заставить точку светиться можно двумя способами: током или облучением. В первом случае через точку необходимо провести ток, а во втором — посветить на неё ультрафиолетовым или синим светом, который, как мы уже знаем, обладает очень высокой энергией.

Возможно, всё это вы знали и раньше, если интересовались QLED-дисплеями. Но далеко не все знают, как именно работают квантовые точки. Почему один и тот же материал светится разным цветом в зависимости от своего размера? Почему он вообще светится?

Принцип работы квантовой точки

Для понимания принципа работы квантовой точки, нужно вспомнить устройство любого атома, который состоит из крохотного ядра, окутанного облаком электронов.

Эти электроны не летают вокруг ядра как им вздумается. Существуют довольно строгие правила, которые все частицы безукоризненно соблюдают. Для большей наглядности можно воспользоваться устаревшей (и не совсем корректной) моделью атома с орбитами:

Каждая орбиталь здесь показана своим цветом для лучшей наглядности (это никак не связано с цветом свечения точки). Представьте, что это трек, по которому может «ездить» электрон. Но атом не пускает на этот трек любой электрон. Это как ограничение по возрасту, только вместо возраста учитывается энергия электрона.

В нашем примере «синий трек» (первая орбиталь, ближайшая к ядру атома) — только для самых спокойных электронов. Предположим, на первой орбитали могут летать только электроны с энергией в 1 электронвольт (эВ), а на второй («зеленой») — 2 эВ. «Оранжевая» орбиталь предназначена для более «активных» электронов с энергией в 2.3 эВ, а последняя орбиталь — для самых «мощных» электронов с энергией в 4 эВ:

Эти правила устанавливает ядро атома. У конкретного атома не может быть электрона с энергией 3 или 2.5 эВ, так как для подобных электронов здесь попросту нет своего «трека» или орбитали с такой разрешенной энергией. Если же энергия электрона соответствует одной из орбиталей, он может поселиться в этом атоме.

Но! Все электроны, если они хотят жить в атоме, должны соблюдать главное правило, которое известно как принцип запрета или принцип Паули. И звучит оно в простой интерпретации следующим образом:

На одной орбитали не могут находиться два одинаковых электрона

А отличаться электроны могут энергией и спином. Второе нас не интересует, просто нужно знать, что спин всегда принимает одно из двух значений. Это как единицы и нули в цифровой технике.

Получается, на первой орбитали могут парить только два электрона с энергией 1 эВ и двумя разными спинами. Третий электрон с такой же энергией уже будет похож на один из двух предыдущих, так как у него будет повторяться спин. Соответственно, он никак не сможет занять место на той же орбитали. Это бы противоречило принципу запрета.

Прыжки по орбитам

Однако электроны могут прыгать по орбитам. Если у электрона 2.3 эВ энергии, тогда он может откуда-то взять недостающую порцию (1.7 эВ) и перепрыгнуть с третьей орбиты (2.3 эВ) на четвертую (4 эВ):

Проблема заключается лишь в том, что нужно пересечь так называемую запрещенную зону — расстояние между третьей и четвертой орбиталью:

Ширина запрещенной зоны соответствует разнице между энергетическими уровнями двух орбиталей. В нашем примере это 1.7 эВ. И эту недостающую энергию можно получить, например, поглотив фотон света.

Но дальше произойдет нечто интересное. Очень быстро электрон «осознает», что здесь ему не место и раньше было лучше. Поэтому он захочет вернуться на орбиталь с более низкой энергией. Однако теперь у него слишком много энергии для перехода на старую орбиталь. Ведь, как мы уже знаем, атом пускает на эту орбиталь только в том случае, если энергия электрона соответствует энергии орбитали.

Чтобы вернуться на прежнюю орбиталь, наш электрон просто «сбросит» лишнюю энергию в виде того же фотона света. Теперь он не может занимать четвертую орбиталь и тут же спустится на предыдущую. А испущенный фотон мы увидим как свет определенного цвета. Ведь цвет — это и есть фотоны света, которые улавливает наш глаз:

«Цвет» фотона зависит исключительно от количества содержащейся в нём энергии. Если у фотона будет мало энергии, мы увидим красный цвет, если много — синий, а если что-то среднее — зеленый.

Складываем атомы в квантовые точки

Итак, мы уже получили от одного атома свет определенного цвета. Проблема лишь в том, что мы не можем как-то изменять этот цвет или контролировать его. Да, мы знаем, что цвет зависит от расстояния между орбитами или от ширины запрещенной зоны.

К примеру, зеленый цвет — это фотоны с энергией 2.2 эВ. Если электрон в каком-то атоме захочет спрыгнуть с орбиты 3.2 эВ на более «спокойную» орбиту 1 эВ, ему нужно избавиться от 2.2 эВ лишней энергии. Он её просто выбросит в виде фотона. А фотон с энергией 2.2 эВ — это и есть зеленый свет.

Получается, если бы мы могли как-то изменять ширину запрещенной зоны или изменять параметры орбит, чтобы между двумя орбитами было нужное нам количество энергии, тогда бы мы легко смогли контролировать цвет.

Нужен красный цвет? Не вопрос! Это фотон с энергией 1.7 эВ. Значит, у нас должен быть атом, у которого расстояние между двумя орбитами будет ровно 1.7 эВ. Тогда бы электрон, спрыгнув с орбиты 4 эВ на орбиту 2.3 эВ, испустил фотон энергией 1.7 эВ — красный свет:

Как же настроить эти орбиты? Для ответа на этот вопрос подумайте, что произойдет, если мы «склеим» два одинаковых атома с одинаковыми орбиталями?

Может случиться серьезная проблема — на одной орбитали могут оказаться 3 или даже 4 электрона, так как у каждого отдельного атома на каждой орбитали могут быть по два электрона. Но такое ни за что нельзя допустить, ведь тогда нарушится принцип Паули и всей вселенной в прямом смысле слова придет конец.

Поэтому происходит нечто другое, а именно — расщепление орбиталей.

Чтобы лучше осознать это, давайте посмотрим на орбитали в виде энергетических уровней:

На картинке справа схематически показаны орбитали с их энергетическими уровнями. Когда два атома с идентичными уровнями соединяются вместе, внешние уровни первыми (и в большей степени) испытывают на себе влияние другого атома. Поэтому внешние уровни расщепляются первыми.

Теперь в общей структуре из двух атомов вместо одной орбитали с энергией 4 эВ появится два уровня с энергией, например, 3.9 и 4 эВ. То же касается и следующего уровня. Произойдет расщепление орбитали 2.3 эВ на два уровня с энергией 2.3 и 2.4 эВ:

Наверное, вы уже догадались, что происходит именно то, что нам нужно. Если раньше электрон, оказавшись на последней орбитали, спрыгивал на предыдущую, тогда он испускал фотон в 1.7 эВ (разница между уровнями 2.3 эВ и 4 эВ). А теперь он, оказавшись на той же орбитали (4 эВ), спрыгнет на ближайшую свободную орбиталь — 2.4 эВ, испустив фотон с меньшей энергией (1.6 эВ).

То есть, соединив два атома и расщепив их орбитали, мы добились того, чтобы электрон испускал фотоны с более низкой энергией!

Всё, что нам остается делать, это продолжать склеивать атомы, еще сильнее расщепляя их энергетические уровни (орбитали). В итоге, у самой маленькой квантовой точки орбитали будут расщеплены незначительно и ширина запрещенной зоны будет максимальной, так как эта точка состоит из относительно небольшого количества атомов.

В таких квантовых точках электронам нужно будет делать большие прыжки, выбрасывая большие порции энергии, чтобы преодолеть широкую запрещенную зону. Но чем крупнее будет становиться точка, то есть, чем больше атомов мы будем соединять вместе, тем сильнее будут расщепляться их орбитали и тем самым сокращаться размер запрещенной зоны:

Осталось лишь посветить на квантовые точки синим высокоэнергетическим светом или пропустить ток, и каждая из них, в зависимости от размера (количества атомов), начнет испускать свой цвет.

Очень важно заметить, что свет, испускаемый квантовой точкой, очень чистый. То есть, если это зеленый цвет с длиной волны, скажем, 530 нанометров, то все зеленые квантовые точки будут испускать фотоны примерно в этом диапазоне (520-540 нм). Тогда как обычный ЖК-экран будет светить довольно «грязным» зеленым с разбросом 505-550 нм и даже больше.

Соответственно, экран с обычной подсветкой не сможет отобразить настолько зеленый цвет, насколько это сделает экран с квантовыми точками. Так как в первом случае зеленый цвет будет состоять из гораздо большего количества оттенков зеленого.

Зоопарк «квантовых» дисплеев

Выше мы рассмотрели принцип работы квантовых точек. Но само наличие этой технологии в экране говорит нам не так много о качестве картинки.

Если дисплей работает на квантовых точках, можно говорить с уверенностью только о том, что он способен отображать очень насыщенный и яркий цвет.

Но качество картинки в целом зависит от конкретной реализации экрана. Для того, чтобы лучше осознать масштабы проблемы, достаточно просто взглянуть на список актуальных разновидностей «квантовых» дисплеев:

• QDEF
• Triluminos
• QDOG
• QDCC или QDCF
• NanoCell
• QD-OLED
• EL-QLED
• QNED

Практически все современные QLED-дисплеи на квантовых точках используют самую примитивную версию этой технологии, а именно QDEF (от англ. Quantum Dot Enhancement Film — улучшающая пленка с квантовыми точками).

Смысл этой технологии — получить белый свет с максимально чистым составом. То есть, по сути мы имеем обычный жидкокристаллический экран, рассмотренный в самом начале статьи. Здесь такие же стеклышки (цветные фильтры) и «окошки», регулирующие яркость пикселя (жидкие кристаллы).

Единственное отличие заключается в подсветке. В технологии QDEF используется синий светодиод, который светит на пленку с квантовыми точками. Внутри плёнки случайным образом перемешаны средние и крупные квантовые точки, которые соответственно излучают зеленый и красный свет:

Когда голубой свет попадает на пленку, часть его поглощается «красными» квантовыми точками, другая часть — зелеными, а третья просто проходит сквозь плёнку. В итоге мы получаем 3 чистых цвета, которые и попадают на пиксели с жидкими кристаллами и фильтрами.

Основное преимущество такого дисплея над обычным ЖК-экраном именно в чистоте цвета и, соответственно, более широком цветовом охвате.

Главный же недостаток таких QLED-экранов заключается в цветных фильтрах (стёклышках) и жидких кристаллах («окошках»). Первые немного искажают цветопередачу, так как не очень качественно отфильтровывают цвета. А из-за вторых мы не можем получить идеально черный цвет. Ведь жидкие кристаллы с поляризаторами не способны на 100% перекрыть весь поток света в нужных пикселях.

Производители пытаются бороться с этой проблемой очень нехитрым способом — вместо одной крупной лампочки (или множества лампочек по краям экрана), разместить множество лампочек прямо позади пикселей.

В идеале нужно добиться того, чтобы за каждым пикселем стояла своя лампочка, которую можно отключать, когда пиксель должен показывать черный цвет. Эта идея привела к появлению технологии microLED:

Соответственно, microLED-дисплеи с квантовыми точками могут легко заменить OLED-экраны, так как не уступают им по качеству картинки. Единственная проблема с microLED на квантовых точках заключается в том, что таких экранов на сегодняшний день еще нет в продаже.

Если производство microLED является очень сложным и дорогим процессом, тогда можно размещать лампочку не за каждым пикселем, а за группой пикселей. Скажем, на каждые 100 пикселей выделять один крупный светодиод:

Такая технология получила название mini-LED. Только в реальности на одну лампочку приходится не 100 пикселей, а гораздо больше. В сравнении с классическим ЖК-экраном, в mini-LED мы можем лучше контролировать черный цвет, выключая лампочку за группой пикселей, которые должны отображать черный цвет.

В продаже есть множество телевизоров с mini-LED и квантовыми точками. Но все они страдают от одной проблемы. Такие экраны могут вообще не показывать мелких белых точек на черном фоне (скажем, звездное ночное небо), а вокруг более крупных светлых объектов (например, луны) отображать светлые ореолы:

В общем, mini-LED значительно уступает OLED по качеству картинки, если мы говорим об отображении черного цвета и ночных сцен.

Но это всё касается подсветки и черного цвета. А вот решить проблему с цветными фильтрами пытается другая технология — QDCF (или QDCC). Не важно, какая подсветка используется в таких экранах (обычная, mini-LED, microLED или даже OLED), главное здесь — отсутствие цветных фильтров.

То есть, квантовые точки наносятся не на общую пленку, а размещаются прямо в каждом субпикселе. Вместо красного фильтра используется пленка с «красными» (крупными) квантовыми точками, вместо зеленого фильтра — со средними точками («зелеными»), а вместо синего — прозрачный фильтр (так как синий свет идет от синей подсветки):

В итоге мы получаем еще более широкий цветовой охват, так как чистый цвет от квантовых точек непосредственно излучается каждым пикселем, без прохождения фильтров.

Кроме того, углы обзора таких экранов становятся практически максимальными. Ведь свет излучается во все стороны прямо на выходе из экрана (квантовые точки переизлучают синий свет от лампы), а не проходит через все его слои, как в случае с ЖК-экранами. Исключение составляет лишь синий цвет, который не переизлучается квантовыми точками, так как их попросту нет.

Естественно, проблема с черным цветом остается, так как жидкие кристаллы («окошки») по-прежнему управляют яркостью каждого пикселя.

Насколько мне известно, такие экраны уже должны были поступить в продажу, но не уверен, что всё пошло по плану. Главная проблема в реализации QDCF состоит в том, что красные и зеленые квантовые точки должны поглощать весь синий свет, не пропуская ни единого фотона. В противном случае цветопередача будет искажена.

Но вершиной развития экранов на квантовых точках является EL-QLED (известная также под аббревиатурами ELQD и QDLE). Эта технология решает все предыдущие проблемы, так как здесь убраны цветные фильтры, жидкие кристаллы и даже подсветка (будь-то mini-LED или microLED).

В дисплеях EL-QLED сами квантовые точки излучают свет, когда через них пропускают ток. Это интересное свойство называется электролюминесценцией и оно отличается от рассмотренной в этой статье фотолюминесценции.

EL-QLED позволяет управлять каждым пикселем по отдельности, как в AMOLED-экранах. Соответственно, такие экраны дают максимально возможный цветовой охват, настоящий глубокий черный цвет, широчайшие углы обзора, аналогичные OLED, отсутствие выгорания и очень низкое время отклика (из-за отсутствия «медленных» жидких кристаллов).

Можно было бы назвать EL-QLED идеальными экранами, если бы они существовали в природе. К сожалению, эта технология будет готова для использования в коммерческих продуктах не ранее 2022 или даже 2023 года.

Поэтому всё самое интересное нас ждет еще впереди!

Алексей, Deep-Review