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细说各种显示技术

时间:2019-06-12 作者:Brian Dipert 阅读:
LG的老竞争对手三星将其大屏幕的开发重新定位于QLED和microLED。这两种技术虽然听起来很像,实际上却完全不同。了解这两种技术及其相对于LCD和OLED的一些实现细节,以及三星想用高利润率的专利技术赌一把的打算,就明白为什么要采用这两种技术了。

上一次我详细介绍大显示屏技术时,LCD液晶显示器才开始取代传统CRT、等离子和采用投影技术的设备而逐渐占主导地位。当时OLED也已经兴起,却因一些技术上的不足而受到限制,通常用于可穿戴设备、智能手机和其他小型和(或)“一次性”电子设备中。

接下来的十年,从某种意义上来说技术的发展是完全可以预见的。屏幕越做越大,像素密度(即给定屏幕尺寸的分辨率)也越做越高,LCD仍是主流。传统的色彩平衡发生了变化(特别是蓝色光谱),随着技术的发展,强环境光下的可见性及其他历史遗留问题逐步得到解决,LG继续努力推进OLED进入电视、零售展示和其他大屏幕应用。

但是正如我在今年消费电子展(CES)的报道中所指出的,LG在OLED产品上的老竞争对手三星似乎正将其大屏幕的开发重新定位于QLED和microLED这两种替代技术,这有些令人惊讶。这两种技术虽然听起来很像,实际上却完全不同。了解这两种技术及其相对于LCD和OLED的一些实现细节,以及三星想用高利润率的专利技术赌一把的打算,就明白为什么要采用这两种技术了。我们来分析一下当前显示技术市场的领导者与后来者的王位之争。

LCD

LCD技术的基本优势在于它长寿,或者说在于它成熟,因为它已经蓬勃发展了几十年(也可以说超过一个世纪,看从什么时候开始算)。我从2010年的文章中拷了几张图和一些文字来简单回顾一下LCD技术。
DF-F1-201906.jpg
图1:传统的LCD像素结构很容易理解,但是这种结构发生极小的变化都会使结果产生很大的差异。向眼睛提供色彩最常见的方法是RGB子像素三元组,也有许多其他方法,例如左图中的PenTile排列。

通常,两个平行偏振片的偏振方向垂直,这阻挡了光的传输,从而产生可感知的黑色像素阵列。但ITO(氧化铟锡)可提供足够强的电场来改变中间液晶的调制特性,并转化为不同强度的透光率。

有源矩阵LCD使用TFT(薄膜晶体管)矩阵技术,每个像素至少分配有一个晶体管,以实现精确的列线到像素的相关性。显示控制器激活行线之后,将驱动列线上相关像素的电压。利用目前使用较多的扭曲向列型(TN)LCD,随着所施加的电压不断变化,液晶元件发生不同程度的扭曲,与偏光镜相互作用后可通过不同量的光。精确的电场控制与刷新模式调制技术相结合,可以生成任意值的每像素灰度。平面转换(IPS)LCD的出现满足了显示器用户对改善视角、更深的黑色及其他增强功能的要求。IPS LCD水平对齐液晶单元,并通过晶体端部对每个像素施加电场,每像素需要两个晶体管,这使得IPS技术比TN技术更加昂贵。

不断变化的扭曲和刷新调制技术使LCD能够动态校准每个像素的亮度,从而在范围极值之间产生纯黑、纯白和灰色阴影。子像素是LCD从白色背光源中产生颜色的关键。例如,传统VGA(视频图形阵列)分辨率面板307,200个像素中的每一个都包含三个近距离子像素,每个子像素具有相关联的红色、蓝色或绿色滤光镜,只有可见光谱部分才能通过。对子像素的选择性控制产生了纯色像素的错觉,抖动进一步欺骗眼睛和大脑,从而扩大了感知色调。

在之前的文章中我还提到,穿过液晶元件的光可能源于“周围环境产生的光通过镜面背板反射,通过背光自发光,或两者兼有。”如今,几乎所有LCD显示器都利用了背光,其最初由一排CCFL(冷阴极荧光灯)组成,但近年来被LED(发光二极管)阵列取代,实际上“LED电视”是一个误导的营销术语(基于LED的是背光,而不是它本身的显示元件)。更先进的LED背光采用了各种高尖技术,包括替代全光谱“白光”LED的RGB LED三元组群,以及在LED阵列内选择特定区域“局部调光”照明控制等,进一步扩展了显示器的色域、对比度范围和其他特性。

OLED

三星是“LED电视”这一营销用语滥用的“罪魁祸首”,恕我直言,我猜这可能是因为三星想要模糊其LCD和OLED显示器的区别。彼时其主要竞争对手LG刚开始加大OLED的促销力度(三星在2010年推出Galaxy S系列,成为首批采用OLED的智能手机制造商之一)。实际上,这两种技术是完全不同的,OLED具有自发光特性(用一个更文雅的术语就是“发射性电致发光”),显示屏根本不需要单独的背光。因此,OLED显示器非常薄并具有高度的柔软性,在今年的消费电子展上,LG甚至展示了一款可以“卷起”的OLED电视。

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图2:LG在CES上展示了一系列弧形OLED显示屏。(图片来源:David Benjamin)

 

您可能认为OLED没有背光所以功耗会比LCD同类产品更低,嗯,您是对的……只不过是有时候。再次引用我2010年关于OLED报道,“当以黑色显示为主时它们提供了极佳的功耗;但当以浅色显示为主时,例如常见的在浅色或白色背景上显示深色文本,它们的电池消耗可能会显著高于LCD/背光组合。”这也解释了为什么Android、Chrome OS、iOS及相关应用程序多采用“暗”显示模式。

QLED

几年前,三星在CES上展示了基于QLED的原型,现在它已有多种型号投入生产。由于相似的命名,你可能很自然地认为“QLED”是“OLED”的变体,事实上这两种技术是完全不同的。首先,QLED不会自发光,它像LCD一样,需要补充背光(因此名称中包含“LED”)。但是,它用称之为“量子点”的结构代替了LCD的液晶矩阵(因此名称中有表示量子点的“Q”)。引用维基百科的解释:

 

量子点(QD)是尺寸只有几纳米的微小半导体粒子,具有与较大的LED粒子不同的光学和电子特性,是纳米技术的核心主题。很多类型的量子点在被电或光激发时会发光,其频率可以通过改变量子点的大小、形状和材料来精确调整,从而实现多种应用。

 

量子点的特性介于体半导体(bulk semiconductor)和离散原子或分子之间。它们的光电特性随尺寸和形状而变化。直径为5~6nm的较大QD发射较长波长的光,产生橙色或红色等颜色;较小的QD(2~3nm)发射较短波长的光,产生蓝色和绿色等颜色,具体的颜色和尺寸根据QD的不同组成而变化。

正如您所了解的,QLED由于采用了成熟的LED背光技术,因此从技术上来说是某种程度的改进,而不是革命性的创新。虽然量子点的屏幕材料是一个突破,但它从概念上退回(至少在我看来)到了CRT中使用的红-绿-蓝磷光点屏幕。糟糕,我不小心暴露了年龄......

microLED

“microLED”听起来不像“QLED”,更不像“OLED”,但从概念上讲它实际上更接近三星的这两种技术。三星曾推出一款146英寸的microLED大显示屏,这绝对可以称之为“The Wall(墙显示屏)”,今年又新推出了更合消费者胃口(虽然很勉强)的75英寸型号(当然,随后还会有更大的219英寸型号)。下面是我在三星新闻稿中发现的最有趣的叙述:

由于Micro LED具有模块化特性,该技术可提供屏幕尺寸的灵活性,使用户可以定制屏幕尺寸以适应任何房间或空间。通过添加Micro LED模块,用户可以将显示屏扩展到他们想要的任何尺寸。Micro LED的模块化功能未来还允许用户创建9×3、1×7或5×1等不规则尺寸的终极显示屏,以满足其空间、美学和功能需求。

无论屏幕的大小和形状如何,三星的Micro LED技术还可以优化内容。即使多添加几个模块,三星的Micro LED显示屏也可以进行缩放以提高分辨率,同时保持像素密度不变。此外,Micro LED可以支持从标准的16:9到21:9的宽屏幕电影,甚至支持非常规长宽比(如32:9,甚至1:1)的所有内容,而图像质量不打任何折扣。

最后,Micro LED显示屏不带挡板,即使添加更多的模块,模块之间也没有边框。这种无缝技术可以实现令人惊叹的无边泳池的效果,使Micro LED显示屏可以优雅地融入任何生活环境。

具有消费者定制灵活性的确很不错,但我对microLED模块化没什么兴趣,主要原因是从制造的角度来看,三星可以提供同样的灵活性。想想看……撇开子像素和其他的影响因素不谈,这些最新的“8K”分辨率电视包含3320万个像素(7680×4320)。相信我,我认为他们的工厂生产不出完全没有像素缺陷的显示屏,尤其是现在还处于其生命周期的早期。良率降低,成本(因而价格)必将比现在高出许多。

值得庆幸的是,由于像素密度高,普通消费者几乎察觉不到随机散布在显示屏上的缺陷(或很少),当然,对于超近距离检视屏幕的电视迷则要另当别论了。然而,太多的缺陷,特别是紧密聚集在一起的缺陷,是不可接受的。同样要考虑的是,显示器还会受到半导体器件良率动态的影响。显示屏(芯片裸片)较大时,每片的显示器数就会减少(每个晶圆的裸片),出现缺陷的概率也会呈指数增加。因此,如果三星确实可以用多个较小的模块组装microLED大显示器,那么这将为他们带来巨大的收益(成本更低,价格更低)。

那么,microLED到底是什么?这次我可以说它与OLED一样,具有一个自发光结构(无背光)。然而,它本质上是无机的(还没有想到吗?“OLED”中的“O”表示“有机”)。下面是来自维基百科的解释:

microLED显示器由形成各个像素元件的微缩LED阵列组成。与广泛使用的LCD技术相比,microLED显示器具有更好的对比度、响应时间和能效……与传统LCD系统相比,OLED和microLED都能大大降低能耗。与OLED不同,microLED基于传统的GaN LED技术,提供比OLED产品高达30倍的总亮度,以及更高效的效率(以lux/W衡量)。

开始写这篇文章时我没打算写成一本书,但如果继续写下去,就真成一本书了。所以就到这儿吧,但我仍然会密切关注有趣的显示技术的发展。一如既往地,欢迎与我分享您的任何想法!

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Display technologies: Refinements and new entrants。)

本文为《电子技术设计》2019年6月刊杂志文章。

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Brian Dipert
EDN资深博客作者。Brian Dipert是前EDN杂志的高级技术编辑。 他是BDTi的高级分析师,嵌入式视觉联盟的主编,以及AnandTech、EDN杂志和《低功耗设计》的特约编辑。 他也是Sierra Media的创始人。
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