Александр Навагин
Пастор секты свидетелей Xiaomi, любитель металла, футбола, рыбалки, истории. Почти инженер и историк по образованию, шут по призванию, чудак по жизни

Что такое QLED-телевизоры и причем тут квантовая физика

Что такое QLED-телевизоры и причем тут квантовая физика
Что такое телевизор на квантовых точках © Newegg

QLED – относительно новое слово на рынке экранных технологий. Компания Samsung активно продвигает телевизоры с дисплеями на квантовых точках, позиционируя их как революционное решение. Однако многие не знают, что же это такое, некоторые даже путают QLED с OLED из-за похожести этих аббревиатур.

Квантовые точки – это новая технология подсветки экрана, в основе которой лежит использование миниатюрных (несколько нанометров) частиц полупроводников, способных излучать свет под воздействием потока электронов или фотонов. Цвет свечения этих частиц определяется их размером и химическим составом полупроводника. Для изготовления точек используются соединения марганца, цинка, кадмия, а их габариты составляют от 2 (синие) до 6-8 (красные) нанометров.

Размеры квантовых точек и длина оптических волн разного цвета © Nanosys
Размеры квантовых точек и длина оптических волн разного цвета © Nanosys

Чтобы разобраться, что такое QLED-телевизоры и чем они особенны, стоит внести небольшую ясность в термины, во избежание путаницы. Поэтому для начала – небольшой глоссарий.

  • LCD – экран, в котором активным элементом выступают жидкие кристаллы (ЖК). Они оснащаются тремя разноцветными (красными, синими и зелеными) светофильтрами на каждый пиксель, и пропускают свет в зависимости от поданного напряжения (0 вольт – не пропускают совсем, максимум – пропускают с максимальной яркостью). Сами ЖК светиться не умеют, свет на них подается от установленной по краю экрана подсветки через рассеивающую пленку. LCD-экраны бывают разных типов: TN, IPS, SVA, PVA. В телевизорах наиболее распространены панели *VA.
  • LED – просто светодиод. В случае с экранами под этим термином подразумевают LCD матрицу, для подсветки которой используются ленты светодиодов (в отличие от популярных в прошлом трубчатых люминесцентных ламп CCFL). Практически все современные ЖК-телевизоры используют LED-подсветку, модели с CCFL сейчас почти не выпускаются.
  • OLED – экран на органических светодиодах. Активным элементом такого дисплея являются миниатюрные (десятки или сотни микрометров) светодиоды на основе органических соединений. В таких матрицах светятся сами пиксели, состоящие из трех диодов синего, красного и зеленого цвета, подсветка по периметру им не нужна. Управление OLED матрицей тоже осуществляется по напряжению, подаваемому на TFT-транзистор субпикселя (чем выше – тем ярче). AMOLED, P-OLED, SuperAMOLED – это разновидности одной технологии.
  • TFT – тонкопленочный транзистор. Активный элемент, используемый для управления субпикселем. Все современные телевизоры (не важно, OLED, LCD или QLED) используют TFT для регулировки напряжения на пикселях и, как следствие, их яркости и цвета.

Что такое QLED экран и как он устроен

Емкости с квантовыми точками разного размера светятся под действием ультрафиолета © Area-Info.net
Емкости с квантовыми точками разного размера светятся под действием ультрафиолета © Area-Info.net

С терминами разобрались – можно переходить к описанию экранов на квантовых точках. Начать стоит с того, что QLED не имеет никакого отношения к OLED. Это принципиально разные технологии экранов. Дисплеи на квантовых точках имеют классическую LCD матрицу (обычно *VA) с LED подсветкой по краю. Это просто новая разновидность жидкокристаллических экранов.

Ключевым отличием от старых матриц (часто называемых сокращенно LED LCD) является способ переноса света от излучающего элемента (подсветки) к пикселям. В обычных ЖК панелях картинка формируется следующим образом:

  1. Лента светодиодов по краю экрана светится чистым белым цветом. Ее яркость зависит от настроек и остается неизменной в процессе работы.
  2. Через специальный рассеивающий слой, расположенный за матрицей жидких кристаллов, белый свет от ленты передается на них (кристаллы).
  3. Каждый пиксель состоит из трех скоплений кристаллов субпикселей, имеющих свои светофильтры: красный, синий и зеленый. Проходя через жидкие кристаллы и фильтры, расположенные поверх них, белый свет приобретает цвет, заданный фильтром (на выходе красного – красный, и т.д.).
  4. TFT-транзистор управляет подачей напряжения на кристаллы. Чем оно выше – тем больше света пропускает субпиксель. За счет комбинации яркостей красного, синего и зеленого кристаллов достигается конечный цвет пикселя. Обычно возможны до 16,7 млн комбинаций яркостей: от черного (напряжения нет, все три субпикселя не пропускают свет) до чисто белого (напряжение максимальное, все три субпикселя пропускают весь поступающий на них свет).
Слои LCD LED (снизу вверх): рассеиватель подсветки, поляризатор, TFT транзисторы, жидкие кристаллы, светофильтры, поляризатор © AWOK.com
Слои LCD LED (снизу вверх): рассеиватель подсветки, поляризатор, TFT транзисторы, жидкие кристаллы, светофильтры, поляризатор © AWOK.com

В панелях QLED инженеры изменили способ передачи света от диодов, расположенных по краю экрана, к пиксельной сетке. В составе таких дисплеев появился «посредник» в виде слоя квантовых точек. Эти экраны работают по следующему алгоритму:

  1. Лента светодиодов по краю матрицы излучает свет, обычно он синий. Как и у обычных LCD экранов, яркость задается настройками и не меняется в ходе работы.
  2. Слой рассеивателя подает свет от диодов на прослойку квантовых точек. Они возбуждаются и начинают издавать люминесцентное свечение вне зависимости от оттенка подаваемого света: достаточно просто потока фотонов. Цвет точки зависит от того, какой размер и состав она имеет (см. выше). То есть, даже если подсветить 2-нанометровые частицы бирюзовым или фиолетовым – они будут светиться синим.
  3. Свет от точек поступает на кристаллы, положением которых управляет транзистор. Чем большее напряжение он подает – тем ярче светится субпиксель.
  4. Субпиксели оснащаются светофильтрами, красного, синего и зеленого цвета. Комбинация из трех разноцветных субпикселей, формирует конечный цвет пикселя за счет комбинации яркостей трех субпикселей.

Как можно заметить, ключевое изменение всего одно. В обычной матрице LCD телевизора окончательный цвет субпикселя формируется уже после того, как свет пройдет через рассеиватель, жидкий кристалл и фильтр (до этого момента он белый). В QLED цвет задается только после рассеивателя, слоем квантовых точек. На кристалл поступают волны синего, красного и зеленого цветов, отделяемые фильтрами.

Слои экрана QLED (снизу вверх): подсветка, квантовые точки, поляризатор, TFT транзисторы, жидкие кристаллы, светофильтры, поляризатор © DSCC
Слои экрана QLED (снизу вверх): подсветка, квантовые точки, поляризатор, TFT транзисторы, жидкие кристаллы, светофильтры, поляризатор © DSCC

Изменив порядок формирования цвета пикселя, разработчикам QLED удалось добиться повышения КПД подсветки.

Во-первых, с квантовыми точками снижаются требования к качеству ее цветопередачи. Это значит, что можно использовать более долгоживущие и энергоэффективные светодиоды, пусть и с ухудшением некоторых их параметров (оно теперь не играет роли). Главное, чтобы было ярко.

Во-вторых, использование светообразующих точек прямо под кристаллами (после рассеивателя) увеличивает яркость свечения, так как потери яркости на светодиодах подсветки (которые в обычном LCD для образования белого покрываются люминофором, не нужным для QLED) и рассеивателе снижаются. В итоге яркость экрана увеличивается, цветовой охват расширяется, а потребление энергии остается прежним, или даже снижается.

Кроме того, возможно создание экранов без пассивных светофильтров. В них массивы квантовых точек будут располагаться поверх ЖК-слоя, следовательно, потерь света станет еще меньше.

QLED экран без светофильтров, слои (снизу вверх): синяя подсветка, поляризатор, TFT транзисторы, жидкие кристаллы, поляризатор, массивы квантовых точек разных цветов © DSCC
QLED экран без светофильтров, слои (снизу вверх): синяя подсветка, поляризатор, TFT транзисторы, жидкие кристаллы, поляризатор, массивы квантовых точек разных цветов © DSCC

Минусами QLED телевизоров являются склонность к выгоранию квантовых точек (пусть и гораздо меньшая, чем у OLED), а также (пока что) сравнительно высокая цена. Однако освоение технологии должно сделать такие ТВ гораздо доступнее, а эффект выгорания выражен слабо, ресурс матрицы может оказаться больше срока эксплуатации устройства.

Причем тут квантовая физика?

Сегодня разработки в области квантовой физики ассоциируются, в основном, с квантовыми компьютерами, в основе работы которых лежит использование принципа квантовой запутанности. Однако экраны телевизоров на квантовых точках прямого отношения к этой технологии не имеют.

Из «квантового» у точек подсветки только то, что при столь миниатюрных размерах частиц полупроводника (нанометры) в них проявляются квантовые эффекты. А механизмы излучения нанокристаллами полупроводника фотонов под воздействием электрического заряда (или света) описываются именно законами квантовой механики.

Зависимо от размера, квантовые точки излучают свет разных цветов, до квантового ограничения © Public Information Display
Зависимо от размера, квантовые точки излучают свет разных цветов, до квантового ограничения © Public Information Display

Этими законами описывается еще много чего в нашем мире (а если в целом – то на микроуровне ими описывается вообще все), но слово то красивое, вызывающее ассоциации с технологиями будущего, а потому удачное для использования в рекламе. Вот и выбрали эту особенность в качестве ключевой для маркетингового именования технологии.

Хотя, с тем же успехом, экраны QLED телевизоров могли бы называться не «дисплеями на квантовых точках», а «дисплеями на нано-кристаллах» или еще как-то. Ведь из квантового у них – только принцип формирования светового излучения, в то время основа матрицы и подсветки вполне подчиняются законам классической механики. И являются эти матрицы не какой-то революцией, а всего лишь следующей ступенькой эволюции давно освоенных ЖК-телевизоров.