Mozaika z czerwonych, zielonych i niebieskich trójkątów.

QLED – czyli nanotechnologia w ekranowych kryształach

Fot. Piotr Sokołowski
Telewizory LCD oznaczane jako QLED obecne są na naszym rynku już od kilku lat. Urządzenia z ekranami wyposażonymi w warstwę tak zwanych "kropek kwantowych" promuje przede wszystkim Samsung, ale nie on jeden wytwarza obecnie tego typu ekrany. Czym tak naprawdę są kropki kwantowe i o co w ogóle chodzi w QLED-ach? Czy faktycznie kropki kwantowe robią różnicę? Rzucamy trochę fotonów na tę nanotechnologię.

Telewizory z matrycami wyposażonymi w kropki kwantowe produkuje dziś nie tylko Samsung, choć to właśnie od tej firmy rozpoczął się pochód tej technologii w elektronice konsumenckiej. Aktualnie w grupie QLED Alliance zrzeszone są trzy wielkie firmy: Samsung, chiński TCL oraz – również pochodząca z Państwa Środka firma – Hivision, choć ta ostatnia wyraźnie się z tego trio wyłamuje – pod koniec ubiegłego roku wprowadziła na rynek australijski własny telewizor z ekranem OLED, największym konkurentem QLED-ów. W Polsce osoby zainteresowane kupnem telewizora wyposażonego w kropki kwantowe, mają do wyboru przede wszystkim różne modele telewizorów QLED Samsunga, ale dobrze wiedzieć, że nie tylko Koreańczycy produkują dziś takie ekrany.

Rzetelne wyjaśnienie czym w istocie są kropki kwantowe, czyli najbardziej istotny element matryc LCD VA Quantum dot obecnych we wszystkich telewizorach QLED nie będzie zupełne, jeżeli przedstawimy warstwę QD (Quantum Dot) w oderwaniu od pozostałych elementów konstrukcyjnych matryc LCD. Konieczne zatem jest krótkie wprowadzenie – jak w istocie jest zbudowana ciekłokrystaliczna matryca obecna w każdym, absolutnie każdym monitorze i telewizorze LCD? Jeżeli wiecie jak wygląda sandwich – czyli pożywna kanapka, w której mamy różne warstwy pyszności – to już jesteście blisko.

Matryca LCD – konstrukcja

W uproszczeniu, każdy ekran ciekłokrystaliczny zbudowany jest warstwowo. Liczba tych warstw, sposób ich wzajemnego ułożenia czy ich rodzaj mogą się w pewnym stopniu różnić w zależności od typu matrycy z jakim w danym momencie mamy do czynienia. Najczęściej różnice dotyczą warstw polaryzacyjnych, przeciwodblaskowych, filtrów barwnych itp. Jednak niezależnie od rodzaju matrycy ciekłokrystalicznej, każdy, absolutnie każdy aktywny panel ciekłokrystaliczny (pominę zupełnie kwestię pasywnych matryc LCD, które w kontekście tego czym się tu zajmujemy pozostają poza kręgiem naszych zainteresowań) musi być wyposażony w warstwę podświetlenia. Polimery (czyli owe „ciekłe kryształy”) stanowiące najbardziej istotną warstwę wyświetlacza (to dzięki nim możliwe jest „kreślenie obrazu” na ekranie) same z siebie nie wytwarzają światła, nie są ich źródłem. Dlatego aby obraz na matrycy LCD był w ogóle widoczny, musi być ona podświetlona. Przyjrzyjmy się bliżej poniższemu schematowi

Schemat struktury wyświetlacza ciekłokrystalicznego

Jak widać porównanie struktury wyświetlacza LCD do składanej kanapki jest jak najbardziej uzasadnione. Najgłębiej – czyli, gdy patrzymy na dowolny ekran LCD, najdalej od nas – znajduje się warstwa podświetlenia. Dawniej podświetlenie realizowano za pomocą fluorescencyjnych lamp katodowych (CCFL – Cold Cathode Fluorescent Lamp), obecnie źródłem światła w matrycach LCD dowolnego typu są diody LED. Są one rozmieszczane wzdłuż krawędzi (tzw. podświetlenie krawędziowe – Edge LED) lub bezpośrednio za matrycą w postaci jednolicie rozmieszczonej siatki punktów świetlnych (tzw. matrycowe, bezpośrednie podświetlenie – Direct LED). Nad podświetleniem znajdują się dwie warstwy polaryzatora, pomiędzy którymi umieszczone są dwie warstwy szkła. Teraz pomiędzy tymi warstwami szklanymi znajdują się już elementy aktywne, sterowane elektronicznie. Bliżej podświetlenia umieszcza się warstwę elektrod oraz warstwę tranzystorów sterujących panelem LCD, czyli tzw. matrycę TFT (Thin Film Transistor). Tutaj mała dygresja – widać zatem, że widoczne w sklepach, czy stosowane przez niektórych opisy monitorów i telewizorów typu: „telewizor LED” czy „monitor TFT”, są pozbawione sensu, gdyż w obu przypadkach mamy do czynienia z ekranami ciekłokrystalicznymi (LCD), a określenia LED czy TFT odnoszą się jedynie do elementów konstrukcyjnych samej matrycy i w żaden sposób nie definiują jej typu. Jak wspomniałem podświetlenie LED jest dziś instalowane w każdym ekranie LCD, więc określenia „telewizor LCD” czy „telewizor LED” oznaczają tak naprawdę to samo. Natomiast matryca sterująca, czyli TFT, to element obecny w wielu typach paneli LCD, zarówno w tanich monitorach LCD TN, jak i w LCD VA czy LCD IPS. Każdy z tych ekranów wyposażony jest w warstwę sterującą zapalaniem i gaszeniem pikseli – to właśnie zadanie TFT.

Reklama

Najważniejszy element konstrukcyjny matryc ciekłokrystalicznych zawarty jest własnie pomiędzy warstwami elektrod i TFT – to właśnie warstwa polimerów, czyli „ciekłych kryształów”. Ich kształt zmienia się punktowo w zależności od ładunku pojawiającego się na elektrodach. W zależności od przyłożonego napięcia w danym miejscu światło pochodzące z podświetlenia jest albo przepuszczane, albo nie. W efekcie mamy biały piksel lub czarny. Pamiętajmy że powyższy schemat konstrukcji panelu LCD ma dość ogólny charakter. Aktualnie na rynku mamy wiele różnych typów matryc ciekłokrystalicznych. W monitorach i telewizorach znajdziemy m.in. matryce LCD typu TN (Twisted Nematic), IPS (In Plane Switching), VA (Variable Angle), PLS (Plane to Line Switching) i wiele innych pobocznych wariantów i odmian (MVA, AHVA, AMVA itd). Każdy z typów matryc ciekłokrystalicznych charakteryzuje się pewnymi właściwościami, które wyróżniają je na tle innych, ale niestety – nie ma jak dotąd rozwiązania idealnego pod każdym względem. Na przykład matryce typu TN, to najstarsze z aktywnych matryc ciekłokrystalicznych stosowanych do dziś . Wyróżnia je przede wszystkim niski koszt produkcji oraz szybkość reakcji – to najszybsze matryce spośród wszystkich innych typów. Dlatego właśnie w panele typu LCD TN wyposażone są np. tanie monitory dla graczy odświeżane z częstotliwością 144 Hz. Niestety żadnej „te-enki” nie spotkamy w jakimkolwiek współczesnym telewizorze. Dlaczego? Bo szybkość reakcji matrycy to zbyt mało, w telewizorach liczy się przede wszystkim jakość obrazu, ilość generowanych barw i możliwie szerokie kąty widzenia – czyli wszystko to, pod względem czego matryce TN są najsłabsze spośród wszystkich produkowanych dziś typów.

Kolorowy świat – zwykłe LCD i ekrany QLED, czyli kropki kwantowe w akcji

Wiemy już w jaki sposób na ekranie pojawia się piksel zapalony lub zgaszony. Ale w jaki sposób generowane są barwy? W tradycyjnych matrycach LCD o kolorze konkretnego piksela decyduje to, przez jakie filtry barwne przechodzi światło pochodzące z podświetlenia. Każdy z pikseli ekranu składa się z trzech (najczęściej) subpikseli, z których każdy odpowiada za jeden z podstawowych kolorów (czerwony, zielony, niebieski) addytywnej palety barw RGB (skrót od słów Red Green Blue). Synteza addytywna barw, czyli zjawisko wykorzystywane właśnie w kolorowych telewizorach i monitorach ciekłokrystalicznych, pozwala uzyskać szerokie spektrum barw. Kolor biały to wynik złożenia subpiksela czerwonego, zielonego i niebieskiego świecących z maksymalną jasnością. Sama warstwa podświetlająca również w większości tradycyjnych ekranów LCD emituje światło białe (tzw. podświetlenie WLED – od White LED). Z uzyskiwaniem kolorów w ten sposób jest jednak pewien problem. Każda dodatkowa warstwa oddzielająca podświetlenie od oczu widza oznacza barierę pochłaniającą część emitowanego przez spodnią warstwę ekranu LCD.

W ekranach wykorzystujących kropki kwantowe jest inaczej. Konstrukcyjnie ekrany QLED są oczywiście zbliżone do ekranów LCD, w gruncie rzeczy dalej mamy tutaj przecież do czynienia właśnie z ekranami ciekłokrystalicznymi. Należy jednak mieć na uwadze istotne różnice. Po pierwsze – podświetlenie. W telewizorach QLED warstwa podświetlenia emituje nie białe, lecz niebieskie światło. Dlaczego akurat tę barwę? Chodzi o stan energetyczny fotonów opuszczających warstwę podświetlającą – muszą one mieć najwyższy stan energetyczny spośród wszystkich długości widzialnego pasma, które finalnie trafia do oczu widza. Dlaczego zatem patrząc na ekran współczesnych telewizorów QLED nie obserwujemy przesadnie zaniebieszczonych scen, lecz piękne, nasycone kolory? To właśnie zasługa drugiej istotnej różnicy pomiędzy tradycyjnymi ekranami LCD a QLED-ami: dodatkowej warstwy, której pozbawione są „zwykłe” telewizory LCD – warstwy z kropkami kwantowymi (Quantum dot). Zobaczmy gdzie ona jest umieszczona:

Kropki kwantowe
Schemat rozmieszczenia warstwy z kropkami kwantowymi w ekranie LCD (graf. IEEE Spectrum)

Jak widać kropki kwantowe umieszczone są w zupełnie innym miejscu niż filtr barwny w tradycyjnym ekranie LCD. Nanotechnologiczne struktury położone są bezpośrednio obok warstwy podświetlającej. Dlaczego? Czas wyjaśnić zasadę działania kropek kwantowych.

Czym one w ogóle są? To niewielkie struktury materii, cząstki o rozmiarach w zakresie od 2 do 10 nm (nanometrów). Tak mały rozmiar cząstki oznacza, że do opisu jej właściwości fizycznych nie stosuje się już klasycznej fizyki znanej z makroświata lecz mechanikę kwantową. W rzeczywistości każda kropka kwantowa jest niczym innym jak mikroskopijnym półprzewodnikiem, wykonanym najczęściej z selenku cynku, selenku kadmu lub fosforku indu. Półprzewodnik ten wyróżnia pewna szczególna cecha: zdolność konwersji światła krótkofalowego (czyli fotonów o długości fali w zakresie od 450 do 495 nanometrów) na niemal każdą inną barwę w widzialnym dla człowieka spektrum.

Fotonowy atak i szerokie spektrum barw

W jaki sposób odbywa się ta konwersja? Jak wspomniałem, rozmiary cząstek umieszczonych w warstwie Quantum Dot są na tyle małe, że w grę wchodzą efekty kwantowe. W tym konkretnym przypadku konwersja fotonu niebieskiego, czyli wyróżniającego się najwyższym stanem energetycznym spośród wszystkich fotonów z pasma widzialnego, odbywa się w następujący sposób. Foton padając na kropkę kwantową generuje parę elektronowo-dziurową, która łączy się emitując ponownie foton, ale o innej (dłuższej) długości fali, czyli – po prostu o innej barwie. Kolor wyemitowanego w ten sposób fotonu zależy od rozmiaru „trafionej” nanocząstki. Im większa kropka kwantowa tym większa długość fali wyemitowanego przez kropkę kwantową fotonu. Zależność uzyskanej barwy od rozmiaru nanocząstki z warstwy kropek kwantowych pokazuje poniższy graf:

Zależność kolorów od rozmiarów krope
Diagram zależności rozmiaru kropki kwantowej i uzyskanej barwy (graf. physicopenlab.org)

Większe kropki emitują dłuższe fale, które przez komórki siatkówki naszego oka są interpretowane jako barwa czerwona (620 do 750 nm); mniejsze kropki emitują krótsze fale, bliższe drugiego (fioletowego) końca pasma widzialnego. Ta charakterystyczna „dostrajalność” kropek kwantowych stanowi o ich unikalnych własnościach jako materiału emitującego światło po dostarczeniu odpowiedniej energii (w tym wypadku – również świetlnej w postaci fotonów o wyższej energii). W innych materiałach zdolnych do emisji światła, np. w organicznych diodach elektroluminescencyjnych, które stanowią podstawowe składniki ekranów typu OLED (OLED nie jest ekranem LCD, to odmienna technika uzyskiwania obrazu), długość fali emitowanego fotonu jest stałą własnością materiału i nie jest zależna od jego wymiarów. Aby utworzyć kropkę kwantową o określonej wielkości, która określa długość fali, producenci dostosowują temperaturę i czas reakcji chemicznych wykorzystywanych w ich produkcji. Magia i alchemia w jednym. Spójrzmy na jeszcze jeden diagram

Precyzyjne odwzorowanie barw podstawowych (RGB) to cecha wyróżniająca ekrany z warstwą kropek kwantowych (graf. CNET)

Ilustracja ta pokazuje najważniejszą przewagę ekranów z warstwą kropek kwantowych w stosunku do tradycyjnych matryc LCD dowolnego typu. Telewizory z matrycą wyposażoną w warstwę Quantum Dot są w stanie uzyskać znacznie precyzyjniej wyselekcjonowane podstawowe składowe barwowe obrazu. Im precyzyjniej jest emitowana barwa podstawowa tym lepiej poddaje się ona filtracji w celu uzyskania szerokiego spektrum widocznych na ekranie kolorów. Jednocześnie możliwe jest emitowanie jaśniejszych obrazów bez utraty informacji o kolorze. Gdy połączymy te dwie własności staje się zrozumiałe, dlaczego właśnie telewizory QLED Samsunga (a także pozostałych producentów wykorzystujących technikę kropek kwantowych w strukturze panelu) są zdolne do pokrycia szerokiej (znacznie szerszej od palety sRGB), kinematograficznej przestrzeni barwowej DCI-P3 niemal w 100% i jednocześnie (to istotne) są w stanie emitować obrazy o bardzo wysokiej jasności. Luminancja telewizora na poziomie przekraczającym 1000 cd/m2 przy zachowaniu pełnej informacji o kolorze jeszcze kilka lat temu była nieosiągalna w urządzeniach przeznaczonych na rynek konsumencki. Dziś w sklepach znajdziemy modele telewizorów zdolnych do nawet znacznie większych emisji (rzędu 2000 cd/m2), dzięki czemu w domach możemy oglądać filmy HDR zawierające bardzo zróżnicowane tonalnie sceny nie tracąc ani barw, ani detali.

Nie tylko kropki kwantowe, czyli co nowego w tegorocznych QLED-ach?

Pamiętajmy wreszcie, że telewizory QLED to nie tylko kropki kwantowe. Choć te stanowią wyróżnik ekranów w tych urządzeniach, to sam sprzęt stale jest rozwijany. Czym na przykład różnią się QLED-y z 2018 roku od modeli wprowadzonych na rynek w bieżącym roku? Samsung zwiększył np. gamę modeli telewizorów wyposażonych w bezpośrednie matrycowe podświetlenie tylne, które obecnie znajdziemy w modelach QLED z serii Q70R, Q80R, Q85R, Q90R oraz topowej serii 8K, czyli Q950R. W ubiegłym roku jedynie trzy serie (Q9FN, Q8DN i Q900R) były wyposażone w bezpośrednie tylne podświetlenie. Drugą różnicą pomiędzy ubiegłorocznymi i tegorocznymi telewizorami QLED koreańskiego producenta są znacząco poszerzone kąty widzenia, co było dotychczas jedną z poważniejszych bolączek telewizorów Samsunga, który wykorzystuje w swoich urządzeniach matryce LCD typu VA (oczywiście z dodatkową warstwą kropek kwantowych). Efekt ten nie wymaga specjalnych pomiarów i jest widoczny dla każdego, kto ma możliwość bezpośredniego porównania obrazów na telewizorach QLED tych dwóch generacji (tj. 2018 i 2019). Trzeba jednak pamiętać że wspomniana specjalna powłoka zwiększająca jakość obrazu obserwowanego nie na wprost nie dotyczy wszystkich tegorocznych QLED-ów lecz tylko tych najwyżej pozycjonowanych modeli z serii Q80R, Q85R, Q90R i Q950R.

Reklama

Co jeszcze zmieniło się w tegorocznych modelach QLED w stosunku do ubiegłorocznych? Przede wszystkim zwiększyła się liczbę modeli wyposażonych w efektywną powłokę antyrefleksyjną, która skutecznie tłumi niepożądane odbicia przy jednoczesnym zachowaniu estetycznych walorów samego ekranu (nie jest on zmatowiony). W 2019 roku powłoka ta jest dostępna w wyżej wymienionych czterech seriach, w których zaobserwujemy szersze kąty obserwacji ekranu bez spadku luminancji i jakości barw. Co prawda w ubiegłym roku koreański producent również stosował tę powłokę antyrefleksyjną, ale tylko w trzech najwyżej pozycjonowanych seriach: Q8DN, Q9FN i Q900R.

Jednak najbardziej istotną różnicą wprowadzoną przez Koreańczyków w najnowszych telewizorach QLED jest sztuczna inteligencja poprawiająca jakość obrazu i dźwięku. Wyuczone maszynowo algorytmy wspierane przez moc obliczeniową nowego procesora Quantum 4K analizują i przetwarzają w czasie rzeczywistym oglądany przez nas obraz. Tej wyuczonej techniką głębokiego uczenia maszynowego techniki korekcji obrazu i dźwięku w ubiegłorocznych modelach QLED 4K w ogóle nie było. | CHIP

0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.