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.


Na kolejnej stronie wyjaśniamy w jaki sposób realizowana jest ta konwersja, a także wspominamy jeszcze o kilku interesujących cechach w najnowszych telewizorach QLED.

Zamknij

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