上一次筆者詳細介紹大尺寸顯示器技術時,LCD液晶顯示器才開始取代傳統CRT、等離子和採用投影技術的設備而逐漸佔主導地位。當時OLED也已經興起,卻因一些技術上的不足而受到限制,多用於可穿戴設備、智慧型手機和其他小型和(或)「一次性」電子設備中。

接下來的十年,從某種意義上來說技術的發展完全可以預見。螢幕越做越大,畫素密度(即給定螢幕尺寸的解析度)也越做越高,LCD仍是主流。傳統的色彩平衡發生了變化(特別是藍色光譜),隨著技術的發展,強環境光下的可見性及其他歷史遺留問題逐步得到解決,樂金(LG)繼續努力推進OLED進入電視、零售展示和其他大螢幕應用。

但是正如我在今年消費電子展(CES)的報導中所指出,LG在OLED產品上的老競爭對手三星(Samsung)似乎正將其大螢幕的開發重新定位於QLED和Micro LED這兩種替代技術,這有些令人驚訝。這兩種技術雖然聽起來很像,實際上卻完全不同。瞭解這兩種技術和相對於LCD和OLED的一些實現細節,以及三星想用高利潤率的專利技術賭一把的打算,就明白為什麼要採用這兩種技術了。以下分析當前顯示技術市場的領導者與後進者的王位之爭。

LCD

LCD技術的基本優勢在於它長壽,或者說在於它成熟,因為它已經蓬勃發展了幾十年(也可以說超過一個世紀,看從什麼時候開始計算)。我從2010年的文章中拷貝了幾張圖和一些文字來簡單回顧一下LCD技術。

20190711NT31P1 圖1 傳統的LCD畫素結構很容易理解,但是這種結構發生極小的變化都會使結果產生很大的差異。向眼睛提供色彩最常見的方法是RGB子畫素三元組,也有許多其他方法,例如左圖中的PenTile排列。

通常,兩個平行偏振片的偏振方向垂直,這阻擋了光的傳輸,從而產生可感知的黑色畫素陣列。但氧化銦錫(ITO)可提供夠強的電場來改變中間液晶的調變特性,並轉化為不同強度的透光率。

主動矩陣LCD使用薄膜電晶體(TFT)矩陣技術,每個畫素至少分配一個電晶體,以實現精確的列線到畫素的相關性。顯示控制器啟動行線之後,將驅動列線上相關畫素的電壓。利用目前使用較多的扭曲向列型(TN)LCD,隨著所施加的電壓不斷變化,液晶元件發生不同程度的扭曲,與偏光鏡相互作用後可通過不同量的光。精確的電場控制與刷新模式調變技術相結合,可以生成任意值的每畫素灰度。平面轉換(IPS)LCD的出現滿足了顯示器使用者對改善視角、更深的黑色及其他增強功能的要求。IPS LCD電平對齊液晶單元,並透過晶體端部對每個畫素施加電場,每畫素需要兩個電晶體,這使得IPS技術比TN技術更加昂貴。

不斷變化的扭曲和刷新調變技術使LCD能夠動態校準每個畫素的亮度,從而在範圍極值之間產生純黑、純白和灰色陰影。子畫素是LCD從白色背光源中產生顏色的關鍵。例如,傳統視訊圖形陣列(VGA)解析度面板307,200個畫素中的每一個都包含三個近距離子畫素,每個子畫素具有相關聯的紅色、藍色或綠色濾光鏡,只有可見光譜部分才能通過。對子畫素的選擇性控制產生了純色畫素的錯覺,抖動進一步欺騙眼睛和大腦,從而擴大了感知色調。

在之前的文章中我還提到,穿過液晶元件的光可能源於「周圍環境產生的光透過鏡面背板反射,透過背光自發光,或兩者兼有。」如今,幾乎所有LCD顯示器都利用了背光,其最初由一排冷陰極螢光燈管(CCFL)組成,但近年來被LED陣列取代,實際上「LED電視」是一個誤導的行銷術語(基於LED的是背光,而非它本身的顯示元件)。更先進的LED背光採用了各種尖端技術,包括替代全光譜「白光」LED的RGB LED三元組群,以及在LED陣列內選擇特定區域「局部調光」照明控制等,進一步擴展顯示器的色域、對比度範圍和其他特性。

OLED

三星是讓「LED電視」這一行銷用語被濫用的「罪魁禍首」,恕我直言,我猜這可能是因為三星想要模糊其LCD和OLED顯示器的區別。彼時其主要競爭對手LG剛開始加強OLED的促銷力度(三星在2010年推出Galaxy S系列,成為首批採用OLED的智慧型手機製造商之一)。實際上,這兩種技術是完全不同的,OLED具有自發光特性(用一個更文雅的術語就是「發射性電致發光」),顯示器根本不需要單獨的背光。因此,OLED顯示器非常薄並具有高度的柔軟性,在今年的消費電子展上,LG甚至展示了一款可以「卷起」的OLED電視。

20190711NT31P2 圖2 LG在CES上展示了一系列弧形OLED顯示器。(圖片來源:David Benjamin)

你可能認為OLED沒有背光所以功耗會比LCD同類產品更低,嗯,你是對的……只不過是有時候。再次引用我2010年關於OLED報導,「當以黑色顯示為主時OLED提供了極佳的功耗;但當以淺色顯示為主時,例如常見的在淺色或白色背景上顯示深色文本,它們的電池消耗可能會顯著高於LCD/背光組合。」這也解釋了為什麼Android、Chrome OS、iOS及相關應用程式多採用「暗」顯示模式。

QLED

幾年前,三星在CES上展示了基於QLED的原型,現在它已有多種型號投入生產。由於相似的命名,你可能很自然地認為「QLED」是「OLED」的變體,事實上這兩種技術是完全不同的。首先,QLED不會自發光,它像LCD一樣,需要補充背光(因此名稱中包含「LED」)。但是,它用稱之為「量子點(QD)」的結構代替了LCD的液晶矩陣(因此名稱中有表示量子點的「Q」)。引用維基百科的解釋:

量子點是尺寸只有幾奈米(nm)的微小半導體粒子,具有與較大的LED粒子不同的光學和電子特性,是奈米技術的核心主題。很多類型的量子點在被電或光激發時會發光,其頻率可以透過改變量子點的大小、形狀和材料來精確調整,從而實現多種應用。

量子點的特性介於體半導體(bulk semiconductor)和離散原子或分子之間。它們的光電特性隨尺寸和形狀而變化。直徑為5~6nm的較大量子點發射較長波長的光,產生橙色或紅色等顏色;較小的量子點(2~3nm)發射較短波長的光,產生藍色和綠色等顏色,具體的顏色和尺寸根據量子點的不同組成而變化。

正如你所瞭解的,QLED由於採用了成熟的LED背光技術,因此從技術上來說是某種程度的改進,而不是完全的創新。雖然量子點的螢幕材料是一個突破,但它從概念上退回(至少在我看來)到了CRT中使用的紅-綠-藍磷光點螢幕。糟糕,我不小心暴露了年齡……

Micro LED

「Micro LED」聽起來不像「QLED」,更不像「OLED」,但從概念上講它實際上更接近三星的這兩種技術。三星曾推出一款146吋的Micro LED大顯示器,這絕對可以稱之為「The Wall」,今年又新推出了更合消費者胃口(雖然很勉強)的75吋型號(當然,隨後還會有更大的219吋型號)。以下是我在三星新聞稿中發現的最有趣的敘述:

由於Micro LED具有模組化特性,該技術可提供螢幕尺寸的靈活性,使使用者可以定制螢幕尺寸以適應任何房間或空間。利用添加Micro LED模組,使用者可以將顯示器擴展到他們想要的任何尺寸。Micro LED的模組化功能未來還允許用戶創建9×3、1×7或5×1等不規則尺寸的終極顯示器,以滿足其空間、美學和功能需求。

無論螢幕的大小和形狀如何,三星的Micro LED技術還可以最佳化內容。即使多添加幾個模組,三星的Micro LED顯示器也可以進行縮放以提高解析度,同時保持畫素密度不變。此外,Micro LED可以支援從標準的16:9到21:9的寬螢幕電影,甚至支援非常規長寬比(如32:9,甚至1:1)的所有內容,而影像品質不打任何折扣。

最後,Micro LED顯示器不具擋板,可添加更多的模組,模組之間也沒有邊框。這種無縫技術可以實現令人驚歎的無邊泳池的效果,使Micro LED顯示器可以優雅地融入任何生活環境。

具有消費者定制靈活性的確很不錯,但我對Micro LED模組化沒什麼興趣,主要原因是從製造的角度來看,三星可以提供同樣的靈活性。想想看……撇開子畫素和其他的影響因素不談,這些最新的「8K」解析度電視包含3,320萬個畫素(7,680×4,320)。相信我,我認為他們的工廠生產不出完全沒有畫素缺陷的顯示器,尤其是現在還處於其生命週期的早期。良率降低,成本(因此價格)勢必將比現在高出許多。

值得慶幸的是,由於畫素密度高,普通消費者幾乎察覺不到隨機散佈在顯示器上的缺陷(或很少),當然,對於超近距離檢視螢幕的電視迷則要另當別論了。然而,太多的缺陷,特別是緊密聚集在一起的缺陷,是不可接受的。同樣要考慮的是,顯示器還會受到半導體元件良率動態的影響。顯示器(晶片裸片)較大時,每片的顯示器數就會減少(每個晶圓的裸片),出現缺陷的概率也會呈指數增加。因此,如果三星確實可以用多個較小的模組組裝Micro LED大顯示器,那麼這將為他們帶來巨大的收益(成本更低、價格更低)。

那麼,Micro LED到底是什麼?這次我可以說它與OLED一樣,具有一個自發光結構(無背光)。然而,它本質上是無機的(還沒有想到嗎?OLED中的「O」表示「有機」)。以下是來自維基百科的解釋:

Micro LED顯示器由形成各個畫素 元件的微縮LED陣列組成。與廣泛使用的LCD技術相比,Micro LED顯示器具有更好的對比度、回應時間和能效……與傳統LCD系統相比,OLED和Micro LED都能大大降低能耗。與OLED不同,Micro LED基於傳統的GaN LED技術,提供比OLED產品高達30倍的總亮度,以及更高效的效率(以lux/W衡量)。

開始寫這篇文章時我沒打算寫成一本書,但如果繼續寫下去,就真的會變成一本書了。所以就到這兒吧,但我仍然會密切關注這些和其他有趣的顯示技術的發展。一如既往地,歡迎與我分享你的任何想法!

(參考原文: Display technologies: Refinements and new entrants,by Brian Dipert)