magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

eyecatcherA folyadékkristály-kijelzők fejlődéstörténete

WCG, HDR, kvantumpont (QD), Nanocella, QLED – napjaink, LCD kijelzőkhöz (is) kapcsolódó „divatos” kifejezései. Cikksorozatunk befejezéseként e kifejezések mögé pillantva vázolunk képet a folyadékkristály-paneleket alkalmazó képmegjelenítő eszközök jelenéről és közeli jövőjéről.

 

Nyitás a valósághűbb képreprodukció felé

Az LCD kijelzők színreprodukciós képességeinek kiterjesztésére irányuló fejlesztésekről szólva, előző fejezetünkben már foglalkoztunk a fontosabb multimédiás színterekkel, most – mielőtt továbblépnénk – ismét vissza kell térnünk ehhez a témához.
Több mint hatvan éve, mielőtt a színes televíziók széles körben elérhetővé váltak az 1960-as évek végén, az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Televíziórendszer Bizottsága (National Television System Committee – NTSC) elfogadott egy színes televíziós műsorszolgáltatási szabványt, ami az NTSC 1953 elnevezést kapta. Az új sztenderd bevezetése akkoriban jelentős előrelépés volt, mivel színeket hozott a televíziózás addigi „fekete-fehér világába”, egy olyan okos kódolási sémát alkalmazva, mely a fényességtől elkülönítve kezelte a színinformációkat. Az NTSC 1953 szabvány által alapvetően meghatározott színtér a katódsugárcsöves (CRT) technológiában elérhető legjobb foszforanyagok képességein alapult és széles színtartományt fogott át. Azonban a gyakorlatban, a képcsöves (CRT) televíziók megjelenítési technológiája miatt a tévénéző a reprodukált színárnyalatok korlátozott választékát – nagyjából úgy a 35%-át – láthatta a valós világban a szemeink által érzékelhető tónusokhoz képest. (1. ábra)

 

01abraLCD

1. ábra


Ez a helyzet állandósult egészen a közelmúltig, mert bár a CRT képmegjelenítő eszközök korszaka időközben leáldozott, a síkpaneles kijelzőkkel ellátott készülékek esetében is ez a limitált színtartomány maradt a mérvadó, amelynek remek példái az sRGB, illetve a Rec.709 szabványoknál meghatározott színterek.
A változás első jelét a 4K UHD felbontású televíziók megjelenésével a Nemzetközi Távközlési Unió (ITU) által bevezetett Rec.2020 szabvány színtartományra vonatkozó specifikációja jelentette, mely meghatározó szerepet játszott abban, hogy megnyílhasson az út az úgynevezett széles színtartományú (Wide Color Gamut – WCG) kijelzők megvalósítása felé.
Másik oldalról, a képi tartalom rögzítésének, feldolgozásának és továbbításának, majd végül visszaadásának folyamatában bekövetkező fejlődés – konkrétan az úgynevezett magas dinamikatartományú (High Dynamic Range – HDR) képek kijelzőn történő megjelenítésére alkalmas vizuális rendszerek fejlesztési folyamata – szintén alátámasztotta a kijelzők újabb generációja létrejöttének szükségességét.
Érdemes röviden kitérni arra, mi is az a HDR. Az emberi szem által érzékelt fényerőtartomány jóval szélesebb, mint az a kontraszttartomány, amit a közelmúltig használt kijelzők (CRT képcsövek, plazmacellás panelek, sőt a jelenlegi LCD panelek túlnyomó része) megjeleníteni képesek. A magas dinamikatartományú képek reprodukálására kidolgozott HDR rendszerek[1] célja, hogy a reprodukált videotartalom árnyékosabb és kiemelt fényerőszintű képterületein is érzékelhetőbbé tegyék a részleteket, így jobban illeszkednek az emberi szem képességeihez (2. ábra). A HDR különösen a nagy fényerőszintű képi részletek megkülönböztetésében jeleskedik, beleértve a színes részletek szétválasztását a diffúz, fehér-közeli árnyalatoknál és a kép színtelítettebb területein, amelyeket a normál dinamikatartományú (Standard Dynamic Range – SDR) hagyományos videorendszerek hajlamosak összenyomni.

 

02abraLCD

2. ábra


Fontos megjegyezni, hogy a HDR képvisszaadás megvalósításához a teljes rendszer kompatibilitása szükséges, a felvételt rögzítő kamerától, a képi tartalmat feldolgozó stúdióberendezéseken és a műsoranyag továbbítását biztosító műsorszolgáltatón (mint jelenleg például az Amazon és a Netflix), illetve a HDR tartalmat tároló adathordozón és ennek lejátszását támogató forrásberendezésen (Ultra HD Blu-ray Disc lemez és lejátszó) át, egészen a HDR kép megjelenítésére képes kijelzőig („Ultra HD Premium” minősítéssel ellátott televíziók).

Színárnyalat-kiterjesztés emissziós nanorészecskékkel

A széles színtartományú WCG kijelzők megvalósításának kulcsfontosságú technológiai eleme, az úgynevezett kvantumpontok (Quantum Dot – QD) alkalmazása. A kvantumpontok olyan félvezető nanokristályok, amelyek elnyelik a nagyobb energiájú fényt, lekonvertálják azt, majd újra kibocsátják egy meghatározott értékek közötti hosszú hullámhossztartományon. A legjobb QD-anyagok működése igen jó hatásfokú, kvantumhatékonyságuk közel 100%-os. A QD-anyagok számos alkalmazásban felhasználhatók, mint például a világítás, az orvostudomány, a napelemek és a kijelzők.
A QD-anyagok túlnyomó részénél a kvantumpontok mérete határozza meg, hogy milyen hullámhosszra konvertálják a fényt. A kisebb kvantumpontok rövidebb, míg a nagyobbak hosszabb hullámhossztartományú fényt bocsátanak ki. (3. ábra) A kijelző-alkalmazások esetében két kvantumpontméret szükséges – az egyik nagyjából 3 nm-es, amely a zöld, a másik pedig nagyjából 6 nm-es, ami a vörös hullámhossztartományba eső fény kibocsátására szolgál. A harmadik – kék – alapszínt általában közvetlenül maguk, a kvantumpontok megvilágítását biztosító kék ledek szolgáltatják, amelyek fényét a kvantumpontok elnyelik.

 

03abraLCD

3. ábra


A konvertált fény spektrális szélességét elsősorban a kvantumpontok mérettartománya határozza meg. A spektrális szélesség az összetételtől és a gyártási folyamattól függ, de a vörös és zöld kvantumpontok esetében 25 nm és 60 nm között van a félérték-szélesség (Full Width at Half Maximum – FWHM) (4. ábra). Minél szűkebbre sikerül beállítani ezt, annál közelebb kerülhet a QD-anyag a Rec.2020 (és Rec.2100) szabványban megadott alapszín-értékekhez, ennek egyenes következményeként a kijelző több színárnyalat megjelenítésére lesz képes.

 

04abraLCD

4. ábra


Egy kvantumpont emissziós hullámhossza és a hullámhossztartományok a gyártási folyamat során állíthatók be, nanométeres pontossággal. A gyártási folyamat szoros ellenőrzése kritikus abban, hogy a kvantumpontok szűk mérettartományon belül legyenek. Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik, hogy a kvantumpontokat az alkalmazás igényeinek megfelelően hangolják össze anélkül, hogy megváltoztatnák a QD-anyagrendszert vagy a környezetét. Ez előnyt jelent, mert a QD-anyagrendszer fejleszthető; teljesítménye, megbízhatósága tesztelhető, valamint minősíthető a végső emissziós profil (a vörös és a zöld kvantumpontok keveréke, valamint a kék fény áthaladásának biztosítása) rögzítése előtt. Továbbá az is megvalósítható, hogy az emissziót pontosan optimalizálják egy adott kijelző számára, lehetővé téve a Rec.2020 (és Rec.2100) szabványban specifikált magasabb színtér-lefedettséget.
A QD-anyagokat többféle technológiai kialakításban – kvantumpontfilm (Quantum Dot Enhancement Film – QDEF), kvantumpontcső (Quantum Dot Tube), led diódához integrált kvantumpontrészecskék (QD-LED vagy QLED) – alkalmazhatják. A kvantumpont-technológiát alkalmazó WCG LCD kijelzők első generációjában a legelterjedtebb a kvantumpontfilm-réteg (QDEF) alkalmazása közvetlenül a folyadékkristály-panel háttérvilágítása előtt. A fényforrásként alkalmazott kék ledek által keltett fény útjába helyezett QDEF réteg a kvantumrészecskéinek beállított spektrumtartományában bocsátja ki a háttérvilágítás vörös (R) és zöld (G) alapszínű összetevőit, míg a kék (B) összetevőt a led QDEF rétegen átjutó fénye adja. (5. ábra)

 

05abraLCD

5. ábra

Nanorészecske-alkalmazások újabb generációi az LCD kijelzőkben

A hagyományos LCD tévékészülékeknél a zöld szín gyakran keveredik a sárgával vagy a kékkel, a vörös pedig narancssárgás tónust kaphat, így nemcsak halványabbnak mutatkoznak, de a másik három szín árnyalatai is feltűnnek bennük. Ezt a problémát hivatott megszüntetni az LG és a Technicolor kooperációjában fejlesztett Nanocella szerkezet (Nano Cell), amelyet azonos méretű, 1 nanométeres részecskék alkotnak. Ezek feladata, hogy a színreprodukció szempontjából nemkívánatos tónusok fényátszűrődéseit elnyeljék, ezáltal pontosabb színvisszaadást eredményeznek, ráadásul a megjelenített színek szélesebb látószögekből – akár 60° rálátási szögtartományban – nézve is megőrzik integritásukat. A Nanocella bevonat közvetlenül a folyadékkristály-panelt, valamint az előtte elhelyezett színszűrő réteget lezáró anyaüveg szubsztrátumra – gyakorlatilag a kijelző képernyőfelületének elejére – kerül, ami nem igényel további felszerelést vagy változást a gyártási folyamat során. (6. ábra)

 

06abraLCD

6. ábra


A Samsung a 2017 januári nemzetközi fogyasztói elektronikai (CES) kiállításon mutatta be a hangzatos „QLED” elnevezést viselő kvantumpont-technológiás televízióit. A dél-koreai gyártó tévékészülékei esetében azonban ez az elnevezés inkább marketing értékű, ami a kvantumpontok (Quantum Dot) és a ledes háttérvilágítás (LED) televízión belüli együttes alkalmazására utal, ám gyakorlatilag ez esetben is a háttérvilágítás környezetébe helyezett kvantumpontfilmről (QDEF) van szó. Azonban magában, a Samsung által továbbfejlesztett kvantumpontfilmben történtek változtatások, mivel a Samsung QLED tévék QDEF rétegében használt kvantumpont-nanorészecskék új fémötvözetmaggal rendelkeznek, valamint új fémötvözet-héjréteggel egészítették ki a kombinált ZnSeS héjszerkezetet. A módosított kvantumpontrészecskéknek köszönhetően a Samsung QLED televíziók állítólag képesek a teljes DCI-P3 színtér megjelenítésére azonos fényerőszinten, csúcs fényerejük pedig 1500 … 2000 nit között van. Azonban a „QLED” kifejezés mögött létezik egy technikailag érdekesebb megközelítés is. Ez pedig nem más, mint a saját emisszióra képes, kvantumpontos ledekre épülő kijelző koncepciója, mely nem újkeletű. Évek óta vitatott, hogy technológiai szempontból a tévékészülékek „végső” típusa számára megfelelő-e a szerves fénykibocsátó diódákra (Organic LED – OLED) épülő változat, vagy a QLED lenne a jobb megoldás. A szó szoros értelmében vett valódi QLED tévék QD-anyagokat igényelnek, de a jelenlegi kvantumpontos tévékkel ellentétben, saját emisszióra képes kijelzővel és hasonló struktúrával rendelkeznek, mint a már létező OLED TV-k.

 

07abraLCD

7. ábra


A QLED televíziók előállításához kétfajta technológiai fejlesztési lépés képzelhető el. Az egyik alternatíva a QD-anyagok beépítése az LCD panelbe. A jelenlegi kvantumpontos tévék a folyadékkristály-panelek háttérmegvilágítását biztosító rendszer elemeként tartalmazzák a kvantumpontfilmeket (QDEF). (7/a ábra) Ezt távolítanák el a gyártók, és helyette a jelenleg alkalmazott színszűrőket cserélnék ki kvantumpont-technológiás szűrőkre a színskála növelése érdekében. (7/b ábra) Ennek ellenére ez a megoldás nem eredményez saját emisszióra képes kvantumpontos rendszert.
Egy másik megközelítésben a gyártók a meglévő OLED struktúrában cserélnék ki a fényt kibocsátó szerves anyagokat QD-anyagokkal, hogy saját emisszióra képes kijelzőt hozzanak létre. (7/c ábra)

Az LCD kijelzők evolúciója korántsem ért a végéhez, a folyadékkristály-panellel kapcsolatos innovációs folyamatok – 8K UHD felbontáshoz, a HDR képmegjelenítéshez vagy a kvantumpont-technológiához kapcsolódó fejlesztések – révén, biztosra vehető, hogy e területen is sok érdekességet tartogat még a jövő.

 

08abraLCD

8. ábra

 

 

A kvantumpontok felépítése

A kvantumpontok (Quantum Dot – QD) szerkezetét három fő elem alkotja. A mag (core) biztosítja a kvantumpont kulcsfontosságú lumineszcenciáját a kék fény adszorpciójával és zöld vagy kék színek kibocsátásával (a kijelzőn történő megjelenítéséhez). A héjréteg (shell) segít elszigetelni a szerkezet emissziós és passziválási hibáit. A ligandum-réteg (ligand) további védelmet nyújt az oxidációval szemben a stabilitás biztosítása érdekében. 

 

keretes abraLCD


A kvantumpontoknak két alapfajtája létezik: kadmium-alapú és kadmiummentes (főként indium-foszfiddal). A jelenleg gyártástechnológiában alkalmazott kvantumpontok kadmium-alapúak, mivel ezek a hatékonyabbak. A kadmiummentes kvantumpont-változatok hatékonysága nagyjából 10%-kal gyengébb, a Rec.2020 szabványban meghatározott színtér szerinti színskála-lefedettségük pedig kevesebb, mint 80%-os, míg a kadmium-alapúaknál ez az érték több mint 90%.
A kadmium-alapú kvantumpontok alkalmazhatóságának mértéke szempontjából azonban hamarosan megváltozik a helyzet. A kadmium – mérgező volta miatt – veszélyes anyagnak minősül (különösen Japán és Európa fordít erre fokozott figyelmet), és noha a kadmium-alapú kvantumpontos anyagokat használó televíziók jelenleg mentesülnek a veszélyes anyagok korlátozásának (RoHS) ezen anyagokra vonatkozó európai követelményei alól, az RoHS tagok egy 2016-os rendelkezésének eredményeként ez a mentesség 2018-ban megszűnik. Az egyik legmeghatározóbb QD-anyag-fejlesztő és -gyártó cég, a Nanosys időközben új anyagot kísérletezett ki Hyperion kvantumpont néven, amely ötvözi a kadmium-alapú zöld és a kadmiummentes vörös anyagokat. Ez az anyag elérheti a Rec.2020 szabványban specifikált színtér 90%-át, és még mindig megfelel az RoHS követelményeknek. Egyébiránt a csökkentett kadmiumtartalmú és kadmiummentes QD-anyagok felhasználását maguk az LCD gyártók is támogatják, ezért úgy tűnik, hogy a jövőben ez lesz a domináns megközelítés a kijelzők számára.

 

 

Forrásanyagok:
  • Chris Chinnock: The Status of Wide Color Gamut UHD-TVs (Insight Media)

  • Ross Young – Bob O’Brien – Yoshio Tamura: Quantum Dots or OLEDs – Which Technology Will Dominate the TV Market of the Future? (Display Supply Chain Consultants)

  • Jian Chen – Veeral Hardev – Jeff Yurek: Quantum-Dot Displays: Giving LCDs a Competitive Edge Through Color (Information Display)

  • Chris Chinnock: Quantum Dots will Power Display Products to the Next Level (Insight Media)

  • Jian Chen – Jason Hartlove – Jeff Yurek – Ernie Lee – Steve Gensler: High efficiency LCDs using Quantum Dot Films (Nanosys, Inc.)

  • David Hsieh: QLED – Quantum Dot OLED or Quantum Dot LCD with LED backlight, or both? (IHS Markit Technology Blog)

 

Szerző: Herceg János

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész


[1]Jelenleg négy HDR formátum létezik. Legszélesebb körben az úgynevezett HDR10 verziót támogatják, mivel „nyílt” tehát jogdíjmentes. Ezzel kompatibilisek az Ultra HD Blu-ray Disc lemezek és lejátszók, az Xbox One S és PlayStation 4 Pro konzolok, illetve a legtöbb Samsung és Sony televízió. A 10-bites HDR10 formátum hátránya, hogy nem dinamikus, hanem statikus metaadattal rendelkezik. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a HDR10 videotartalom egyetlen szín- és fényerő-beállítási értéket küld a kompatibilis TV felé a legelején, ami azután ezeknek az adatoknak megfelelően jeleníti meg a képeket a teljes műsorprogram folyamán. Mindezt orvosolja a HDR10+ formátum, amit 2017 áprilisában jelentett be a Samsung, mostanra pedig a Panasonic és a 20th Century Fox is melléállt. A HDR10+ már kezeli a dinamikus metaadatokat, és a hírek szerint 2018 januárjától elérhető lesz a gyártók számára jogdíjmentesen, mindössze névleges adminisztrációs díjért. A harmadik HDR változat a Dolby Laboratories 12-bites Dolby Vision formátuma, mely ennek megfelelően 1 helyett már 68 milliárd színárnyalat kezelésére képes, elvileg elérhető maximális fényereje pedig a HDR10 formátummal szemben nem 4000, hanem 10000 nit. Mindemellett talán a legfontosabb jellemzője, hogy képes a dinamikus metaadat kezelésre, vagyis minden egyes képkocka azzal a színvilággal és fényerővel látható, ahogy azt a film készítői megvalósították. A Dolby Vision támogatottsága viszont jelenleg minimális (leginkább az LG áll ki mellette), amelynek legfőbb oka a használatáért fizetendő licencdíj, ami sok iparági szereplőnek nem tetszik. A negyedik HDR verzió a BBC és az NHK által fejlesztett és jelenleg még csak tesztelés alatt álló HLG (Hybrid Log Gamma), amelyet kifejezetten műsorszórásra optimalizálnak.