一文讲透LCD、OLED、QLED、microLED
LG的老竞争对手三星将其大屏幕的开发重新定位于QLED和microLED。这两种技术虽然听起来很像，实际上却完全不同。了解这两种技术及其相对于LCD和OLED的一些实现细节，以及三星想用高利润率的专利技术赌一把的打算，就明白为什么要采用这两种技术了。
上一次我详细介绍大显示屏技术时，LCD液晶显示器才开始取代传统CRT、等离子和采用投影技术的设备而逐渐占主导地位。当时OLED也已经兴起，却因一些技术上的不足而受到限制，通常用于可穿戴设备、智能手机和其他小型和(或)“一次性”电子设备中。
接下来的十年，从某种意义上来说技术的发展是完全可以预见的。屏幕越做越大，像素密度(即给定屏幕尺寸的分辨率)也越做越高，LCD仍是主流。传统的色彩平衡发生了变化(特别是蓝色光谱)，随着技术的发展，强环境光下的可见性及其他历史遗留问题逐步得到解决，LG继续努力推进OLED进入电视、零售展示和其他大屏幕应用。
但是正如我在今年消费电子展(CES)的报道中所指出的，LG在OLED产品上的老竞争对手三星似乎正将其大屏幕的开发重新定位于QLED和microLED这两种替代技术，这有些令人惊讶。这两种技术虽然听起来很像，实际上却完全不同。了解这两种技术及其相对于LCD和OLED的一些实现细节，以及三星想用高利润率的专利技术赌一把的打算，就明白为什么要采用这两种技术了。我们来分析一下当前显示技术市场的领导者与后来者的王位之争。
LCD
LCD技术的基本优势在于它长寿，或者说在于它成熟，因为它已经蓬勃发展了几十年(也可以说超过一个世纪，看从什么时候开始算)。我从2010年的文章中拷了几张图和一些文字来简单回顾一下LCD技术。
图1：传统的LCD像素结构很容易理解，但是这种结构发生极小的变化都会使结果产生很大的差异。向眼睛提供色彩最常见的方法是RGB子像素三元组，也有许多其他方法，例如左图中的PenTile排列。
通常，两个平行偏振片的偏振方向垂直，这阻挡了光的传输，从而产生可感知的黑色像素阵列。但ITO(氧化铟锡)可提供足够强的电场来改变中间液晶的调制特性，并转化为不同强度的透光率。
有源矩阵LCD使用TFT(薄膜晶体管)矩阵技术，每个像素至少分配有一个晶体管，以实现精确的列线到像素的相关性。显示控制器激活行线之后，将驱动列线上相关像素的电压。利用目前使用较多的扭曲向列型(TN)LCD，随着所施加的电压不断变化，液晶元件发生不同程度的扭曲，与偏光镜相互作用后可通过不同量的光。精确的电场控制与刷新模式调制技术相结合，可以生成任意值的每像素灰度。平面转换(IPS)LCD的出现满足了显示器用户对改善视角、更深的黑色及其他增强功能的要求。IPS LCD水平对齐液晶单元，并通过晶体端部对每个像素施加电场，每像素需要两个晶体管，这使得IPS技术比TN技术更加昂贵。
不断变化的扭曲和刷新调制技术使LCD能够动态校准每个像素的亮度，从而在范围极值之间产生纯黑、纯白和灰色阴影。子像素是LCD从白色背光源中产生颜色的关键。例如，传统VGA(视频图形阵列)分辨率面板307,200个像素中的每一个都包含三个近距离子像素，每个子像素具有相关联的红色、蓝色或绿色滤光镜，只有可见光谱部分才能通过。对子像素的选择性控制产生了纯色像素的错觉，抖动进一步欺骗眼睛和大脑，从而扩大了感知色调。
在之前的文章中我还提到，穿过液晶元件的光可能源于“周围环境产生的光通过镜面背板反射，通过背光自发光，或两者兼有。”如今，几乎所有LCD显示器都利用了背光，其最初由一排CCFL(冷阴极荧光灯)组成，但近年来被LED(发光二极管)阵列取代，实际上“LED电视”是一个误导的营销术语(基于LED的是背光，而不是它本身的显示元件)。更先进的LED背光采用了各种高尖技术，包括替代全光谱“白光”LED的RGB LED三元组群，以及在LED阵列内选择特定区域“局部调光”照明控制等，进一步扩展了显示器的色域、对比度范围和其他特性。
OLED
三星是“LED电视”这一营销用语滥用的“罪魁祸首”，恕我直言，我猜这可能是因为三星想要模糊其LCD和OLED显示器的区别。彼时其主要竞争对手LG刚开始加大OLED的促销力度(三星在2010年推出Galaxy S系列，成为首批采用OLED的智能手机制造商之一)。实际上，这两种技术是完全不同的，OLED具有自发光特性(用一个更文雅的术语就是“发射性电致发光”)，显示屏根本不需要单独的背光。因此，OLED显示器非常薄并具有高度的柔软性，在今年的消费电子展上，LG甚至展示了一款可以“卷起”的OLED电视。
图2：LG在CES上展示了一系列弧形OLED显示屏。(图片来源：David Benjamin)
您可能认为OLED没有背光所以功耗会比LCD同类产品更低，嗯，您是对的……只不过是有时候。再次引用我2010年关于OLED报道，“当以黑色显示为主时它们提供了极佳的功耗;但当以浅色显示为主时，例如常见的在浅色或白色背景上显示深色文本，它们的电池消耗可能会显著高于LCD/背光组合。”这也解释了为什么Android、Chrome OS、iOS及相关应用程序多采用“暗”显示模式。
QLED
几年前，三星在CES上展示了基于QLED的原型，现在它已有多种型号投入生产。由于相似的命名，你可能很自然地认为“QLED”是“OLED”的变体，事实上这两种技术是完全不同的。首先，QLED不会自发光，它像LCD一样，需要补充背光(因此名称中包含“LED”)。但是，它用称之为“量子点”的结构代替了LCD的液晶矩阵(因此名称中有表示量子点的“Q”)。引用维基百科的解释：
量子点(QD)是尺寸只有几纳米的微小半导体粒子，具有与较大的LED粒子不同的光学和电子特性，是纳米技术的核心主题。很多类型的量子点在被电或光激发时会发光，其频率可以通过改变量子点的大小、形状和材料来精确调整，从而实现多种应用。
量子点的特性介于体半导体(bulk semiconductor)和离散原子或分子之间。它们的光电特性随尺寸和形状而变化。直径为5~6nm的较大QD发射较长波长的光，产生橙色或红色等颜色;较小的QD(2~3nm)发射较短波长的光，产生蓝色和绿色等颜色，具体的颜色和尺寸根据QD的不同组成而变化。
正如您所了解的，QLED由于采用了成熟的LED背光技术，因此从技术上来说是某种程度的改进，而不是革命性的创新。虽然量子点的屏幕材料是一个突破，但它从概念上退回(至少在我看来)到了CRT中使用的红-绿-蓝磷光点屏幕。糟糕，我不小心暴露了年龄......
microLED
“microLED”听起来不像“QLED”，更不像“OLED”，但从概念上讲它实际上更接近三星的这两种技术。三星曾推出一款146英寸的microLED大显示屏，这绝对可以称之为“The Wall(墙显示屏)”，今年又新推出了更合消费者胃口(虽然很勉强)的75英寸型号(当然，随后还会有更大的219英寸型号)。下面是我在三星新闻稿中发现的最有趣的叙述：
由于Micro LED具有模块化特性，该技术可提供屏幕尺寸的灵活性，使用户可以定制屏幕尺寸以适应任何房间或空间。通过添加Micro LED模块，用户可以将显示屏扩展到他们想要的任何尺寸。Micro LED的模块化功能未来还允许用户创建9×3、1×7或5×1等不规则尺寸的终极显示屏，以满足其空间、美学和功能需求。
无论屏幕的大小和形状如何，三星的Micro LED技术还可以优化内容。即使多添加几个模块，三星的Micro LED显示屏也可以进行缩放以提高分辨率，同时保持像素密度不变。此外，Micro LED可以支持从标准的16：9到21：9的宽屏幕电影，甚至支持非常规长宽比(如32：9，甚至1：1)的所有内容，而图像质量不打任何折扣。
最后，Micro LED显示屏不带挡板，即使添加更多的模块，模块之间也没有边框。这种无缝技术可以实现令人惊叹的无边泳池的效果，使Micro LED显示屏可以优雅地融入任何生活环境。
具有消费者定制灵活性的确很不错，但我对microLED模块化没什么兴趣，主要原因是从制造的角度来看，三星可以提供同样的灵活性。想想看……撇开子像素和其他的影响因素不谈，这些最新的“8K”分辨率电视包含3320万个像素(7680×4320)。相信我，我认为他们的工厂生产不出完全没有像素缺陷的显示屏，尤其是现在还处于其生命周期的早期。良率降低，成本(因而价格)必将比现在高出许多。
值得庆幸的是，由于像素密度高，普通消费者几乎察觉不到随机散布在显示屏上的缺陷(或很少)，当然，对于超近距离检视屏幕的电视迷则要另当别论了。然而，太多的缺陷，特别是紧密聚集在一起的缺陷，是不可接受的。同样要考虑的是，显示器还会受到半导体器件良率动态的影响。显示屏(芯片裸片)较大时，每片的显示器数就会减少(每个晶圆的裸片)，出现缺陷的概率也会呈指数增加。因此，如果三星确实可以用多个较小的模块组装microLED大显示器，那么这将为他们带来巨大的收益(成本更低，价格更低)。
那么，microLED到底是什么?这次我可以说它与OLED一样，具有一个自发光结构(无背光)。然而，它本质上是无机的(还没有想到吗?“OLED”中的“O”表示“有机”)。下面是来自维基百科的解释：
microLED显示器由形成各个像素元件的微缩LED阵列组成。与广泛使用的LCD技术相比，microLED显示器具有更好的对比度、响应时间和能效……与传统LCD系统相比，OLED和microLED都能大大降低能耗。与OLED不同，microLED基于传统的GaN LED技术，提供比OLED产品高达30倍的总亮度，以及更高效的效率(以lux/W衡量)。
开始写这篇文章时我没打算写成一本书，但如果继续写下去，就真成一本书了。所以就到这儿吧，但我仍然会密切关注有趣的显示技术的发展。一如既往地，欢迎与我分享您的任何想法!
(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站，参考链接：Display technologies: Refinements and new entrants。)
本文为《电子技术设计》2019年6月刊杂志文章。
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