Wat zijn die quantum dots?
Quantum dots zijn halfgeleider kristallen met een afmeting van 2 nm tot 6 nm. Hoe klein is dat? Een menselijk haar is ongeveer 20 tot 100 µm groot, dat is 20.000 tot 100.000 nm! Die piepkleine kristallen hebben een unieke eigenschap: ze zetten invallend licht om naar licht van een andere kleur. De gegenereerde kleur hangt af van de grootte van de quantum dot. De allerkleinsten leveren blauw licht, en de grootste leveren rood licht.
Bovendien zijn die kleuren erg puur. Met andere woorden; als we ze op een spectrumdiagram uittekenen (zoals hierboven), hebben ze de vorm van een nauwe piek, het licht bevat slechts een beperkte selectie frequenties. Omdat men de afmeting van die quantum dots zeer precies kan bepalen, kan men dus ook zeer precies kiezen welke (zeer pure) kleuren er gecreëerd worden. En dat is net een erg gewilde eigenschap voor onze televisies.
Waarom willen we pure kleuren?
Die pure kleuren zijn een vereiste als we televisies willen met een groter kleurbereik. Als je nog even wil nalezen wat een kleurbereik nu weer juist betekent, herlees dan even het artikel over kleurbereik en Wide Color. Elke pixel op je televisie is onderverdeeld in drie subpixels, een rode, groene en blauwe. Die basiskleuren vind je terug op het chromaticiteitsdiagram als de punten van de driehoek die het kleurbereik bepalen. De televisie kan alle kleuren creëren die binnen de driehoek liggen.
Als we de vereiste basiskleuren van Rec2020 bekijken, de kleurstandaard waar we naar toe willen, merk je dat de drie basiskleuren veel dichter bij (of zelfs op) de rand van het hoefijzervormige gebied liggen. En die rand, dat zijn net monospectrale kleuren, oftewel kleuren die exact één frequentie bevatten. Het spectrum van een typisch witte led in een lcd-achtergrondverlichting bevat echter geen drie mooie pieken, maar eerder een blauwe piek en een grote groen-geel-rode piek. De kleurfilters vooraan in het scherm zetten dat om naar blauw, rood en groen, maar die laatste twee zijn minder scherp gedefinieerde pieken (en dus minder puur). Het onderstaande figuur maakt dat duidelijk. Het weg gefilterde deel van het spectrum is gemarkeerd in lichtgrijs. De brede groene en rode piek duiden op minder pure kleuren.
Om echt monospectraal licht te maken hebben we een laser nodig. Maar met quantum dots kunnen we in elk geval al veel puurder licht maken (veel duidelijkere pieken op de volgende figuur), en zetten we een flinke stap in de richting van het Rec2020 kleurbereik.
Voor- en nadelen van quantum dots
De belangrijkste troef van quantum dots is uiteraard het kleurbereik dat ze leveren. Maar in dat opzicht zijn ze niet uniek. Ook OLED levert een groter kleurbereik. En zelfs met een traditionele achtergrondverlichting van witte leds kan men een groter kleurbereik halen. De gewone witte leds (eigenlijk blauwe leds met een gele fosforlaag) worden dan vervangen door blauwe leds met een rode en groene fosforlaag (dat noemen we ‘wide color leds’). Voorlopig lijken quantum dots wel de beste kansen te hebben om het volledige Rec2020 kleurbereik te halen. Maar welke technologie uiteindelijk de rijkste kleuren zal opleveren, hangt af van verdere ontwikkelingen.
Een tweede voordeel: quantum dots zijn relatief eenvoudig in te bouwen in de huidige lcd-schermen. Dat kan op verschillende manieren, daarover verder meer. De verwachting is dat de prijs om quantum dots in te bouwen in de komende jaren gevoelig zal dalen, waardoor ze niet enkel in premium schermen gebruikt zullen worden. Quantum dots hebben een uitstekende levensduur. Ze laten tot slot een hoge lichtopbrengst toe, geen onbelangrijk punt in deze tijden van HDR-tv’s, en op dat gebied hebben ze een voorsprong op oled.
Uiteraard, geen enkele technologie heeft enkel voordelen. In de eerste plaats blijft een tv met quantum dots een lcd-tv, met alle gekende zwakke punten. Dat betekent een beperkte kijkhoek en geen perfecte zwartweergave. Dat zijn dan weer punten waar led beter op scoort.
Hoe worden quantum dots in een tv gezet?
In de huidige televisies zijn er twee manieren om quantum dots in te zetten: in een tube of in een film. In beide gevallen gebruikt de lcd-tv een gewijzigde achtergrondverlichting, maar blijft hij verder qua opbouw identiek aan andere lcd-tv’s.
De implementatie met een tube hebben we al in 2013 gezien, in de toenmalige Sony W9 en X9 Triluminos-schermen. De techniek is enkel inzetbaar bij edge led achtergrondverlichting. In plaats van witte leds gebruiken die nu blauwe leds. Een tube met rode en groen quantum dots (vandaar de gele kleur) wordt boven de leds gemonteerd. Die combinatie zorgt dan voor het gewenste witte licht.
De implementatie met een film is zowel op een edge led als direct led achtergrondverlichting inzetbaar. Deze wordt bijvoorbeeld door Samsung gebruikt. Ook hier worden blauwe leds in plaats van witte leds gebruikt. De folie met quantum dots (QDEF: quantum dot enhancement foil) wordt over het volledige oppervlak van de achtergrondverlichting aangebracht en bestaat opnieuw uit rode en groene quantum dots. Samen met de blauwe leds genereert hij het gewenste witte licht.
Om de functie van het volledige model nog even toe te lichten, en vooral om het verschil met toekomstige implementaties duidelijk te maken, geven we hieronder nog een schematische voorstelling mee van een pixel. Die illustreert de werking van de lcd-tv. De achtergrondverlichting creëert blauw licht en activeert de rode en groene quantum dots. Het resulterend witte licht passeert een polarisatiefilter. Het lcd-paneel (aangestuurd door de transistoren) bepaalt of het licht al dan niet het laatste polarisatiefilter passeert. Het kleurfilter zet het witte licht per subpixel om naar rood, groen of blauw. In essentie wordt het licht gecreëerd in de achtergrondverlichting en moet het alle bovenliggende lagen door.
Toekomstig gebruik van quantum dots
Er is al een tijd sprake van andere methodes om quantum dots in te zetten en die zouden enorme voordelen kunnen opleveren. De eerste optie is het gebruik van quantum dots als kleurfilter (afgekort als QDCF: quantum dot color filter). In dat geval wordt de quantum dot laag in de achtergrondverlichting weggelaten en wordt het kleurfilter vooraan vervangen door quantum dots die in het patroon van het kleurfilter aangebracht worden.
Dat heeft enorme voordelen. Om te beginnen is dit geen traditionele lcd-tv meer. Het licht dat de kijker ziet wordt immers vooraan in het scherm gegenereerd door de quantum dots, en niet door de achtergrondverlichting. Die genereert wel licht, en het lcd-paneel bepaalt nog steeds welke pixels licht geven, maar zodra het blauwe licht van de achtergrondverlichting de voorzijde van het paneel bereikt activeert het de quantum dot-laag, en die genereert uiteindelijk rood en groen (in de blauwe subpixels wordt het licht van de achtegrondverlichting gewoon doorgelaten).
Elke (sub)pixel geeft dus zelf licht waardoor de kijkhoek enorm verbetert. Het scherm is in dat opzicht te vergelijken met een oled-scherm. Het is bovendien veel energie-efficiënter en zou nog puurdere kleuren kunnen leveren. Wat het effect op de zwartwaarde is, is minder makkelijk te voorzien. Het blijft immers een lcd-paneel, en dat kan geen perfect zwart leveren.
QDCF-tv’s moeten wel nog een horde overwinnen: de tweede polarisator is essentieel voor de werking van het lcd-paneel. Maar quantum dots leveren niet-gepolariseerd licht, dus moet de laaste polarisator een stap naar beneden in de opbouw. In praktijk betekent dat dat hij in de lcd-cell verwerkt moet worden. Toch zijn er indicaties dat dergelijke schermen al in 2018 op de markt zouden komen. Jason Hartlove, CEO van Nanosys, toonde op CES 2017 al een prototype van dergelijk display.
Maar mogelijk gaan quantum dots nog een stap verder. Wat als we de quantum dots niet meer met licht zouden activeren, maar rechtstreeks met elektriciteit? In dat geval is het resultaat een bijna ideaal display, dat nog meer gelijkenissen gaat vertonen met oled. In beide gevallen handelt het dan immers om een emissief display (elke pixel geeft zelf licht) en in beide gevallen wordt dat rechtstreeks bepaald door het lichtgevend materiaal, zonder tussenkomst van een lcd-paneel. Dit soort schermen noemen we QD-led schermen. Dergelijke schermen zouden wel nog ongeveer vijf jaar in de toekomst liggen.
Voor wat extra achtergrond, bekijk dit interview met Jaso Hartlove, CEO van Nanosys, op CES2017.
Conclusie
Quantum dots leveren intensere, pure kleuren die we absoluut nodig hebben om een groter kleurbereik te halen. Huidige implementaties in televisie gebruiken een tube of folie in de achtergrondverlichting. Toch blijven het in essentie lcd-tv’s. Maar de toekomst wenkt, en met kleurfilters gebaseerd op quantum dots of zelfs elektrisch aangestuurde quantum dots zou er een hele nieuwe categorie van tv’s ontstaan.
Meer informatie
Voor meer informatie over de technieken op het gebied van tv en aankoopadviezen kun je terecht in onze homecinema informatiegids. Ook kun je direct meer lezen via onderstaande links.
Wat betekent 4:2:0? Chroma subsampling uitgelegd
Alles over het kleurbereik van tv’s: wat is Wide Color?
Achtergrond kleurdiepte tv’s: wat is 8-bit, 10-bit en 12-bit?
Nieuwe tv kopen: hier moet je op letten
Een oled of lcd tv kopen: dit zijn de verschillen
Reacties (1)