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人们一度认为，电视机的未来应该是简单明了的。 在不远的将来，液晶显示器（LCD）应该会被淘汰，并让位于明亮、鲜艳且超薄的有机发光二极管（OLED）显示屏。但其实，电视机的未来并不会那么简单，不过肯定更加光明。
原因是什么呢？量子点。如果你最近购买了电视机，你可能会被知名电视机生产商甩出的一系列新缩写词弄得眼花缭乱，困惑不已。也许你想知道他们所说的QD、QUHD、SUHD和ULED是什么含义。在这里我们将为你解答。上述每个缩写都是指目前一种可用的量子点技术。我们将为你解释这些技术方法，以及未来的电视机显示器中使用量子点的不同方式。即使你已经心仪OLED电视，我们相信你仍会发现即将到来的高性能量子点显示器世界的吸引力。首先，这项新兴技术将最终使可打印、可卷曲以及如壁纸一般立等可用的电视机成为可能，这在过去20年中是我们一直所希望的。
但是要了解电视如何完成量子飞跃，首先要考虑一下最初人们为什么用量子点来制造电视。
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量子点的直径只有几纳米， 是一种很小的半导体，通常是硒化锌、硒化镉或磷化铟。其用途很多，但这里我们主要关注的是它将短波长光线（通常为波长450到495纳米的蓝色光）转换成可见光谱中几乎任何颜色的能力。
量子点吸收光子后，会产生一个电子空穴对，电子空穴对重新组合后可发射出一个新的光子。重要的是，这个被发射光子的颜色取决于量子点的大小：较大的量子点发射的波长较长，接近红色（波长620～750纳米）；较小的量子点发射的波长较短，更接近光谱的紫端（波长380～450纳米）。这种“可调性”是量子点与众不同的特性。在其他的发光材料中，发射光子的波长是材料的固有特性，不受其尺寸的影响。制造商通过调节产品中化学反应的温度和时间，可获得特定尺寸的量子点，从而发出特定波长的光。
这就是量子点的工作原理。但这与电视屏幕上的图像有什么关系？你在屏幕上看到的每个像素都会发出红色、绿色或蓝色的光，或者是这3种颜色的某种组合，共计有超过10亿种独特的色度。这些色度与街道上或演播室内摄像机所记录的颜色的匹配准确程度取决于电视机如何精准地再现指定的波长，即每种颜色的光谱能缩小到多小的范围。
今天你家中使用的液晶电视通常采用蓝白色光源（背光）产生颜色。如今，背光通常是基于一系列的白光发光二极管（LED）矩阵。（较早的液晶电视采用荧光灯而不是LED。）每个像素都包含红色、绿色和蓝色的子像素。每个子像素都是一个小光点，带有彩色滤光片以及用于控制通过该滤光片的光流量的液晶快门。通过改变每个子像素发出光的相对比例，该像素可以产生自然界所呈现的大部分颜色。其关键点在于，每个子像素的光越纯净，光谱就越窄，在该像素处混合的颜色就越精确。
液晶电视制造商有两种方法确保来自每个子像素的光谱范围很窄。一种方法是在每个子像素处使用非常严格的滤光片，这些滤光片仅允许红、绿、蓝基色各自光谱范围内极窄的一段光通过。另一种方法是修补背光。回想一下，白光就是红色、绿色和蓝色光的混合物。因此，提高图像质量的另一个选择是制造一个背光，其白光由这3种颜色组合而成，每种颜色的光谱分布都十分鲜明且峰宽狭窄。
到目前为止，最好的选择是第二种方法。缩窄滤光片会使图像变暗，对于电视显示器来说绝不是件好事。因此，显示器工程师一直致力于改善背光。
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现今， 廉价电视中的背光方式与我们家中日益普及的白色LED灯泡的工作方式大致相同。这些白色LED灯能够有效地产生强度足够的可见光，让我们很容易将其视为白色。
在典型的白色LED背光源中，氮化镓LED会产生蓝光。然后蓝光激发钇铝石榴石磷光体，该磷光体产生黄光。黄色和蓝色结合在一起产生白色的光线，但该光线在黄色和蓝色波长中很强烈，在绿色和红色波长中则很微弱。
当背光源顶部的LCD子像素将此光线过滤为红色、绿色和蓝色成分时，在所需的红色和绿色波长处没有足够的能量，使得该背光源无法生成明亮的图像。为了补偿这种能量不足，滤光片扩大通过颜色的范围。所以绿色子像素包含蓝绿色到黄绿色的混合色，而红色子像素则包括自桔色起一直到整个红外线的颜色。由于这些颜色存在缺陷，子像素不可能将这些三原色的光混合成我们在太阳照射时所看到的精确颜色。
这就是量子点改善图像的切入点。在LED和滤光片之间插入量子点，可以在精确的红色、绿色和蓝色波长处最大限度地增加光通量，并最大限度地降低产生这些波长之外光所需的能量（详见插图《电视显示器的结构》中的“光增强量子点电视”）。一种典型的方法是用发出波长为450纳米蓝光的LED，与显示面板背面薄膜上的量子点进行配对。薄膜上有两种量子点，发出波长为527纳米绿光的量子点（直径1.5～2.5纳米）和发出波长为638纳米红光的量子点（直径3.0～5.0纳米）。
因此，在这种设置中，制造商不是使用蓝色LED来激发产生黄光的磷光体，而是用其激发量子点发出光谱尖而窄的红光和绿光，并直接产生必要的蓝光。与蓝色-黄色方法相比，这种方案更精确地符合电视色彩再现的要求，并且还有一个额外好处，就是光通过红色和绿色滤光片时损失较少。
这种方法创建了一种“光增强”量子点显示器，使量子点在电视显示器中发挥了支撑作用，但这只是一个过渡的步骤。目前的问题是，即使借助了量子点薄膜，液晶电视显示屏也仍然存在一些固有的缺陷：
- 视角可能较窄。现在已有较新型的液晶技术能在很大程度上解决这个问题，但是价格比较昂贵。
- 浪费能源。在每个子像素处，要将红色与蓝色以及蓝色与绿色分开，液晶电视必须将所发出光线的大约2/3阻挡在外。
- 在低光度环境中很难表现出深沉、暗淡和真实的黑色。由于液晶不是完美的遮光器，会有少量的白光泄漏出来，被观众感觉到，导致黑*图色**像看起来更接近深灰色（从技术角度说，这些图像只有“有限的动态范围”）。
- 开关速度相对较慢。这些速度源于液晶的本质。这些晶体实际上在一个电场的作用下发生了扭曲，该电场使通过的光线发生偏振。偏振用于阻挡光线或让其穿过每个子像素。但是这种扭曲需要时间，而这种滞后可能会导致运动、动作片或游戏等高速动态内容出现问题。LCD的刷新率最多可达到大约240赫兹。一些最先进的电视系统已经在试用这样高的刷新率，而传统的电视刷新频率仅为60赫兹。
- 不可折叠或卷曲，至少目前的技术还无法实现这一点。这限制了目前显示器的形状。
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这些限制使许多观察者得出这样的结论： 在可预见的未来，LCD将被一种发射显示技术（即OLED）取代。这种发射技术是子像素自身发出红色、绿色和蓝色的光，而不是在白色背光前面采用彩色滤光片。发射显示技术具有天然的优势，如黑色水平深、视角宽，并且某些发射技术还能使开关时间变得更快。图像质量可能相当壮观，但OLED在成本、功耗和使用寿命等方面还存在棘手的挑战。
OLED技术是在两个导体之间插入有机物质的薄膜；施加电流使薄膜发光（详见插图中的“OLED电视”）。三星、谷歌、苹果目前生产的各种小型设备和智能手机采用一种称为红、绿、蓝（RGB）OLED的发射显示器。不幸的是，事实证明，RGBOLED无法可靠地制造出电视所需的大尺寸。所以电视制造商转向了一种变体，白色OLED（WOLED）。目前，乐金显示（LG Display）正在生产电视屏幕尺寸的WOLED显示器，自用并提供给其他电视机供应商。索尼、松下和三星已经关停了自己制造OLED电视显示器的业务。
WOLED显示器组合使用蓝色和橙黄色OLED发射器来产生白光。然后，该光线通过一层红色、绿色和蓝色滤光片，形成彩色子像素；第四种像素——开放子像素可以在必要时让未过滤的白光通过来照亮整个图像。这些显示器具有几个强大的优势：可以产生深黑色，具有极快的开关速度（是LCD的10倍），薄且具有柔性。OLED面板的未来应用几乎可以采用任何形式：可拉伸、弯曲、折叠、卷起、像壁纸一样粘贴，还可以是透明的。
但是，除却这些优势，也必须权衡一下其严重弱点。WOLED不是一种非常节能的技术。迄今为止，运行蓝色OLED的电流只有约10%被转换为显示器发出的光子。橙黄色发射器的这一数字是略高于20%，接近理论最大效率。而且，更重要的是，增加彩色滤光片也进一步降低了效率。滤光片的总光损高达75%。消费者可能不会注意到电视机的高功耗，但光线损失也会导致影像不那样生动。
WOLED显示器在色彩再现方面也略有不足：其产生的广谱光线降低了红色、绿色和蓝色子像素的纯度，白色子像素在增强图像明亮的同时也容易造成色彩不鲜艳。
目前，基于WOLED的电视机，特别是采用蓝色发射器的电视机，面临着使用寿命短的问题。在一个典型的美国家庭中，电视机仅使用9个月后，就可能出现一种称为“老化”的图像伪影问题。
最后，OLED显示器的生产成本仍然很高。典型的OLED器件由25个超薄层组成，需要多个制造步骤，这些步骤必须在高真空下进行。这就是为什么一台典型的65英寸4K分辨率OLED电视今天的售价约为3000美元，而相似质量的液晶电视仅约为1000美元。
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这将带我们回到量子点， 因为事实证明，除了用于净化背光以外，我们还可以用其做一些其他的事情，如作为一项发射显示技术。
发射型量子点显示器的第一种形式是光发射型（详见插图中的“光子发射量子点电视”）。在这种方案中，量子点不再隐藏在彩色滤光片阵列后面，而是直接作为子像素。在这种方法中，蓝色LED再次构成背光。蓝色子像素是阵列中的透明点；光通过它们时几乎不发生任何变化。绿色和红色子像素分别由量子点构成，吸收来自蓝光的能量，然后分别发出精确的绿光和红光波长，不再需要任何过滤。
目前效能最好的量子点发光效率超过99%。如果将其与移除滤光片带来的效率提升相结合，在效率翻倍的前提下，这些量子点产生的图像要比目前的LCD亮度高1倍。由于量子点位于屏幕的前部并向各个方向发射光线，因此该显示屏的视角也很宽。
光增强量子点电视机尚未投入市场。预计将在今年晚些时候开始批量生产，2019年将广泛普及。
关于这项技术为什么需要耗费几年的时间才能做好商业化的准备，原因有以下几个。主要问题是稳定性。首先，量子点在空气中不是很稳定，所以在早期的光增强量子点显示器中，量子点被密封在玻璃管内。在今天的光增强显示器中，在量子点上使用了塑料保护涂层，但片材在边缘处是未密封的。
早期的量子点显示器还需要解决另一个问题，即其中含有危害环境的镉元素。而由非镉材料制成的量子点的颜色质量又很难达到前者的制作水准。今天我们使用的非镉材料和低镉材料仍无法实现完全相同的颜色纯度，但对于大多数的显示应用来说已经足够好了。
对于光子发射显示器来说，挑战在不断升级。寻找一种能够可靠地将量子点变为高分辨率子像素的方法，需要花费很长时间。我们的公司纳米系统（Nanosys）首先选择了光刻技术，因为这是目前制造LCD彩色滤光片的方法，这种方法将最大限度地降低对显示器制造商的不利影响。但是，这意味着量子点必须在空气中而非真空中进行处理，而且必须足够坚固，能够在制造LCD的各种热和化学过程中保持稳定。
最后，它们必须长时间运行，以满足电视购买者约10年正常使用寿命的期望值。在撰写本文时，我们就遇到了这些挑战。
这种架构也为显示器制造商带来了一些挑战。其中一个关键问题就是防止室内的光线激发量子点。面板制造商已经提出了专门解决这两个问题的方案。
光子发射量子点技术使柔性电视成为可能。迄今为止，电视制造商一直致力于将传统的LCD制造技术应用于量子点。但研究人员对有可能实现在塑料或其他柔性材料上印刷量子点而感到兴奋。量子点非常小，可先制成溶液，类似于印刷油墨。因此日本油墨公司DIC株式会社等机构的研究人员都在试验各种印刷技术，包括喷墨技术和转印技术。我们预计，到2019年底或2020年，市场上将会出现一些印刷显示器。尽管这些材料基本上已经准备就绪，但显示器制造商目前还没准备好推出新的生产工艺。
光子发射量子点电视之后会出现什么？有可能是一种完全不同的方法——将量子点与微型LED技术结合在一起（详见插图中的“采用量子点的微型LED电视”）。微型LED显示器与足球场的超大型屏幕显示器非常相似，其每个子像素都是红色、绿色或蓝色的LED。现在，试想一下将整个显示器缩小到电视的大小。虽然其与OLED显示器的工作方式类似，但由于微型LED使用无机材料，所以相对更可靠。同时，它们还可以产生更明亮的图像，反应时间也更快。
苹果和Oculus VR公司都收购了微型LED公司，并一直致力于将该技术推向大众市场，但成本始终是一个问题。事实证明，要以几乎完美的精度将数百万个超级LED像素组合一起，是很难获得合理的生产效益的。
光子发射量子点可以帮助解决这个问题。制作单色微型LED显示屏比三色显示屏要简单得多。显示器制造商可以从一个纯蓝色的微型LED阵列开始，然后在顶部形成红色和绿色量子点。这款微型LED很可能会在几年内上市。
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光子发射量子点电视只是量子点电视发展进程中的一小步。 接下来将会出现电子发射量子点电视。
在这个系统中，量子点受到电子激发发射光子，不再是由其他光子来激发。与光子发射量子点一样的是，它们不需要彩色滤光片；而与光子发射量子点不同的是，它们也不需要背光。由于每个子像素都是可寻址的，可通过电子激发而“开启”，因此显示器不用浪费能量去产生背光源的光子，这些光子大多是没用的。
电子发射量子点显示器可能会在未来的10年完全颠覆显示器行业，为我们带来柔性的超薄OLED显示器，而又不乏量子点的成本、色彩、亮度和可靠性优势（详见插图中的“电子发射量子点电视”）。这种新型的显示器具有非常高的能效，颜色纯正、视角宽广。它们还具有完美的黑色水平：当不需要某种颜色时，该像素点将完全关闭，并且不会漏光。我们将能够使用低成本印刷技术进行生产，所以它们没有理由变得更昂贵。而且由于它们是用无机材料而不是全有机材料制成的，因此使用寿命将会更长并且性能不会下降。
不要期望在未来几年内能够在商店中看到电子发射量子点显示器，因为它们尚处于开发的早期阶段。但是它们正在快速地发展：中国显示器制造商京东方科技集团有限公司在2017年首次公开展示了这项技术。第一个使用该技术的商业显示器将在未来5年内出厂面市。
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所有这些技术演进都是由近期显示标准的变化所引起的。 在过去，电视标准限制了你在屏幕上看到的图像与现实生活中图像的匹配程度。即使是在20世纪80年*开代**发的高清晰度电视（HDTV）标准，也没有试图还原自然界中的所有颜色。相反，标准的制定者考虑的是阴极射线管中使用的最佳磷光体材料能够产生哪种颜色。
现今的视频标准组织通过一个更重要的疑问来处理上面出现的问题：人类视觉系统最佳的色彩体验是什么？
这一处理方法就引出了国际电信联盟（ITU）标准BT2020，该项标准于2012年提出，并在2015年获得批准。BT2020的调色板覆盖了自然界中99.8%的色彩，其中将近60%的色谱为人眼可见。这项标准已被蓝光光盘制造商接受，日本放送协会（NHK）也宣布打算按照该项标准来*放播**2020年夏季奥运会。
按照HDTV标准制造的电视机只能再现58%的BT2020色彩范围。超高清液晶电视（没有量子点）效果更好，覆盖了大约70%的色彩，而今天的OLED电视则可覆盖74%左右的色彩。市场上的增强型量子点显示器可以处理标准调色板85%至90%的色彩。尚处于开发阶段的光子增强量子点显示器能达到93.3%，与此同时，电子发射量子点技术则约为90%。通俗来讲，这些电视画面至少可以比现在最好的OLED电视呈现的画面更迷人、更生动，并且成本也更低。
由于前方标准的拉动以及量子点研究人员和电视显示器制造商的推动，我们即将迎来电视显示器的革命。在经过多年来对低成本、可折叠、可卷曲甚至未来家中壁纸电视的幻想之后，我们终将在10年内拥有安装在墙上的系统。到那时我们将可以在屏幕上看到人眼可见的所有颜色，也就不再考虑如何通过屏幕看世界，而是更多地思考自己到底想看什么。