Oled, Quantum Dots en microleds: de verdere evolutie van het beeldscherm

Oled-schermen

Oled-schermen kennen we al een tijdje: elke pixel geeft zelf licht zodat je perfect zwart hebt en een grote kijkhoek. De opbouw van het scherm is eenvoudiger zodat het dunner en energiezuiniger was. En toch… Voor tv’s heeft oled veel, maar niet al die beloftes waar gemaakt. Zo blijkt de technologie niet significant zuiniger te zijn dan lcd-schermen, en zijn de beelden minder helder dan die van lcd. 

Dat heeft grotendeels te maken met hoe het oled-materiaal gebruikt wordt. Een constructie met drie subpixels die elk hun eigen oled-materiaal gebruiken om zo rode, groene en blauwe subpixels te creëren, bleek economisch niet haalbaar. In plaats daarvan opteerde LG om een witte oled-laag te gebruiken (gebaseerd op een geel en blauw materiaal) en daarboven een kleurfilter te plaatsen om de verschillend gekleurde subpixels te creëren. Om efficiëntieredenen besliste LG een vierde witte subpixel te gebruiken.

Toch is er reden om te veronderstellen dat het nog beter kan. Oled-schermen worden momenteel gemaakt met ‘vacuum deposition’ techniek. Het poedervormig oled-materiaal wordt verwarmd en slaat onder vacuüm neer op het substraat. Structuren worden gevormd met behulp van maskers. Dit jaar start LG echter ook een testproductie met het gebruik van gespecialiseerde inkjetprinters die het oled-materiaal zeer nauwkeurig kunnen neerleggen. 

Omdat er bij printen nauwelijks materiaal verloren gaat is het proces goedkoper. Bovendien zou de constructie ook echte rgb-oled panelen mogelijk maken, waardoor het kleurfilter toch overbodig wordt. Een eenvoudigere productie, met betere schermen als resultaat, zou mogelijk tot democratisering van oled kunnen leiden. Let wel, dit is een testproject, productie zou op z’n vroegst voor 2018 zijn.

Quantum dots

Af en toe komt er een materiaal in de kijker dat bijna perfecte eigenschappen heeft voor een toepassing, zoals quantum dots. Deze microscopisch kleine kristallen zetten invallend licht om in licht van één bepaalde kleur. Welke kleur dat is, hangt af van de grootte van het kristal. Het frequentiespectrum van die kleur is een bijzonder nauwe piek, met andere woorden: de kleur is erg puur. En dat is ideaal om schermen te maken met een groter kleurbereik. 

De kleur van Quantum Dots is erg puur

Die willen we want Rec.709, de huidige kleurstandaard voor zowat al onze schermen en content, toont slechts 34 procent van alle mogelijke kleuren die het menselijk oog kan zien. De standaard die nu langzaam maar zeker in gebruik komt, Rec.2020, toont tot 63 procent van alle kleuren. Dat is ongeveer het maximum dat we met drie primaire kleuren kunnen bereiken. Maar dan moeten die primaire kleuren (rood, groen en blauw) wel erg puur zijn. Een kolfje naar de hand van quantum dots.

Quantum dots gebruiken in een scherm bleek erg eenvoudig. Het materiaal wordt verwerkt in een film die over de achtergrondverlichting van een traditionele tv geplaatst wordt. De achtergrondverlichting maakt gebruik van blauwe leds, en de film bevat quantum dots die het blauwe licht omzetten in rood, groen en blauw licht. Zo heb je een scherm met een groter kleurbereik, maar het blijft wel een traditioneel lcd-scherm. Op subpixelniveau is nog steeds een kleurfilter noodzakelijk.

De volgende stap is de kleurfilter vervangen door een filter gebaseerd op quantum dots. Het grote voordeel is dat elke subpixel dan zelf licht geeft. Je creëert met andere woorden een lichtgevend scherm dat al een deel van de voordelen van oled zou krijgen. Een bredere kijkhoek bijvoorbeeld en nog energiezuiniger, mits er geen filter meer aan te pas komt. Maar het blijft wel een lcd-scherm. De reactietijd blijft die van lcd, en ook de zwartwaarde zou nog steeds niet perfect zijn.

De allerlaatste stap is wanneer we quantum dots niet als foto-luminescent materiaal gebruiken, maar als elektro-luminescent. De quantum dots worden dan verwerkt in een led, we spreken dan van qd-leds. Als je voor elke subpixel een aparte qd-led gebruikt, zit je erg dicht bij een ideaal scherm. Het geeft zelf licht, heeft een snelle reactietijd, is energiezuinig, en kan perfect zwart en veel kleuren weergeven.

© PXimport

Samsung werkt naar verluidt zowel aan een technologie die quantum dots in het kleurfilter gebruikt, als aan een qd-led scherm. Het heeft in november 2016 QD Vision overgenomen, een bekende fabrikant van quantum dot scherm-technologie. De net aangekondigde qled-tv’s gebruiken vermoedelijk wel nog steeds een quantum dot-film, maar Samsung is op dit moment nog erg zuinig met het delen van technische informatie.

Microleds

Wil je vooruit blikken naar de toekomst, dan is het altijd een goed idee om te kijken wat de grote jongens doen. Oculus, de fabrikant van de Oculus Rift vr-bril en onderdeel van Facebook, kocht in 2016 InfiniLED op. En in 2014 kocht Apple LuxVue op. Beiden bedrijven werken aan microleds (InfiniLED spreekt van ileds). 

Zoals het woord al doet vermoeden zijn microleds heel kleine leds, ongeveer 20 µm groot. Ter vergelijking, een menselijk haar is tussen de 20 en 180 µm dik, afhankelijk van het type. Maar in tegenstelling tot oled, dat organisch materiaal gebruikt om licht te genereren zijn microleds net als gewone leds gebaseerd op anorganisch materiaal.

Leds zijn ondertussen wijdverspreid en goedkoop. Je vraagt je misschien af waarom we dan geen schermen maken die per subpixel een aparte led gebruiken. Zo zou je een scherm hebben waarin elke subpixel zelf licht geeft, net zoals nu in een oled-scherm en uiteraard met alle bijhorende voordelen voor de beeldkwaliteit. Helaas, leds die op de traditionele manier gemaakt worden moeten stuk voor stuk verzaagd worden, en door een robot geplaatst en elektrisch verbonden worden. Dat is niet economisch rendabel. Bovendien vervuilt het licht van een subpixel een naastliggende subpixel.

Een microled-scherm kan 20 tot 40 keer minder energie verbruiken

Microleds worden op een heel andere manier gefabriceerd. Ze worden in een grote hoeveelheid tegelijk gefabriceerd, zijn veel kleiner, en kunnen met conventionele processen met elkaar verbonden worden. Omdat ze veel kleiner zijn dan een gewone led (die ongeveer een halve mm groot is), is er minder materiaal nodig, wat ze uiteindelijk ook goedkoper maakt. 

Microleds zijn bovendien erg efficiënt, ze generen veel licht voor minder energie. Omdat de lichtstraal van een microled erg nauw is (vergelijkbaar met een laser) wordt bijna alle licht gebruikt in het display, zodat het scherm een zeer hoge optische efficiëntie heeft. InfiniLED claimt dat een microled-scherm 20 tot 40 keer minder energie zou verbruiken.

Niet altijd succes

Overigens hoeft niet alle beloftevolle technologie ook daadwerkelijk op de markt te komen. In 2006 toonde Canon op CES een scherm dat de voordelen van een crt-scherm (hoog contrast, snelle reactietijd, en brede kijkhoek) combineerde met die van lcd-scherm (makkelijkere constructie, vlakke vorm). De technologie die er achter zat heette sed (surface conduction electron-emitter display). 

Een sed-scherm is in essentie een matrix van kleine kathodestraalbuizen, waarbij elk buisje een individuele subpixel vormt. Aan de technologie werd al gewerkt sinds de jaren 2000. Helaas, een patent-rechtzaak zadelde Canon op met een aantal jaren vertraging. Vervolgens heeft de crisis van 2008 en de opkomst van lcd en oled sed de das omgedaan.

In 2010 werd alle sed-activiteit stopgezet. Sony werkte in dezelfde periode aan een zeer gelijkaardige technologie (fed, field emission display), maar ook deze ontwikkeling is stopgezet in 2009.