Afișare cu puncte cuantice - Quantum dot display
Un afișaj cu puncte cuantice este un dispozitiv de afișare care utilizează puncte cuantice (QD), nanocristale semiconductoare care pot produce lumină roșie, verde și albastră monocromatică pură.
Particulele cu puncte cuantice foto-emisive sunt utilizate într-un strat QD care utilizează lumina albastră de la o lumină de fundal pentru a emite culori de bază pure care îmbunătățesc luminozitatea afișajului și gama de culori prin reducerea pierderilor de lumină și a diafragmei de culoare în filtrele de culoare LCD RGB, înlocuind fotorezistențele colorate tradiționale în Filtre de culoare LCD RGB. Această tehnologie este utilizată în LCD-urile cu iluminare LED , deși este aplicabilă altor tehnologii de afișare care utilizează filtre de culoare, cum ar fi albastru / UV OLED sau MicroLED . LCD-urile retroiluminate cu LED sunt principala aplicație a punctelor cuantice, unde sunt utilizate pentru a oferi o alternativă la afișajele OLED.
Afișajele cuantice cu puncte electro-emisive sau electroluminiscente sunt un tip experimental de afișaj bazat pe diode emițătoare de lumină cuantice (QD-LED; de asemenea EL-QLED, ELQD, QDEL). Aceste afișaje sunt similare cu diodele emițătoare de lumină organice cu matrice activă (AMOLED) și afișajele MicroLED , deoarece lumina ar fi produsă direct în fiecare pixel prin aplicarea curentului electric la nanoparticulele anorganice. Afișajele QD-LED ar putea suporta afișaje mari și flexibile și nu s-ar degrada la fel de ușor ca OLED-urile, făcându-le buni candidați pentru ecrane TV cu ecran plat , camere digitale , telefoane mobile și console de jocuri portabile .
Începând cu 2019, toate produsele comerciale, cum ar fi televizoarele LCD care utilizează puncte cuantice și marca QLED , utilizează particule foto-emisive . Televizoarele electro-emisive QD-LED există doar în laboratoare, deși Samsung lucrează pentru a lansa afișaje electrice QDLED „în viitorul apropiat”, în timp ce alții se îndoiesc că astfel de afișaje QDLED vor deveni vreodată mainstream.
Afișajele cu puncte cuantice emise pot obține același contrast ca afișajele OLED și MicroLED cu niveluri de negru „perfecte” în starea oprită. Ecranele Quantum Dot sunt capabile să afișeze game de culori mai largi decât OLED-urile, cu unele dispozitive care se apropie de acoperirea completă a gamei de culori BT.2020 .
Principiul de funcționare
Ideea utilizării punctelor cuantice ca sursă de lumină a apărut în anii '90. Aplicațiile timpurii includeau imagistica utilizând fotodetectoare cu infraroșu QD, diode cu emisie de lumină și dispozitive cu emisie de lumină cu o singură culoare. Începând cu începutul anilor 2000, oamenii de știință au început să realizeze potențialul de a dezvolta puncte cuantice pentru surse de lumină și afișaje.
QD-urile sunt fie foto-emisive ( fotoluminescente ), fie electro-emisive ( electroluminescente ), permițându-le să fie încorporate cu ușurință în noile arhitecturi de afișare emisive. Punctele cuantice produc în mod natural lumină monocromatică, deci sunt mai eficiente decât sursele de lumină albă atunci când filtrează culoarea și permit culori mai saturate care ating aproape 100% din Rec. Gama de culori 2020 .
Stratul de îmbunătățire a punctelor cuantice
O aplicație practică pe scară largă utilizează stratul de film cu îmbunătățire a punctelor cuantice (QDEF) pentru a îmbunătăți iluminarea de fundal cu LED - uri în televizoarele LCD . Lumina dintr-o lumină de fundal LED albastră este transformată de QD-uri în roșu și verde relativ pur, astfel încât această combinație de lumină albastră, verde și roșie are mai puține diafragme albastre-verzi și absorbție a luminii în filtrele de culoare după ecranul LCD, crescând astfel lumina utilă randament și oferind o gamă de culori mai bună .
Primul producător care livra televizoare de acest fel a fost Sony în 2013 ca Triluminos , marca comercială a Sony pentru tehnologie. La Consumer Electronics Show 2015, Samsung Electronics , LG Electronics , TCL Corporation și Sony au prezentat iluminarea cu LED-uri îmbunătățită QD a televizoarelor LCD. La CES 2017, Samsung și-a redenumit televizoarele „SUHD” ca „QLED”; mai târziu, în aprilie 2017, Samsung a format Alianța QLED cu Hisense și TCL pentru a produce și comercializa televizoare cu îmbunătățire QD.
Punctul cuantic pe sticlă (QDOG) înlocuiește filmul QD cu un strat subțire QD acoperit deasupra plăcii de ghidare a luminii (LGP), reducând costurile și îmbunătățind eficiența.
Lumini de fundal tradiționale cu LED alb care utilizează LED-uri albastre cu structuri QD on-chip sau on-rail roșu-verde sunt cercetate, deși temperaturile ridicate de funcționare le afectează negativ durata de viață.
Filtre de culoare cu puncte cuantice
Filtrul / convertorul de culoare QD (QDCF / QDCC) LCD-urile retroiluminate cu LED-uri ar folosi film QD sau strat QD imprimat cu cerneală cu sub-pixel roșu / verde modelat (adică aliniat pentru a se potrivi cu precizie cu subpixeli roșii și verzi) puncte cuantice pentru a produce roșu pur /lumina verde; subpixelele albastre pot fi transparente pentru a trece prin lumina de fundal cu LED albastru pur sau pot fi realizate cu puncte cuantice cu model albastru, în cazul iluminării cu fundal UV-LED. Această configurație înlocuiește în mod eficient filtrele de culoare pasive, care suferă pierderi substanțiale prin filtrarea a 2/3 din lumina de trecere, cu structuri QD foto-emisive, îmbunătățirea eficienței energetice și / sau luminozității maxime și îmbunătățirea purității culorii. Deoarece punctele cuantice depolarizează lumina, polarizatorul de ieșire (analizorul) trebuie mutat în spatele filtrului de culoare și încorporat în celula sticlei LCD; acest lucru ar îmbunătăți și unghiurile de vizualizare. Aranjamentul în celulă al analizorului și / sau polarizatorului ar reduce, de asemenea, efectele de depolarizare în stratul LC, crescând raportul de contrast. Pentru a reduce autoexcitarea filmului QD și pentru a îmbunătăți eficiența, lumina ambientală poate fi blocată folosind filtre tradiționale de culoare, iar polarizatoarele reflectorizante pot direcționa lumina din filtrele QD către vizualizator. Întrucât numai lumina albastră sau UV trece prin stratul de cristal lichid, poate fi mai subțire, rezultând timpi de răspuns mai rapid ai pixelilor .
Nanosys a făcut prezentări ale tehnologiei de filtrare a culorilor foto-emisive în cursul anului 2017; Produsele comerciale erau așteptate până în 2019, deși polarizatorul în celulă a rămas o provocare majoră. Începând din decembrie 2019, problemele legate de polarizatorul în celulă rămân nerezolvate și nu au apărut pe piață LCD-uri cu filtre de culoare QD.
Filtrele / convertoarele de culoare QD pot fi utilizate cu panouri OLED sau micro-LED, îmbunătățind eficiența și gama de culori. Panourile QD-OLED cu emițătoare albastre și filtre de culoare roșu-verde sunt cercetate de Samsung și TCL; începând din mai 2019, Samsung intenționează să înceapă producția în 2021. În octombrie 2019, Samsung Display a anunțat o investiție de 10,8 miliarde de dolari atât în cercetare, cât și în producție, cu scopul de a transforma toate fabricile lor de panouri 8G în producția QD-OLED în perioada 2019–2025. .
Diodele cuantice cu puncte autoemisive
Display - uri cuantice dot-auto - emisiv va folosi nanoparticule QD electroluminiscente funcționează ca LED - uri bazate pe Quantum-dot (QD-LED - uri sau QLEDs) dispuse fie în matrice activă sau matrice pasivă matrice. În loc să necesite o lumină de fundal separată cu LED pentru iluminare și LCD TFT pentru a controla luminozitatea primarelor de culoare, aceste afișaje QLED ar controla în mod nativ lumina emisă de subpixeli individuali de culoare, reducând considerabil timpul de răspuns al pixelilor prin eliminarea stratului de cristal lichid. Această tehnologie a fost numită și adevărat afișaj QLED și puncte cuantice electroluminescente (ELQD, QDLE, EL-QLED).
Structura unui QD-LED este similară cu designul de bază al unui OLED. Diferența majoră este că dispozitivele care emit lumină sunt puncte cuantice, cum ar fi nanocristalele de selenură de cadmiu (CdSe). Un strat de puncte cuantice este intercalat între straturile de materiale organice care transportă electronii și care transportă găuri. Un câmp electric aplicat face ca electronii și găurile să se deplaseze în stratul de punct cuantic, unde sunt capturați în punctul cuantic și se recombină, emitând fotoni. Gama de culori demonstrată de LED-urile QD depășește performanțele tehnologiilor de afișare LCD și OLED.
Producția în masă a afișajelor QLED cu matrice activă utilizând imprimarea cu jet de cerneală este de așteptat să înceapă în 2020-2021. Soluțiile cu jet de cerneală InP ( fosfură de indiu ) sunt cercetate de Nanosys, Nanoco, Nanophotonica, OSRAM OLED, Fraunhofer IAP și Seoul National University, printre altele. Începând cu 2019, materialele pe bază de InP nu sunt încă pregătite pentru producția comercială din cauza duratei de viață limitate.
Quantum dot nanorod diodă emițătoare de afișare (QNED) este o dezvoltare suplimentară a display-QD OLED, care inlocuieste stratul OLED albastru cu InGaN / GaN albastru nanorod LED - uri. Nanorodurile au o suprafață de emisie mai mare în comparație cu LED-urile plane, permițând o eficiență sporită și o emisie mai mare de lumină. Soluția Nanorod este imprimată cu cerneală pe substrat, apoi subpixelii sunt aliniați la locul lor de curent electric, iar un convertor de culoare QD este plasat deasupra subpixelilor roșii / verzi. Samsung Display va începe producția de testare a panourilor QNED în 2021.
Proprietățile optice ale punctelor cuantice
Performanța QD-urilor este determinată de mărimea și / sau compoziția structurilor QD. Spre deosebire de structurile atomice simple, o structură cuantică cu puncte are proprietatea neobișnuită că nivelurile de energie sunt puternic dependente de dimensiunea structurii. De exemplu, emisia de lumină cu punct cuantic CdSe poate fi reglată de la roșu (5 nm diametru) la regiunea violetă (1,5 nm punct). Motivul fizic al colorării QD este efectul de confinare cuantică și este direct legat de nivelurile lor de energie . Energia bandgap care determină energia (și, prin urmare, culoarea) luminii fluorescente este invers proporțională cu pătratul mărimii punctului cuantic. QD-urile mai mari au mai multe niveluri de energie mai distanțate, permițând QD-ului să emită (sau să absoarbă) fotoni cu energie mai mică (culoare mai roșie). Cu alte cuvinte, energia fotonului emis crește pe măsură ce dimensiunea punctului scade, deoarece este necesară o energie mai mare pentru a limita excitația semiconductorului la un volum mai mic.
Structurile cu puncte cuantice mai noi utilizează indiu în loc de cadmiu , deoarece acesta din urmă nu este exceptat pentru utilizare în iluminat prin directiva RoHS a Comisiei Europene și, de asemenea, din cauza toxicității cadmiului.
LED-urile QD se caracterizează prin culori de emisie pure și saturate, cu lățime de bandă îngustă , cu FWHM ( lățime maximă la jumătate maximă ) în intervalul 20-40 nm. Lungimea lor de undă de emisie este ușor de reglat prin schimbarea dimensiunii punctelor cuantice. Mai mult, QD-LED oferă o puritate și durabilitate ridicate a culorilor, combinate cu eficiența, flexibilitatea și costul redus de procesare al dispozitivelor organice care emit lumină. Structura QD-LED poate fi reglată pe întreaga gamă de lungimi de undă vizibile de la 460 nm (albastru) la 650 nm (roșu) (ochiul uman poate detecta lumina de la 380 la 750 nm). Lungimile de undă de emisie au fost extinse continuu la gama UV și NIR prin adaptarea compoziției chimice a QD-urilor și a structurii dispozitivului.
Procesul de fabricație
Punctele cuantice sunt soluții procesabile și potrivite pentru tehnicile de procesare umedă. Cele două tehnici majore de fabricație pentru QD-LED se numesc separare de fază și imprimare prin contact.
Separarea fazelor
Separarea de fază este potrivită pentru formarea monostratelor QD comandate pe suprafețe mari. Un singur strat QD este format prin turnarea prin turnare a unei soluții mixte de QD și a unui semiconductor organic precum TPD (N, N'-Bis (3-metilfenil) -N, N'-difenilbenzidină). Acest proces produce simultan monostraturi QD auto-asamblate în tablouri hexagonal-strânse și plasează acest monostrat deasupra unui contact co-depus. În timpul uscării cu solvent , faza QD se separă de materialul substrat organic (TPD) și se ridică spre suprafața filmului. Structura QD rezultată este afectată de mulți parametri: concentrația soluției, rația solventului, distribuția mărimii QD și raportul de aspect QD. De asemenea, este importantă soluția QD și puritatea solventului organic.
Deși separarea fazelor este relativ simplă, nu este potrivită pentru aplicațiile de afișare a dispozitivelor. Deoarece turnarea prin rotire nu permite modelarea laterală a QD-urilor de diferite dimensiuni (RGB), separarea fazelor nu poate crea un LED QD multicolor. Mai mult, nu este ideal să aveți un material organic substrat pentru un QD-LED; un substrat organic trebuie să fie omogen, o constrângere care limitează numărul proiectelor de dispozitive aplicabile.
Tipărirea contactului
Procesul de imprimare prin contact pentru formarea filmelor subțiri QD este o metodă de suspendare pe bază de apă fără solvent, simplă și eficientă din punct de vedere al costurilor, cu un randament ridicat. În timpul procesului, structura dispozitivului nu este expusă la solvenți. Deoarece straturile de transport al încărcăturii în structurile QD-LED sunt folii organice subțiri sensibile la solvent, evitarea solventului în timpul procesului este un beneficiu major. Această metodă poate produce structuri electroluminescente modelate RGB cu rezoluție de 1000 ppi (pixeli per inch).
Procesul general de imprimare a contactelor:
- Polidimetilsiloxanul (PDMS) este modelat folosind un silicon master.
- Partea superioară a ștampilei PDMS rezultate este acoperită cu o peliculă subțire de parilen -c, un polimer organic aromatic depus cu vapori chimici (CVD).
- Ștampila acoperită cu parilenă c este cernelită prin turnarea unei soluții de QD coloidale suspendate într-un solvent organic .
- După evaporarea solventului, monostratul QD format este transferat pe substrat prin imprimare prin contact.
Gama de puncte cuantice este fabricată prin auto-asamblare într-un proces cunoscut sub numele de turnare prin turnare : o soluție de puncte cuantice dintr-un material organic este turnată pe un substrat, care este apoi setat la rotire pentru a răspândi uniform soluția.
Imprimarea prin contact permite fabricarea de LED-uri QD multicolore. Un LED QD a fost fabricat cu un strat emisiv format din dungi late de 25 µm de monostrat QD roșu, verde și albastru. Metodele de imprimare prin contact minimizează, de asemenea, cantitatea de QD necesară, reducând costurile.
Comparaţie
Ecranele nanocristale ar genera o creștere de până la 30% a spectrului vizibil, în timp ce utilizează cu 30 până la 50% mai puțină energie decât LCD-urile, în mare parte deoarece afișajele nanocristale nu ar avea nevoie de iluminare din spate. LED-urile QD sunt de 50-100 de ori mai luminoase decât afișajele CRT și LC, emitând 40.000 de niți ( cd / m 2 ). QD-urile se pot dispersa atât în solvenți apoși, cât și în solvenți neapoși, ceea ce asigură afișaje printabile și flexibile de toate dimensiunile, inclusiv televizoare cu suprafață mare. QD-urile pot fi anorganice, oferind potențialul de viață îmbunătățit în comparație cu OLED (cu toate acestea, deoarece multe părți ale QD-LED sunt adesea realizate din materiale organice, este necesară o dezvoltare suplimentară pentru a îmbunătăți durata de viață funcțională.) Pe lângă afișajele OLED, alegeți și-plasează afișajele microLED ca tehnologii concurente pentru afișajele nanocristale. Samsung a dezvoltat o metodă de fabricare a diodelor cuantice cu puncte autoemisive cu o durată de viață de 1 milion de ore.
Alte avantaje includ culorile verzi saturate mai bune, fabricabilitatea pe polimeri, afișajul mai subțire și utilizarea aceluiași material pentru a genera culori diferite.
Un dezavantaj este acela că punctele cuantice albastre necesită un control al timpului extrem de precis în timpul reacției, deoarece punctele cuantice albastre sunt doar puțin peste dimensiunea minimă. Deoarece lumina soarelui conține luminozități aproximativ egale de roșu, verde și albastru pe întregul spectru, un afișaj trebuie să producă, de asemenea, luminozități aproximativ egale de roșu, verde și albastru pentru a obține un alb pur, așa cum este definit de CIE Standard Illuminant D65 . Cu toate acestea, componenta albastră de pe afișaj poate avea o puritate și / sau o precizie a culorii relativ redusă ( interval dinamic ) în comparație cu verde și roșu, deoarece ochiul uman este de trei până la cinci ori mai puțin sensibil la albastru în condiții de lumină naturală, în funcție de funcția de luminozitate CIE. .
Vezi si
Note
Referințe
linkuri externe
- Puncte cuantice: starea tehnică și perspectivele pieței
- Punctele cuantice care produc lumină albă ar putea fi succesorul becului