Wyświetlacz kropek kwantowych - Quantum dot display
Wyświetlacz kropek kwantowych to urządzenie wyświetlające wykorzystujące kropki kwantowe (QD), półprzewodnikowe nanokryształy, które mogą wytwarzać czyste monochromatyczne światło czerwone, zielone i niebieskie.
Fotoemisyjne cząstki kropek kwantowych są stosowane w warstwie QD, która wykorzystuje niebieskie światło z podświetlenia do emitowania czystych kolorów podstawowych, które poprawiają jasność wyświetlacza i gamę kolorów , zmniejszając straty światła i przesłuchy kolorów w filtrach kolorów RGB LCD, zastępując tradycyjne kolorowe fotomaski w Kolorowe filtry RGB LCD. Ta technologia jest stosowana w wyświetlaczach LCD z podświetleniem LED , chociaż ma zastosowanie w innych technologiach wyświetlania, które wykorzystują filtry kolorów, takie jak niebieski/UV OLED lub MicroLED . Wyświetlacze LCD z podświetleniem LED są głównym zastosowaniem kropek kwantowych, gdzie są wykorzystywane jako alternatywa dla wyświetlaczy OLED.
Wyświetlacze elektroemisyjne lub elektroluminescencyjne z kropką kwantową to eksperymentalny typ wyświetlacza oparty na diodach elektroluminescencyjnych z kropką kwantową (QD-LED; także EL-QLED, ELQD, QDEL). Wyświetlacze te są podobne do organicznych diod elektroluminescencyjnych z aktywną matrycą (AMOLED) i wyświetlaczy MicroLED , ponieważ światło byłoby wytwarzane bezpośrednio w każdym pikselu przez przyłożenie prądu elektrycznego do nieorganicznych nanocząstek. Wyświetlacze QD-LED mogą obsługiwać duże, elastyczne wyświetlacze i nie ulegają degradacji tak łatwo, jak wyświetlacze OLED, co czyni je dobrymi kandydatami do płaskich ekranów telewizyjnych , aparatów cyfrowych , telefonów komórkowych i przenośnych konsol do gier .
Począwszy od 2019 roku, wszystkie produkty komercyjne, takie jak telewizory LCD za pomocą kropek kwantowych i napiętnowany jako QLED , użyj foto-emisyjne cząstek. Telewizory elektroemisyjne QD-LED istnieją tylko w laboratoriach, chociaż Samsung pracuje nad wypuszczeniem elektroemisyjnych wyświetlaczy QDLED „w najbliższej przyszłości”, podczas gdy inni wątpią, czy takie wyświetlacze QDLED kiedykolwiek staną się głównym nurtem.
Emisyjne wyświetlacze z kropkami kwantowymi mogą osiągnąć ten sam kontrast, co wyświetlacze OLED i MicroLED z „doskonałymi” poziomami czerni w stanie wyłączonym. Wyświetlacze Quantum Dot są w stanie wyświetlać szerszą gamę kolorów niż wyświetlacze OLED, a niektóre urządzenia zbliżają się do pełnego pokrycia gamy kolorów BT.2020 .
Zasada działania
Pomysł wykorzystania kropek kwantowych jako źródła światła pojawił się w latach 90. XX wieku. Wczesne zastosowania obejmowały obrazowanie przy użyciu fotodetektorów podczerwieni QD, diod elektroluminescencyjnych i jednokolorowych urządzeń emitujących światło. Na początku XXI wieku naukowcy zaczęli zdawać sobie sprawę z potencjału kropek kwantowych do źródeł światła i wyświetlaczy.
QDs są albo zdjęcie emisyjności ( fotoluminescencyjny ) lub elektro emisyjności ( elektroluminescencyjnym ), dzięki czemu można je łatwo wprowadzać do nowych emisyjne wyświetlania architektur. Kropki kwantowe naturalnie wytwarzają światło monochromatyczne, dzięki czemu są bardziej wydajne niż źródła światła białego podczas filtrowania kolorów i pozwalają na bardziej nasycone kolory, które osiągają prawie 100% Rec. Gama kolorów 2020 .
Warstwa wzmacniająca kropki kwantowe
Szeroko rozpowszechnionym praktycznym zastosowaniem jest użycie warstwy filmu wzmacniającego kropki kwantowe (QDEF) w celu poprawy podświetlenia LED w telewizorach LCD . Światło z niebieskiego podświetlenia LED jest konwertowane przez QD na stosunkowo czystą czerwień i zieleń, dzięki czemu ta kombinacja niebieskiego, zielonego i czerwonego światła powoduje mniej niebiesko-zielonych przesłuchów i absorpcji światła w filtrach kolorowych za ekranem LCD, zwiększając w ten sposób użyteczne światło przepustowość i zapewnienie lepszej gamy kolorów .
Pierwszym producentem telewizorów tego rodzaju był Sony w 2013 roku jako Triluminos , znak towarowy Sony dla tej technologii. Na targach Consumer Electronics Show 2015 firmy Samsung Electronics , LG Electronics , TCL Corporation i Sony zaprezentowały podświetlenie LED telewizorów LCD z technologią QD. Na targach CES 2017 Samsung zmienił nazwę swoich telewizorów „SUHD” na „QLED”; później w kwietniu 2017 r. Samsung utworzył sojusz QLED z Hisense i TCL w celu produkcji i sprzedaży telewizorów z technologią QD.
Kropka kwantowa na szkle (QDOG) zastępuje folię QD cienką warstwą QD pokrytą na wierzchu płytki przewodzącej światło (LGP), zmniejszając koszty i poprawiając wydajność.
Trwają badania nad tradycyjnymi białymi podświetleniami LED, które wykorzystują niebieskie diody LED z czerwono-zielonymi strukturami QD na chipie lub na szynie, chociaż wysokie temperatury pracy negatywnie wpływają na ich żywotność.
Filtry kolorów kropek kwantowych
Filtr/konwerter kolorów QD (QDCF/QDCC) Wyświetlacze LCD z podświetleniem LED wykorzystywałyby film QD lub warstwę QD nadrukowaną tuszem z wzorem czerwono-zielonych subpikseli (tj. wyrównanymi w celu dokładnego dopasowania do czerwonych i zielonych subpikseli), aby uzyskać czystą czerwień /zielone światło; niebieskie subpiksele mogą być przezroczyste, aby przejść przez czyste niebieskie podświetlenie LED lub mogą być wykonane z niebieskimi wzorzystymi kropkami kwantowymi w przypadku podświetlenia UV-LED. Ta konfiguracja skutecznie zastępuje pasywne filtry kolorów, które powodują znaczne straty poprzez odfiltrowanie 2/3 przechodzącego światła za pomocą fotoemisyjnych struktur QD, poprawiając wydajność energetyczną i/lub szczytową jasność oraz poprawiając czystość kolorów. Ponieważ kropki kwantowe depolaryzują światło, polaryzator wyjściowy (analizator) musi zostać przesunięty za filtr barwny i osadzony w komórce szkła LCD; poprawiłoby to również kąty widzenia. Rozmieszczenie analizatora i/lub polaryzatora w komórce również zmniejszyłoby efekty depolaryzacji w warstwie LC, zwiększając współczynnik kontrastu. Aby zmniejszyć samopobudzenie filmu QD i poprawić wydajność, światło otoczenia można zablokować za pomocą tradycyjnych filtrów kolorowych, a polaryzatory odblaskowe mogą skierować światło z filtrów QD w kierunku widza. Ponieważ tylko światło niebieskie lub UV przechodzi przez warstwę ciekłokrystaliczną, może być ona cieńsza, co skutkuje szybszym czasem reakcji pikseli .
Nanosys przedstawił prezentacje swojej technologii fotoemisyjnych filtrów kolorowych w 2017 roku; komercyjnych produktów spodziewano się do 2019 r., chociaż polaryzator wewnątrzkomórkowy pozostał głównym wyzwaniem. Od grudnia 2019 r. problemy z polaryzatorem w komórce pozostają nierozwiązane, a na rynku nie pojawiły się wyświetlacze LCD z kolorowymi filtrami QD.
Filtry/konwertery kolorów QD mogą być używane z panelami OLED lub micro-LED, poprawiając ich wydajność i gamę kolorów. Panele QD-OLED z niebieskimi emiterami i czerwono-zielonymi filtrami są badane przez Samsung i TCL; od maja 2019 r. Samsung zamierza rozpocząć produkcję w 2021 r. W październiku 2019 r. Samsung Display ogłosił inwestycję w wysokości 10,8 mld USD zarówno w badania, jak i produkcję, w celu przekształcenia wszystkich fabryk paneli 8G na produkcję QD-OLED w latach 2019–2025 .
Samoemisyjne diody z kropką kwantową
Samoemisyjne wyświetlacze z kropką kwantową będą wykorzystywać elektroluminescencyjne nanocząstki QD działające jako diody LED oparte na kropkach kwantowych (QD-LED lub QLED) ułożone w matrycy aktywnej lub pasywnej . Zamiast wymagać oddzielnego podświetlenia LED do oświetlenia i TFT LCD do kontrolowania jasności podstawowych kolorów, te wyświetlacze QLED natywnie kontrolowałyby światło emitowane przez poszczególne subpiksele kolorów, znacznie skracając czas reakcji pikseli poprzez eliminację warstwy ciekłokrystalicznej. Technologia ta została również nazwana prawdziwym wyświetlaczem QLED i elektroluminescencyjnymi kropkami kwantowymi (ELQD, QDLE, EL-QLED).
Konstrukcja diody QD-LED jest podobna do podstawowej konstrukcji diody OLED. Główna różnica polega na tym, że urządzenia emitujące światło to kropki kwantowe, takie jak nanokryształy selenku kadmu (CdSe). Warstwa kropek kwantowych jest umieszczona pomiędzy warstwami materiałów organicznych przenoszących elektrony i dziury. Przyłożone pole elektryczne powoduje, że elektrony i dziury przemieszczają się do warstwy kropki kwantowej, gdzie są wychwytywane w kropce kwantowej i rekombinowane, emitując fotony. Zademonstrowana gama kolorów z diod QD-LED przewyższa wydajność technologii wyświetlaczy LCD i OLED.
Masowa produkcja wyświetlaczy QLED z aktywną matrycą przy użyciu druku atramentowego ma rozpocząć się w latach 2020-2021. Rozwiązania atramentowe InP ( fosforek indu ) są badane między innymi przez Nanosys, Nanoco, Nanophotonica, OSRAM OLED, Fraunhofer IAP i Seoul National University. Od 2019 r. materiały na bazie InP nadal nie są gotowe do produkcji komercyjnej ze względu na ograniczoną żywotność.
Wyświetlacz z nanoprętami kwantowymi (QNED) to dalszy rozwój wyświetlaczy QD-OLED, który zastępuje niebieską warstwę OLED niebieskimi nanoprętami LED InGaN / GaN . Nanorods mają większą powierzchnię emitującą w porównaniu z planarną diodą LED, co pozwala na większą wydajność i wyższą emisję światła. Roztwór Nanorod jest drukowany atramentem na podłożu, a następnie subpiksele są wyrównywane na miejscu za pomocą prądu elektrycznego, a przetworniki kolorów QD są umieszczane na wierzchu czerwonych/zielonych subpikseli. Samsung Display ma rozpocząć testową produkcję paneli QNED w 2021 roku.
Właściwości optyczne kropek kwantowych
Wydajność QD jest określona przez rozmiar i/lub skład struktur QD. W przeciwieństwie do prostych struktur atomowych, struktura kropki kwantowej ma niezwykłą właściwość polegającą na tym, że poziomy energii są silnie zależne od rozmiaru struktury. Na przykład, emisję światła z kropki kwantowej CdSe można dostroić od czerwieni (średnica 5 nm) do obszaru fioletu (kropka 1,5 nm). Fizycznym powodem zabarwienia QD jest efekt kwantowego ograniczenia i jest bezpośrednio związany z ich poziomami energetycznymi . Energia przerwy energetycznej, która określa energię (a tym samym kolor) światła fluorescencyjnego jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu wielkości kropki kwantowej. Większe QD mają więcej poziomów energii, które są bliżej siebie oddalone, dzięki czemu QD może emitować (lub pochłaniać) fotony o niższej energii (barwa czerwona). Innymi słowy, energia emitowanego fotonu wzrasta wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru kropki, ponieważ większa energia jest wymagana do ograniczenia wzbudzenia półprzewodnika do mniejszej objętości.
W nowszych strukturach kropek kwantowych zamiast kadmu stosuje się ind , który zgodnie z dyrektywą RoHS Komisji Europejskiej nie jest zwolniony do stosowania w oświetleniu , a także ze względu na toksyczność kadmu.
Diody QD-LED charakteryzują się czystymi i nasyconymi barwami emisji o wąskim paśmie , z FWHM ( pełna szerokość przy połowie maksimum ) w zakresie 20-40 nm. Ich długość fali emisji można łatwo dostroić, zmieniając rozmiar kropek kwantowych. Co więcej, diody QD-LED oferują wysoką czystość i trwałość kolorów w połączeniu z wydajnością, elastycznością i niskimi kosztami przetwarzania porównywalnych organicznych urządzeń emitujących światło. Strukturę QD-LED można dostroić w całym zakresie widzialnych długości fal od 460 nm (niebieski) do 650 nm (czerwony) (ludzkie oko może wykryć światło od 380 do 750 nm). Długości fal emisji były stale rozszerzane do zakresu UV i NIR poprzez dostosowywanie składu chemicznego QD i struktury urządzenia.
Proces wytwarzania
Kropki kwantowe można przetwarzać w roztworze i nadają się do technik przetwarzania na mokro. Dwie główne techniki wytwarzania QD-LED nazywane są separacją faz i drukiem kontaktowym.
Separacja faz
Separacja faz jest odpowiednia do tworzenia wielkopowierzchniowych uporządkowanych monowarstw QD. Pojedyncza warstwa QD jest tworzona przez odlewanie wirowe mieszanego roztworu QD i organicznego półprzewodnika, takiego jak TPD (N,N′-bis(3-metylofenylo)-N,N′-difenylobenzydyna). Ten proces jednocześnie daje monowarstwy QD samoorganizujące się w heksagonalnie ciasno upakowane macierze i umieszcza tę monowarstwę na wierzchu współosadzonego styku. Podczas suszenia rozpuszczalnikiem faza QD oddziela się od organicznego materiału podwarstwy (TPD) i unosi się w kierunku powierzchni folii. Na uzyskaną strukturę QD wpływa wiele parametrów: stężenie roztworu, proporcja rozpuszczalnika, rozkład wielkości QD i współczynnik kształtu QD. Ważna jest również czystość roztworu QD i rozpuszczalnika organicznego.
Chociaż rozdział faz jest stosunkowo prosty, nie nadaje się do zastosowań w urządzeniach wyświetlających. Ponieważ odlewanie spinowe nie pozwala na boczne wzornictwo różnych rozmiarów QD (RGB), separacja faz nie może stworzyć wielokolorowej diody QD-LED. Co więcej, nie jest idealnym rozwiązaniem posiadanie organicznego materiału pod warstwą dla diody QD-LED; organiczna warstwa spodnia musi być jednorodna, co ogranicza liczbę możliwych do zastosowania konstrukcji urządzeń.
Drukowanie kontaktów
Proces drukowania kontaktowego do formowania cienkich folii QD to bezrozpuszczalnikowa metoda zawiesiny na bazie wody, która jest prosta i ekonomiczna przy wysokiej przepustowości. W trakcie procesu konstrukcja urządzenia nie jest narażona na działanie rozpuszczalników. Ponieważ warstwy transportujące ładunek w strukturach QD-LED są wrażliwymi na rozpuszczalniki cienkimi warstwami organicznymi, unikanie rozpuszczalnika podczas procesu jest główną korzyścią. Ta metoda może wytwarzać struktury elektroluminescencyjne z wzorem RGB o rozdzielczości 1000 ppi (pikseli na cal).
Cały proces drukowania styków:
- Polidimetylosiloksan (PDMS) jest formowany przy użyciu matrycy silikonowej.
- Górna strona powstałego stempla PDMS jest pokryta cienką warstwą Parylene -c, aromatycznego organicznego polimeru osadzanego metodą naparowania chemicznego (CVD).
- Stempel pokryty powłoką Parylen -c jest nanoszony tuszem poprzez odlewanie wirowe roztworu koloidalnych kropek kwantowych zawieszonych w rozpuszczalniku organicznym .
- Po odparowaniu rozpuszczalnika utworzona monowarstwa QD jest przenoszona na podłoże poprzez druk kontaktowy.
Szereg kropek kwantowych jest wytwarzany przez samoorganizację w procesie znanym jako odlewanie wirowe : roztwór kropek kwantowych w materiale organicznym jest wylewany na podłoże, które następnie wiruje, aby równomiernie rozprowadzić roztwór.
Druk stykowy umożliwia wytwarzanie wielokolorowych diod QD-LED. Wytworzono diodę QD-LED z warstwą emisyjną składającą się z pasków o szerokości 25 µm z czerwonych, zielonych i niebieskich monowarstw QD. Kontaktowe metody drukowania również minimalizują ilość wymaganych QD, redukując koszty.
Porównanie
Wyświetlacze nanokrystaliczne zapewniłyby nawet 30% wzrost widma widzialnego, zużywając od 30 do 50% mniej energii niż wyświetlacze LCD, w dużej mierze dlatego, że wyświetlacze nanokrystaliczne nie wymagałyby podświetlenia. Diody LED QD są 50–100 razy jaśniejsze niż wyświetlacze CRT i LC, emitując 40 000 nitów ( cd / m 2 ). QD można dyspergować zarówno w wodnych, jak i niewodnych rozpuszczalnikach, co zapewnia drukowalne i elastyczne wyświetlacze wszystkich rozmiarów, w tym telewizory o dużej powierzchni. QD mogą być nieorganiczne, oferując możliwość wydłużenia żywotności w porównaniu z OLED (jednak ponieważ wiele części QD-LED jest często wykonanych z materiałów organicznych, wymagany jest dalszy rozwój w celu wydłużenia okresu użytkowania). i miejscu microLED wyświetlacze pojawiają się jako konkurencyjne technologie wyświetlaczy nanokrystaliczne. Firma Samsung opracowała metodę wytwarzania samoemisyjnych diod z kropkami kwantowymi o żywotności 1 miliona godzin.
Inne zalety to lepsze nasycenie zielonych kolorów, możliwości produkcyjne na polimerach, cieńszy wyświetlacz i użycie tego samego materiału do generowania różnych kolorów.
Jedną z wad jest to, że niebieskie kropki kwantowe wymagają bardzo precyzyjnej kontroli czasu podczas reakcji, ponieważ niebieskie kropki kwantowe są nieco powyżej minimalnego rozmiaru. Ponieważ światło słoneczne zawiera w przybliżeniu równe jasności czerwonego, zielonego i niebieskiego w całym widmie, wyświetlacz musi również wytwarzać mniej więcej takie same jasności czerwonego, zielonego i niebieskiego, aby uzyskać czystą biel, jak określono w normie CIE Standard Illuminant D65 . Jednak składnik niebieski na wyświetlaczu może mieć stosunkowo niższą czystość i/lub precyzję koloru ( zakres dynamiczny ) w porównaniu z zielonym i czerwonym, ponieważ ludzkie oko jest trzy do pięciu razy mniej wrażliwe na kolor niebieski w warunkach światła dziennego, zgodnie z funkcją jasności CIE .
Zobacz też
Uwagi
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- Kropki kwantowe: stan techniczny i perspektywy rynkowe
- Kropki kwantowe, które wytwarzają białe światło, mogą być następcą żarówki