Wyświetlacze nanokrystaliczne

Seth Coe-Sullivan, dyrektor ds. technologii w Watertown, MA, startup QD Vision, mocuje zaciski krokodylkowe do dwóch krawędzi przezroczystego wafla wielkości ekranu telefonu komórkowego i naciska przełącznik: prostokąt wypełniający środek wafla nagle się obraca od odblaskowego srebra po bladą czerwień. Pracownik laboratorium wyłącza światło w pomieszczeniu, aby wzmocnić efekt – ale nie jest to konieczne. Coe-Sullivan przekręca gałkę i urządzenie zaczyna świecić doskonale.

Coe-Sullivan posiada prototypowy wyświetlacz z kropkami kwantowymi; takie wyświetlacze emitują niezwykle czyste kolory i ostatecznie mogą zostać powiększone, aby konkurować z konwencjonalnymi ekranami. (Źródło zdjęcia: Porter Gifford.)

[Aby zobaczyć zdjęcia tych badań, zespołu, sprzętu i prototypów, kliknij tutaj.]

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2006 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

To pierwszy wyświetlacz QD Vision – monochromatyczny stół testowy o wymiarach 32 na 64 piksele dla technologii, która, jak ma nadzieję Coe-Sullivan, zastąpi te stosowane w dzisiejszych telewizorach wysokiej rozdzielczości. Mówi, że cienki i elastyczny wyświetlacz nowej generacji będzie dobrze widoczny w świetle słonecznym i będzie mniej energochłonny niż ten w twoim obecnym laptopie. Obejmie również więcej widzialnego spektrum kolorów niż obecne wyświetlacze i wytworzy obrazy o tak wysokim kontraście, że dzisiejsze płaskie wyświetlacze będą wyglądać na matowe i wyblakłe w porównaniu.

Jego sercem są nanocząsteczki zwane kropkami kwantowymi, kryształami półprzewodnikowymi w nanoskali. Zmieniając rozmiar cząstek, naukowcy mogą zmienić emitowany przez nie kolor: na przykład cząstka o średnicy sześciu nanometrów świeciłaby na czerwono, podczas gdy inna z tego samego materiału, ale o szerokości tylko dwóch nanometrów, świeciłaby na niebiesko.

Tam, gdzie te cząsteczki naprawdę świecą, tkwi w czystości emitowanych przez nie kolorów. Wyświetlacze tworzą miliony kolorów z palety zaledwie trzech: każdy piksel składa się z czerwonego, zielonego i niebieskiego subpiksela, a zmiana ich względnych intensywności zmienia widoczny kolor piksela. W wyświetlaczach LCD i organicznych urządzeniach emitujących światło (OLED), nowym rodzaju wyświetlacza, kolory subpikseli są nieczyste. Na przykład czerwień, choć wykonana głównie z czerwonego światła, zawiera również mniejsze ilości innych kolorów. Jednak w przypadku kropek kwantowych czerwony subpiksel emituje tylko kolor czerwony.

Ta czystość oznacza, że ​​wyświetlacze oparte na kropkach kwantowych mają bardziej nasycone kolory niż wyświetlacze LCD, OLED, a nawet nieporęczne lampy katodowe (CRT), które wciąż są cenione za doskonałe odwzorowanie kolorów. Co więcej, mówi Coe-Sullivan, zakres kolorów możliwy na wyświetlaczu z kropką kwantową jest o 30 procent większy niż w kineskopach: zwiększamy głębię zieleni, którą mogą wyświetlać ekrany, oraz głębię niebiesko-zielonego, itd. tak dalej. W rzeczywistości jest to inny kolor niż można zobaczyć na LCD, OLED lub CRT.

Być może najbardziej ekscytujące w diodach LED z kropkami kwantowymi (diody QD-LED) jest to, że zużywają one znacznie mniej energii niż wyświetlacze LCD. W wyświetlaczach LCD podświetlenie oświetla każdy piksel na ekranie. Ciemne piksele po prostu blokują to światło, w efekcie marnując energię. Po części dlatego, że kropki kwantowe emitują światło zamiast je filtrować, wyświetlacz QD-LED może potencjalnie zużywać jedną do 30 mocy wyświetlacza LCD.

Według Vladimira Bulovicia, eksperta MIT ds. wyświetlaczy OLED, brak podświetlenia ma jeszcze jedną zaletę. Ponieważ w ekranach LCD ciemne piksele nie blokują światła idealnie, mówi Bulovic, czarne piksele na ekranach LCD są tak naprawdę po prostu ciemnoszare. Z drugiej strony w przypadku kropek kwantowych czarne piksele nie emitują światła. To, co sprawia, że ​​obraz jest wyraźny i naprawdę rzuca się w oczy, to fakt, że czerń jest naprawdę, bardzo ciemna, mówi.

Zlewki tego świecącego zielonego materiału
Pomysł wykorzystania kropek kwantowych w wyświetlaczach nie jest nowy. Na początku lat 90., kiedy chemicy, tacy jak Moungi Bawendi, obecnie profesor chemii MIT i doradca naukowy w QD Vision, doskonalili techniki tworzenia precyzyjnych, jednolitych kropek kwantowych, niektórzy próbowali wytwarzać diody QD-LED, ale produkowali tylko słabe, nieefektywne urządzenia wymagało to około stu tysięcy elektronów, aby skłonić kropki kwantowe do wyemitowania pojedynczego fotonu. W przeciwieństwie do tego, diody QD-LED Coe-Sullivana wymagają tylko około 50 elektronów na foton.

Osiągnięcie tego postępu wymagało zebrania się odpowiednich ludzi we właściwym czasie. Stało się to w 2000 roku, kiedy Coe-Sullivan przybył do MIT jako doktorant i spotkał Bawendi i zupełnie nowego profesora inżynierii elektrycznej z MIT, który przybył kilka tygodni wcześniej – Vladimira Bulovicia.

Tuż za drzwiami do laboratorium QD Vision znajduje się rząd kolb zawierających bulgoczący czerwony płyn – roztwór niedawno utworzonych kropek kwantowych. Współpraca, która doprowadziła do powstania pierwszego wydajnego wyświetlacza QD-LED, rozpoczęła się po tym, jak Bulovic podczas wizyty w MIT natknął się na podobną scenę w laboratorium jednego ze współpracowników Bawendi.

Bulovic mówi, że zanim natknął się na zlewki tego świecącego zielonego materiału w MIT, nigdy nie słyszał o kropkach kwantowych. Coe-Sullivan zapożyczył wiedzę Bulovica na temat sztuczek produkcyjnych OLED i wiedzę Bawendi w zakresie kropek kwantowych, a także skorzystał z pomocy kolegów Jonathana Steckela i Wing-Keung Woo.

Jednak nawet przy całej tej wiedzy, przełom, który umożliwił to urządzenie, nastąpił częściowo przez przypadek. Naukowcy zmieszali kropki kwantowe z roztworem cząsteczek organicznych i rozprowadzili mieszaninę na cienką warstwę za pomocą procesu zwanego odlewaniem wirowym, w nadziei, że kropki kwantowe rozprowadzą się równomiernie w warstwie. Jak się okazało, kropki kwantowe unosiły się na powierzchnię filmu i układały w uporządkowaną, jednolitą warstwę o grubości zaledwie jednej kropki, układ, który okazał się bardziej wydajny niż ten, który zamierzali badacze.

Ta warstwa kropek kwantowych stała się rdzeniem wielowarstwowej, jednokolorowej diody QD-LED, umieszczonej między elektrodami i warstwami transportującymi ładunek. Coe-Sullivan wraz z Bulovic i Gregiem Moellerem, dyrektorem ds. rozwoju biznesu, założyli firmę QD Vision w 2004 roku, aby przejść od tego prostego urządzenia do pełnokolorowego wyświetlacza, który można produkować z zyskiem.

Ważnym krokiem było rozmieszczenie tablic pikseli. W QD Vision Coe-Sullivan wskazuje na oszkloną obudowę, która została starannie zablokowana, aby ukryć część zastrzeżonego procesu rozprowadzania kropek kwantowych w naprzemiennych trójkolorowych prostokątnych siatkach niezbędnych do działającego wyświetlacza. Już technika, która według Coe-Sullivana powinna prowadzić do stosunkowo niedrogiej produkcji, pozwoliła uzyskać wzory z pikselami mniejszymi niż te typowe dla obecnych wyświetlaczy.

Coe-Sullivan mówi, że QD Vision powinno być w stanie zapożyczyć z technologii OLED jeden kluczowy element wyświetlaczy, tylną płaszczyznę, która kontroluje piksele. Teraz firma koncentruje się na poprawie wydajności swojego urządzenia, które, choć konkurencyjne w stosunku do wyświetlaczy telefonów komórkowych, wciąż można poprawić.

Podsumowując, Coe-Sullivan mówi, że spodziewa się, że minie około czterech lat, zanim firma będzie miała swój pierwszy komercyjny produkt – prawdopodobnie mały wyświetlacz do telefonu komórkowego. Ale mówi, że warto będzie czekać na kolorowe obrazy.

Zdjęcie strony głównej dzięki uprzejmości Portera Gifforda.

ukryć