Una pantalla de puntos cuánticos es un dispositivo de visualización que utiliza puntos cuánticos (QD), nanocristales semiconductores que pueden producir luz roja, verde y azul monocromática pura [a] .
Las partículas de puntos cuánticos fotoemisivos se utilizan en una capa QD que utiliza la luz azul de una luz de fondo para emitir colores básicos puros que mejoran el brillo de la pantalla y la gama de colores al reducir las pérdidas de luz y la diafonía de color en los filtros de color LCD RGB, reemplazando las fotorresistencias de colores tradicionales en Filtros de color LCD RGB. Esta tecnología se utiliza en LCD con retroiluminación LED , aunque es aplicable a otras tecnologías de visualización que utilizan filtros de color, como OLED azul / UV o MicroLED . [1] [2] [3] Las pantallas LCD con retroiluminación LED son la aplicación principal de los puntos cuánticos, donde se utilizan para ofrecer una alternativa a las pantallas OLED.
Las pantallas de puntos cuánticos electroemisivos o electroluminiscentes son un tipo de pantalla experimental basado en diodos emisores de luz de puntos cuánticos (QD-LED; también EL-QLED, ELQD, QDEL). Estas pantallas son similares a las pantallas de diodos emisores de luz orgánicos de matriz activa (AMOLED) y MicroLED , en el sentido de que la luz se produciría directamente en cada píxel aplicando corriente eléctrica a nanopartículas inorgánicas. Las pantallas QD-LED podrían admitir pantallas grandes y flexibles y no se degradarían tan fácilmente como los OLED, lo que las convierte en buenas candidatas para pantallas de TV de pantalla plana , cámaras digitales , teléfonos móviles y consolas de juegos portátiles . [4] [5] [6]
A partir de 2019, todos los productos comerciales, como los televisores LCD que utilizan puntos cuánticos y con la marca QLED , utilizan partículas fotoemisoras . Los televisores QD-LED electroemisivos existen solo en laboratorios, aunque Samsung está trabajando para lanzar pantallas QDLED electroemisivas "en un futuro cercano", [7] mientras que otros [8] dudan de que tales pantallas QDLED lleguen a ser populares. [9] [10]
Las pantallas de puntos cuánticos emisores pueden lograr el mismo contraste que las pantallas OLED y MicroLED con niveles de negro "perfectos" en el estado apagado. Las pantallas Quantum Dot son capaces de mostrar gamas de colores más amplias que los OLED, y algunos dispositivos se acercan a la cobertura total de la gama de colores BT.2020 . [11]
Principio de funcionamiento
La idea de utilizar puntos cuánticos como fuente de luz surgió en la década de 1990. Las primeras aplicaciones incluían imágenes con fotodetectores infrarrojos QD, diodos emisores de luz y dispositivos emisores de luz de un solo color. [12] A principios de la década de 2000, los científicos comenzaron a darse cuenta del potencial de desarrollar puntos cuánticos para fuentes de luz y pantallas. [13]
Los QD son fotoemisivos ( fotoluminiscentes ) o electroemisivos ( electroluminiscentes ), lo que les permite incorporarse fácilmente en nuevas arquitecturas de visualización emisiva. [14] Los puntos cuánticos producen luz monocromática de forma natural, por lo que son más eficientes que las fuentes de luz blanca cuando se filtra el color y permiten colores más saturados que alcanzan casi el 100% de Rec. Gama de colores 2020 . [15]
Capa de mejora de puntos cuánticos
Una aplicación práctica muy extendida es el uso de la capa de película de mejora de puntos cuánticos (QDEF) para mejorar la retroiluminación LED en televisores LCD . La luz de una retroiluminación LED azul se convierte mediante QD en rojo y verde relativamente puros, de modo que esta combinación de luz azul, verde y roja incurre en menos diafonía azul-verde y absorción de luz en los filtros de color después de la pantalla LCD, aumentando así la luz útil rendimiento y proporcionando una mejor gama de colores .
El primer fabricante que envió televisores de este tipo fue Sony en 2013 como Triluminos , la marca comercial de Sony para la tecnología. [16] En el Consumer Electronics Show 2015, Samsung Electronics , LG Electronics , TCL Corporation y Sony mostraron retroiluminación LED mejorada con QD en televisores LCD. [17] [18] [19] En el CES 2017, Samsung cambió el nombre de sus televisores 'SUHD' a 'QLED'; Más tarde, en abril de 2017, Samsung formó la QLED Alliance con Hisense y TCL para producir y comercializar televisores mejorados con QD. [20] [21]
El punto cuántico sobre vidrio (QDOG) reemplaza la película QD con una fina capa QD recubierta en la parte superior de la placa guía de luz (LGP), lo que reduce los costos y mejora la eficiencia. [22] [23]
Se están investigando las luces de fondo LED blancas tradicionales que utilizan LED azules con estructuras QD rojo-verde en el chip o en el riel, aunque las altas temperaturas de funcionamiento afectan negativamente su vida útil. [24] [25]
Filtros de color de puntos cuánticos
Filtro / convertidor de color QD (QDCF / QDCC) Las pantallas LCD con retroiluminación LED utilizarían película QD o capa QD impresa en tinta con un patrón de subpíxeles rojo / verde (es decir, alineados para coincidir con precisión con los subpíxeles rojos y verdes) puntos cuánticos para producir rojo puro /luz verde; Los subpíxeles azules pueden ser transparentes para pasar a través de la retroiluminación LED azul puro, o se pueden hacer con puntos cuánticos estampados en azul en caso de retroiluminación LED UV. Esta configuración reemplaza efectivamente los filtros de color pasivos, que incurren en pérdidas sustanciales al filtrar 2/3 de la luz que pasa, con estructuras QD fotoemisivas, mejorando la eficiencia energética y / o el brillo máximo, y mejorando la pureza del color. [24] [26] [27] Debido a que los puntos cuánticos despolarizan la luz, el polarizador de salida (el analizador) debe moverse detrás del filtro de color e incrustarse en la celda del cristal LCD; esto también mejoraría los ángulos de visión. La disposición dentro de la celda del analizador y / o el polarizador también reduciría los efectos de despolarización en la capa de LC, aumentando la relación de contraste. Para reducir la autoexcitación de la película QD y mejorar la eficiencia, la luz ambiental se puede bloquear usando filtros de color tradicionales y los polarizadores reflectantes pueden dirigir la luz de los filtros QD hacia el espectador. Como solo la luz azul o ultravioleta atraviesa la capa de cristal líquido, se puede hacer más delgada, lo que resulta en tiempos de respuesta de píxeles más rápidos . [26] [28]
Nanosys realizó presentaciones de su tecnología de filtro de color fotoemisivo durante 2017; Se esperaban productos comerciales para 2019, aunque el polarizador dentro de la celda seguía siendo un desafío importante. [29] [20] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] En diciembre de 2019, los problemas con el polarizador en la celda siguen sin resolverse y no aparecen pantallas LCD con filtros de color QD en el mercado. [37]
Los filtros / convertidores de color QD se pueden utilizar con paneles OLED o micro-LED, mejorando su eficiencia y gama de colores. [22] [36] [38] [39] Los paneles QD-OLED con emisores azules y filtros de color rojo-verde son investigados por Samsung y TCL; en mayo de 2019, Samsung tiene la intención de comenzar la producción en 2021. [40] [41] [42] [43] [44] En octubre de 2019, Samsung Display anunció una inversión de $ 10,8 mil millones tanto en investigación como en producción, con el objetivo de convertir todas sus fábricas de paneles 8G a producción QD-OLED durante 2019-2025. [45] [46] [47] [48]
Diodos de punto cuántico autoemisivos
Las pantallas de puntos cuánticos autoemisivos utilizarán nanopartículas QD electroluminiscentes que funcionan como LED basados en puntos cuánticos (QD-LED o QLED) dispuestos en matriz activa o matriz de matriz pasiva . En lugar de requerir una retroiluminación LED separada para iluminación y TFT LCD para controlar el brillo de los colores primarios, estas pantallas QLED controlarían de forma nativa la luz emitida por subpíxeles de color individuales, [49] reduciendo en gran medida los tiempos de respuesta de los píxeles al eliminar la capa de cristal líquido. Esta tecnología también se ha denominado visualización QLED real, [50] y puntos cuánticos electroluminiscentes (ELQD, QDLE, EL-QLED). [51] [52]
La estructura de un QD-LED es similar al diseño básico de un OLED. La principal diferencia es que los dispositivos emisores de luz son puntos cuánticos, como los nanocristales de seleniuro de cadmio (CdSe). Una capa de puntos cuánticos está intercalada entre capas de materiales orgánicos que transportan electrones y transportan huecos. Un campo eléctrico aplicado hace que los electrones y los agujeros se muevan hacia la capa de puntos cuánticos, donde son capturados en el punto cuántico y se recombinan, emitiendo fotones. [13] [53] La gama de colores demostrada de los QD-LED supera el rendimiento de las tecnologías de pantalla LCD y OLED. [54]
Se espera que la producción masiva de pantallas QLED de matriz activa mediante impresión por chorro de tinta comience en 2020-2021. [55] [56] [57] [35] [36] Las soluciones de inyección de tinta de InP ( fosfuro de indio ) están siendo investigadas por Nanosys, Nanoco, Nanophotonica, OSRAM OLED, Fraunhofer IAP y la Universidad Nacional de Seúl, entre otros. [34] [58] [59] A partir de 2019, los materiales basados en InP aún no están listos para la producción comercial debido a su vida útil limitada. [60]
Propiedades ópticas de los puntos cuánticos
El rendimiento de los QD está determinado por el tamaño y / o la composición de las estructuras QD. A diferencia de las estructuras atómicas simples, una estructura de puntos cuánticos tiene la propiedad inusual de que los niveles de energía dependen en gran medida del tamaño de la estructura. Por ejemplo, la emisión de luz de punto cuántico de CdSe se puede ajustar desde el rojo (5 nm de diámetro) a la región violeta (punto de 1,5 nm). La razón física de la coloración QD es el efecto de confinamiento cuántico y está directamente relacionado con sus niveles de energía . La energía de banda prohibida que determina la energía (y por lo tanto el color) de la luz fluorescente es inversamente proporcional al cuadrado del tamaño del punto cuántico. Los QD más grandes tienen más niveles de energía que están más estrechamente espaciados, lo que permite que QD emita (o absorba) fotones de menor energía (color más rojo). En otras palabras, la energía de los fotones emitidos aumenta a medida que disminuye el tamaño del punto, porque se requiere una mayor energía para limitar la excitación del semiconductor a un volumen menor. [61]
Las estructuras de puntos cuánticos más nuevas emplean indio en lugar de cadmio , ya que este último no está exento para su uso en iluminación por la directiva RoHS de la Comisión Europea, [24] [62] y también debido a la toxicidad del cadmio.
Los LED QD se caracterizan por colores de emisión puros y saturados con un ancho de banda estrecho , con FWHM ( ancho completo a la mitad del máximo ) en el rango de 20 a 40 nm. [13] [26] Su longitud de onda de emisión se ajusta fácilmente cambiando el tamaño de los puntos cuánticos. Además, QD-LED ofrece una alta pureza de color y durabilidad combinadas con la eficiencia, la flexibilidad y el bajo costo de procesamiento de los dispositivos emisores de luz orgánicos comparables. La estructura QD-LED se puede sintonizar en todo el rango de longitud de onda visible de 460 nm (azul) a 650 nm (rojo) (el ojo humano puede detectar luz de 380 a 750 nm). Las longitudes de onda de emisión se han ampliado continuamente al rango UV y NIR adaptando la composición química de los QD y la estructura del dispositivo. [63] [64]
Proceso de fabricación
Los puntos cuánticos se pueden procesar en solución y son adecuados para técnicas de procesamiento en húmedo. Las dos principales técnicas de fabricación de QD-LED se denominan separación de fases e impresión por contacto. [sesenta y cinco]
Separación de fases
La separación de fases es adecuada para formar monocapas QD ordenadas de gran área. Una sola capa de QD se forma por centrifugación de una solución mixta de QD y un semiconductor orgánico como TPD (N, N'-Bis (3-metilfenil) -N, N'-difenilbencidina). Este proceso produce simultáneamente monocapas QD autoensambladas en matrices empaquetadas hexagonalmente y coloca esta monocapa encima de un contacto co-depositado. Durante el secado con solvente , la fase QD se separa del material orgánico de la capa inferior (TPD) y se eleva hacia la superficie de la película. La estructura de QD resultante se ve afectada por muchos parámetros: concentración de la solución, proporción de disolvente, distribución de tamaño de QD y relación de aspecto de QD. También es importante la pureza de la solución QD y del disolvente orgánico. [66]
Aunque la separación de fases es relativamente simple, no es adecuada para aplicaciones de dispositivos de visualización. Dado que el spin-casting no permite el modelado lateral de QD (RGB) de diferentes tamaños, la separación de fases no puede crear un QD-LED multicolor. Además, no es ideal tener un material de capa inferior orgánico para un QD-LED; una capa inferior orgánica debe ser homogénea, una restricción que limita el número de diseños de dispositivos aplicables.
Impresión de contactos
El proceso de impresión por contacto para formar películas delgadas QD es un método de suspensión a base de agua sin solventes, que es simple y rentable con un alto rendimiento. Durante el proceso, la estructura del dispositivo no está expuesta a disolventes. Dado que las capas de transporte de carga en las estructuras QD-LED son películas delgadas orgánicas sensibles a los solventes, evitar el solvente durante el proceso es un beneficio importante. Este método puede producir estructuras electroluminiscentes con patrones RGB con una resolución de 1000 ppi (píxeles por pulgada). [54]
El proceso general de impresión por contacto:
- El polidimetilsiloxano (PDMS) se moldea usando un patrón de silicio.
- La parte superior del sello PDMS resultante se recubre con una fina película de parileno -c, un polímero orgánico aromático depositado en vapor químico (CVD).
- El sello recubierto de parileno -c se entinta mediante centrifugación de una solución de QD coloidales suspendidos en un disolvente orgánico . [ contradictorio ]
- Una vez que el disolvente se evapora, la monocapa de QD formada se transfiere al sustrato mediante impresión por contacto.
La matriz de puntos cuánticos se fabrica por autoensamblaje en un proceso conocido como fundición por rotación : se vierte una solución de puntos cuánticos en un material orgánico sobre un sustrato, que luego se pone a girar para esparcir la solución de manera uniforme.
La impresión por contacto permite la fabricación de LED QD de varios colores. Se fabricó un QD-LED con una capa emisora que consta de franjas de 25 µm de ancho de monocapas QD rojas, verdes y azules. Los métodos de impresión por contacto también minimizan la cantidad de QD requerida, reduciendo los costos. [54]
Comparación
Las pantallas de nanocristales generarían un aumento de hasta un 30% en el espectro visible, mientras que usarían entre un 30 y un 50% menos de energía que las pantallas LCD, en gran parte porque las pantallas de nanocristales no necesitarían retroiluminación. Los LED QD son 50 a 100 veces más brillantes que las pantallas CRT y LC, y emiten 40.000 nits ( cd / m 2 ). Los QD se pueden dispersar en disolventes acuosos y no acuosos, lo que proporciona pantallas imprimibles y flexibles de todos los tamaños, incluidos televisores de gran superficie. Los QD pueden ser inorgánicos, lo que ofrece el potencial de mejorar la vida útil en comparación con OLED (sin embargo, dado que muchas partes de QD-LED a menudo están hechas de materiales orgánicos, se requiere un mayor desarrollo para mejorar la vida útil). Las pantallas microLED y el lugar están emergiendo como tecnologías que compiten con las pantallas de nanocristales. Samsung ha desarrollado un método para fabricar diodos de puntos cuánticos autoemisivos con una vida útil de 1 millón de horas. [67]
Otras ventajas incluyen mejores colores verdes saturados, capacidad de fabricación en polímeros, pantalla más delgada y el uso del mismo material para generar diferentes colores.
Una desventaja es que los puntos cuánticos azules requieren un control de tiempo muy preciso durante la reacción, porque los puntos cuánticos azules están ligeramente por encima del tamaño mínimo. Dado que la luz solar contiene luminosidades aproximadamente iguales de rojo, verde y azul en todo el espectro, una pantalla también debe producir luminosidades aproximadamente iguales de rojo, verde y azul para lograr un blanco puro según lo definido por el Iluminante estándar CIE D65 . Sin embargo, el componente azul en la pantalla puede tener una pureza y / o precisión de color relativamente menor ( rango dinámico ) en comparación con el verde y el rojo, porque el ojo humano es de tres a cinco veces menos sensible al azul en condiciones de luz diurna según la función de luminosidad CIE . .
Ver también
- Ancho de banda (procesamiento de señales)
- Agujero de electrones
- Nivel de energía
- Nanotecnología
- Diodo orgánico emisor de luz
- Pozo potencial
- Punto cuántico
- Ancho de línea espectral
Notas
- ^ Hasta el ancho de banda especificado, que a su vez es función de la dispersión de los puntos cuánticos.
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enlaces externos
- Puntos cuánticos: estado técnico y perspectivas de mercado
- Los puntos cuánticos que producen luz blanca podrían ser los sucesores de la bombilla