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 fotoemisores se utilizan en retroiluminación de LCD o filtros de color de pantalla. Los puntos cuánticos se excitan con la luz azul del panel de visualización para emitir colores básicos puros, lo que reduce las pérdidas de luz y la diafonía de color en los filtros de color, mejorando el brillo de la pantalla y la gama de colores . La luz viaja a través de la película de capa QD y los filtros RGB tradicionales hechos de pigmentos de color, o a través de filtros QD con convertidores de color QD rojo/verde y paso azul. Aunque la tecnología de filtro de color QD se utiliza principalmente en LCD con retroiluminación LED , es aplicable a otras tecnologías de visualización que utilizan filtros de color, como los paneles de visualización de diodos orgánicos emisores de luz de matriz activa azul/UV (AMOLED) o QNED/ MicroLED . [1] [2] [3] Las pantallas LCD retroiluminadas por LED son la principal aplicación de los puntos cuánticos fotoemisores, aunque ahora están llegando al mercado paneles de diodos orgánicos emisores de luz ( OLED ) azules con filtros de color QD. [4]
Las pantallas de puntos cuánticos electroemisores o electroluminiscentes son un tipo experimental de pantalla basada en diodos emisores de luz de puntos cuánticos (QD-LED; también EL-QLED, ELQD, QDEL). Estas pantallas son similares a las pantallas AMOLED y MicroLED, en el sentido de que la luz se produciría directamente en cada píxel aplicando corriente eléctrica a nanopartículas inorgánicas. Los fabricantes afirmaron que las pantallas QD-LED podrían soportar pantallas grandes y flexibles y no se degradarían tan fácilmente como las OLED, lo que las convierte en buenas candidatas para pantallas de TV de panel plano , cámaras digitales , teléfonos móviles y consolas de juegos portátiles . [5] [6] [7]
A partir de junio de 2016, [actualizar]todos los productos comerciales, como los televisores LCD con la marca QLED , emplean puntos cuánticos como partículas fotoemisoras ; los televisores QD-LED electroemisores solo existen en laboratorios. [8] [9] Las pantallas de puntos cuánticos son capaces de mostrar gamas de colores más amplias, y algunos dispositivos se acercan a la cobertura total de la gama de colores BT.2020 . [10] [11] [12] Las pantallas QD-OLED y QD-LED pueden lograr el mismo contraste que las pantallas OLED/MicroLED con niveles de negro "perfectos" en el estado apagado, a diferencia de las pantallas LCD con retroiluminación LED.
La idea de utilizar puntos cuánticos como fuente de luz surgió en la década de 1990. Las primeras aplicaciones incluyeron la obtención de imágenes mediante fotodetectores infrarrojos QD, diodos emisores de luz y dispositivos emisores de luz de un solo color. [13] 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. [14]
Los puntos cuánticos son fotoemisivos ( fotoluminiscentes ) o electroemisivos ( electroluminiscentes ), lo que permite incorporarlos fácilmente en nuevas arquitecturas de pantallas emisoras. [15] Los puntos cuánticos producen naturalmente luz monocromática, por lo que son más eficientes que las fuentes de luz blanca cuando se filtran por color y permiten colores más saturados que alcanzan casi el 100 % de la gama de colores Rec. 2020. [11] [12] [10]
Una aplicación práctica muy extendida es el uso de una 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 genera menos diafonía azul-verde y absorción de luz en los filtros de color después de la pantalla LCD, lo que aumenta el rendimiento de la luz útil y proporciona una mejor gama de colores .
El primer fabricante que envió televisores de este tipo fue Sony en 2013 como Triluminos , la marca registrada 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 de televisores LCD. [17] [18] [19] En el CES 2017, Samsung rebautizó sus televisores "SUHD" como "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 capa delgada de QD recubierta sobre la placa guía de luz (LGP), lo que reduce los costos y mejora la eficiencia. [22] [23]
Se están investigando retroiluminaciones LED blancas tradicionales que utilizan LED azules con estructuras QD rojo-verde en chip o en riel, aunque las altas temperaturas de funcionamiento afectan negativamente su vida útil. [24] [25]
Los LCD con retroiluminación LED con convertidor de color QD (QDCC) utilizarían película QD o capa QD impresa con tinta con puntos cuánticos con patrones de subpíxeles rojo/verde (es decir, alineados para que coincidan exactamente con los subpíxeles rojo y verde) para producir luz roja/verde pura; los subpíxeles azules pueden ser transparentes para pasar a través de la retroiluminación LED azul pura, o pueden estar hechos con puntos cuánticos con patrones azules en el caso de la 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 fotoemisoras, 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 convertidor de color e incrustarse en la celda del vidrio LCD; esto también mejoraría los ángulos de visión. La disposición en la celda del analizador y/o el polarizador también reduciría los efectos de despolarización en la capa LC, aumentando la relación de contraste. Para reducir la autoexcitación de la película QD y mejorar la eficiencia, la luz ambiental se puede bloquear utilizando filtros de color tradicionales, y los polarizadores reflectantes pueden dirigir la luz desde el QDCC hacia el espectador. Como solo la luz azul o ultravioleta pasa a través de la capa de cristal líquido, se puede hacer más delgada, lo que da como resultado tiempos de respuesta de píxeles más rápidos . [26] [28]
Nanosys realizó presentaciones de su tecnología de conversión de color fotoemisiva durante 2017; se esperaban productos comerciales para 2019, aunque el polarizador en celda siguió siendo un desafío importante. [29] [20] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] A diciembre de 2019, los problemas con el polarizador en celda siguen sin resolverse y desde entonces no han aparecido en el mercado pantallas LCD con convertidor de color QD. [37]
Los convertidores de color QD se pueden utilizar con paneles OLED o micro-LED, mejorando su eficiencia y gama de colores. [22] [36] [38] [39] Samsung y TCL están investigando paneles QD-OLED con emisores azules y convertidores de color rojo-verde; a mayo de 2019, Samsung tiene la intención de iniciar la producción en 2021. [40] [41] [42] [43] [44] [45] 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 la producción QD-OLED durante 2019-2025. [46] [47] [48] [49] Samsung Display presentó paneles QD-OLED de 55" y 65" en CES 2022 , y los televisores de Samsung Electronics y Sony se lanzarán más adelante en 2022. [50] Las pantallas QD-OLED muestran un mejor volumen de color, cubriendo el 90% de la gama de colores Rec.2020 con un brillo máximo de 1500 nits, mientras que los televisores OLED y LCD actuales cubren el 70-75% de Rec.2020 (95-100% de DCI-P3). [51] [52] [53]
Un desarrollo posterior de las pantallas QD-OLED es la pantalla de diodo emisor de nanobarras de puntos cuánticos (QNED) [54] que reemplaza la capa OLED azul con LED de nanobarras azules InGaN / GaN . Las nanobarras tienen una superficie de emisión más grande en comparación con los LED planos, lo que permite una mayor eficiencia y una mayor emisión de luz. La solución de nanobarras se imprime con tinta en el sustrato, luego los subpíxeles se alinean en su lugar mediante corriente eléctrica y los convertidores de color QD se colocan sobre los subpíxeles rojo / verde. [55] [56] Se esperaba que Samsung Display comenzara la producción de prueba de paneles QNED en 2021, [57] [54] con la producción en masa en 2024-2025, pero la producción de prueba se pospuso a mayo de 2022. [58] [59]
A partir de 2021, LG Electronics presentó una serie de televisores con la marca "QNED Mini LED". Estos televisores se basan en pantallas LCD con retroiluminación mini LED y no utilizan tecnologías de autoemisión. [60] LG explica que el acrónimo "QNED" en su caso significa "Quantum Nano-Emitting Diode". [61] El año siguiente, LG lanzó televisores "QNED" que no utilizan tecnología mini LED, pero aún dependen de la tecnología LCD.
Las pantallas de puntos cuánticos autoemisores utilizarán nanopartículas electroluminiscentes QD que funcionarán como LED basados en puntos cuánticos (QD-LED) dispuestos en una matriz activa o pasiva . En lugar de requerir una luz de fondo LED separada para la iluminación y una pantalla LCD TFT para controlar el brillo de los colores primarios, estas pantallas QDEL controlarían de forma nativa la luz emitida por subpíxeles de color individuales, [62] reduciendo en gran medida los tiempos de respuesta de los píxeles al eliminar la capa de cristal líquido. Esta tecnología también se ha denominado pantalla QLED verdadera, [63] y puntos cuánticos electroluminiscentes (ELQD, QDLE, QDEL, EL-QLED). [64] [65]
La estructura de un LED QD 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 se intercala entre capas de materiales orgánicos transportadores de electrones y de huecos. Un campo eléctrico aplicado hace que los electrones y los huecos se desplacen hacia la capa de puntos cuánticos, donde son capturados en el punto cuántico y se recombinan, emitiendo fotones. [14] [66] La gama de colores demostrada de los LED QD supera el rendimiento de las tecnologías de visualización LCD y OLED. [11] [12] [10] Para lograr LED totalmente QD, el desafío que se debe superar es la mala conducción eléctrica actual en las capas QD emisoras. [67] [68]
Como los materiales a base de cadmio no se pueden utilizar en aplicaciones de iluminación debido a su impacto ambiental, [69] Nanosys, Nanoco, Nanophotonica, OSRAM OLED, Fraunhofer IAP, Merck y la Universidad Nacional de Seúl, entre otros, están investigando soluciones de inyección de tinta de InP ( fosfuro de indio ). [34] [70] [71] A partir de 2019, los materiales basados en InP todavía no están listos para la producción comercial debido a su vida útil limitada. [72]
Se esperaba que la producción en masa de pantallas QLED de matriz activa mediante impresión por inyección de tinta comenzara en 2020-2021, [73] [74] [75] [35] [36] pero a partir de 2024, los problemas de longevidad no se han resuelto y la tecnología permanece en la etapa de prototipo. Nanosys espera que su tecnología electroluminiscente QD esté disponible para producción en 2026. [76]
En el CES 2024, Sharp NEC Display presentó de forma privada prototipos de paneles de visualización de 12" y 30". [77] [76]
El rendimiento de los QD está determinado por el tamaño y/o la composición de las estructuras de QD. A diferencia de las estructuras atómicas simples, una estructura de punto cuántico 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 puede ajustar desde el rojo (diámetro de 5 nm) hasta la región violeta (punto de 1,5 nm). La razón física de la coloración de QD es el efecto de confinamiento cuántico y está directamente relacionada con sus niveles de energía . La energía de la 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 espaciados, lo que permite que el QD emita (o absorba) fotones de menor energía (color más rojo). En otras palabras, la energía del fotón emitido aumenta a medida que disminuye el tamaño del punto, porque se requiere mayor energía para confinar la excitación del semiconductor a un volumen más pequeño. [78]
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 según la directiva RoHS de la Comisión Europea , [24] [79] 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. [14] [26] Su longitud de onda de emisión se ajusta fácilmente cambiando el tamaño de los puntos cuánticos. Además, los LED QD ofrecen una alta pureza de color y durabilidad combinadas con la eficiencia, flexibilidad y bajo costo de procesamiento de dispositivos orgánicos emisores de luz comparables. La estructura de los LED QD se puede ajustar 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 extendido continuamente al rango UV y NIR adaptando la composición química de los QD y la estructura del dispositivo. [80] [81]
Los puntos cuánticos se pueden procesar en solución y son adecuados para técnicas de procesamiento en húmedo. Las dos técnicas principales de fabricación para QD-LED se denominan separación de fases e impresión por contacto. [82]
La separación de fases es adecuada para formar monocapas de QD ordenadas de gran superficie. Una única capa de QD se forma mediante la fundición 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 de QD autoensambladas en matrices hexagonales compactas y coloca esta monocapa sobre un contacto codepositado. Durante el secado con disolvente , las fases de los QD se separan del material orgánico subyacente (TPD) y ascienden 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 del tamaño de QD y relación de aspecto de QD. También es importante la pureza de la solución de QD y del disolvente orgánico. [83]
Aunque la separación de fases es relativamente simple, no es adecuada para aplicaciones de dispositivos de visualización. Dado que la fundición por centrifugación no permite la creación de patrones laterales de QD de diferentes tamaños (RGB), la separación de fases no puede crear un QD-LED multicolor. Además, no es ideal tener un material orgánico como subcapa para un QD-LED; una subcapa orgánica debe ser homogénea, una restricción que limita la cantidad de diseños de dispositivos aplicables.
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 solventes. 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 una ventaja importante. Este método puede producir estructuras electroluminiscentes con patrones RGB con una resolución de 1000 ppi (píxeles por pulgada). [12]
El proceso general de impresión por contactos:
El conjunto de puntos cuánticos se fabrica mediante autoensamblaje en un proceso conocido como fundición por centrifugado : se vierte una solución de puntos cuánticos en un material orgánico sobre un sustrato, que luego se pone a girar para distribuir la solución de manera uniforme.
La impresión por contacto permite la fabricación de LED QD multicolores. Se fabricó un LED QD con una capa emisora que consta de franjas de 25 μm de ancho de monocapas de QD de color rojo, verde y azul. Los métodos de impresión por contacto también minimizan la cantidad de QD necesaria, lo que reduce los costos. [12]
Las pantallas de nanocristales producirían un aumento de hasta un 30% en el espectro visible, mientras que utilizarían entre un 30 y un 50% menos de energía que las pantallas de LCD, en gran parte porque las pantallas de nanocristales no necesitarían retroiluminación. Los LED QD son entre 50 y 100 veces más brillantes que las pantallas CRT y LC, emitiendo 40.000 nits ( cd /m2 ) . Los QD se pueden dispersar en disolventes acuosos y no acuosos, lo que permite obtener pantallas imprimibles y flexibles de todos los tamaños, incluidos los televisores de gran superficie. Los QD pueden ser inorgánicos, lo que ofrece el potencial de una vida útil mejorada en comparación con los OLED (sin embargo, dado que muchas partes de los QD-LED suelen estar hechas de materiales orgánicos, se requiere un mayor desarrollo para mejorar la vida útil funcional). Además de las pantallas OLED, las pantallas microLED de pick-and-place están surgiendo 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. [84]
Otras ventajas incluyen colores verdes mejor saturados, capacidad de fabricación en polímeros, una 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 altamente preciso durante la reacción, porque los puntos cuánticos azules son apenas superiores al tamaño mínimo. Dado que la luz solar contiene luminosidades aproximadamente iguales de rojo, verde y azul en todo el espectro, una pantalla también necesita producir luminosidades aproximadamente iguales de rojo, verde y azul para lograr un blanco puro según lo definido por la norma CIE para iluminantes D65 . Sin embargo, el componente azul en la pantalla puede tener una pureza de color y/o precisión ( rango dinámico ) relativamente menor 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 .
A diferencia de los paneles LCD tradicionales y los paneles LCD de puntos cuánticos, los QD-OLED sufren el mismo efecto de quemado de pantalla que los paneles OLED normales. [ cita requerida ]
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