Una pantalla de puntos cuánticos es un dispositivo de visualización que utiliza puntos cuánticos (QD), nanocristales semiconductores que pueden producir luz monocromática pura [a] roja, verde y azul. Las partículas de puntos cuánticos fotoemisivas se utilizan en la retroiluminación de LCD o en filtros de color de pantalla. Los puntos cuánticos son excitados por 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 una película de capa QD y 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 pantallas LCD con retroiluminación LED , es aplicable a otras tecnologías de visualización que utilizan filtros de color, como el diodo emisor de luz orgánico de matriz activa azul/UV (AMOLED) o los paneles de visualización QNED/ MicroLED . [1] [2] [3] Las pantallas LCD con retroiluminación LED son la principal aplicación de los puntos cuánticos fotoemisores, aunque se están investigando paneles OLED azules con filtros de color QD.
Las pantallas de puntos cuánticos electroemisivas 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 admitir pantallas grandes y flexibles y no se degradarían tan fácilmente como las OLED, lo que las convierte en buenos candidatos para pantallas de TV de pantalla plana , cámaras digitales , teléfonos móviles y consolas de juegos portátiles . [4] [5] [6]
En junio de 2016, [actualizar]todos los productos comerciales, como los televisores LCD con la marca QLED , emplean puntos cuánticos como partículas fotoemisivas ; Los televisores QD-LED electroemisivos sólo existen en laboratorios. [7] [8] 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 . [9] [10] [11] Las pantallas QD-OLED y QD-LED pueden lograr el mismo contraste que las pantallas OLED/MicroLED con niveles de negro "perfectos" en estado apagado, a diferencia de las pantallas LCD con retroiluminación LED.
La idea de utilizar puntos cuánticos como fuente de luz surgió en los años 90. Las primeras aplicaciones incluyeron imágenes utilizando 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 del desarrollo de puntos cuánticos para fuentes de luz y pantallas. [13]
Los QD son fotoemisivos ( fotoluminiscentes ) o electroemisivos ( electroluminiscentes ), lo que les permite incorporarse fácilmente a nuevas arquitecturas de pantallas emisivas. [14] Los puntos cuánticos producen naturalmente luz monocromática, 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 . [10] [11] [9]
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 . Los QD convierten la luz de una retroiluminación LED azul 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, aumentando así la luz útil. rendimiento y proporcionando una mejor gama de colores .
El primer fabricante que lanzó televisores de este tipo fue Sony en 2013 como Triluminos , la marca registrada de Sony para esta tecnología. [15] En el Consumer Electronics Show 2015, Samsung Electronics , LG Electronics , TCL Corporation y Sony mostraron retroiluminación LED mejorada con QD en televisores LCD. [16] [17] [18] En el CES 2017, Samsung cambió el nombre de sus televisores 'SUHD' a 'QLED'; Más tarde, en abril de 2017, Samsung formó la Alianza QLED con Hisense y TCL para producir y comercializar televisores mejorados con QD. [19] [20]
Quantum dot on glass (QDOG) reemplaza la película QD con una fina capa QD recubierta sobre la placa guía de luz (LGP), lo que reduce los costos y mejora la eficiencia. [21] [22]
Se están investigando retroiluminación LED blanca tradicional que utiliza LED azules con estructuras QD rojo-verde en chip o en riel, aunque las altas temperaturas de funcionamiento afectan negativamente su vida útil. [23] [24]
Las pantallas LCD con retroiluminación LED con convertidor de color QD (QDCC) utilizarían una película QD o una capa QD impresa con tinta con puntos cuánticos con patrones de subpíxeles rojos/verdes (es decir, alineados para que coincidan con precisión con los subpíxeles rojos y verdes) 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 dibujos 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 fotoemisivas, lo que mejora la eficiencia energética y/o el brillo máximo y mejora la pureza del color. [23] [25] [26] 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 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 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 del 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 . [25] [27]
Nanosys realizó presentaciones de su tecnología de conversión de color fotoemisiva durante 2017; Se esperaban productos comerciales para 2019, aunque el polarizador en la celda seguía siendo un desafío importante. [28] [19] [29] [30] [31] [32] [33 ] [34] [35] A partir de diciembre de 2019, los problemas con el polarizador interno siguen sin resolverse y no aparecieron pantallas LCD con convertidor de color QD en el mercado desde entonces. [36]
Los conversores de color QD se pueden utilizar con paneles OLED o micro-LED, mejorando su eficiencia y gama de colores. [21] [35] [37] [38] Samsung y TCL investigan los paneles QD-OLED con emisores azules y convertidores de color rojo-verde; a partir de mayo de 2019, Samsung tiene la intención de comenzar la producción en 2021. [39] [40] [41] [42] [43] [44] En octubre de 2019, Samsung Display anunció una inversión de 10.800 millones de dólares 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] 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. [49] Las pantallas QD-OLED muestran mejor volumen de color, que cubre 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 entre el 70% y el 75% de Rec.2020 (95% y 100% de DCI-P3). [50] [51] [52]
Un desarrollo adicional de las pantallas QD-OLED es la pantalla de diodo emisor de nanobarras de puntos cuánticos (QNED) [53] que reemplaza la capa OLED azul con LED de nanobarras azules de InGaN / GaN . Los nanorods 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 Nanorod se imprime con tinta sobre el sustrato, luego los subpíxeles se alinean en su lugar mediante corriente eléctrica y los convertidores de color QD se colocan encima de los subpíxeles rojo/verde. [54] [55] Se esperaba que Samsung Display comenzara la producción de prueba de paneles QNED en 2021, [56] [53] con la producción en masa en 2024-2025, pero la producción de prueba se pospuso a partir de mayo de 2022. [57] [58 ]
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 autoemisivas. [59] LG explica que el acrónimo "QNED" en su caso significa "Quantum Nano-Emitting Diode". [60] Al año siguiente, LG lanzó televisores "QNED" que no utilizan tecnología mini LED pero que aún dependen de la tecnología LCD.
Las pantallas de puntos cuánticos autoemisivas utilizarán nanopartículas QD electroluminiscentes que funcionarán como LED basados en puntos cuánticos (QD-LED o QLED) dispuestos en una matriz activa o en una matriz pasiva . En lugar de requerir una retroiluminación LED separada para la iluminación y una pantalla LCD TFT para controlar el brillo de los colores primarios, estas pantallas QLED controlarían de forma nativa la luz emitida por subpíxeles de color individuales, [61] reduciendo en gran medida los tiempos de respuesta de los píxeles al eliminar la capa de cristal líquido. Esta tecnología también ha sido llamada pantalla QLED verdadera, [62] y puntos cuánticos electroluminiscentes (ELQD, QDLE, QDEL, EL-QLED). [63] [64]
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 se intercala entre capas de materiales orgánicos que transportan electrones y 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] [65] La gama de colores demostrada de los QD-LED supera el rendimiento de las tecnologías de pantalla LCD y OLED. [10] [11] [9] Para realizar LED totalmente QD, el desafío que se debe superar es la mala conducción eléctrica actual en las capas emisoras de QD. [66] [67]
Se espera que la producción en masa de pantallas QLED de matriz activa mediante impresión por inyección de tinta comience en 2020-2021. [68] [69] [70] [34] [35] Como los materiales a base de cadmio no se pueden utilizar en aplicaciones de iluminación debido a su impacto ambiental, [71] Nanosys está investigando soluciones de inyección de tinta InP ( fosfuro de indio ). Nanoco, Nanophotonica, OSRAM OLED, Fraunhofer IAP, Merck y la Universidad Nacional de Seúl, entre otras. [33] [72] [73] A partir de 2019, los materiales basados en InP aún no están listos para la producción comercial debido a su vida útil limitada. [74]
El rendimiento de los QD está determinado por el tamaño y/o la composición de las estructuras de los 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 puntos cuánticos de CdSe se puede sintonizar desde la región roja (5 nm de diámetro) a 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 banda prohibida que determina la energía (y por 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 menor. [75]
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 , [23] [76] y también debido a la toxicidad del cadmio.
Los QD-LED se caracterizan por tener 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] [25] Su longitud de onda de emisión se sintoniza fácilmente cambiando el tamaño de los puntos cuánticos. Además, QD-LED ofrece alta pureza de color y durabilidad combinadas con la eficiencia, flexibilidad y bajo costo de procesamiento de dispositivos emisores de luz orgánicos comparables. La estructura QD-LED se puede sintonizar en todo el rango de longitud de onda visible, desde 460 nm (azul) hasta 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. [77] [78]
Los puntos cuánticos se pueden procesar en solución y son adecuados para técnicas de procesamiento húmedo. Las dos técnicas principales de fabricación de QD-LED se denominan separación de fases e impresión por contacto. [79]
La separación de fases es adecuada para formar monocapas QD ordenadas de gran superficie. Se forma una única capa de QD mediante fundición por rotación 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 hexagonales compactas y coloca esta monocapa encima de un contacto codepositado. Durante el secado con disolvente , la fase QD se separa del material orgánico de la capa inferior (TPD) y asciende hacia la superficie de la película. La estructura QD resultante se ve afectada por muchos parámetros: concentración de la solución, proporción de disolvente, distribución de tamaño QD y relación de aspecto QD. También es importante la pureza de la solución QD y del disolvente orgánico. [80]
Aunque la separación de fases es relativamente sencilla, no es adecuada para aplicaciones de dispositivos de visualización. Dado que el spin-casting no permite el diseño lateral de QD (RGB) de diferentes tamaños, la separación de fases no puede crear un QD-LED multicolor. Además, no es ideal tener una capa inferior de material orgánico para un QD-LED; una capa inferior orgánica debe ser homogénea, una restricción que limita el número 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 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 ppp (píxeles por pulgada). [11]
El proceso general de impresión de contactos:
La matriz de puntos cuánticos se fabrica mediante autoensamblaje en un proceso conocido como spin casting : una solución de puntos cuánticos en un material orgánico se vierte sobre un sustrato, que luego se hace girar para distribuir la solución de manera uniforme.
La impresión por contacto permite la fabricación de QD-LED multicolores. Se fabricó un QD-LED con una capa emisiva 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, lo que reduce los costos. [11]
Las pantallas de nanocristales producirían un aumento de hasta un 30% en el espectro visible, al tiempo que utilizarían 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 entre 50 y 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 la posibilidad de mejorar su vida útil 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). Las pantallas microLED de fácil instalación 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. [81]
Otras ventajas incluyen colores verdes mejor 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 tienen un tamaño ligeramente superior al 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 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. .
A diferencia de los paneles LCD tradicionales y los paneles LCD Quantum Dot, los QD-OLED sufren el mismo efecto de desgaste de pantalla que los paneles OLED normales.
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