Nanokrystal skærme

Seth Coe-Sullivan, teknologichef hos Watertown, MA, startup QD Vision, fastgør krokodilleklemmer til to kanter af en gennemsigtig wafer på størrelse med en mobiltelefonskærm og drejer en kontakt: Et rektangel, der fylder midten af ​​waferen, drejer pludselig. fra reflekterende sølv til svag rød. En laboratoriemedarbejder slukker rummets lys for at øge effekten - men det er ikke nødvendigt. Coe-Sullivan drejer på en knap, og enheden begynder at lyse strålende.

Coe-Sullivan har en prototype kvanteprikskærm; sådanne skærme udsender ekstremt rene farver og kan i sidste ende skaleres op til at konkurrere med konventionelle skærme. (Fotokredit: Porter Gifford.)

[For billeder af denne forskning, holdet, udstyr og prototyper, klik her .]

Denne historie var en del af vores maj 2006-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Dette er QD Visions første skærm - en monokromatisk 32 x 64 pixel testseng for en teknologi, som Coe-Sullivan håber vil erstatte dem, der bruges i nutidens high-definition tv. Tynd og fleksibel, næste generations skærm vil være let at se i sollys og mindre strømkrævende end den i din nuværende bærbare computer, siger han. Det vil også dække mere af det synlige farvespektrum end nuværende skærme og producere billeder med så høj kontrast, at nutidens fladskærme vil se matte og udvaskede ud i sammenligning.

I dets hjerte er nanopartikler kaldet kvanteprikker, nanoskala halvlederkrystaller. Ved at ændre størrelsen på partiklerne kan forskerne ændre farven, de udsender: for eksempel ville en partikel med en diameter på seks nanometer lyse rødt, mens en anden af ​​samme materiale, men kun to nanometer bred, ville lyse blåt.

Hvor disse partikler virkelig skinner, er i renheden af ​​de farver, de udsender. Skærme skaber millioner af farver fra en palet på kun tre: hver pixel er lavet af en rød, en grøn og en blå subpixel, og variation af deres relative intensitet varierer pixlens tilsyneladende farve. I LCD'er og organiske lysemitterende enheder (OLED'er), en ny slags skærm, er subpixelfarverne urene. Den røde, for eksempel, mens den for det meste er lavet af rødt lys, indeholder også mindre mængder af andre farver. Med kvanteprikker udsender den røde subpixel dog kun rødt.

Denne renhed betyder, at kvantepunktbaserede skærme har mere mættede farver end LCD'er, OLED'er og endda voluminøse katodestrålerør (CRT'er), som stadig er værdsat for deres fremragende farvegengivelse. Hvad mere er, siger Coe-Sullivan, at rækkevidden af ​​farver, der er mulige i et kvantepunktsdisplay, er 30 procent større end i CRT'er: Vi øger dybden af ​​det grønne, som skærme kan vise, og dybden af ​​det blå-grønne osv. cetera. Det er faktisk en anden farve, end den kan ses på en LCD, OLED eller CRT.

Det, der måske er mest spændende ved quantum dot LED'er (QD-LED'er), er, at de bruger meget mindre strøm end LCD'er. På LCD-skærme oplyser et baggrundsbelysning hver pixel på skærmen. Mørke pixels blokerer simpelthen dette lys, hvilket i realiteten spilder energi. Til dels fordi kvanteprikker udsender lys i stedet for at filtrere det, kan en QD-LED-skærm potentielt bruge en tredjedel af en LCD-skærm.

Og der er en anden fordel ved ikke at have baggrundsbelysning, ifølge Vladimir Bulovic, en ekspert hos MIT i OLED-skærme. For i LCD'er blokerer de mørke pixels ikke lyset perfekt, siger Bulovic, de sorte pixels på LCD'er er egentlig bare mørkegrå. Med kvanteprikker udsender sorte pixels på den anden side intet lys. Det, der gør billedet sprødt og virkelig springer i øjnene, er, at det sorte er virkelig, virkelig mørkt, siger han.

bægre af denne glødende grønne ting
Ideen om at bruge kvanteprikker i skærme er ikke ny. I begyndelsen af ​​1990'erne, da kemikere som Moungi Bawendi, nu MIT professor i kemi og videnskabelig rådgiver ved QD Vision, perfektionerede teknikker til at danne præcise, ensartede kvanteprikker, forsøgte nogle at lave QD-LED'er, men producerede kun svage, ineffektive enheder det krævede omkring hundrede tusinde elektroner for at lokke kvanteprikker til at udsende en enkelt foton. I modsætning hertil kræver Coe-Sullivans QD-LED'er kun omkring 50 elektroner pr. foton.

For at opnå dette fremskridt krævede det, at de rigtige mennesker kom sammen på det rigtige tidspunkt. Det skete i 2000, da Coe-Sullivan kom til MIT som kandidatstuderende og mødte Bawendi og en helt ny MIT-elektroingeniørprofessor, der var ankommet et par uger før – Vladimir Bulovic.

Lige inden for døren til QD Visions laboratorium er en række kolber indeholdende en boblende rød væske - en opløsning af nyligt dannede kvanteprikker. Samarbejdet, der førte til den første effektive QD-LED-skærm, begyndte efter Bulovic, på et besøg på MIT, faldt over en lignende scene i laboratoriet hos en af ​​Bawendis samarbejdspartnere.

Bulovic siger, at før han stødte på bægre af dette lysende grønne stof på MIT, havde han aldrig hørt om kvanteprikker. Coe-Sullivan lånte Bulovics viden om OLED-fabrikationstricks og Bawendis quantum dot-ekspertise og fik også hjælp fra medstuderende Jonathan Steckel og Wing-Keung Woo.

Selv med al denne ekspertise skete det gennembrud, der gjorde enheden mulig, delvist ved et uheld. Forskerne havde blandet kvanteprikker i en opløsning af organiske molekyler og spredt blandingen til en tynd film ved hjælp af en proces kaldet spin-casting, i håbet om, at kvanteprikkerne ville spredes jævnt gennem filmen. Det viste sig, at kvanteprikkerne steg til overfladen af ​​filmen og samlede sig i et velordnet, ensartet lag med kun én prik tykt, et arrangement, der viste sig at være mere effektivt end det, forskerne havde tænkt sig.

Dette lag af kvanteprikker blev kernen i en flerlags enkeltfarvet QD-LED, klemt mellem elektroder og ladningstransportlag. Coe-Sullivan grundlagde sammen med Bulovic og Greg Moeller, direktør for forretningsudvikling, QD Vision i 2004 for at gå fra denne enkle enhed til en fuldfarveskærm, der kan fremstilles rentabelt.

Et vigtigt skridt var at arrangere arrays af pixels. Hos QD Vision peger Coe-Sullivan på et glasfrontskab, der er omhyggeligt blokeret for at skjule en del af en proprietær proces til distribution af kvanteprikker i de skiftende trefarvede rektangulære gitter, der er nødvendige for en fungerende skærm. Allerede teknikken, som Coe-Sullivan siger, skulle føre til relativt billig fremstilling, har produceret mønstre med pixels, der er mindre end dem, der er typiske for nuværende skærme.

Coe-Sullivan siger, at QD Vision burde være i stand til at låne fra OLED-teknologi en nøglekomponent i skærme, nemlig bagplanet, der styrer pixels. Nu er virksomheden fokuseret på at forbedre effektiviteten af ​​sin enhed, som, selvom den er konkurrencedygtig med mobiltelefonskærme, stadig kan forbedres.

I alt siger Coe-Sullivan, at han forventer, at der vil gå omkring fire år, før virksomheden har sit første kommercielle produkt – formentlig en lille skærm til en mobiltelefon. Men han siger, at de farverige billeder vil være ventetiden værd.

Hjemmesidebillede udlånt af Porter Gifford.

skjule