Quantenpunktanzeige – Wikipedia

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Mit UV-Licht bestrahlte kolloidale Quantenpunkte. Quantenpunkte unterschiedlicher Größe emittieren aufgrund der Quantenbeschränkung Licht unterschiedlicher Farbe.

EIN Quantenpunktanzeige ist ein Anzeigegerät, das Quantenpunkte (QD), Halbleiternanokristalle verwendet, die reines monochromatisches rotes, grünes und blaues Licht erzeugen können.

Foto emittierend Quantenpunktpartikel werden in einer QD-Schicht verwendet, die das blaue Licht einer Hintergrundbeleuchtung verwendet, um reine Grundfarben zu emittieren, die die Anzeigehelligkeit und den Farbumfang verbessern, indem sie Lichtverluste und Farbübersprechen in RGB-LCD-Farbfiltern reduzieren und herkömmliche farbige Fotolacke in RGB-LCD-Farben ersetzen Filter. Diese Technologie wird in LCDs mit LED-Hintergrundbeleuchtung verwendet, ist jedoch auch auf andere Anzeigetechnologien anwendbar, die Farbfilter verwenden, wie z. B. Blau / UV-OLED oder MicroLED.[1][2][3] LCDs mit LED-Hintergrundbeleuchtung sind die Hauptanwendung von Quantenpunkten, mit denen sie eine Alternative zu OLED-Displays darstellen.

Elektroemittierend oder elektroluminiszent Quantenpunktanzeigen sind ein experimenteller Anzeigetyp, der auf Quantenpunkt-Leuchtdioden (QD-LED; auch EL-QLED, ELQD, QDEL) basiert. Diese Anzeigen ähneln Aktivmatrix-organischen Leuchtdioden- (AMOLED) und MicroLED-Anzeigen, da Licht direkt in jedem Pixel durch Anlegen von elektrischem Strom an anorganische Nanopartikel erzeugt wird. QD-LED-Displays könnten große, flexible Displays unterstützen und würden sich nicht so schnell verschlechtern wie OLEDs. Dies macht sie zu guten Kandidaten für Flachbildfernseher, Digitalkameras, Mobiltelefone und Handheld-Spielekonsolen.[4][5][6]

Ab 2019 sind alle kommerziellen Produkte wie LCD-Fernseher mit Quantenpunkten und als gekennzeichnet QLED, verwenden Foto emittierend Partikel. Elektroemittierend QD-LED-Fernseher gibt es nur in Labors, obwohl Samsung daran arbeitet, “in naher Zukunft” elektroemittierende QDLED-Displays herauszubringen.[7] während andere[8] bezweifle, dass solche QDLED-Displays jemals zum Mainstream werden.[9][10]

Emittierende Quantenpunktanzeigen können den gleichen Kontrast wie OLED- und MicroLED-Anzeigen mit “perfekten” Schwarzwerten im ausgeschalteten Zustand erzielen. Quantum Dot-Displays können einen größeren Farbumfang als OLEDs anzeigen, wobei einige Geräte sich der vollständigen Abdeckung des BT.2020-Farbumfangs nähern.[11]

Arbeitsprinzip[edit]

Samsung QLED TV 8K – 75 Zoll

Die Idee, Quantenpunkte als Lichtquelle zu verwenden, entstand in den 1990er Jahren. Frühe Anwendungen umfassten die Bildgebung mit QD-Infrarot-Fotodetektoren, Leuchtdioden und einfarbigen Leuchtgeräten.[12] Ab Anfang der 2000er Jahre erkannten die Wissenschaftler das Potenzial der Entwicklung von Quantenpunkten für Lichtquellen und Displays.[13]

QDs sind entweder Foto emittierend (photolumineszierend) oder elektroemittierend (elektrolumineszierend), so dass sie leicht in neue emittierende Anzeigearchitekturen integriert werden können.[14] Quantenpunkte erzeugen auf natürliche Weise monochromatisches Licht, daher sind sie bei Farbfilterung effizienter als weiße Lichtquellen und ermöglichen gesättigte Farben, die fast 100% von Rec erreichen. 2020 Farbskala.[15]

Quantenpunktverbesserungsschicht[edit]

Eine weit verbreitete praktische Anwendung ist die Verwendung einer QDEF-Schicht (Quantum Dot Enhancement Film), um die LED-Hintergrundbeleuchtung in LCD-Fernsehern zu verbessern. Licht von einer blauen LED-Hintergrundbeleuchtung wird durch QDs in relativ reines Rot und Grün umgewandelt, so dass diese Kombination aus blauem, grünem und rotem Licht weniger blaugrünes Übersprechen und Lichtabsorption in den Farbfiltern nach dem LCD-Bildschirm verursacht, wodurch das nützliche Licht erhöht wird Durchsatz und bessere Farbskala.

Der erste Hersteller, der Fernseher dieser Art auslieferte, war Sony im Jahr 2013 als Triluminos, Sonys Markenzeichen für die Technologie.[16] Auf der Consumer Electronics Show 2015 zeigten Samsung Electronics, LG Electronics, TCL Corporation und Sony eine QD-verbesserte LED-Hintergrundbeleuchtung von LCD-Fernsehern.[17][18][19] Auf der CES 2017 hat Samsung seine “SUHD” -Fernseher in “QLED” umbenannt. Später im April 2017 gründete Samsung mit Hisense und TCL die QLED Alliance, um QD-verbesserte Fernseher zu produzieren und zu vermarkten.[20][21]

Der Quantenpunkt auf Glas (QDOG) ersetzt den QD-Film durch eine dünne QD-Schicht, die auf die Lichtleiterplatte (LGP) aufgetragen ist, wodurch die Kosten gesenkt und die Effizienz verbessert werden.[22][23]

Traditionelle weiße LED-Hintergrundbeleuchtungen, die blaue LEDs mit On-Chip- oder On-Rail-Rot-Grün-QD-Strukturen verwenden, werden untersucht, obwohl hohe Betriebstemperaturen ihre Lebensdauer negativ beeinflussen.[24][25]

Quantenpunkt-Farbfilter[edit]

QD-Farbfilter / Wandler (QDCF / QDCC) LCDs mit LED-Hintergrundbeleuchtung würden einen QD-Film oder eine mit Tinte bedruckte QD-Schicht mit rot / grünen Subpixel-gemusterten (dh genau auf die roten und grünen Subpixel ausgerichteten) Quantenpunkten verwenden, um reines Rot zu erzeugen /grünes Licht; Blaue Subpixel können transparent sein, um durch die rein blaue LED-Hintergrundbeleuchtung zu gelangen, oder sie können bei UV-LED-Hintergrundbeleuchtung mit blau gemusterten Quantenpunkten hergestellt werden. Diese Konfiguration ersetzt effektiv passive Farbfilter, die durch Herausfiltern von 2/3 des durchgehenden Lichts erhebliche Verluste verursachen, durch photoemittierende QD-Strukturen, wodurch die Energieeffizienz und / oder die Spitzenhelligkeit verbessert und die Farbreinheit verbessert werden.[24][26][27] Da Quantenpunkte das Licht depolarisieren, muss der Ausgangspolarisator (der Analysator) hinter den Farbfilter bewegt und in die Zelle des LCD-Glases eingebettet werden. Dies würde auch die Betrachtungswinkel verbessern. Die Anordnung des Analysators und / oder des Polarisators in der Zelle würde auch die Depolarisationseffekte in der LC-Schicht verringern und das Kontrastverhältnis erhöhen. Um die Selbsterregung des QD-Films zu verringern und die Effizienz zu verbessern, kann das Umgebungslicht mit herkömmlichen Farbfiltern blockiert werden, und reflektierende Polarisatoren können das Licht von QD-Filtern auf den Betrachter richten. Da nur blaues oder UV-Licht durch die Flüssigkristallschicht fällt, kann es dünner gemacht werden, was zu schnelleren Pixelreaktionszeiten führt.[26][28]

Nanosys präsentierte 2017 seine fotoemittierende Farbfiltertechnologie. Bis 2019 wurden kommerzielle Produkte erwartet, obwohl der In-Cell-Polarisator eine große Herausforderung blieb.[29][20][30][31][32][33][34][35][36] Bis Dezember 2019 sind Probleme mit dem In-Cell-Polarisator weiterhin ungelöst, und es sind keine LCDs mit QD-Farbfiltern auf dem Markt erschienen.[37]

QD-Farbfilter / -konverter können mit OLED- oder Micro-LED-Panels verwendet werden, um deren Effizienz und Farbumfang zu verbessern.[22][36][38][39] QD-OLED-Panels mit blauen Emittern und rot-grünen Farbfiltern werden von Samsung und TCL untersucht. Samsung beabsichtigt, ab Mai 2019 die Produktion im Jahr 2021 aufzunehmen.[40][41][42][43][44] Im Oktober 2019 kündigte Samsung Display eine Investition von 10,8 Milliarden US-Dollar in Forschung und Produktion an, mit dem Ziel, alle 8G-Panel-Fabriken im Zeitraum 2019–2025 auf QD-OLED-Produktion umzustellen.[45][46][47][48]

Aktivmatrix-Leuchtdioden[edit]

AMQLED-Displays verwenden elektrolumineszierende QD-Nanopartikel, die als quantenpunktbasierte LEDs (QD-LEDs oder QLEDs) fungieren und in einem aktiven Matrixarray angeordnet sind. Anstatt eine separate LED-Hintergrundbeleuchtung für die Beleuchtung und ein TFT-LCD zur Steuerung der Helligkeit von Farbprimären zu benötigen, würden diese QLED-Anzeigen das von einzelnen Farb-Subpixeln emittierte Licht nativ steuern.[49] Reduzieren der Pixelantwortzeiten durch Eliminieren der Flüssigkristallschicht erheblich. Diese Technologie wurde auch als echtes QLED-Display bezeichnet.[50] und elektrolumineszierende Quantenpunkte (ELQD, QDLE, EL-QLED).[51][52]

Der Aufbau einer QD-LED ähnelt dem Grunddesign einer OLED. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die lichtemittierenden Vorrichtungen Quantenpunkte sind, wie Cadmiumselenid (CdSe) -Nanokristalle. Eine Schicht aus Quantenpunkten ist zwischen Schichten aus elektronentransportierenden und lochtransportierenden organischen Materialien angeordnet. Ein angelegtes elektrisches Feld bewirkt, dass sich Elektronen und Löcher in die Quantenpunktschicht bewegen, wo sie im Quantenpunkt eingefangen werden und rekombinieren und Photonen emittieren.[13][53] Der demonstrierte Farbumfang von QD-LEDs übertrifft die Leistung von LCD- und OLED-Anzeigetechnologien.[54]

Die Massenproduktion von Aktivmatrix-QLED-Displays im Tintenstrahldruck wird voraussichtlich in den Jahren 2020–2021 beginnen.[55][56][57][35][36] InP (Indiumphosphid) -Tintenstrahllösungen werden unter anderem von Nanosys, Nanoco, Nanophotonica, OSRAM OLED, dem Fraunhofer IAP und der Seoul National University untersucht.[34][58][59] Ab 2019 sind InP-basierte Materialien aufgrund ihrer begrenzten Lebensdauer noch nicht für die kommerzielle Produktion bereit.[60]

Optische Eigenschaften von Quantenpunkten[edit]

Die Leistung von QDs wird durch die Größe und / oder Zusammensetzung der QD-Strukturen bestimmt. Im Gegensatz zu einfachen Atomstrukturen hat eine Quantenpunktstruktur die ungewöhnliche Eigenschaft, dass die Energieniveaus stark von der Größe der Struktur abhängen. Beispielsweise kann die CdSe-Quantenpunktlichtemission von Rot (5 nm Durchmesser) auf den Violettbereich (1,5 nm Punkt) eingestellt werden. Der physikalische Grund für die QD-Färbung ist der Quantenbeschränkungseffekt und steht in direktem Zusammenhang mit ihren Energieniveaus. Die Bandlückenenergie, die die Energie (und damit die Farbe) des fluoreszierenden Lichts bestimmt, ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Größe des Quantenpunkts. Größere QDs haben mehr Energieniveaus, die enger beieinander liegen, so dass die QD Photonen niedrigerer Energie (rötlichere Farbe) emittieren (oder absorbieren) können. Mit anderen Worten, die emittierte Photonenenergie nimmt mit abnehmender Punktgröße zu, da mehr Energie erforderlich ist, um die Halbleiteranregung auf ein kleineres Volumen zu beschränken.[61]

Neuere Quantenpunktstrukturen verwenden Indium anstelle von Cadmium, da letzteres von der RoHS-Richtlinie der Europäischen Kommission nicht für die Verwendung in der Beleuchtung ausgenommen ist.[24][62] und auch wegen der Toxizität von Cadmium.

QD-LEDs zeichnen sich durch reine und gesättigte Emissionsfarben mit schmaler Bandbreite aus, wobei FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) im Bereich von 20–40 nm liegt.[13][26] Ihre Emissionswellenlänge kann leicht durch Ändern der Größe der Quantenpunkte eingestellt werden. Darüber hinaus bieten QD-LED eine hohe Farbreinheit und Haltbarkeit in Kombination mit der Effizienz, Flexibilität und den geringen Verarbeitungskosten vergleichbarer organischer Licht emittierender Geräte. Die QD-LED-Struktur kann über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich von 460 nm (blau) bis 650 nm (rot) eingestellt werden (das menschliche Auge kann Licht von 380 bis 750 nm erfassen). Die Emissionswellenlängen wurden kontinuierlich auf den UV- und NIR-Bereich erweitert, indem die chemische Zusammensetzung der QDs und die Vorrichtungsstruktur angepasst wurden.[63][64]

Herstellungsprozess[edit]

Quantenpunkte sind lösungsverarbeitbar und für Nassverarbeitungstechniken geeignet. Die beiden wichtigsten Herstellungstechniken für QD-LED werden als Phasentrennung und Kontaktdruck bezeichnet.[65]

Phasentrennung[edit]

Die Phasentrennung eignet sich zur Bildung großflächiger geordneter QD-Monoschichten. Eine einzelne QD-Schicht wird durch Schleudergießen einer gemischten Lösung aus QD und einem organischen Halbleiter wie TPD (N, N’-Bis (3-methylphenyl) -N, N’-diphenylbenzidin) gebildet. Dieser Prozess liefert gleichzeitig QD-Monoschichten, die sich selbst zu hexagonal dicht gepackten Arrays zusammensetzen, und platziert diese Monoschicht auf einem gemeinsam abgeschiedenen Kontakt. Während der Trocknung des Lösungsmittels trennt sich die QDs-Phase vom organischen Unterschichtmaterial (TPD) und steigt zur Oberfläche des Films hin an. Die resultierende QD-Struktur wird von vielen Parametern beeinflusst: Lösungskonzentration, Lösungsmittelration, QD-Größenverteilung und QD-Seitenverhältnis. Wichtig ist auch die QD-Lösung und die Reinheit des organischen Lösungsmittels.[66]

Obwohl die Phasentrennung relativ einfach ist, ist sie nicht für Anwendungen mit Anzeigegeräten geeignet. Da das Schleudergießen keine laterale Strukturierung von QDs unterschiedlicher Größe (RGB) ermöglicht, kann durch Phasentrennung keine mehrfarbige QD-LED erzeugt werden. Darüber hinaus ist es nicht ideal, ein organisches Unterschichtmaterial für eine QD-LED zu haben; Eine organische Unterschicht muss homogen sein, eine Einschränkung, die die Anzahl der anwendbaren Gerätedesigns begrenzt.

Kontaktdruck[edit]

Das Kontaktdruckverfahren zur Bildung von QD-Dünnfilmen ist ein lösungsmittelfreies Suspensionsverfahren auf Wasserbasis, das einfach und kostengünstig bei hohem Durchsatz ist. Während des Prozesses ist die Vorrichtungsstruktur keinen Lösungsmitteln ausgesetzt. Da Ladungstransportschichten in QD-LED-Strukturen lösungsmittelempfindliche organische Dünnfilme sind, ist die Vermeidung von Lösungsmitteln während des Prozesses ein großer Vorteil. Dieses Verfahren kann RGB-strukturierte Elektrolumineszenzstrukturen mit einer Auflösung von 1000 ppi (Pixel pro Zoll) erzeugen.[54]

Der gesamte Prozess des Kontaktdrucks:

  • Polydimethylsiloxan (PDMS) wird unter Verwendung eines Siliziummasters geformt.
  • Die Oberseite des resultierenden PDMS-Stempels ist mit einem dünnen Film aus Parylene-c, einem aromatischen organischen Polymer mit chemischer Dampfabscheidung (CVD), beschichtet.
  • Parylen-c-beschichteter Stempel wird durch Schleudergießen einer Lösung von kolloidalen QDs, die in einem organischen Lösungsmittel suspendiert sind, eingefärbt.[contradictory]
  • Nachdem das Lösungsmittel verdampft ist, wird die gebildete QD-Monoschicht durch Kontaktdruck auf das Substrat übertragen.

Die Anordnung von Quantenpunkten wird durch Selbstorganisation in einem als Schleudergießen bekannten Verfahren hergestellt: Eine Lösung von Quantenpunkten in einem organischen Material wird auf ein Substrat gegossen, das dann gedreht wird, um die Lösung gleichmäßig zu verteilen.

Der Kontaktdruck ermöglicht die Herstellung von mehrfarbigen QD-LEDs. Eine QD-LED wurde mit einer Emissionsschicht hergestellt, die aus 25 um breiten Streifen aus roten, grünen und blauen QD-Monoschichten bestand. Kontaktdruckverfahren minimieren auch den erforderlichen QD-Aufwand und senken die Kosten.[54]

Vergleich[edit]

Nanokristall-Displays würden das sichtbare Spektrum um bis zu 30% vergrößern und gleichzeitig 30 bis 50% weniger Strom verbrauchen als LCDs, zum großen Teil, weil Nanokristall-Displays keine Hintergrundbeleuchtung benötigen würden. QD-LEDs sind 50- bis 100-mal heller als CRT- und LC-Displays und senden 40.000 Nits (cd / m) aus2). QDs sind sowohl in wässrigen als auch in nichtwässrigen Lösungsmitteln dispergierbar, was druckbare und flexible Displays aller Größen, einschließlich großflächiger Fernsehgeräte, ermöglicht. QDs können anorganisch sein und bieten das Potenzial für eine verbesserte Lebensdauer im Vergleich zu OLED (da jedoch viele Teile der QD-LED häufig aus organischen Materialien bestehen, ist eine weitere Entwicklung erforderlich, um die Funktionslebensdauer zu verbessern.) and-place microLED-Displays entwickeln sich zu konkurrierenden Technologien für Nanokristall-Displays. Samsung hat eine Methode zur Herstellung selbstemittierender Quantenpunktdioden mit einer Lebensdauer von 1 Million Stunden entwickelt.[67]

Weitere Vorteile sind bessere gesättigte grüne Farben, Herstellbarkeit auf Polymeren, dünnere Anzeige und die Verwendung des gleichen Materials zur Erzeugung unterschiedlicher Farben.

Ein Nachteil ist, dass blaue Quantenpunkte während der Reaktion eine hochpräzise Zeitsteuerung erfordern, da blaue Quantenpunkte nur geringfügig über der Mindestgröße liegen. Da das Sonnenlicht über das gesamte Spektrum ungefähr die gleichen Leuchtdichten von Rot, Grün und Blau enthält, muss ein Display auch ungefähr die gleichen Leuchtdichten von Rot, Grün und Blau erzeugen, um reines Weiß gemäß CIE Standard Illuminant D65 zu erzielen. Die blaue Komponente in der Anzeige kann jedoch im Vergleich zu Grün und Rot eine relativ geringere Farbreinheit und / oder Präzision (Dynamikbereich) aufweisen, da das menschliche Auge bei Tageslichtbedingungen gemäß der CIE-Leuchtkraftfunktion drei- bis fünfmal weniger empfindlich gegenüber Blau ist .

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

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