Nanokristalschermen

Seth Coe-Sullivan, chief technology officer bij Watertown, MA, startup QD Vision, maakt krokodillenklemmen vast aan twee randen van een transparante wafer ter grootte van een scherm van een mobiele telefoon en zet een schakelaar om: een rechthoek die het midden van de wafer vult, verandert plotseling van reflecterend zilver tot vaag rood. Een laboratoriummedewerker doet de kamerverlichting uit om het effect te versterken, maar dit is niet nodig. Coe-Sullivan draait aan een knop en het apparaat begint schitterend te gloeien.

Coe-Sullivan heeft een prototype quantum dot-display; dergelijke schermen stralen extreem zuivere kleuren uit en zouden uiteindelijk kunnen worden opgeschaald om te concurreren met conventionele schermen. (Fotocredit: Porter Gifford.)

[Klik hier voor afbeeldingen van dit onderzoek, het team, de apparatuur en de prototypes.]

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2006

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Dit is het eerste scherm van QD Vision: een monochromatisch 32-bij-64-pixel testbed voor een technologie waarvan Coe-Sullivan hoopt dat het de technologie zal vervangen die wordt gebruikt in de hedendaagse high-definition tv's. Dun en flexibel, het scherm van de volgende generatie is gemakkelijk te zien in zonlicht en heeft minder stroomverbruik dan dat van je huidige laptop, zegt hij. Het dekt ook een groter deel van het zichtbare kleurenspectrum dan de huidige schermen en produceert beelden met zo'n hoog contrast dat de huidige flatscreens er in vergelijking dof en vervaagd uitzien.

In het hart ervan bevinden zich nanodeeltjes die kwantumstippen worden genoemd, halfgeleiderkristallen op nanoschaal. Door de grootte van de deeltjes te veranderen, kunnen onderzoekers de kleur die ze uitzenden veranderen: een deeltje met een diameter van zes nanometer zou bijvoorbeeld rood gloeien, terwijl een ander van hetzelfde materiaal, maar slechts twee nanometer breed, blauw zou oplichten.

Waar deze deeltjes echt schitteren, is de zuiverheid van de kleuren die ze uitstralen. Beeldschermen creëren miljoenen kleuren uit een palet van slechts drie: elke pixel is gemaakt van een rode, een groene en een blauwe subpixel, en door hun relatieve intensiteit te variëren, varieert de schijnbare kleur van de pixel. In LCD's en organische lichtemitterende apparaten (OLED's), een nieuw soort beeldscherm, zijn de subpixelkleuren onzuiver. Het rood bijvoorbeeld, dat voornamelijk uit rood licht bestaat, bevat ook kleinere hoeveelheden andere kleuren. Bij quantum dots straalt de rode subpixel echter alleen rood uit.

Deze zuiverheid betekent dat op kwantumdots gebaseerde schermen meer verzadigde kleuren hebben dan LCD's, OLED's en zelfs omvangrijke kathodestraalbuizen (CRT's), die nog steeds worden gewaardeerd om hun uitstekende kleurweergave. Bovendien, zegt Coe-Sullivan, is het kleurenbereik dat mogelijk is in een quantum dot-display 30 procent groter dan in CRT's: we vergroten de diepte van het groen dat schermen kunnen weergeven, en de diepte van het blauw-groen, et enzovoort. Het is eigenlijk een andere kleur dan op een LCD, OLED of CRT te zien is.

Misschien wel het meest opwindende aan quantum dot-LED's (QD-LED's) is dat ze veel minder stroom verbruiken dan LCD's. In LCD's verlicht een achtergrondverlichting elke pixel op het scherm. Donkere pixels blokkeren dit licht eenvoudig, waardoor ze energie verspillen. Gedeeltelijk omdat kwantumdots licht uitstralen in plaats van het te filteren, zou een QD-LED-display mogelijk een dertigste van de kracht van een LCD-scherm kunnen gebruiken.

En er is nog een voordeel aan het ontbreken van achtergrondverlichting, volgens Vladimir Bulovic, een expert bij MIT op het gebied van OLED-schermen. Omdat in LCD's de donkere pixels het licht niet perfect blokkeren, zegt Bulovic, zijn de zwarte pixels op LCD's eigenlijk gewoon donkergrijs. Bij quantum dots daarentegen zenden zwarte pixels geen licht uit. Wat de foto scherp maakt en er echt uitspringt, is dat het zwart echt heel donker is, zegt hij.

Bekers van dit gloeiende groene spul
Het idee om quantum dots te gebruiken in displays is niet nieuw. In het begin van de jaren negentig, toen chemici zoals Moungi Bawendi, nu een MIT-professor in de chemie en wetenschappelijk adviseur bij QD Vision, technieken perfectioneerden voor het vormen van nauwkeurige, uniforme kwantumdots, probeerden sommigen QD-LED's te maken, maar produceerden alleen zwakke, inefficiënte apparaten daarvoor waren ongeveer honderdduizend elektronen nodig om kwantumstippen over te halen om een ​​enkel foton uit te zenden. De QD-LED's van Coe-Sullivan daarentegen hebben slechts ongeveer 50 elektronen per foton nodig.

Om deze vooruitgang te realiseren, moesten de juiste mensen op het juiste moment bij elkaar komen. Dat gebeurde in 2000, toen Coe-Sullivan als afgestudeerde student naar MIT kwam en Bawendi ontmoette en een kersverse MIT-professor elektrotechniek die een paar weken eerder was aangekomen: Vladimir Bulovic.

Net binnen de deur van het laboratorium van QD Vision staat een rij kolven met een borrelende rode vloeistof - een oplossing van recent gevormde kwantumstippen. De samenwerking die leidde tot het eerste efficiënte QD-LED-display begon nadat Bulovic tijdens een bezoek aan MIT een soortgelijke scène tegenkwam in het lab van een van Bawendi's medewerkers.

Bulovic zegt dat hij nog nooit van kwantumstippen had gehoord voordat hij bekers van dit gloeiende groene spul op het MIT tegenkwam. Coe-Sullivan leende Bulovic' kennis van OLED-fabricagetrucs en Bawendi's kwantumdot-expertise en riep ook de hulp in van medestudenten Jonathan Steckel en Wing-Keung Woo.

Ondanks al deze expertise kwam de doorbraak die het apparaat mogelijk maakte deels per ongeluk tot stand. De onderzoekers hadden kwantumdots gemengd tot een oplossing van organische moleculen en het mengsel tot een dunne film verspreid met behulp van een proces dat spin-casting wordt genoemd, in de hoop dat de kwantumdots zich gelijkmatig door de film zouden verspreiden. Het bleek dat de kwantumstippen naar het oppervlak van de film stegen en in een ordelijke, uniforme laag van slechts één stip dik werden samengevoegd, een opstelling die efficiënter bleek te zijn dan de onderzoekers hadden bedoeld.

Deze laag kwantumstippen werd de kern van een meerlagige eenkleurige QD-LED, ingeklemd tussen elektroden en ladingstransportlagen. Coe-Sullivan richtte samen met Bulovic en Greg Moeller, directeur bedrijfsontwikkeling, in 2004 QD Vision op om van dit eenvoudige apparaat over te stappen op een kleurenscherm dat winstgevend kan worden vervaardigd.

Een belangrijke stap was het rangschikken van arrays van pixels. Bij QD Vision wijst Coe-Sullivan naar een kast met glazen voorkant die zorgvuldig is geblokkeerd om een ​​deel van een gepatenteerd proces te verbergen voor het distribueren van kwantumdots in de afwisselende driekleurige rechthoekige rasters die nodig zijn voor een werkend scherm. De techniek, die volgens Coe-Sullivan zou moeten leiden tot relatief goedkope fabricage, heeft al patronen opgeleverd met pixels die kleiner zijn dan die van de huidige schermen.

Coe-Sullivan zegt dat QD Vision van OLED-technologie een belangrijk onderdeel van beeldschermen zou moeten kunnen lenen, het achtervlak dat de pixels bestuurt. Nu concentreert het bedrijf zich op het verbeteren van de efficiëntie van zijn apparaat, dat, hoewel concurrerend met schermen van mobiele telefoons, nog steeds kan worden verbeterd.

Al met al zegt Coe-Sullivan dat hij verwacht dat het ongeveer vier jaar zal duren voordat het bedrijf zijn eerste commerciële product heeft – waarschijnlijk een klein display voor een mobiele telefoon. Maar hij zegt dat de kleurrijke afbeeldingen het wachten waard zullen zijn.

Homepagina-afbeelding met dank aan Porter Gifford.

zich verstoppen