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Pantalla de puntos cuánticos

Puntos cuánticos coloidales irradiados con luz ultravioleta. Los puntos cuánticos de diferentes tamaños emiten luz de diferentes colores debido al confinamiento cuántico. Una pa...

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Puntos cuánticos coloidales irradiados con luz ultravioleta. Los puntos cuánticos de diferentes tamaños emiten luz de diferentes colores debido al confinamiento cuántico.

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.

Los QD son fotoemisivos ( fotoluminiscentes ) o electroemisivos ( electroluminiscentes ), lo que permite su fácil incorporación en nuevas arquitecturas de pantallas emisivas. [ 1 ] Los puntos cuánticos producen luz monocromática de forma natural, 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. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

A partir de junio de 2025 ,Todos los productos comerciales, como los televisores LCD con la marca QLED , emplean puntos cuánticos como partículas fotoemisivas ; los televisores QD-LED electroemisivos solo existen en laboratorios. [ 5 ] [ 6 ]

Las pantallas LCD retroiluminadas por LED son la principal aplicación de los puntos cuánticos fotoemisivos, aunque también son aplicables a otras tecnologías de visualización que utilizan filtros de color, como los paneles de visualización de diodos orgánicos emisores de luz (OLED) azules/UV, MicroLED o QNED . [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Las pantallas QD-OLED , que utilizan paneles OLED azules con filtros de color QD, comenzaron a llegar al mercado en 2023. [ 10 ] Las pantallas QD-OLED y QD-LED pueden lograr el mismo contraste que las pantallas OLED y MicroLED con niveles de negro "perfectos" en el estado apagado, a diferencia de las pantallas LCD retroiluminadas por LED.

Principio de funcionamiento

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 de puntos cuánticos, diodos emisores de luz y dispositivos emisores de luz monocromáticos. [ 11 ] 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. [ 12 ]

Las partículas de puntos cuánticos fotoemisivos se utilizan en la retroiluminación de pantallas LCD o en los filtros de color de las pantallas. 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 cromática en los filtros de color, mejorando así el brillo y la gama cromática de la pantalla . La luz viaja a través de una película de capa de puntos cuánticos y filtros RGB tradicionales hechos de pigmentos de color, o a través de filtros de puntos cuánticos con convertidores de color rojo/verde y paso de luz azul.

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 porque cada píxel produce su propia luz cuando se aplica una corriente eléctrica a pequeñas partículas 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 televisión planas , cámaras digitales , teléfonos móviles y consolas de videojuegos portátiles . [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

Tecnología

Televisor Samsung QLED 8K de 75 pulgadas

Película de mejora de puntos cuánticos

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 puntos cuánticos 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 flujo de luz útil y proporciona 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 la tecnología. [ 16 ] En el Consumer Electronics Show 2015, Samsung Electronics , TCL Corporation y Sony mostraron retroiluminación LED mejorada con QD para televisores LCD. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] 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. [ 20 ] [ 21 ]

Los puntos cuánticos sobre vidrio (QDOG) reemplazan la película de 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 ]

Las retroiluminaciones LED blancas tradicionales que utilizan LED azules con estructuras QD rojo-verdes en el chip o en el riel se investigan desde la década de 2010, aunque las altas temperaturas de funcionamiento afectan negativamente su vida útil. [ 24 ] [ 25 ]

convertidor de color de puntos cuánticos

LCD

Las pantallas LCD retroiluminadas por LED con convertidor de color QD (QDCC) usarían una película QD o una capa QD impresa con tinta, con puntos cuánticos con patrones de subpíxeles rojos/verdes (es decir, alineados para coincidir con precisión con los subpíxeles rojos y verdes) para producir luz roja/verde pura; los subpíxeles azules pueden ser transparentes para permitir el paso de la retroiluminación LED azul pura, o pueden fabricarse con puntos cuánticos con patrones azules en el caso de la retroiluminación LED UV. Esta configuración reemplaza eficazmente los filtros de color pasivos, que generan pérdidas sustanciales al filtrar 2/3 de la luz que pasa, con estructuras QD fotoemisivas, mejorando la eficiencia energética y/o el brillo máximo, y aumentando la pureza del color. [ 24 ] [ 26 ] [ 27 ]

Debido a que los puntos cuánticos despolarizan la luz, el polarizador de salida (el analizador) debe colocarse 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 de cristal líquido, aumentando la relación de contraste. Para reducir la autoexcitación de la película de puntos cuánticos y mejorar la eficiencia, la luz ambiental puede bloquearse mediante filtros de color tradicionales, y los polarizadores reflectantes pueden dirigir la luz del convertidor de color de puntos cuánticos hacia el espectador. Como solo la luz azul o ultravioleta atraviesa la capa de cristal líquido, esta puede hacerse más delgada, lo que resulta en tiempos de respuesta de píxeles más rápidos . [ 26 ] [ 28 ]

Nanosys realizó presentaciones de su tecnología de convertidor de color fotoemisivo durante 2017; se esperaban productos comerciales para 2019, aunque el polarizador en celda seguía siendo un desafío importante. [ 29 ] [ 20 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] A diciembre de 2019, los problemas con el polarizador en celda seguían sin resolverse y desde entonces no ha aparecido en el mercado ninguna pantalla LCD con convertidor de color QD . [ 37 ]

QD-OLED

Los convertidores de color QD se pueden usar con paneles OLED o micro-LED , mejorando su eficiencia y gama de colores. [ 22 ] [ 36 ] [ 38 ] [ 39 ] Samsung y TCL han investigado paneles QD-OLED con emisores azules y convertidores de color rojo-verde. [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] En octubre de 2019, Samsung Display anunció una inversión de 10.8 mil millones de dólares tanto en investigación como en producción, con el objetivo de convertir todas sus fábricas de paneles 8G a la producción de QD-OLED durante 2019–2025. [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] Samsung Display presentó paneles QD-OLED de 55" y 65" en el 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 entre el 70 y el 75 % de Rec.2020 (95-100 % de DCI-P3). [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]

QNED

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 de InGaN / GaN . Las nanobarras tienen una superficie emisora ​​más grande en comparación con los LED planares, lo que permite una mayor eficiencia y una mayor emisión de luz. La solución de nanobarras 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 rojos/verdes. [ 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 ha pospuesto desde mayo de 2022. [ 58 ] [ 59 ]

microLED

Una capa de conversión de color QD chip-on-board (QD-COB) se puede aplicar a las micropantallas microLED comúnmente utilizadas en dispositivos cercanos al ojo, como gafas de realidad aumentada (RA) y microproyectores . Se han desarrollado dos tecnologías principales de conversión de color: una incrusta puntos cuánticos en GaN nanoporoso en LED azules (por ejemplo, Nanopore Quantum Dot, o NPQD), y la otra utiliza capas de fotorresina de puntos cuánticos con patrones sobre la matriz microLED. Estos enfoques permiten densidades de píxeles extremadamente altas y brillo suficiente para pantallas compactas a todo color. [ 60 ] [ 61 ] El proceso NPQD crea una capa nanoporosa in situ en una oblea microLED de GaN, que se llena con puntos cuánticos para convertir la emisión azul en luz roja o verde, lo que permite pantallas monolíticas a todo color con brillo, eficiencia y confiabilidad mejorados. [ 62 ] Al reemplazar los chips emisores de luz roja convencionales basados ​​en AlInGaP —que difieren en la composición del material de los chips InGaN verdes y azules— con subpíxeles rojos convertidos por puntos cuánticos, las pantallas QD-COB demuestran una consistencia de color mejorada en un rango de ángulos de visión. [ 63 ] [ 64 ] Las pantallas microLED comerciales de 0,22 pulgadas con una capa QD-COB se lanzaron en 2023-2024, con versiones de 0,39 pulgadas y 0,13 pulgadas destinadas a la producción piloto en 2025. [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]

También se están investigando métodos experimentales adicionales, como la impresión por inyección de tinta de tintas de puntos cuánticos, para la integración a escala micrométrica.

Diodos de puntos cuánticos autoemisivos

Las pantallas de puntos cuánticos autoemisivas utilizarán nanopartículas QD electroluminiscentes que funcionan como LED basados ​​en puntos cuánticos (QD-LED) dispuestos en una matriz activa o pasiva . En lugar de requerir una retroiluminación LED independiente 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 los subpíxeles de color individuales, [ 70 ] reduciendo considerablemente los tiempos de respuesta de los píxeles al eliminar la capa de cristal líquido. Esta tecnología también se ha denominado pantalla QLED verdadera, [ 71 ] y puntos cuánticos electroluminiscentes (ELQD, QDEL, EL-QLED). [ 72 ] [ 73 ]

La estructura de un QD-LED es similar al diseño básico de un OLED. La principal diferencia radica en que los dispositivos emisores de luz son puntos cuánticos, como nanocristales de seleniuro de cadmio (CdSe). Una capa de puntos cuánticos se encuentra intercalada entre capas de materiales orgánicos que transportan electrones y huecos. Un campo eléctrico aplicado provoca que los electrones y los huecos se muevan hacia la capa de puntos cuánticos, donde son capturados y recombinados, emitiendo fotones. [ 12 ] [ 74 ] La gama de colores demostrada por los QD-LED supera el rendimiento de las tecnologías de visualización LCD y OLED. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Para lograr un LED totalmente basado en QD, el desafío que debe superarse es la baja conductividad eléctrica actual en las capas emisoras de QD. [ 75 ] [ 76 ]

Como los materiales a base de cadmio no se pueden usar en aplicaciones de iluminación debido a su impacto ambiental, [ 77 ] 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 ] [ 78 ] [ 79 ] A partir de 2019, los materiales a base de InP todavía no están listos para la producción comercial debido a su vida útil limitada. [ 80 ]

Se esperaba que la producción en masa de pantallas QLED de matriz activa mediante impresión por inyección de tinta comenzara en 2020-2021, [ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 35 ] [ 36 ] pero a partir de 2024, los problemas de longevidad no se han resuelto y la tecnología sigue en fase de prototipo. En 2024, Nanosys asumió que su tecnología electroluminiscente QD estaría disponible para producción en 2026, [ 84 ] y en 2026, que aparecería en 2029. [ 85 ]

En CES 2024 , Sharp NEC Display mostró en privado prototipos de paneles de visualización de 12" y 30". [ 86 ] [ 84 ]

Productos comerciales

Varias marcas venden pantallas que combinan una pantalla LCD retroiluminada por LED con una película de puntos cuánticos para mejorar el color y el contraste en comparación con las pantallas retroiluminadas por LED convencionales. [ 87 ] Sony promociona sus productos mejorados con QD como Triluminos . [ 88 ] Samsung promociona sus productos QD como QLED [ 89 ] y ha permitido que Hisense y TCL promocionen los suyos de la misma manera. [ 20 ] 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. [ 90 ]

Algunas marcas, como Samsung, venden pantallas QD-OLED que combinan un panel OLED con convertidores de color de puntos cuánticos para mejorar el color y el brillo en comparación con las pantallas OLED normales; estas suelen usar capas OLED azules en lugar de RGB o RGBW . [ 91 ] [ 92 ]

Las pruebas encargadas en 2024 por Hansol , un proveedor de Samsung Electronics , sugieren que varios modelos de TCL comercializados como si contuvieran puntos cuánticos en realidad no contienen materiales de puntos cuánticos. Sin embargo, los medios de comunicación advierten a los lectores que sean escépticos ante las afirmaciones de Hansol debido a sus vínculos con uno de los competidores de TCL. [ 93 ] [ 94 ] En marzo de 2026, el bufete de abogados de Samsung Electronics, Pinsent Masons, declaró haber ganado un caso de publicidad engañosa contra TCL Deutschland ante el Landgericht München I en relación con los televisores TCL anunciados como "QLED". Según el bufete, el tribunal prohibió a TCL seguir comercializando los modelos impugnados de seis series como "QLED" y le ordenó corregir las declaraciones; la sentencia aún no era firme. [ 95 ]

Propiedades ópticas de los puntos cuánticos

El rendimiento de los puntos cuánticos (QD) está determinado por el tamaño y/o la composición de sus estructuras. A diferencia de las estructuras atómicas simples, una estructura de punto cuántico posee la propiedad inusual de que sus niveles de energía dependen en gran medida de su tamaño. Por ejemplo, la emisión de luz de un punto cuántico de CdSe puede ajustar desde el rojo (5  nm de diámetro) hasta el violeta (1,5  nm). La razón física de la coloración de los QD es el efecto de confinamiento cuántico , directamente relacionado 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 más próximos entre sí, lo que les permite emitir (o absorber) fotones de menor energía (color más rojo). En otras palabras, la energía del fotón emitido aumenta a medida que disminuye el tamaño del punto, ya que se requiere mayor energía para confinar la excitación del semiconductor a un volumen menor. [ 96 ]

Las estructuras de puntos cuánticos más recientes emplean indio en lugar de cadmio , ya que este último no está exento de uso en iluminación por la directiva RoHS de la Comisión Europea , [ 24 ] [ 97 ] y también debido a la toxicidad del cadmio.

Los QD-LED se caracterizan por colores de emisión puros y saturados con un ancho de banda estrecho , con FWHM ( ancho completo a media altura ) en el rango de 20–40  nm. [ 12 ] [ 26 ] Su longitud de onda de emisión se puede ajustar fácilmente cambiando el tamaño de los puntos cuánticos. Además, los QD-LED ofrecen 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 QD-LED se puede ajustar 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 extendido continuamente al rango UV y NIR mediante la adaptación de la composición química de los QD y la estructura del dispositivo. [ 98 ] [ 99 ]

Proceso de fabricación

Los puntos cuánticos son procesables en solución y adecuados para técnicas de procesamiento húmedo. Las dos principales técnicas de fabricación de QD-LED se denominan separación de fases e impresión por contacto. [ 100 ]

separación de fases

La separación de fases es adecuada para la formación de monocapas ordenadas de puntos cuánticos (QD) de gran superficie. Una sola capa de QD se forma mediante la deposición por centrifugación de una solución mixta de QD y un semiconductor orgánico como el TPD (N, N′ - bis(3-metilfenil)-N, N′ - difenilbencidina). Este proceso produce simultáneamente monocapas de QD autoensambladas en matrices hexagonales compactas y deposita esta monocapa sobre un contacto codepositado. Durante el secado del disolvente , los QD se separan de la capa orgánica 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 los QD y relación de aspecto de los QD. También es importante la pureza de la solución de QD y del disolvente orgánico. [ 101 ]

Aunque la separación de fases es relativamente sencilla, no resulta adecuada para aplicaciones en dispositivos de visualización. Dado que la técnica de recubrimiento por centrifugación no permite la creación de patrones laterales de puntos cuánticos (QD) de diferentes tamaños (RGB), la separación de fases no permite generar un LED de puntos cuánticos multicolor. Además, no es ideal utilizar un material orgánico como capa inferior para un LED de puntos cuánticos, ya que esta debe ser homogénea, lo que limita el número de diseños de dispositivos aplicables.

Impresión por contacto

El proceso de impresión por contacto para la formación de películas delgadas de QD es un método de suspensión acuosa sin disolventes, sencillo, económico y de alto rendimiento. Durante el proceso, la estructura del dispositivo no se expone a disolventes. Dado que las capas de transporte de carga en las estructuras QD-LED son películas delgadas orgánicas sensibles a los disolventes, evitar el uso de disolventes durante el proceso supone una gran ventaja. Este método permite producir estructuras electroluminiscentes con patrones RGB y una resolución de 1000 ppi (píxeles por pulgada). [ 3 ]

El proceso general de impresión por contacto:

La matriz de puntos cuánticos se fabrica mediante autoensamblaje en un proceso conocido como fundición por centrifugación : se vierte una solución de puntos cuánticos en un material orgánico sobre un sustrato, que luego se pone en rotación para extender la solución de manera uniforme.

La impresión por contacto permite la fabricación de QD-LED multicolores. Se fabricó un QD-LED con una capa emisora ​​compuesta por franjas de 25 μm de ancho de monocapas de QD rojas, verdes y azules. Los métodos de impresión por contacto también minimizan la cantidad de QD necesaria, reduciendo así los costes. [ 3 ]

Comparación

Las pantallas de nanocristales ofrecerían un aumento de hasta un 30 % en el espectro visible, consumiendo entre un 30 % y un 50 % menos de energía que las pantallas LCD, en gran parte porque no necesitarían retroiluminación. Los LED de puntos cuánticos (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 tanto en disolventes acuosos como no acuosos, lo que permite la creación de pantallas imprimibles y flexibles de todos los tamaños, incluyendo televisores de gran formato. Los QD pueden ser inorgánicos, lo que ofrece la posibilidad de una mayor 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). Además de las pantallas OLED, las pantallas microLED de colocación selectiva están surgiendo como tecnologías competidoras de 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. [ 102 ] 

Otras ventajas incluyen colores verdes más saturados, la posibilidad 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 muy preciso durante la reacción, porque los puntos cuánticos azules están ligeramente por encima del 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 el blanco puro según lo define el Iluminante Estándar D65 de la CIE . 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 de la 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.

Véase también

Notas

  1. ↑ Hasta el ancho de banda especificado, que a su vez es función de la dispersión de los puntos cuánticos.

Referencias

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  • Puntos cuánticos: estado técnico y perspectivas de mercado
  • Los puntos cuánticos que producen luz blanca podrían ser los sucesores de la bombilla.

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