Qu­an­tum dots voor dis­plays, sen­sors en zon­ne­cel­len

Quan­tum­dots ver­be­te­ren dis­plays, sen­so­ren en zon­ne­cel­len

C’t Magazine - - Inhoud - Ul­ri­ke Kuhl­mann en Dr. Mi­chael Bec­ker

In mo­der­ne high-end te­le­vi­sies zor­gen quan­tum­dots in lcd-scher­men voor in­ten­sie­ve­re kleu­ren. In de toe­komst kun­nen ze de vloei­ba­re kris­tal­len in de­ze scher­men vol­le­dig ver­van­gen, als lam­pen die­nen of zon­ne­cel­len ef­fi­ci­ën­ter ma­ken.

Sinds Sams­ung zijn merk­naam QLEDTV op de markt bracht, zijn quan­tum­dots bij een bre­der pu­bliek be­kend ge­wor­den. De na­no­deel­tjes of­te­wel quan­tum­dots (QD) zit­ten in de ach­ter­grond­ver­lich­ting van te­le­vi­sies en ver­be­te­ren daar de kleu­ren van lcd's. In de toe­komst ver­hui­zen ze van­af het bac­k­light naar de voor­kant van het dis­play en ui­t­ein­de­lijk zul­len ze de vloei­ba­re kris­tal­len vol­le­dig ver­van­gen.

In een con­ven­ti­o­ne­le lcd-ach­ter­grond­ver­lich­ting zijn blau­we leds be­dekt met een fos­for­laag die een deel van het blau­we licht om­zet in geel (meest­al in goed­ko­pe dis­plays van bij­voor­beeld no­te­books) of rood en groen (meest­al bij beeld­scher­men van ho­ge­re kwa­li­teit, zo­als tv's), wat sa­men wit licht op­le­vert. Het wit­te licht van de ach­ter­grond­ver­lich­ting (bac­k­light) schijnt door de vloei­ba­re kris­tal­len en RGB-kleur­fil­ters waar­door ro­de, groe­ne en blau­we sub­pixels ont­staan.

In qled lcd-tv's zit­ten an­or­ga­ni­sche na­no­deel­tjes in een quan­tum­dot-fo­lie (na­no­fo­lie) voor een ach­ter­grond­ver­lich­ting waar ze het kor­te­golf­licht van de blau­we leds om­zet­ten in rood en groen licht met lan­ge­re golf­leng­tes, zo­dat er bij el­kaar weer 'wit' licht ont­staat. Het voor­deel van de­ze na­no­deel­tjes of quan­tum­dots is dat het licht daar­van smal­le­re spec­tra voor rood en groen heeft, waar­door ze ver­za­dig­de­re kleu­ren ma­ken.

In plaats van in een fo­lie kun je de na­no­deel­tjes recht­streeks op de leds aan­bren­gen. De fos­for­laag ver­valt dan, maar in de prak­tijk werkt die tech­niek nog niet be­trouw­baar. Ga je nog een stap ver­der, dan ver­vang je de du­re kleur­fil­ters in het lcd door quan­tum­dots die het licht van de blau­we leds ter plek­ke in ro­de en groe­ne sub­pixels om­zet­ten. In dit ge­val zou al het licht van het blau­we bac­k­light voor de beeld­weer­ga­ve wor­den ge­bruikt. Bij de hui­di­ge tech­niek hou­den de kleur­fil­ters nog twee­der­de van het ge­pro­du­ceer­de wit­te licht te­gen. Met de nieu­we­re tech­niek zou­den de dis­plays veel min­der ener­gie ver­brui­ken en zijn ze ge­mak­ke­lij­ker te fa­bri­ce­ren, om­dat het lcd ge­op­ti­ma­li­seerd kan wor­den voor het mo­no­chro­ma­ti­sche (blau­we) licht.

In een tech­niek die daar weer op volgt, ge­ven de quan­tum­dots zelf licht. Hier­door wordt het vloei­baar kris­tal van het lcd com­pleet over­bo­dig en krijg je een dis­play waar­bij je el­ke pixel net als bij oled kunt uit- en aan­zet­ten. Om dit te be­rei­ken, moe­ten de

na­no­deel­tjes on­der in­vloed van elek­tri­ci­teit op­lich­ten (elek­tro­lu­mi­nes­cen­tie) in plaats van door licht (fo­to­lu­mi­nes­cen­tie) zo­als voor­heen. Eer het zo ver is dat we de­ze tech­niek in con­su­men­ten­pro­duc­ten zul­len zien, moe­ten er nog pro­ble­men met de be­trouw­baar­heid, ef­fi­ci­ën­tie en le­vens­duur wor­den op­ge­lost. Des­kun­di­gen zijn van me­ning dat dit niet vóór 2021 mo­ge­lijk zal zijn.

Op de SID-con­fe­ren­tie in ju­ni pre­sen­teer­de de Chi­ne­se fa­bri­kant Boe de eer­ste exem­pla­ren van der­ge­lij­ke quan­tum­dot­dis­plays. De kleur­ver­za­di­ging van de­ze pro­to­ty­pes was niet bij­zon­der hoog, om­dat de elek­tro­lu­mi­nes­ce­ren­de na­no­deel­tjes nog in ont­wik­ke­ling zijn. Bo­ven­dien spie­gel­de een van de dis­plays zo sterk dat er geen beeld zicht­baar was. Dit scherm had geen ont­spie­geld po­la­ri­sa­tie­fil­ter, dat ech­ter ook vijf­tig pro­cent van het op­ge­wek­te licht zou ab­sor­be­ren. Het twee­de pro­to­ty­pe was een 5-inch dis­play met een re­so­lu­tie van 320 x 240 pixels. De ver­ant­woor­de­lij­ke ont­wik­ke­laar be­na­druk­te dat we nog lang niet op mas­sa­pro­duc­tie mo­gen re­ke­nen.

Zon­der gif­tig cad­mi­um

Quan­tum­dots zijn meest­al ge­maakt van half­ge­lei­der­ma­te­ri­a­len. Om­dat die hun ener­gie dis­creet ver­de­len, stra­len ze een bij­na mo­no­chro­ma­tisch licht uit wan­neer er stroom op wordt ge­zet of wan­neer ze door stra­ling wor­den ge­ac­ti­veerd. De do­mi­nan­te golf­leng­te van de­ze emis­sie (het licht) is af­han­ke­lijk van het ge­bruik­te ma­te­ri­aal en van de groot­te en vorm van de na­no­deel­tjes: quan­tum­dots voor rood licht (cir­ca 615 nm) heb­ben een dia­me­ter van zes tot ze­ven na­no­me­ter en quan­tum­dots voor groen licht (cir­ca 540 nm) zijn drie na­no­me­ter groot. Om­dat quan­tum­dots voor blauw licht (450 nm) slechts twee na­no­me­ter groot zijn, zijn ze zeer moei­lijk te pro­du­ce­ren. Het emis­sie­spec­trum, uit­ge­drukt in FWHM (Full Width at Half Maxi­mum, half­waar­de­breed­te), van nieu­we quan­tum­dots is on­ge­veer 40 nm. Quan­tum­dots met het gif­ti­ge cad­mi­um heb­ben smal­le­re spec­tra met een FWHM tus­sen 20 en 30 nm en zet­ten licht ef­fi­ci­ën­ter om. Al op de IFA in 2013 pre­sen­teer­de So­ny Tri­lu­mi­nos-tv's met zo'n kleur­rijk dis­play en Ama­zon ge­bruik­te quan­tum­dots op cad­mi­um­ba­sis voor de Kind­le Fi­re HDX 7. De­ze eer­ste ap­pa­ra­ten met cad­mi­um­hou­den­de quan­tum­dots had­den in­druk­wek­kend in­ten­sie­ve kleu­ren.

Kort na het ver­schij­nen van de­ze toe­stel­len ver­bood de Eu­ro­pe­se Unie het ge­bruik van het gif­ti­ge zwa­re me­taal cad­mi­um in dis­plays. Ze mo­gen nog ge­du­ren­de een over­gangs­pe­ri­o­de tot ju­ni 2018 wor­den ge­bruikt, maar het is mo­ge­lijk dat het ge­bruik van dit ma­te­ri­aal in nieu­we ap­pa­ra­ten al eer­der ver­bo­den wordt.

Vol­gens de ver­or­de­ning mag er maxi­maal 0,2 mi­cro­gram cad­mi­um per vier­kan­te mil­li­me­ter van het dis­play­op­per­vlak wor­den ge­bruikt. Som­mi­ge fa­bri­kan­ten van quan­tum­dots be­we­ren dat zij al on­der de­ze li­miet zit­ten, dus over het re­ë­le ge­vaar van de­ze cad­mi­um­hou­den­de quan­tum­dots kan ge­twist wor­den. Ui­t­ein­de­lijk gaat het er­om dat een toe­kom­sti­ge tech­niek niet scha­de­lijk voor het mi­li­eu is en daar­om zijn de dis­play­pro­du­cen­ten, zij het na eni­ge aar­ze­ling, gro­ten­deels ge­stopt met cad­mi­um. Zo ge­bruikt Sams­ung on­der­tus­sen zijn ei­gen for­mu­le voor na­no­deel­tjes die het be­drijf sa­men met Dow Che­mi­cal ont­wik­kel­de. Dow mag de cad­mi­um­vrije quan­tum­dots van het Brit­se be­drijf Na­no­co ver­ko­pen en ex­ploi­teert reeds een pro­duc­tie­fa­ci­li­teit in Zuid-Ko­rea. In 2015 noem­de Sams­ung zi­in lcd-tv's met quan­tum­dots nog SUHD's, maar in het hui­di­ge pro­gram­ma staan ze on­der de QLED's. In een aan­tal SUHD-tv's

zor­gen spe­ci­aal aan­ge­pas­te fos­fo­ren on­der­tus­sen voor in­ten­se kleu­ren. Bij So­ny heet­ten de eer­ste lcd-tv's met quan­tum­dots Tri­lu­mi­nos, te­gen­woor­dig noemt So­ny al­le tv's met krach­ti­ge kleu­ren zo, zelfs de tv's met oled-dis­plays of fos­for-leds in de ach­ter­grond­ver­lich­ting. LG noemt zijn na­no­tech­niek Co­lorPri­me, maar ge­bruikt nog wel oleds voor zijn high-end tv's.

An­de­re toe­pas­sin­gen

Om de kleur­ver­za­di­ging van lcd-scher­men te ver­be­te­ren, moe­ten de emis­sie­spec­tra van de pri­mai­re kleu­ren en de kleur­fil­ters zo dicht mo­ge­lijk bij el­kaar lig­gen. Want wan­neer bij­voor­beeld de­len van het groe­ne spec­trum in het blau­we kleur­fil­ter door­drin­gen, wordt de to­ta­le ver­za­di­ging voor blauw la­ger. Dat is pre­cies wat je kunt voor­ko­men met smal­ban­di­ge quan­tum­dots, door de do­mi­nan­te golf­leng­tes van rood en groen exact af te stem­men op de kleur­fil­ters (en ook de kleur­fil­ters aan te pas­sen) en de ge­wens­te kleur­ruim­te (zo­als DCI P3) in te stel­len.

In the­o­rie zou LG quan­tum­dots in zijn gro­te oled-scher­men kun­nen ge­brui­ken om de kleur­weer­ga­ve te ver­be­te­ren, om­dat oleds im­mers ook een bac­k­light met kleur­fil­ters er­voor heb­ben. Maar quan­tum­dots kun­nen al­leen kort­gol­vig licht om­zet­ten naar lang­gol­vig licht, dat wil zeg­gen blauw licht in rood en groen. Dat is een pro­bleem voor oleds om­dat uit­ge­re­kend blauw de laag­ste in­ten­si­teit heeft en de blau­we licht­laag de kort­ste le­vens­duur heeft.

Een groot voor­deel van an­or­ga­ni­sche quan­tum­dots ten op­zich­te van oleds is dat ze veel min­der ge­voe­lig zijn voor wa­ter en zuur­stof en daar­om niet op een in­ge­wik­kel­de ma­nier in­ge­kap­seld hoe­ven te wor­den. Som­mi­ge va­ri­an­ten van quan­tum­dots heb­ben spe­ci­a­le ei­gen­schap­pen, zo­als de Qu­an­tum Rods die Mer­ck, een spe­ci­a­list op het ge­bied van dis­play­ma­te­ri­aal, on­der­zoekt. De­ze rods (staaf­jes) stra­len ge­po­la­ri­seerd licht uit, waar­door er geen licht­ab­sor­be­ren­de po­la­ri­sa­tie­fil­ters in het lcd-scherm no­dig zijn. Mo­men­teel zijn nog niet al­le golf­leng­tes van de rods ge­po­la­ri­seerd, maar slechts een ge­deel­te.

Om­dat quan­tum­dots ener­gie­rij­ke kort­gol­vi­ge uv-stra­len om­zet­ten in lang­gol­vig licht kun­nen ze in­ge­zet wor­den om zon­ne­cel­len ef­fi­ci­ën­ter te ma­ken. Maar dit zijn niet de eni­ge toe­pas­sin­gen voor quan­tum­dots, want er zijn an­de­re denk­baar. Zo pro­du­ce­ren quan­tum­dots die aan kleur­stof­fen wor­den toe­ge­voegd spe­ci­a­le kleuref­fec­ten wan­neer ze aan in­tens zon­licht wor­den bloot­ge­steld. Met quan­tum­dots in ca­me­ra's kun je de licht­ge­voe­lig­heid van de sen­sor­ar­ray ver­ho­gen.

Al de­ze toe­pas­sin­gen zijn al­leen lo­nend als fo­to­lu­mi­nes­cen­te na­no­deel­tjes goed­ko­per wor­den. Een na­no­fo­lie voor bij­voor­beeld 55-inch te­le­vi­sies kost on­ge­veer 50 dol­lar. Pas als ze over een jaar of vier goed­ko­per zijn dan 10 dol­lar, wor­den na­no­fo­lies in­te­res­sant voor goed­ko­pe­re te­le­vi­sies, maar voor­lo­pig zit­ten ze al­leen in high-end te­le­vi­sies.

Mo­men­teel zijn noch lcd's met quan­tum­dots, noch oleds in staat de vol­le­di­ge Rec.2020-kleur­ruim­te weer te ge­ven. Daar­bij zijn de le­ven­di­ge­re kleu­ren niet al­leen mooi om naar te kij­ken, maar ook een voor­waar­de voor het weer­ge­ven van kleur- en con­trast­rij­ke HDR-vi­deo (High Dy­na­mic Ran­ge). Om­dat de na­no­tech­niek al­leen in high-end te­le­vi­sies wordt toe­ge­past, blijft HDR de ko­men­de ja­ren voor du­re toe­stel­len ge­re­ser­veerd. (mvs)

Hoe smal­ler de emis­sie­spec­tra van het bac­k­light zijn, des te nauw­keu­ri­ger de ro­de, groe­ne en blau­we kleur­fil­ters het licht kun­nen schei­den.

De Chi­ne­se fa­bri­kant Boe

heeft al een pro­to­ty­pe met een elek­tro­lu­mi­nes­cent quan­tum­dot-dis­play ge­maakt dat geen laag met vloei­ba­re kris­tal­len

no­dig heeft.

De mees­te beeld­scher­men be­strij­ken de sRGB-kleur­ruim­te. Voor het weer­ge­ven van HDR-vi­deo moe­ten toe­kom­sti­ge te­le­vi­sies REC.2020 on­der­steu­nen.

Newspapers in Dutch

Newspapers from Netherlands

© PressReader. All rights reserved.