Technologie

Ekran pełen kwantów

Zbudowany z kwantowych kropek prototyp wyświetlacza.
Zaprezentowany przez autorów prototyp wyświetlacza. Tae-Ho Kim, et al. ©2011 Macmillan Publishers Limited. Opublikowano za zgodą.

Zbudowany z kwantowych kropek prototyp wyświetlacza.

Zaprezentowany przez autorów prototyp wyświetlacza. Tae-Ho Kim, et al. ©2011 Macmillan Publishers Limited. Opublikowano za zgodą.

Pamiętacie jeszcze jak wyglądał (i ile ważył) telewizor z lampą kineskopową? Upowszechnienie się ekranów LCD to okres raptem ostatnich 10 lat. W tym czasie mieliśmy okazję zaobserwować spektakularny rozwój technologii umożliwiających wyświetlanie obrazów coraz mniejszym nakładem energii, przy jednoczesnym śrubowaniu parametrów jakościowych. Jednym z pól, w którym pokładane są dość duże nadzieje w tym względzie jest technologia tzw. kropek kwantowych?

Co w ogóle kryje się pod tą enigmatyczną nazwą? Kropka kwantowa, to w uproszczeniu obszar materiału (najczęściej półprzewodnika) który ze wszystkich stron otoczony jest obszarem o wyższym potencjale energetycznym. Obszar ten ma bardzo małe rozmiary (niekiedy nawet rzędu 5nm), stąd „kropka”.

W takim obszarze można „uwięzić” cząstkę elementarną, jeżeli będzie miała ona wystarczająco małą energię. Manipulując rozmiarem kropki kwantowej, można wpłynąć na długość fali odpowiadającej uwięzionej cząsteczce (pamiętacie dualizm korpuskularno-falowy?). Ponieważ wartość ta, może przyjmować tylko pewne określone wartości, do opisu tak uwięzionej cząsteczki wykorzystuje się równania fizyki kwantowej. W ten sposób powstał drugi człon nazwy.

Od połowy pierwszej dekady XXI w. trwają prace nad wykorzystaniem kropek kwantowych jako źródeł światła. Mają one bowiem w tym zakresie szereg zalet:

Po pierwsze, dość łatwo zachęcić je do świecenia. Można przepuścić przez nie prąd elektryczny, albo oświetlić światłem pewnej barwy, aby w odpowiedzi kropka zaczęła świecić własnym światłem innej barwy.

Po drugie, barwę uzyskanego światła można regulować praktycznie w całym zakresie światła widzialnego. Jak wspomnieliśmy, barwa emitowanego światła zależy od rozmiarów kropki, a nie np. od materiału, jak ma to miejsce w LEDach.

Pojemniki z zawiesinami kropek świecą w różnych kolorach

Pojemniki zawierające zawiesiny kropek o różnych rozmiarach. W świetle ultrafioletowym, kropki świecą w różnych barwach. Na zdjęcie nałożono wykres prezentujący bardzo równomierny (w porównaniu do np LED) rozkład widma światła emitowanego przez kropki o określonym rozmiarze.

Technologię wytwarzania kropek kwantowych mamy już dość dobrze opanowaną. Całkiem niewykluczone, że w waszych telefonach znajdują się diody świecące korzystające z tych mikroskopijnych źródeł światła. Trudniejszym zadaniem okazało się stworzenie funkcjonalnego wyświetlacza zbudowanego z takich kropek.

Najczęściej spotykane dzisiaj wyświetlacze ciekłokrystaliczne wykorzystują białe światło wytworzone przez świetlówkę lub LED, które następnie przechodzi przez warstwy różnokolorowych ciekłych kryształów, które odfiltrowują większość długości fal tworząc ostatecznie pożądaną barwę. Jak łatwo zauważyć proces ten jest dość nieefektywny energetycznie: najpierw wytwarzamy światło o szerokim widmie, po to aby za chwilę odrzucić większą jego część.

Gdyby udało się wytworzyć wyświetlacz ze źródeł, które same w sobie emitują światło o pożądanej długości fali, można by znacząco zwiększyć sprawność urządzenia. Oznaczałoby to na przykład mniejszy pobór prądu przy tej samej jasności ekranu, albo jaśniejszy ekran przy tym samym poborze prądu.

W czasopiśmie Nature Photonics opublikowano właśnie artykuł zespołu południowokoreańskich badaczy, którzy opracowali nową metodę produkcji takich wyświetlaczy, oraz zaprezentowali wykonany tą metodą prototyp.

Ich metoda, różni się od dotychczasowej sposobem nakładania kropek kwantowych na podłoże.

Prototyp wyświetlacza wytworzonego starszą metodą.

Prototyp wyświetlacza wykonanego przez ten sam zespół starszą, mniej efektywną metodą. Zdjęcie na licencji Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 autorstwa Kimhoejoon

Do tej pory, kropki umieszczano w zawiesinie, którą smarowano lub natryskiwano na podłoże. Wadą tej metody była duża nierównomierność w rozkładzie kropek na powierzchni, co powodowało pogorszenie parametrów obrazu takich jak ostrość obrazu, czy jednorodność barw.

Opisana w artykule metoda opiera się na wykorzystaniu krzemowych„stempli”. Na ich powierzchni wytworzono mikrostrukturę, która pozwala pobrać z zawiesiny kropki o odpowiednim rozmiarze i od razu ułożyć je w ustalony wzór. Następnie stempel dociskany jest do podłoża, na którym ma powstać wyświetlacz.

Pomysł z pozoru prosty, pod względem technicznym sprawił jednak pewne problemy. Byoung Lyong Choi, jeden z autorów pracy, podkreśla że trzy lata zajęło dopracowanie takich szczegółów jak czas i siła docisku stempla tak, aby wszystkie kropki zostały przeniesione na podłoże.

W efekcie udało się uzyskać jaśniejszy niż dotychczasowe wyświetlacz. Jasność pikseli barwy czerwonej, wzrosła w porównaniu do poprzedniej metody o 50%, a wydajność energetyczna o około 70%.

Zaprezentowany przez zespół prototyp ma 4 cale przekątnej i rozdzielczość 320x240px. To stosunkowo niedużo, ale daje nadzieję na pojawienie się tego typu ekranów w małych urządzeniach przenośnych w przeciągu kilku najbliższych lat. Na wyświetlacze o większych rozmiarach, przyjdzie nam niestety poczekać nieco dłużej.
ResearchBlogging.org

Więcej informacji:
Kim, T., Cho, K., Lee, E., Lee, S., Chae, J., Kim, J., Kim, D., Kwon, J., Amaratunga, G., Lee, S., Choi, B., Kuk, Y., Kim, J., & Kim, K. (2011). Full-colour quantum dot displays fabricated by transfer printing Nature Photonics DOI: 10.1038/nphoton.2011.12
Print Friendly

O autorze

Michał Jarosz

Inżynier automatyki i robotyki. Utrzymuje się z projektowania systemów bazodanowych. Dorywczo koordynator badań klinicznych. Członek Association for Computing Machinery. Założyciel i opiekun zespołu obliczeń rozproszonych BOINC@Poland. Na koncie jeden maraton i aspiracje do kolejnych.