Квантовые точки: Новое поколение инновационных дисплеев

Квантовые точки представляют собой ультратонкие полупроводниковые частицы, которые в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса. С момента своего создания эти частицы стали основой для революции в технологии отображения информации. Благодаря своим уникальным физическим свойствам, они гарантируют высочайшую точность цветопередачи и яркости среди всех существующих материалов.

В дисплеях квантовые точки поддерживают широкую цветовую гамму, которая точно соответствует цветам, воспринимаемым человеческим глазом, и облегчают регулировку освещения на уровне пикселей, что позволяет добиться более точного уровня чёрного. Излучая свет во всех направлениях, квантовые точки обеспечивают равномерную яркость и однородный цвет под любым углом обзора, сводя к минимуму воздействие синего света для более комфортного просмотра.

▲ Телевизоры SUHD на выставке CES 2015

Ключевые отличия QLED: содержание, квантовая точечная пленка и технология без использования кадмия

Телевизионная индустрия активно исследует и разрабатывает способы коммерциализации квантовых точек. Этот материал является настоящим прорывом в области технологий отображения информации, что привело к появлению на рынке широкого выбора телевизоров с квантовыми точками.

Однако главные различия между телевизорами с квантовыми точками заключаются в способе реализации технологии и общем качестве дисплея. Для превосходного качества просмотра, необходимо учитывать такие факторы, как содержание квантовых точек, качество квантово-точечной пленки и использование материалов, не содержащих кадмий.

▲ Критерии, на которые следует обратить внимание при выборе качественного телевизора с поддержкой технологии квантовых точек

Содержание квантовых точек

Истинное качество телевизора с квантовыми точками определяется содержанием квантовых точек. Для достижения яркого, насыщенного качества изображения и цветовой выразительности, присущей только квантовым точкам, в пленке из квантовых точек требуется не менее 3 000 частей на миллион (ppm) материала.

Слой квантовых точек

Технология Samsung QLED избавляет от необходимости в отдельном слое люминофора, повышая эффективность освещения и энергопотребления, при этом предлагая более яркие цвета. Квантовый OLED (QD-OLED), состоящий из слоя тонкопленочного транзистора (TFT)^[1], источника самоизлучающегося света и слоя квантовых точек, который использует свет, излучаемый источником света, выводит качество изображения на новый уровень. В любом случае, специальная квантовая точечная пленка, которая содержит достаточное количество этих частиц гарантирует первоклассное качество изображения и долговечность.

▲ Сравнение QD-OLED и ЖК-дисплеев

Отсутствие кадмия

На ранних стадиях разработки телевизоров с использованием квантовых точек кадмий был необходим для реализации основных преимуществ таких устройств, как высокая цветопередача и контрастность. В то время кадмий считался наиболее подходящим материалом для изготовления квантовых точек.

Однако на пути коммерциализации технологии квантовых точек возникло серьёзное препятствие — токсичность кадмия. Этот элемент представляет большую опасность для окружающей среды, что затрудняет его широкое использование, несмотря на то, что он является наиболее подходящим материалом для внедрения технологии квантовых точек.

В 2014 году компания Samsung представила первое в мире решение на основе квантовых точек, не содержащее кадмий. В следующем году она успешно интегрировала эту технологию в свои телевизоры SUHD, открыв новую эру в развитии телевизоров с использованием квантовых точек.

10 лет инноваций и лидерства в области квантовых точек

В течение последнего десятилетия Samsung, благодаря постоянным исследованиям и инвестициям, смогла быстро осознать потенциал технологии квантовых точек и светодиодных инноваций на мировом рынке дисплеев.

▲ Хронология развития технологии квантовых точек Samsung с 2001 по 2022 год

В 2001 году компания Samsung начала исследования и разработку технологии квантовых точек. В то время исследования материалов, не содержащих кадмий, были ограничены. Для получения ярких цветов требовалось сделать наночастицы однородными, но отсутствие технологий и научных исследований делало массовое производство чрезвычайно сложным.

Несмотря на все трудности, в 2014 году Samsung удалось создать нанокристаллический материал, не содержащий кадмия. С тех пор компания накопила обширный опыт, зарегистрировав более 150 патентов, и постоянно работала над совершенствованием технологии. Давняя приверженность Samsung достигла своей кульминации в 2015 году, когда компания представила первые в мире телевизоры SUHD с технологией квантовых точек без кадмия.

▲ Телевизоры QLED (75Q8C и 88Q8F) на презентации Samsung First Look 2017 в рамках выставки CES 2017

В 2017 году Samsung представила линейку QLED-телевизоров, которые установили новый стандарт для устройств премиум-класса, преодолев ограничения OLED-экранов. Применив технологию металлических квантовых точек, Samsung достигла стандарта цветопередачи DCI-P3, что стало первым в мире примером 100%—ной цветопередачи. Это позволило достичь непревзойденного качества изображения. Примечательно, что использование технологии неорганических квантовых точек защитило экраны от выгорания^[2], обеспечив стабильное качество изображения на протяжении долгого времени.

▲ (Слева направо) Кван Хи Ким (Kwang-Hee Kim), доктор Тэхён Ким (Dr. Taehyung Kim), доктор Ынджу Чан (Dr. Eunjoo Jang), Сон У Ким (Sungwoo Kim) и Сон Мен Чой (Seon-Myeong Choi) из Института передовых технологий Samsung

После успеха в разработке красного светоизлучающего элемента для дисплеев в 2019 году компания повысила световую эффективность синих самоизлучающих светодиодов QLED, которые считаются самыми сложными для внедрения среди трех основных цветов QLED^[3]. Светоотдача достигла 20,2%, что стало лучшим показателем в отрасли.

«Открытие синего материала для самоизлучающихся светодиодов QLED и демонстрация лучших в отрасли характеристик на уровне устройств стали значительными достижениями этого исследования», — сказал доктор Ынджу Чанг, научный сотрудник Института передовых технологий Samsung. — Уникальная технология квантовых точек Samsung в очередной раз преодолела технические барьеры».

Эти выдающиеся достижения стали основой для создания телевизоров QD-OLED, которые произвели фурор на выставке CES 2022. Они были удостоены награды “Лучшая инновация” за успешную интеграцию технологии квантовых точек и OLED-дисплеев.

Samsung продолжает развивать технологию квантовых точек посредством непрерывных инноваций. Компания продолжает инвестировать в передовые технологии изображение высокого качества — от SUHD до Neo QLED — предлагая высокую яркость, точность цветопередачи и частоту воспроизведения. Благодаря непревзойденным разработкам Samsung в области квантовых точек будущее технологии отображения информации становится более ярким, чем когда-либо.

^[1] Электронная схема, отвечающая за регулирование и управление слоями светоизлучения.

^[2] Возникает, когда статичное изображение воспроизводится на протяжении длительного времени, в результате чего на экране происходит искажение цвета или возникновение побочных изображений

^[3] Красный, зеленый и синий

Поскольку синий является наиболее сложным для реализации из трех основных цветов в технологии QLED (красного, синего и зеленого), новое достижение еще раз подтверждает лидерство компании в сфере технологий квантовых точек. Оно является важной вехой в истории развития технологии наряду с разработкой красного светодиода для QLED в ноябре прошлого года.

Сложный цвет

Квантовые точки (КТ) – это полупроводниковые частицы, диаметр которых составляет несколько нанометров (что в десятки тысяч раз меньше, чем толщина человеческого волоса). При свечении они излучают свет определенного цвета, который зависит от их размера.

Синие квантовые точки, имеющие самую большую запрещенную зону¹ среди светодиодов трех основных цветов, быстро окисляются под воздействием внешнего света, в результате чего они имеют малый срок службы и низкую светоотдачу². Из-за этого до сих пор компании не могли разработать технологию, которую можно бы было использовать для изготовления квантовых точек синего цвета.

Решение новых задач

SAIT удалось создать технологию синего QLED, добившись лучших в индустрии результатов, в том числе повышения световой отдачи на 20,2%, максимальной освещенности 88900 нит и срока службы QLED светодиода в 16000 часов (измерено при половинной яркости для освещенности 100 нит). Эти результаты были зафиксированы в исследовании под названием «Эффективный и стабильный синий светоизлучающий диод для технологии квантовых точек», которое было опубликовано журналом Nature 14 октября 2020 года.

Эунджу Джанг (Eunjoo Jang), Сотрудник Samsung

«Благодаря уникальной технологии квантовых точек Samsung сумела преодолеть ограничения, с которыми сталкивается отрасль, – отметил д-р Эунджу Джанг (Dr. Eunjoo Jang), научный сотрудник Samsung и один из авторов исследования. – Мы продолжим исследования, чтобы ускорить коммерциализацию светодиодов для технологии квантовых точек (QLED)».

Электрод – слой инжекции электронов – излучающий слой квантовых точек – слой инжекции дырок – электрод Структура синих, не содержащих кадмия светодиодов для технологии квантовых точек (QLED) Оболочка – Ядро – Лиганд – Двойной слой синих квантовых точек

Квантовые точки состоят из базовой структуры, имеющей в свою очередь ядро, оболочку и несколько лигандов³. Чтобы обеспечить лучшую стабильность материалов квантовых точек, добиться хорошего квантового выхода и увеличить срок службы светодиодов, исследователи применили структуру с двойными излучающими слоями квантовых точек и более короткими лигандами на поверхности синих светодиодов, одновременно с этим увеличив скорость инжекции тока.

Тэхён Ким (Taehyung Kim), главный научный сотрудник

Доктор Тэхён Ким (Dr. Taehyung Kim), главный научный сотрудник и первый автор исследования, отметил: «Это исследование имеет большое значение, поскольку мы не только установили характеристики светоизлучающих диодов для квантовых точек, но и доказали, что эта технология может обеспечить первоклассные характеристики на уровне отдельных элементов».

(Слева направо) Кванг-хи Ким (Kwang-Hee Kim), Тэхён Ким (Taehyung Kim), Эунджу Джанг (Eunjoo Jang), Сунгву Ким (Sungwoo Kim) и Сеон-Мионг Чой (Seon-Myeong Choi) из SAIT

1 Разница энергий между верхом валентной зоны электронов и низом зоны проводимости.

2 Отношение излучаемого светового потока к общему входному потоку источника

3 Ядро поглощает и повторно излучает свет, а слой оболочки, окружающий сердцевину квантовой точки, увеличивает ее срок службы и повышает эффективность фотолюминесценции, предотвращая повреждения, связанные с температурой и влажностью. Имеющие форму разветвлений, лиганды расположены на поверхности оболочки квантовой точки и помогают поддерживать расстояние между частицами.