Nanokristallskärmar

Seth Coe-Sullivan, teknisk chef vid Watertown, MA, startup QD Vision, fäster krokodilklämmor på två kanter av en genomskinlig wafer i storleken på en mobiltelefonskärm och vänder på en strömbrytare: en rektangel som fyller mitten av wafern vänder sig plötsligt från reflekterande silver till svagt rött. En labbarbetare släcker rumsbelysningen för att förstärka effekten – men detta är inte nödvändigt. Coe-Sullivan vrider på en ratt och enheten börjar lysa briljant.

Coe-Sullivan har en prototyp kvantpunktsskärm; sådana skärmar avger extremt rena färger och kan så småningom skalas upp för att konkurrera med konventionella skärmar. (Fotokredit: Porter Gifford.)

[För bilder av denna forskning, teamet, utrustningen och prototyperna, klicka här .]

Den här historien var en del av vårt majnummer 2006

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Detta är QD Visions första skärm – en monokromatisk testbädd på 32 x 64 pixlar för en teknik som Coe-Sullivan hoppas ska ersätta de som används i dagens högupplösta TV-apparater. Tunn och flexibel, nästa generations display kommer att vara lätt att se i solljus och mindre strömsugen än den i din nuvarande bärbara dator, säger han. Den kommer också att täcka mer av det synliga färgspektrumet än nuvarande skärmar och producera så högkontrastbilder att dagens platta skärmar kommer att se tråkiga och urtvättade ut i jämförelse.

I dess hjärta finns nanopartiklar som kallas kvantprickar, nanoskala halvledarkristaller. Genom att ändra storleken på partiklarna kan forskare ändra färgen de avger: till exempel skulle en partikel med sex nanometer i diameter lysa rött, medan en annan av samma material men bara två nanometer bred skulle lysa blått.

Där dessa partiklar verkligen lyser är i renheten av färgerna de avger. Skärmar skapar miljontals färger från en palett på bara tre: varje pixel är gjord av en röd, en grön och en blå subpixel, och att variera deras relativa intensitet varierar pixelns skenbara färg. I LCD-skärmar och organiska ljusemitterande enheter (OLED), en ny typ av display, är subpixelfärgerna orena. Det röda, till exempel, medan det mestadels är gjort av rött ljus, innehåller också mindre mängder av andra färger. Med kvantprickar avger den röda subpixeln endast rött.

Denna renhet innebär att kvantpunktsbaserade skärmar har mer mättade färger än LCD-skärmar, OLED:er och till och med skrymmande katodstrålerör (CRT), som fortfarande är uppskattade för sin utmärkta färgåtergivning. Dessutom, säger Coe-Sullivan, är det möjliga färgomfånget i en kvantpunktsskärm 30 procent större än i CRT:er: Vi ökar djupet på det gröna som skärmar kan visa, och djupet på det blågröna, et cetera. Det är faktiskt en annan färg än vad som kan ses på en LCD, OLED eller CRT.

Det som kanske är mest spännande med quantum dot LEDs (QD-LEDs) är att de använder mycket mindre ström än LCD-skärmar. På LCD-skärmar lyser en bakgrundsbelysning upp varje pixel på skärmen. Mörka pixlar blockerar helt enkelt detta ljus, vilket i själva verket slösar energi. Delvis på grund av att kvantprickar avger ljus snarare än att filtrera det, kan en QD-LED-skärm potentiellt använda en 30-del av kraften hos en LCD.

Och det finns en annan fördel med att inte ha bakgrundsbelysning, enligt Vladimir Bulovic, expert på MIT i OLED-skärmar. För på LCD-skärmar blockerar de mörka pixlarna inte ljuset perfekt, säger Bulovic, de svarta pixlarna på LCD-skärmar är egentligen bara mörkgråa. Med kvantprickar, å andra sidan, avger svarta pixlar inget ljus. Det som gör bilden skarp och verkligen hoppar över dig är att det svarta är riktigt, riktigt mörkt, säger han.

Bägare av denna glödande gröna grejer
Idén att använda kvantprickar i skärmar är inte ny. I början av 1990-talet, när kemister som Moungi Bawendi, nu MIT-professor i kemi och vetenskaplig rådgivare vid QD Vision, perfektionerade tekniker för att bilda exakta, enhetliga kvantprickar, försökte vissa göra QD-LEDs men producerade endast svaga, ineffektiva enheter som krävde ungefär hundra tusen elektroner för att få kvantprickar att sända ut en enda foton. Däremot kräver Coe-Sullivans QD-LED endast cirka 50 elektroner per foton.

För att uppnå detta framsteg krävdes att rätt personer kom samman vid rätt tidpunkt. Det hände år 2000, när Coe-Sullivan kom till MIT som doktorand och träffade Bawendi och en helt ny MIT-elektroteknikprofessor som hade kommit några veckor innan – Vladimir Bulovic.

Precis innanför dörren till QD Visions labb finns en rad kolvar som innehåller en bubblande röd vätska – en lösning av nyligen bildade kvantprickar. Samarbetet som ledde till den första effektiva QD-LED-skärmen började efter att Bulovic, på ett besök på MIT, snubblat över en liknande scen i labbet hos en av Bawendis medarbetare.

Bulovic säger att innan han stötte på bägare av denna glödande gröna grejer på MIT, hade han aldrig hört talas om kvantprickar. Coe-Sullivan lånade Bulovics kunskap om OLED-tillverkningsknep och Bawendis quantum dot expertis och tog även hjälp av studiekamrater Jonathan Steckel och Wing-Keung Woo.

Även med all denna expertis inträffade dock genombrottet som möjliggjorde enheten delvis av en slump. Forskarna hade blandat kvantprickar i en lösning av organiska molekyler och spridit blandningen till en tunn film med en process som kallas spin-casting, i hopp om att kvantprickarna skulle spridas jämnt genom filmen. Som det visade sig steg kvantprickarna upp till filmens yta och sattes ihop i ett ordnat, enhetligt lager bara en prick tjockt, ett arrangemang som visade sig vara mer effektivt än det som forskarna hade tänkt sig.

Detta lager av kvantprickar blev kärnan i en flerskikts enfärgad QD-LED, inklämd mellan elektroder och laddningstransportlager. Coe-Sullivan, tillsammans med Bulovic och Greg Moeller, chef för affärsutveckling, grundade QD Vision 2004 för att gå från denna enkla enhet till en fullfärgsskärm som kan tillverkas lönsamt.

Ett stort steg var att ordna uppsättningar av pixlar. På QD Vision pekar Coe-Sullivan på ett glasfrontskåp som noggrant blockerats för att dölja en del av en egenutvecklad process för att distribuera kvantprickar i de omväxlande trefärgade rektangulära rutnäten som är nödvändiga för en fungerande display. Redan tekniken, som Coe-Sullivan säger bör leda till relativt billig tillverkning, har producerat mönster med pixlar mindre än de som är typiska för nuvarande skärmar.

Coe-Sullivan säger att QD Vision borde kunna låna från OLED-teknik en nyckelkomponent i skärmar, det bakre planet som styr pixlarna. Nu fokuserar företaget på att förbättra effektiviteten hos sin enhet, som, även om den är konkurrenskraftig med mobiltelefonskärmar, fortfarande kan förbättras.

Sammantaget säger Coe-Sullivan att han förväntar sig att det kommer att ta ungefär fyra år innan företaget har sin första kommersiella produkt – förmodligen en liten display för en mobiltelefon. Men han säger att de färgglada bilderna kommer att vara värda att vänta på.

Hemsidans bild med tillstånd av Porter Gifford.

Dölj