Display a nanocristalli

Seth Coe-Sullivan, chief technology officer di Watertown, MA, startup QD Vision, fissa dei coccodrilli a due bordi di un wafer trasparente delle dimensioni dello schermo di un telefono cellulare e aziona un interruttore: un rettangolo che riempie il centro del wafer si trasforma improvvisamente dall'argento riflettente al rosso tenue. Un operatore di laboratorio spegne le luci della stanza per aumentare l'effetto, ma non è necessario. Coe-Sullivan gira una manopola e il dispositivo inizia a brillare brillantemente.

Coe-Sullivan tiene in mano un prototipo di display a punti quantici; tali display emettono colori estremamente puri e potrebbero eventualmente essere ridimensionati per competere con gli schermi convenzionali. (Credito fotografico: Porter Gifford.)

[Per le immagini di questa ricerca, del team, delle attrezzature e dei prototipi, fare clic qui.]

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2006

• Vedi il resto del problema
• sottoscrivi

Questo è il primo display di QD Vision: un banco di prova monocromatico da 32 per 64 pixel per una tecnologia che Coe-Sullivan spera sostituirà quelli utilizzati nei televisori ad alta definizione di oggi. Sottile e flessibile, il display di nuova generazione sarà facile da vedere alla luce del sole e meno affamato di quello del tuo laptop attuale, dice. Coprirà anche più dello spettro di colori visibile rispetto ai display attuali e produrrà immagini ad alto contrasto che i display a schermo piatto di oggi sembreranno opachi e sbiaditi al confronto.

Al centro ci sono nanoparticelle chiamate punti quantici, cristalli semiconduttori su scala nanometrica. Alterando la dimensione delle particelle, i ricercatori possono cambiare il colore che emettono: ad esempio, una particella di sei nanometri di diametro si illuminerebbe di rosso, mentre un'altra dello stesso materiale, ma larga solo due nanometri, si illuminerebbe di blu.

Dove queste particelle brillano davvero è nella purezza dei colori che emettono. I display creano milioni di colori da una tavolozza di soli tre: ogni pixel è composto da un subpixel rosso, verde e blu e variando le loro intensità relative varia il colore apparente del pixel. Negli LCD e nei dispositivi organici a emissione di luce (OLED), un nuovo tipo di display, i colori subpixel sono impuri. Il rosso, ad esempio, pur essendo composto principalmente da luce rossa, contiene anche quantità minori di altri colori. Con i punti quantici, tuttavia, il subpixel rosso emette solo rosso.

Questa purezza significa che i display basati su punti quantici hanno colori più saturi rispetto a LCD, OLED e persino ingombranti tubi a raggi catodici (CRT), che sono ancora apprezzati per la loro eccellente resa cromatica. Inoltre, afferma Coe-Sullivan, la gamma di colori possibili in un display a punti quantici è del 30% maggiore rispetto ai CRT: stiamo aumentando la profondità del verde che gli schermi possono visualizzare e la profondità del blu-verde, ecc. cetera. In realtà è un colore diverso da quello che può essere visto su un LCD, OLED o CRT.

Forse la cosa più eccitante dei LED a punti quantici (QD-LED) è che usano molta meno energia degli LCD. Negli LCD, una retroilluminazione illumina ogni pixel dello schermo. I pixel scuri stanno semplicemente bloccando questa luce, sprecando in effetti energia. In parte perché i punti quantici emettono luce invece di filtrarla, un display QD-LED potrebbe potenzialmente utilizzare un 30° della potenza di un LCD.

E c'è un altro vantaggio nel non avere una retroilluminazione, secondo Vladimir Bulovic, un esperto del MIT in display OLED. Poiché negli LCD i pixel scuri non bloccano perfettamente la luce, afferma Bulovic, i pixel neri sugli LCD sono in realtà solo grigio scuro. Con i punti quantici, invece, i pixel neri non emettono luce. Ciò che rende l'immagine nitida e ti colpisce davvero è che il nero è davvero, davvero scuro, dice.

Becher di questa roba verde brillante
L'idea di utilizzare punti quantici nei display non è nuova. All'inizio degli anni '90, quando chimici come Moungi Bawendi, ora professore di chimica al MIT e consulente scientifico presso QD Vision, stavano perfezionando le tecniche per formare punti quantici precisi e uniformi, alcuni provarono a realizzare QD-LED ma producevano solo dispositivi deboli e inefficienti ciò richiedeva circa centomila elettroni per convincere i punti quantici ad emettere un singolo fotone. Al contrario, i QD-LED di Coe-Sullivan richiedono solo circa 50 elettroni per fotone.

Raggiungere questo progresso richiedeva che le persone giuste si incontrassero al momento giusto. È successo nel 2000, quando Coe-Sullivan è arrivato al MIT come studente laureato e ha incontrato Bawendi e un nuovissimo professore di ingegneria elettrica del MIT che era arrivato poche settimane prima: Vladimir Bulovic.

Appena dentro la porta del laboratorio di QD Vision c'è una fila di boccette contenenti un liquido rosso gorgogliante, una soluzione di punti quantici formati di recente. La collaborazione che ha portato al primo display QD-LED efficiente è iniziata dopo che Bulovic, in visita al MIT, si è imbattuto in una scena simile nel laboratorio di uno dei collaboratori di Bawendi.

Bulovic dice che prima di incontrare i bicchieri di questa roba verde brillante al MIT, non aveva mai sentito parlare di punti quantici. Coe-Sullivan ha preso in prestito la conoscenza di Bulovic dei trucchi di fabbricazione degli OLED e l'esperienza dei punti quantici di Bawendi e ha anche chiesto l'aiuto degli altri studenti Jonathan Steckel e Wing-Keung Woo.

Nonostante tutta questa competenza, tuttavia, la svolta che ha consentito al dispositivo è avvenuta in parte per caso. I ricercatori hanno mescolato punti quantici in una soluzione di molecole organiche e hanno diffuso la miscela in un film sottile utilizzando un processo chiamato spin-casting, nella speranza che i punti quantici si disperdessero uniformemente attraverso il film. Come si è scoperto, i punti quantici sono saliti sulla superficie del film e si sono assemblati in uno strato ordinato e uniforme dello spessore di un solo punto, una disposizione che si è rivelata più efficiente di quella prevista dai ricercatori.

Questo strato di punti quantici è diventato il nucleo di un QD-LED multistrato a colore singolo, inserito tra elettrodi e strati di trasporto di carica. Coe-Sullivan, insieme a Bulovic e Greg Moeller, direttore dello sviluppo aziendale, ha fondato QD Vision nel 2004 per passare da questo semplice dispositivo a un display a colori che può essere prodotto in modo redditizio.

Un passo importante è stato organizzare gli array di pixel. A QD Vision, Coe-Sullivan indica un cabinet con frontale in vetro accuratamente bloccato per nascondere parte di un processo proprietario per la distribuzione di punti quantici nelle griglie rettangolari a tre colori alternate necessarie per un display funzionante. Già la tecnica, che secondo Coe-Sullivan dovrebbe portare a una produzione relativamente economica, ha prodotto modelli con pixel più piccoli di quelli tipici dei display attuali.

Coe-Sullivan afferma che QD Vision dovrebbe essere in grado di prendere in prestito dalla tecnologia OLED un componente chiave dei display, il backplane che controlla i pixel. Ora l'azienda è concentrata sul miglioramento dell'efficienza del suo dispositivo, che, sebbene competitivo con i display dei telefoni cellulari, potrebbe comunque essere migliorato.

In tutto, Coe-Sullivan dice che si aspetta che ci vorranno circa quattro anni prima che l'azienda abbia il suo primo prodotto commerciale, probabilmente un piccolo display per un telefono cellulare. Ma dice che le immagini colorate varranno la pena aspettare.

Immagine della home page per gentile concessione di Porter Gifford.

nascondere