Sinds Samsung zijn merknaam QLED TV op de markt bracht, zijn quantumdots bij een breder publiek bekend geworden. In moderne high-end tv’s zorgen quantumdots voor intensievere kleuren. In de toekomst kunnen ze de vloeibare kristallen in lcd-schermen volledig vervangen, als lampen dienen of zonnecellen efficiënter maken.
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). Samen levert dit wit licht op. Het witte licht van de achtergrondverlichting (backlight) schijnt door de vloeibare kristallen en RGB-kleurfilters waardoor rode, groene en blauwe subpixels ontstaan.
In qled-tv’s zitten anorganische nanodeeltjes in een quantumdot-folie (nanofolie) voor de achtergrondverlichting. Ze zetten daar het kortegolflicht van de blauwe leds om in rood en groen licht met langere golflengtes, zodat er bij elkaar weer ‘wit’ licht ontstaat.
Voordelen van quantumdots
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.
De meeste beeldschermen bestrijken
de sRGB-kleurruimte. Voor het weergeven
van HDR-video moeten toekomstige
televisies REC.2020 ondersteunen.
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 2017 presenteerde de Chinese fabrikant Boe de eerste exemplaren van dergelijke quantumdot-displays. 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 zou echter ook vijftig procent van het opgewekte licht 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.
Verbod en eigen formules
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 al een productiefaciliteit in Zuid-Korea.
In 2015 noemde Samsung zijn 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.
Oppoetsen
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.
Andere toepassingen van quantumdots
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 licht absorberende 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
Hoe smaller de emissiespectra van het backlight zijn, des te nauwkeuriger de rode, groene en blauwe kleurfilters het licht kunnen scheiden.
omzetten in langgolvig licht kunnen ze ingezet worden om zonnecellen efficiënter te maken. Maar dit zijn niet de enige toepassingen voor quantumdots. 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 deze nanotechniek alleen in high-end televisies wordt toegepast, blijft deze vorm van HDR de komende jaren voor dure toestellen gereserveerd.
(Ulrike Kuhlmann, Dr. Michael Becker, Mark van Sommeren, c’t 12/2017)
