جهاز عرض النقاط الكمومية

إن جهاز عرض النقاط الكمومية هو جهاز يستعمل لرؤية النقاط الكمومية (QD) على شكل بلورات نانوية شبه موصلة التي يمكن أن تنشئ ضوءًا أحادي اللون نقيًا أحمر وأخضر وأزرق.

جهاز عرض النقاط الكمومية

تُستخدم جسيمات النقاط الكمومية الباعثة للصور في الإضاءة الخلفية لشاشات الكريستال السائل أو عرض مرشحات الألوان، إذ يتم إثارة النقاط الكمومية بالضوء الأزرق من لوحة العرض لإصدار ألوان أساسية نقية.

مما يقلل من فقد الضوء والتداخل اللوني في مرشحات الألوان مما يحسن سطوع الشاشة وتدرج الألوان، حيث ينتقل الضوء من خلال فيلم طبقة (QD) وفلاتر (RGB) التقليدية المصنوعة من أصباغ الألوان أو من خلال مرشحات QD مع محولات اللون الأحمر أو الأخضر (QD) والمرور الأزرق.

على الرغم من أن تقنية مرشح الألوان (QD) تُستخدم بشكل أساسي في شاشات (LCD) ذات الإضاءة الخلفية (LED)، إلا أنها قابلة للتطبيق على تقنيات العرض الأخرى التي تستخدم مرشحات الألوان مثل لوحات العرض الزرقاء (UV AMOLED / QNED / MicroLED) في شاشات الكريستال السائل ذات الإضاءة الخلفية، حيث أن (LED) هي التطبيق الرئيسي للنقاط الكمومية الباعثة للصور على الرغم من أن لوحات (OLED) الزرقاء مع مرشحات الألوان (QD) قيد البحث.

شاشات عرض النقاط الكمومية المنبعثة

تعد شاشات عرض النقاط الكمومية التي تصدر كهربائياً أو تصدر بشكل كهرومغناطيسي نوعًا آخر من العروض المجربة، التي يعتمد على الثنائيات الباعثة للضوء بنقطة الكم (QD-LED، وكذلك EL-QLED و ELQD و QDEL)، إذ تشبه هذه الشاشات الصمام الثنائي الباعث للضوء العضوي النشط (AMOLED) وشاشات (MicroLED)، حيث سيتم إنتاج الضوء مباشرة في كل بكسل عن طريق تطبيق التيار الكهربائي على جزيئات النانو غير العضوية.

أكد المصنعون أن شاشات (QD-LED) يمكن أن تدعم شاشات العرض الكبيرة والمرنة ولن تتحلل بسهولة مثل شاشات (OLED)، مما يجعلها مرشحة جيدة لشاشات التلفزيون المسطحة والكاميرات الرقمية والهواتف المحمولة وأجهزة الألعاب المحمولة.

اعتبارًا من يونيو 2016 تستخدم جميع المنتجات التجارية، مثل أجهزة تلفزيون (LCD) التي تحمل علامة (QLED) النقاط الكمومية كجزيئات انبعاث ضوئي؛ حيث توجد أجهزة تلفزيون (QD-LED) ذات الانبعاثات الكهربية في المختبرات فقط.

شاشات النقاط الكمومية قادرة على عرض نطاقات لونية أوسع مع اقتراب بعض الأجهزة من التغطية الكاملة للتدرج اللوني، حيث يمكن لشاشات (QD-OLED) و (QD-LED) تحقيق نفس التباين مثل شاشات (OLED MicroLED) مع مستويات سوداء مثالية في حالة إيقاف التشغيل، على عكس شاشات (LCD) ذات الإضاءة الخلفية (LED).

مبدأ عمل جهاز عرض النقاط الكمومية

في هذه الصورة تلفزيون (QLED) مقاس 8K – 75 بوصة، حيث ظهرت فكرة استخدام النقاط الكمومية كمصدر للضوء في التسعينيات، حيث تضمنت التطبيقات المبكرة التصوير باستخدام أجهزة كشف الأشعة تحت الحمراء (QD)، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء والأجهزة الباعثة للضوء أحادية اللون، وبدءًا من أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين بدأ العلماء يدركون إمكانية تطوير النقاط الكمومية لمصادر الضوء وشاشات العرض.

تكون (QDs) إما انبعاث ضوئي مضيء ضوئيًا أو انبعاث كهربائي مضيء كهربائيًا، مما يسمح بدمجها بسهولة في بنيات العرض الانبعاثية الجديدة، إذ تنتج النقاط الكمومية ضوءًا أحادي اللون بشكل طبيعي، لذا فهي أكثر كفاءة من مصادر الضوء الأبيض عند ترشيح اللون وتسمح بمزيد من الألوان المشبعة التي تصل إلى ما يقرب من 100٪ من التدرج اللوني.

تحسين وتطوير النقطة الكمومية

هناك تطبيق عملي واسع الانتشار يستخدم طبقة فيلم تحسين النقاط الكمومية (QDEF) لتحسين الإضاءة الخلفية (LED) في تلفزيونات (LCD)، إذ يتم تحويل الضوء المنبعث من إضاءة خلفية (LED) زرقاء بواسطة (QDs) إلى أحمر وأخضر نقي نسبيًا.

لذلك فإن هذا المزيج من الضوء الأزرق والأخضر والأحمر يتعرض بشكل أقل للتداخل بين الأزرق والأخضر وامتصاص الضوء في مرشحات الألوان بعد شاشة (LCD)، وبالتالي زيادة الإضاءة المفيدة الإنتاجية وتوفير نطاق لوني أفضل، حيث تحل النقطة الكمومية على الزجاج (QDOG) توضع في مكان فيلم (QD) بطبقة (QD) رفيعة مدهونة أعلى لوحة توجيه الضوء (LGP)، مما يعمل على تخفيف التكاليف ويحسن الكفاءة.

يتم حاليًا البحث عن مصابيح (LED) الخلفية البيضاء التقليدية التي تستخدم مصابيح (LED) زرقاء مع هياكل (QD) حمراء وخضراء على الرقاقة أو على السكك الحديدية، على الرغم من أن درجات حرارة التشغيل المرتفعة تؤثر سلبًا على عمرها.

محول لون النقطة الكمية

إن محاليل ألوان QD (QDCC) تتم بإضاءة خلفية (LED)، حيث تستخدم شاشات (LCD) فيلم (QD) أو طبقة (QD) مطبوعة بالحبر مع نقش بكسل فرعي أحمر أو أخض، أي محاذاة لتتطابق بدقة مع وحدات البكسل الفرعية الحمراء والخضراء، وذلك لإنتاج ضوء أحمر أو أخضر نقي، إذ يمكن أن تكون البكسلات الفرعية الزرقاء شفافة لتمريرها من خلال الإضاءة الخلفية (LED) الزرقاء النقية، أو يمكن صنعها بنقاط كمية منقوشة باللون الأزرق في حالة الإضاءة الخلفية للأشعة فوق البنفسجية.

ويحل هذا التكوين محل مرشحات الألوان السلبية بشكل فعال، والتي تتكبد خسائر كبيرة عن طريق تصفية 2/3 من الضوء العابر، مع هياكل (QD) الباعثة للصور وتحسين كفاءة الطاقة وذروة السطوع وتعزيز نقاء اللون، ونظرًا لأن النقاط الكمومية تزيل استقطاب الضوء، إذ يجب نقل مستقطب الإخراج المحلل خلف محول اللون وداخل خلية زجاجية (LCD)، حيث سيؤدي ذلك إلى تحسين زوايا المشاهدة أيضًا.

سيؤدي الترتيب داخل الخلية للمحلل والمستقطب أيضًا إلى تقليل تأثيرات إزالة الاستقطاب في طبقة (LC)، مما يزيد من نسبة التباين، ولتقليل الإثارة الذاتية لفيلم (QD) ولتحسين الكفاءة يمكن حجب الضوء المحيط باستخدام مرشحات الألوان التقليدية، ويمكن للمستقطبات العاكسة توجيه الضوء من (QDCC) نحو العارض، ونظرًا لأن الضوء الأزرق أو الأشعة فوق البنفسجية فقط يمر عبر طبقة الكريستال السائل فيمكن جعله أرق، مما ينتج عنه أوقات استجابة أسرع للبكسل .

هناك تطوير إضافي لشاشات (QD-OLED) وهو عرض الصمام الثنائي الباعث للنقاط النانوية (QNED)، والذي يحل محل طبقة (OLED) الزرقاء بمصابيح (LED) زرقاء نانورود (InGaN / GaN)، حيث تتمتع نانورودز بسطح انبعاث أكبر مقارنةً بمصابيح LED المستوية، مما يسمح بزيادة الكفاءة وزيادة انبعاث الضوء، وتتم طباعة محلول نانورودز بالحبر على الركيزة، ثم تتم محاذاة وحدات البكسل الفرعية في مكانها بواسطة التيار الكهربائي، ويتم وضع محولات ألوان (QD) أعلى وحدات البكسل الفرعية باللون الأحمر الأخضر.

الخصائص البصرية للنقاط الكمومية

يتم تحديد أداء (QDs) من خلال حجم أو تكوين هياكل (QD)، على عكس الهياكل الذرية البسيطة، فإن بنية النقطة الكمومية لها خاصية غير عادية وهي أن مستويات الطاقة تعتمد بشدة على حجم الهيكل، على سبيل المثال يمكن ضبط انبعاث ضوء النقطة الكمومية (CdSe) من الأحمر بقطره 5 نانومتر إلى المنطقة البنفسجية 1.5 نانومتر نقطة.

إن السبب المادي لتلوين (QD) هو تأثير الحبس الكمي ويرتبط مباشرة بمستويات الطاقة الخاصة بهم، حيث ان طاقة فجوة الحزمة التي تحدد الطاقة، وبالتالي اللون من ضوء الفلورسنت يتناسب عكسيا مع مربع حجم النقطة الكمومية.

وتتميز (QDs) الأكبر حجمًا بمستويات طاقة بتباعد كبير، مما يجعل QD تقوم بإصدار أو امتصاص فوتونات ذات طاقة أقل بلون أحمر، وبمعنى آخر تزداد طاقة الفوتون المنبعثة مع تناقص حجم النقطة؛ لأن الطاقة الأكبر مطلوبة لحصر إثارة أشباه الموصلات في حجم أصغر.

تستخدم هياكل النقاط الكمومية الأحدث الإنديوم بدلاً من الكادميوم، حيث لا يتم إعفاء الأخير للاستخدام في الإضاءة بواسطة توجيهات (RoHS) للمفوضية الأوروبية، وأيضًا بسبب سمية الكادميوم.