Affichages à nanocristaux

Seth Coe-Sullivan, directeur de la technologie à Watertown, MA, startup QD Vision, attache des pinces crocodiles aux deux bords d'une plaquette transparente de la taille d'un écran de téléphone portable et actionne un interrupteur : un rectangle remplissant le centre de la plaquette tourne soudainement de l'argent réfléchissant au rouge pâle. Un employé de laboratoire éteint les lumières de la pièce pour intensifier l'effet, mais ce n'est pas nécessaire. Coe-Sullivan tourne un bouton et l'appareil commence à briller brillamment.

Coe-Sullivan détient un prototype d'affichage à points quantiques ; de tels écrans émettent des couleurs extrêmement pures et pourraient éventuellement être agrandis pour concurrencer les écrans conventionnels. (Crédit photo : Porter Gifford.)

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Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2006

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Il s'agit du premier écran de QD Vision - un banc d'essai monochromatique de 32 x 64 pixels pour une technologie que Coe-Sullivan espère remplacer ceux utilisés dans les téléviseurs haute définition d'aujourd'hui. Fin et flexible, l'écran de nouvelle génération sera facile à voir au soleil et moins gourmand en énergie que celui de votre ordinateur portable actuel, dit-il. Il couvrira également une plus grande partie du spectre des couleurs visibles que les écrans actuels et produira des images si contrastées que les écrans plats d'aujourd'hui auront l'air ternes et délavés en comparaison.

En son cœur se trouvent des nanoparticules appelées points quantiques, des cristaux semi-conducteurs à l'échelle nanométrique. En modifiant la taille des particules, les chercheurs peuvent changer la couleur qu'elles émettent : par exemple, une particule de six nanomètres de diamètre brillerait en rouge, tandis qu'une autre du même matériau mais de seulement deux nanomètres de large brillerait en bleu.

Là où ces particules brillent vraiment, c'est dans la pureté des couleurs qu'elles émettent. Les écrans créent des millions de couleurs à partir d'une palette de seulement trois : chaque pixel est composé d'un sous-pixel rouge, vert et bleu, et la variation de leurs intensités relatives fait varier la couleur apparente du pixel. Dans les écrans LCD et les dispositifs électroluminescents organiques (OLED), un nouveau type d'affichage, les couleurs des sous-pixels sont impures. Le rouge, par exemple, bien que composé principalement de lumière rouge, contient également de plus petites quantités d'autres couleurs. Avec les points quantiques, cependant, le sous-pixel rouge n'émet que du rouge.

Cette pureté signifie que les écrans à base de points quantiques ont des couleurs plus saturées que les écrans LCD, les OLED et même les tubes à rayons cathodiques (CRT) volumineux, qui sont toujours prisés pour leur excellent rendu des couleurs. De plus, selon Coe-Sullivan, la gamme de couleurs possibles dans un affichage à points quantiques est 30 % supérieure à celle des écrans cathodiques : nous augmentons la profondeur du vert que les écrans peuvent afficher, et la profondeur du bleu-vert, et cetera. C'est en fait une couleur différente de celle que l'on peut voir sur un écran LCD, OLED ou CRT.

Ce qui est peut-être le plus excitant avec les LED à points quantiques (QD-LED), c'est qu'elles consomment beaucoup moins d'énergie que les LCD. Dans les écrans LCD, un rétroéclairage illumine chaque pixel de l'écran. Les pixels sombres bloquent simplement cette lumière, gaspillant en fait de l'énergie. En partie parce que les points quantiques émettent de la lumière plutôt que de la filtrer, un écran QD-LED pourrait potentiellement utiliser un 30e de la puissance d'un écran LCD.

Et il y a un autre avantage à ne pas avoir de rétroéclairage, selon Vladimir Bulovic, expert au MIT en écrans OLED. Parce que dans les écrans LCD, les pixels sombres ne bloquent pas parfaitement la lumière, dit Bulovic, les pixels noirs sur les écrans LCD ne sont en réalité que gris foncé. Avec les points quantiques, en revanche, les pixels noirs n'émettent aucune lumière. Ce qui rend l'image nette et vous saute aux yeux, c'est que le noir est vraiment, vraiment sombre, dit-il.

Béchers de ce truc vert brillant
L'idée d'utiliser des points quantiques dans les écrans n'est pas nouvelle. Au début des années 1990, lorsque des chimistes tels que Moungi Bawendi, aujourd'hui professeur de chimie au MIT et conseiller scientifique à QD Vision, perfectionnaient des techniques pour former des points quantiques précis et uniformes, certains ont essayé de fabriquer des QD-LED mais n'ont produit que des dispositifs faibles et inefficaces. cela nécessitait environ cent mille électrons pour amener les points quantiques à émettre un seul photon. En revanche, les QD-LED de Coe-Sullivan ne nécessitent qu'environ 50 électrons par photon.

Pour réaliser cette avancée, il fallait que les bonnes personnes se réunissent au bon moment. Cela s'est produit en 2000, lorsque Coe-Sullivan est arrivé au MIT en tant qu'étudiant diplômé et a rencontré Bawendi et un tout nouveau professeur d'ingénierie électrique du MIT arrivé quelques semaines auparavant – Vladimir Bulovic.

Juste à l'intérieur de la porte du laboratoire de QD Vision se trouve une rangée de flacons contenant un liquide rouge bouillonnant - une solution de points quantiques récemment formés. La collaboration qui a conduit au premier écran QD-LED efficace a commencé après que Bulovic, lors d'une visite au MIT, soit tombé sur une scène similaire dans le laboratoire de l'un des collaborateurs de Bawendi.

Bulovic dit qu'avant de rencontrer des béchers de cette substance verte brillante au MIT, il n'avait jamais entendu parler des points quantiques. Coe-Sullivan a emprunté les connaissances de Bulovic sur les astuces de fabrication OLED et l'expertise de Bawendi en matière de points quantiques et a également demandé l'aide de ses camarades Jonathan Steckel et Wing-Keung Woo.

Même avec toute cette expertise, cependant, la percée qui a permis l'appareil s'est produite en partie par accident. Les chercheurs avaient mélangé des points quantiques dans une solution de molécules organiques et étalé le mélange dans un film mince à l'aide d'un processus appelé spin-casting, dans l'espoir que les points quantiques se disperseraient uniformément à travers le film. Il s'est avéré que les points quantiques sont montés à la surface du film et se sont assemblés en une couche uniforme et ordonnée d'un seul point d'épaisseur, un arrangement qui s'est avéré plus efficace que celui que les chercheurs avaient prévu.

Cette couche de points quantiques est devenue le cœur d'une QD-LED multicouche monocolore, prise en sandwich entre des électrodes et des couches de transport de charge. Coe-Sullivan, avec Bulovic et Greg Moeller, directeur du développement commercial, ont fondé QD Vision en 2004 pour passer de ce simple appareil à un écran couleur pouvant être fabriqué de manière rentable.

Une étape majeure consistait à organiser des matrices de pixels. Chez QD Vision, Coe-Sullivan désigne une armoire à façade en verre soigneusement bloquée pour cacher une partie d'un processus exclusif de distribution de points quantiques dans les grilles rectangulaires tricolores alternées nécessaires à un affichage fonctionnel. Déjà, la technique, qui, selon Coe-Sullivan, devrait conduire à une fabrication relativement peu coûteuse, a produit des motifs avec des pixels plus petits que ceux typiques des écrans actuels.

Coe-Sullivan dit que QD Vision devrait pouvoir emprunter à la technologie OLED un composant clé des écrans, le fond de panier qui contrôle les pixels. Aujourd'hui, l'entreprise se concentre sur l'amélioration de l'efficacité de son appareil, qui, bien que compétitif par rapport aux écrans des téléphones portables, pourrait encore être amélioré.

Au total, Coe-Sullivan dit qu'il s'attend à ce qu'il faudra environ quatre ans avant que l'entreprise n'ait son premier produit commercial – probablement un petit écran pour un téléphone portable. Mais il dit que les images colorées vaudront la peine d'attendre.

Image de la page d'accueil avec l'aimable autorisation de Porter Gifford.

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