محققان سامسونگ عمر نمایشگرهای QD-LED را ۵۰۰۰ برابر کردند

فرارو- پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) در مطالعه‌ای تازه موفق شده‌اند راهکاری ساده برای افزایش طول عمر LEDهای مبتنی بر نقاط کوانتومی ارائه کنند؛ دستاوردی که می‌تواند زمینه‌ساز تولید نسل جدیدی از نمایشگرهای دیجیتال با مصرف انرژی کمتر، روشنایی بیشتر و کیفیت رنگ بالاتر باشد. 

به گزارش فرارو به نقل از MIT NEWS،این پژوهش که با همکاری محققان مؤسسه پیشرفته فناوری سامسونگ (SAIT) انجام شده، می‌تواند در توسعه نمایشگرهایی مانند تلویزیون‌های صفحه‌تخت، هدست‌های واقعیت افزوده و واقعیت مجازی، نمایشگر تلفن‌های هوشمند، تجهیزات تصویربرداری پزشکی و حتی سامانه‌های روشنایی محیطی با ابعاد بزرگ نقش مهمی ایفا کند. 

در این تحقیق، دانشمندان MIT تغییرات میکروسکوپی ایجادشده در LEDهایی را بررسی کردند که از نقاط کوانتومی برانگیخته‌شده با جریان الکتریکی استفاده می‌کنند. نقاط کوانتومی، ذرات نیمه‌رسانای نانومقیاسی با شکل دقیق هستند که نورهایی با رنگ بسیار خالص تولید می‌کنند. 

نقاط کوانتومی هم‌اکنون نیز در برخی از پیشرفته‌ترین نمایشگرهای رایانه و تلویزیون به کار گرفته می‌شوند، اما در صورتی که بتوان آن‌ها را مستقیماً با جریان الکتریکی تحریک کرد، همان‌گونه که بیش از دو دهه پیش در ساختارهای LED نقطه کوانتومی (QD-LED) نشان داده شد، می‌توان بازدهی نمایشگرها را افزایش داد و فرآیند تولید آن‌ها را نیز ساده‌تر کرد. 

با این حال، محدود بودن طول عمر عملیاتی QD-LEDها تاکنون مانع اصلی تجاری‌سازی گسترده این فناوری بوده است. 

پژوهش جدید نشان می‌دهد که کپسوله‌سازی QD-LEDها در یک رزین مبتنی بر آکریلات می‌تواند با کاهش تخریب فیزیکی حین کار، عمر این تجهیزات را به شکل قابل توجهی افزایش دهد. 

محققان نشان دادند استفاده از یک لایه رزین از طریق فرآیندی ساده و قابل توسعه صنعتی، موجب افزایش پایداری و عملکرد این LEDها می‌شود. در برخی نمونه‌ها، این روش توانست طول عمر دستگاه را تا ۵۰۰۰ برابر افزایش دهد. علاوه بر این، پژوهش حاضر برای نخستین بار علت اصلی مؤثر بودن این روش کپسوله‌سازی را نیز آشکار کرده است. 

ولادیمیر بولوویچ، استاد فناوری‌های نوظهور، پژوهشگر ارشد آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک (RLE)، مدیر MIT. nano و نویسنده ارشد این مطالعه، در این باره می‌گوید: «بینش در مورد چگونگی و چرایی اصلاح LEDهای نقطه کوانتومی در طول عملکردشان، امکان رفع هر چیزی را که مانع تجاری‌سازی نمایشگرهای QD-LED می‌شود، فراهم می‌کند. این فناوری می‌تواند منبع نوری مانند هرگز قبل - با رنگ خالص، به ضخامت کاغذ و با مساحت زیاد - فراهم کند و نحوه تولید نمایشگرها و روشنایی عمومی را متحول کند.» 

نویسنده اصلی این مقاله، رویکی ژانگ، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق و علوم کامپیوتر، به همراه مونگی باوندی، استاد شیمی لستر ولف، و جمعی از پژوهشگران MIT و سامسونگ در این پروژه مشارکت داشته‌اند. نتایج این تحقیق در نشریه Science Advances منتشر شده است. 

چالش LEDهای آبی

این پژوهش بر پایه مطالعات بنیادین مونگی باوندی شکل گرفته است؛ دانشمندی که در سال ۲۰۲۳ به دلیل کشف و سنتز نقاط کوانتومی موفق به دریافت جایزه نوبل شیمی شد. ولادیمیر بولوویچ نیز از سال ۲۰۰۰، پس از پیوستن به MIT، همکاری خود را با باوندی برای توسعه نمایشگرهای مبتنی بر نقاط کوانتومی آغاز کرد. 

در نمایشگرهای LED رایج، هزاران منبع نور کوچک، رنگ‌های قرمز، سبز و آبی را تولید می‌کنند. در مقابل، نمایشگرهای OLED از مولکول‌های آلی نورافشان بهره می‌برند که با جریان الکتریکی تحریک می‌شوند. 

پژوهشگران MIT تلاش کردند این مولکول‌های آلی را با نقاط کوانتومی جایگزین کنند؛ زیرا نقاط کوانتومی نور قرمز، سبز و آبی را با خلوص بیشتر و بازده انرژی بالاتری تولید می‌کنند. 

بولوویچ در این‌باره می‌گوید: «با استفاده از نقاط کوانتومی، کیفیت رنگ نمایشگر از نظر بصری جذاب‌تر و از نظر نوری منعطف‌تر خواهد بود. می‌توان رنگ‌های حاصل از نقاط کوانتومی را با دقت بسیار بالایی با هم ترکیب کرد تا هر رنگ دلخواهی که مورد نیاز است، تولید شود.» 

همکاری این گروه پژوهشی به توسعه مجموعه‌ای از فناوری‌های LED مبتنی بر نقاط کوانتومی و تأسیس شرکت نوپای QD Vision انجامید؛ شرکتی که نخستین نمایشگرهای مجهز به نقاط کوانتومی را به بازار عرضه کرد. سامسونگ نیز در سال ۲۰۱۶ این شرکت را خریداری و نسخه‌ای از فناوری نقاط کوانتومی را در نمایشگرهای QLED خود به کار گرفت. 

با وجود مزیت‌های انرژی، QD-LEDهای برانگیخته‌شده با جریان الکتریکی هنوز به بازار راه نیافته‌اند؛ مهم‌ترین دلیل آن نیز طول عمر کوتاه نمونه‌های آبی‌رنگ است. 

رویکی ژانگ می‌گوید: «پایداری LEDهای نقاط کوانتومی آبی، ۵۰ تا ۱۰۰ برابر کمتر از همتایان قرمز و سبز آن‌هاست. اگر از آن‌ها در یک نمایشگر LED استفاده کنید، ممکن است تلویزیون شما پیش از آنکه از کار بیفتد، تنها چند ماه عمر کند. ما می‌خواستیم دریابیم که چه تفاوتی در ماهیت LEDهای نقاط کوانتومی آبی وجود دارد.» 

بررسی در مقیاس نانو

پژوهشگران برای یافتن پاسخ، روشی برای برش QD-LEDها به نوارهایی در مقیاس نانو توسعه دادند تا بتوانند ساختار داخلی آن‌ها را با استفاده از میکروسکوپ‌های پیشرفته MIT. nano بررسی کنند. 

آن‌ها با مقایسه نمونه‌های تازه‌ساخته‌شده با نمونه‌هایی که مدت طولانی تحت کار قرار گرفته بودند، تغییرات ساختاری و شیمیایی لایه‌های مختلف QD-LEDهای قرمز و آبی را مورد مطالعه قرار دادند. 

نتایج نشان داد سه لایه اصلی عملکردی در LEDهای آبی، در طول کار دچار تخریب می‌شوند، ضخامت آن‌ها کاهش می‌یابد و ساختارشان تغییر می‌کند. همچنین نقاط کوانتومی مجزا به تدریج با یکدیگر ادغام شده و شکل اولیه خود را از دست می‌دهند. 

به گفته محققان، بخشی از این تخریب ناشی از آزاد شدن هیدروژن و اکسیژن اضافی در حین عملکرد دستگاه است. 

ژانگ در این باره می‌گوید: «ما هنوز دقیقاً نمی‌دانیم این عناصر اضافی از کجا می‌آیند - احتمالات زیادی وجود دارد. اما قطعاً نمی‌خواهیم هیدروژن و اکسیژن اضافی در دستگاه وجود داشته باشد.» 

برای جلوگیری از این روند، پژوهشگران از روش کپسوله‌سازی با رزین آکریلات استفاده کردند؛ روشی که پیش‌تر نیز در برخی کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفته بود. 

بررسی‌ها نشان داد این پوشش رزینی از آزاد شدن هیدروژن و اکسیژن جلوگیری کرده و بخش قابل توجهی از تخریب ساختاری لایه‌های QD-LED آبی را مهار می‌کند. 

بولوویچ درباره این یافته می‌گوید: «برای نخستین بار، ما به جزئیات آنچه درون این ساختارهای متشکل از مواد گوناگون و لایه‌بندی‌شده (که QD-LED را تشکیل می‌دهند) رخ می‌دهد، پی برده‌ایم. پیش از این، کسی از این موضوع آگاه نبود.» 

به گفته پژوهشگران، این روش ساده و مقرون‌به‌صرفه موجب افزایش هشت‌برابری طول عمر QD-LEDهای قرمز و بیش از ۵۰۰۰ برابر شدن طول عمر نمونه‌های آبی شده است. 

به اعتقاد آن‌ها، رزین از تشکیل رطوبت در فضای اطراف نقاط کوانتومی جلوگیری می‌کند؛ رطوبتی که احتمالاً یکی از عوامل اصلی افت عملکرد این تجهیزات است. 

البته آزمایش‌ها نشان داده است که کپسوله‌سازی با رزین تمام عوامل تخریب را از بین نمی‌برد و به همین دلیل پژوهشگران اکنون در حال بررسی افزودن لایه‌های محافظ جدید برای افزایش بیشتر طول عمر و کارایی این فناوری هستند. 

آن‌ها همچنین قصد دارند از نتایج این مطالعه برای بهبود عملکرد QD-LEDها در کاربردهایی فراتر از نمایشگرها، از جمله حسگرها و سامانه‌های لیزری، استفاده کنند. 

بولوویچ در پایان می‌گوید: «این نسل از LEDهای نقطه کوانتومی نسبت به نمونه‌های موجود برتری خواهد داشت؛ چرا که ساخت آن‌ها ساده‌تر است و از کارایی و عملکرد بالاتری برخوردارند. این دستاورد می‌تواند افق‌های تازه‌ای را در نگرش به این فناوری بگشاید؛ نه تنها در حوزه نمایشگرها یا روشنایی، بلکه در زمینه‌هایی همچون حسگرها، لیزرها و موارد دیگر.» 

بودجه این پژوهش توسط مؤسسه پیشرفته فناوری سامسونگ (SAIT) تأمین شده و بخشی از تحقیقات نیز با استفاده از امکانات مرکز MIT. nano انجام شده است.