Optical quantum dot films for wide color gamut smart phone displays

Abstract

Liquid crystal display (LCD) technology is a fundamental constituent of today’s smart phones for image formation. LCDs are required to have a back light unit (BLU) to create a uniform white light with the correct color coordinates. Light emitting diodes (LEDs) are important building blocks as light sources in LCD-BLUs. LEDs use blue-emitting semiconductor chips and yellow-emitting phosphors on top of these chips as color converting agents. Phosphors emit radiation around 500 – 700 nm wavelength range after stimulated by blue photons and consequently white light is produced with the combination of blue and yellow dominant broad spectral emission. Color gamut value with this method yields around 70% in National Television System Committee (NTSC) standards and causes mediocre color quality for the displays in color space defined by International Commission on Illumination (CIE). Quantum dots (QDs) have high capacity to satisfy the rapidly increasing demands for display panels that require high color quality and range. Their size-tunable optical properties and high quantum efficiency make QDs as desirable substitutes to phosphors. This thesis includes the synthesis of green- and red-emitting QD nanocrystals and preparation of color converting optical films using optically transparent polydimethylsiloxane (PDMS) polymers with the aim of increasing the color gamut of smart phone displays. The prepared color converting films were optimized to be compatible with the smart phone BLU. The spectral measurements yielded 95% NTSC color gamut value. In this study, QD polymeric film application was applied to the smart phone displays for the first time and a 35% increase in color gamut was observed.

Sıvı kristal ekran teknolojisi kullanan akıllı telefonlarda görüntünün oluşturulabilmesi için arka-ışık üniteleri ve bu arka ışık ünitelerinde ışık kaynağı olarak ışık yayan diyotlar kullanılmaktadır. Işık yayan diyotlar mavi renkte ışıma yapan çiplere sahiptir ve bu çiplerin üzerinde çeşitli oranlarda kaplanmış fosfor atomları bulunmaktadır. Mavi ışık aracılığıyla uyarılan fosfor atomları, görünür bölge spektrumunda 500-700 nm dalga boylarında ışıma yaparlar ve tüm bu ışımaların birleşimi ile beyaz ışık üretilmiş olur. Bu yöntemle üretilen beyaz ışığın renk gamı değeri ise yaklaşık olarak %70 NTSC seviyelerindedir. Bu da ekrandan elde edilen renk kalitesinin insan gözünün görebileceği renk uzayına kıyasla düşük olmasına sebep olmaktadır. Tez çalışmaları kapsamında ekran renk gamının artırılması için kırmızı ve yeşil renkte ışıma yapan kuantum nokta nanoparçacıklar sentezlenmiş ve sentezlenen bu parçacıklar optik geçirgen PDMS polimeri kullanılarak renk dönüştürücü optik film olarak hazırlanmıştır. Hazırlanan renk dönüştürücü filmler akıllı telefon arka ışık ünitesine uyumlu olacak şekilde optimize edilmiş, arka ışık ünitesi mekanik yapısına uygun şekilde tasarlanan ve mavi renkte ışıyan ışık barı ile uyarılarak yüksek renk gamına sahip beyaz ışık elde edilmiştir. Oluşturulan sistemin spektroradyometre aracılığı ile optik ölçümleri yapılmış ve yapılan hesaplamalar ile birlikte %95 NTSC renk gamı elde edilmiştir. Kuantum nokta optik film uygulaması ilk defa akıllı telefon ekranlarına uyarlanmış ve %35 oranında renk iyileştirmesi sağlanmıştır.