Две недели назад Apple представила новое поколение MacBook Pro — компьютеры получили чипы M4 Pro и M4 Max. Но в ходе анонса компания не сообщила, что ещё одним нововведением стали более качественные дисплеи на квантовых точках.

Источник изображения: apple.com

Apple до сих пор устанавливает на MacBook ЖК-экраны IPS, пусть и более качественные, чем на большинстве других ноутбуков. Производитель указывает, что в них используется усовершенствованная подсветка miniLED — небольшие светодиоды, которые позволяют локально осветлять или затемнять участки экрана. Другими словами, базовая технология для этих дисплеев не меняется довольно давно, но удалось добиться заметного улучшения яркости и контрастности.

В предыдущих моделях MacBook Pro на процессорах серии Apple M использовалась красная фосфорная плёнка KSF, которая обеспечивает с подсветкой miniLED более широкую цветовую гамму, чем это обычно возможно. Это достаточно эффективное решение, но не настолько, насколько эффективны квантовые точки, которые, по словам аналитика в области дисплеев Росса Янга (Ross Young), без громких анонсов дебютировали в MacBook Pro с процессорами M4. В комментариях к его сообщению в соцсети X пользователи добавили, что выросла и скорость отклика дисплеев на компьютерах нового поколения.

Технология квантовых точек существует довольно давно, но Apple не спешила внедрять её, потому что квантовые точки предыдущих поколений производились с использованием кадмия. Компания ещё в 2015 году сообщила, что не желает использовать его — Всемирная организация здравоохранения объявила, что для человека это канцероген, а переработка и утилизация содержащей кадмий электроники опасны.

Китайский производитель бытовой техники TCL оказался в центре внимания: сторонние эксперты провели тестирование трёх его телевизоров, которые позиционируются как модели на квантовых точках, и признаков наличия квантовых точек на них не было обнаружено. Производитель эти результаты отверг.

Источник изображений: tcl.com

Квантовые точки — полупроводниковые компоненты размером в несколько нанометров, которые производят свет разных цветов при попадании на них света определённой частоты. Излучаемый квантовой точкой цвет зависит от размера самой квантовой точки, поскольку он влияет на длину волны. Это решение помогает телевизорам и мониторам премиум-класса охватывать более широкий цветовой диапазон. Квантовые точки стали важным аргументом в пользу моделей QLED, QD Mini LED и QD-OLED, и они имеют более высокую цену. Производитель, который продаёт стандартные модели, заявляя о наличии квантовых точек, рискует и репутацией, и собственным благополучием — такие действия могут привести к юридическим последствиям.

Южнокорейское технологическое издание ETNews опубликовало отчёт об исследовании, согласно которому три телевизора TCL, которые позиционируются как модели на квантовых точках, на самом деле этих квантовых точек лишены. Заказчиком выступила сеульская компания Hansol Chemical; тесты проводили компании SGS и Intertek, штаб-квартиры которых находятся соответственно в Женеве и Лондоне. Эксперты исследовали модель TCL C755, заявленную как телевизор Mini LED на квантовых точках; TCL C655, позиционируемую как модель QLED; а также TCL C655 Pro — тоже QLED. По результатам исследований в телевизорах не было обнаружено индия и кадмия — важных материалов, без которых невозможно реализовать квантовые точки. Кадмий должен был обнаружиться, если бы он присутствовал в минимальной концентрации 0,5 мг на 1 кг; индий пытались обнаружить в концентрациях 2 и 5 мг/кг в разных лабораториях.

В ответ на публикацию материала представитель TCL заявил, что компания «производит телевизоры с плёнками на квантовых точках, поставляемыми тремя компаниями», а «количество квантовых точек <..> на плёнке может варьироваться в зависимости от поставщика, но кадмий, несомненно, присутствует». Далее TCL опубликовала результаты другого исследования, проведённого по заказу Guangdong Region Advanced Materials — одного из поставщиков плёнок с квантовыми точками. Примечательно, что это исследование снова провела SGS, и на этот раз она обнаружила присутствие кадмия в плёнках в концентрации 4 мг/кг. TCL также заявила, что «подтвердила флуоресцентные характеристики квантовых точек», и представила спектрограмму, которая якобы свидетельствует о наличии квантовых точек в плёнках телевизоров.

Одна из очевидных причин разницы в результатах — разные методы тестирования. В исследовании, где был обнаружен кадмий, изучались плёнки на квантовых точках, которые поставляются TCL. В исследовании по заказу Hansol рассматривались плёнки на квантовых точках на готовых телевизорах китайского производителя. Это может свидетельствовать, что у TCL недостаточно хорошо организован контроль качества, а концентрация квантовых точек может варьироваться от партии к партии или даже в пределах одного телевизора. Впрочем, это не означает, что у TCL есть намерение обмануть потребителей. По мнению опрошенного изданием Ars Technica эксперта, наиболее адекватным методом исследования были бы не замеры концентрации квантовых точек, а тестирование показателей изображения, которые выдаёт телевизор — цветовой гаммы и яркости.

Следует также обратить внимание, что TCL говорит о применении кадмия в телевизорах QLED и Quantum Mini LED, но не упоминает об индии. Присутствие обоих элементов в телевизорах на квантовых точках не обязательно. Некоторые экраны на квантовых точках имеют в основе лишь собственно квантовые точки, в других же используется смесь индиевых и/или кадмиевых квантовых точек и люминофоров — это материалы совершенно иного класса, но их целью является такое же преобразование синего цвета светодиодов в зелёный и красный. В последнем случае содержание квантовых точек может быть в десять раз ниже, и в минимально допустимый по нормам Hansol показатель в 0,5 мг/кг оно действительно не попадёт. Этот вариант дешевле в производстве, а цветовая гамма, чистота цвета и яркость будут уступать дисплеям на «чистых» квантовых точках. И вполне вероятно, что TCL использует его в QLED-моделях начального уровня.

Стоит также отметить, что в Евросоюзе действует директива RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive), ограничивающая содержание вредных веществ в продукции на территории региона. Она, в частности, не допускает превышения массовой концентрации кадмия в 0,01 %, но есть исключение, позволяющее использовать его в количестве до 0,2 г на м² в дисплеях. При этом в большинстве экранов на квантовых точках кадмий либо используется в малых количествах, либо не используется вообще. Так, Samsung заявляет, что применяет только квантовые точки без кадмия. При этом заказавшая исследование корейская химическая компания Hansol не поставляет свою продукцию TCL, зато продаёт её Samsung. Samsung и LG пока остаются крупнейшими в мире производителями телевизоров, но этот статус все чаще пытаются оспорить китайские компании. Поэтому Hansol можно рассматривать как предвзятую сторону.

Наконец, трудно представить, чтобы такая крупная компания, как TCL, рискнула своей репутацией и начала просто обманывать покупателей, считают эксперты. Изготовление «фальшивых» плёнок на квантовых точках без квантовых точек стоило бы почти столько же, сколько производство настоящих, но без преимуществ в качестве изображения. Возможно, TCL использует квантовые точки в небольших количествах совместно с материалами на основе фосфора — качество картинки может действительно оказаться хуже, чем у телевизоров с экранами на основе других решений, но это будет значить, что квантовые точки в продукции TCL всё-таки есть. Прояснить ситуацию может серия дальнейших и более подробных исследований продукции компании.

Учёные из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) в Южной Корее создали самые эффективные на сегодня солнечные панели на основе квантовых точек. КПД этих солнечных элементов составил 18,1 %. Если сравнивать с кремнием, то это мало, но у последнего за плечами полвека исследований, тогда как квантовые точки начали изучать менее 15 лет назад. Перспективы у новой технологии головокружительные.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Солнечные элементы из кремния взаимодействуют со светом всей поверхностью. Квантовые точки преобразуют свет в поток электронов только там, где они нанесены — точечно, как следует из их названия. Следует помнить, что определение «квантовые» в данном случае относится к количественной величине, а не к качественной. Квантовая точка — это крохотная порция полупроводникового материала, который взаимодействует со светом (с фотонами).

Особенность использования порций — квантов — светочувствительного материала заключается в том, что они могут быть изготовлены разного размера и, следовательно, будут чувствительны каждая к своему спектру. Материал в виде квантовых точек можно наносить на подложку методом струйной печати на рулонах или с помощью разбрызгивания. Это намного проще и дешевле, чем выпускать солнечный элемент из кремния.

Наивысший теоретический КПД у квантовых точек из органических материалов. Также они более безопасны с точки зрения экологии. Но у них есть существенный недостаток — боязнь влажности и нагрева, включая нежелательное длительное нахождение под прямыми солнечными лучами. Учёные из Южной Кореи решали именно эту проблему, попутно пытаясь установить новый рекорд эффективности для солнечных ячеек на квантовых точках.

Если верить исследователям, они смогли повысить сопротивляемость квантовых точек погодным условиям. Для этого учёные воспользовались перовскитом, который уже зарекомендовал себя в фотовольтаике. Но в этот раз они нанесли на подложку массив из перовскитных квантовых точек, а не создали сплошной слой.

Часть диаграммы с достижениями в сфере фотоэлектрических ячейках. Квантовые точки обозначены ромбом. Источник изображения: NREL

Экспериментальные солнечные панели на квантовых точках из перовскита сохраняли эффективный уровень преобразования света в электрический ток в течение 1200 ч при нормальных условиях и 300 ч при нагреве до 80 °C. Уровень КПД достиг рекордного значения в 18,1 %, что зафиксировали в американской лаборатории NREL (выше на рисунке данные уже с указанием рекорда UNIST — это свежее обновление диаграммы). Предыдущий рекорд в 16,6 % КПД был поставлен фотопанелями на квантовых точках в 2020 году австралийским Квинслендским университетом. Идём к новым вершинам. Когда-нибудь кремний уйдёт в прошлое, а на его место придут, в том числе, солнечные панели на квантовых точках.

Нобелевская премия по химии в 2023 году присуждена учёным из США Мунги Бавенди (Moungi G. Bawendi), Луису Брюсу (Louis E. Brus) и выходцу из СССР Алексею Екимову за открытие и разработку квантовых точек — наночастиц настолько малых, что их свойства определяются размерами.

Мунги Бавенди, Луис Брюс, Алексей Екимов (слева направо). Источник изображения: nobelprize.org

Квантовые точки, которые в Шведской королевской академии наук охарактеризовали как «мельчайшие компоненты нанотехнологий», — это полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров. При возбуждении они способны к флуоресценции в широком диапазоне спектра. В силу небольшого размера этих точек их оптические свойства определяются квантовыми эффектами. Преимуществами квантовых точек являются яркость и высокая фотостабильность, то есть они не «выгорают» как флуоресцентные красители.

Квантовые точки используются в мониторах и телевизорах — они способствуют повышению качества изображения. Эти элементы применяются при производстве светодиодных ламп и в молекулярной медицине. Они также могут использоваться при создании нейросетей и квантовых компьютеров.

Алексей Екимов родился в СССР в 1945 году и окончил физический факультет Ленинградского государственного университета. В 1981 году он впервые получил квантовые точки из хлорида меди, будучи сотрудником Государственного оптического института имени Вавилова в Ленинграде. Он продемонстрировал, что излучаемый ими цвет зависит от их размера из-за квантовых эффектов. Уже долгое время господин Екимов является сотрудником американской компании Nanocrystals Technology.

Луис Брюс родился в США в 1943 году. В 1983 году он впервые получил коллоидный раствор квантовых точек. Мунги Бавенди родился во Франции в 1961 году. В 1993 году ему удалось усовершенствовать химическое производство квантовых точек и получить почти идеальные частицы. Учёный разработал технологию синтеза монодисперсных растворов квантовых точек заданного размера.

Для квантовой связи, криптографии и других целей необходимы источники одиночных фотонов. Это не проблема, но решение требует громоздкого оборудования, включая сильнейшие магниты. Учёным из США удалось упростить задачу и даже создать прибор «два в одном» — он одновременно испускает одиночные фотоны и придаёт им круговую поляризацию. Для передачи закодированных данных нужно просто добавить модулятор и получить на выходе полностью защищённую связь.

Источник изображения: Los Alamos National Laboratory

Традиционно источники одиночных поляризованных фотонов генерировались в сильном магнитном поле. Это неплохо для лабораторий, но совершенно не годится для компактных применений. Группа учёных под руководством исследователей из Лос-Аламосской национальной лаборатории создала прибор, который обходится без мощных магнитов. Для этого учёные соединили два атомарно тонких полупроводника и наделали вмятин в верхнем из них.

Верхний материал представлен слоем диселенида вольфрама (WSe₂), а нижний, чуть более толстый, магнитным соединением трисульфида никель-фосфора (NiPS₃). Вмятины диаметром около 400 нм и глубиной около нанометра делались с помощью атомарно-силового микроскопа. На срезе волоса человека легко поместится около 200 таких углублений. Лунки в материале создают впадины не только физические, но и провалы в потенциальной энергии на плоскости материала. Под действием лазера в эти провалы стекают электроны из диселенида вольфрама и их взаимодействие генерирует одиночные фотоны.

Но под каждой лункой лежит монослой магнитного материала, который задаёт вектор поляризации вылетающим из лунки фотонам. Все генерируемые каждой лункой фотоны бесплатно наделяются круговой поляризацией. А наличие поляризации — это ключ к передаче данных. Надо только научиться модулировать эту характеристику, что, в общем-то, решается относительно просто. Если к такому генератору приделать волноводы, то потоки одиночных поляризованных и промодулированных фотонов можно направить куда угодно — хоть дальше в микросхему для совершения вычислений, хоть в оптический канал связи для передачи на другой край Земли.

«Наше исследование показывает, что монослойный полупроводник может излучать поляризованный свет с круговой поляризацией без помощи внешнего магнитного поля, — говорят авторы работы. — Ранее этот эффект достигался только с помощью мощных магнитных полей, создаваемых громоздкими сверхпроводящими магнитами, путём соединения квантовых излучателей с очень сложными наноразмерными фотонными структурами или путём инжекции спин-поляризованных носителей в квантовые излучатели. Преимущество нашего подхода, основанного на эффекте ближнего взаимодействия, заключается в дешевизне изготовления и надёжности».

«Имея источник, позволяющий генерировать поток одиночных фотонов и одновременно вводить поляризацию, мы, по сути, объединили два устройства в одном», — добавляют учёные.

Компания Canon разработала материал для т.н. «квантовых точек» OLED-панелей — в его приготовлении не используются редкоземельные металлы. Как сообщает Nikkei Asian Review, японская компания таким образом намерена снизить зависимость от основных поставщиков редкоземельных металлов вроде Китая. И, вероятно, потеснить потенциальных конкурентов.

Источник изображения: Samsung

Известно, что Canon намерена найти технологии коммерческое применение в ближайшие несколько лет, обеспечив стабильное производство, не зависящее от геополитической обстановки. Новый материал используется для изготовления т.н. «квантовых точек» (QD) — мельчайших полупроводниковых частиц диаметром в 1 нм. При попадании на них света или в случае, когда к точкам подаётся электрический ток, они начинают светиться насыщенными цветами. QD других типов уже применяются в OLED-телевизорах премиум-уровня. Например, Samsung владеет соответствующей технологией, но использует для изготовления квантовых точек состав на основе фосфида индия. При этом последний добывается в чрезвычайно малых количествах и основным его поставщиком на мировой рынок является Китай. В своём новом материале Canon применяет весьма распространённый свинец, который в больших количествах добывается даже из вторичного сырья. Массовое производство соответствующих дисплеев компания намерена начать уже в середине 2020-х.

По данным немецкого агентства Statista, на долю Китая приходилось 59 % мирового производства индия в 2022 году — порядка 530 тонн. Поскольку многие страны начали приберегать собственные природные ресурсы, растут риски дефицита поставок, в том числе для выпуска электроники и электрического транспорта. Canon использует свинец в некоторых своих составах в качестве заменителя индия. Они обычно не столь устойчивы, но, используя опыт создания составных материалов вроде тонеров для принтеров, компания, наконец, разработала вещество, не уступающее аналогам на основе индия.

По данным Nikkei, около 70 % производимого в Японии свинца добывается из вторичных источников вроде автомобильных аккумуляторов, причём металл относительно недорог. Допускается, что Canon сможет произвести настоящую революцию на рынке дисплеев — квантовые точки производства компании будут в 100 раз дешевле тех, что предлагает Samsung. В то время как обычные OLED-телевизоры используют цветовые фильтры для отображения трёх основных цветов — красного, синего и зелёного, OLED-телевизоры с квантовыми точками, буквально напечатанными на матрице дисплея, обеспечивают яркие цвета даже при ярком дневном освещении. Кроме того, в сравнении с обычными OLED-дисплеями, такие варианты потребляют втрое меньше энергии.

Помимо Samsung, квантовые точки используют Sony Group, китайская TCL и, например, компания Sharp. Приблизительная цена 55-дюймового телевизора на основе QD-OLED составляет в Японии порядка $3300, более чем на четверть больше, чем цена обычного OLED, и более чем вчетверо дороже LCD аналогичного размера. С распространением нового материала цены на модели телевизоров премиум-уровня могут значительно снизиться.

По данным исследователей компании Global Information, мировой рынок для технологии квантовых точек в 2027 году увеличится до $21,1 млрд — вырастет в 4,1 раза в сравнении с 2021 годом. Кроме того, по прогнозам компании Omdia, в 2025 году рынок телевизоров с QD-OLED вырастет более чем в 8 раз в сравнении с 2018 годом — до 22 млн штук или 8 % всего рынка телевизоров.

Samsung начала принимать предварительные заказы на свой первый игровой OLED-монитор — 34-дюймовую модель Odyssey OLED G8 со встроенным хабом потоковой трансляции, который позволяет играть и вести стрим без необходимости подключения ПК или консоли. Это первый игровой монитор компании с дисплеем на органических светодиодах с квантовыми точками (QD-OLED). За новинку просят 1499 долларов США, а поставки стартуют 23 февраля.

Источник изображений: Samsung

Samsung впервые представила Odyssey OLED G8 на выставке IFA 2022. Применённая технология QD-OLED должна обеспечить улучшение цветовой насыщенности и яркости, что уже продемонстрировал игровой монитор Alienware QD-OLED с аналогичными характеристиками.

Как и монитор Alienware, дисплей Samsung имеет небольшую кривизну 1800R, разрешение 3440 x 1440 точек и высокую частоту обновления 175 Гц. Время отклика заявлено всего в 0,03 мс. Заявлено соответствие спецификациям True Black 400, что значит, что монитор обеспечивает пиковую яркость до 400 кд/м². Правда журналисты ранее уже выяснили, что максимальная яркость монитора Alienware при отображении полностью белого экрана находится на уровне 280 кд/м² и вполне возможно, что Odyssey OLED G8 не сможет показать результат лучше.

Важной особенностью монитора Samsung Odyssey OLED G8 является возможность играть в игры без подключённой консоли или ПК, так как он обладает функцией Samsung Gaming Hub, которая обеспечивает доступ к облачным игровым сервисам, включая NVIDIA GeForce Now, Xbox Game Pass и Amazon Luna (в США) прямо с монитора. Также поддерживается потоковая передача контента с Amazon Prime Video, Netflix, Twitch, YouTube TV и других стриминговых сервисов.

Другие полезные функции включают в себя встроенное приложение SmartThings, которое позволяет отслеживать подключённые устройства Интернета вещей (IoT) и управлять ими. Монитор оборудован разъёмами Mini DisplayPort, HDMI и USB-C. Он также располагает системой Core Lighting Plus на задней панели монитора для подсветки пространства за устройством цветами, соответствующими изображению на экране. Также имеется поддержка технологий HDR10+ и AMD FreeSync Premium.

Для тех, кому 34-дюймовый дисплей недостаточно велик, Samsung готовит обновлённую модель своего 49-дюймового игрового монитора Odyssey G9 с новым дисплеем на органических светодиодах с квантовыми точками. Эта модель должна появиться «позже в этом году».

Компания MSI пополнила ассортимент своих игровых мониторов, использующих технологию квантовых точек, представив 32-дюймовую модель MAG321QR-QD. В новинке применяется плоская матрица IPS с частотой обновления 170 Гц и откликом в 1 мс.

Источник изображений: MSI

Экран модели MAG321QR-QD поддерживает разрешение 2560 × 1440 пикселей. В нём реализована технология квантовых точек, благодаря чему улучшается цветопередача. Компания заявляет 143-процентный охват цветового пространства sRGB, 97-процентный охват цветового пространства Adobe RGB и 98-процентный охват цветового пространства DCI-P3. Показатель контрастности равен 1200:1. В режиме SDR пиковая яркость дисплея составляет 300 кд/м², а в режиме HDR — 400 кд/м².

Монитор имеет сертификацию VESA DisplayHDR 400. Кроме того, производитель заявляет о совместимости новинки с технологией синхронизации изображения NVIDIA G-Sync. В оснащение MSI MAG321QR-QD входит эргономичная подставка, по одному разъёму DisplayPort 1.2a и USB-C с функцией DisplayPort, два HDMI 2.0b, один USB 2.0 Type-B и два USB 2.0 Type-A.

Производитель также представил очень похожую 32-дюймовую модель G321Q с поддержкой разрешения 1440p, частотой обновления 170 Гц и откликом в 1 мс. В ней не применяется технология квантовых точек. Максимальная яркость дисплея этой модели составляет 300 кд/м². Он тоже совместим с NVIDIA G-Sync, но не имеет сертификации VESA DisplayHDR 400.

Для экрана G321Q заявляется 123-, 90- и 93-процентный охват цветовых пространств sRGB, Adobe RGB и DCI-P3 соответственно. В оснащение монитора входят два разъёма HDMI 2.0b и один DisplayPort 1.2a. В отличие от старшей модели на квантовых точках, где подставка позволяет поднимать и опускать дисплей над столом, изменять его угол поворота и наклона, у модели G321Q она позволяет регулировать только угол наклона экрана.

О стоимость представленных мониторов MSI ничего не сообщила.