Hoe de technische prestatie van Samsung een katalysator voor wetenschappelijke en industriële vooruitgang werd [een gesprek over echte quantum dots, deel 2.]

"De QLED-technologie van Samsung heeft een cruciale rol gespeeld bij de erkenning van quantum dots voor de Nobelprijs voor scheikunde."
– Taeghwan Hyeon, Seoul National University

Quantum dots hebben de afgelopen tien jaar een grote rol bij de innovatie van beeldschermen gespeeld en leveren één van de meest nauwkeurige kleurreproducties onder de bestaande materialen. In 2015 maakte Samsung Electronics de weg vrij voor commercialisering van quantum dots met de lancering van SUHD-TV’s (een doorbraak waarbij niet langer cadmium (Cd) nodig was, een zwaar metaal dat traditioneel in quantum dot-synthese wordt gebruikt) door ‘s werelds eerste quantum dot-technologie zonder cadmium te introduceren.

Dat bleef niet onopgemerkt in de academische wereld. De succesvolle commercialisering van cadmiumvrije quantum dot-TV’s betekende niet alleen een nieuwe richting in onderzoek en ontwikkeling, maar speelde ook een centrale rol in de toekenning van de Nobelprijs voor Scheikunde in 2023 voor de ontdekking en synthese van quantum dots.

Na deel 1 bespreekt Samsung Newsroom hoe Samsung een belangrijke bijdrage aan de academische wereld heeft geleverd door middel van baanbrekende ontwikkelingen op het gebied van materiaalinnovatie.

▲ (Van links) Taeghwan Hyeon, Doh Chang Lee and Sanghyun Sohn

Waarom was cadmium het startpunt voor onderzoek naar quantum dots?

“Ik was echt onder de indruk dat Samsung erin is geslaagd om een quantum dot-beeldscherm zonder cadmium op de markt te brengen.”

 – Taeghwan Hyeon, Seoul National University

Quantum dots begonnen in de jaren 1980 de aandacht van wetenschappers te trekken toen Aleksey Yekimov, voormalig hoofdwetenschapper bij Nanocrystals Technology Inc., en Louis E. Brus, emeritus hoogleraar aan de afdeling Scheikunde van Columbia University, elk hun onderzoek publiceerden over het quantumopsluitingseffect en de grootte-afhankelijke optische eigenschappen van quantum dots.

De volgende stap werd in 1993 gezet toen Moungi Bawendi, hoogleraar aan de afdeling Scheikunde van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), een betrouwbare methode ontwikkelde om quantum dots te synthetiseren. In 2001 vond Taeghwan Hyeon, vooraanstaand hoogleraar aan de afdeling Chemische en Biologische Technologie van de Seoul National University (SNU), het “opwarmproces” uit – een techniek om uniforme nanodeeltjes te produceren zonder de noodzaak van grootteselectieve scheiding. In 2004 publiceerde Hyeon een schaalbare productiemethode in het academische tijdschrift Nature Materials – een ontdekking die alom werd beschouwd als een potentiële revolutie in de industrie.

▲ Taeghwan Hyeon

Dit alles leidde echter niet meteen tot commercialisering. In die tijd werd vooral cadmium (Cd) als kernmateriaal voor quantum dots gebruikt – een stof waarvan bekend is dat deze schadelijk is voor mensen en die onder de RoHS-richtlijn (Restriction of Hazardous Substances) van de Europese Unie als materiaal waarvoor beperkingen gelden is aangewezen.

“Op dit moment zijn cadmiumselenide (CdSe) en indiumfosfide (InP) de enige materialen waarmee op een betrouwbare manier quantum dots kunnen worden geproduceerd,” legt Hyeon uit. “Cadmiumselenide wordt het meest voor quantum dots gebruikt en is een verbinding van groep II- en groep VI-elementen, terwijl indiumfosfide wordt gevormd uit groep III- en groep V-elementen. Het synthetiseren van quantum dots uit groep II- en VI-elementen is relatief eenvoudig, maar het combineren van groep III- en V-elementen is chemisch veel complexer.”

▲ Een vergelijking van cadmium-gebaseerde kwantumstippen met ionische bindingen en indium-gebaseerde kwantumstippen met covalente bindingen

Cadmium is een element met twee valentie-elektronen, dat sterke ionische bindingen¹ vormt met elementen als selenium (Se), zwavel (S) en tellurium (Te) – die elk zes valentie-elektronen hebben. Deze combinaties resulteren in stabiele halfgeleiders, ook wel II-VI-halfgeleiders genoemd. Deze materialen worden al jaren bij onderzoek gebruikt vanwege hun vermogen om nanokristallen van hoge kwaliteit te produceren, zelfs bij relatief lage temperaturen. Hierdoor werd het gebruik van cadmium in quantum dot-synthese jarenlang beschouwd als een academische standaard.

Daarentegen vormt indium (In) – een alternatief voor cadmium met drie valentie-elektronen – covalente bindingen² met elementen zoals fosfor (P), dat vijf valentie-elektronen heeft. Covalente bindingen zijn over het algemeen minder stabiel dan ionische bindingen en hebben een directioneel karakter, waardoor de kans op defecten tijdens de synthese van nanokristallen toeneemt. Door deze eigenschappen is indium een uitdagend materiaal om mee te werken, zowel bij onderzoek als in massaproductie.

“Het is moeilijk om een hoge kristalliniteit in quantum dots gemaakt van indiumfosfide te bereiken,” aldus Lee. “Er is een complex en veeleisend syntheseproces nodig om aan de kwaliteitsnormen te voldoen die voor commercialisering nodig zijn.”

Geen compromissen – van doorbraak tot massaproductie

“Er is gewoon geen ruimte voor compromissen als het gaat om consumentenveiligheid.”

– Sanghyun Sohn, Samsung Electronics

Samsung pakte het echter anders aan.

“We zijn al sinds 2001 bezig met onderzoek naar en de ontwikkeling van quantum dot-technologie”, zegt Sanghyun Sohn, hoofd Advanced Display Lab, Visual Display (VD) Business bij Samsung Electronics. “Maar we zagen al vroeg dat cadmium – dat schadelijk is voor het menselijk lichaam – niet geschikt was voor commercialisering. Technisch gezien staat de regelgeving in sommige landen tot 100 deeltjes per miljoen (ppm) aan cadmium in elektronische producten toe, maar Samsung heeft vanaf het begin een nul-cadmiumbeleid gehanteerd. Geen cadmium, geen compromissen – dat was onze strategie. Er is gewoon geen ruimte voor compromissen als het gaat om consumentenveiligheid.”

▲ Sanghyun Sohn

Samsungs jarenlange toewijding aan het principe “No Compromise on Safety” kwam in 2014 naar voren, toen het bedrijf met succes ‘s werelds eerste quantum dot-materiaal zonder cadmium ontwikkelde. Samsung introduceerde een drielaagse beschermende coatingtechnologie die nanodeeltjes van indiumfosfide afschermt van externe factoren zoals zuurstof en licht om zowel de duurzaamheid als de beeldkwaliteit te garanderen. Het jaar daarop lanceerde Samsung ‘s werelds eerste commerciële SUHD-TV met quantum dots zonder cadmium – een fundamentele verschuiving in de beeldschermindustrie en het hoogtepunt van onderzoeksinspanningen die in de vroege jaren 2000 begonnen.

“Quantum dots op basis van indiumfosfide zijn inherent instabiel en moeilijker te synthetiseren in vergelijking met hun tegenhangers op basis van cadmium, waardoor ze aanvankelijk slechts ongeveer 80% van de prestaties van quantum dots op basis van cadmium bereikten,” aldus Sohn. “Door een intensief ontwikkelingsproces bij het Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) hebben we die prestaties echter met succes tot 100% verhoogd en de betrouwbaarheid langer dan 10 jaar gewaarborgd.”

▲ De drie componenten van kwantumstippen

De quantum dots in de Samsung QLED’s bestaan uit drie hoofdcomponenten: een kern die licht uitstraalt, een omhulsel dat de kern beschermt en de structuur stabiliseert, en een ligand (een polymeercoating die de oxidatiestabiliteit buiten het omhulsel verbetert). De essentie van quantum dot-technologie ligt in de naadloze integratie van deze drie elementen, een geavanceerd industrieel proces dat loopt van materiaalverwerving en synthese tot massaproductie en het aanvragen van talloze patenten.

“Deze drie componenten – kern, omhulsel en ligand – zijn allemaal essentieel,” voegt Lee toe. “Samsung heeft een uitstekende technologie voor de synthese van indiumfosfide ontwikkeld.”

“Het is al een hele uitdaging om een technologie in een lab te ontwikkelen, maar commercialisering is van een heel ander niveau om de productstabiliteit en een consistente kleurkwaliteit te garanderen,” aldus Hyeon. “Ik was echt onder de indruk dat Samsung erin is geslaagd om een quantum dot-beeldscherm zonder cadmium op de markt te brengen.”

De norm voor quantum dots bepalen

“Onderzoekstrends in de academische wereld zijn merkbaar verschoven nadat de quantum dot-TV’s van Samsung op de markt kwamen.”

– Doh Chang Lee, Korea Advanced Institute of Science and Technology

De optische eigenschappen van quantum dots worden toegepast op talloze gebieden, waaronder zonnecellen, geneeskunde en quantumcomputing. Het quantum dot-beeldscherm blijft echter de meest actief onderzochte en gecommercialiseerde toepassing tot nu toe – met Samsung als pionier.

Op basis van jarenlang fundamenteel onderzoek en de introductie van SUHD-TV’s lanceerde Samsung in 2017 de QLED-TV’s en zette daarmee een nieuwe standaard voor hoogwaardige beeldschermen. In 2022 ging de innovatie van het bedrijf verder met het debuut van QD-OLED-TV’s – ‘s werelds eerste TV met een beeldscherm dat quantum dots met een OLED-structuur combineerde.

▲ Een vergelijking van LCD, QLED en QD-OLED structuren

QD-OLED is een beeldschermtechnologie van de volgende generatie die quantum dots integreert in de zelfemitterende structuur van OLED. Deze aanpak zorgt voor snellere reactietijden, diepere zwarttinten en hogere contrastverhoudingen. De QD-OLED van Samsung is in 2023 door de Society for Information Display (SID), ‘s werelds grootste organisatie op het gebied van beeldschermtechnologieën, uitgeroepen tot ‘Display of the Year’.

“Samsung is niet alleen marktleider met op indiumfosfide gebaseerde quantum dot-TV’s, maar is nog steeds het enige bedrijf dat met succes quantum dots in OLED’s heeft geïntegreerd en gecommercialiseerd,” zegt Sohn. “Dankzij onze leidende positie in quantum dot-technologie blijven we ook in de toekomst voorloper in beeldscherminnovatie.”

▲ Doh Chang Lee

“Onderzoekstrends in de academische gemeenschap verschoven merkbaar nadat de quantum dot-TV’s van Samsung op de markt kwamen,” zegt Doh Chang Lee, hoogleraar aan de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). “Sinds de lancering zijn de discussies steeds meer gericht op praktische toepassingen in plaats van op de materialen zelf, wat het potentieel voor toepassing in de echte wereld door middel van beeldschermtechnologieën aangeeft.”

“Er zijn veel pogingen gedaan om quantum dots op verschillende gebieden toe te passen, waaronder fotokatalyse,” voegt hij daaraan toe. “Maar dit staat nog in de kinderschoenen vergeleken met het gebruik ervan in beeldschermen.”

Hyeon merkt ook op dat de succesvolle commercialisering van de quantum dot-TV’s van Samsung de weg vrijmaakte voor Bawendi, Brus en Yekimov om de Nobelprijs voor Scheikunde in 2023 in de wacht te slepen.

“Een van de belangrijkste criteria voor de Nobelprijs is de mate waarin een technologie door commercialisering aan de mensheid bijdraagt,” zegt hij. “De QLED van Samsung is een van de belangrijkste prestaties op het gebied van nanotechnologie. Zonder de commercialisering ervan zou het lastig zijn om met quantum dots een Nobelprijs te winnen.”

Samsungs visie op de beeldschermen van morgen

Sinds de lancering van de QLED-TV’s heeft Samsung de groei van quantum dot-technologie in zowel de industrie als de academische wereld versneld. We vroegen de experts naar de toekomst van quantum dot-schermen en zij deelden met ons wat er volgens hen nog in het verschiet ligt.

“We doen momenteel onderzoek naar zelf-emitterende quantum dots, de technologie van de volgende generatie,” aldus Sohn. “Tot nu toe waren quantum dots afhankelijk van een externe lichtbron om rood en groen uit te stralen. In de toekomst willen we quantum dots ontwikkelen die onafhankelijk licht uitstralen door elektroluminescentie – waarbij de drie primaire kleuren worden geproduceerd door elektrische energie te injecteren. We werken ook aan de ontwikkeling van blauwe quantum dots.”

“Met elektroluminescente materialen kunnen we de afmetingen van toestelonderdelen verkleinen, waardoor we de hoge resolutie, efficiëntie en helderheid bereiken die nodig zijn voor virtuele en augmented reality-toepassingen”, aldus Lee, die een grote transformatie in de toekomst van beeldschermen voorspelt.

“Een goed beeldscherm is een beeldscherm dat de kijker niet als zodanig herkent,” zegt Sohn. “Het uiteindelijke doel is om een ervaring te bieden die niet van echt te onderscheiden is. Als leider in innovatie op het gebied van quantum dot-beeldschermen gaan we onverminderd verder met de ontwikkelingen.”

Dankzij zijn continue leiderschap en een gedurfde technologische visie geeft Samsung vorm aan de toekomst van beeldschermen en creëert het bedrijf nieuwe mogelijkheden met quantum dots.

¹ Een ionische binding is een chemische binding die wordt gevormd wanneer elektronen tussen atomen worden overgedragen, waardoor er ionen ontstaan die bij elkaar worden gehouden door elektrische aantrekkingskracht.
² Een covalente binding is een chemische binding waarbij twee atomen elektronen delen.