Le matériau qui a valu l’obtention d’un prix Nobel au cœur des QLED de Samsung [Interview sur les points quantiques réels, partie 1.]

« L'une des raisons pour lesquelles Samsung s'est concentrée sur les points quantiques est liée à leur spectre d'émission exceptionnellement étroit. »
— Sanghyun Sohn, Samsung Electronics

En 2023, le prix Nobel de chimie a été décerné pour la découverte et la synthèse des points quantiques. Le Comité Nobel a reconnu les réalisations révolutionnaires des scientifiques dans ce domaine, notant que les points quantiques ont déjà apporté des contributions significatives aux industries de l’affichage et de la médecine, avec des applications plus larges attendues dans le secteur de l’électronique, des communications quantiques et des cellules solaires.

Les points quantiques – particules semi-conductrices ultrafines – émettent des couleurs de lumière différentes en fonction de leur taille, produisant ainsi des teintes exceptionnellement pures et vives. Samsung Electronics, leader mondial des fabricants de téléviseurs, a adopté ce matériau de pointe afin d’accroître les performances des écrans.

Samsung Newsroom s’est entretenu avec Taeghwan Hyeon, professeur émérite au Département d’ingénierie chimique et biologique de l’Université nationale de Séoul (SNU), Doh Chang Lee, professeur au Département d’ingénierie chimique et biomoléculaire du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), et Sanghyun Sohn, Directeur de l’Advanced Display Lab, division Visual Display (VD) chez Samsung Electronics, en vue d’examiner comment les points quantiques ouvrent une nouvelle ère pour la technologie d’affichage.

• Comprendre la bande interdite
• Points quantiques – Plus la particule est petite, plus la bande interdite est grande
• L’ingénierie derrière les films à points quantiques
• Les véritables téléviseurs QLED utilisent des points quantiques pour créer des couleurs

Comprendre la bande interdite

« Afin de comprendre les points quantiques, il faut d’abord saisir le concept de bande interdite. »

— Taeghwan Hyeon, Université nationale de Séoul

Le mouvement des électrons est à l’origine de l’électricité. Généralement, les électrons les plus externes – appelés électrons de valence – sont impliqués dans ce mouvement. La plage d’énergie dans laquelle ces électrons existent est appelée bande de valence, tandis qu’une plage d’énergie plus élevée, inoccupée, qui peut accepter des électrons, est appelée bande de conduction.

Un électron peut absorber de l’énergie pour passer de la bande de valence à la bande de conduction. Lorsque l’électron excité libère cette énergie, il retombe dans la bande de valence. La différence d’énergie entre ces deux bandes – la quantité d’énergie qu’un électron doit gagner ou perdre pour passer de l’une à l’autre – est connue sous le nom de bande interdite.

▲ Comparaison des structures de bandes d’énergie dans les isolants, les semi-conducteurs et les conducteurs

Les isolants tels que le caoutchouc et le verre présentent des bandes interdites importantes, empêchant les électrons de se déplacer librement entre les bandes. En revanche, les conducteurs tels que le cuivre et l’argent présentent des bandes de valence et de conduction qui se chevauchent, ce qui permet aux électrons de se déplacer librement et d’obtenir une conductivité électrique élevée.

Les semi-conducteurs affichent une bande interdite qui se situe entre celles des isolants et des conducteurs, ce qui limite la conductivité dans des conditions normales, mais permet la conduction électrique ou l’émission de lumière lorsque les électrons sont stimulés par la chaleur, la lumière ou l’électricité.

« Pour comprendre les points quantiques, il faut d’abord saisir le concept de bande interdite », déclare M. Hyeon, soulignant que la structure de la bande d’énergie d’un matériau est essentielle pour déterminer ses propriétés électriques.

Points quantiques – Plus la particule est petite, plus la bande interdite est grande

« Lorsque les particules de points quantiques deviennent plus petites, la longueur d’onde de la lumière émise passe du rouge au bleu. »

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

Les points quantiques sont des cristaux semi-conducteurs nanométriques dotés de propriétés électriques et optiques uniques. Mesurées en nanomètres (nm) – soit un milliardième de mètre – ces particules ne représentent que quelques millièmes de l’épaisseur d’un cheveu humain. Lorsqu’un semi-conducteur est réduit à l’échelle du nanomètre, ses propriétés changent de manière significative par rapport à son état massif.

Dans les états massifs, les particules sont suffisamment grandes pour que les électrons du matériau semi-conducteur puissent se déplacer librement sans être limités par leur propre longueur d’onde. Cela permet aux niveaux d’énergie – les états que les particules occupent lorsqu’elles absorbent ou libèrent de l’énergie – de former un spectre continu, comme un long toboggan à pente douce. Dans les points quantiques, le mouvement des électrons est limité, car la taille des particules est inférieure à la longueur d’onde de l’électron.

▲ La taille détermine la bande interdite des points quantiques

Imaginez que vous préleviez de l’eau (énergie) dans une grande marmite (état massif) à l’aide d’une louche (largeur de bande correspondant à la longueur d’onde d’un électron). La louche permet d’ajuster librement la quantité d’eau dans la marmite, de pleine à vide, ce qui équivaut à des niveaux d’énergie continus. Cependant, lorsque la marmite se rétrécit jusqu’à atteindre la taille d’une tasse à thé – comme un point quantique – la louche n’est plus adaptée. À ce moment-là, la tasse ne peut être que pleine ou vide. Ceci illustre le concept de niveaux d’énergie quantifiés.

« Lorsque les particules semi-conductrices sont réduites à l’échelle du nanomètre, leurs niveaux d’énergie sont quantifiés, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent exister que par étapes discontinues », poursuit M. Hyeon. « Cet effet est appelé “confinement quantique”. Et à cette échelle, la bande interdite peut être contrôlée en ajustant la taille des particules. »

Le nombre de molécules à l’intérieur de la particule diminue à mesure que la taille du point quantique diminue elle aussi, ce qui se traduit par des interactions plus faibles entre les orbitales moléculaires. Cela renforce l’effet de confinement quantique et augmente la bande interdite.¹ Étant donné que la bande interdite correspond à l’énergie libérée par le saut d’un électron de la bande de conduction à la bande de valence, la couleur de la lumière émise change en conséquence.

« Lorsque les particules de points quantiques deviennent plus petites, la longueur d’onde de la lumière émise passe du rouge au bleu », affirme M. Lee. « En d’autres termes, la taille du nanocristal de point quantique détermine sa couleur. »

L’ingénierie derrière les films à points quantiques

« Le film à points quantiques est au cœur des téléviseurs QLED, témoignant ainsi de l’expertise technique approfondie de Samsung. »

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

Les points quantiques ont attiré l’attention dans divers domaines, notamment les cellules solaires, la photocatalyse, la médecine et l’informatique quantique. Cependant, l’industrie de l’affichage a été la première à commercialiser avec succès cette technologie.

« L’une des raisons pour lesquelles Samsung s’est concentrée sur les points quantiques est liée à l’étroitesse exceptionnelle des pics de leur spectre d’émission », affirme M. Sohn. « Leur bande passante étroite et leur forte fluorescence les rendent idéales pour reproduire avec précision un large spectre de couleurs. »

▲ Les points quantiques créent des couleurs rouge, verte et bleue (RVB) ultra-pures en contrôlant la lumière à l’échelle nanométrique, produisant une bande passante étroite et une forte fluorescence.

Pour exploiter efficacement les points quantiques dans la technologie d’affichage, les matériaux et les structures doivent rester performants dans le temps et dans des conditions difficiles. Le téléviseur Samsung QLED y parvient grâce à l’utilisation d’un film à points quantiques.

« La précision de la reproduction des couleurs dans un écran dépend de la manière dont le film utilise les propriétés optiques des points quantiques », continue M. Lee. « Un film à points quantiques doit répondre à plusieurs exigences clés pour une utilisation commerciale, telles qu’une conversion efficace de la lumière et la translucidité. »

▲ Sanghyun Sohn

Le film à points quantiques utilisé dans les écrans Samsung QLED est produit en ajoutant une solution de points quantiques à une base polymère chauffée à très haute température, en l’étalant en une fine couche puis en la durcissant. Bien qu’il puisse paraître simple, le processus de fabrication est extrêmement complexe.

« C’est comme si on essayait de mélanger uniformément de la cannelle en poudre à du miel collant sans faire de grumeaux, ce qui n’est pas une mince affaire », déclare M. Sohn. « Pour disperser uniformément les points quantiques dans le film, plusieurs facteurs tels que les matériaux, la conception et les conditions de traitement doivent être soigneusement pris en considération. »

Malgré ces difficultés, Samsung a repoussé les limites de la technologie. Pour garantir la durabilité à long terme de ses écrans, l’entreprise a mis au point des matériaux polymères exclusifs spécifiquement optimisés pour les points quantiques.

« Nous avons acquis une vaste expertise dans la technologie des points quantiques en développant des films barrières qui bloquent l’humidité et des matériaux polymères capables de disperser uniformément les points quantiques », ajoute-t-il. « Cela nous a permis non seulement de réaliser une production de masse, mais aussi de réduire les coûts. »

Grâce à ce processus avancé, le film à points quantiques de Samsung offre une expression précise des couleurs et une efficacité lumineuse exceptionnelle, le tout soutenu par une durabilité inégalée dans l’industrie.

« La luminosité est généralement mesurée en nits, un nit équivalant à la luminosité d’une seule bougie », explique M. Sohn. « Alors que les LED classiques génèrent environ 500 nits, nos écrans à points quantiques peuvent atteindre 2 000 nits ou plus – l’équivalent de 2 000 bougies – ce qui permet d’obtenir un niveau de qualité d’image totalement inédit. »

▲ équations gamma RVB entre le spectre de la lumière visible, sRGB et DCI-P3 dans un espace colorimétrique CIE 1931

Image de description :

* CIE 1930 : un système de couleurs largement utilisé, défini en 1931 par la Commission internationale de l’éclairage
* sRGB (standard RGB) : espace colorimétrique créé conjointement par Microsoft et HP en 1996 pour les écrans et les imprimantes
* DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3) : espace colorimétrique largement utilisé pour le contenu numérique HDR, défini par Digital Cinema Initiatives pour les projecteurs numériques

En tirant parti des points quantiques, Samsung a considérablement amélioré la luminosité et l’expression des couleurs, proposant ainsi une expérience visuelle inédite. En fait, les téléviseurs Samsung QLED atteignent un taux de reproduction des couleurs dépassant 90 % de l’espace colorimétrique DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3), la référence en matière de précision des couleurs dans le cinéma numérique.

« Même si vous avez fabriqué des points quantiques, vous devez garantir leur stabilité à long terme pour qu’elles soient utiles », déclare M. Lee. « Les technologies de pointe de Samsung en matière de synthèse de points quantiques à base de phosphure d’indium (InP) et de production de films témoignent de la profonde expertise technique de Samsung. »

Les véritables téléviseurs QLED utilisent des points quantiques pour créer des couleurs

« La légitimité d’un téléviseur à points quantiques réside dans le fait qu’il exploite ou non l’effet de confinement quantique. »

— Taeghwan Hyeon, Université nationale de Séoul

L’intérêt croissant pour les points quantiques dans l’ensemble de l’industrie a entraîné l’apparition d’une grande variété de produits sur le marché. Néanmoins, tous les téléviseurs à points quantiques ne sont pas égaux : les points quantiques doivent contribuer suffisamment à la qualité réelle de l’image.

▲ Taeghwan Hyeon

« La légitimité d’un téléviseur à points quantiques réside dans le fait qu’il exploite ou non l’effet de confinement quantique », explique M. Hyeon. « La première condition fondamentale est d’utiliser les points quantiques pour créer de la couleur. »

« Pour être considéré comme un véritable téléviseur à points quantiques, ceux-ci doivent servir de matériau central de conversion de la lumière ou de matériau principal d’émission de lumière », ajoute M. Lee. « Pour les points quantiques convertisseurs de lumière, l’écran doit contenir une quantité suffisante de points quantiques en vue d’absorber et de convertir la lumière bleue émise par l’unité de rétroéclairage. »

▲ Doh Chang Lee

« Les films doivent contenir une quantité suffisante de points quantiques pour être efficaces », répète M. Sohn, soulignant l’importance de la teneur en points quantiques. « Samsung QLED utilise plus de 3 000 parties par million (ppm) de matériaux à points quantiques. 100 % des couleurs rouge et verte sont produites par des points quantiques. »

Samsung a commencé à développer la technologie des points quantiques en 2001 et, en 2015, a présenté le premier téléviseur à points quantiques sans cadmium au monde, le téléviseur SUHD. En 2017, l’entreprise a lancé sa gamme QLED haut de gamme, consolidant ainsi sa position de leader dans le secteur des écrans à points quantiques.

Dans la deuxième partie de cette série d’entretiens, Samsung Newsroom examine de plus près la façon dont Samsung a non seulement commercialisé la technologie des écrans à points quantiques, mais a également mis au point un matériau à points quantiques sans cadmium – une innovation reconnue par des chercheurs en chimie lauréats du prix Nobel.

¹ Lorsqu’un matériau semi-conducteur est à l’état massif, la bande interdite reste fixée à une valeur caractéristique du matériau et ne dépend pas de la taille des particules.