[Quantum Dots] Le matériau lauréat du Prix Nobel au cœur des QLED de Samsung

« L'une des raisons pour lesquelles Samsung s'est concentré sur les Quantum Dots est 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 Quantum Dots. Le Comité Nobel a reconnu les réalisations révolutionnaires des scientifiques dans ce domaine, notant l’apport majeur des Quantum Dots dans le monde des écrans et du médical et leurs perspectives dans l’électronique, les communications quantiques et les cellules photovoltaïques.

Les Quantum Dots sont des particules semi-conductrices ultra-fines qui émettent différentes couleurs de lumière en fonction de leur taille, produisant des teintes exceptionnellement pures et vives. Samsung Electronics, premier fabricant mondial de téléviseurs, a adopté ce matériau de pointe pour améliorer la qualité d’image.

Entretien avec Taeghwan Hyeon, professeur distingué au Département de génie chimique et biologique de l’Université nationale de Séoul (SNU) ; Doh Chang Lee, professeur au Département de génie chimique et biomoléculaire à l’Institut avancé de science et de technologie de Corée (KAIST) ; et Sanghyun Sohn, responsable du laboratoire d’affichage avancé, division Visual Display (VD) chez Samsung Electronics, pour explorer comment les Quantum Dots inaugurent une nouvelle ère de technologie d’affichage.

Comprendre la bande Interdite

« Pour comprendre les Quantum Dots il faut d’abord saisir le concept de la bande interdite. » — Taeghwan Hyeon, Université nationale de Séoul.

Le mouvement des électrons génère de l’électricité. Ce sont généralement les électrons les plus externes, appelés électrons de valence, qui y participent. Ils évoluent dans une zone d’énergie appelée bande de valence. Au-dessus de celle-ci se trouve aucune autre zone d’énergie, inoccupée, appelée bande de conduction, qui peut accueillir des électrons lorsqu’ils gagnent suffisamment d’énergie.

Lorsqu’il absorbe de l’énergie, un électron peut passer de la bande de valence à la bande de conduction. Lorsqu’‘il libère cette énergie, il retombe alors dans la bande de valence. L’écart énergétique entre ces deux bandes — la quantité d’énergie qu’un électron doit gagner ou perdre pour se déplacer entre elles — est connue sous le nom de bande interdite.

Les isolants comme le caoutchouc et le verre ont de larges bandes interdites, empêchant les électrons de se déplacer librement entre les bandes. En revanche, pour les conducteurs comme le cuivre et l’argent, les bandes de valence et de conduction se chevauchent, permettant aux électrons de se déplacer librement pour une conductivité électrique élevée.

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

« Pour comprendre les Quantum Dots, il faut d’abord saisir le concept de la bande interdite », a déclaré Hyeon, soulignant que la structure de bande d’énergie d’un matériau est cruciale pour déterminer ses propriétés électriques.

Quantum Dots – Plus la particule est petite, plus la bande Interdite est grande

« À mesure que les particules de Quantum Dots deviennent plus petites, la lumière qu’elles émettent passe du rouge au bleu. » — Doh Chang Lee, Institut Avancé de Science et de Technologie de Corée

Les Quantum Dots sont des cristaux semi-conducteurs à l’échelle nanométrique dotés de propriétés électriques et optiques uniques. Leur taille, mesurée en nanomètres (nm) — soit un milliardième de mètre — est de plusieurs milliers de fois plus petite qu’un cheveu humain. A cette échelle, un semi-conducteur a des propriétés sensiblement différentes qu’à l’état solide.

A l’état solide, les particules sont suffisamment grandes pour que les électrons dans le matériau semi-conducteur se déplacent librement sans être contraints par leur propre longueur d’onde. Dans les Quantum Dots, le mouvement des électrons est restreint car la taille des particules est plus petite que la longueur d’onde de l’électron.

▲ La taille détermine la bande interdite des points quantiques

Pour illustrer ce phénomène, imaginez puiser de l’eau (énergie) d’un grand récipient (état solide) avec une louche (bande passante correspondant à la longueur d’onde d’un électron). Avec la louche, on peut ajuster librement la quantité d’eau dans le récipient, de plein à vide — c’est l’équivalent des niveaux d’énergie continus. Si ce récipient devient aussi petit qu’une tasse à thé (Quantum Dots) la louche ne rentre plus. À ce moment-là, la tasse ne peut être que pleine ou vide. Cela illustre le concept de niveaux d’énergie quantifiés dans les Quantum Dots.

« Lorsque les particules d’un semi-conducteur sont réduites à l’échelle nanométrique, leurs niveaux d’énergie deviennent quantifiés — elles ne peuvent exister que par paliers », a déclaré Hyeon. « Ce phénomène est appelé ‘confinement quantique’. A cette échelle, la bande interdite peut être contrôlée en ajustant la taille des particules. »

Plus de Quantum Dot est petit, moins il contient de molécules, ce qui entraîne des interactions plus faibles des orbitales moléculaires. Cela renforce l’effet de confinement quantique et augmente la bande interdite. Comme la bande interdite correspond à l’énergie libérée par la relaxation d’un électron de la bande de conduction à la bande de valence, la couleur de la lumière émise change en conséquence.

« À mesure que les particules deviennent plus petites, la longueur d’onde de la lumière émise passe du rouge au bleu », a déclaré Lee. « En d’autres termes, la taille du nanocristal de point quantique détermine sa couleur. »

L’ingénierie derrière les films de Quantum Dots

« Le film de Quantum Dots est au cœur des téléviseurs QLED — un témoignage de l’expertise technique approfondie de Samsung. » — Doh Chang Lee, Institut Avancé de Science et de Technologie de Corée

Les Quantum Dots suscitent un vif intérêt dans de nombreux domaines, y compris les cellules photovoltaïques, la photocatalyse, la médecine ou encore l’informatique quantique. Cependant, le secteur de la production d’écrans a été le premier à commercialiser la technologie avec succès.

« L’une des raisons pour lesquelles Samsung a misé sur les Quantum Dots c’est leur spectre d’émission aux pics exceptionnellement étroits », a déclaré Sohn. « Leur bande passante étroite et leur forte fluorescence en font des composants idéaux pour restituer 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 tout leur potentiel dans les écrans, les Quantum Dots doivent maintenir des performances élevées même dans des conditions difficiles. La technologie QLED de Samsung y parvient grâce à l’utilisation d’un film de Quantum Dots.

« La reproduction précise des couleurs dans un affichage dépend de la façon dont le film utilise les propriétés optiques des Quantum Dots », a déclaré Lee. « Un film de Quantum Dots doit répondre à plusieurs exigences clés pour une utilisation commerciale, telles que la conversion efficace de la lumière et la translucidité. »

▲ Sanghyun Sohn

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

« C’est comme essayer de mélanger uniformément de la poudre de cannelle dans du miel collant sans faire de grumeaux — ce n’est pas une tâche facile », a déclaré Sohn. « Pour disperser uniformément les Quantum Dots dans tout le film, plusieurs facteurs tels que les matériaux, la conception et les conditions de traitement doivent être soigneusement pris en compte. »

Malgré ces défis techniques, Samsung a repoussé les limites de la technologie. Pour assurer la longévité de ses écrans, l’entreprise a développé des matériaux polymères propriétaires spécifiquement optimisés pour les Quantum Dots.

« Nous avons acquis une expertise approfondie dans la technologie des Quantum Dots en développant des films barrières qui bloquent l’humidité et des matériaux polymères capables de disperser uniformément les Quantum Dots », a-t-il ajouté. « Grâce à cela, nous avons non seulement atteint la production de masse, mais aussi réduit les coûts. »

Grâce à ce processus avancé, le film de Quantum Dots de Samsung offre une expression précise des couleurs et une efficacité lumineuse exceptionnelle — le tout soutenu par une durabilité de premier plan dans l’industrie.

« La luminosité est généralement mesurée en nits, un nit étant équivalent à la luminosité d’une seule bougie », a expliqué Sohn. « Alors que les LED conventionnelles offrent environ 500 nits, nos écrans à Quantum Dots peuvent atteindre 2 000 nits ou plus — l’équivalent de 2 000 bougies — atteignant un nouveau niveau de qualité d’image. »

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

* CIE 1930 : Un système de couleur largement utilisé, annoncé en 1931 par la Commission internationale de l’éclairage

* sRGB (standard RGB) : Un espace colorimétrique créé conjointement par Microsoft et HP en 1996 pour les moniteurs et les imprimantes

* DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3) : Un espace colorimétrique largement utilisé pour le contenu HDR numérique, défini par Digital Cinema Initiatives pour les projecteurs numériques

En exploitant les Quantum Dots, Samsung a considérablement amélioré à la fois la luminosité et l’expression des couleurs — offrant une expérience visuelle sans précédent. En fait, les téléviseurs QLED de Samsung atteignent un taux de reproduction des couleurs dépassant 90 % de l’espace colorimétrique DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3), la référence pour la précision des couleurs dans le cinéma numérique.

« Même si vous avez fabriqué des Quantum Dots, vous devez assurer leur stabilité à long terme pour qu’ils soient utiles », a déclaré Lee. « Les technologies de synthèse de Quantum Dots à base de phosphure d’indium (InP) développées par Samsung et la production de films, témoignent de l’expertise technique approfondie de Samsung. »

Les téléviseurs Samsung QLED utilisent des Quantum Dots pour créer les plus belles couleurs

« La légitimité d’un téléviseur à Quantum Dots 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. Pourtant, tous les écrans estampillés “Quantum Dots” ne se valent pas — il est essentiel que ces matériaux contribuent réellement à la qualité de l’image.

▲ Taeghwan Hyeon

« Pour qu’un téléviseur puisse être qualifié de véritable téléviseur à Quantum Dots, il doit impérativement tirer parti de l’effet de confinement quantique », a déclaré Hyeon. « La condition de base, c’est d’utiliser les Quantum Dots comme source de création de couleurs. »

« Les Quantum Dots doivent jouer un rôle clé dans la conversion ou l’émission de lumière. Dans le cas des Quantum Dots utilisés pour la conversion, l’écran doit en contenir suffisamment pour absorber et transformer efficacement la lumière bleue émise par le rétroéclairage » a déclaré Lee.

▲ Doh Chang Lee

« Le film de Quantum Dots doit contenir une quantité suffisante de Quantum Dots pour fonctionner efficacement », a répété Sohn, soulignant l’importance du contenu En Quantum Dots.  « Les téléviseurs Samsung QLED contiennent plus de 3 000 parties par million (ppm) de matériaux Quantum Dots. Ce sont eux qui assurent 100 % de la reproduction des couleurs rouge et verte. »

Samsung a commencé à développer cette technologie dès 2001. En 2015, la marque a lancé le tout premier téléviseur à Quantum Dots sans cadmium, le SUHD. Puis, en 2017, elle a inauguré sa gamme premium QLED, affirmant davantage son avance technologique dans l’univers des téléviseurs à Quantum Dots.