[Quantum Dots] Comment la prouesse technique de Samsung est devenue un véritable moteur pour le progrès scientifique et industriel

« La technologie QLED de Samsung a joué un rôle crucial en amenant les Quantum Dots au niveau de reconnaissance nécessaire pour obtenir le prix Nobel de chimie. » — Taeghwan Hyeon, Université nationale de Séoul

Les Quantum Dots ont été à la pointe de l’innovation en matière d’affichage au cours de la dernière décennie, offrant une reproduction des couleurs parmi les plus précises des matériaux existants. En 2015, Samsung Electronics a ouvert la voie à la commercialisation des Quantum Dots avec le lancement des téléviseurs SUHD — une percée qui a permis de dépasser l’utilisation du cadmium (Cd), un métal lourd traditionnellement utilisé dans la synthèse des Quantum Dots, en introduisant la première technologie de Quantum Dots sans cadmium au monde.

Une percé qui a attiré l’attention du monde universitaire. La commercialisation réussie des téléviseurs à Quantum Dots sans cadmium a non seulement défini une nouvelle direction pour la recherche et le développement, mais a également joué un rôle clé dans l’attribution du prix Nobel de chimie 2023 pour la découverte et la synthèse des Quantum Dots.

▲ (De gauche à droite) Taeghwan Hyeon, Doh Chang Lee et Sanghyun Sohn

Le cadmium, à l’origine de la recherche sur les Quantum Dots

« J’ai été vraiment impressionné par le fait que Samsung ait réussi à commercialiser un produit d’affichage à points quantiques sans cadmium. »

 — Taeghwan Hyeon, Université nationale de Séoul

Les points quantiques ont commencé à susciter l’intérêt des scientifiques dans les années 1980, lorsque Aleksey Yekimov, ancien scientifique en chef de Nanocrystals Technology Inc. et Louis E. Brus, professeur émérite au Département de chimie de l’université de Columbia, ont chacun publié leurs recherches sur l’effet de confinement quantique et les propriétés optiques des points quantiques selon leur taille.

Le mouvement s’est accéléré en 1993 lorsque Moungi Bawendi, professeur au Département de chimie du Massachusetts Institute of Technology (MIT), a mis au point une méthode fiable de synthèse des points quantiques. En 2001, Taeghwan Hyeon, éminent professeur au Département de génie chimique et biologique de l’Université nationale de Séoul (SNU), a inventé le « procédé de chauffage », une technique permettant de produire des nanoparticules uniformes sans avoir recours à une séparation sélective en fonction de la taille. En 2004, M. Hyeon a publié une méthode de production évolutive dans la revue universitaire Nature Materials – une découverte largement considérée comme susceptible de changer la donne dans l’industrie.

▲ Taeghwan Hyeon

Toutefois, ces efforts n’ont pas débouché immédiatement sur une commercialisation. À l’époque, les points quantiques reposaient largement sur le cadmium (Cd) comme matériau de base – une substance connue pour être nocive pour l’homme et désignée comme matériau à usage restreint dans le cadre de la directive de l’Union européenne relative à la limitation des substances dangereuses (RoHS).

« Actuellement, les seuls matériaux capables de produire des points quantiques en toute fiabilité sont le séléniure de cadmium (CdSe) et le phosphure d’indium (InP)”, explique M. Hyeon. « Le séléniure de cadmium, le matériau conventionnel des points quantiques, est un composé d’éléments du groupe II et du groupe VI, tandis que le phosphure d’indium est formé à partir d’éléments du groupe III et du groupe V. La synthèse de points quantiques à partir d’éléments des groupes II et VI est relativement simple, mais la combinaison d’éléments des groupes III et V est chimiquement nettement plus complexe. »

▲ Comparaison de points quantiques à base de cadmium avec des liaisons ioniques et de points quantiques à base d’indium avec des liaisons covalentes

Le cadmium, un élément possédant deux électrons de valence, forme des liaisons ioniques fortes¹ avec des éléments tels que le sélénium (Se), le soufre (S) et le tellure (Te), qui possèdent chacun six électrons de valence. Ces combinaisons permettent d’obtenir des semi-conducteurs stables, connus sous le nom de semi-conducteurs II-VI, des matériaux qui ont longtemps été privilégiés dans la recherche pour leur capacité à produire des nanocristaux de haute qualité, même à des températures relativement basses. Par conséquent, l’utilisation du cadmium dans la synthèse des points quantiques a été considérée comme une norme académique pendant de nombreuses années.

En revanche, l’indium (In) – une alternative au cadmium avec trois électrons de valence – forme des liaisons covalentes² avec des éléments tels que le phosphore (P), qui possède cinq électrons de valence. Les liaisons covalentes sont généralement moins stables que les liaisons ioniques et sont de nature directionnelle, ce qui augmente la probabilité de défauts lors de la synthèse des nanocristaux. Ces caractéristiques ont fait de l’indium un matériau difficile à travailler, tant pour la recherche que la production de masse.

« Il est difficile d’obtenir une cristallinité élevée dans les points quantiques fabriqués à partir de phosphure d’indium », note M. Lee. « Un processus de synthèse complexe et exigeant est nécessaire pour répondre aux normes de qualité requises pour la commercialisation. »

Pas le moindre compromis – De la percée à la production de masse

« Il n’y a tout simplement pas de place pour le compromis en matière de sécurité des consommateurs. »

— Sanghyun Sohn, Samsung Electronics

Samsung a toutefois adopté une approche différente.

« Nous menons des recherches et développons la technologie des points quantiques depuis 2001 », a déclaré Sanghyun Sohn, Head of Advanced Display Lab, Visual Display (VD) Business chez Samsung Electronics. « Mais très tôt, nous avons déterminé que le cadmium – qui est nocif pour le corps humain – n’était pas adapté à la commercialisation. Alors que les réglementations de certains pays autorisent techniquement jusqu’à 100 parties par million (ppm) de cadmium dans les produits électroniques, Samsung a adopté dès le départ une politique zéro cadmium. Pas de cadmium, pas de compromis : telle était notre stratégie. Il n’y a tout simplement pas de place pour le compromis en matière de sécurité des consommateurs. »

▲ Sanghyun Sohn

L’engagement de longue date de Samsung en faveur de son principe « No Compromise on Safety » (pas de compromis sur la sécurité) s’est concrétisé en 2014 lorsque l’entreprise a développé avec succès le premier matériau à points quantiques sans cadmium au monde. Afin de garantir à la fois la durabilité et la qualité de l’image, Samsung a introduit une technologie de revêtement protecteur à trois couches qui protège les nanoparticules de phosphure d’indium des facteurs externes tels que l’oxygène et la lumière. L’année suivante, Samsung a lancé le premier téléviseur SUHD commercialisé au monde avec des points quantiques sans cadmium – un changement de paradigme dans l’industrie de l’affichage et l’aboutissement d’efforts de recherche ayant commencé au début des années 2000.

« Les points quantiques à base de phosphure d’indium sont intrinsèquement instables et plus difficiles à synthétiser que leurs homologues à base de cadmium, et n’atteignent initialement qu’environ 80 % des performances des points quantiques à base de cadmium », affirme M. Sohn. « Cependant, grâce à un processus de développement intensif au Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), nous avons réussi à augmenter les performances à 100 % et à garantir la fiabilité pendant plus de 10 ans. »

▲ Les trois composants des points quantiques

Les points quantiques présents dans les écrans Samsung QLED sont composés de trois éléments clés : un noyau, d’où la lumière est émise ; une enveloppe, qui protège le noyau et stabilise sa structure ; et un ligand, un revêtement polymère qui améliore la stabilité de l’oxydation à l’extérieur de l’enveloppe. L’essence de la technologie des points quantiques réside dans l’intégration transparente de ces trois éléments, un processus industriel avancé qui s’étend de l’acquisition et de la synthèse des matériaux à la production de masse et au dépôt de nombreux brevets.

« Aucun des trois composants – noyau, enveloppe ou ligand – ne peut être négligé », ajoute M. Lee. « La technologie de Samsung pour la synthèse du phosphure d’indium est exceptionnelle. »

« Le développement d’une technologie en laboratoire est un défi en soi, mais la commercialisation requiert un niveau d’effort tout à fait différent pour garantir la stabilité du produit et une qualité de couleur constante », a affirmé M. Hyeon. « J’ai été vraiment impressionné par le fait que Samsung ait réussi à commercialiser un produit d’affichage à points quantiques sans cadmium. »

Établir la norme pour les points quantiques

« Les tendances de la recherche dans la communauté universitaire ont sensiblement changé avant et après la sortie des téléviseurs à points quantiques de Samsung. »

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

Les propriétés optiques des points quantiques sont appliquées à un large éventail de domaines, notamment les cellules solaires, la médecine et l’informatique quantique. Cependant, l’écran à points quantiques reste l’application la plus activement étudiée et la plus largement commercialisée à ce jour, Samsung faisant figure de pionnier.

S’appuyant sur des années de recherche fondamentale et sur l’introduction de ses téléviseurs SUHD, Samsung a lancé ses téléviseurs QLED en 2017 et a établi une nouvelle norme pour les écrans haut de gamme. En 2022, l’entreprise a poussé l’innovation encore plus loin en lançant les téléviseurs QD-OLED, le premier écran au monde à combiner des points quantiques avec une structure OLED.

▲ Comparaison des structures LCD, QLED et QD-OLED

Le QD-OLED est une technologie d’affichage de nouvelle génération qui intègre des points quantiques dans la structure auto-émissive de l’OLED. Cette approche permet des temps de réponse plus rapides, des noirs plus profonds et des taux de contraste plus élevés. Le QD-OLED de Samsung a été élu écran de l’année 2023 par la Society for Information Display (SID), la plus grande organisation mondiale dédiée aux technologies d’affichage.

« Samsung a non seulement dominé le marché avec ses téléviseurs à points quantiques à base de phosphure d’indium, mais reste également la seule entreprise à avoir intégré et commercialisé avec succès des points quantiques dans des OLED », poursuit M. Sohn. « En tirant parti de notre leadership dans la technologie des points quantiques, nous continuerons à être à la pointe de l’innovation dans le domaine des écrans. »

▲ Doh Chang Lee

« Les tendances de la recherche dans la communauté universitaire ont sensiblement changé avant et après la sortie des téléviseurs à points quantiques de Samsung », déclare Doh Chang Lee, professeur au Département d’ingénierie chimique et biomoléculaire du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). « Depuis leur lancement, les discussions se sont de plus en plus concentrées sur les applications pratiques plutôt que sur les matériaux eux-mêmes, ce qui reflète le potentiel de mise en œuvre dans le monde réel grâce aux technologies d’affichage. »

« De nombreuses tentatives ont été faites pour appliquer les points quantiques dans divers domaines, y compris la photocatalyse », ajoute-t-il. « Mais ces efforts n’en sont qu’à leurs débuts par rapport à leur utilisation dans les écrans. »

2023. Hyeon a également noté que la commercialisation couronnée de succès des téléviseurs à points quantiques de Samsung a permis à Messieurs Bawendi, Brus et Yekimov de recevoir le prix Nobel de chimie en 2023.

« L’un des critères les plus importants pour l’attribution du prix Nobel est la mesure dans laquelle une technologie a contribué à l’humanité grâce à sa commercialisation », déclare-t-il. « Le QLED de Samsung constitue l’une des réalisations les plus importantes dans le domaine des nanotechnologies. Sans sa commercialisation, il aurait été difficile pour les points quantiques d’obtenir la reconnaissance du prix Nobel. »

La vision de Samsung pour les écrans de demain

Depuis le lancement de ses téléviseurs QLED, Samsung a accéléré la croissance de la technologie des points quantiques dans l’industrie et le monde universitaire. Interrogés sur l’avenir des écrans à points quantiques, les experts ont partagé leurs points de vue sur ce qui nous attend.

« En tant que technologie de la prochaine génération, nous explorons actuellement les points quantiques auto-émissifs », explique M. Sohn. « Jusqu’à présent, les points quantiques dépendaient d’une source de lumière externe pour exprimer le rouge et le vert. À l’avenir, nous souhaitons développer des points quantiques qui émettent de la lumière de manière indépendante par électroluminescence, c’est-à-dire qui produisent les trois couleurs primaires par injection d’énergie électrique. Nous travaillons également au développement de points quantiques bleus. »

« Comme les matériaux électroluminescents permettent de réduire la taille des composants des appareils, nous serons en mesure d’atteindre la haute résolution, l’efficacité et la luminosité requises pour les applications de réalité virtuelle et augmentée », continue M. Lee, qui prédit une transformation majeure dans l’avenir des écrans.

« Un bon affichage est un affichage que l’observateur ne reconnaît même pas comme tel », explique M. Sohn. « L’objectif ultime est d’offrir une expérience qui ne se distingue pas de la réalité. En tant que leader de l’innovation en matière d’écrans à points quantiques, nous sommes fiers de continuer à aller de l’avant. »

Grâce à son leadership continu et à sa vision technologique audacieuse, Samsung façonne l’avenir des écrans et réécrit ce qui est possible grâce aux points quantiques.

¹ Une liaison ionique est une liaison chimique formée lorsque des électrons sont transférés entre des atomes, créant ainsi des ions qui sont maintenus ensemble par attraction électrique.
² Une liaison covalente est une liaison chimique dans laquelle deux atomes partagent des électrons.