Академическое сообщество обратило на это внимание. Успешная коммерциализация телевизоров с квантовыми точками без кадмия не только задала новое направление научно-исследовательской деятельности, но и сыграла важную роль в присуждении Нобелевской премии по химии в 2023 году за открытие и синтез квантовых точек.

В продолжение серии интервью о настоящих квантовых точках, пресс-служба Samsung раскрывает, как компания внесла вклад в науку благодаря революционным достижениям в области материаловедения.

▲ (Слева направо) ТхэкВан Хён, До Чанг Ли и СангXён Сон

Почему кадмий стал отправной точкой для исследований квантовых точек

«Я был искренне впечатлен тем, что Samsung удалось коммерциализировать дисплей с квантовыми точками без кадмия»,

— ТхэкВан Хён, Сеульский национальный университет (SNU)

Интерес научного сообщества к квантовым точкам возник в 1980-х годах, когда Алексей Екимов, бывший главный научный сотрудник компании Nanocrystals Technology Inc., и Луис Е. Брус, профессор-эмеритус кафедры химии Колумбийского университета, опубликовали свои исследования о квантовом ограничении и зависящих от размера оптических свойствах квантовых точек.

Импульс усилился в 1993 году, когда Муонджи Бавенди, профессор кафедры химии Массачусетского технологического института (MIT), разработал надежный метод синтеза квантовых точек. В 2001 году ТхэкВан Хён, профессор кафедры химической и биологической инженерии Сеульского национального университета (SNU), изобрел метод «heat–up process» — способ получения однородных наночастиц без необходимости селективного разделения по размеру. В 2004 году Хён опубликовал масштабируемый метод производства в журнале Nature Materials — открытие, признанное поворотным моментом в индустрии.

▲ ТхэкВан Хён

Однако эти усилия не сразу привели к коммерческому успеху. В то время квантовые точки сильно зависели от кадмия (Cd) как основного материала — вещества, вредного для человека и признанного опасным в соответствии с директивой Европейского Союза по ограничению опасных веществ (RoHS).

«На данный момент только два материала могут эффективно использоваться для производства квантовых точек — селенид кадмия (CdSe) и фосфид индия (InP), — объясняет Хён. — Селенид кадмия, традиционный материал, — это соединение элементов из II и VI групп, в то время как фосфид индия состоит из элементов III и V групп. Синтез квантовых точек из элементов II и VI групп относительно прост, а вот из III и V — химически куда более сложен».

▲ Сравнение квантовых точек на основе кадмия (ионные связи) и индия (ковалентные связи)

Кадмий, элемент с двумя валентными электронами, формирует прочные ионные связи¹ с такими элементами, как селен (Se), сера (S) и теллур (Te), каждый из которых имеет шесть валентных электронов. Эти соединения дают стабильные полупроводники (II–VI полупроводники) — они долгое время использовались в исследованиях из-за их способности формировать качественные нанокристаллы даже при относительно низких температурах. Поэтому кадмий в течение многих лет считался научным стандартом в синтезе квантовых точек.

В то же время индий (In) — альтернатива кадмию с тремя валентными электронами — формирует ковалентные связи² с такими элементами, как фосфор (P), у которого пять валентных электронов. Ковалентные связи, как правило, менее стабильны и обладают направленной природой, что увеличивает вероятность дефектов при синтезе. Эти особенности делают индий сложным материалом как для исследований, так и для массового производства.

«Трудно добиться высокой кристалличности квантовых точек из фосфида индия, — отмечает Ли. — Необходим сложный и трудоемкий синтез, чтобы достичь качества, пригодного для коммерциализации».

Без компромиссов — от прорыва к массовому производству

«В вопросах безопасности для потребителя компромиссов быть не может»,

— СангХен Сон, Samsung Electronics

Samsung выбрала другой путь.

«Мы начали исследования и разработку квантовых точек в 2001 году, — говорит СангХен Сон, глава Лаборатории передовых дисплеев (Advanced Display Lab), подразделения дисплейных решений (VD) в Samsung Electronics. — С самого начала было ясно: кадмий — вредный элемент и он непригоден для коммерческих продуктов. Хотя в некоторых странах допускается до 100 долей кадмия на миллион (ppm) в электронике, мы с самого начала приняли политику полного отказа от кадмия. Без кадмия, без компромиссов — вот наш подход. В вопросах безопасности компромиссы недопустимы».

▲ СангХён Сон

Приверженность Samsung принципу «никаких компромиссов в безопасности» проявилась в 2014 году, когда компания разработала первый в мире материал квантовых точек без кадмия. Чтобы обеспечить долговечность и качество изображения, Samsung внедрила технологию трехслойного защитного покрытия, которое защищает наночастицы фосфида индия от воздействия кислорода и света. В следующем году Samsung выпустила первый в мире коммерческий SUHD телевизор с квантовыми точками без содержания кадмия — настоящий прорыв в индустрии дисплеев, завершивший многолетние научные усилия.

«Квантовые точки на основе фосфида индия нестабильны и сложнее в синтезе по сравнению с аналогами на основе кадмия, изначально они достигали лишь около 80% их производительности, — рассказывает Сон. — Но благодаря усилиям в Исследовательском институте Samsung (SAIT) мы достигли 100% производительности и обеспечили надежность на срок более 10 лет».

▲ Три компонента квантовых точек

Квантовые точки в QLED-телевизорах Samsung состоят из трех элементов: ядра, в котором испускается свет; оболочки, защищающей и стабилизирующей ядро, и лиганда — полимерного покрытия, обеспечивающего устойчивость к окислению. Суть технологии квантовых точек заключается в безупречной интеграции этих трех компонентов. Это сложный промышленный процесс, который охватывает весь цикл — от добычи материалов до массового производства и патентования.

«Нельзя упускать из виду ни один из трех компонентов — ядро, оболочку и лиганд, — добавляет Ли. — Технология синтеза фосфида индия у Samsung действительно выдающаяся».

«Разработка технологии в лаборатории — это само по себе вызов. Но ее коммерциализация требует совершенно иных усилий для обеспечения стабильности и качества, — говорит Хён. — Я был искренне впечатлен тем, что Samsung удалось это сделать».

Новый стандарт квантовых точек

«Исследовательские тренды в академической среде заметно изменились после выхода телевизора с квантовыми точками Samsung»,

— До Чанг Ли, Корейский институт перспективных научных исследований и технологий (KAIST)

Оптические свойства квантовых точек находят применение во многих сферах: солнечных батареях, медицине и квантовых вычислениях. Но именно дисплеи стали наиболее широко изученной и коммерчески реализованной областью — с Samsung в роли пионера.

Основываясь на многолетнем опыте исследований и выпуске SUHD, Samsung в 2017 году представила QLED-телевизоры, установив новый стандарт премиальных дисплеев. В 2022 году компания продвинулась дальше, представив QD–OLED — первый в мире дисплей, сочетающий квантовые точки и OLED-структуру.

▲ Сравнение структур LCD, QLED и QD-OLED

QD–OLED — это дисплей нового поколения, в котором квантовые точки интегрированы в самосветящуюся структуру OLED. Такая архитектура обеспечивает более быстрый отклик, глубокий черный цвет и высокий контраст. QD–OLED от Samsung был признан «Дисплеем года» в 2023 году по версии SID — крупнейшей в мире организации в области дисплейных технологий.

«Samsung не только возглавила рынок с телевизорами на базе фосфида индия, но и стала единственной компанией, которой удалось интегрировать и коммерциализировать квантовые точки в OLED-дисплеях, — говорит Сон. — Используя наше лидерство в области квантовых точек, мы продолжим двигать индустрию вперед».

▲ До Чанг Ли

«Тенденции в научных исследованиях заметно изменились после выхода телевизоров Samsung с квантовыми точками, — сказал До Чанг Ли, профессор KAIST. — С момента их появления обсуждения все больше сосредотачиваются на практическом применении, а не только на самих материалах. Это отражает потенциал технологий дисплеев для реального мира».

«Были и попытки применения квантовых точек в таких направлениях, как фотокатализ, — добавляет он. — Но они все еще находятся на ранней стадии по сравнению с дисплеями».

Хён также подчеркнул, что коммерциализация телевизоров Samsung с квантовыми точками сыграла ключевую роль в присуждении Нобелевской премии Бавенди, Брусу и Екимову.

«Один из важнейших критериев вручения Нобелевской премии — это вклад технологии в человечество через коммерциализацию, — отметил он. — QLED от Samsung — одно из важнейших достижений нанотехнологий. Без коммерциализации квантовые точки вряд ли были бы удостоены Нобелевской премии».

Взгляд Samsung на дисплеи будущего

С момента запуска QLED-телевизоров Samsung ускорила развитие технологий квантовых точек в промышленности и науке. На вопрос о будущем дисплеев эксперты поделились своими взглядами:

«Мы исследуем самоизлучающие квантовые точки как технологию следующего поколения, — говорит Сон. — До сих пор для отображения красного и зеленого требовался внешний источник света. В будущем мы планируем создать квантовые точки, которые будут светиться сами за счет электролюминесценции, создавая три основных цвета путем подачи электрической энергии. Мы также работаем над разработкой синих квантовых точек».

«Электролюминесцентные материалы позволяют уменьшать размеры компонентов устройств, что дает возможность достигать высокой плотности пикселей, яркости и энергоэффективности, необходимых для виртуальной и дополненной реальности», — добавляет Ли, предсказывая масштабную трансформацию дисплеев.

«Хороший дисплей — это тот, который зритель не воспринимает как дисплей, — говорит Сон. — Наша конечная цель — добиться ощущения, неотличимого от реальности. Мы гордимся тем, что лидируем в инновациях квантовых точек, и продолжим двигаться вперед».

Сохраняя лидерство и следуя смелому технологическому видению, Samsung формирует будущее дисплеев, расширяя границы возможного с помощью квантовых точек.

¹ Ионная связь — это химическая связь, при которой электроны передаются между атомами, образуя ионы, притягивающиеся за счет электростатических сил.

² Ковалентная связь — это химическая связь, при которой два атома делят между собой электроны.

Квантовые точки — ультрамелкие полупроводниковые частицы — в зависимости от размера излучают свет разных цветов, создавая исключительно чистые и яркие оттенки. Samsung Electronics, мировой лидер в производстве телевизоров, использует этот передовой материал для повышения производительности дисплеев.

Samsung Newsroom пообщался с ТхэкВаном Хёном, заслуженным профессором кафедры химического и биологического инжиниринга Сеульского национального университета (SNU), До Чанг Ли (Doh Chang Lee), профессором кафедры химического и биомолекулярного инжиниринга Корейского института перспективных научных исследований (KAIST), и СангХёном Соном, главой Лаборатории передовых дисплеев (Advanced Display Lab), подразделения дисплейных решений (VD) в Samsung Electronics, чтобы обсудить, как квантовые точки открывают новую эру дисплейных технологий.

Понятие энергетической щели

«Чтобы понять квантовые точки, нужно сначала разобраться в понятии энергетической щели», — ТхэкВан Хён, Сеульский национальный университет

Движение электронов вызывает электрический ток. Обычно в этом участвуют внешние электроны — так называемые валентные. Энергетический диапазон, в котором они находятся, называется валентной зоной. Более высокая, незанятая зона, способная принять электроны, называется зоной проводимости.

Электрон может поглотить энергию и перейти из валентной зоны в зону проводимости. При возвращении в валентную зону электрон высвобождает энергию. Разница между этими зонами — это энергетическая щель — та энергия, которую электрон должен получить или потерять при переходе между ними.

▲ Сравнение структур энергетических зон в изоляторах, полупроводниках и проводниках

Изоляторы, такие как резина и стекло, имеют большую энергетическую щель, которая препятствует свободному движению электронов. Напротив, такие проводники, как медь и серебро c перекрывающимися валентными зонами и зонами проводимости, позволяют электронам свободно перемещаться и обеспечивает высокую электропроводность.

Электрическая щель полупроводников имеет промежуточные значения. Такие материалы не проводят ток при обычных условиях, но могут проводить электричество или излучать свет при воздействии тепла, света или электричества.

«Чтобы понять квантовые точки, сначала нужно разобраться, что такое энергетическая щель», — сказал Хён, подчеркивая, что структура энергетических зон играет ключевую роль в определении его электрических свойств.

Квантовые точки — чем меньше частица, тем шире энергетическая щель

«По мере уменьшения размеров квантовых точек длина волны испускаемого света сдвигается от красного к синему», — До Чанг Ли, Корейский институт перспективных научных исследований и технологий (KAIST)

Квантовые точки — это нанокристаллы полупроводника с уникальными электрическими и оптическими свойствами. Их размеры измеряются в нанометрах (нм) — миллиардных долях метра — и составляют лишь несколько тысячных толщины человеческого волоса. При уменьшении полупроводника до наномасштаба его свойства существенно изменяются.

В объемном состоянии электроны в полупроводниковом материале могут свободно перемещаться, не ограничиваясь собственной длиной волны. Это позволяет уровням энергии — состояниям, которые частицы занимают при поглощении или высвобождении энергии, — образовывать непрерывный спектр, подобный длинной горке с пологим склоном. В квантовых точках движение электронов ограничено, поскольку размер частиц меньше длины волны электрона.

▲ Размер определяет ширину энергетической щели в квантовых точках.

Представьте, что вы зачерпываете воду (энергию) из большой кастрюли (объемное состояние) половником (ширина энергетической зоны, соответствующая длине волны электрона). С помощью половника можно плавно регулировать количество воды в кастрюле, что эквивалентно непрерывным энергетическим уровням. Однако если уменьшить кастрюлю до размеров чашки — как в случае с квантовой точкой — половник уже не помещается. Тогда чашку можно либо налить полностью, либо оставить пустой. Это иллюстрирует понятие квантованных энергетических уровней.

«Когда полупроводниковые частицы уменьшаются до нанометрового масштаба, их энергетические уровни становятся квантованными — они могут существовать только в виде дискретных ступеней, — сказал Хён. — Этот эффект называется “квантовой ловушкой”. И на этом уровне масштабов энергетическую щель можно контролировать, изменяя размер частиц».

Чем меньше квантовая точка, тем меньше молекул в частице и тем слабее взаимодействие между молекулярными орбиталями. Это усиливает эффект квантовой ловушки и увеличивает ширину энергетической щели. Поскольку цвет излучаемого света зависит от энергии, выделяемой при переходе электрона из зоны проводимости в валентную, он также меняется с изменением размера частицы.

«По мере уменьшения частиц длина волны испускаемого света смещается от красного к синему, — сказал Ли. — Другими словами, размер нанокристалла квантовой точки определяет его цвет».

Разработка пленок на основе квантовых точек

«Пленка из квантовых точек лежит в основе QLED-телевизоров — это свидетельство глубокой технической экспертизы Samsung», — До Чан Ли, Корейский институт перспективных научных исследований и технологий (KAIST)

Квантовые точки находят применение в солнечных батареях, фотокатализе, медицине и квантовых вычислениях. Однако первой областью успешной коммерциализации стало производство дисплеев.

«Одна из причин, по которой Samsung выбрала квантовые точки — это их исключительно узкий пик излучения, — сказал Сон. — Их узкий спектр и высокая яркость делают квантовые точки идеальным выбором для точной цветопередачи».

▲ Квантовые точки контролируют свет на наноуровне и формируют чистые цвета RGB (красный, зеленый, синий), обеспечивая узкий спектр и высокую яркость.

Для эффективного использования квантовых точек в дисплеях, материалы и структуры должны сохранять свои характеристики при воздействии времени и внешних факторов. В QLED для этого применяется специальная пленка на основе квантовых точек.

«Точная цветопередача в дисплее зависит от того, насколько эффективно пленка использует оптические свойства квантовых точек, — говорит Ли. — Она должна быть прозрачной и эффективно преобразовывать свет».

▲ СангХён Сон

Пленка в QLED-дисплеях Samsung создается путем добавления раствора квантовых точек в полимерную основу, нагретую до высокой температуры. Затем ее растягивают в тонкий слой с последующим отверждением. Хотя это может звучать просто, на самом деле процесс производства является крайне сложным.

«Это как пытаться равномерно размешать порошок корицы в липком меде, не создавая комков, — объясняет Сон. — Для того чтобы равномерно распределить квантовые точки, нужно тщательно подбирать материалы, конструкцию и условия обработки».

Несмотря на сложности, Samsung достигла прорыва — и разработала полимеры, специально оптимизированные для квантовых точек. Это позволяет добиться долговечности дисплеев.

«Мы накопили большой опыт в технологии квантовых точек и создали барьерные пленки для защиты от влаги, а также полимеры, равномерно распределяющие квантовые точки, — добавил он. — Так мы достигли не только массового производства, но и снижения затрат».

Благодаря этой технологии, пленка от Samsung обеспечивает точную цветопередачу и высокую яркость — при ведущей в индустрии долговечности.

«Яркость измеряется в нитах: один нит приравнивается к яркости одной свечи, — объяснил Сон. — Обычные LED-экраны дают около 500 нит, а дисплеи на квантовых точках достигают 2000 нит и выше — эквивалент 2000 свечей, — обеспечивая потрясающее качество изображения».

▲ Сравнение цветовых пространств RGB, видимого спектра, sRGB и DCI-P3 (CIE 1931)

*CIE 1930 — широко распространенная цветовая система, предложенная Международной комиссией по освещению в 1931 году.

*sRGB — стандартное цветовое пространство, разработанное Microsoft и HP в 1996 году для мониторов и принтеров.

*DCI-P3 — цветовое пространство для цифрового HDR-контента; определено Digital Cinema Initiatives.

С помощью квантовых точек Samsung значительно улучшила яркость и цветопередачу— это обеспечивает впечатляющее визуальный опыт, не сравнимый ни с чем до нынешнего момента. QLED-телевизоры Samsung достигают цветопередачи, превышающей 90% цветового охвата DCI-P3 — эталона точности в цифровом кино.

«Даже если вы уже создали квантовые точки, нужно обеспечить их долгосрочную стабильность, — сказал Ли. — Разработанные Samsung передовые технологии синтеза квантовых на основе фосфида индия (InP) и их интеграции в пленку подтверждают высокий уровень экспертизы компании».

Настоящие квантовые QLED

«Настоящий телевизор на квантовых точках должен использовать эффект квантовой ловушки», — ТхэкВан Хён, Сеульский университет (SNU)

По мере того, как в индустрии рос интерес к квантовым точкам, на рынок вышло множество продуктов. Однако не все «телевизоры с квантовыми точками» действительно используют технологию по назначению.

▲ ТхэкВан Хён

«Допустимость использования термина “телевизор на квантовых точках” зависит от того, используется ли в нем эффект квантовой ловушки, — сказал Хён. — Первое и фундаментальное требование — использовать квантовые точки для формирования цвета».

«Для того, чтобы телевизор считался по-настоящему квантовым, точки должны выступать либо в роли основного материала для преобразования света, либо как главный источник излучения, — добавил Ли. — В случае преобразующих свет квантовых точек дисплей должен содержать достаточное количество таких точек, чтобы поглощать и преобразовывать синий свет, излучаемый подсветкой».

▲ До Чанг Ли

«Пленка с квантовыми точками должна содержать достаточное количество квантовых точек для эффективной работы», — повторил Сон, подчеркивая важность содержания квантовых точек. — В Samsung QLED используется более 3000 ppm (частей на миллион) квантовых точек. 100% красного и зеленого цветов формируются с их помощью».

Samsung начала разработку технологии квантовых точек в 2001 году и в 2015 году представила первый в мире телевизор с квантовыми точками без кадмия — SUHD TV. В 2017 году компания запустила премиальную линейку QLED, еще больше укрепив лидерство в индустрии дисплеев с квантовыми точками.

Во второй части интервью Samsung Newsroom подробнее расскажет о том, как компания не только коммерциализировала технологию дисплеев с квантовыми точками, но и разработала  безкадмиевый материал — инновацию, признанную лауреатами Нобелевской премии по химии.

¹ Когда полупроводниковый материал находится в объемном состоянии, его энергетическая щель остается фиксированной и не зависит от размера частиц.

Samsung Electronics объявила, что пленка с квантовыми точками, используемая в своих телевизорах QD, получила сертификат о соответствии с директивой об ограничении опасных веществ (RoHS), и была проверена глобальным сертификационным институтом Société Générale de Surveillance (SGS) на отсутствие кадмия.

SGS, штаб-квартира которой находится в Женеве (Швейцария), является ведущим в мире органом по тестированию и сертификации, который предоставляет услуги для обеспечения соблюдения строгих стандартов качества и безопасности организациями различных отраслей промышленности, включая электронные продукты, пищевые продукты и окружающую среду.

Помимо того, что SGS признала использование технологии Samsung с отсутствием кадмия в квантовой точечной пленке, соответствие компании директиве RoHS от Европейского Союза гарантирует безопасность просмотра телевизоров.

«Квантовые точечные телевизоры Samsung построены на безопасной технологии, которая соответствует ограничениям по опасным веществам, при этом обеспечивая непревзойденное качество изображения, – сказал Таён Сон (Taeyong Son), исполнительный вице-президент подразделения дисплейных решений компании Samsung Electronics. – Достижение сертификации SGS полностью подтверждает безопасность наших продуктов. Благодаря этому признанию мы обязуемся постоянно развивать устойчивые технологии отображения».

Samsung начала исследовать технологию квантовых точек в 2001 году, и ее постоянная приверженность к исследованиям и инвестициям позиционировала ее в первых рядах инноваций на глобальном рынке дисплеев.

После разработки первого в мире квантового точечного материала без кадмия в 2014 году Samsung уже на следующий год запустила телевизоры на основе этой технологии. С тех пор компания развивает технологию квантовых точек посредством непрерывного технологического развития.

В частности, Samsung успешно разработала нанокристаллический материал без кадмия и получила около 150 патентов на эту технологию. Благодаря этому обширному опыту и технологическому прогрессу, компания начала эру более безопасных квантовых точечных телевизоров, изготовленных из материалов, не содержащих вредных веществ.