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.