Nobelprijswinnend materiaal in het hart van Samsungs QLED’s [Interview over echte quantum dots, deel 1].

"Een van de redenen waarom Samsung zich op quantum dots heeft gericht, is hun uitzonderlijk smalle pieken in het emissiespectrum."
– Sanghyun Sohn, Samsung Electronics

In 2023 werd de Nobelprijs voor Scheikunde toegekend voor de ontdekking en synthese van quantum dots. Het Nobelcomité erkende hiermee de baanbrekende prestaties van wetenschappers op dit gebied en merkte daarbij op dat quantum dots al een belangrijke bijdrage aan de beeldscherm- en medische industrie hebben geleverd en dat er bredere toepassingen worden verwacht in elektronica, quantumcommunicatie en zonnecellen.

Quantum dots zijn ultrafijne halfgeleiderdeeltjes die, afhankelijk van hun grootte, verschillende kleuren licht uitzenden waardoor ze uitzonderlijk zuivere en levendige tinten produceren. Samsung Electronics is ‘s werelds grootste TV-fabrikant en heeft dit geavanceerde materiaal dat beeldschermprestaties verbetert, omarmd.

Samsung Newsroom ging in gesprek met Taeghwan Hyeon, vooraanstaand hoogleraar aan de afdeling Chemische en Biologische Technologie van de Seoul National University (SNU), Doh Chang Lee, hoogleraar aan de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), en Sanghyun Sohn, hoofd van het Advanced Display Lab, Visual Display (VD) Business bij Samsung Electronics, om te ontdekken hoe quantum dots een nieuw tijdperk van beeldschermtechnologie inluiden.

• Wat is de bandkloof?
• Quantum dots – hoe kleiner het deeltje, hoe groter de bandkloof
• De techniek achter quantum dot-lagen
• Echte QLED-TV’s gebruiken quantum dots om kleur te creëren

Wat is de bandkloof?

“Als je wilt weten hoe quantum dots werken, moet je eerst het concept van de bandkloof begrijpen.”

– Taeghwan Hyeon, Seoul National University

Bij de beweging van elektronen ontstaat elektriciteit. Meestal zijn de buitenste elektronen – valentie-elektronen genoemd – bij deze beweging betrokken. Het energiebereik waarbinnen deze elektronen bestaan, heet de valentieband. Een hoger, ongebruikt energiebereik dat elektronen kan accepteren, wordt de geleidingsband genoemd.

Een elektron kan energie absorberen om van de valentieband naar de geleidingsband te springen. Wanneer het bekrachtigde elektron die energie vrijgeeft, valt het terug in de valentieband. Het energieverschil tussen deze twee banden – de hoeveelheid energie die een elektron moet winnen of verliezen om ertussen te bewegen – noemen we de bandkloof.

▲ Een vergelijking van energiebandstructuren in isolatoren, halfgeleiders en geleiders

Isolerende materialen zoals rubber en glas hebben een grote bandkloof, waardoor elektronen niet vrij tussen de banden kunnen bewegen. Geleidende materialen zoals koper en zilver hebben daarentegen overlappende valentie- en geleidingsbanden, waardoor elektronen vrij kunnen bewegen voor een hoge elektrische geleidbaarheid.

Halfgeleiders hebben een bandkloof die tussen die van isolerende en geleidende materialen valt, waardoor de geleidbaarheid onder normale omstandigheden wordt beperkt, maar elektrische geleidbaarheid of lichtemissie mogelijk is wanneer elektronen door warmte, licht of elektriciteit worden gestimuleerd.

“Als je wilt weten hoe quantum dots werken, moet je eerst het concept van de bandkloof begrijpen,” aldus Hyeon, die benadrukt dat de energiebandstructuur van  materiaal cruciaal is voor het bepalen van de elektrische eigenschappen.

Quantum dots – hoe kleiner het deeltje, hoe groter de bandkloof

“Als quantum dot-deeltjes kleiner worden, verschuift de golflengte van het uitgestraalde licht van rood naar blauw.”

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

Quantum dots zijn halfgeleiderkristallen op nanoschaal met unieke elektrische en optische eigenschappen. Gemeten in nanometer (nm) – oftewel een miljardste van een meter – zijn deze deeltjes slechts een paar duizendste van de dikte van een menselijke haar. Wanneer een halfgeleider wordt verkleind tot op de nanometerschaal, veranderen de eigenschappen aanzienlijk ten opzichte van de bulktoestand.

In bulktoestand zijn de deeltjes groot genoeg om de elektronen in het halfgeleidermateriaal vrij te laten bewegen zonder door hun eigen golflengte te worden beperkt. Hierdoor kunnen energieniveaus – de toestand van deeltjes wanneer ze energie absorberen of afgeven – een continu spectrum vormen, net als een lange glijbaan met een lichte hellingshoek. In quantum dots wordt de beweging van elektronen beperkt omdat de deeltjes kleiner zijn dan de golflengte van het elektron.

▲ Grootte bepaalt de bandkloof in kwantumstippen

Stel je voor dat je water (energie) met een pollepel (bandbreedte die overeenkomt met de golflengte van een elektron) uit een grote pan (bulktoestand) schept. Met behulp van de pollepel kun je de hoeveelheid water in de pan vrij aanpassen van vol tot leeg – dit is hetzelfde als continue energieniveaus. Wanneer de pan echter kleiner wordt, net zo groot als een theekopje – zoals een quantum dot – dan past de pollepel er niet meer in. Het kopje kan dan alleen maar vol of leeg zijn. Dit illustreert het concept van gequantiseerde energieniveaus.

“Wanneer halfgeleiderdeeltjes worden gereduceerd tot de nanometerschaal, worden hun energieniveaus gequantiseerd – ze kunnen alleen bestaan in discontinue stappen,” aldus Hyeon. “Dit effect wordt ‘quantumopsluiting’ genoemd. Op deze schaal kan de bandkloof worden geregeld door de deeltjesgrootte aan te passen.”

Het aantal moleculen binnen het deeltje neemt af naarmate de grootte van de quantum dot afneemt, waardoor moleculaire orbitalen minder goed kunnen interacteren. Dit versterkt het effect van quantumopsluiting en vergroot de bandkloof.¹ De bandkloof komt overeen met de energie die vrijkomt door de ontspanning van een elektron van de geleidingsband naar de valentieband en daardoor verandert de kleur van het uitgestraalde licht.

“Naarmate de deeltjes kleiner worden, verschuift de golflengte van het uitgestraalde licht van rood naar blauw,” aldus Lee. “De grootte van het nanokristal in de quantum dot bepaalt dus de kleur.”

De techniek achter quantum dot-lagen

“De kern van QLED-TV’s wordt door de quantum dot-laag gevormd, wat de diepgaande technische expertise van Samsung laat zien.”

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

Quantum dots zijn interessant voor verschillende gebieden, waaronder zonnecellen, fotokatalyse, geneeskunde en quantumcomputing. De beeldschermindustrie heeft de technologie echter als eerste met succes op de markt gebracht.

“Een van de redenen waarom Samsung zich op quantum dots heeft gericht, is de uitzonderlijk smalle pieken van hun emissiespectrum,” zegt Sohn. “Door hun smalle bandbreedte en sterke fluorescentie zijn ze ideaal voor het nauwkeurig reproduceren van een breed kleurenspectrum.”

▲ Quantum dots creëren ultrazuivere rode, groene en blauwe (RGB) kleuren door licht op nanoschaal te controleren, waardoor een smalle bandbreedte en sterke fluorescentie worden geproduceerd.

Voor effectief gebruik van quantum dots in beeldschermtechnologie moeten materialen en structuren langdurig en onder zware omstandigheden goed blijven presteren. Samsung QLED bereikt dit door het gebruik van een quantum dot-laag.

“De nauwkeurige kleurweergave in een beeldscherm hangt af van hoe goed de laag de optische eigenschappen van quantum dots benut,” zegt Lee. “Een quantum dot-laag moet voor commercieel gebruik aan een aantal belangrijke vereisten voldoen, zoals een efficiënte lichtomzetting en doorschijnendheid.”

▲ Sanghyun Sohn

De quantum dot-laag die in Samsung QLED-displays wordt gebruikt, wordt geproduceerd door een quantum dot-oplossing toe te voegen aan een polymeerbasis. Deze wordt verwarmd tot een zeer hoge temperatuur en uitgesmeerd tot een dunne laag, waarna deze laag uithardt. Dit klinkt misschien eenvoudig, maar het eigenlijke productieproces is zeer complex.

“Het is alsof je kaneelpoeder gelijkmatig zonder klontjes in plakkerige honing probeert te mengen – dat valt niet mee,” zegt Sohn. “Als we de quantum dots gelijkmatig over de laag willen verspreiden, moeten we zorgvuldig rekening houden met verschillende factoren zoals materialen, ontwerp en verwerkingsomstandigheden.”

Ondanks deze uitdagingen verlegde Samsung de grenzen van de technologie. Het bedrijf ontwikkelde eigen polymeermaterialen die specifiek zijn geoptimaliseerd voor quantum dots om de duurzaamheid van de beeldschermen op lange termijn te garanderen.

“We hebben veel expertise opgebouwd in quantum dot-technologie door de ontwikkeling van barrièrelagen die vocht tegenhouden, en polymeermaterialen die quantum dots gelijkmatig verspreiden,” voegt hij eraan toe. “Hierdoor hebben we niet alleen massaproductie mogelijk gemaakt, maar ook de kosten verlaagd.”

Dankzij dit geavanceerde proces levert de quantum dot-laag van Samsung een nauwkeurige kleurexpressie en een uitstekende lichtopbrengst – dit alles ondersteund door een toonaangevende duurzaamheid.

“Helderheid wordt meestal gemeten in nits, waarbij één nit gelijk is aan de helderheid van éénkaars,” legt Sohn uit. “Conventionele leds zijn ongeveer 500 nits, maar onze quantum dot-schermen kunnen 2.000 nits of meer bereiken – het equivalent van 2.000 kaarsen – waarmee een nieuw niveau van beeldkwaliteit wordt bereikt.”

▲ RGB-gammavergelijkingen tussen zichtbaar lichtspectrum, sRGB en DCI-P3 in een CIE 1931-kleurruimte

Beschrijving afbeelding:

* CIE 1930: Een veelgebruikt kleurensysteem dat in 1931 werd gepresenteerd door de Commission internationale de l’éclairage
* sRGB (standaard RGB): Een kleurruimte die Microsoft en HP in 1996 samen voor beeldschermen en printers hebben gecreëerd
* DCI-P3 (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3): Een kleurruimte die veel wordt gebruikt voor digitale HDR-inhoud, gedefinieerd door Digital Cinema Initiatives voor digitale projectoren

Door het gebruik van quantum dots heeft Samsung zowel de helderheid als de kleurexpressie aanzienlijk verbeterd – wat een ongeëvenaarde visuele ervaring oplevert. Samsung QLED-TV’s bereiken zelfs een kleurreproductiewaarde die de 90% van de DCI-P3-kleurruimte (Digital Cinema Initiatives – Protocol 3) overschrijdt, de benchmark voor kleurnauwkeurigheid in digitale cinema.

“Waneer je quantum dots hebt gemaakt, moet je er ook voor zorgen dat ze op lange termijn stabiel blijven, anders zijn ze niet bruikbaar,” aldus Lee. “Samsungs toonaangevende, op indiumfosfide (InP) gebaseerde quantum dot-synthese en laagproductietechnologieën zijn het bewijs van Samsungs uitgebreide technische expertise.”

Echte QLED-TV’s gebruiken quantum dots om kleur te creëren

“De legitimiteit van een quantum dot-TV ligt in het al dan niet benutten van het quantumopsluitingseffect.”

– Taeghwan Hyeon, Seoul National University

Nu de interesse in quantum dots in de hele industrie toeneemt, zijn er verschillende producten op de markt gekomen. Toch zijn niet alle TV’s met quantum dots gelijk – quantum dots moeten voldoende bijdragen aan de werkelijke beeldkwaliteit.

▲ Taeghwan Hyeon

“De legitimiteit van een quantum dot-TV ligt in het al dan niet benutten van het quantumopsluitingseffect,” zegt Hyeon. “De eerste, fundamentele vereiste is om quantum dots te gebruiken om kleur te creëren.”

“Om als een echte quantum dot-TV beschouwd te worden, moeten de quantum dots dienen als de kern van het lichtomzettende of het primaire lichtgevende materiaal,” aldus Lee. “Voor lichtomzettende quantum dots moet het beeldscherm voldoende quantum dots bevatten om het blauwe licht dat de achtergrondverlichting uitstraalt te absorberen en om te zetten.”

▲ Doh Chang Lee

“De quantum dot-laag moet voldoende quantum dots bevatten om effectief te presteren,” herhaalt Sohn, die het belang van de quantum dot-inhoud benadrukt. “Samsung QLED gebruikt meer dan 3000 deeltjes per miljoen (ppm) quantum dot-materialen. 100% van de rode en groene kleuren wordt door quantum dots gemaakt.”

Samsung begon in 2001 met de ontwikkeling van quantum dot-technologie en introduceerde in 2015 ‘s werelds eerste quantum dot-TV zonder cadmium: de SUHD TV. In 2017 lanceerde Samsung de premium QLED-productlijn, waarmee het bedrijf de leidende positie in de sector van quantum dot-schermen verder verstevigde.

In het tweede deel van deze serie interviews gaat Samsung Newsroom verder in op hoe Samsung niet alleen de quantum dot-beeldschermtechnologie op de markt heeft gebracht, maar ook een cadmiumvrij quantum dot-materiaal heeft ontwikkeld – een innovatie die door Nobelprijswinnende onderzoekers in de scheikunde is erkend.

¹ Bij een halfgeleidermateriaal in bulktoestand blijft de bandkloof op een waarde die kenmerkend is voor het materiaal en niet afhangt van de deeltjesgrootte.