Dat bleef niet onopgemerkt in de academische wereld. De succesvolle commercialisering van cadmiumvrije quantum dot-TV’s betekende niet alleen een nieuwe richting in onderzoek en ontwikkeling, maar speelde ook een centrale rol in de toekenning van de Nobelprijs voor Scheikunde in 2023 voor de ontdekking en synthese van quantum dots.

Na deel 1 bespreekt Samsung Newsroom hoe Samsung een belangrijke bijdrage aan de academische wereld heeft geleverd door middel van baanbrekende ontwikkelingen op het gebied van materiaalinnovatie.

▲ (Van links) Taeghwan Hyeon, Doh Chang Lee and Sanghyun Sohn

Waarom was cadmium het startpunt voor onderzoek naar quantum dots?

“Ik was echt onder de indruk dat Samsung erin is geslaagd om een quantum dot-beeldscherm zonder cadmium op de markt te brengen.”

 – Taeghwan Hyeon, Seoul National University

Quantum dots begonnen in de jaren 1980 de aandacht van wetenschappers te trekken toen Aleksey Yekimov, voormalig hoofdwetenschapper bij Nanocrystals Technology Inc., en Louis E. Brus, emeritus hoogleraar aan de afdeling Scheikunde van Columbia University, elk hun onderzoek publiceerden over het quantumopsluitingseffect en de grootte-afhankelijke optische eigenschappen van quantum dots.

De volgende stap werd in 1993 gezet toen Moungi Bawendi, hoogleraar aan de afdeling Scheikunde van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), een betrouwbare methode ontwikkelde om quantum dots te synthetiseren. In 2001 vond Taeghwan Hyeon, vooraanstaand hoogleraar aan de afdeling Chemische en Biologische Technologie van de Seoul National University (SNU), het “opwarmproces” uit – een techniek om uniforme nanodeeltjes te produceren zonder de noodzaak van grootteselectieve scheiding. In 2004 publiceerde Hyeon een schaalbare productiemethode in het academische tijdschrift Nature Materials – een ontdekking die alom werd beschouwd als een potentiële revolutie in de industrie.

▲ Taeghwan Hyeon

Dit alles leidde echter niet meteen tot commercialisering. In die tijd werd vooral cadmium (Cd) als kernmateriaal voor quantum dots gebruikt – een stof waarvan bekend is dat deze schadelijk is voor mensen en die onder de RoHS-richtlijn (Restriction of Hazardous Substances) van de Europese Unie als materiaal waarvoor beperkingen gelden is aangewezen.

“Op dit moment zijn cadmiumselenide (CdSe) en indiumfosfide (InP) de enige materialen waarmee op een betrouwbare manier quantum dots kunnen worden geproduceerd,” legt Hyeon uit. “Cadmiumselenide wordt het meest voor quantum dots gebruikt en is een verbinding van groep II- en groep VI-elementen, terwijl indiumfosfide wordt gevormd uit groep III- en groep V-elementen. Het synthetiseren van quantum dots uit groep II- en VI-elementen is relatief eenvoudig, maar het combineren van groep III- en V-elementen is chemisch veel complexer.”

▲ Een vergelijking van cadmium-gebaseerde kwantumstippen met ionische bindingen en indium-gebaseerde kwantumstippen met covalente bindingen

Cadmium is een element met twee valentie-elektronen, dat sterke ionische bindingen¹ vormt met elementen als selenium (Se), zwavel (S) en tellurium (Te) – die elk zes valentie-elektronen hebben. Deze combinaties resulteren in stabiele halfgeleiders, ook wel II-VI-halfgeleiders genoemd. Deze materialen worden al jaren bij onderzoek gebruikt vanwege hun vermogen om nanokristallen van hoge kwaliteit te produceren, zelfs bij relatief lage temperaturen. Hierdoor werd het gebruik van cadmium in quantum dot-synthese jarenlang beschouwd als een academische standaard.

Daarentegen vormt indium (In) – een alternatief voor cadmium met drie valentie-elektronen – covalente bindingen² met elementen zoals fosfor (P), dat vijf valentie-elektronen heeft. Covalente bindingen zijn over het algemeen minder stabiel dan ionische bindingen en hebben een directioneel karakter, waardoor de kans op defecten tijdens de synthese van nanokristallen toeneemt. Door deze eigenschappen is indium een uitdagend materiaal om mee te werken, zowel bij onderzoek als in massaproductie.

“Het is moeilijk om een hoge kristalliniteit in quantum dots gemaakt van indiumfosfide te bereiken,” aldus Lee. “Er is een complex en veeleisend syntheseproces nodig om aan de kwaliteitsnormen te voldoen die voor commercialisering nodig zijn.”

Geen compromissen – van doorbraak tot massaproductie

“Er is gewoon geen ruimte voor compromissen als het gaat om consumentenveiligheid.”

– Sanghyun Sohn, Samsung Electronics

Samsung pakte het echter anders aan.

“We zijn al sinds 2001 bezig met onderzoek naar en de ontwikkeling van quantum dot-technologie”, zegt Sanghyun Sohn, hoofd Advanced Display Lab, Visual Display (VD) Business bij Samsung Electronics. “Maar we zagen al vroeg dat cadmium – dat schadelijk is voor het menselijk lichaam – niet geschikt was voor commercialisering. Technisch gezien staat de regelgeving in sommige landen tot 100 deeltjes per miljoen (ppm) aan cadmium in elektronische producten toe, maar Samsung heeft vanaf het begin een nul-cadmiumbeleid gehanteerd. Geen cadmium, geen compromissen – dat was onze strategie. Er is gewoon geen ruimte voor compromissen als het gaat om consumentenveiligheid.”

▲ Sanghyun Sohn

Samsungs jarenlange toewijding aan het principe “No Compromise on Safety” kwam in 2014 naar voren, toen het bedrijf met succes ‘s werelds eerste quantum dot-materiaal zonder cadmium ontwikkelde. Samsung introduceerde een drielaagse beschermende coatingtechnologie die nanodeeltjes van indiumfosfide afschermt van externe factoren zoals zuurstof en licht om zowel de duurzaamheid als de beeldkwaliteit te garanderen. Het jaar daarop lanceerde Samsung ‘s werelds eerste commerciële SUHD-TV met quantum dots zonder cadmium – een fundamentele verschuiving in de beeldschermindustrie en het hoogtepunt van onderzoeksinspanningen die in de vroege jaren 2000 begonnen.

“Quantum dots op basis van indiumfosfide zijn inherent instabiel en moeilijker te synthetiseren in vergelijking met hun tegenhangers op basis van cadmium, waardoor ze aanvankelijk slechts ongeveer 80% van de prestaties van quantum dots op basis van cadmium bereikten,” aldus Sohn. “Door een intensief ontwikkelingsproces bij het Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) hebben we die prestaties echter met succes tot 100% verhoogd en de betrouwbaarheid langer dan 10 jaar gewaarborgd.”

▲ De drie componenten van kwantumstippen

De quantum dots in de Samsung QLED’s bestaan uit drie hoofdcomponenten: een kern die licht uitstraalt, een omhulsel dat de kern beschermt en de structuur stabiliseert, en een ligand (een polymeercoating die de oxidatiestabiliteit buiten het omhulsel verbetert). De essentie van quantum dot-technologie ligt in de naadloze integratie van deze drie elementen, een geavanceerd industrieel proces dat loopt van materiaalverwerving en synthese tot massaproductie en het aanvragen van talloze patenten.

“Deze drie componenten – kern, omhulsel en ligand – zijn allemaal essentieel,” voegt Lee toe. “Samsung heeft een uitstekende technologie voor de synthese van indiumfosfide ontwikkeld.”

“Het is al een hele uitdaging om een technologie in een lab te ontwikkelen, maar commercialisering is van een heel ander niveau om de productstabiliteit en een consistente kleurkwaliteit te garanderen,” aldus Hyeon. “Ik was echt onder de indruk dat Samsung erin is geslaagd om een quantum dot-beeldscherm zonder cadmium op de markt te brengen.”

De norm voor quantum dots bepalen

“Onderzoekstrends in de academische wereld zijn merkbaar verschoven nadat de quantum dot-TV’s van Samsung op de markt kwamen.”

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

De optische eigenschappen van quantum dots worden toegepast op talloze gebieden, waaronder zonnecellen, geneeskunde en quantumcomputing. Het quantum dot-beeldscherm blijft echter de meest actief onderzochte en gecommercialiseerde toepassing tot nu toe – met Samsung als pionier.

Op basis van jarenlang fundamenteel onderzoek en de introductie van SUHD-TV’s lanceerde Samsung in 2017 de QLED-TV’s en zette daarmee een nieuwe standaard voor hoogwaardige beeldschermen. In 2022 ging de innovatie van het bedrijf verder met het debuut van QD-OLED-TV’s – ‘s werelds eerste TV met een beeldscherm dat quantum dots met een OLED-structuur combineerde.

▲ Een vergelijking van LCD, QLED en QD-OLED structuren

QD-OLED is een beeldschermtechnologie van de volgende generatie die quantum dots integreert in de zelfemitterende structuur van OLED. Deze aanpak zorgt voor snellere reactietijden, diepere zwarttinten en hogere contrastverhoudingen. De QD-OLED van Samsung is in 2023 door de Society for Information Display (SID), ‘s werelds grootste organisatie op het gebied van beeldschermtechnologieën, uitgeroepen tot ‘Display of the Year’.

“Samsung is niet alleen marktleider met op indiumfosfide gebaseerde quantum dot-TV’s, maar is nog steeds het enige bedrijf dat met succes quantum dots in OLED’s heeft geïntegreerd en gecommercialiseerd,” zegt Sohn. “Dankzij onze leidende positie in quantum dot-technologie blijven we ook in de toekomst voorloper in beeldscherminnovatie.”

▲ Doh Chang Lee

“Onderzoekstrends in de academische gemeenschap verschoven merkbaar nadat de quantum dot-TV’s van Samsung op de markt kwamen,” zegt Doh Chang Lee, hoogleraar aan de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). “Sinds de lancering zijn de discussies steeds meer gericht op praktische toepassingen in plaats van op de materialen zelf, wat het potentieel voor toepassing in de echte wereld door middel van beeldschermtechnologieën aangeeft.”

“Er zijn veel pogingen gedaan om quantum dots op verschillende gebieden toe te passen, waaronder fotokatalyse,” voegt hij daaraan toe. “Maar dit staat nog in de kinderschoenen vergeleken met het gebruik ervan in beeldschermen.”

Hyeon merkt ook op dat de succesvolle commercialisering van de quantum dot-TV’s van Samsung de weg vrijmaakte voor Bawendi, Brus en Yekimov om de Nobelprijs voor Scheikunde in 2023 in de wacht te slepen.

“Een van de belangrijkste criteria voor de Nobelprijs is de mate waarin een technologie door commercialisering aan de mensheid bijdraagt,” zegt hij. “De QLED van Samsung is een van de belangrijkste prestaties op het gebied van nanotechnologie. Zonder de commercialisering ervan zou het lastig zijn om met quantum dots een Nobelprijs te winnen.”

Samsungs visie op de beeldschermen van morgen

Sinds de lancering van de QLED-TV’s heeft Samsung de groei van quantum dot-technologie in zowel de industrie als de academische wereld versneld. We vroegen de experts naar de toekomst van quantum dot-schermen en zij deelden met ons wat er volgens hen nog in het verschiet ligt.

“We doen momenteel onderzoek naar zelf-emitterende quantum dots, de technologie van de volgende generatie,” aldus Sohn. “Tot nu toe waren quantum dots afhankelijk van een externe lichtbron om rood en groen uit te stralen. In de toekomst willen we quantum dots ontwikkelen die onafhankelijk licht uitstralen door elektroluminescentie – waarbij de drie primaire kleuren worden geproduceerd door elektrische energie te injecteren. We werken ook aan de ontwikkeling van blauwe quantum dots.”

“Met elektroluminescente materialen kunnen we de afmetingen van toestelonderdelen verkleinen, waardoor we de hoge resolutie, efficiëntie en helderheid bereiken die nodig zijn voor virtuele en augmented reality-toepassingen”, aldus Lee, die een grote transformatie in de toekomst van beeldschermen voorspelt.

“Een goed beeldscherm is een beeldscherm dat de kijker niet als zodanig herkent,” zegt Sohn. “Het uiteindelijke doel is om een ervaring te bieden die niet van echt te onderscheiden is. Als leider in innovatie op het gebied van quantum dot-beeldschermen gaan we onverminderd verder met de ontwikkelingen.”

Dankzij zijn continue leiderschap en een gedurfde technologische visie geeft Samsung vorm aan de toekomst van beeldschermen en creëert het bedrijf nieuwe mogelijkheden met quantum dots.

¹ Een ionische binding is een chemische binding die wordt gevormd wanneer elektronen tussen atomen worden overgedragen, waardoor er ionen ontstaan die bij elkaar worden gehouden door elektrische aantrekkingskracht.
² Een covalente binding is een chemische binding waarbij twee atomen elektronen delen.

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.

Samsung Electronics Co., Ltd. heeft vandaag aangekondigd dat de quantum dot (QD) sheet die het gebruikt in zijn QD-TV’s gecertificeerd is volgens de RHoS-richtlijn ter beperking van gevaarlijke stoffen. De technologie is daarnaast ook door de SGS (Société Générale de Surveillance), een internationale certificeringsinstantie, gecertificeerd als gegarandeerd cadmiumvrij.

Het in de Zwitserse stad Genève gevestigde SGS is een internationaal toonaangevende test- en certificeringsinstantie die diensten levert om ervoor te zorgen dat organisaties voldoen aan strenge kwaliteits- en veiligheidsnormen voor diverse bedrijfstakken, waaronder elektronica, levensmiddelen en het milieu.

Nu is dus niet alleen de cadmiumvrije technologie in de quantum dot-laag van Samsung SGS-gecertificeerd, maar compliance met de Europese RoHS-richtlijn vormt nog eens een extra garantie voor de veiligheid van de TV-kijkervaring.

“Aan de basis van de quantum dot-TV’s van Samsung ligt veilige technologie die enerzijds beantwoordt aan de voorschriften wat betreft gevaarlijke stoffen maar anderzijds tegelijkertijd voor een ongeëvenaarde beeldkwaliteit zorgt”, aldus Taeyong Son, Executive Vice President van Visual Display Business bij Samsung Electronics. “Deze SGS-certificering onderstreept nog eens de veiligheid van onze producten en toont aan dat wij onvermoeibaar blijven werken aan de ontwikkeling van duurzame beeldschermtechnologieën.”

Samsung begon in 2001 met het onderzoek naar quantum dot-technologie. Door steeds te blijven investeren in (het onderzoek naar) deze technologie is het bedrijf koploper als het gaat om de innovatie op de wereldwijde displaymarkt.

Na de ontwikkeling van het eerste cadmiumvrije quantum dot-materiaal ter wereld in 2014, lanceerde Samsung het jaar daarop TV’s met deze technologie. Sindsdien heeft het bedrijf dankzij continue technologische ontwikkeling zijn toonaangevende rol op het gebied van quantum dot-technologie weten te behouden.

Samsung is er met name in geslaagd om cadmiumvrij nanokristalmateriaal te maken en heeft ongeveer 150 patenten op deze technologie. Met Samsungs uitgebreide expertise en technologische vooruitgang heeft het bedrijf een tijdperk ingeluid van veiligere quantum dot-TV’s met materialen die geen schadelijke stoffen bevatten.

Quantum dots: beeldscherminnovatie van de volgende generatie

Quantum dots zijn ultrafijne halfgeleiderdeeltjes die tienduizenden keren dunner zijn dan een menselijke haar. Door hun fysieke eigenschappen bieden ze van alle bestaande materialen het hoogste niveau van kleurnauwkeurigheid en helderheid, wat een revolutie teweeg heeft gebracht in beeldschermtechnologie.

In beeldschermen ondersteunen quantum dots een uiteenlopend kleurenpalet dat nauw aansluit bij de kleuren die het menselijk oog kan waarnemen. Daarnaast vergemakkelijken ze de lichtaanpassing op pixelniveau voor nauwkeurigere zwartniveaus. Quantum dots zenden licht in alle richtingen uit en leveren vanuit elke kijkhoek een uniforme helderheid en consistente kleuren, terwijl ze blootstelling aan blauw licht minimaliseren voor een comfortabelere kijkervaring.

▲ SUHD-TV’s tijdens de CES 2015

Wat maakt de QD-TV’s van Samsung anders? Hoeveelheid, kwaliteit van de quantum dot-laag en cadmiumvrije technologie

De TV-industrie blijft de commercialisering van quantum dots onderzoeken en ontwikkelen, aangezien het materiaal een game-changer in beeldschermtechnologie aan het worden is. Daarom zijn er de laatste tijd verschillende quantum dot-TV’s op de markt gekomen, die klanten diverse opties bieden.

De grootste verschillen in quantum dot-TV’s zitten echter in de manier waarop de technologie is geïmplementeerd en de algehele kwaliteit van het scherm. Voor een eersteklas kijkervaring moet er met diverse factoren rekening worden gehouden, zoals de hoeveelheid quantum dots, de kwaliteit van de quantum dot-laag en het innovatieve gebruik van cadmiumvrije materialen.

▲ Factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van een quantum dot-TV van hoge kwaliteit

Hoeveelheid quantum dots

De echte kwaliteit van een quantum dot-TV wordt door de hoeveelheid quantum dots bepaald. De concentratie quantum dots in de QD-laag moet hoog zijn om de levendige, rijke beeldkwaliteit en kleuruitdrukking te bereiken waar QLED-schermen bekend om staan.

Quantum dot-laag

Quantum dot-displays hebben een eenvoudigere en efficiëntere constructie dan lcd-schermen. QLED’s van Samsung maken een fosforlaag overbodig, omdat de quantum dot-laag zelf, samen met de blauwe achtergrondverlichting, de helderheid verbetert en voor een levendigere weergave zorgt.

Een stap verder in nog betere beeldkwaliteit is een quantum dot-OLED (QD-OLED). Deze bestaat uit een TFT-laag (thin-film transistor),[1] een ‘self-emitting’ lichtbron en een quantum dot-laag die gebruik maakt van het licht dat door de lichtbron wordt uitgestraald. In beide gevallen is een speciale quantum dot-laag met voldoende quantum dots essentieel voor het leveren van topkwaliteit en een lange levensduur.

▲ Een vergelijking van QD-OLED- en lcd-displays

Cadmiumvrij

In de eerste ontwikkelingsfases van quantum dot-TV’s werd cadmium beschouwd als het meest efficiënte materiaal voor de productie van quantum dots. Het was essentieel voor het bereiken van de grootste voordelen van de quantum dot-technologie zoals kleurweergave en contrastverhouding.

De giftigheid en de impact op het milieu van cadmium vormden echter een groot obstakel voor de commercialisering van de quantum dot-technologie. Het gebruik van cadmium in consumentenelektronica is toegestaan, maar er gelden strenge regels, aangezien het materiaal onder de EU-wetgeving beperkingen kent[2]. Hierdoor is het lastig om dit materiaal overal voor te gebruiken, ondanks het feit dat dit het meest geschikte materiaal voor de implementatie van quantum dot-technologie is.

Vanwege deze uitdaging heeft Samsung zijn aanzienlijke onderzoek en kennis geïnvesteerd in het succesvol ontwikkelen en commercialiseren van alternatieven op basis van indium. Dit heeft erin geresulteerd dat Samsung sinds 2015 in zijn televisies cadmiumvrije quantum dots gebruikt.

10 jaar innovatie en leiderschap in quantum dot-technologie

Samsung was een van de eersten die het potentieel van quantum dot-technologie inzag en heeft de afgelopen tien jaar door voortdurend onderzoek en investeringen de toon gezet voor innovatie op de wereldwijde displaymarkt.

▲ Een tijdlijn van de ontwikkeling van quantum dot-technologie van Samsung van 2001 tot en met 2022

Samsung begon in 2001 met het onderzoek naar en de ontwikkeling van quantum dot-technologie, toen er nog maar weinig onderzoek naar andere materialen zonder cadmium werd gedaan. De nanodeeltjes moesten uniform worden gemaakt om levendige kleuren te krijgen, maar het gebrek aan technologie en onderzoek maakte massaproductie extreem uitdagend.

Ondanks deze obstakels slaagde Samsung er in 2014 in om door het gebruik van indium een nanokristalmateriaal zonder cadmium te maken. Sindsdien heeft het bedrijf veel expertise opgebouwd, registreerde het meer dan 150 patenten en werkte het voortdurend aan het verbeteren van de technologie. Zoals hierboven al gezegd bracht Samsung in 2015 deze innovatie op de markt als ‘s werelds eerste SUHD-TV’s door het gebruik van cadmiumvrije quantum dot-technologie.

▲ QLED-TV’s (75Q8C en 88Q8F) tijdens het Samsung-evenement First Look 2017 tijdens CES 2017

Samsung wilde niet stil blijven staan en verfijnde de technologie verder; in 2017 brachten ze hun eerste QLED-productlijn op de markt, waarmee het een nieuwe standaard voor hoogwaardige TV’s zette. Door het gebruik van metalen quantum dot-technologie heeft Samsung de DCI-P3-kleurnorm van het Digital Cinema Initiative gehaald en voor het eerst een 100% kleurvolume bereikt, wat een ongeëvenaarde kleuruitdrukking oplevert.[3] Met name het gebruik van anorganische quantum dot-technologie beschermde de schermen tegen inbranden[4], zodat er ook na verloop van tijd een consistente beeldkwaliteit wordt gegarandeerd.

▲ (Van links naar rechts) Kwang-Hee Kim, dr. Taehyung Kim, dr. Eunjoo Jang, Sungwoo Kim en Seon-Myeong Choi van het Samsung Advanced Institute of Technology

Na het succes bij de ontwikkeling van een rood licht emitterend element voor beeldschermen in 2019 verbeterde het bedrijf de lichtefficiëntie van blauwe ‘self-emitting’ QLED’s (blauw wordt van de drie primaire QLED-kleuren als de meest uitdagende kleur beschouwd[5]) tot een toonaangevende 20,2%.[6]

“De ontdekking van een blauw materiaal voor ‘self-emitting’ QLED’s en de toonaangevende prestaties op toestelniveau waren belangrijke resultaten van dit onderzoek”, aldus dr. Eunjoo Chang, een fellow aan het Samsung Advanced Institute of Technology. “Samsung’s onderscheidende quantum dot-technologie heeft opnieuw technische barrières overwonnen.”

Maar daar bleef het niet bij. Deze ontwikkelingen hebben uiteindelijk geleid tot de lancering van QD-OLED-TV’s, die geschiedenis schreven op CES 2022 door de Best of Innovation Award te winnen voor de integratie van quantum dot-technologie en OLED-schermen.

Onze nieuwste Neo QLED-modellen gaan nog een stapje verder door standaard-led’s te vervangen door een groter aantal mini-led’s, wat nog meer detail, helderheid en levendige kleuren geeft. Ze zijn daarnaast zelfs verkrijgbaar met een 8K-resolutie. Het spreekt voor zich dat we de hardware aanvullen met de nieuwste software, waaronder AI Upscaling en -optimalisatie, en nu ook Vision AI.[7]

Samsung blijft quantum dot-technologie verder ontwikkelen door middel van voortdurende innovaties. Het bedrijf zal ook continu investeren in toonaangevende beeldschermtechnologie – van QLED en QD-OLED tot Neo QLED – door een hoge helderheid, kleurnauwkeurigheid en frequentie te bieden. Dankzij de ongeëvenaarde quantum dot-innovaties van Samsung is de toekomst van beeldschermtechnologie helderder dan ooit.

[1] Een elektronisch circuit dat de lichtgevende lagen aanpast en regelt

[2] De RoHS-richtlijn 2002/95 (Restriction of Hazardous Substances, Beperking van Gevaarlijke Stoffen) beperkt het gebruik van cadmium tot 100 ppm voor materialen die voor de meeste producten worden gebruikt.

[3] Kleurvolume: Wat is het en waarom is het belangrijk voor tv’s? http://bit.ly/2masnPw

[4] Dit fenomeen gebeurt wanneer een statisch beeld te lang wordt weergegeven, waardoor er kleurvervormingen ontstaan of er spookbeelden op het scherm blijven staan

[5] Rood, groen en blauw

[6] https://news.samsung.com/global/samsung-electronics-develops-industry-leading-blue-qled-technology

[7] Samsung Vision AI | CES 2025 | GLOBAL